一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置及系统

1.本发明属于燃料电池和制氢领域，尤其涉及一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置、系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.寻找安全、高效可靠的储氢方式为燃料电池提供氢气是目前亟需解决的一个重要问题。
4.目前常用的储氢方式为物理储氢和化学储氢。物理储氢主要是将氢气压缩，放氢容易但高压不安全，且还存在质量或体积储氢密度较小、储氢罐质量重等问题；不同的是，化学储氢可利用活性物质水解反应制氢，具有储氢量高、使用安全、氢气纯度高等优点。但无论何种储氢物质，一方面无法控制活性物质与水接触或反应的速度，另一方面，无法将原料液与废液及时分离，导致二者在反应过程长时间混合，导致系统内水的利用率下降，启动速率缓慢，制氢速率得不到精确控制。
5.现有的水解制氢方案，已进行了多方面的研究与探索，包括从化学组成角度进行设计，如设计新型催化剂(专利号：cn108862191)、改良(专利号：cn111634884a)或包覆活性物质(专利号：cn109273702)，以降低活性物质与水接触或反应的速率；从水形态的角度进行出发，如提供结合水(专利号：cn106495095)、水蒸汽(专利号：cn110713170)等，使其接触时减缓反应的剧烈性；从制氢装置结构上控制与水接触的速度，如吸水材料(专利号：cn106495096)、压差结构(专利号：cn201217634)等，利用反应装置实现控制速率效果。上述专利，成本高及工艺复杂使系统可靠性与稳定性降低，或后期原料液与废液的混合使得反应速率难以得到精确控制，在相关应用场景上受到一定的局限。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明的第一个方面提供一种用于燃料电池制氢速率可控的装置，储水罐与制氢罐连接方式为泵或管内填充吸液芯，液态水或水气通过活性物填充罐孔缓慢进入系统，过程保持与活性物质良好接触速率，释放氢气；水回收罐表面镂空设计控制水的流出速率，间接控制与活性物质的接触时间；制氢装置内各部分空间可预先填充一种或一种以上吸水材料，提高反应过程速率的稳定性。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，所述装置包括两个重叠的罐体，上部为制氢罐，下部为废水罐；
9.所述制氢罐内设置套筒组件，所述套筒组件的外壁和制氢罐内壁之间形成第一中空腔体，所述套筒组件包括活性物填充罐和水回收罐，所述水回收罐位于活性物填充罐内部，所述活性物填充罐内壁和水回收罐外壁之间形成第二中空腔体，所述水回收罐贯穿制
氢罐和废水罐，所述水回收罐内壁之间形成第三中空腔体；
10.所述活性物填充罐表面设置第一镂空结构，水回收罐表面设置第二镂空结构，所述第一中空腔体通过第一镂空结构和第二中空腔体连通，所述第二中空腔体通过第二镂空结构和第三中空腔体连通。
11.为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，基于第一方面的制氢装置，严格控制反应过程中水或水汽的进入流量及速率。
12.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
13.一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，包括：储水罐、水供给系统、制氢装置、燃料电池电堆、水循环系统和氢气供给系统，所述水供给系统一端连接储水罐，另一端连接制氢罐的第一进料口，所述燃料电池电堆包括氢气进口和氢气出口，所述氢气进口连接制氢装置的出气口，所述水循环系统一端和废水出口连接，另一端和第一进料口连接。
14.本发明的有益效果是：
15.1、本发明通过设置活性物填充罐和水回收罐表面镂空设计保证了活性物质与水接触的均匀性，又能控制水与活性物质的接触时间，提高反应过程速率的稳定性。
16.2、本发明活性物填充罐和水回收罐镂空的设计能够使系统减重，携带与应用更加灵活，该装置结构紧凑、简单，能够有效地控制活性物质与水接触速率，系统较为灵活，安全、可靠性较高，适用于各种燃料电池的场合。
17.3、本发明通过设置活性物填充罐镂空的形状和开度大小，根据活性物质的特点灵活选择单一或叠加罐外壳，从而精确控制活性物质与水接触的速率，进而控制产气速率。
18.4、本发明水回收罐可根据实际活性物质特点及所需氢气流量，不同高度选择拼接两种或两种以上的镂空形状和大小回收罐表面，以保证反应过程中制氢速率及废水的排放速率。
