一种水解制氢系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及制氢技术领域，尤其涉及一种水解制氢系统及其使用方法。

背景技术

燃料电池动力系统具有高能量转换效率、低排放、运行噪声小和适应不同功率要求等优势，是常规动力系统的重要选项。目前燃料电池动力系统主要应用方向为：船舶、车辆以及水下装备。随着燃料电池技术发展完善，燃料电池动力系统将得到广泛应用。目前长续航力是燃料电池动力系统发展的重大瓶颈。通过大幅提高氢源储氢密度，进而提升燃料电池动力系统能量密度，已经成为发展长续航力燃料电池动力系统的关键，然而目前主流的高压氢气瓶无法满足高能量密度的需求。以硼氢化钠、氢化镁、氢化钙和氢化锂为代表的金属氢化物通过水解制氢，储氢密度最高可达25wt％，是35MPa高压气瓶储氢密度的7倍以上，是最具先进性的氢源技术之一。

水解制氢的应用也存在尚未完全解决的难题，关键问题之一是热量管理。水解反应释放大量的热量，如果无法顺利移走热量，将造成水解制氢体系温度升高。水解反应受到温度的影响较大，温度的升高对水解产氢速率有促进作用，可以提高产氢速度以及反应转化率，但温度过高不利于产氢速率的稳定控制，反应体系温度过高时存在反应失控的风险。目前，通过冷却水换热的方式进行温度调控，此方案造成了大量热量的浪费，例如，专利CN104555916B和CN101973520B等公开的水解制氢装置均通过冷却的方法进行换热，存在热量的浪费。而专利CN111533087A公开了速率可控水解制氢装置及控制方法，通过电流脉冲控制制氢速率，虽然制氢速率可控，但同样也造成了反应产热的浪费。

然而，如何移走水解反应热并对反应热进行利用是水解制氢的技术难题，为此，本发明提出一种水解制氢系统。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种水解制氢系统及其使用方法，用以解决现有技术中如何移走水解反应热并对反应热进行利用的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种水解制氢系统，包括：

反应器，所述反应器内部形成有用于水解制氢反应发生的反应空间，所述反应器由导热材料制成。

供料组件，所述供料组件用于给所述反应空间分别通入第一反应物和第二反应物，所述第一反应物和第二反应物在所述反应空间内反应可产生氢气并放热。

发电组件，所述发电组件包括依次连接的相变储热层、温差电池组和散热翅片，所述相变储热层设于所述反应器的外侧壁，所述温差电池组设于所述相变储热层外侧，所述散热翅片设于所述温差电池组的外侧，所述温差电池组经由所述相变储热层和散热翅片的两端温度差进行温差发电。

进一步的，所述相变储热层由铝合金或不锈钢材料制成，所述相变储热层为盒体结构且内部形成有容纳腔，所述容纳腔中填充有脂酸类有机物。

进一步的，所述散热翅片由铜合金材料制成，所述散热翅片包括多个间隔分布的翅片本体。

进一步的，所述第一反应物为金属氢化物。

进一步的，所述第二反应物为水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液。

进一步的，所述的金属氢化物包括硼氢化钠、氢化镁、氢化钙或氢化锂中的至少一种。

进一步的，所述金属氢化物被制成直径为3～8mm的小球。

进一步的，所述温差电池组由多个N型电极和P型电极组成，所述N型电极的材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成或质量比为1:1的Bi

进一步的，所述供料组件包括第一输料组件和第二输料组件，所述第一输料组件用于向所述反应空间通入金属氢化物；所述第二输料组件包括储液罐及泵体，所述储液罐用于储存水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液，所述泵体用于将所述储液罐中的溶液输送至所述反应空间。

上述的任一项水解制氢系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：先将所述第一反应物和第二反应物分别通入所述反应空间内，所述第一反应物和第二反应物在所述反应空间内反应后产生氢气并放热。

