專利名稱：一種動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體發(fā)生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
迫于礦物能源的逐漸枯竭及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，我國(guó)及世界許多國(guó)家都把氫能技術(shù)和燃料電池的開(kāi)發(fā)研究列為可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)前燃料電池技術(shù)即將進(jìn)入實(shí)用化，然而氫氣的來(lái)源和供應(yīng)一直是制約燃料電池應(yīng)用推廣的關(guān)鍵因素之一。其原因在于廉價(jià)、高純度的氫氣制備困難；氫氣的貯存、運(yùn)送還未得到有效解決，尤其是在戰(zhàn)場(chǎng)、野外、偏遠(yuǎn)地區(qū)、災(zāi)區(qū)等特殊環(huán)境下要現(xiàn)場(chǎng)得到氫氣就更困難了。雖然一些金屬或金屬氫化物如鋁、 鎂、氫化鈣、硼氫化鈉等與水反應(yīng)可以較簡(jiǎn)便的制取氫氣，但其制氫過(guò)程難以控制，有的還需要把制取的氫氣高壓儲(chǔ)存，不便于移動(dòng)場(chǎng)合使用。所以，現(xiàn)有制氫裝置，不能解決在應(yīng)急環(huán)境下為燃料電池等便攜用氫設(shè)備可靠供
Μ,ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，該裝置包括氣體發(fā)生罐、物料倉(cāng)、氣體出口，其中，所述氣體發(fā)生裝置還包括集氣罩和氣體調(diào)壓口 ；所述集氣罩設(shè)在氣體發(fā)生罐的內(nèi)部，其底端與氣體發(fā)生罐底端貫通；所述物料倉(cāng)為透水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，嵌套在集氣罩的內(nèi)部；所述氣體調(diào)壓口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩側(cè)壁頂端與氣體發(fā)生罐側(cè)壁頂端之間的位置，氣體出口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩的上方。其中，所述氣體發(fā)生裝置還包括加料口。其中，所述氣體發(fā)生裝置還包括排液口，該排液口作為廢液排出口，也可以作為清污口。其中，所述集氣罩為不透氣性罩狀結(jié)構(gòu)。其中，所述物料倉(cāng)織網(wǎng)目數(shù)為5 800目。其中，所述物料倉(cāng)的材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼、尼龍、含氟材料、玻璃纖維、聚砜、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯等金屬及高分子材料。其中，所述物料倉(cāng)的底部不超出集氣罩的開(kāi)口端面。其中，所述集氣罩形狀為柱狀、圓錐形、菱形、球形、長(zhǎng)方形及其它特殊形狀。其中，所述集氣罩材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼、尼龍、含氟材料、玻璃纖維、聚苯醚、聚砜、 聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯等金屬及高分子材料。其中，所述氣體發(fā)生裝置在外部環(huán)境溫度-20 50°C條件下均可使用。本發(fā)明的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置可用于常規(guī)的固液反應(yīng)制備氣體，優(yōu)選用于制
3備氫氣。該氣體發(fā)生裝置與氣體清洗裝置及輸氣管路共同組成制氫裝置，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供應(yīng)氫氣。本發(fā)明還提供了一種利用動(dòng)態(tài)自平衡的氣體發(fā)生裝置進(jìn)行制氫的方法。該方法利用金屬物料和助劑水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。該方法包括以下步驟a、打開(kāi)氣體發(fā)生裝置的加料口，依次加入助劑水溶液，金屬物料，使助劑水溶液與金屬物料接觸，關(guān)閉加料口。助劑水溶液優(yōu)選加入500-800ml，金屬物料優(yōu)選加入30_150g。b、集氣罩內(nèi)部反應(yīng)室內(nèi)的金屬物料與助劑水溶液接觸，反應(yīng)開(kāi)始，反應(yīng)為放熱反應(yīng)。C、打開(kāi)氣體出口閥門，開(kāi)始穩(wěn)定提供氫氣。氫氣流量范圍為50 1200ml/min，氫氣提供壓力范圍為0. 005 0. 2MPa。其中，所述助劑水溶液優(yōu)選堿液，堿液質(zhì)量百分比濃度為3% 50%。其中，所選物料優(yōu)選鋁、鋅、鋰氫化物、鈣氫化物、硼氫化鈉，物料平均粒度為 0. 1 100mm。