氫化鎂制氫儲氫一體化裝置的製作方法

2023-08-06 17:43:51

本實用新型涉及燃料電池領域中的制氫儲氫技術，具體地指一種氫化鎂制氫儲氫一體化裝置。

背景技術：

氫是未來能源載體的重要選擇之一。在全球氣候變暖以及環境汙染日益嚴重的情況下，新能源的廣泛利用已經迫在眉睫，而氫能因其特有的優勢，受到廣泛關注。在這一輪全球可再生能源浪潮的引領下，氫能以其特質顯現了在能源領域的重要性。它是世界上最常見的元素，並且在燃燒時不產生有害物質。在軍工領域中，因為其幾乎可以做到靜音運行，使得氫燃料電池受到各國親睞，越來越多的國家也開始加大其研發力度。不幸的是，純氫的存儲是個問題：在燃料箱裡存儲足夠的氫氣需要極大的壓力。這些實際問題阻礙了氫作為燃料在汽車或者移動裝置設備方面的應用。在行動裝置和電動汽車領域，燃料電池汽車在動力以及安全性能等方面都有鋰電池汽車不可比擬的優勢，但由於非鉑催化劑的性能還未能達到鉑催化劑的效果，加之制氫、儲氫成本高昂等原因，使其商業化進程減慢。

現有的儲氫方法基本分為：1.高壓儲氫；2.物理儲氫；3.化學儲氫；4.液體儲氫。但是每一種儲氫方式都有各自的弊端，高壓儲氫是目前為止是最有前景的適用於電動汽車的儲存方式，但是由於其高成本和質量儲氫密度不高的因素，還有待進一步發展；物理儲氫大多數理論儲氫質量都能夠達到標準，但是實際的儲氫密度卻很低，是一個難以攻克的屏障；化學儲氫的安全性和儲氫質量都比較高，但是儲放條件苛刻，又存在儲氫物質的循環使用效力的問題；液體儲氫研 究目前也有突破，只是其安全問題和高成本也制約了其進一步推廣。

至於備受關注的制氫技術，通過長期的科研實踐，制氫效率不斷提高，制氫成本不斷降低，採用可再生能源為原材料的制氫工藝，已經達到可工業化水平。在工業領域，如果能夠將制氫、儲氫和用氫一體化，即制即用，那麼就可以省略儲氫這一成本高、能效低的過程，從而實現更大的經濟效益。水解制氫完全可以做到即制即用，彌補電解水制氫能量轉化低這個不足，但其中也存在可控性差、裝置過於複雜等情況。

在眾多活性金屬及氫化物中，鎂基材料具有很高的理論制氫量(Mg 8.2％，MgH2 15.2％)。鎂在地球中儲量豐富(在地殼中含量達2.4％，海水中含量達0.13％)，價格低廉，是製備低成本、高性價比制氫原料的理想選擇。鎂基材料易儲存、反應條件溫和、副產物為對環境友好的Mg(OH)2，被認為極具發展潛力。但是，隨著水解反應的進行，副產物Mg(OH)2形成鈍化層包覆在未反應的顆粒表面，增加了水向顆粒內部擴散的時間，造成動力學性能下降，轉化率降低等問題。由於Mg(OH)2鈍化層阻礙了水向顆粒內部擴散，使水解反應在經過初期高速反應階段後就迅速停滯。為了提高水解制氫效率和反應速率，目前採用的方法主要有球磨原料，改變水溶液成分，添加催化劑金屬或氫化物摻雜等。為了提高水解制氫效率和反應速率，很多研究者通過降低粉末的顆粒尺寸、調解pH值以及添加催化劑等方法來提高其反應效率。

中國專利申請「連續可控的氫化鎂水解制氫裝置及利用該裝置制氫的方法」(申請號：201510012793.3)公開了一種氫化鎂水解制氫裝置及制氫方法，該裝置包括氫化鎂儲器、氯化鎂溶液儲器、制氫反應器和固液分離器，制氫反應器的第一進料口連接氫化鎂儲器，制氫反應器的第二進料口連接氯化鎂溶液儲器，制氫反應器的第一導出口連接氫氣淨化器，制氫反應器的第二導出口通過螺旋反應管連接固液 分離器的入口，固液分離器的出口連接氫氣淨化器。該方法採用機械球磨或超聲活化對氫化鎂活化預處理；採用機械球磨活化時間為0.5h～5h，優選機械球磨活化時間為3h～4h，轉速為100rpm～450rpm，球料比為10:1～40:1。該方法和裝置可以在長時間條件下實現固液反應物流態化反應，穩定可控地輸出氫氣。

上述裝置和方法對於提高氫化鎂反應效率都有一定的效果，但是如果要達到商業應用，其效能還是遠遠不夠的，並且難以解決副產物Mg(OH)2形成鈍化層的問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種制氫反應效率較高的氫化鎂制氫儲氫一體化裝置。

