制氢速率可控的连续水解制氢系统的制作方法

本实用新型属于水解制氢技术领域，特别涉及一种制氢速率可控的连续水解制氢系统。

背景技术：

目前，全球经济发展面临着巨大的能源危机，节能减排和发展可替代石化燃料的新能源已经成为人类迫在眉睫的需求。当今的各种新能源技术中，氢燃料电池具有广阔的发展空间，被誉为人类未来的理想能源。然而，氢燃料电池的推广现在面临着低成本、高安全的氢源选择方面的问题，解决氢源问题对推广氢燃料电池具有重要意义。

现在主流的移动氢源解决方案是采用高压氢气罐存储氢气，但是高压氢气罐的应用存在以下缺点：(1)存储氢气谜底低，如35MPa、140L的氢气瓶只能存储约3.9kg的氢气；(2)高压氢气存储运输安全性差，气体管道与气瓶都需采用耐高压材料，密封件性能要求高；(3)高压氢气的存储，使用都需要额外的氢气压缩机与减压器，导致氢能的使用成本高。

实际上，如今已经开始应用以硼氢化物为代表的新型制氢材料。具体方法是应用合适的催化剂，控制好反应条件，使硼氢化物水解产出氢气，就可以直接提供给燃料电池或其他需氢设备。如美国戴姆勒-克莱斯勒公司与Millennium Cell公司合作，开发出以硼氢化物储氢燃料为介质的汽车用燃料电池供氢系统，一次加料续航里程高达480km。但硼氢化物制氢存在下列问题：

(1).原料成本贵；(2).钯、钌等贵金属催化剂成本高，催化剂使用寿命短；(3).反应产物偏硼酸盐(NaBO2)易堵塞管路；(4).反应副产物的再生循环利用难；(5).储氢材料的稳定性差，很容易自发放出氢气，存在非常大的安全隐患，不能长期储存。这几种缺陷使得硼氢化物的广泛应用受到一定程度的限制。

活泼金属或其氢化物水解制氢作为一种快速高效制氢技术，其不仅原材料成本低，且所制得的氢气纯度高，不含对燃料电池有害的CO、NH3等气体杂质，可不经过纯化过程，直接提供给氢燃料电池。

但现有活泼金属或其他氢化物水解制氢的装置只能一次性加料、不能控制制氢速度，制氢反应速率不受控，且反应过程温度波动大，反应产物不能及时分离，反应完成后需打开制氢装置进行洗涤并再次添加制氢剂，不能满足氢燃料电池对氢源的需求。

技术实现要素：

针对目前活泼金属或其他氢化物水解制氢的装置存在的不能控制制氢速度、反应过程温度波动大、产物无法及时分离、制氢装置只能一次性加料且每次添加制氢剂均十分繁琐等问题，本实用新型提供一种制氢速率可控的连续水解制氢系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案如下：

一种制氢速率可控的连续水解制氢系统，包括空腔状反应器，所述反应器一端安装有将固态原料输送至所述反应器腔体内的第一进料泵、将液态原料输送至所述反应器腔体内的第二进料泵以及用于排出氢气的单向阀；另一端设有第一排液阀、第二排液阀，并安装有固体产物排出管；在所述反应器壁体的周向方向上设置有循环冷却液通道；

还包括搅拌装置，所述搅拌装置包括搅拌电机、与所述搅拌电机连接并延伸至所述反应器腔体内的搅拌连杆；所述搅拌连杆上顺次安装有将固态原料与液态原料进行搅拌的搅拌桨叶、将反应产物进行固液分离的分离桨叶及将固态产物进行压缩的压缩桨叶；

还包括用于对所述反应器进行自动控制的控制系统，所述控制系统通过信号线分别与所述第一进料泵、第二进料泵、单向阀、第一排液阀、第二排液阀、循环冷却液通道的进出口、固态产物排出阀、搅拌电机连接，以实现信号的收集、分析和反馈。