制氫時(shí)，集氣罩內(nèi)部反應(yīng)室中助劑水溶液和金屬物料相遇時(shí)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣， 當(dāng)氫氣產(chǎn)生的壓力大于集氣罩外部氣體擠壓室內(nèi)的壓力時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)的氣體會(huì)把助劑水溶液壓離反應(yīng)室，從而使助劑水溶液與金屬物料分離，反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)氫反應(yīng)自動(dòng)停止；當(dāng)需氫設(shè)備使用并消耗氫氣時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)的壓力下降，壓力小于氣體擠壓室內(nèi)壓力，氣體擠壓室內(nèi)氣體會(huì)將助劑水溶液體壓回反應(yīng)室內(nèi)繼續(xù)與金屬物料發(fā)生反應(yīng)放出氫氣。如此循環(huán)，氣體發(fā)生罐內(nèi)始終保持一定的氣體壓力，保持動(dòng)態(tài)自平衡，從而確保本發(fā)明裝置的不間斷制氫、供氫和使用安全。終止反應(yīng)的條件氫氣出口閥門關(guān)閉，金屬物料與助劑水溶液由于壓力作用分開(kāi)或金屬物料完全反應(yīng)。氣體發(fā)生罐根據(jù)系統(tǒng)壓力與需氫設(shè)備的用氫速度調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的制氫反應(yīng)，控制反應(yīng)物料接觸面積和時(shí)間進(jìn)而控制反應(yīng)速度，保證氫氣的穩(wěn)定、足量供應(yīng)，且保證裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明具有以下積極效果本發(fā)明氣體發(fā)生裝置采用固態(tài)金屬物料與助劑水溶液進(jìn)行反應(yīng)制氫的工藝方法。 固態(tài)金屬物料與助劑具有儲(chǔ)存方便，運(yùn)輸便捷等優(yōu)點(diǎn)，可以方便實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制氫。本發(fā)明氣體發(fā)生裝置根據(jù)系統(tǒng)壓力的動(dòng)態(tài)自平衡與需氫設(shè)備的用氫速度調(diào)節(jié)集氣罩內(nèi)反應(yīng)室反應(yīng)，控制反應(yīng)物料接觸面積和時(shí)間從而控制反應(yīng)速度，提高了制氫效率和反應(yīng)物的利用率，保證氫氣的穩(wěn)定、足量供應(yīng)，且保證裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明氣體發(fā)生裝置整個(gè)設(shè)備結(jié)果簡(jiǎn)單、體積小，重量輕，密封性能好，反應(yīng)速度快，可以根據(jù)需要即時(shí)產(chǎn)氣，即時(shí)使用。供應(yīng)的氫氣量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可控，氫氣純度高，流量穩(wěn)定，不需要消耗電能和燃料，無(wú)污染，特別適用于移動(dòng)設(shè)備上以氫氣為燃料的燃料電池等發(fā)電裝置。本發(fā)明中的氫氣制備所用原料無(wú)毒無(wú)味，原料利用率高且無(wú)副反應(yīng)，制取的氫氣
純度高。
本發(fā)明氣體發(fā)生裝置無(wú)能耗、反應(yīng)后產(chǎn)物可以實(shí)現(xiàn)回收再利用。綜上所述，利用本發(fā)明提供的帶有集氣罩的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置利用金屬制氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，制備的氫氣不僅壓力滿足需求而且品質(zhì)較好，同時(shí)能夠根據(jù)需求較好的控制反應(yīng)速度，產(chǎn)氣穩(wěn)定，裝置安全可靠且成本低。


圖1為本發(fā)明氣體發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明氣體發(fā)生裝置中的集氣罩變形的結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明氣體發(fā)生裝置的氣體發(fā)生時(shí)的狀態(tài)圖。圖中，1-氣體調(diào)壓口3-氣體出口5-集氣罩7-氣體擠壓室9-排液口11-物料
2-加料口
4-物料倉(cāng)
6-氣體發(fā)生罐
8-反應(yīng)室
10-集氣室
12-助劑水溶液液面
