專利名稱：一種循環(huán)制氫裝置及包括該循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于汽車動力的清潔能源，具體是一種循環(huán)制氫裝置及包括該循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池。
背景技術(shù)：
氫能汽車是以氫為主要能量作為移動的汽車。一般的內(nèi)燃機，通常注入柴油或汽油，氫汽車則改為使用氣體氫。燃料電池和電動機會取代一般的引擎，即氫燃料電池的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻隔，通過外電路從負極傳導(dǎo)到正極， 成為電能驅(qū)動電動機；質(zhì)子卻可以通過質(zhì)子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出，這樣有效減少了其他燃油的汽車造成的空氣污染問題。用氫氣作為燃料有許多優(yōu)點首先是干凈衛(wèi)生，氫氣燃燒時比汽油的發(fā)熱量高，是可以取代石油燃料。另外使用氫能的汽車比使用傳統(tǒng)石油的汽車具有更廣闊的應(yīng)用前景， 它不會污染環(huán)境，比日益漲價的化石燃料更加劃算。石油資源日趨潰乏是不可再生的能源資源，因此發(fā)展多元化能源資源是必然趨勢。目前國內(nèi)外氫能汽車發(fā)展面臨諸多阻礙，其中在氫能汽車上以車載形式貯氫加氫是一個很大的障礙，在沒有相關(guān)加氫服務(wù)站的情況下就無法方便補充能源，給出行駕駛帶來麻煩；另外，現(xiàn)有的制氫設(shè)備在制備氫氣過程中需要耗費昂貴的原料和大量的能耗，對于氫能汽車的使用造成一定限制，不利于推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種循環(huán)制氫裝置及包括該循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池，可以大大降低制氫過程的能耗成本和方便地充電還原，循環(huán)地制取氫氣，同時也能通過氫電轉(zhuǎn)換器輸出電能，其結(jié)構(gòu)比較簡單，安全適用性強。一種循環(huán)制氫裝置，包括爐體、設(shè)置于爐體底部的陰電極、陽電極、設(shè)置于爐體頂部的氫氣管和輸水管，陰電極、陽電極底部分別鋪有絕緣板，陰電極正對陽電極的一側(cè)設(shè)有石棉板隔膜，陽電極頂部設(shè)有集氣罩，集氣罩的導(dǎo)管穿過爐體，集氣罩的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥，輸水管用于與水箱連接，輸水管的端部設(shè)有噴嘴，氫氣管用于與氫氣儲藏器連接，爐體的爐腔底部鋪設(shè)有電熱管。—種超級蓄電池，包括循環(huán)制氫裝置、水箱和氫電轉(zhuǎn)換器，所述循環(huán)制氫裝置包括爐體、設(shè)置于爐體底部的陰電極、陽電極、設(shè)置于爐體頂部的氫氣管和輸水管，陰電極、陽電極底部分別鋪有絕緣板，陰電極正對陽電極的一側(cè)設(shè)有石棉板隔膜，陽電極頂部設(shè)有集氣罩，集氣罩的導(dǎo)管穿過爐體，集氣罩的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥，輸水管與水箱連接，輸水管的端部設(shè)有噴嘴，氫氣管與氫電轉(zhuǎn)換器連接，爐體的爐腔底部鋪設(shè)有電熱管。本發(fā)明實施例通過在爐體中設(shè)置陰電極和陽電極，在爐體頂部設(shè)置與輸水管及噴嘴，這樣只需在爐體中添加載能媒質(zhì)鈉(金屬鈉或氫化鈉)，在水箱中加水即可，水與載能媒質(zhì)鈉的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生氫氣以供給汽車使用，當載能媒質(zhì)鈉消耗完時給陰電極和陽電極充電可以將金屬鈉置換出來，載能媒質(zhì)鈉中的鈉可以重復(fù)使用，相對于現(xiàn)有技術(shù)制氫過程的能耗和成本大為降低，同時其結(jié)構(gòu)比較簡單，適用性強，而且整個循環(huán)過程沒有污染， 有利于環(huán)保。


