一种利用镁基储氢材料水解制氢的装置及方法与流程

本发明属于制氢，具体涉及一种利用镁基储氢材料水解制氢的装置及方法。

背景技术：

1、镁基储氢材料(如mgh2)在干燥空气中化学稳定存在，可以通过热分解和水解两种方式重新释放氢气。其中，热分解的放氢焓变较高，需要较高的温度才能脱氢，即使进行改性，仍高于200℃。与热分解方式相比，水解则具有如下优势：自发的放热反应在室温下就能发生，所以装置简单，无须单独提供热源，实际应用中可以减小燃料电池的体积；放氢量多于热分解，其中有一半的氢气来自于水；水解产物环境友好并且可以回收再次利用在其他领域。mgh2水解制氢优势显著，成为近年来的研究热点。水解产物mg(oh)2，环境友好，并且易于回收利用，可用作阻燃剂、环保型水处理剂以及药品添加剂。

2、但是水解产物mg(oh)2以沉淀的形式存在，并附着在mgh2颗粒的表面，形成致密钝化层，阻止其与水的接触，严重限制了水解反应的进一步进行。因此，要提升mgh2的水解性能必须打破mg(oh)2钝化层的限制。

3、如专利cn114906804a公开一种氢化镁可控持续水解制氢系统。包括制氢反应器以及原料罐，制氢反应器包括制氢反应罐以及若干个支撑件，支撑件呈多孔状结构，支撑件设置于制氢反应罐内，相邻的支撑件之间具有间隔且该间隔用于放置氯化镁复合材料，制氢反应罐具有进料口、进液口、出气口以及出料口，原料罐用于存储水解液，原料罐与进液口相通。虽然能够实现氢化镁水解制氢过程可控，使氢化镁在常温下就能与水发生反应并且通过水解液流速控制了反应速率。但是，设置的多个腔室和多孔过滤结构，仅仅只能将少部分生成的氢氧化镁进行过滤去除，未过滤掉的氢氧化镁仍会在氢化镁原料上附着，逐渐形成致密钝化层。

4、如专利cn114229795a公开一种连续可控水解制氢系统，包括供液系统、水解反应系统、排液系统和氢气提纯系统，所述供液系统为氢化镁水解提供水解液，所述水解反应系统为氢化镁发生水解生产氢气的场所，所述氢气提纯系统用于氢气纯化，所述排液系统为反应生产产物的排放，所述水解反应系统末端设置有硅胶柱和分子筛柱进行氢气纯化，所述水解反应器内通过倒u型管保持液位恒定。虽然氢化镁在水解时，通过控制进料量，可有效进行可控放氢，实现氢气的连续稳定释放。但是，进料后的氢化镁片状颗粒在水解反应器中水解后，其表面会持续生成氢氧化镁，最终形成致密钝化层，阻止氢化镁片状颗粒与水的接触，导致氢化镁片状颗粒无法水解完全。

5、因此，探究一种可控持续的水解制氢装置，以提高镁基储氢材料(尤其是氢化镁)的产氢率是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种利用镁基储氢材料水解制氢的装置及方法，可以将水解后生成的固态产物及时输送出去，与未反应的镁基固态原料分开，采用物理隔离法防止固态产物阻碍剩余镁基固态原料的进一步水解，从而达到多次并且随时启停的目的。

2、第一方面，本发明提供一种利用镁基储氢材料水解制氢的装置，包括：第一料仓、第二料仓、输送管道及控制模块，输送管道内设置延伸到外端的推料组件；

3、第一料仓呈放镁基固态原料，控制模块控制第一料仓中镁基固态原料的出料，以及外部水源向输送管道的进水，使镁基固态原料与水在输送管道内进行水解制氢反应；

4、控制模块还控制推料组件将水解制氢反应产生的固态产物送至第二料仓。

5、进一步的，镁基固态原料为微米级氢化镁，输送管道的进水为高温水汽，水解制氢反应产生的固态产物包括氧化镁。

6、进一步的，输送管道沿水平方向延伸，第一料仓设置于输送管道的上方，第二料仓设置于输送管道的下方，第一料仓和第二料仓分别设置在输送管道的左右两端，输送管道与第一料仓、第二料仓的连通处分别为第一开口和第二开口，进水的位置在输送管道的第一开口与第二开口之间。

7、进一步的，推料组件为螺旋推进器，螺旋推进器包括螺旋推杆、电机、隔温联轴器及旋转封头，电机与第一料仓设置在输送管道的同一端，旋转封头与第二料仓设置在输送管道的同一端，螺旋推杆的一端与电机通过隔温联轴器连接，螺旋推杆伸入到输送管道中，螺旋推杆的另一端与旋转封头连接；

