CN106698338A - 一种液态金属辅助铝块直接制氢装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属辅助铝块直接制氢装置，包括铝块、液态金属罐、冲洗剂罐、氢气收集罐、废液回收池、旋转喷头、升降台，所述旋转喷头通过管路分别连接液态金属罐和冲洗剂罐，旋转喷头下方设置所述铝块，铝块放置在升降台上，升降台位于废液回收池内。本发明提供的液态金属辅助铝板水溶液直接制氢装置，首次实现了任意形状固体铝在室温下的直接、连续快速产氢，该连续制氢过程无需提前将铝与液态金属配制成固相合金或液相合金，避免了以往方法中提前配制合金时会因储存受潮产氢继而出现爆炸的潜在风险。

Description

一种液态金属辅助铝块直接制氢装置及其应用

技术领域

本发明属于氢气制备领域，具体涉及一种利用铝块的制氢装置及其应用。

背景技术

作为一种清洁能源，氢气是发电效率极高的能源，具有巨大发展前景。利用人工方法制氢长期为全球学术界和工业界高度重视。经典的获取氢气方法一般是通过光、电等手段分解水溶液来加以制取，但其成本高、能耗大、速度缓慢及可控性差等问题始终成为氢能源得以普及应用的巨大技术瓶颈。无疑，地球上海水丰富，储量巨大，如果能以低成本的方式直接利用水溶液制造出氢气，将大大缓解当前的能源危机。迄今为止，直接从水溶液中获取氢气缓慢发展过程，缺乏突破性技术。此外，众所周知的是，氢气易燃易爆，这给其制成后的高压储存、运输乃至再加注利用都带来较大的安全隐患。可以说，由于受到来自技术的实用性不足，当前的制氢技术、贮存方式及运输途径等问题严重限制了氢能的利用。

与此同时，人们也在探讨采用特殊材料直接反应制氢的途径，以避免来自氢储存的制约，并提高安全度。在各种措施中，采用铝水反应即时获取氢气是一有独特优势和前景的途径。这是因为，铝是地球上储量最多的金属，易于获取，成本低廉，在工业与人们的日常生活中(如铝箔包裹食品)得到了广泛应用。近年来，利用铝基金属材料的水溶液解反应快速获取氢气受到人们高度重视。化学上，金属铝可与水溶液发生反应产生氢气，因此可确保现场制氢和即时供氢。但金属铝性质活泼，易于被氧化，这就使得铝的表面通常会生成致密的氧化铝保护膜，从而导致铝水溶液反应过程不能持续进行下去。这极大的限制了铝水溶液反应制氢技术的发展。为解决该问题，人们提出了一种有效的改善途径，通过将铝制成合金来来在一定程度上减少铝表面氧化膜的生成，由此确保铝水溶液反应持续进行。但到目前为止，所有采取的措施均是提前制备铝合金产氢剂。由于观念和技术的限制，这种铝合金的制成必须经过高温烧制完成，比如，采用高温加热炉将熔点为660.4℃的铝熔化变成液态时，再往里添加配对的金属，通过熔炼搅拌将这些金属材料制成特定组分的合金，制备过程需要避免某些氧化和密封问题。为提好产氢率，许多情况下还需将这些合金磨成铝合金粉，使用时通过铝粉加料斗供应到溶液中与之发生反应来制氢。可见，这种经典方法成本及能耗较高，过程复杂，制氢环节多，且制成的合金表面仍存在一定的氧化铝，这也相对的限制了产氢的效率。自该方法提出以来，学术界的努力方向基本是在不断尝试不同种类的匹配金属，用以提高产氢率。但无论组分和材料类型如何，均难以避免固相材料高温固化和复杂的制备过程和设备。也因如此，利用铝水反应制氢迄今还未有商业上应用的报道。

近期，我们在实验研究中首次发现，将铝箔加入液态金属如镓或镓合金液体时，可使自身表面的氧化层得以彻底去除，此时铝箔与电解液如NaCl、NaOH、HCl等中性、碱性或酸性溶液接触后，会在室温下产生氢气。由此可直接将处理后的合金与溶液发生反应获得氢气。为此，我们提出了将液态金属与铝制成液相合金以制备氢气的技术途径，这改变了传统的铝水反应制氢方式。不过，这种方式仍未达到完全的简化和快速。比如，提前将液态金属与铝配制成液相合金，虽可在常温下快速产氢，但液相合金的制备仍需要将铝块金属加以裁切，将其制成铝箔，乃至相应的合金配制问题，无疑，对铝金属制造、铝质量要求和加工设备仍有一定设备和工艺要求，且制备后液相合金需予以妥善封存，不然遇到水受潮后会因氢气提前产生释放而发生爆炸风险。因此，这种液相合金法尚达不到促成固态铝与水类溶液的直接反应连续制氢。为此，我们进一步提出这样的基础需求，即若能找到一种成本和使用条件前所未有简单的铝水反应制氢新技术，即采用任何形状、任何质地的固体铝材直接产氢，将真正实现氢源的大规模低成本普及应用。