19.5、本发明制氢装置内可根据实际活性物质特点及所需氢气流量，灵活选择吸水材料填充位置和种类，进一步提高活性物质与水接触的均匀性，保证反应过程速率的稳定性。
20.6、本发明进水口可采用多种进水方式，储水罐与制氢罐连接方式为泵或管内填充吸液芯，直接进液态水或增加超声雾化装置使水雾化成水气，提高与活性物质接触的均匀性与反应速率的稳定性，反应一段时间后，废水可通过水回收罐表面镂空流入废水罐，保证原料液与废液的分离。
附图说明
21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
22.图1是本发明实施例一燃料电池制氢速率可控的制氢罐整体结构示意图；
23.图2是本发明实施例一活性物填充罐结构示意图；
24.图3是本发明实施例一水回收罐的结构示意图；
25.图4是本发明实施例一吸水材料的结构示意图；
26.图5是本发明实施例一活性物质的结构示意图；
27.图6是本发明实施例一活性物质和吸水材料填充结构示意图；
28.图7是本发明实施例二燃料电池制氢速率可控的装置结构系统图。
29.图中，1-制氢罐，2-下部为废水罐，201-废水出口，3-套筒组件，301-活性物填充罐，3011-第一镂空结构，3011a-外层镂空孔,3011b-内层镂空孔,302-水回收罐，3021-第二镂空结构，3021a-上部镂空孔,3021b-下部镂空孔,3022-过滤口，4-第一中空腔体，5-第二中空腔体，6-第三中空腔体，7-第一进料口，701-超声雾化装置,8-第二进料口，9-出气口。
具体实施方式
30.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.在本发明中，术语如“上”、“下”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
34.本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
35.实施例一
36.如图1-图4所示，本实施例提供了一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，所述装置包括两个重叠的罐体，上部为制氢罐1，下部为废水罐2；
37.所述制氢罐1内设置套筒组件3，所述套筒组件3的外壁和制氢罐1内壁之间形成第一中空腔体4，所述套筒组件3包括活性物填充罐301和水回收罐302，所述水回收罐302位于活性物填充罐301内部，所述活性物填充罐301内壁和水回收罐302外壁之间形成第二中空腔体5，所述水回收罐302贯穿制氢罐1和废水罐2，所述水回收罐302内壁之间形成第三中空腔体6；
38.所述活性物填充罐301表面设置第一镂空结构3011，水回收罐302表面设置第二镂空结构3021，所述第一中空腔体4通过第一镂空结构3011和第二中空腔体5连通，所述第二中空腔体5通过第二镂空结构3021和第三中空腔体6连通。
39.所述废水罐2底部设置废水出口201，所述水回收罐302底部设置过滤口3022。反应一段时间后，水可通过水回收罐302表面的镂空孔流入废水罐2，保证原料液与废液的分离，最后可由废水出口201排出；
40.可以理解的，在其他的实施例中，所述罐体1可以根据实际需要制成任意形状，例如球体、圆柱体，正方体、长方体等多边体形状，本发明优选为圆柱体。
41.作为一种或多种实施例，所述制氢罐1的罐盖表面设置第一进料口7，所述活性物填充罐3的罐盖表面设置第二进料口8和出气口9。
42.所述第一进料口7用于输送吸水材料或水；
43.所述第二进料口8用于输送吸水材料或活性物质；
44.所述出气口9用于输出氢气。
45.作为一种或多种实施例，所述第一镂空结构3011为单层镂空孔；
46.或，所述第一镂空结构3011为孔径渐变的多层镂空孔组合而成，层与层之间形成中空腔体。
47.所述第一镂空结构3011的多层镂空孔孔径渐变的规律为自外向内逐渐变小。
48.如图2所示，本实施例以第一镂空结构3011为两层镂空孔组合而成为例进行说明，外层镂空孔3011a的孔径大于内层镂空孔3011b的孔径，通过外层镂空孔的孔径大于内层镂空孔的孔径的设置，用来严格控制反应过程中水或水汽的进入。
49.作为一种或多种实施例，所述第二镂空结构3021为单一的镂空孔；
50.或，所述第二镂空结构3021为孔径渐变的镂空孔组合而成。
51.所述第二镂空结构3021的镂空孔孔径渐变的规律为自上而下逐渐变大。
52.如图3-图5所示，本实施例以第二镂空3021为两种不同孔径的镂空孔上下拼接为例进行说明，上部镂空孔3021a的孔径小于下部镂空孔3021b的孔径，反应过程中装置上部的水受重力作用下流，下部水流量较大，为保证水在装置中接触时间的一致，水通过第一中空腔体4进入装置，第二中空腔体5内预填充吸水材料，活性物质通过第二中空腔体5进入装置，刚开始装置的水通过第一镂空结构3011缓慢流入，过程中由于吸水材料的蓄水作用，水与活性物质始终保持良好的接触，反应释放氢气；