8、输送管道套设固定于螺旋推杆以及旋转封头外侧，输送管道包括沿水平方向依次连接的第一外壳、第二外壳、第三外壳和第四外壳，第一外壳套设固定旋转封头，第二外壳设置连通第二料仓的第二开口以及氢气出口，第四外壳设置连通第一料仓的第一开口，且第四外壳与隔温联轴器连接；

9、螺旋推杆为透气钢，输送管道通过透气钢进水，螺旋推杆的表面安装有从一端延伸至另一端的螺旋翅片，螺旋推杆包括沿水平方向依次连接的第一输送段、反应段和第二输送段，第一输送段连接旋转封头，第二输送段连接隔温联轴器，第一输送段和第二输送段的直径均小于反应段的直径。

10、进一步的，螺旋翅片的翅间距为10-20mm，第一输送段和第二输送段的直径为10-30mm，反应段的直径为20-40mm，透气钢的气孔孔径为0.005-0.035mm。

11、进一步的，水解制氢装置还包括供水组件和加热组件，外部水源为供水组件，包括第一水箱和第一水泵，第二料仓放置于第一水箱中，第一水泵连接第一水箱和螺旋推进器，将第一水箱中的水送入螺旋推进器作为输送管道的进水；

12、加热组件包括加热线圈、电池、第二水泵及第二水箱，电池连接加热线圈，加热线圈缠绕在第三外壳的外表面，且加热线圈与螺旋推杆的反应段垂直；

13、加热线圈为空心结构，第二水箱通过第二水泵与加热线圈内部空心结构连通。

14、进一步的，镁基固态原料的出料速度为0.3-1.7g/min，输送管道的进水速度为0.2-1.2g/min，螺旋推杆的推动速度为0.2-4mm/min。

15、进一步的，控制模块基于获取的氢气目标流量，确定利用镁基储氢材料水解制氢反应的放氢速度，给出第一料仓中镁基固态原料的出料速度、输送管道的进水速度以及螺旋推杆的推送速度。

16、进一步的，利用镁基储氢材料水解制氢反应的放氢速度与水解制氢装置中各部件参数之间的具体关系，如下：

17、

18、其中，ρ1为氢气的密度，ρ2为镁基固态原料的密度，m为氢气的相对分子质量，m1为镁基固态原料的相对分子质量，k1为水解制氢反应中氢气与镁基固态原料的化学计量数比值，m2为水的相对分子质量，k2为水解制氢反应中氢气与水的化学计量数比值，v为水解制氢反应的放氢速度，v1为镁基固态原料的出料速度，v2为输送管道的进水速度，v3为螺旋推杆的推动速度，d为输送管道的直径。

19、第二方面，本发明还提供一种利用镁基储氢材料水解制氢的方法，采用上述利用镁基储氢材料水解制氢装置，具体包括如下步骤：

20、向第一料仓中加入镁基固态原料；

21、控制模块确定并给出第一料仓中镁基固态原料的出料速度以及外部水源向输送管道的进水速度；

22、镁基固态原料与水在输送管道中进行水解制氢反应；

23、控制模块控制推料组件将水解制氢反应产生的固态产物送至第二料仓。

24、本发明提供的一种利用镁基储氢材料水解制氢的装置及方法，至少包括如下有益效果：

25、(1)通过输送管道连通第一料仓和第二料仓，并通过外部水源向输送管道进水，可以使得镁基固态原料在输送管道内持续发生反应。由于推料组件的作用，可以将输送管道中反应后的固态产物输送至第二料仓，避免固态产物阻碍剩余镁基固态原料的进一步水解。另外，可以通过控制进水和推料组件，实现对水解制氢反应的控制，达到多次并随时启停的目的。

26、(2)水解制氢反应所需的氢化镁在螺旋推杆与输送管道之间，螺旋推进器设置有螺旋推杆，螺旋推杆表面的螺旋翅片相当于自动将螺旋推杆与输送管道之间的反应区间隔离成了独立腔室；再将水汽通过透气钢进入形成比较细小的高温水汽，可使得高温水汽快速与氢化镁进行反应，保证反应速率的快速进行。

27、(3)通过需要获取的氢气流量确定水解制氢反应的放氢速度，再通过放氢速度确定镁基固态原料的出料速度、进水速度、螺旋推杆的推送速度，可以对氢气的放氢速度达到更加精准的控制。