CN104828777B_液相脉冲放电等离子体制氢装置及其制氢方法

具体实施方式

[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032]图1、图2是本发明实施例1的制氢装置的结构示意图，其中，图1示出的制氢装置为针电极和板电极上下相对设置的情况，图2示出的制氢装置为针电极和板电极左右相对设置的情况，如图1和图2所示，所述制氢装置包括:液相反应室I ；压盖在液相反应室I上的基座2;所述基座2与所述液相反应室I构成容置反应物和完成制氢反应的密闭空间;置于所述密闭空间内，且相对设置的第一电极3和第二电极4;所述第一电极3和第二电极4均由金属材料制成；以及与所述密闭空间相连通的导气孔5;进一步地，所述第一电极3和第二电极4上下相对设置;所述第一电极3连接在所述基座2上;所述第二电极4连接在所述液相反应室I底部;进一步地，所述第一电极3和第二电极4左右相对设置;所述第一电极3和第二电极4分别连接在所述液相反应室I两侧;进一步地，所述第一电极3为针电极，所述第二电极4为板电极;所述针电极连接高压脉冲电源正极;所述板电极连接高压脉冲电源负极;另外，所述制氢装置还包括盛装在所述液相反应室I内的醇溶液8;进一步地，所述针电极由高熔点金属材料制成;所述板电极由锌材料或招材料制成;进一步地，所述液相反应室I上还具有进液口 18和出液口 19;所述制氢装置还包括用于容纳醇溶液补给液的醇溶液补给槽15;所述醇溶液补给槽15通过管路20连接所述进液口 18和所述出液口 19;所述制氢装置还包括安装在进液口 18与醇溶液补给槽15之间的管路20上的蠕动栗17、以及安装在出液口 19与醇溶液补给槽15之间的管路20上的碳过滤器16;醇溶液补给液由醇溶液补给槽15中流出，经过蠕动栗17由进液口 18进入液相反应室I;液相反应室I中的醇溶液8由出液口 19流出，经过碳过滤器16对醇溶液8中的碳进行过滤，然后回到醇溶液补给槽15中。进一步地，所述板电极通过螺纹杆9连接至所述液相反应室I底部或液相反应室I一侧，由液相反应室I引出的螺纹杆9通过依次套设在其上的密封座12、垫片6和螺帽7实现密封;所述密封座12包括第一圆筒121和第二圆筒122，第一圆筒121和第二圆筒122的内径均与所述螺纹杆9外径相适配，第二圆筒122的外径与所述垫片6和螺帽7相适配，第一圆筒121的外径大于第二圆筒122的外径；所述针电极经由固定座13连接在所述基座2上或液相反应室I另一侧;所述固定座13外表面套有热缩管，并涂有硅胶加强固定;所述醇溶液8为甲醇溶液或乙醇溶液，且所用醇的体积分数范围为5%〜95%;所述针电极与所述板电极的间距为I〜30mm;优选地，所述导气孔5设置于所述基座2上，也可以设置于液相反应室I上;优选地，所述针电极正对所述板电极的中心位置;所述基座2两端与所述液相反应室I底部通过螺杆10和紧固件11连接;所述螺杆10有两个，分别穿过基座2—端和液相反应室I底部，并通过紧固件11固定;在进行制氢反应之前，首先将针电极连接至基座2或液相反应室I 一侧，将板电极连接至液相反应室I底部或液相反应室I另一侧，然后调整针电极和板电极之间的间距，并通过前述螺杆10和紧固件11将基座2两端和液相反应室I底部连接，使得所述基座2与所述液相反应室I构成容置反应物和完成制氢反应的密闭空间；进一步优选，所述针电极与所述板电极的间距为10〜15_;所用醇的体积分数范围为45%〜60% ;所述进液口 18和出液口 19可以开设在液相反应室I侧壁;所述液相反应室I由有机玻璃等绝缘材料制成，或由不锈钢等硬度较大的金属材料制成，且为顶端开口的容器;所述针电极采用铂材料或钨材料制成。