53.反应一段时间后，水回收罐302上侧水在重量作用下流入底部，水回收罐302下端的镂空开口大，有利于废水的及时移除，从而保证了反应过程速率的稳定性。
54.上述方案的优点在于，镂空的设计能够使系统减重，携带与应用更加灵活。
55.作为一种或多种实施例，所述第一中空腔体4、第二中空腔体5以及第三中空腔体6内预先填充一种或多种吸水材料；
56.例如，所述吸水材料包括单不限于吸水性树脂、海绵、吸水纸或吸水棉及其他吸水材料的一种或几种的混合物，所述吸水材料填充高度可相同或者不同。
57.所述吸水材料的种类和形状可根据第一镂空结构3011和第二镂空结构3021选择。
58.如图6所示，仍以第一镂空结构为两层镂空孔组合而成为例进行说明，制氢罐与外层活性物填充罐空隙内填充第一种吸水材料，外层活性物质填充罐与内层活性物质填充罐空隙内填充第二种吸水材料，内层活性物填充罐与水回收罐空隙内填充第三种吸水材料，而上述第一种吸水材料、第二种吸水材料以及第三种吸水材料可以相同也可以不同，可以填一种材料也可以填多种材料。
59.水或水汽通过进水口进入系统与活性物质发生反应，刚开始系统的水或水汽通过活性物填充罐外侧孔流入后，继续通过活性物填充罐外侧孔流入，在吸水材料的作用下，水或水汽始终与活泼金属保持良好的接触速率，释放氢气；反应一段时间后，废水可通过水回收罐表面镂空流入废水罐，最后可由废水出口排出。
60.上述方案的技术优点在于，通过制氢装置内各部分空间预先填充吸水材料，预填充吸水材料与设计水回收罐的镂空结构保证水与活性物质的接触面积和接触时间，更好地控制反应速率并及时移除装置中的废水。
61.液态水或水气进入制氢系统，其在吸水材料的蓄水作用下，始终均匀分布在制氢装置内，从而保证了反应过程中水或水气与活性物质的接触均匀，反应过程速率保持稳定。
62.作为一种或多种实施例，所述活性物填充罐2内填充活性物质，例如填充活泼金属(合金)或氢化物。氢化物包括碱金属、碱土金属氢化物及其硼氢化物等，其中最具有代表性的是nabh4，在适当条件下，其与水发生化学反应释放氢气，其反应如下：
63.nabh4+2h2o
→
nabo2+4h2↑
+210kj
64.通过设计活性物质填充罐2和水回收罐3镂空的形状与大小，控制水接触活性物质如活泼金属或氢化物的速率来控制制氢速率，采用该方法能够实现反应速率可控、高效且安全性高，使用场景灵活方便，更好地为燃料电池系统供氢。
65.需要说明的，在本实施例中所述活性物填充罐2和水回收罐3的镂空孔可以相同或不同，包括镂空孔的形状与大小，且不同高度镂空形状及大小可根据实际需要改变，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。
66.水回收罐表面3的镂空设计控制水的流出速率，间接控制与活性物质的接触时间，提高了反应过程速率的稳定性。
67.作为一种或多种实施例，所述制氢罐的材质可以为轻质金属合金，例如可以选用铝合金或钛合金材质；
68.或，所述制氢罐的材质也可以为工程塑料材质，例如可以选用聚碳酸酯材料。
69.所述制氢罐内壁设有温度和压力传感器，可用于反映罐内化学反应速率；
70.所述第一进料口7设置超声雾化装置701，将进料口的液态水转化为水汽，使水与活性物质更均匀的接触。
71.当装置内温度过高时，进入水回收罐3内的水吸热变为蒸汽，用于平衡系统内温度。该系统通过增加进水口超声雾化装置及预填充吸水材料保证水与活性物质的接触面积和接触时间，适应于氢气进口压力较为精确的燃料电池系统。
72.该装置结构紧凑、简单，能够有效地控制活性物质与水接触速率，系统较为灵活，安全性、可靠性较高，适用于各种需要用于氢燃料电池的场合。
73.实施例二
74.如图7所示，本实施例提供了一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，包括：储水罐、制氢装置、燃料电池电堆、水供给系统、水循环系统和氢气供给系统，所述水供给系统一端连接储水罐，另一端连接制氢装置的第一进料口，所述燃料电池电堆包括氢气进口和氢气出口，所述氢气进口连接制氢装置的出气口，所述水循环系统一端和废水出口连接，另一端和第一进料口连接，用于将部分水循环利用。
75.所述储水罐和制氢罐的通过泵连接或连接管内填充吸液芯，所述吸液芯材料包括但不限于吸水棉、吸水纸或其他吸水材料的一种或几种的混合物，所述吸液芯的种类和形状可根据制氢装置罐所需氢气流量进行选择，水从储水罐通过泵或管内吸液芯流入制氢罐的进水口，所述制氢罐进水口设置超声雾化装置，用以灵活调整进入系统内水流量及速率，利于反应过程速率的稳定性。通过第一进料口加入水，通过第二进料口填充活性物质或吸水材料；