S2：所述相变储热层设于所述反应器的外侧壁以形成热端，所述散热翅片设于所述温差电池组的外侧且置于空气中以形成冷端，所述温差电池组经由所述热端和冷端的两端温度差进行温差发电。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过设置所述反应器、供料组件和发电组件等零部件，先将所述第一反应物和第二反应物分别通入所述反应空间内，所述第一反应物和第二反应物在所述反应空间内反应后产生氢气并放热，所述相变储热层设于所述反应器的外侧壁以形成热端，所述散热翅片设于所述温差电池组的外侧且置于空气中以形成冷端，所述温差电池组经由所述热端和冷端的两端温度差进行温差发电，通过所述温差电池组可持续吸收反应产生的热量并利用，且能够使所述反应空间内的温度稳定，有利于持续稳定的制取氢气，设置所述相变储热层、温差电池组和散热翅片，一方面可通过热端持续吸收反应热并配合冷端进行发电，另一方面可通过所述散热翅片向空气中持续散除余热，以保证热端和冷端之间的温度差值稳定，有利于稳定的发电，因此，本发明通过设置上述结构，能够移走水解反应热并对反应热进行利用，避免造成能源的浪费。

附图说明

图1为本发明提供的水解制氢系统一实施例的结构示意图。

附图标记：1、反应器；11、反应空间；2、供料组件；201、第一反应物；202、第二反应物；21、第二输料组件；211、储液罐；212、泵体；3、发电组件；31、相变储热层；32、温差电池组；33、散热翅片。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明优选实施例，附图构成本申请一部分，并与本发明实施例一起用于阐释本发明，并非用于限定本发明。

如图1所示，一种水解制氢系统，包括反应器1、供料组件2和发电组件3。

所述反应器1内部形成有用于水解制氢反应发生的反应空间11，所述反应器1由导热材料制成。

所述供料组件2用于给所述反应空间11分别通入第一反应物201和第二反应物202，所述第一反应物201和第二反应物202在所述反应空间11内反应可产生氢气并放热。

所述发电组件3包括依次连接的相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31设于所述反应器1的外侧壁，所述温差电池组32设于所述相变储热层31外侧，所述散热翅片33设于所述温差电池组32的外侧，所述温差电池组32经由所述相变储热层31和散热翅片33的两端温度差进行温差发电。

其中，所述第一反应物201和第二反应物202可以现有技术中的反应物，只要两者反应能够产生氢气并放热即可，例如，所述第一反应物201为质量比为2：1的氢化镁与硼氢化钠混合物，所述第二反应物202为水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液，其中，当反应的环境温度为0℃以上时，所述第二反应物202可为水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液三者中的任意一种，当反应的环境温度为0℃以下时，所述第二反应物202优选为乙二醇水溶液或甘油水溶液，这样设计可保证水溶液在反应过程中不结冰，有利于反应的稳定进行，特别的，只要现有技术中的各种反应物能够分别作为第一反应物201和第二反应物202进行反应，并产生氢气并放热，均可应用于本发明的水解制氢系统。

本发明通过设置所述反应器1、供料组件2和发电组件3等零部件，先将所述第一反应物201和第二反应物202分别通入所述反应空间11内，所述第一反应物201和第二反应物202在所述反应空间11内反应后产生氢气并放热，所述相变储热层31设于所述反应器1的外侧壁以形成热端，所述散热翅片33设于所述温差电池组32的外侧且置于空气中以形成冷端，所述温差电池组32经由所述热端和冷端的两端温度差进行温差发电，通过所述温差电池组32可持续吸收反应产生的热量并利用，且能够使所述反应空间11内的温度稳定，有利于持续稳定的制取氢气，设置所述相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，一方面可通过热端持续吸收反应热并配合冷端进行发电，另一方面可通过所述散热翅片33向空气中持续散除余热，以保证热端和冷端之间的温度差值稳定，有利于稳定的发电，因此，本发明通过设置上述结构，能够移走水解反应热并对反应热进行利用，避免造成能源的浪费。

