CN114057160A - 一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统及方法，包括反应容器，反应容器内装有液态重金属冷却剂，反应容器的底部安装有对液态重金属冷却剂进行加热的换热管，换热管连接有热源；还包括注水管，所述注水管一端连接水源，另一端伸入反应容器的液态重金属冷却剂中，注水管的管壁上设置有喷嘴，用于将水注入液态重金属冷却剂中；液态重金属冷却剂中设置有氧泵，氧泵连接有电源，所述氧泵用于将冷却剂中的氧离子中和并在阳极处生成氧气排出反应容器。本发明的系统利用液态重金属冷却剂的高温和稳定的物理性质通过水解反应来制氢，安全可靠而且高效。
Description
技术领域
本发明涉及置氢技术领域，具体而言，涉及一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统及方法。
背景技术
氢气在许多工业过程中都扮演了重要的角色，它们可以在化工产业中用于生产氨气和甲醇，也可以用在金属加工行业，电子产品制造行业、石油和炼化行业、冶金行业等诸多行业，另外氢气与电能一样是可再生的能量载体且其燃烧后不会生成温室气体和有害物质，拥有代替化石燃料的巨大潜力。
目前工业化水电解制氢设备大多采用碱性水电解槽，其内部的液体为强电解质，因此容易构成了电化学腐蚀环境，从而很容易产生腐蚀泄漏，造成安全问题。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明目的在于提供一种新的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统及方法，利用液态重金属冷却剂运行温度高、化学性质稳定的特点，实现高效且安全的制氢。
本发明通过下述技术方案实现：
一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，包括反应容器，反应容器内装有液态重金属冷却剂，反应容器的底部安装有对液态重金属冷却剂进行加热的换热管，换热管连接有热源；还包括注水管，所述注水管一端连接水源，另一端伸入反应容器的液态重金属冷却剂中，注水管的管壁上设置有喷嘴，用于将水注入液态重金属冷却剂中；液态重金属冷却剂中设置有氧泵，氧泵连接有电源，所述氧泵用于将冷却剂中的氧离子中和并在阳极处生成氧气排出反应容器；还包括冷凝器，冷凝器与反应容器的上端相连，冷凝器顶部为氢气排出口，底部连有蒸馏水收集器。
本发明制氢气的系统，其制造氢气的工作流程如下：通过换热管对液态重金属冷却剂进行加热，然后将水从注水管的喷嘴喷入反应容器后与加热的高温液态重金属冷却剂接触，水在系统中快速蒸发生成水蒸气，生成的水蒸气在高温下与液态重金属冷却剂反应能够被分解成氢气和溶解态氧，具体反应公式如下：
以冷却剂以液态铅铋合金为例，当反应温度达到400℃时，存在以下反应：
式(1)中，Pb-Bi为液态，H2O为气态，[O]为溶解态；
式(1)中反应的平衡取决于氢气、水蒸气的分压、溶解在冷却剂中的氧浓度和反应的温度；在产生的蒸汽中氢气所占的份额
可以通过下式进行计算：
式(2)中：T表示温度，a表示反应过程中的氧活性(氧活性这里指当前的氧浓度与当前条件下氧的饱和浓度的比值即a＝a0/as,其中a0为当前的氧浓度，as为当前条件下氧的饱和浓度)。
在反应温度一定时，氧活性与氢气在蒸汽中的组分是呈负相关关系，因此通过调节液态重金属冷却剂中氧活性的大小，能够控制氢气的生成量。
另外，在反应过程中会产生大量的溶解态的氧[O]，因此随着[O]浓度的上升会抑制制氢反应的进行，所以本发明配备了电极氧泵，可以充分的吸收液态重金属冷却剂中的[O]并在阳极产生氧气排出系统，从而促进制氢反应的正向进行，持续不断的产生氢气；该反应的方程可以写成：
由(3)可知，生成氧气的量与电流强度有关。即：
由(4)可知，该反应的效率与电解质层的电阻有关，所以为保证反应(1)的可持续进行，氧泵需要选用电阻低的电解质层，因此氧泵为陶瓷薄膜电解质氧泵，电解质材料采用低电阻高强度的陶瓷材料。
反应系统中生成的氢气和没有被分解的水蒸气进入冷凝器进行冷却分离，最后将氢气储存，将蒸馏水收集到收集器中可以通入反应容器循环利用。
所述热源为电加热或反应堆热能。
所述喷嘴由钻孔的M系列型号螺丝制成，保证喷口在反应过程中不会因变形而堵塞。