优选地，所述单向阀内安装有压力检测装置和气体流量监测装置，由所述压力检测装置和气体流量监测装置将通过单向阀内的氢气压力、流量信息反馈给所述控制系统。

优选地，所述反应器壁体还安装有用于检测反应器腔体内反应液液面高度和反应液温度的监控器，所述监控器通过信号线与所述控制系统连接。

优选地，所述第一排液阀、第二排液阀的进水端安装有过滤部件。

优选地，所述搅拌桨叶为片式螺旋桨叶；所述固液分离桨叶为连续螺旋桨叶，且贴合于所述反应器内壁设置；所述压缩桨叶为连续螺旋桨叶，且贴合于所述固态产物排出管设置。

优选地，所述固态产物排出管内设有弹簧活塞，由所述弹簧活塞与所述固态产物排出阀双重控制固态产物的排出。

优选地，所述反应器为双层壳体围合而成，所述循环冷却液管道安装于内层壳体和外层壳体形成的空腔内。

优选地，所述反应器外壁还具有保温层。

优选地，所述单向阀与氢燃料电池电堆或其他储氢设备连通。

优选地，所述固态产物排出管内还设有过滤部件。

本实用新型制氢速率可控的连续水解制氢系统的有益效果为：

相对于现有技术，本实用新型上述提供的制氢速率可控的连续水解制氢系统，进料端、出料端、搅拌装置、冷却部位均与控制系统连通，首先，实现对制氢物料投放的监控、调节以及反应温度的控制，以便调节氢气生产速率，并且反应的固态产物、液态产物可自动排出，实现制氢的连续化；其次，获得的氢气不含CO、NH3等气体，纯度高，不会出现用氢设备出现催化剂中毒的现象；第三，产生的氢气压力低、泄露风险小，安全系数高，可用作移动式氢源。

附图说明

图1为本实用新型制氢速率可控的连续水解制氢系统示意图；

图2为本实用新型制氢速率可控的连续水解制氢系统控制信号示意图；

其中，1-反应器，11-第一进料泵，12-第二进料泵，13-单向阀，14-第一排液阀，15-第二排液阀，16-固态产物排出管，17-固态产物排出阀，18-循环冷却液进口，19-循环冷却液出口；2-搅拌装置，21-搅拌电机，22-搅拌连杆，23-搅拌桨叶，24-固液分离桨叶，25-压缩桨叶；3-控制系统，31-监控器。

具体实施方式

为了使本实用新型要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本实用新型中提到的无物理接触，指的是两个物体不相互靠近，在空间上有间隔。

请参考图1，本实用新型提供一种制氢速率可控的连续水解制氢系统。

所述制氢速率可控的连续水解制氢系统包括反应器1、还包括搅拌装置2、控制系统3。

其中，反应器1为一腔状结构，该腔状结构为一中空腔体，具有相对的第一端和第二端，以其中第一端为上端，第二端为下端，在其上端开设有固态原料进料口、液态原料进料口、氢气出口、搅拌装置连接端口(图1中均未标记)。在所述固态原料进料口上安装有第一进料泵11，以用于向反应器1的腔体内输送固态原料，因此第一进料泵11也可以称作固态原料进料泵；在所述液态进料口上安装有第二进料泵12，以用于向反应器1的腔室内输送液态原料，因此，第二进料泵12也可以称作液态原料进料泵；在所述氢气出口上安装有单向阀13，以用于输出固态原料和液态原料反应产生的氢气，由于其具有单向特性，只能自反应器1的腔体内向外输出气体而腔体外部的气体无法进入反应器1内部，因此可以避免产生的氢气引入其他杂质气体；搅拌装置2通过所述搅拌装置连接端口延伸至反应器1的腔体内，以实现对反应器1内反应液的搅拌。

优选地，所述单向阀13内安装有压力检测装置和气体流量监测装置，由所述压力检测装置和气体流量监测装置将通过单向阀13内的氢气压力、流量信息反馈给控制系统3，并由控制系统3接收后对整个水解制氢系统进行调控。

优选地，所述单向阀13与氢燃料电池电堆或者其他储氢设备连通，以实现向氢燃料电池电堆提供氢气或者将产生的氢气储存起来。

在反应器1的壁体上，周向方向设置有循环冷却液通道，在所述壁体下端开设有所述循环冷却液通道的循环冷却液进液口18，在所述壁体的上端开设有所述循环冷却液通道的循环冷却液出液口19。

优选地，所述反应器1为具有双层结构的中空腔体，第一层壳体围合成制氢反应所需的内腔，而第二层壳体则围合在所述第一层壳体的外部，此时，循环冷却通道缠绕于所述第一层壳体外壁，也就是第一层壳体和第二层壳体形成的空间，以便于对反应液进行快速制冷，同时第二层壳体则起到一定的保温作用，降低外界温度对腔体内反应液温度的影响程度。

