CN111533087B - 无催化剂速率可控水解制氢装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无催化剂速率可控水解制氢装置及其控制方法，该装置包括制氢罐、速率控制单元、电源单元、压力传感器、流量传感器；制氢罐包括没有极性限制的第一电极和第二电极、金属粉、水、罐体；速率控制单元根据检测压力传感器、流量传感器得到的反馈参数，通过控制流过第一电极、第二电极之间电流的幅值和持续时间来控制制氢的速率；电源单元为速率控制单元提供电能。该装置结构简单紧凑，仅需要一个反应罐，而不需要额外的储液罐、储气罐等；不需要催化剂，仅通过电流脉冲对制氢速率进行控制，可以较为精确的控制制氢速率，因此可以做到随用随制，省去了储氢环节，使***安全性、可靠性、可控性都得到了大幅度的提高。

Description

无催化剂速率可控水解制氢装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种无催化剂速率可控水解制氢装置，属于直接转变化学能为电能的便携式供电装置以及电能存储***技术领域，特别是涉及一种氢能储存发电装置及其控制方法。

背景技术

氢是一种重要的化工原料，在石油、食品、冶金等领域中有广泛的应用。氢能因其资源丰富，燃烧热值高（142 kJg^-1），产物无污染等一系列优点，被认为是理想的绿色能源。特别是氢能汽车和氢燃料电池的应用，对氢气的潜在需求量非常巨大。虽然氢能具有众多优势，但仍未得到大规模应用，缺少高效、安全、响应迅速的在线供氢（移动氢源）技术是制约氢能经济发展的一个重要原因。

氢气的储存、运输、灌装都非常困难，而且非常不安全。为了得到安全高效的氢气资源，利用金属或者合金材料水解制氢是一个非常好的选择，可以做到随用随制，不需要储存。而金属材料如镁、铝等可以利用风能和太阳能等清洁能源通过电解方法来制备。这样清洁能源就可以用金属形态存储起来，而以金属形态储存电能其能量密度高，而且便于存储、运输，并且易于转化为氢气加以利用。

目前利用金属铝或者金属镁及其合金制备氢气的装置和方法有很多。例如中国专利ZL200820015384.4稳压式解水铝制氢罐，ZL200820220066.1，一种自控稳压式解水铝制氢罐，ZL201120256107.4 一种可控式废铝制氢装置，ZL201510012793.3连续可控的氢化镁水解制氢装置及利用该装置制氢的方法，ZL201010293603.7一种基于铝水解反应的便携式制氢发生器及控制方法，这些专利公开了几种金属水解制氢装置和方法。这些技术的共同点都是结构比较复杂，需要各种循环装置、加热装置；而且体积庞大，需要储液罐、储气罐、反应罐等；此外还需要添加各种催化剂，无法精确控制制氢的速率；为了保持反应罐的压力，这些专利所涉及的技术方案通常都与大气环境直通，有可能使挥发气体或者液体排出，不利于在移动应用场合应用；由于***是开放的，加之需要储存大量氢气，因此***的安全性、可靠性受到了很大的影响。

综上所述，现有技术结构复杂、体积重量大、需要催化剂、制氢速率不精确可控、不适合移动和便携应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种无催化剂速率可控水解制氢装置及其控制方法。该装置结构简单紧凑，仅需要一个反应罐，而不需要额外的储液罐、储气罐等。不需要催化剂，仅通过电流脉冲对制氢速率进行控制，可以较为精确的控制制氢速率，因此可以做到随用随制，省去了储氢环节，使***安全性、可靠性、可控性都得到了大幅度的提高。

本发明采取的技术方案为：

为了达到上述目的，本发明的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，包括制氢罐、速率控制单元、电源单元、压力传感器、流量传感器；所述制氢罐包括第一电极、第二电极、金属粉、水、罐体；所述第一电极、第二电极没有极性限制；所述速率控制单元用于控制流过第一电极、第二电极之间的电流；所述速率控制单元根据检测压力传感器、流量传感器得到的反馈参数，通过控制流过第一电极、第二电极之间电流的幅值和持续时间来控制制氢的速率；所述电源单元为速率控制单元提供电能。

所述速率控制单元与第一电极、第二电极通过导体连接，用于在制氢罐里的反应物中产生电流；速率控制单元通过第一电极、第二电极发出连续电流或者脉冲电流，通过控制电流的脉冲幅值大小或者作用时间长短来控制制氢速率；速率控制单元通过第一电极、第二电极发出连续电流或者脉冲电流，用于给反应物加温。