本发明的系统利用液态重金属冷却剂的高温和稳定的物理性质通过水解反应来制氢，安全可靠而且高效，只要通过控制进水量调节好该制氢系统中的氧活性、反应温度以及使用优良电解质材料制成的氧泵将[O]充分的中和，就可以在实验回路甚至反应堆装置中实现高效的制氢的功能。
一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的方法，包括如下步骤：1)首先启动热源将热源介质加热后通入换热管，通过热交换对反应容器中的液态重金属冷却剂进行加热直至液态重金属冷却剂保持在600℃以上温度；2)通过注水管将水通入液态重金属冷却剂中，同时启动氧泵；调节液态重金属冷却剂中氧活性保持在10-5-10-6。
同时本发明的系统还能够用于开展对重金属冷却剂的其他特性研究，例如在回路中借助本发明系统能够对冷却剂中氧活性的调节特性、水蒸气气泡在液态重金属冷却剂中的运动特性、液态重金属冷却剂的传热特性、液态重金属冷却剂的腐蚀特性以及系统中氧分布特性等液态重金属合金冷却剂基础特性进行研究。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明实施例提供的一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，用液态重金属冷却剂的高温和稳定的物理性质通过水解反应来制氢，安全可靠而且高效，同时结构简单，便于制造；
2、本发明实施例提供的一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，只要通过控制进水量调节好该制氢系统中的氧活性、反应温度以及使用优良电解质材料制成的氧泵将[O]充分的中和，就可以在实验回路甚至反应堆装置中实现高效的制氢的功能；
3、本发明实施例提供的一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，能够用于对冷却剂中氧活性的调节特性、水蒸气气泡在液态重金属冷却剂中的运动特性、液态重金属冷却剂的传热特性、液态重金属冷却剂的腐蚀特性以及系统中氧分布特性等液态重金属合金冷却剂基础特性进行研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的氢气的产出与氧活性的关系图。
附图标记及对应零部件名称：
1-电源，2-陶瓷薄膜电解质氧泵，6-换热管，8-注水管，9-蒸馏水收集器，10-冷凝器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，包括反应容器，反应容器内装有液态铅铋合金，反应容器的底部安装有对液态铅铋合金进行加热的换热管6，换热管连接有热源；还包括注水管8，所述注水管一端连接水源，另一端伸入反应容器的液态铅铋合金中，注水管的管壁上设置有喷嘴，用于将水注入液态铅铋合金中；液态铅铋合金中设置有陶瓷薄膜电解质氧泵2，陶瓷薄膜电解质氧泵连接有电源1，所述氧泵用于将态铅铋合金中的氧离子中和并在阳极处生成氧气排出反应容器；还包括冷凝器10，冷凝器与反应容器的上端相连，冷凝器顶部为氢气排出口，底部连有蒸馏水收集器9。
本发明制氢气的系统，其制造氢气的工作流程如下：通过换热管对液态重金属冷却剂进行加热，然后将水从注水管的喷嘴喷入反应容器后与加热的高温液态重金属冷却剂接触，水在系统中快速蒸发生成水蒸气，生成的水蒸气在高温下与液态重金属冷却剂反应能够被分解成氢气和溶解态氧，具体反应公式如下：
以冷却剂以液态铅铋合金为例，当反应温度达到400℃时，存在以下反应：
式(1)中，Pb-Bi为液态，H2O为气态，[O]为溶解态；
式(1)反应的平衡取决于氢气、水蒸气的分压、溶解在冷却剂中的氧浓度和反应的温度；在产生的蒸汽中氢气所占的份额
可以通过下式进行计算：
式(2)中：T表示温度，a表示反应过程中的氧活性(氧活性这里指当前的氧浓度与当前条件下氧的饱和浓度的比值即a＝a0/as,其中a0为当前的氧浓度，as为当前条件下氧的饱和浓度)。
在反应温度为600℃时，该反应下氢气在蒸汽中的组分与氧活性的关系如图2所示，从图中可以得出，同等条件下将氧活性调节到第III区间时对制氢反应最有利。
另外，在反应过程中会产生大量的溶解态的氧[O]，因此随着[O]浓度的上升会抑制制氢反应的进行，所以本发明配备了电极氧泵，可以充分的吸收液态重金属冷却剂中的[O]并在阳极产生氧气排出系统，从而促进制氢反应的正向进行，持续不断的产生氢气；该反应的方程可以写成：