更为优选地，也可以在第二层壳体的外部形成一层保温层，以更好地对反应器进行恒温控制。

在所述反应器1的下端，开设有第一排液口、第二排液口及固态产物排出口(在图1中均未标出)，其中，所述第一排液口上安装有第一排液阀14、在所述第二排液口上安装有第二排液阀15，在所述固态产物排出口上连接有固态产物排出管16，在所述固态产物排出口上还安装有固态产物排出阀17，用以控制固态产物的排放。第一排液阀14用于排出反应后不需要压缩的溶液，而第二排液阀15用于排出经压缩产生的液体。

为了避免固态反应产物直接从第一排液阀14、第二排液阀15中排出，优选地，在所述第一排液口、第二排液口上设置有过滤部件。所述过滤部件可以是过滤网、过滤器等。这些过滤部件可以安置于第一排液阀14、第二排液阀15的进水端。

优选地，固态产物排出管16内设置有弹簧活塞，固态产物自反应器1内落入所述弹簧活塞上，弹簧活塞受到重力的作用，当重力超过一定数值时，活塞下移，固态产物自固态产物排出管16排出。通过弹簧活塞和固态产物排出阀17的双重控制，实现固态产物自动化排放。

更为优选地，固态产物排出管16内同样设有过滤部件，具体可以是过滤网、过滤器中的任一种。

在更为优选的实施例中，反应器1下端呈漏斗状，也就是将中空腔的下端设计成漏斗形，形成徐徐向中空腔中心轴聚拢的倾斜壁面，以方便对固态产物的收集。

本实用新型的搅拌装置2包括搅拌电机21、搅拌连杆22、搅拌桨叶23、固液分离桨叶24、压缩桨叶25。搅拌连杆22与搅拌电机21连接，借助搅拌电机21的启动实现搅拌。搅拌连杆22自搅拌电机21通过前述搅拌装置连接端口延伸至反应器1的腔体内，在搅拌连杆22与反应器1壁体结合处，采用机械密封，防止氢气从搅拌连杆22与反应器1接触部位由于存在缝隙而逸出。

所述搅拌桨叶23安装于搅拌连杆22上，并且安装的部位靠近反应器1的进料端，以方便进入反应器1腔体内的固态原料和液态原料的迅速搅拌混合。

优选地，所述搅拌桨叶23为片式螺杆桨叶，使得固态原料如制氢剂和液态原料如制氢溶液充分发生反应。

所述固液分离桨叶24安装于搅拌连杆22上，并且其安装在搅拌连杆22靠近反应器1的出料端，也就是靠近第一排液阀14，以使固态原料和液态原料反应后，进行固液分离，从而可以从第一排液阀14中排出液体。

优选地，所述固液分离桨叶24为连续螺旋桨叶，其贴合反应器1腔体下部内壁安装，以便于加速固液搅拌分离。

所述压缩桨叶25安装于搅拌连杆22上，并且其安装在搅拌连杆22的末端，以便对固液分离桨叶24分离得到的固态产物进行压缩，进一步挤出残留的液体，经过压缩的固态产物，从固态产物排出管16处排出，而残留的液体则从第二排液阀15排出。

优选地，所述压缩桨叶25为连续螺旋桨叶，其贴合于固态产物排出管16内壁设置，以实现对固态产物的加压排放。

本实用新型的控制系统3可以参阅图2所示，该控制系统3对整个水解制氢系统进行控制，该控制系统3包括一安装在反应器1壁体的监控器31，以实现对反应器1内的反应液液面高度、反应液温度进行收集，其通过收集反应器1壁体的监控器31反馈的数据，做出回馈，同时通过收集单向阀13的气体压力、流量信息，对反应器1的反应进行调节。具体地，其通过信号线与监控器31连通，并通过信号线分别与单向阀13、第一进料泵11、第二进料泵12、第一排液阀14、第二排液阀15、固态产物排出阀17、循环冷却液进口18、循环冷却液出口19、搅拌电机21连接，以实现对相应零部件进行控制。

其具体控制过程如下：通过收集单向阀13内氢气压力、氢气流量信息，以及收集监器31检测的反应器1内的液面高度、温度信息，进行以下调节：

(1).根据氢气压力和氢气流量判断制氢速率的大小，结合事先设定的数值范围，若制氢速率偏大，则控制第一进料泵11和第二进料泵12的进料速度，使其进料减慢；若制氢速率偏小，则控制第一进料泵11和第二进料泵12的进料速度，使其进料加速。