所述第一电极、第二电极、金属粉、水均可以不含有额外的催化剂或者添加剂。

所述制氢罐还包括第一滤网，第二滤网，漏斗，输气管，顶盖，连接头，换热器，出气管，风扇，外壳，底盖，温度传感器；所述在罐体两端有顶盖和底盖，里面装有金属粉和水；所述底盖上安装有包括第一电极、第二电极；所述第一滤网安装在第二电极上端；所述漏斗安装在输气管和第一滤网之间，用于将液体集中引导到罐体下部，漏斗下端安装有第二滤网；所述输气管安装在顶盖上，其上端通过连接头与换热器相连，换热器的出口通过出气管将氢气引出；所述风扇安装于换热器顶端，给换热器和罐体通风散热；所述部件均安装在外壳内；所述温度传感器安装在罐体下部侧壁上，检测所得到反应温度信号传递给速率控制单元。

所述制氢罐中的第一电极为柱形，第二电极为桶形，第一电极安装在第二电极中间。

所述制氢罐中的顶盖为锥形，有利于冷却空气流动；所述输气管安装在顶盖顶部中央。

所述制氢罐中的罐体外有散热筋；所述制氢罐中的外壳上有散热孔。

所述制氢罐中的换热器安装位置高于罐体。

所述速率控制单元通过第一电极、第二电极发出连续电流或者脉冲电流，用于击破金属粉表面产生的钝化层。

所述的无催化剂速率可控水解制氢装置的控制方法，实现步骤如下：

步骤1：打开底盖，将水和金属粉先后倒入罐体中，使整体液面高度低于第一滤网；

步骤2：速率控制单元通过压力传感器、流量传感器检测制氢状态，进行反应控制参数计算；如果压力或者流量超过设定值，则减小速率控制单元通过第一电极、第二电极所发出电流的幅值大小或者频率；反之，增加所发出电流的幅值大小或者频率；

步骤4：通过温度传感器检测罐体的反应温度，如果温度超过设定值，速率控制单元控制风扇增加转速，加速冷却；反之降低风扇转速，直至在低温环境中停止冷却；

步骤5：当压力传感器检测压力持续低于设定值时，停止第一电极、第二电极发出电流，控制风扇转速达到最大给***冷却，直到压力传感器检测压力达到安全值后，可以按照步骤1更换反应物：水和金属粉。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，结构简单紧凑，仅需要一个反应罐，而不需要额外的储液罐、储气罐等，减小了***的体积、重量和成本，使该***更加适合电动汽车等移动、便携使用环境。

本发明的一个效果在于，不需要催化剂，仅需要加入水便可以通过电流控制产生水解反应，因此对环境非常友好，不会产生有害废物，反应之后的生成物可以回收，重新电解制备金属，做到循环利用。

本发明的一个效果在于，仅通过电流脉冲对制氢速率进行控制，可以较为精确的控制制氢速率，因此可以做到随用随制，省去了储氢环节，使***安全性、可靠性、可控性都得到了大幅度的提高。

本发明的一个效果在于，***压力较低不需要高压容器，因此成本低，安全可靠。

本发明的一个效果在于，反应罐的压力可控，不需要与大气直通，避免了挥发气体或者液体排出，有利于在移动应用场合应用，可以有效提高***的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明中无催化剂速率可控水解制氢装置示意图；

图2 是本发明中 Mg水解反应示意图；

图3是本发明中电极放电击破钝化膜示意图；

图4是本发明中制氢罐外观图；

图5是本发明中制氢罐结构***图；

图6是本发明中制氢罐剖视图；

图7是本发明中电极接线图；

图8是本发明中罐体结构图；

图9是本发明中外壳结构图。

附图中，各标号所代表的部件：

1、制氢罐， 2、速率控制单元，3、电源单元，4、压力传感器，5、流量传感器，101、第一电极，102、第二电极，103、金属粉，104、水，105、第一滤网，106、 第二滤网，107、漏斗，108、罐体，1081、散热筋，109、输气管，110、顶盖，111、连接头，112、换热器，113、出气管，114、风扇，115、外壳，1151、散热孔，116、底盖，117、温度传感器，1031钝化膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