圖1是本發(fā)明實施例一循環(huán)制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中A-A剖視圖；圖3是本發(fā)明實施例二循環(huán)制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中B-B剖視圖；圖5是本發(fā)明包括循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-爐體，2-電熱管，3-陰電極，4-陽電極，5-集氣罩，6-噴嘴，7-安全閥， 8-熱電偶溫度計，9-氫氣管，10-單向氣閥，11-排氣閥體，12-輸水管，13-載能媒質(zhì)鈉， 14-石棉板隔膜，15-絕緣板，20-水箱，30-氫電轉(zhuǎn)換器，31-氫燃料電池，32-氫氣儲藏器， 33-空氣儲藏器，34-空氣進氣管，35-排水管，36-負荷電極。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。圖1所示為本發(fā)明實施例一循環(huán)制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，所述循環(huán)制氫裝置包括爐體1、設(shè)置于爐體1底部的陰電極3、陽電極4、設(shè)置于爐體1頂部的氫氣管9和輸水管12， 陽電極4頂部設(shè)有集氣罩5，集氣罩5的導(dǎo)管穿過爐體1，且在集氣罩5的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥11，在陰電極3、陽電極4底部分別鋪有絕緣板15。將集氣罩5倒扣在陽電極4上可以收集在陽電極4被還原成的氧氣和水蒸汽，并由集氣罩5的導(dǎo)管經(jīng)排氣閥11直接排出爐體 1外。如果排氣閥11被堵塞，水蒸汽和氧氣在集氣罩5內(nèi)頂部聚集將電解質(zhì)從集氣罩5內(nèi)排出使其脫離陽電極4使電解自動終止。集氣罩5可由鋼鐵等耐強堿材料制成，其開口朝下能使電解質(zhì)能從底部進入，而氣體不能從開口流出。因為氣體比重比液體小得多，所以熔融氫氧化鈉很容易從開口進入。如圖2所示，本實施例的陽電極4為圓形柱形鎳絲網(wǎng)，陰電極3設(shè)在陽電極4的外圍，陰電極3可由環(huán)形鐵絲網(wǎng)構(gòu)成。陽電極4和陰電極3的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以使得與溶液的接觸面更大，這樣通電電解時的反應(yīng)速度會更快，加快還原反應(yīng)的速度。陰電極3正對陽電極 4的一側(cè)(即陰電極3的內(nèi)側(cè))設(shè)有石棉板隔膜14，具體的，可在陰電極3環(huán)形鐵絲網(wǎng)內(nèi)側(cè)吸附一層石棉板隔膜14以形成陰極室和陽極室，其作用是阻隔在陰電極3還原的鈉竄入陽極室發(fā)生氧化。輸水管12用于與水箱連接，輸水管12的端部設(shè)有噴嘴6，水箱中的水通過輸水管 12引入后，經(jīng)過噴嘴6噴向放置于爐體1中的載能媒質(zhì)鈉，例如金屬鈉或者氫化鈉等。噴嘴 6可采用高壓噴嘴，以將輸水管12中的水流產(chǎn)生霧化并均勻地實施噴灑。氫氣管9用于與氫氣儲藏器連接，將制得的氫氣輸入氫氣儲藏器，在管口處可設(shè)置單向氣閥10，用以阻止氫氣回流入爐腔，當爐內(nèi)壓力高于氫氣儲藏器氣壓時單向氣閥10自動打開。本實施例爐體1是一圓柱形鋼制外殼，爐腔底部鋪設(shè)有電熱管2，便于對氧化媒質(zhì) (氫氧化鈉)加溫用。