(2).根据反应器1内的反应液液面高度判断进料和排出，若在事先设定的液面高度范围内，则第一进料泵11、第二进料泵12进料的阀门关闭，同时第一排液阀14、第二排液阀15和固态产物排出阀17均关闭；

若液面高度低于事先设定的高度范围，则打开第一进料泵11、第二进料泵12，向反应器1内输送固态原料和液态原料，并且关闭第一排液阀14、第二排液阀15和固态产物排出阀17；

若液面高度高于事先设定的高度范围，则关闭第一进料泵11、第二进料泵12，向反应器1内输送固态原料和液态原料，同时打开第一排液阀14、第二排液阀15，排出反应溶液，或者打开固态产物排出阀17，排出固态产物。

(3).根据反应器1内的反应液温度信息，判断是否需要冷却。若温度在事先设定的范围以下，则循环冷却液进口18和循环冷却液出口19均关闭，此时不通循环冷却液；若温度在事先设定的范围以内，则循环冷却液进口18和循环冷却液出口19均半开状态，此时缓缓通入循环冷却液，维持温度的恒定；若温度在事先设定的范围以上，则循环冷却液进口18和循环冷却液出口19均完全打开，此时循环冷却液加速流动，以尽快使得反应器1内的温度回落至设定的温度范围内。

作为优选地，所述控制系统3具有控制器，在所述控制器上具有液晶显示屏和控制键，液晶显示屏上可以显示氢气压力、氢气流量、反应液液面高度和温度等其他信息，通过在所述控制器上设定程序，使得制氢过程实现程序化、自动化。

适合用于本实用新型制氢速率可控的连续水解制氢系统的固态原料(也叫做制氢剂)为Mg、Li、Al、Ca、Na、K、LiH、NaH、KH、MgH2、AlH3、CaH2一种或几种，在投料时最好是以粉末状的形式投料。

适合用于本实用新型制氢速率可控的连续水解制氢系统的液态原料(也叫做制氢溶液)为NaOH溶液、KOH溶液、Na2CO3溶液、K2CO3溶液中的一种或两种以上组合，当然也可以是去离子水。

如可以是以下的反应体系，其中固态原料为MgH2，液态原料为H2O，体系内的反应方程式为：

MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2。

由此获得的氢气具有安全可靠、快捷、产氢速率可控、氢气纯度高、自动化操作、反应温度可控、产物自动分离等特点，可以自由组合扩容，采用模块化设计，方便携带，尤其适用于氢燃料电池汽车。

本实用新型循环冷却液在吸收了反应热量达到一定温度的冷却液，一部分通过外置的散热元器件降温到环境温度，一部分可导向需要加热的其他元器件，如用于提供增程能力的锂电池组。

本实用新型的制氢速率可控的连续水解制氢系统，具有制氢连续可控、氢气产生速率可调节、反应后的溶液和固态产物可以自动排出的特点；而且可以使用多种不同的制氢剂和制氢溶液水解制氢，原料来源广泛，适用范围广；获得的氢气纯度高、不含CO、NH3等气体，不会导致燃料电池电极催化剂中毒，可直接供氢燃料电池使用；此外，本实用新型制氢过程中温度可控，产生的氢气压力低，泄露风险小，安全性高；由于制氢过程可控，保证了制氢过程的自动化，智能化，可以与其他设备进行直接对接。

另外，由本实用新型连续水解制氢系统可以一边制氢，一边自动排除反应后的溶液和固态产物，不需要打开反应罐清洗，维护方便，产生的废液和固态残渣自动分离，分别存放，产生产物可以直接回收和二次利用。