利用金属及其氢化物或化学氢化物水解制氢纯度高、设备简单，是一种高效、便捷的供氢方法。镁和铝是两种地球上储量较为丰富的轻合金元素。

镁或者铝与水反应生成氢气并放出热量：

Mg+2H₂O → Mg(OH)₂+H₂ (1)

2Al+6H₂O → 2Al(OH)₃+3H₂ (2)

图3为本发明中电极放电击破钝化膜示意图，金属在水解反应的过程中，会形成氢氧化物，该氢氧化物会在金属表面形成一层如图3中所示的钝化膜1031。

在一个实施例中，以Mg制成金属粉103为例说明本发明的工作原理，其他金属、合金或者金属氢化物如Al等工作原理与之相同。图2 是本发明中 Mg水解反应示意图，如图2所示，两个H₂O与一个Mg分子反应生成Mg(OH)₂和H₂，H₂会排出，而Mg(OH)₂会在Mg金属粉103颗粒表面沉积形成一层致密的钝化膜1031，如图3所示，这层致密的钝化膜1031隔绝了H₂O与Mg金属粉103的接触，使反应无法持续进行。为了能够源源不断地产生H₂气体，通常加入酸或者碱等催化剂，来阻止形成的Mg(OH)₂附着在Mg金属粉103颗粒表面形成钝化膜1031。

图1是本发明中无催化剂速率可控水解制氢装置示意图，为了解决上述钝化膜1031的问题，同时不希望加入其它催化剂，使得***更加清洁环保，本发明采用如图1所示的无催化剂速率可控水解制氢装置，将金属粉103颗粒置于第一电极101和第二电极102之间进行放电，利用电流通过金属粉103颗粒时将钝化膜1031击碎，使之无法完全包裹金属粉103颗粒，从而使金属水解反应能够持续进行。通过控制电流，可以控制金属粉103颗粒在水中暴露的面积，因此可以精确控制金属水解反应的速率。

为了实现上述金属水解制氢控制原理，所述无催化剂速率可控水解制氢装置包括制氢罐1、速率控制单元2、电源单元3、压力传感器4、流量传感器5。所述速率控制单元2根据所需要产生氢气的速率，设定氢气压力或者流量的参考值，同时检测压力传感器4或者流量传感器5的数据，根据所检测的反馈数据与设定的参考值进行比较，然后控制输出的电极电流的大小、频率以及持续时间等参数，来控制制氢的速率达到要求。电源单元3主要为***提供控制所需的电能，可以用蓄电池构成，也可以由市电经过整流和直流变换得到。

在一个实施例中，优选地控制速率控制单元2在第一电极101与第二电极102之间施加500mA电流脉冲，即可将金属粉103颗粒表面形成钝化膜1031击碎，加快水解反应，提高制氢速率。一旦速率控制单元2停止向第一电极101与第二电极102之间输出电流，金属粉103颗粒表面会重新形成新的钝化膜1031从而使水解反应减慢，并使制氢速率下降。

在一个实施例中，优选地通过控制速率控制单元2对第一电极101与第二电极102之间施加电流幅值的改变，可以控制***的氢气压力保持在1-5个大气压之间，满足不同的应用需求。

在一个实施例中，优选地控制速率控制单元2在第一电极101与第二电极102之间施加脉冲电流、连续电流，或者交变电流对制氢速率进行控制。

在一个实施例中，优选地控制速率控制单元2在第一电极101与第二电极102之间施加不同电流可以对反应罐进行加温，以确保在低温严寒条件下，使制氢速率能够有效提高。

在一个实施例中，速率控制单元2中用于产生第一电极101与第二电极102之间电流的功率电路，即主电路可以是降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路，也可以是带隔离的直流-直流变换电路，还可以是逆变电路来实现电流控制。

图4是本发明中制氢罐外观图，图5是本发明中制氢罐结构***图，图6为本发明中制氢罐剖视图，从图5和图6中可以看到制氢罐1包括第一电极101、第二电极102、第一滤网105、第二滤网106、漏斗107、罐体108、输气管109、顶盖110、连接头111、换热器112、出气管113、风扇114、外壳115、底盖116。本实施例中，第一电极101为柱形，第二电极102为桶形，第一电极101安装在第二电极102中间。电极的形状也可以根据实际应用做出改变。反应物和水安置在第一电极101为柱形与第二电极102之间，以便通过控制第一电极101为柱形与第二电极102的放电电流进行反应速率的控制。