发明内容

基于对上述综合因素的考虑，本发明提供一种利用液态金属辅助铝块与水溶液直接反应产生氢气的直接制氢装置。

本发明的另一个目的是提供所述液态金属辅助铝块水溶液制氢装置的应用。

为实现本发明目的技术方案为：

一种液态金属辅助铝板直接制氢装置，包括铝块、液态金属罐、冲洗剂罐、氢气收集罐、废液回收池、旋转喷头、升降台；

所述旋转喷头通过管路分别连接液态金属罐和冲洗剂罐，旋转喷头下方设置所述铝块，铝块放置在升降台上，升降台位于废液回收池内。

所述氢气收集罐通过管道与废液回收池相连，所述废液回收池上方设置有可开合的有密闭门。

当升降台上升时，密闭门打开，升降台下降后，门关闭，使废液回收池呈密闭状态。进一步地，所述旋转喷头还连接有高压气体罐；所述旋转喷头上设置有喷枪。该旋转喷头结合喷枪装置的，用于转换喷头、喷射方向和喷射部位，将不同池内的不同液体喷出到铝块不同部位，高压气体罐为旋转喷枪提供气压。

进一步地，所述废液回收池内设置有水平放置的塑料隔板，隔板上开有分离液态金属的孔(使液态金属沉入池底)。

其中，所述废液回收池底部开有液态金属出口，所述液态金属出口通过压力泵和液态金属管连接所述液态金属罐。利用压力将废液压至液态金属辅助罐内，使液态金属重复利用，减少资源浪费。

本发明所述的液态金属辅助铝块直接制氢装置作为氢源的应用。

一种制备氢气的方法，应用本发明所述的液态金属辅助铝块直接制氢装置，包括步骤：

1)在液态金属罐内装入液态金属，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种；在冲洗剂罐内装入冲洗剂，所述冲洗剂为自来水、纯水、盐水、酸溶液、碱溶液、海水中的一种或多种；

2)旋转喷头与液态金属罐连接的管路开通，旋转喷头向铝块上喷出液态金属，经过2～10秒停止喷液态金属，旋转喷头与冲洗剂罐连接的管路开通，喷出冲洗剂将液态金属冲掉，液态金属和冲洗剂一同落入废液回收池；

3)升降台下降，废液回收池密闭门关闭，铝块浸入废液回收池的液体中，产生氢气，由氢气收集罐收集；当不需要产出氢气时，将废液回收池密闭门打开，升降台上升到废液回收池的液面上方。

其中，所述步骤1)中，镓铟二元合金中镓的含量为50～90％质量分数，其余为铟；镓铟锡三元合金中镓的含量为60～80％质量分数，铟的含量为10～30％质量分数，其余为锡。

其中，所述步骤1)中，酸溶液为质量含量1～50％的硫酸、盐酸、甲酸、醋酸、乙二酸、柠檬酸溶液中的一种或多种；碱溶液为质量含量1～50％的NaOH或KOH溶液；盐水为质量浓度1～30％的NaCl或KCl水溶液。

其中，所述铝块中，铝的质量含量为5～100％。所述铝块的形状为板形、柱形、球形、或不规则形状。

进一步地，所述步骤3)中，在废液回收池内进行搅拌和对废液回收池内液体进行加热。

利用液态金属对铝的腐蚀作用直接将铝表面的氧化物去除后，借助由此构成的原电池效应促使纯铝与水溶液反应即可产生氢气，伺需要，可适当加温和搅拌，以控制整个制氢过程。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的液态金属辅助铝板水溶液直接制氢装置，首次实现了固体铝在室温下的直接、连续快速产氢，该连续制氢过程无需提前将铝与液态金属配制成固相合金或液相合金，避免了以往方法中提前配制合金时会因储存受潮产氢继而出现爆炸的潜在风险；

2.首次提出直接喷滴液态金属腐蚀铝块产氢的原理，突破了以往的铝质高温合金产氢的概念，整个产氢过程按需通过液态金属和水溶液的加载来加以控制，应用十分灵活安全，易于推进到各种能源应用场合甚至个人消费能源领域，满足个人的随意需要适时产氢，会大大加速铝制氢技术向规模普及化迈进；