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1結(jié)合附圖Ib對(duì)本發(fā)明所提供的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置中的氣體發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)作詳細(xì)陳述如下該裝置包括氣體發(fā)生罐6、物料倉(cāng)4、氣體出口 3、集氣罩5和氣體調(diào)壓口 1 ；所述集氣罩5設(shè)在氣體發(fā)生罐6的內(nèi)部，其底端與氣體發(fā)生罐底端貫通，頂部與氣體發(fā)生罐6頂蓋密閉相連；所述物料倉(cāng)4為透水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，嵌套在集氣罩5的內(nèi)部，其外側(cè)壁和外底壁與集氣罩6的內(nèi)側(cè)壁和底部留有空隙，物料倉(cāng)4頂部與氣體發(fā)生罐頂蓋密閉相連，使其中的金屬物料與氣體發(fā)生罐6中的助劑水溶液發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體；所述物料倉(cāng)的底部不超出集氣罩的開(kāi)口端面；所述氣體調(diào)壓口 1設(shè)在氣體發(fā)生罐6的頂部位于集氣罩5側(cè)壁頂端與氣體發(fā)生罐6側(cè)壁頂端之間的位置，氣體出口 3設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩的上方；所述氣體發(fā)生裝置內(nèi)部空間被集氣罩5和助劑水溶液的液面分成上部的氣體擠壓室 7和集氣室10，以及下部的反應(yīng)室8 ；所述物料倉(cāng)上方設(shè)有加料口 2 ；氣體發(fā)生罐底部設(shè)有排液口 9。打開(kāi)氣體發(fā)生罐6，并保持氣體調(diào)壓口 1開(kāi)放，將助劑和水加入氣體發(fā)生罐6，然后將裝好金屬物料的料倉(cāng)4置入氣體發(fā)生罐6 ；關(guān)閉氣體發(fā)生罐6、氣體調(diào)壓口 1、加料口 2和氣體出口 3，發(fā)生器開(kāi)始反應(yīng)。此時(shí)，如不向外供氣，內(nèi)部隨著氣壓的上升達(dá)到反應(yīng)平衡，隨即反應(yīng)停止。打開(kāi)氣體出口 3，開(kāi)始供氣，反應(yīng)再次開(kāi)始。如果反應(yīng)中途關(guān)閉氣體出口 3，反應(yīng)區(qū)液面將低于物料倉(cāng)4底部，反應(yīng)又一次停止。當(dāng)需氫設(shè)備停止工作時(shí)，關(guān)閉氣體出口 3，供氣結(jié)束，同時(shí)打開(kāi)氣體調(diào)壓口 1、加料口 2，然后打開(kāi)氣體發(fā)生罐排出廢液，或打開(kāi)底部排液口 9排出。圖2中的c、d、e是在圖Ia的基礎(chǔ)上集氣罩形狀分別調(diào)整為外凸圓弧形、無(wú)底梯形和內(nèi)凹的圓弧形。圖3為本發(fā)明氣體發(fā)生裝置的氣體發(fā)生時(shí)的狀態(tài)圖，其中物料倉(cāng)中加有物料11， 助劑水溶液的液面12高于物料倉(cāng)的底部。實(shí)施例2向附圖Ia所示氣體發(fā)生罐內(nèi)加入氫氧化鈉MOg，加水620g溶解；平均直徑Imm的鋁原料80g加入料倉(cāng)，物料倉(cāng)為30目的聚四氟乙烯網(wǎng)，二者發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。1分鐘后氫氣開(kāi)始輸送，3分鐘后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，此后裝置反應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。10 60min內(nèi)氫氣輸出速率保持在1 1. 5L/min之間，90min后反應(yīng)終止。當(dāng)需氫設(shè)備停止工作時(shí)，關(guān)閉氣體出口 3，供氣結(jié)束，同時(shí)打開(kāi)氣體調(diào)壓口 1、加料口 2，直接打開(kāi)氣體發(fā)生罐排出廢液。實(shí)施例3將氫氧化鈉150g加入附圖Ib所示氣體發(fā)生罐，加水700g溶解；鋁原料50g，平均直徑0.6mm，加入物料倉(cāng)，物料倉(cāng)為40目的不銹鋼網(wǎng)，二者發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。1分鐘后氫氣開(kāi)始輸送，3分鐘后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，此后裝置反應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。10 35min內(nèi)氫氣輸出速率保持在1 1. 5L/min之間，40min后反應(yīng)終止。當(dāng)需氫設(shè)備停止工作時(shí)，關(guān)閉氣體出口 3，供氣結(jié)束，同時(shí)打開(kāi)氣體調(diào)壓口 1、加料口 2，直接打開(kāi)氣體發(fā)生罐附圖Ib底部排液口 9排出廢液。實(shí)施例4利用附圖Ia所示氣體發(fā)生罐，將175g鋁加入物料倉(cāng)，鋁平均粒徑為0. 