其中风扇114安装在外壳115的顶端，向下吹入空气，首先将换热器112冷却，使经过出气管113输出的氢气达到或者接近室温。换热器112的盘管一端通过连接头111与输气管109相连接。输气管109安装在锥形顶盖110的 锥顶。锥形顶盖110安装在罐体108的上端，使得风扇114向下吹入冷却空气能够顺畅地流入罐体108与外壳115之间的空腔，通过罐体108外壁上的散热筋1081冷却整个罐体108。在外壳115的下端有散热孔1151排出气体。

风扇114还用于冷却罐体108，使罐体108保持适当的反应温度。通过实验测试，优选地可以使罐体108的反应温度控制在80℃，当罐体108的反应温度超过80℃时，起动风扇114为罐体108通风冷却，使之保持80℃。

在罐体108内部输气管109下端安装有漏斗107，漏斗107的下口安装第二滤网106。第二滤网106的下端安装有第一滤网105，第一滤网105安装在罐体108内部。在本实施例中，优选地，第二滤网106的目数大于第一滤网105的目数，第一滤网105的目数大于金属粉103的目数，这样可以防止金属粉103沿输气管109输出到氢气应用***中。此外，在本实施例中，漏斗107也具有收集反应液和阻止金属粉103沿输气管109输出到氢气应用***中的作用。

金属粉103和水104处于罐体108内部第一电极101、第二电极102之间。其中第一电极101安装在底盖116的中间，第二电极102安装在罐体108内部的下端。图7为本发明中电极接线图，第一电极101、第二电极102通过导线与速率控制单元2的输出端相连。

第一电极101、第二电极102的极性是可以调换的，因为只要金属粉103颗粒上有电流流过，即可将金属粉103颗粒上的钝化膜1031击碎，从而加速制氢水解反应。

图8为本发明中罐体结构图，在罐体108的上下两端分别安装了顶盖110和底盖116形成了一个上尖下平的圆柱体结构，便于冷却空气的顺畅流动。在罐体108有散热筋1081，可以加大罐体108的散热面积，同时可以在外壳115之间形成气流通道，提高散热效率。在一个实施例中，罐体结构也可以设计成方形或者其他不规则形状，以适应不应用和产品的形状，并不会影响制氢效果。

图9为本发明中外壳结构图，外壳115上端有与风扇114相配合的法兰盘，用于安装风扇114。风扇114吹入的冷却空气通过外壳115内壁向下流动，并从外壳115下端所开的散热孔1151流出。

本发明仅需加入金属粉103和水104，通过第一电极101和第二电极102控制金属水解速率，从而控制产氢的速率，因此可以使氢气应用***随制随用。根据氢气的用量来控制制氢速率，因此不需要储存氢气，仅在制氢罐1和管路中有少量的氢气存在，氢气的压力可以根据需要调整，因此不需要对氢气进行加压储存，综上所述由于***不存储氢气，而且***内部的氢气压力较低，优选地使氢气压力小于5个大气压，所以***比较安全。一旦出现危险，***中所含有的氢气很快散失掉，不会产生燃烧和***的危险。

在一个实施例中，可以利用Al或者其他金属、金属合金、金属氢化物等替换Mg制成金属粉103，完成不加催化剂的可控金属水解反应过程。

在一个实施例中，首先打开底盖116，将水104和金属粉103先后倒入罐体108中，使整体液面高度低于第一滤网105。

在一个实施例中，也可以在罐体108上专门安装加注反应物：水104和金属粉103的专门加注口，那样使用起来更加便利。

然后速率控制单元2通过压力传感器4、流量传感器5检测制氢状态，进行反应控制参数计算。在本实施例中可以采用PID控制算法对反应控制量进行有效控制。

如果压力或者流量超过设定值，则减小速率控制单元2通过第一电极101、第二电极102所发出电流的幅值大小或者频率。这样就可以，减小反应物中钝化膜的破碎速率，并减小反应物的接触面积，因此可以降低产氢的速率。反之，增加所发出电流的幅值大小或者频率。

速率控制单元2通过温度传感器117检测罐体108的反应温度，如果温度超过设定值，速率控制单元2控制风扇114增加转速，加速冷却；反之降低风扇114转速，直至在低温环境中停止冷却。本实施例中控制罐体108的反应温度不高于100℃。