由(3)可知，生成氧气的量与电流强度有关。即：
由式(4)可知，该反应的效率与电解质层的电阻有关，所以为保证反应(1)的可持续进行，氧泵需要选用电阻低的电解质层，因此氧泵为陶瓷薄膜电解质氧泵，电解质材料采用低电阻高强度的陶瓷材料。
反应系统中生成的氢气和没有被分解的水蒸气进入冷凝器进行冷却分离，最后将氢气储存，将蒸馏水收集到收集器中可以通入反应容器循环利用。
优选的，所述热源为电加热或反应堆热能。
优选的，所述喷嘴由钻孔的M系列型号螺丝制成，保证喷口在反应过程中不会因变形而堵塞。
本发明的系统利用液态重金属冷却剂的高温和稳定的物理性质通过水解反应来制氢，安全可靠而且高效，只要通过控制进水量调节好该制氢系统中的氧活性、反应温度以及使用优良电解质材料制成的氧泵将[O]充分的中和，就可以在实验回路甚至反应堆装置中实现高效的制氢的功能。
同时本发明的系统还能够用于开展对重金属冷却剂的其他特性研究，例如在回路中借助本发明系统能够对冷却剂中氧活性的调节特性、水蒸气气泡在液态重金属冷却剂中的运动特性、液态重金属冷却剂的传热特性、液态重金属冷却剂的腐蚀特性以及系统中氧分布特性等液态重金属合金冷却剂基础特性进行研究。
实施例2
本发明实施例提供的一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的方法，包括如下步骤：1)首先启动热源将热源介质加热后通入换热管，通过热交换对反应容器中的液态重金属冷却剂进行加热直至液态重金属冷却剂保持在600℃以上温度；2)通过注水管将水通入液态重金属冷却剂中，同时启动氧泵；调节液态重金属冷却剂中氧活性保持在10-5-10-6。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，包括反应容器，反应容器内装有液态重金属冷却剂，反应容器的底部安装有对液态重金属冷却剂进行加热的换热管，换热管连接有热源；
还包括注水管，所述注水管一端连接水源，另一端伸入反应容器的液态重金属冷却剂中，用于将水注入液态重金属冷却剂中；
液态重金属冷却剂中设置有氧泵，氧泵连接有电源，所述氧泵用于将冷却剂中的氧离子中和并在阳极处生成氧气排出反应容器。
2.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，注水管的管壁上设置有喷嘴。
3.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，还包括冷凝器，冷凝器与反应容器的上端相连，冷凝器顶部为氢气排出口，底部连有蒸馏水收集器。
4.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，所述热源为电加热或反应堆热能。
5.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，所述液态重金属冷却剂采用液态重金属合金。
6.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，所述液态重金属冷却剂采用采用铅铋合金、铅、锂或者铅锂合金。
7.根据权利要求1所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，所述氧泵为陶瓷薄膜电解质氧泵，且电解质材料采用低电阻高强度的陶瓷材料。
8.根据权利要求2所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的系统，其特征在于，所述喷嘴由钻孔的M系列型号螺丝制成。
9.一种在液态重金属冷却剂装置中制氢气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)首先启动热源将热源介质加热后通入换热管，通过热交换对反应容器中的液态重金属冷却剂进行加热直至液态重金属冷却剂保持在600℃以上温度；
2)通过注水管将水通入液态重金属冷却剂中，同时启动氧泵。
10.根据权利要求9所述的在液态重金属冷却剂装置中制氢气的方法，其特征在于，调节液态重金属冷却剂中氧活性保持在10-5-10-6。
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