工作爐體1的爐腔底部兩側(cè)臺階處與水平面呈15°夾角傾斜，便于高溫氧化媒質(zhì)流向陰極室和陽極室。爐體1的爐腔內(nèi)的側(cè)壁上設(shè)有熱電偶溫度計8，可以測量爐腔內(nèi)的溫度，實時監(jiān)控爐腔內(nèi)的溫度。爐體1的爐腔頂部設(shè)有安全閥7，便于排放在加溫過程中的水蒸汽和安全泄壓。循環(huán)制氫裝置工作時有兩個工作階段，分別為釋能階段和儲能階段，下面詳細介紹如下。釋能階段首先將安全閥7和排氣閥11關(guān)閉，然后高壓水流經(jīng)噴嘴6從頂部作間歇性噴入，爐體1中盛放的載能媒質(zhì)鈉13遇水后立刻進行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氫氧化鈉溶液，氫氣由氫氣管9輸出，產(chǎn)生的氫氧化鈉溶液比重較大則沉入爐體1底部，隨著反應(yīng)的進行爐內(nèi)的載能媒質(zhì)鈉13漸漸地全部生成氫氧化鈉，這時爐內(nèi)的載能媒質(zhì)鈉的能量已經(jīng)全部釋放，釋能階段完成。儲能階段首先打開安全閥7和排氣閥11，這時爐腔內(nèi)已經(jīng)沒有金屬鈉的存在，只有高濃度氫氧化鈉水溶液。給電熱管2通電加熱使爐內(nèi)氫氧化鈉溶液中的水份蒸發(fā)，經(jīng)安全閥7排凈可得到固態(tài)氫氧化鈉，然后繼續(xù)加溫直至氫氧化鈉熔融(320°C)狀態(tài)恒溫不變。 將陰電極3和陽電極4接至直流電源的正負極上，將氫氧化鈉進行電解還原反應(yīng)。此時陽電極4上會產(chǎn)生大量氣泡(主要是氧氣和水蒸汽)經(jīng)集氣罩5直接排出爐外，而在陰極3 上會產(chǎn)生大量的液態(tài)金屬鈉，由于比重較輕就會從陰極室上升漂浮在氫氧化鈉表面，隨著氫氧化鈉不斷被電解，上層的鈉不斷增加直至接觸到爐底陰電極3和陽電極4 (即短路)，此時儲能階段完成。這時爐體1底部電極處剩余少量氫氧化鈉沒有電解，但是所占比例很小， 這不影響充電效果。在儲能階段因為集氣罩5的作用，可以保證無氧氣和水蒸汽泄漏，還可實現(xiàn)快速充電。本實施例像蓄電瓶一樣插上電源就可以“充電” 了，不同的是在制氫過程中要消耗純水，比電池充電快速；其次它使用的儲能媒質(zhì)為金屬鈉，鈉的能量密度很高，質(zhì)量密度接近于水，鈉與它的反應(yīng)物氫氣的質(zhì)量比為23 1，每消耗23公斤鈉可得到1公斤氫氣。若要制取1公斤氫氣只需23. 5升純鈉再加一個水箱就能完成，這比直接儲氫效率高好幾倍。本發(fā)明實施例通過在爐體中設(shè)置陰電極和陽電極，在爐體頂部設(shè)置與輸水管及噴嘴，其中輸水管與水箱連接，這樣只需在爐體中添加一次載能媒質(zhì)鈉(金屬鈉或氫化鈉)， 在水箱中加水即可，水與載能媒質(zhì)鈉的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生氫氣以供給汽車使用，當載能媒質(zhì)鈉消耗完時給陰電極和陽電極充電又可以將金屬鈉置換出來，這樣電解時吸收能量，氧化時釋放出氫氣，釋放能量，載能媒質(zhì)鈉中的鈉可以重復(fù)使用循環(huán)制氫，相對于現(xiàn)有技術(shù)制氫過程的能耗和成本大為降低，同時其結(jié)構(gòu)比較簡單，適用性強，而且整個過程沒有污染， 有利于環(huán)保。圖3所示為本發(fā)明實施例二循環(huán)制氫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其與本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別在于陽電極4設(shè)在陰電極3兩側(cè)，具體的，在爐腔底部正中央有一圓柱形鐵絲網(wǎng)形成的陰電極3，兩邊各有一個扇形鎳絲網(wǎng)為陽電極4對稱分布(參考圖4)。在陰電極3正對陽電極4的一側(cè)(即陰電極3正對陽電極4的兩側(cè))吸附著一層石棉板隔膜14以形成陰極室，其作用阻隔在陰電極3還原的鈉竄入陽極室發(fā)生氧化。另外， 由于陽電極4設(shè)在陰電極3兩側(cè)，兩個集氣罩5分別倒扣在陰電極3兩側(cè)的陽電極4上形成兩個陽極室，在集氣罩5的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥11，收集被還原的氧氣和水蒸汽并由導(dǎo)管經(jīng)排氣閥11直接排出爐外。