3.本发明中，用于制氢的铝块以任何形状、纯度和质量出现，使得制氢难度前所未有的得到降低；而且，摆脱了传统固相铝合金制备较为耗能，效率低，系统复杂等不足；

4.所引入的回收措施解决了液相合金燃料对于镓、铟等贵重金属的重复利用和消耗问题，降低了成本；

5.避免了有风险性的氢气的提前储存问题，且实现了氢气高效产生；

6.同时，本发明通过控制腐蚀铝板面的大小来控制制氢量的多少，从而达到制氢量可控的要求；

7.而且，水溶液和铝板的来源广泛，因此本发明装置使得氢气的获取变得简便快捷高效且可控，灵活度和安全性极高，具有广阔的应用前景。

本发明提供的突破性的直接采用固态铝板直接连续快速制氢的装置和方法。该技术操作十分简易快捷，对应用环境和条件无任何特殊要求，通过引入的技术观念和方法首次实现了液态金属辅助下铝块的直接产氢，有望普遍推广到各种用能环节，实现能源的全新利用。由于本发明所需材质铝易于获取和加工，水溶液如海水存量巨大取之不尽用之不竭，而需要的液态金属消耗很少，本发明的应用有望大大缓解全球的能源危机。

附图说明

图1为液态金属辅助铝板水溶液制氢装置结构示意图。

其中：1—铝板；2—液态金属；3—液态金属罐；4—水溶液罐；5—高压气体罐；6—废液回收池；7—旋转喷头；8—压力泵；9—升降台；10.镂空塑料隔板；11—液态金属管道；12—水溶液管道；13—喷枪；14—废液回收池密闭门；15—氢气收集罐；16—氢气收集管道；41—水溶液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实验例：液态金属辅助铝板与水溶液反应产生氢气的实验

液态金属为镓铟合金(90％镓，10铟)，铝板为6061铝板。利用喷枪将铝板表面喷涂一层液态金属，几秒钟后将液态金属利用酒精回收。将水溶液(实验中用浓度为5％的NaCl水溶液)滴到铝板的腐蚀区域上，可看到大量小气泡生成，即生成H₂，且氢气生成量显著，过程十分平稳，产氢量可通过液态金属腐蚀铝板的表面积来加以调控。由于镓铟合金对铝有腐蚀作用，因此可避免铝表面形成保护膜，由此确保了铝与水溶液持续反应继而生成氢气。在此过程中，液态金属基本不发生消耗，其作用为催化剂，而作为产氢的铝板、水溶液在地球上丰度很高，储量大，易于获取。这些因素为发展大量的氢能源利用技术奠定了理论基础。

由以上实验结果，本发明人设计了氢按需产生并提供的液态金属铝板水溶液制氢装置，以直接从水溶液获得氢气加以利用。

实施例1

一种液态金属辅助铝块直接制氢装置，包括铝板1、液态金属罐2、水溶液罐4、氢气收集罐15、废液回收池6、旋转喷头7、升降台9。所述旋转喷头7通过水溶液管道12连接水溶液罐4、通过液态金属管道11连接液态金属罐2，旋转喷头下方设置有铝板1，铝板1放置在升降台上，升降台位于废液回收池内。氢气收集罐15通过氢气收集管道16与废液回收池6相连。废液回收池6上方设有废液回收池密闭门14，当升降台9上升时，门打开，升降台9下降后，门关闭，使废液回收池6呈密闭状态。

所述旋转喷头上设置有喷枪，旋转喷头还连接有高压气体罐5；为旋转喷枪13提供气压。

废液回收池内设置有水平放置的镂空塑料隔板10，隔板上开有通过液态金属的孔，孔径为5mm。废液回收池6底部开有液态金属出口，所述液态金属出口通过压力泵8和管路连接所述液态金属罐。

本实施例装置的应用方法为：

1)在液态金属罐3内装入液态金属2，所述液态金属为镓铟合金Ga₈₀In₂₀，水溶液罐4内为质量浓度10％的NaCl水溶液41；

2)旋转喷头与液态金属罐连接的管路开通，喷枪喷嘴口径为0.5mm，高压气体罐气压为0.3MPa。旋转喷头向铝板上喷出液态金属，经过5秒停止喷液态金属，旋转喷头与冲洗剂罐(水溶液罐4)连接的管路开通，喷出冲洗剂将液态金属冲掉，液态金属和冲洗剂一同落入废液回收池；

