液相脉冲放电等离子体制氢装置及其制氢方法

摘要

本发明公开了一种液相脉冲放电等离子体制氢装置及其制氢方法，所述制氢装置包括：液相反应室；压盖在液相反应室上的基座；所述基座与所述液相反应室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和第二电极；所述第一电极和第二电极均由金属材料制成；以及与所述密闭空间相连通的导气孔；本发明有效增大了等离子体的空间分布和密度，促进氢气的产生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制氢装置及其制氢方法，具体为一种液相脉冲放电等离子 体制氢装置及其制氢方法。

背景技术

随着工业的发展，化石燃料的消耗越来越多，人们日益重视能源问题，同 时社会对环境质量的要求也逐渐关注，化石燃料燃烧所产生的硫化物、碳氧化 物是人们极力渴望避免的，针对以上两点需求，氢能源进入人们的视野。氢元 素来源广泛，且氢气作为清洁燃料，具有燃烧热值高、燃烧产物是水、不会对 环境排放温室气体的特点。现有技术中的制氢方式有：催化重整制氢方式、水 分解制氢方式、生物质制氢方式等，随着制氢方式研究的深入，等离子体制氢 方式也被一些科研工作者所关注。等离子体被喻为固、液、气外的第四态，因 其中含有高能活性粒子而被广泛应用于环境保护和材料合成等领域，而目前利 用等离子体的制氢方式主要还停留在气相放电制氢技术上，这种制氢方式的缺 点如下：产气流量小，氢气选择性一般，能量效率不高，进而限制了等离子体 制氢的发展。另外，在放电过程中会产生碳沉积附着在电极表面，随着放电时 间的增加，放电强度逐步变弱，制氢效果大幅降低。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种液相脉冲放电等离子体制氢装置 及其制氢方法。

本发明的技术手段如下：

一种液相脉冲放电等离子体制氢装置，包括：

液相反应室；

压盖在液相反应室上的基座；所述基座与所述液相反应室构成容置反应物 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和第二电极；所述第一电极 和第二电极均由金属材料制成；

以及与所述密闭空间相连通的导气孔；

进一步地，所述第一电极和第二电极上下相对设置；所述第一电极连接在 所述基座上；所述第二电极连接在所述液相反应室底部；

进一步地，所述第一电极和第二电极左右相对设置；所述第一电极和第二 电极分别连接在所述液相反应室两侧；

进一步地，所述第一电极为针电极，所述第二电极为板电极；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；

进一步地，所述第一电极和第二电极均为棒电极；所述棒电极部分套设于 绝缘套内，使得所述棒电极的前端裸露在所述绝缘套之外；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内的醇溶液；

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铝 材料制成；

进一步地，所述棒电极由不锈钢材料制成；所述绝缘套由聚四氟乙烯材料 制成；

进一步地，

所述液相反应室上还具有进液口和出液口；

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；所述醇溶液 补给槽通过管路连接所述进液口和所述出液口；

所述制氢装置还包括安装在进液口与醇溶液补给槽之间的管路上的蠕动 泵、以及安装在出液口与醇溶液补给槽之间的管路上的碳过滤器；

醇溶液补给液由醇溶液补给槽中流出，经过蠕动泵由进液口进入液相反应 室；液相反应室中的醇溶液由出液口流出，经过碳过滤器对醇溶液中的碳进行 过滤，然后回到醇溶液补给槽中。

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：

步骤1：配制体积分数为5％～95％的醇溶液置于液相反应室中，所述醇溶液 的液面没过第一电极和第二电极，通过第一电极和第二电极施加高压脉冲电给 所述醇溶液；

步骤2：放电过程中产生含有氢气的混合气体由导气孔排出后被收集储存； 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。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的液相脉冲放电等离子体制氢装置 及其制氢方法，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，第一电极和第二电极均采用金属材料制成，利于提高产氢 量和制氢效果。通过醇补给装置、蠕动泵和碳过滤器的设置，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出 创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、图2是本发明实施例1的制氢装置的结构示意图；

图3、图4是本发明实施例2的制氢装置的结构示意图；

图5是本发明所述制氢方法的流程图。

图中：1、液相反应室，2、基座，3、第一电极，4、第二电极，5、导气孔， 6、垫片，7、螺帽，8、醇溶液，9、螺纹杆，10、螺杆，11、紧固件，12、密 封座，13、固定座，14、绝缘套，15、醇溶液补给槽，16、碳过滤器，17、蠕 动泵，18、进液口，19、出液口，20、管路，121、第一圆筒，122、第二圆筒。

具体实施方式

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。

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1；压盖在液相反应室1上的基座2；所述基座2与所述液相反应室1 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1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1两侧；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1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铝材料制成；进一步地，所述液相反应室1 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上的蠕动泵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，经过蠕动泵17由 进液口18进入液相反应室1；液相反应室1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1底部或液相反应室1 一侧，由液相反应室1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1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1～30mm；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1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1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2一端和液相反应室1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1一侧，将板电 极连接至液相反应室1底部或液相反应室1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1底 部连接，使得所述基座2与所述液相反应室1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10～15mm；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1侧壁；所述液相反应室1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。

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所示，所述制氢装置包括：液相反应室1； 压盖在液相反应室1上的基座2；所述基座2与所述液相反应室1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1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1两侧；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1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1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 的蠕动泵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，经过蠕动泵17由进液口18 进入液相反应室1；液相反应室1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1一 侧，由基座2或液相反应室1一侧引出的螺纹杆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1底部或液相反应室1另一侧，由液相反应室1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1～30mm，且同轴线；所述基座 2两端与所述液相反应室1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2一端和液相反应室1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1一侧，将 另一棒电极连接至液相反应室1底部或液相反应室1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1 底部连接，使得所述基座2与所述液相反应室1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1 侧壁；所述液相反应室1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。

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：

步骤1：配制体积分数为5％～95％的醇溶液8置于液相反应室1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；

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。

进一步地，当所述液相反应室1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上的蠕动泵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，经过蠕动泵17由进液口18进入液相反应 室1；液相反应室1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。

本发明所述第一电极3与所述基座2或液相反应室1可拆卸连接；所述第 二电极4与所述液相反应室1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-O、H-O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。

本发明所述高压脉冲电的电压范围为1kV～60kV，频率范围为1Hz～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。

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、蠕动泵和碳过滤器 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。

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3028mL/min，氢气选择性为71.25％，能耗约为 0.28kW·h/m³。

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。