圖5是本發(fā)明包括循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其在圖1的基礎(chǔ)上增加了水箱20和氫電轉(zhuǎn)換器30，其中水箱20與循環(huán)制氫裝置中的輸水管12連接，氫電轉(zhuǎn)換器30包括氫燃料電池31、氫氣儲藏器32、空氣儲藏器33、空氣進氣管34、排水管35及負荷電極36，其中氫氣儲藏器32與循環(huán)制氫裝置中的氫氣管9連接，空氣儲藏器33與空氣進氣管34連接，氫氣儲藏器32和空氣儲藏器33分別與氫燃料電池31連通，氫燃料電池31 上部設(shè)有負荷電極36，氫燃料電池31下部與排水管35連接。在水箱20中加水，在循環(huán)制氫裝置中水與載能媒質(zhì)鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的氫氣通過氫氣管9傳送給氫電轉(zhuǎn)換器30的氫氣儲藏器32，在氫燃料電池31中，來自氫氣儲藏器32的氫氣和空氣儲藏器33的空氣(主要是空氣中的氧氣)化合產(chǎn)生電能，氫燃料電池31產(chǎn)生的電能通過負荷電極36可以供給汽車使用；氫燃料電池31中化合產(chǎn)生的水通過排水管35排出。整個過程中本發(fā)明超級蓄電池的放電原理是循環(huán)制氫裝置中的負極材料即載能媒質(zhì)鈉與水反應(yīng)失去電子之后形成鈉離子；正極材料為水和氧氣，在得到電子之后形成氫氧根離子；載能媒質(zhì)鈉與水發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生中間產(chǎn)物氫氣，氫氣通過氫氣管9送入氫電轉(zhuǎn)換器30與氧氣化合直接轉(zhuǎn)化為電能。充電原理將陰電極3和陽電極4接至直流電源的正負極上，鈉離子得到電子被還原，氫氧根離子失去電子后又返回到水和氧氣放出。本發(fā)明實施例的超級蓄電池優(yōu)勢是具備較高能量密度，因主要攜帶鈉和一部分正極材料在行駛中可以加水，而氧氣只需在空氣中吸入即可，普通蓄電池的正負極材料以及電解液必須密封在電池外殼內(nèi)才能工作，其單位體積能量密度不及本超級蓄電池。超級蓄電池在循環(huán)制氫裝置的基礎(chǔ)上設(shè)置水箱和氫電轉(zhuǎn)換器，由于循環(huán)制氫裝置可以將載能媒質(zhì)鈉中的鈉重復(fù)使用循環(huán)制氫，相對于現(xiàn)有技術(shù)制氫過程的能耗和成本大為降低，同時具有蓄電池充電儲能的基本特點，其結(jié)構(gòu)比較簡單，適用性強，而且整個過程沒有污染，有利于環(huán)保。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種循環(huán)制氫裝置，其特征在于包括爐體(1)、設(shè)置于爐體(1)底部的陰電極(3)、 陽電極G)、設(shè)置于爐體⑴頂部的氫氣管(9)和輸水管(12)，陰電極(3)、陽電極(4)底部分別鋪有絕緣板(15)，陰電極(3)正對陽電極⑷的一側(cè)設(shè)有石棉板隔膜(14)，陽電極 (4)頂部設(shè)有集氣罩(5)，集氣罩(5)的導(dǎo)管穿過爐體(1)，集氣罩(5)的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥(11)，輸水管(12)用于與水箱連接，輸水管(12)的端部設(shè)有噴嘴(6)，氫氣管(9)用于與氫氣儲藏器連接，爐體(1)的爐腔底部鋪設(shè)有電熱管O)。
