一种低温启动的制氢装置和制氢方法

本发明属于制氢，具体涉及一种低温启动的制氢装置和制氢方法。

背景技术：

1、目前，氢源技术瓶颈，极大限制了燃料电池电源的应用发展。特别是在苛刻环境下(零度以下)，水反应现场制氢技术有待突破。

2、专利(cn115432668a)公开了一种低温下金属制氢系统，属于制氢技术领域。所述系统包括反应液储罐、反应液缓水箱、反应器、气液分离器、干燥管和储氢罐；使用时，将反应液储罐中的反应液泵入反应液缓存水箱中，然后再泵入反应器中，反应液与制氢金属反应，生成的氢气粗产物经反应器出气口进入反应液缓存水箱中，然后再由反应液缓存水箱出气口进入气液分离器中，气液分离后进入干燥管干燥，干燥后的氢气进入储氢罐中储存。所述系统可实现在-30℃～0℃的低温环境下制备氢气。该专利是采用耐低温反应液(氯化钙水溶液、氯化钾水溶液、乙醇/水混合溶液和异丙醇/水混合溶液中的一种以上)，克服低温启动问题。

3、专利(cn113428836a)公开了一种可在低温环境下运行的制氢装置及其控制方法，通过在制氢装置内设置导热框架，将水解反应放出的热量和燃料电池运行时释放的热量充分利用，源源不断的为水箱提供热量，合理利用了固体氢化物水解过程产生的热，以及燃料电池自身运行过程中产生的热，使得系统的水路气路各部件和水箱可以在系统运行时一直维持着较高温度。该专利低温启动时，采用储能单元(锂电池或铅酸电池)供电。

技术实现思路

1、本发明为解决现有制氢技术中存在的低温启动困难、装置结构复杂、集成度低等问题，提供了一种低温启动的制氢装置和制氢方法，可以实现实时快速制氢。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种低温启动的制氢装置，包括储料罐1、制氢材料2、水箱3、固态水4、低温启动箱5、燃料电池6、启动剂7、保温层8、水泵9、单向阀10、温度传感器11、安全阀12、导气管13、出气管14、导水管15以及管路和阀门。

4、所述储料罐1内储存制氢材料2，水箱3内储存固态水4，低温启动箱5内存储启动剂7，储料罐1与水箱3紧密接触，所述水箱3同时与低温启动箱5紧密接触；所述储料罐1、水箱3和低温启动箱5周围均由保温层8包裹。

5、所述低温启动箱5与水箱3通过导气管13连接；所述水箱3与储料罐1通过出气管14和导水管15连接；出气管14上安装有单向阀10；导水管15上安装有水泵9；水泵9由储备能源供电。所述储料罐1上安装有温度传感器11和安全阀12；水箱3与燃料电池6由气体管路连接，并安装减压阀。

6、所述的启动剂7比制氢材料2具有更高反应活性，能够与固态水4快速反应。启动剂7为氢化钙、氢化锂、锂、锂铝合金中的一种或两种以上构成；制氢材料2为铝基材料、氢化镁、硼氢化钠、氨硼烷中的一种或两种以上构成。所述的固态水4为冰和/或雪。

7、上述低温启动的制氢装置的制氢方法，包括以下步骤：

8、将制氢材料2装入储料罐1，将固态水4装入水箱3；将启动剂7装入低温启动箱5底部，再加入固态水4。启动剂7与固态水4在低温启动箱5中发生反应，产生氢气、水蒸汽和热量；氢气和水蒸汽经导气管13进入水箱3，再经气体管路通向燃料电池6，吹扫各管路和燃料电池系统等；产生的热量传导到水箱3，导致部分固态水4融化生成液态水；水泵9将水箱3中液态水经导水管15输送到储料罐1中，液态水和制氢材料2发生反应，产生氢气、水蒸汽和热量；产生的热量传导到水箱3，使固态水4逐渐融化直至全部转为液态水；产生的氢气和水蒸汽由出气管14经单向阀10输送至水箱3中液面以下；氢气再由气体管路通向燃料电池；随着反应过程逐步进行，储料罐1和水箱3温度逐渐升高，直到与外界达到平衡。

9、与现有技术相比，本发明的优点在于：

10、(1)传统制氢装置低温启动时，方式一，采用储备能源(锂电池、铅酸电池等)为水箱加热，实现固态水转换成液态水，这种方式显著增加系统总质量和成本；方式二，采用低冰点混合水溶液，这种需要现场制备混合水溶液，在野外等特殊场合，严重受限；方式三，利用氧化钙等与水反应发热物质，与固态水反应产生热量，这种方式产热量少。

11、(2)本发明中启动剂与自然界存在的固态水(冰、雪等)制氢反应，就地取材，方便快捷；反应产生热量用于加热水箱中的固态水，实现部分固态水融化成液态水；氢气和水蒸汽由气体管路通向燃料电池，吹扫各管路和燃料电池系统等。实现一举两得。

12、(3)本发明中储料罐中制氢材料和液态水反应产生热量和氢气，产生的热量逐渐融化水箱内固态水，氢气经水箱过滤，进入燃料电池，从而实现低温启动和持续可控产氢。

13、(4)本发明中储料罐、水箱和低温启动箱一体化设计，提高相互间接触面积，提升传热效果。

14、(5)本发明具有结构紧凑、操作方便、响应迅速，反应可控性好、易于拆卸、安全性高、能耗低等优点，能广泛用于各种低温环境下燃料电池电源领域。

技术特征：

1.一种低温启动的制氢装置，其特征在于，所述的低温启动的制氢装置包括储料罐(1)、制氢材料(2)、水箱(3)、固态水(4)、低温启动箱(5)、燃料电池(6)、启动剂(7)、保温层(8)、水泵(9)、单向阀(10)、温度传感器(11)、安全阀(12)、导气管(13)、出气管(14)和导水管(15)；

2.根据权利要求1所述的一种低温启动的制氢装置，其特征在于，所述的启动剂(7)为氢化钙、氢化锂、锂、锂铝合金中一种或两种以上构成；所述的制氢材料(2)为铝基材料、氢化镁、硼氢化钠、氨硼烷中一种或两种以上构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温启动的制氢装置，其特征在于，所述的固态水为冰和/或雪。

4.一种采用如权利要求1-3任一所述的低温启动制氢装置进行制氢的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种低温启动的制氢装置和制氢方法，属于制氢技术领域。该装置包括储料罐、水箱、低温启动箱、水泵等。本发明在低温启动箱中，利用启动剂与固态水反应，产生热量和氢气，产热用于融化水箱中的部分固态水，氢气用于吹扫各管路和燃料电池系统等。当水箱中部分固态水融化为液态时，启动水泵将液态水注入储料罐，制氢材料与水反应，产生热量和氢气，再次进行过滤和热量交换，最后净化后的氢气通入燃料电池发电。本发明充分利用制氢过程产生的热量融化固态水，从而降低制氢装置对储备能源的需求；具有结构紧凑、操作方便、响应迅速，反应可控性好、易于拆卸、安全性高、能耗低等优点，能广泛用于各种低温环境下燃料电池电源领域。

技术研发人员：徐德祝,张箭,王庭鹏,郭腾龙
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25