一种超声辅助固态水解在线制氢装置及方法

本发明属于在线供氢设备，具体涉及一种超声辅助固态水解在线制氢装置及方法。

背景技术：

1、近年来，清洁能源的研究与应用受到广泛关注。氢能作为一种高热值、零排放的新型能源载体，在未来能源转型的布局中处于关键地位。传统氢能应用技术普遍存在运输成本高，储存不便等问题，很大程度上限制了氢能的发展。因此，在线供氢设备作为氢能应用的创新形式，正逐渐成为氢能领域的重要组成部分。

2、首先，在线制氢装置的主要特点是小巧灵活、高效节能。这类设备不仅能够实现实时供氢，同时也减少了生产和传输过程中的能量损耗，进一步提高了氢能的利用效率。其次，在线供氢设备的研发与应用能够避开储氢的难题，为各种用氢场合通过现场制备直接提供快捷、安全、高纯度的氢气，因此该技术在移动设备、野外应急能源、氢医疗等领域展现出巨大的应用潜力。

3、固态水解是一种水与各类固态轻质水解材料发生化学反应生成氢气的过程。相比传统的氢气生产方式，这一技术具有反应温和、产物纯度高、废物可循环利用等优点。

4、便携式在线制氢设备通过应用该项技术，能够在小型设备内部实现高效的产氢，从而满足在线制氢设备的要求。目前常见的固态轻质水解材料主要包括：mgh2、nabh4、libh4、al等，但由于这些材料的自水解速率较慢，因此通常需要与固体催化剂混合制成满足供氢要求的水解材料。因此，为了进一步提高材料的制氢性能，大量研究聚焦高效催化剂的研发(chemical engineering journal,2023,474:145772；journal of power sources,2023,564:232809；)和纳米化改性(crystals,2022,12(10):1376；)等。通过这些措施，现阶段的水解材料已经基本实现了高活性和快产氢，达到了在线供氢设备对于水解材料层面的要求。然而，此类设备最大的挑战不仅在于高效水解制氢材料的制备，对制氢装置也有极高的要求。由于固态水解反应是强放热的，因此水解过程中极易发生失控，并且失控阶段产出的氢气可能携带固体水解材料粉末，导致下游用氢设备污染，这一现象严重限制了在线水解制氢技术的发展与应用(fuel,2023,350:128777)。除此之外，材料在水解的过程中会发生团聚、粘连，以及水解副产物覆盖新鲜材料等问题严重影响产氢稳定性，增加了耗水量，降低了装置的储能密度(international journal of hydrogen energy,2023,48:29682–29698)。因此，需要一种兼具反应堆热管理、高稳定供氢、低耗水量的装置，满足便携式在线供氢设备的使用要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超声辅助固态水解在线制氢装置及方法，以解决现有技术中水解制氢装置存在的产氢控制难、供氢稳定性差、耗水量高等问题。本发明创新性地将超声技术应用于固态水解，通过超声技术带来的高频振动改善材料团聚，副产物覆盖，利用超声波带来的声空化效应加速氢气的逸出，并通过对装置整体结构进行设计优化，为在线供氢领域提供一种稳定供氢、按需制氢、能量密度高的固态水解在线制氢装置及方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种超声辅助固态水解在线制氢装置，包括水解反应器和水箱，水解反应器固定设置在水箱中；