为了保证热端的温度值稳定不变以便于温差发电的稳定进行，所述相变储热层31由铝合金或不锈钢材料制成，所述相变储热层31为盒体结构且内部形成有容纳腔，所述容纳腔中填充有脂酸类有机物。通过设置所述相变储热层31和脂酸类有机物，使得所述相变储热层31在吸收反应热后的温度为恒定值，有利于温差发电的稳定进行。特别的，所述容纳腔还可填充石蜡或道生油等材料，理论上，只要是能够将吸收的反应热保持恒定的温度值的现有填充材料，也可应用于本发明。

为了保证冷端的温度值稳定不变以便于温差发电的稳定进行，所述散热翅片33由铜合金材料制成，所述散热翅片33包括多个间隔分布的翅片本体。设置多个所述翅片本体一方面可加快温差发电速率，另一方面可通过多个所述翅片本体散除余热，以保证冷端的温度值稳定不变，有利于温差发电的稳定进行。

为了能够移走水解反应热并对反应热进行利用，所述第一反应物201为金属氢化物。所述的金属氢化物包括硼氢化钠、氢化镁、氢化钙或氢化锂中的至少一种。所述第二反应物202为水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液。所述金属氢化物被制成直径为3～8mm的小球。所述温差电池组32由多个N型电极和P型电极组成，所述N型电极的材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成或质量比为1:1的Bi2Te3和GaP组成，所述P型电极的材料为SiGe或Bi2Te3。所述供料组件2包括第一输料组件和第二输料组件21，所述第一输料组件用于向所述反应空间11通入金属氢化物；所述第二输料组件21包括储液罐211及泵体212，所述储液罐211用于储存水溶液、乙二醇水溶液或甘油水溶液，所述泵体212用于将所述储液罐211中的溶液输送至所述反应空间11。

上述任一实施例中的水解制氢系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：先将所述第一反应物201和第二反应物202分别通入所述反应空间11内，所述第一反应物201和第二反应物202在所述反应空间11内反应后产生氢气并放热。

S2：所述相变储热层31设于所述反应器1的外侧壁以形成热端，所述散热翅片33设于所述温差电池组32的外侧且置于空气中以形成冷端，所述温差电池组32经由所述热端和冷端的两端温度差进行温差发电。

本发明提供的水解制氢系统的具体应用例如下：

实用例1：

先在反应器1内预装有质量比为2：1的氢化镁和硼氢化钠的复合小球，直径为3～4mm，所述反应器1的外壁从内至外依次设有相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31内填充相变石蜡，相变温度为70℃(相对于所述热端温度。)，N极材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成，P极材料为SiGe。散热翅片33为多翅片结构，材质为无氧铜。

工作环境温度为-40℃(相对于所述冷端温度。)时，所述储液罐211提供的为体积分数为54％的乙二醇水溶液，启动时外部为所述泵体212供电，泵体212以0.5L/min的速率将乙二醇水溶液注入到反应器1内，同时水解制氢反应开始，对外供氢量为3SL/min，此时反应器1壁温为70℃，环境空气温度为-40℃，温差电池组32发电功率为15W。

实用例2：

先在反应器1内预装有质量比为2：1的氢化镁和硼氢化钠的复合小球，直径为3～4mm，所述反应器1的外壁从内至外依次设有相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31内填充相变石蜡，相变温度为70℃(相对于所述热端温度。)，N极材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成，P极材料为SiGe。散热翅片33为多翅片结构，材质为无氧铜。

工作环境温度为-20℃(相对于所述冷端温度。)时，所述储液罐211提供的为体积分数为54％的乙二醇水溶液，启动时外部为水泵供电，水泵以0.5L/min的速率将乙二醇水溶液注入到反应器1内，启动水解制氢反应，对外供氢量为3SL/min，此时反应器1壁温为70℃，环境空气温度为-40℃，温差电池组32发电功率为12W。

实用例3：

先在反应器1内预装有质量比为2：1的氢化镁和硼氢化钠的复合小球，直径为3～4mm，所述反应器1的外壁从内至外依次设有相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31内填充相变石蜡，相变温度为70℃(相对于所述热端温度。)，N极材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成，P极材料为SiGe。散热翅片33为多翅片结构，材质为无氧铜。