76.根据活性物质特点及所需氢气流量确定填充吸水材料的位置、高度以及选择填充单一或多种吸水材料；
77.本装置和系统的使用方法为：
78.根据活性物质特点及所需氢气流量确定进水方式、水的形态，如选择液态水或水气以及储水罐与制氢罐连接方式为泵或管内填充吸液芯；
79.根据活性物质的特点确定活性物填充罐镂空孔的形状和开度大小以及是否叠加外壳即选择单一或叠加罐外壳；
80.根据活性物质特点及所需氢气流量确定水回收罐的高度，选择拼接单一或多种镂空孔形状和大小；
81.水通过活性物填充罐表面的镂空孔流入和活性物质接触，反应释放氢气，通过出气口将氢气排出；
82.反应后的废水通过水回收罐流入废水罐经废水出口流出。
83.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述装置包括两个重叠的罐体，上部为制氢罐，下部为废水罐；所述制氢罐内设置套筒组件，所述套筒组件的外壁和制氢罐内壁之间形成第一中空腔体，所述套筒组件包括活性物填充罐和水回收罐，所述水回收罐位于活性物填充罐内部，所述活性物填充罐内壁和水回收罐外壁之间形成第二中空腔体，所述水回收罐贯穿制氢罐和废水罐，所述水回收罐内壁之间形成第三中空腔体；所述活性物填充罐表面设置第一镂空结构，水回收罐表面设置第二镂空结构，所述第一中空腔体通过第一镂空结构和第二中空腔体连通，所述第二中空腔体通过第二镂空结构和第三中空腔体连通。2.如权利要求1所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述第一镂空结构为单层镂空孔；或，所述第一镂空结构为孔径渐变的多层镂空孔组合而成，层与层之间形成中空腔体。3.如权利要求2所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述第一镂空结构的多层镂空孔孔径渐变的规律为自外向内逐渐变小。4.如权利要求1所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述第二镂空结构为单一的镂空孔；或，所述第二镂空结构为孔径由上至下渐变的镂空孔组合而成。5.如权利要求4所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述第二镂空结构的镂空孔孔径渐变的规律为自上而下逐渐变大。6.如权利要求1所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述第一中空腔体、第二中空腔体以及第三中空腔体内预先填充一种或多种吸水材料，所述吸水材料根据第一镂空结构和第二镂空结构选择。7.如权利要求1所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置，其特征在于，所述制氢罐的罐盖表面设置第一进料口，所述活性物填充罐的罐盖表面设置第二进料口和出气口。8.一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，其特征在于，包括：储水罐、水供给系统、制氢装置、燃料电池电堆、水循环系统和氢气供给系统，所述水供给系统一端连接储水罐，另一端连接制氢罐的第一进料口，所述燃料电池电堆包括氢气进口和氢气出口，所述氢气进口连接制氢装置的出气口，所述水循环系统一端和废水出口连接，另一端和第一进料口连接。9.如权利要求8所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，其特征在于，所述储水罐和制氢罐的通过泵连接或连接管内填充吸液芯，水从储水罐通过泵或管内吸液芯流入制氢罐的第一进料口。10.如权利要求8所述的一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢系统，其特征在于，所述制氢罐进水口设置超声雾化装置，所述超声雾化装置用于将液态水进行雾化。

技术总结
本发明属于燃料电池和制氢领域，提供了一种用于燃料电池制氢速率可控的制氢装置、系统及方法，它解决了系统内水的利用率下降，启动速率缓慢，制氢速率得不到精确控制的问题，其技术方案为：储水罐与制氢罐连接方式为泵或管内填充吸液芯，液态水或水气通过活性物填充罐孔缓慢进入系统，过程保持与活性物质良好接触速率，释放氢气；水回收罐表面镂空设计控制水的流出速率，间接控制与活性物质的接触时间；制氢装置内各部分空间可预先填充一种或一种以上吸水材料，提高反应过程速率的稳定性。提高反应过程速率的稳定性。提高反应过程速率的稳定性。


技术研发人员：石文荣 郭振 张丽 刘阳 夏中峰 梁琦
受保护的技术使用者：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25