4、所述水解反应器内下部填充有水解材料床层，水解反应器上端设置有氢气出口，下端设置有反应器进水口；所述反应器进水口连通有蠕动泵，蠕动泵设置在水箱中；

5、所述水解反应器的外侧壁或底面上设置有超声换能器。

6、进一步的，所述超声换能器设置在水解反应器的底部。

7、进一步的，当超声换能器为多个时，对称或阵列的设置在水解反应器的底部。

8、进一步的，所述水解反应器内设置有除沫器，除沫器在水解材料床层的上方。

9、进一步的，所述氢气出口包括第一氢气出口和第二氢气出口，第一氢气出口连接有安全阀和压力表，压力表通过控制系统和蠕动泵连接；

10、第二氢气出口连接有用氢设备。

11、进一步的，所述第二氢气出口和用氢设备之间依次设置有冷凝器和水洗器，水洗器的氢气出口和用氢设备连通。

12、进一步的，水洗器的侧壁上设置有水位传感器，水洗器的侧壁下部分设置有出水口，出水口和水箱的注水口连通；出水口和水箱的注水口之间的管路上设置有电磁阀；

13、水位传感器和电磁阀电信号连接。

14、进一步的，所述水箱设置有两个注水口；一个注水口设置在水箱的上端，和进水管连通；另一注水口设置在水箱的侧壁上，另一注水口和水洗器的出水口连通。

15、进一步的，所述反应器进水口设置在水解反应器底部的中心位置，蠕动泵设置在反应器进水口的下方。

16、一种超声辅助固态水解在线制氢方法，包括如下步骤：

17、供电装置向蠕动泵和超声换能器供电，蠕动泵将水箱中的水泵入至水解反应器内，超声换能器将声波发射至水解材料床层中，水解材料床层内发生化学反应产氢，声波引起水解材料床层振动。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明中通过在水解反应器中填充水解材料床层，水解反应器的外部设置超声换能器，超声换能器能够向水解材料床层发射超声波，在水解过程中，利用超声波带来的水解材料床层高频振动能够有效解决水解过程中由于材料团聚、粘连以及副产物覆盖等问题导致的水非均匀扩散现象，使水均匀扩散至材料表面，以稳定速率发生水解产氢反应，提高了供氢的稳定性；超声波的声空化作用还能够使水解材料床层产生的氢气快速逸出；超声波增强水解材料床层的导热性能，改善水解过程中水解反应器的热管理。水解反应器放置在水箱内部，在供氢过程中水箱对水解材料床层起到良好的温控作用，防止床层温度过高导致产氢效率下降；蠕动泵将水箱中的水稳定注入水解反应器，能够对超声换能器进行降温，防止长时间高频振动引起超声换能器过热损坏。该装置将超声技术创新性地用于固态水解产氢，能够实现氢气的高质量在线供应。

20、进一步的，超声换能器设置在水解反应器的底部，水解过程中超声换能器启动，将超声波稳定导入水解材料床层；同时超声换能器在驱动下部的水解材料床层振动时，能够带动上部的水解材料床层振动，能够同时加速整个水解材料床层中氢气的溢出。

21、进一步的，超声换能器对称或呈阵列设置在水解反应器的底部，能够为整个水解材料床层提供均匀的声波能量。

22、进一步的，所述水解反应器中设置有除沫器，用于去除氢气逸出时可能夹带的水雾及尚未反应的固体水解材料，对氢气进行初步提纯。

23、进一步的，氢气出口设置有两个，一个安装有压力表和安全阀，压力表和蠕动泵均与控制系统连接，根据水解反应器内部的压力变化调节蠕动泵的进水速率，保证氢气的充足供应。当水解反应器内部压力过高时，安全阀开启，降低装置使用过程中的安全隐患。

24、进一步的，另一个氢气出口的氢气从水解反应器中产出后依次进入冷凝器和水洗器，进行冷凝、降温和提纯，从而保证高纯、适温的氢气供应。冷凝器用于氢气降温，并冷凝随氢气逸出的水蒸气。水洗器在初始阶段内部有少量水，用于水洗提纯氢气。

25、进一步的，水洗器侧壁安装有水位传感器，随着产氢的不断进行，冷凝器中收集到的含湿氢气中的液态水进入水洗器中，当液面上升至水位传感器限定高度，水位传感器反馈信号至电磁阀，电磁阀开启，将水洗器中的过量水回收注入水箱，使水洗器液面下降至初始阶段的液面高度，从而降低水解过程中的耗水量。

26、进一步的，反应器进水口布置在底部，在氢气产生后向上逸出的过程中，使水分充分反应，能够有效降低水解过程中的耗水量。超声换能器和进水口同时布置在反应器下方，保证水解过程中水在水解材料床层中始终保持均匀扩散，维持产氢的高稳定性。