[0033]图3、图4是本发明实施例2的制氢装置的结构示意图，其中，图3示出的制氢装置为两个棒电极上下相对设置的情况，图4示出的制氢装置为两个棒电极左右相对设置的情况，如图3和图4所不，所述制氣装置包括:液相反应室I ；压盖在液相反应室I上的基座2 ；所述基座2与所述液相反应室I构成容置反应物和完成制氢反应的密闭空间；置于所述密闭空间内，且相对设置的第一电极3和第二电极4;所述第一电极3和第二电极4均由金属材料制成；以及与所述密闭空间相连通的导气孔5;进一步地，所述第一电极3和第二电极4上下相对设置;所述第一电极3连接在所述基座2上;所述第二电极4连接在所述液相反应室I底部;进一步地，所述第一电极3和第二电极4左右相对设置;所述第一电极3和第二电极4分别连接在所述液相反应室I两侧;进一步地，所述第一电极3和第二电极4均为棒电极;所述棒电极部分套设于绝缘套14内，使得所述棒电极的前端裸露在所述绝缘套14之外；其中一棒电极连接高压脉冲电源正极，另外一个棒电极连接高压脉冲电源负极;另外，所述制氢装置还包括盛装在所述液相反应室I内的醇溶液8;进一步地，所述棒电极由不锈钢材料制成;所述绝缘套14由聚四氟乙烯材料制成;进一步地，所述液相反应室I上还具有进液口 18和出液口 19;所述制氢装置还包括用于容纳醇溶液补给液的醇溶液补给槽15;所述醇溶液补给槽15通过管路20连接所述进液口 18和所述出液口 19;所述制氢装置还包括安装在进液口 18与醇溶液补给槽15之间的管路20上的蠕动栗17、以及安装在出液口 19与醇溶液补给槽15之间的管路20上的碳过滤器16;醇溶液补给液由醇溶液补给槽15中流出，经过蠕动栗17由进液口 18进入液相反应室I;液相反应室I中的醇溶液8由出液口 19流出，经过碳过滤器16对醇溶液8中的碳进行过滤，然后回到醇溶液补给槽15中。进一步地，其中一棒电极(第一电极3)通过螺纹杆9连接至所述基座2或液相反应室I一侧，由基座2或液相反应室I一侧引出的螺纹杆9通过依次套设在其上的密封座12、垫片6和螺帽7实现密封;另一棒电极(第二电极4)通过螺纹杆9连接至所述液相反应室I底部或液相反应室I另一侧，由液相反应室I引出的螺纹杆9通过依次套设在其上的密封座12、垫片6和螺帽7实现密封;所述密封座12包括第一圆筒121和第二圆筒122，第一圆筒121和第二圆筒122的内径均与所述螺纹杆9外径相适配，第二圆筒122的外径与所述垫片6和螺帽7相适配，第一圆筒121的外径大于第二圆筒122的外径;优选地，所述导气孔5设置于所述基座2上;所述醇溶液8为甲醇溶液或乙醇溶液，且所用醇的体积分数范围为5%〜95%;两个棒电极之间的间距为I〜30mm，且同轴线；所述基座2两端与所述液相反应室I底部通过螺杆10和紧固件11连接;所述螺杆10有两个，分别穿过基座2—端和液相反应室I底部，并通过紧固件11固定;在进行制氢反应之前，首先将其中一棒电极连接至基座2或液相反应室I 一侧，将另一棒电极连接至液相反应室I底部或液相反应室I另一侧，然后调整两个棒电极之间的间距，并通过前述螺杆10和紧固件11将基座2两端和液相反应室I底部连接，使得所述基座2与所述液相反应室I构成容置反应物和完成制氢反应的密闭空间；进一步优选，两个棒电极之间的间距为10〜15mm;所用醇的体积分数范围为45%〜60 % ;所述进液口 18和出液口 19可以开设在液相反应室I侧壁;所述液相反应室I由有机玻璃等绝缘材料制成，或由不锈钢等硬度较大的金属材料制成。

[0034]如图5所示，一种如上任一项所述的液相脉冲放电等离子体制氢装置的制氢方法，包括如下步骤:

[0035] 步骤1:配制体积分数为5%〜95%的醇溶液8置于液相反应室I中，所述醇溶液8的液面没过第一电极3和第二电极4，通过第一电极3和第二电极4施加高压脉冲电给所述醇溶液8;

[0036]步骤2:放电过程中产生含有氢气的混合气体由导气孔5排出后被收集储存;通过改变高压脉冲电的电压和频率来调节放电形式，所述放电形式包括电晕放电、火花放电或电弧放电。

[0037] 进一步地，当所述液相反应室I上还具有进液口 18和出液口 19，所述制氢装置还包括用于容纳醇溶液补给液的醇溶液补给槽15、安装在进液口 18与醇溶液补给槽15之间的管路20上的蠕动栗17、以及安装在出液口 19与醇溶液补给槽15之间的管路20上的碳过滤器16时，所述制氢方法还包括如下步骤:醇溶液补给液由醇溶液补给槽15中流出，经过蠕动栗17由进液口 18进入液相反应室I;液相反应室I中的醇溶液8由出液口 19流出，经过碳过滤器16对醇溶液8中的碳进行过滤，然后回到醇溶液补给槽15中。

[0038]本发明所述第一电极3与所述基座2或液相反应室I可拆卸连接;所述第二电极4与所述液相反应室I可拆卸连接;本发明利用高压脉冲液相放电技术，产生的等离子体中的高能电子与醇分子碰撞，使C-H、C-0、H-0断裂，重整后形成包括氢气在内的多种新物质；利用金属材质的电极在液相中放电，金属材质的电极起到了某种类似催化的作用使醇溶液分解，不同金属材质的电极对于醇分子的分解与产氢路径起到不同的作用，本发明板电极由金属材料制成，可以为不锈钢、铁、铜等，优选为锌、铝；不同金属材质的板电极对于醇分子的分解与产氢路径起到不同的作用，使用锌或铝制成的板电极能够增强氢自由基、羟基自由基的强度，更利于合成氢气。本发明板电极采用不同的金属材料，制氢效果和产氢量存在一定的不同，板电极采用铁、铜的产氢量均高于板电极采用不锈钢材料的产氢量，板电极采用锌、铝的制氢效果要优于板电极采用铁、铜的制氢效果。通过套设在棒电极上的绝缘套的设置用于聚集能量以及防止能量扩散。本发明设计简便、成本低廉、便于拆卸，应用于液相脉冲放电制氢以及等离子体应用的相关领域。

[0039] 本发明所述高压脉冲电的电压范围为IkV〜60kV，频率范围为IHz〜6000Hz;所述高压脉冲电的电压范围优选为20kV〜60kV，频率范围为20Hz〜40Hz;放电类型为电晕放电、火花放电和电弧放电;通过低频脉冲放电形式，有效降低能耗;置于液相反应室中的第一电极和第二电极均没入醇溶液内，然后以液相放电的形式使醇溶液转化制取氢气;采用醇为原料制取氢气，醇来源广泛且具有再生性。

[0040]本发明采用液相脉冲放电制氢方式，相对于气相制氢方式，有效增大了等离子体的空间分布和密度，促进氢气的产生；同时，金属材质对于液相放电制氢有增强作用，利于提高产氢量和制氢效果，本发明在常温常压下进行制氢反应，便具有较高的氢气产量和能量效率。通过醇补给装置、蠕动栗和碳过滤器的设置，使得制氢反应过程中醇溶液能够不断补充，且通过醇溶液的循环并利用循环管路上设置的碳过滤器，能够使制氢反应中产生的碳及时排出并被过滤，避免了碳富集在电极表面的现象发生。

[0041]下面通过具体实例说明本发明的实施过程，将体积分数为45%的乙醇溶液置于液相反应室中，以频率为30Hz，电压为30kV的高压脉冲电作用于乙醇溶液，第一电极采用针电极，第二电极采用板电极，板电极由铝材料制成，放电类型为火花放电，产氢流量达30 28mL/min，氢气选择性为71.25%,能耗约为0.28kff.h/m3。

[0042]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。