本实用新型产生的废热可以有效利用，循环冷却液出口放出的热循环液可以用于电池系统加热，室内供暖，热水器制热等方面。

本实用新型制氢效率高，装置成本低，可以设计成大小不同的标准化规格，进行组合扩容，即可用于固定制氢，也可以做移动式氢源，适用范围。

为了更好的说明本实用新型提供的制氢速率可控的连续水解制氢系统及其工作过程，下面通过多个实施例进一步解释说明。

实施例1

具体参阅图1所示，本实施例涉及的制氢速率可控的连续水解制氢系统，反应器1为双层壳体的反应罐，循环冷却液通道缠绕在双层壳体的夹层内，循环冷却液进口18设置于反应罐下端，而循环冷却液出口19设置在反应罐上端，在反应罐的上端分别安装有搅拌装置2、第一进料泵11、第二进料泵12、单向阀13(单向阀内安装有氢气压力检测装置和气体流量监测装置)，所述搅拌装置2包括搅拌电机21、搅拌连杆22，所述搅拌连杆22自搅拌电机21延伸至反应罐内，并且在反应罐内的搅拌连杆22分为上部、中部、下部，其上部安装有搅拌桨叶23、中部安装有固液分离桨叶24、下部安装有压缩桨叶25；反应罐的下部为一漏斗状的结构，安装有第一排液阀14、第二排液阀15、固态产物排出管16、固态产物排出阀17、在第一排液阀14、第二排液阀15、固态产物排出管16附近均分别安装有过滤器；

本水解连续水解制氢系统还包括控制系统3，控制系统3包括一监控器31，该监控器31安装在反应器1的外壁上，用以探测和监控反应器1内的反应液面高度和反应液的温度，控制系统3还包括由可以显示氢气压力、氢气流量、反应液液面高度和温度等其他信息的液晶显示屏和便于进行编程的控制键形成的控制器，所述控制系统3通过信号线分别与第一进料泵11、第二进料泵12、单向阀13、第一排液阀14、第二排液阀15、固态产物排出阀17、循环冷却液进口18、循环冷却液出料口19、搅拌电机21、监控器31连通。

制氢剂主材料为MgH2和Ca，按照质量含量为100％计，MgH2 70～95％，Ca 5～30％；制氢溶液为水。

制氢溶液由第二进料泵12向反应器1内加入至额定液面，制氢剂由第一进料泵11定量输送，制氢剂与制氢溶液发生水解反应，产生氢气，经氢气单向阀13排出，反应溶液经反应器1下部过滤器和第一排液阀14排出，反应后的固态产物经固液分离桨叶24、压缩桨叶25分离和压缩后经固态产物排出管16排出。

整个制氢过程中的主反应为：

MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2；

Ca+2H2O→Ca(OH)2+2H2。

制氢过程排出的固态产物为Mg(OH)2和Ca(OH)2，可以直接回收利用。制氢过程排出的反应溶液主要为H2O，直接净化继续作为反应溶液使用。

实施例2

具体参阅图1、2所示，本实施例涉及的制氢速率可控的连续水解制氢系统，其结构与实施例1相同，为节约篇幅，在此不再展开赘述。

制氢剂主材料为Al，按照质量含量为100％计，Al含量为90～95％，余量为催化剂；制氢溶液为水。

制氢溶液由第二进料泵12向反应器1内加入至额定液面，制氢剂由第一进料泵11定量输送，制氢剂与制氢溶液发生水解反应，产生氢气，经氢气单向阀13排出，反应溶液经反应器1下部过滤器和第一排液阀14排出，反应后的固态产物经固液分离桨叶24、压缩桨叶25分离和压缩后经固态产物排出管16排出。

整个制氢过程中的主反应为：

Al+3H2O→Al(OH)3+1.5H2。

制氢过程排出的固态产物为Al(OH)3，可以直接回收利用。制氢过程排出的反应溶液为H2O，直接净化继续作为反应溶液使用。

实施例3

具体参阅图1、2所示，本实施例涉及的制氢速率可控的连续水解制氢系统，其结构与实施例1相同，为节约篇幅，在此不再展开赘述。

制氢剂为废弃铝合金经破碎球磨制成的粉末，制氢溶液为NaOH溶液。

制氢溶液由第二进料泵12向反应器1内加入至额定液面，制氢剂由第一进料泵11定量输送，制氢剂与制氢溶液发生水解反应，产生氢气，经氢气单向阀13排出，反应溶液经反应器1下部过滤器和第一排液阀14排出，反应后的固态产物经固液分离桨叶24、压缩桨叶25分离和压缩后经固态产物排出管16排出。

整个制氢过程中的主反应为：

Al+H2O+NaOH→NaAlO2+1.5H2。

制氢过程排出的固态产物为废弃铝合金中未反应的残渣，经分离处理后回收利用。制氢过程排出的反应溶液为NaAlO2溶液，经过滤、酸化、沉淀、灼烧后生成Al2O3。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。