当压力传感器4检测压力持续低于设定值时，停止第一电极101、第二电极102发出电流，控制风扇114转速达到最大给***冷却，直到压力传感器4检测压力达到安全值后，可以按之前的方法更换反应物：水104和金属粉103。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，包括制氢罐（1）、速率控制单元（2）、电源单元（3）、压力传感器（4）、流量传感器（5）；所述制氢罐（1）包括第一电极（101）、第二电极（102）、金属粉（103）、水（104）、罐体（108），所述罐体（108）两端有顶盖（110）和底盖（116），里面装有金属粉（103）和水（104），所述底盖（116）上安装有第一电极（101）、第二电极（102），所述第一电极（101）、第二电极（102）没有极性限制；所述速率控制单元（2）用于控制流过第一电极（101）、第二电极（102）之间的电流；所述速率控制单元（2）根据检测压力传感器（4）、流量传感器（5）得到的反馈参数，通过控制流过第一电极（101）、第二电极（102）之间电流的幅值和持续时间来控制制氢的速率；所述电源单元（3）为速率控制单元（2）提供电能。

2.如权利要求1所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述速率控制单元（2）与第一电极（101）、第二电极（102）通过导体连接，用于在制氢罐（1）里的反应物中产生电流；速率控制单元（2）通过第一电极（101）、第二电极（102）发出连续电流或者脉冲电流，通过控制电流的脉冲幅值大小或者作用时间长短来控制制氢速率；速率控制单元（2）通过第一电极（101）、第二电极（102）发出连续电流或者脉冲电流，用于给反应物加温。

3.如权利要求1所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述第一电极（101）、第二电极（102）、金属粉（103）、水（104）均可以不含有额外的催化剂或者添加剂。

4.如权利要求1所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述制氢罐（1）还包括第一滤网（105），第二滤网（106），漏斗（107），输气管（109），顶盖（110），连接头（111），换热器（112），出气管（113），风扇（114），外壳（115），底盖（116），温度传感器（117）；所述第一滤网（105）安装在第二电极（102）上端；所述漏斗（107）安装在输气管（109）和第一滤网（105）之间，用于将液体集中引导到罐体（108）下部，漏斗（107）下端安装有第二滤网（106）；所述输气管（109）安装在顶盖（110）上，其上端通过连接头（111）与换热器（112）相连，换热器的出口通过出气管（113）将氢气引出；所述风扇（114）安装于换热器（112）顶端，给换热器（112）和罐体（108）通风散热；以上所有部件均安装在外壳（115）内；所述温度传感器（117）安装在罐体（108）下部侧壁上，检测所得到反应温度信号传递给速率控制单元（2）。

5.如权利要求4所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述制氢罐（1）中的第一电极（101）为柱形，第二电极（102）为桶形，第一电极（101）安装在第二电极（102）中间。

6.如权利要求5所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述制氢罐（1）中的顶盖（110）为锥形，有利于冷却空气流动；所述输气管（109）安装在顶盖（110）顶部中央。

7.如权利要求5所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述制氢罐（1）中的罐体（108）外有散热筋（1081）；所述制氢罐（1）中的外壳（115）上有散热孔（1151）。

8.如权利要求5所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述制氢罐（1）中的换热器（112）安装位置高于罐体（108）。

9.如权利要求1所述的无催化剂速率可控水解制氢装置，其特征在于，所述速率控制单元（2）通过第一电极（101）、第二电极（102）发出连续电流或者脉冲电流，用于击破金属粉（103）表面产生的钝化层。

10.基于权利要求1-9中任意一项所述的无催化剂速率可控水解制氢装置的控制方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤1：打开底盖（116），将水（104）和金属粉（103）先后倒入罐体（108）中，使整体液面高度低于第一滤网（105）；

步骤2：速率控制单元（2）通过压力传感器（4）、流量传感器（5）检测制氢状态，进行反应控制参数计算；如果压力或者流量超过设定值，则减小速率控制单元（2）通过第一电极（101）、第二电极（102）所发出电流的幅值大小或者频率；反之，增加所发出电流的幅值大小或者频率；

步骤4：通过温度传感器（117）检测罐体（108）的反应温度，如果温度超过设定值，速率控制单元（2）控制风扇（114）增加转速，加速冷却；反之降低风扇（114）转速，直至在低温环境中停止冷却；

步骤5：当压力传感器（4）检测压力持续低于设定值时，停止第一电极（101）、第二电极（102）发出电流，控制风扇（114）转速达到最大给***冷却，直到压力传感器（4）检测压力达到安全值后，可以按照步骤1更换反应物：水（104）和金属粉（103）。

Images