9mm,物料倉(cāng)為30目的尼龍網(wǎng)；氣體發(fā)生罐內(nèi)加入315g氫氧化鈉，水330g，鋁與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。1分鐘后氫氣開(kāi)始輸送，4分鐘后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，此后裝置反應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定供氫氣。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說(shuō)明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，包括氣體發(fā)生罐、物料倉(cāng)、氣體出口，其特征在于，所述氣體發(fā)生裝置還包括集氣罩和氣體調(diào)壓口 ；所述集氣罩設(shè)在氣體發(fā)生罐的內(nèi)部，其底端與氣體發(fā)生罐底端貫通；所述物料倉(cāng)為透水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，嵌套在集氣罩的內(nèi)部；所述氣體調(diào)壓口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩側(cè)壁頂端與氣體發(fā)生罐側(cè)壁頂端之間的位置，氣體出口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述氣體發(fā)生裝置還包括加料口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述氣體發(fā)生裝置還包括排液口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任意一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述集氣罩為不透氣性罩狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 3任意一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述物料倉(cāng)織網(wǎng)目數(shù)為5 800目。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述物料倉(cāng)的材質(zhì)為不銹鋼、尼龍、含氟材料、玻璃纖維、聚砜、聚碳酸酯、聚丙烯和/或聚乙烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 3任意一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，其特征在于，所述物料倉(cāng)的底部不超出集氣罩的開(kāi)口端面。
8.權(quán)利要求1 7任意一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)自平衡控壓氣體發(fā)生裝置在制氫中的應(yīng)用。
9.應(yīng)用權(quán)利要求1 7任意一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置進(jìn)行制氫的方法，包括以下步驟a、打開(kāi)氣體發(fā)生裝置的加料口，依次加入助劑水溶液，金屬物料，關(guān)閉加料口；b、集氣罩內(nèi)部反應(yīng)室內(nèi)的金屬物料與助劑水溶液接觸，反應(yīng)開(kāi)始；C、打開(kāi)氣體出口閥門，開(kāi)始穩(wěn)定提供氫氣。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)自平衡氣體發(fā)生裝置，包括氣體發(fā)生罐、物料倉(cāng)、氣體出口，集氣罩和氣體調(diào)壓口，所述集氣罩設(shè)在氣體發(fā)生罐的內(nèi)部，其底端與氣體發(fā)生罐底端貫通；所述物料倉(cāng)為透水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，嵌套在集氣罩的內(nèi)部；所述氣體調(diào)壓口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩側(cè)壁頂端與氣體發(fā)生罐側(cè)壁頂端之間的位置，氣體出口設(shè)在氣體發(fā)生罐的頂部位于集氣罩的上方。本發(fā)明氣體發(fā)生裝置整個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小，重量輕，密封性能好，反應(yīng)速度快，可以根據(jù)需要即時(shí)產(chǎn)氣，即時(shí)使用，特別適用于移動(dòng)設(shè)備上以氫氣為燃料的燃料電池等發(fā)電裝置。
文檔編號(hào)C01B3/08GK102225743SQ20111011594
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者劉萍, 李帥, 楊慶蘇, 王剛, 趙長(zhǎng)虹 申請(qǐng)人:北京綠舍環(huán)境能源技術(shù)有限責(zé)任公司