2.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)制氫裝置，其特征在于陰電極⑶設(shè)在陽電極⑷的外圍，陽電極(4)為圓形柱形鎳絲網(wǎng)，陰電極(3)為環(huán)形鐵絲網(wǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)制氫裝置，其特征在于陽電極⑷設(shè)在陰電極⑶兩側(cè)， 陰電極(3)為圓柱形鐵絲網(wǎng)，陽電極為扇形鎳絲網(wǎng)。
4.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)制氫裝置，其特征在于爐體(1)的爐腔內(nèi)的側(cè)壁上設(shè)有熱電偶溫度計(8)。
5.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)制氫裝置，其特征在于爐體(1)的爐腔頂部設(shè)有安全閥⑵。
6.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)制氫裝置，其特征在于氫氣管(9)的管口處設(shè)置單向氣閥(10)。
7.一種超級蓄電池，其特征在于包括循環(huán)制氫裝置、水箱00)和氫電轉(zhuǎn)換器(30)，所述循環(huán)制氫裝置包括爐體(1)、設(shè)置于爐體(1)底部的陰電極(3)、陽電極G)、設(shè)置于爐體 ⑴頂部的氫氣管(9)和輸水管(12)，陰電極(3)、陽電極(4)底部分別鋪有絕緣板(15)， 陰電極⑶正對陽電極⑷的一側(cè)設(shè)有石棉板隔膜(14)，陽電極(4)頂部設(shè)有集氣罩(5)， 集氣罩(5)的導(dǎo)管穿過爐體(1)，集氣罩(5)的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥(11)，輸水管(12)與水箱00)連接，輸水管(1 的端部設(shè)有噴嘴(6)，氫氣管(9)與氫電轉(zhuǎn)換器(30)連接，爐體(1)的爐腔底部鋪設(shè)有電熱管O)。
8.如權(quán)利要求7所述的超級蓄電池，其特征在于所述氫電轉(zhuǎn)換器(30)包括氫燃料電池(31)、氫氣儲藏器(32)、空氣儲藏器(33)、空氣進氣管(34)、排水管(3 及負荷電極 (36)，其中氫氣儲藏器(3 與循環(huán)制氫裝置中的氫氣管(9)連接，空氣儲藏器(3 與空氣進氣管(34)連接，氫氣儲藏器(3 和空氣儲藏器(3 分別與氫燃料電池(31)連通，氫燃料電池(31)上部設(shè)有負荷電極(36)，氫燃料電池(31)下部與排水管(3 連接。
全文摘要
一種循環(huán)制氫裝置，包括爐體、設(shè)置于爐體底部的陰電極、陽電極、設(shè)置于爐體頂部的氫氣管和輸水管，陰電極、陽電極底部分別鋪有絕緣板，陰電極正對陽電極的一側(cè)設(shè)有石棉板隔膜，陽電極頂部設(shè)有集氣罩，集氣罩的導(dǎo)管穿過爐體，集氣罩的導(dǎo)管端部設(shè)有排氣閥，輸水管用于與水箱連接，輸水管的端部設(shè)有噴嘴，氫氣管用于與氫氣儲藏器連接，爐體的爐腔底部鋪設(shè)有電熱管。本發(fā)明還提供一種包括上述循環(huán)制氫裝置的超級蓄電池。本發(fā)明水與載能媒質(zhì)鈉的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生氫氣以供給汽車使用，當載能媒質(zhì)鈉消耗完時給陰電極和陽電極充電可以將金屬鈉置換出來，載能媒質(zhì)鈉中的鈉可以重復(fù)使用，制氫過程的能耗和成本大為降低。
文檔編號H01M8/06GK102403522SQ20101027774
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者馬曉軍 申請人:馬曉軍