工作环境温度为20℃(相对于所述冷端温度。)时，所述储液罐211提供的为体积分数为54％的乙二醇水溶液，启动时外部为水泵供电，水泵以0.5L/min的速率将水注入到反应器1内，启动水解制氢反应，对外供氢量为3SL/min，此时反应器1壁温为70℃，温差电池组32发电功率为10W，可供水泵用电10W。

实用例4：

先在反应器1内预装有质量比为2：1的氢化镁和硼氢化钠的复合小球，直径为4～6mm，所述反应器1的外壁从内至外依次设有相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31内填充相变石蜡，相变温度为70℃(相对于所述热端温度。)，N极材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成，P极材料为SiGe。散热翅片33为多翅片结构，材质为无氧铜。

工作环境温度为-40℃(相对于所述冷端温度。)时，所述储液罐211提供的为体积分数为54％的乙二醇水溶液，启动时外部为所述泵体212供电，泵体212以0.5L/min的速率将乙二醇水溶液注入到反应器1内，同时水解制氢反应开始，对外供氢量为3SL/min，此时反应器1壁温为70℃，环境空气温度为-40℃，温差电池组32发电功率为14W。

实用例5：

先在反应器1内预装有质量比为2：1的氢化镁和硼氢化钠的复合小球，直径为6～8mm，所述反应器1的外壁从内至外依次设有相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，所述相变储热层31内填充相变石蜡，相变温度为70℃(相对于所述热端温度。)，N极材料为质量比为1:1的SiGe和GaP组成，P极材料为SiGe。散热翅片33为多翅片结构，材质为无氧铜。

工作环境温度为-40℃(相对于所述冷端温度。)时，所述储液罐211提供的为体积分数为54％的乙二醇水溶液，启动时外部为所述泵体212供电，泵体212以0.5L/min的速率将乙二醇水溶液注入到反应器1内，同时水解制氢反应开始，对外供氢量为3SL/min，此时反应器1壁温为70℃，环境空气温度为-40℃，温差电池组32发电功率为12W。

综上所述，由实用例1、实用例2和实用例3可知，热端温度可通过所述相变储热层31及其容纳腔中的脂酸类有机物控制，当热端温度一定时，环境温度越低，所述冷端的温度也越低，因此能够增大所述温差电池组32的两端温差，能够增大发电的功率；由实用例1、实用例4和实用例5可知，热端温度可通过所述金属氢化物的直径大小控制，理论上，所述金属氢化物的直径大小越小，反应越是剧烈，导致反应不可控制，因此，实际应用中，调节所述金属氢化物的直径大小为3～8mm，有利于反应的稳定进行，当冷端温度一定时，所述金属氢化物的直径越大，反应越平稳，虽然发电功率有所减小，但是所述温差电池组32的两端温差较为稳定，便于反应的稳定进行。

与现有技术相比，本发明所提供的水解制氢系统有以下有益效果：

本发明通过设置所述反应器1、供料组件2和发电组件3等零部件，先将所述第一反应物201和第二反应物202分别通入所述反应空间11内，所述第一反应物201和第二反应物202在所述反应空间11内反应后产生氢气并放热，所述相变储热层31设于所述反应器1的外侧壁以形成热端，所述散热翅片33设于所述温差电池组32的外侧且置于空气中以形成冷端，所述温差电池组32经由所述热端和冷端的两端温度差进行温差发电，通过所述温差电池组32可持续吸收反应产生的热量并利用，且能够使所述反应空间11内的温度稳定，有利于持续稳定的制取氢气，设置所述相变储热层31、温差电池组32和散热翅片33，一方面可通过热端持续吸收反应热并配合冷端进行发电，另一方面可通过所述散热翅片33向空气中持续散除余热，以保证热端和冷端之间的温度差值稳定，有利于稳定的发电，因此，本发明通过设置上述结构，能够移走水解反应热并对反应热进行利用，避免造成能源的浪费。

以上所述，仅是本发明较佳实施例，并非对本发明任何形式上的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明保护范围之内。