為實現上述目的，本實用新型所提供的氫化鎂制氫儲氫一體化裝置，包括給料裝置、給水裝置、氫氣發生器和氫氣分離裝置，所述氫氣發生器上設置有粉末噴霧裝置、噴水裝置和混合氣體輸出口，所述粉末噴霧裝置上設置有粉末輸入口，所述噴水裝置上設置有進水口；所述給料裝置上設置有用於輸入複合物粉末的原料輸入口、用於輸入氮氣的氮氣輸入口和用於輸出複合物粉末的粉末輸出口；所述氫氣分離裝置上設置有混合氣體輸入口、氮氣輸出口和氫氣輸出口；所述給料裝置的粉末輸出口與粉末噴霧裝置的粉末輸入口相連，所述給水裝置的出水口與所述噴水裝置的進水口相連，所述氫氣分離裝置的混合氣體輸入口與氫氣發生器的混合氣體輸出口相連。該裝置的工藝流程簡述如下：氫化鎂從粉末噴霧裝置噴入氫氣發生器中，與從噴水裝置噴入氫氣發生器的水進行反應，反應放熱使水霧氣化，氣液混合態的水在氫氣發生器中與氫化鎂粉末噴霧接觸並發生反應，反應產生的混合氣體(含水汽、氮氣和氫氣)從混合氣體輸入口進入氫氣分離裝置，在氫氣分離裝置中進行分離，最終得到氫氣，同時回收其中的氮氣。本實用新型所稱氫化鎂包括通常用於制氫的氫化鎂，以及主要成分為 氫化鎂的氫化鎂複合物粉末。

優選地，所述粉末噴霧裝置為圓環形的粉末噴管，環繞設置在氫氣發生器的上部，所述粉末噴管上分布有若干粉末噴口；所述噴水裝置為圓環形的噴水管，環繞設置在氫氣發生器的下部，所述噴水管上分布有若干噴水口。

優選地，所述給料裝置包括加料罐和給料調節閥，所述給料調節閥的兩端分別與加料罐的粉末輸出口、粉末噴霧裝置的粉末輸入口相連，所述加料罐設置有氣力輸送裝置(如倉泵)。通過給料調節閥可精確控制氫化鎂粉末的反應量，便於控制反應速率。

優選地，所述氫氣分離裝置包括混合氣體分離器和氫氮氣分離槽，所述氫氣分離裝置的混合氣體輸入口設置在混合氣體分離器上，所述氫氣分離裝置的氫氣輸出口設置在氫氮氣分離槽上，所述混合氣體分離器的氫氮氣輸出口與氫氮氣分離槽的氫氮氣輸入口相連。混合氣體通過混合氣體分離器進行氣液分離，再通過氫氮氣分離槽使氫氣和氮氣得到分離。

優選地，所述氫氮氣分離槽為變壓吸附分離氮氣和氫氣的分離槽。變壓吸附是一種新型氣體吸附分離技術，可在室溫和不高的壓力下工作，床層再生時不用加熱，產品純度高，節能經濟。

優選地，所述給水裝置包括儲水槽和水泵，所述水泵的一端與儲水槽的出水口相連，另一端與所述噴水裝置的進水口相連。

優選地，還包括氫氣緩衝罐，所述氫氣分離裝置的氫氣輸出口與氫氣緩衝罐的氫氣輸入口相連。

優選地，還包括氫氧燃料電池，所述氫氧燃料電池的氫氣輸入口與所述氫氣緩衝罐的氫氣輸出口相連。

本實用新型的有益效果如下：

1)在氫氣發生器中，以噴霧的形式加入氫化鎂粉末，有利於反應的進行，使反應更徹底，也可以更好的控制反應速率，提高了反應效 率。

2)由於反應是放熱反應，噴水管噴出來的水會處於液態和氣態的混合狀態，氣液混合態的水與氫化鎂粉末的反應效率比常規的液態水的反應效率顯著提高，有效避免反應過程中發生鈍化反應，從而顯著延長了反應的可持續性，提高了反應效率。氫氣發生器下方的液態水溶液，也可以進行二次回收與利用。

附圖說明

圖1為本實用新型所設計的氫化鎂制氫儲氫一體化裝置的結構示意圖。

圖2為圖1中氫氣發生器沿粉末噴管所在平面的截面示意圖。

圖3為本實用新型各實施例的產氫率-反應時間曲線圖。

其中：氫氣發生器1、粉末噴管1.1、噴水管1.2、粉末噴口1.3、加料罐2、給料調節閥2.1、混合氣體分離器3、氫氮氣分離槽4、儲水槽5、水泵6、氫氣緩衝罐7、氫氧燃料電池8

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。

如圖1～2所示，本實用新型所設計的氫化鎂制氫儲氫一體化裝置，包括給料裝置、給水裝置、氫氣發生器1和氫氣分離裝置。

氫氣發生器1上設置有粉末噴管1.1、噴水管1.2和混合氣體輸出口。粉末噴管1.1為圓環形，位於氫氣發生器1的上部，其上環繞氫氣發生器1的周向均勻布置有多個粉末噴口1.3，粉末噴口1.3垂直於發生器的壁面。噴水管1.2為圓環形，位於粉末噴管1.1以下，其上環繞氫氣發生器1的周向內側均勻步驟有多個噴水口(與粉末噴口1.3的布置類似)，噴水口垂直於發生器的壁面。圖1中，氫氣發生器1在不同高度設置有兩層噴水管1.2，根據需要可以實現單層噴水或雙層噴水。

