一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法及装置与流程

本发明涉及氢气制备技术领域，特别涉及一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法及装置。

背景技术：

氢气作为清洁能源，具有清洁、高效和零排放的特点，近年来获得了广泛关注，但由于水电、风电、光伏发电存在送出难、消纳难问题，2019年我国“三弃”电量共计约1023亿千瓦时，大量清洁电能被浪费，造成了巨大的经济损失，当前，电解水制氢领域主要有碱性槽、pem(质子交换膜)和soec(高温固体氧化物电解水)等方案，其中碱性槽技术及装备较为成熟，但工艺复杂，占地面积大；pem方案成本较高，产业规模化较难；soec还处于技术研发阶段，产业化进程开展较慢；

另外，在钢铁冶炼工艺中，铸坯坯头由于其含氧量较高，内部洁净度较差，含有大量非金属夹杂物，通常作为“废钢”对其报废或进行回炉重熔处理，造成了资源及能源的大量浪费；针对于此，我们提出一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法及装置。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法及装置，以解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的装置，包括集气瓶、析氢室、析氢介质、制氢钢片、对电极、充氢室、电解液、排气口和电解液入口，所述集气瓶的输入端连接有输气管，所述输气管另一端连接有析氢室，所述析氢室内部装载有析氢介质，所述析氢室一侧设置有充氢室，所述析氢室与充氢室之间安装有隔板，所述隔板下端设置有一开口，所述开口处设置有制氢钢片，所述制氢钢片的尺寸略大于开口，所述制氢钢片下端外露，且制氢钢片与电源的负极电性连接，所述充氢室与中间隔板相互密封连接，所述充氢室的充氢端底部与制氢钢片相对的部位设置有与制氢钢片互相平行的片状对电极，所述对电极底部外露于充氢室，所述对电极底部与电源的正极电性连接，所述充氢室内部载有充氢电解液，所述充氢室上端分别连接有排气口和电解液入口。

优选地，所述制氢钢片通过固化粘接剂固定于隔板小口处。

优选地，所述制氢钢片来源于任何排号的钢铁材料，或其他具有较大氢扩散速率的固体导电材料。

优选地，所述析氢介质为稳定油性、不易挥发性质稳定的液体，包括甘油、硅油。

优选地，所述充氢室电解液为碱性(如naoh)或酸性稀溶液(如稀硫酸)，或中性的导电溶液。

优选地，所述对电极包括铂电极和石墨电极，为常用性质稳定的电极材料，有助于保持长时间使用时的稳定性。

一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法，包括如下步骤：

step1：在电解液中给制氢钢片施加负电位，使氢原子在电场的作用下进入到制氢钢片中；

step2：依据氢原子在制氢钢片中较大的扩散速率，氢进入到钢中后在内部迅速扩散；

step3：根据制氢钢片中夹杂物与基体结构的差异现象，其界面存在一定的微孔洞，氢在钢中的扩散将受到夹杂物通道效应的影响，使氢在钢中的扩散通量增大；

step4：氢原子渗透到充氢侧背面，夹杂物界面氢浓度较大，从而氢原子结合成氢分子从夹杂物界面逸出；

step5：收集后完成高纯高压氢气利用废钢的高效制备。

优选地，所述step3中制氢钢片取自炼钢铸坯的坯头部位。

本发明具有如下有益效果：

一，本发明中，从制氢钢片稀释出来的只有氢气，制备的氢气纯度高，氢纯度接近100％。

二，本发明中，氢气从析氢室逸出后，由于氢气难以再次溶于析氢介质，也难以重新渗入到钢中，故析氢室将有氢气的持续逸出，可自动实现氢气的高压制备，降低了氢气的储运成本。

三，本发明中，该制备方法具有较高的电/氢转化效率，效率可达70％。

四，本发明中，对电解质水要求低，淡水、海水、雨水等各类水资源均可作为电解液溶液，兼容度高。

五，本发明中，模块化结构设计，适应于风、光、水等清洁能源领域，可实现分布式家庭光伏等各类场景的电转氢方案，不受限于场地和空间。

六，本发明中，制氢成本低，氢制备材料为废钢，易于获得且其本身属于废弃资源，可实现资源与能源的高效再利用。

附图说明

图1为本发明一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的制备方法流程图。

图中：1、集气瓶；2、析氢室；3、析氢介质；4、制氢钢片；5、对电极；6、充氢室；7、电解液；8、排气口；9、电解液入口。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

请参照图1所示：一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的装置，包括集气瓶1、析氢室2、析氢介质3、制氢钢片4、对电极5、充氢室6、电解液7、排气口8和电解液入口9，集气瓶1的输入端连接有输气管，输气管另一端连接有析氢室2，析氢室2内部装载有析氢介质3，析氢室2一侧设置有充氢室6，析氢室2与充氢室6之间安装有隔板，隔板下端设置有一开口，开口处设置有制氢钢片4，制氢钢片4的尺寸略大于开口，制氢钢片4下端外露，且制氢钢片4与电源的负极电性连接，充氢室6与中间隔板相互密封连接，充氢室6的充氢端底部与制氢钢片4相对的部位设置有与制氢钢片4互相平行的片状对电极5，对电极5底部外露于充氢室6，对电极5底部与电源的正极电性连接，充氢室6内部载有充氢电解液7，充氢室6上端分别连接有排气口8和电解液入口9。

其中，制氢钢片4通过固化粘接剂固定于隔板小口处，便于与制氢钢片4产生接触，提升制氢效率。

其中，制氢钢片4来源于任何排号的钢铁材料，或其他具有较大氢扩散速率的固体导电材料，而材料中夹杂物等杂质含量越多，越能促进氢的扩散，增大氢制备效率。

其中，析氢介质3为稳定油性、不易挥发性质稳定的液体，包括甘油、硅油，增强操作稳定性。

其中，充氢室电解液7为碱性如naoh或酸性稀溶液如稀硫酸，或中性的导电溶液。

其中，对电极5包括铂电极和石墨电极，为常用性质稳定的电极材料，输出性能稳定，可控性高。

实施例二：

请参照图2所示：一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法，包括如下步骤：

step1：在电解液7中给制氢钢片4施加负电位，使氢原子在电场的作用下进入到制氢钢片4中；

step2：依据氢原子在制氢钢片4中较大的扩散速率，氢进入到钢中后在内部迅速扩散；

step3：根据制氢钢片4中夹杂物与基体结构的差异现象，其界面存在一定的微孔洞，氢在钢中的扩散将受到夹杂物通道效应的影响，使氢在钢中的扩散通量增大；

step4：氢原子渗透到充氢侧背面，夹杂物界面氢浓度较大，从而氢原子结合成氢分子从夹杂物界面逸出；

step5：收集后完成高纯高压氢气利用废钢的高效制备。

其中，step3中制氢钢片4取自炼钢铸坯的坯头部位，该部位通常内部夹杂物数量较多。

需要说明的是，本发明为一种利用废钢高效制备高纯高压氢气的方法及装置，在操作使用过程中，在电解液7中给制氢钢片4施加负电位时，氢原子在电场的作用下会进入到制氢钢片4中，由于氢原子在制氢钢片4中具有较大的扩散速率，氢进入到钢中后会在内部迅速扩散，制氢钢片4取自炼钢铸坯的坯头部位，由于夹杂物与基体结构的差异，其界面通常存在一定的微孔洞，氢在钢中的扩散将受到夹杂物通道效应的影响，使氢在钢中的扩散通量增大，当氢原子渗透到充氢侧背面时，由于夹杂物界面氢浓度较大，氢原子将结合成氢分子从夹杂物界面逸出。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。