3)升降台下降，废液回收池密闭门14关闭，铝板浸入废液回收池的液体中，产生氢气，由氢气收集罐15收集。

使用时，利用喷枪13将液态金属2喷涂到铝板1上，利用二者之间的腐蚀作用，将铝板1表面的氧化层去除，之后利用对应喷枪将水溶液41喷到铝板1上，将液态金属2冲洗到废液回收池6中。之后，利用升降台9将铝板1下降至废液回收池6内镂空塑料隔板10之上，与废液池上层的水溶液41充分反应即可产生氢气，伺需要，可适当加温和搅拌，以控制整个制氢过程。反应残留物在废液池内被重新分离后再度还原为水溶液41和液态金属2，其中液态金属2被压力泵8输送入液态金属罐3中，可重新利用。

此液态金属辅助铝板水溶液制氢装置中，只需增加或减弱铝板1的腐蚀面积，即可加大或减弱制氢量。同时，当升降台9上升时，使铝板1升至废液池上方，即可终止铝板1与NaCl水溶液41的反应，从而停止制氢，由此控制相应的氢气输出。

实施例2

液态金属辅助铝块直接制氢装置的结构同实施例1，制备氢气的方法为：

1)在液态金属罐3内装入液态金属2，所述液态金属为镓铟锡合金(68.5％的镓，21.5％的铟和10％的锡)，水溶液罐4内为质量浓度5％的NaCl水溶液41；

2)旋转喷头与液态金属罐连接的管路开通，喷枪喷嘴口径为0.5mm，高压气体罐气压为0.3MPa。升降台上放置长宽高为80mm×20mm×20mm的铝块，旋转喷头向铝板上喷出液态金属，经过5秒停止喷液态金属，旋转喷头与水溶液罐4连接的管路开通，喷出冲洗剂将液态金属冲掉，液态金属和冲洗剂一同落入废液回收池；

3)升降台下降，废液回收池密闭门关闭，铝块浸入废液回收池的液体中，产生氢气，由氢气收集罐收集。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液态金属辅助铝块直接制氢装置，其特征在于，包括铝块、液态金属罐、冲洗剂罐、氢气收集罐、废液回收池、旋转喷头、升降台；

所述旋转喷头通过管路分别连接液态金属罐和冲洗剂罐，旋转喷头下方设置所述铝块，铝块放置在升降台上，升降台位于废液回收池内；所述氢气收集罐通过管道与废液回收池相连，所述废液回收池上方设置有可开合的密闭门。

2.根据权利要求1所述的液态金属辅助铝板直接制氢装置，其特征在于，所述旋转喷头还连接有高压气体罐；所述旋转喷头上设置有喷枪。

3.根据权利要求1所述的液态金属辅助铝板直接制氢装置，其特征在于，所述废液回收池内设置有水平放置的塑料隔板，隔板上开有分离液态金属的孔。

4.根据权利要求1所述的液态金属辅助铝板直接制氢装置，其特征在于，所述废液回收池底部开有液态金属出口，所述液态金属出口通过压力泵和液态金属管连接所述液态金属罐。

5.权利要求1～4任一所述的液态金属辅助铝板直接制氢装置作为氢源的应用。

6.一种制备氢气的方法，应用权利要求1～4任一所述的液态金属辅助铝板直接制氢装置，包括步骤：

1)在液态金属罐内装入液态金属，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金中的一种；在冲洗剂罐内装入冲洗剂，所述冲洗剂为自来水、纯水、盐水、酸溶液、碱溶液、海水中的一种或多种；

2)旋转喷头与液态金属罐连接的管路开通，旋转喷头向铝块上喷出液态金属，经过2～10秒停止喷液态金属，旋转喷头与冲洗剂罐连接的管路开通，喷出冲洗剂将液态金属冲掉，液态金属和冲洗剂一同落入废液回收池；

3)升降台下降，废液回收池密闭门关闭，铝块浸入废液回收池的液体中，产生氢气，由氢气收集罐收集；当不需要产出氢气时，将废液回收池密闭门打开，升降台上升到废液回收池的液面上方。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，镓铟二元合金中镓的含量为50～90％质量分数，其余为铟；镓铟锡三元合金中镓的含量为60～80％质量分数，铟的含量为10～30％质量分数，其余为锡。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述酸溶液为质量含量1～50％的硫酸、盐酸、甲酸、醋酸、乙二酸、柠檬酸溶液中的一种或多种；碱溶液为质量含量1～50％的NaOH或KOH溶液；盐水为质量浓度1～30％的NaCl或KCl水溶液。

9.根据权利要求5～8任一所述的方法，其特征在于，所述铝块中，铝的质量含量为5～100％；所述铝块的形状为板形、柱形、球形、线状或不规则形状。

10.根据权利要求5～8任一所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，在废液回收池内进行搅拌和对废液回收池内液体进行加热。