給料裝置包括加料罐2和給料調節閥2.1，加料罐2可儲存一定 量的複合物粉末，並且帶有氣力輸送功能。加料罐2上設置有氮氣輸入口，通過氮氣提供惰性氛圍和氣力輸送動力。給料調節閥2.1的兩端分別與加料罐2的粉末輸出口、粉末噴管1.1的粉末輸入口相連。

給水裝置包括儲水槽5和水泵6，水泵6的一端與儲水槽5的出水口相連，另一端與噴水管1.2的進水口相連。水泵6和氫氣發生器1之間的管道上設置有流量計和給水調節閥(圖中未給出編號)。氫氣發生器1與儲水槽5之間還設置有回流管道，多餘的水可以通過高差自動返回儲水槽5中。

氫氣分離裝置包括混合氣體分離器3和氫氮氣分離槽4，混合氣體分離器3上設置有混合氣體輸入口和氫氮氣輸出口。氫氮氣分離槽4採用變壓吸附分離氮氣和氫氣，其包括並列設置的兩個氫氮氣分離槽a和b，氫氮氣分離槽a、b上分別設置有氫氮氣輸入口、氫氣輸出口和氮氣輸出口，混合氣體分離器3的氫氮氣輸出口與氫氮氣分離槽a、b的氫氮氣輸入口相連。氫氮氣分離槽a、b的氮氣輸出口與壓縮機相連，通過壓縮機對分離出的氮氣進行加壓，加壓後的氮氣輸送到加料罐2回收利用。

氫氮氣分離槽a、b的氫氣輸出口後依次連接有氫氣緩衝罐7和氫氧燃料電池8，將產生的氫氣輸送到氫氧燃料電池8中進行發電。

上述裝置的工作過程如下：先將製備好的氫化鎂粉末加入加料罐2中，通過氣力輸送的方式，將其輸送到粉末噴管1.1中，並從粉末噴口1.3噴入氫氣發生器1內，粉末加入速度可以通過給料調節閥2.1控制。同時水溶液通過水泵6輸入到噴水管1.2，進一步從噴水口噴入氫氣發生器1內，輸水流量通過流量計和給水調節閥進行調控。由於反應大量放熱，水處於冷凝與氣化狀態之間，這樣的狀態有助於水解反應的進一步進行。此外，在氫氣發生器1中，下方的液態水，可以與未反應完全的粉末繼續發生反應，多餘的液態水還可返回儲水槽5後再次噴入氫氣發生器1內。而產生的含氫氣的混合氣體則依次輸 入混合氣體分離器3和氫氮氣分離槽4進行純化處理，得到的氫氣進入氫氣緩衝罐7中緩存，而後便可將高純氫氣通入氫氧燃料電池8中進行發電。

以下通過實例對該制氫儲氫一體化裝置的制氫效果進行說明。

對比例

採用氫化鎂複合物粉末作為原料，其製備方法為：在氫氣氛圍中，將100g鎂粉以及10g石墨和1.5g石墨烯、1g Ti置入真空球磨機中，在150℃下充分球磨2h左右，得到粒徑約為16nm的氫氧化鎂複合物粉末。該氫氧化鎂複合物粉末和水直接加入(不採用噴霧方式)常規制氫反應器中進行反應，不同反應時間時的產氫率分別如表1所示。

實施例

採用氫化鎂複合物粉末作為原料，其製備方法為：在氫氣氛圍中，將100g鎂粉以及10g石墨和1.5g石墨烯、1g Ti置入真空球磨機中，在150℃下充分球磨2h左右，得到粒徑約為16nm的氫氧化鎂複合物粉末。該氫氧化鎂複合物粉末送入前述制氫儲氫一體化裝置中製取氫氣，原料和水均以噴霧的方式加入氫氣發生器1內，不同反應時間下的產氫率(指累積產氫率)如表1所示。

表1產氫率-反應時間

上表中，反應時間為t時的產氫率＝反應時間為0～t時的氫氣累積產量(單位為g)÷反應全過程投入氫化鎂複合物粉末(對於實施例1為氫化鎂)的總量(單位為g)×100％。

為使結果更為直觀，將表1中的結果以反應時間為橫坐標，產氫率為縱坐標繪製成如圖3所示的曲線圖。

從表1和圖3中可以看出，在反應剛開始時，實施例相對於對比 例的產氫量差異並不大，但隨著時間的推移，產氫率逐漸拉開差距，到反應時間300s時，實施例的產氫率相對於對比例提高了24％。由此可見，採用本實用新型所提供的制氫儲氫一體化裝置進行制氫能夠顯著提高產氫率。