一种金属/水反应制氢实验装置及收集方法
一种金属/水反应制氢实验装置及收集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验用制氢装置技术领域，更具体地说，涉及一种金属/水反应制氢 实验装置及收集方法。
【背景技术】
[0002] 氢气是一种清洁无污染的新能源，也是一种可再生能源。氢气作为燃料用于交通 运输、热能和动力生产中时，具有高效率、高效益的特点，而且氢气反应的产物是水和热，是 真正意义上的清洁能源和可持续能源，但是，氢气的能源转换效率非常低，并且很难存储。
[0003] 因此，科学家认为可使用金属/水反应产生氢气，这种方法不仅廉价、高效，而且 使得氢气的运输与存储更加简单易行，然而这种方法只是处于实验研宄阶段，目前并没有 得到实际应用。通常，在实验室中研宄金属/水反应时采用量筒排水法收集氢气，例如中国 专利申请号2011202486815,申请日为2011年7月15日，发明创造名称为：一种手控制氢 实验装置，该申请案公开了一种利用金属置换氢气并收集氢气的实验装置，该装置包括三 叉戟瓶、滤网圆筒、手控装置、氢气收集装置，其中氢气收集装置由橡胶塞、玻璃弯管、乳胶 管、尖嘴玻璃弯管、量筒顺次连接而成，玻璃弯管穿过橡胶塞伸入三叉戟瓶内的一端作为氢 气出口。该申请案中的氢气收集装置，其优点在于可利用现有的玻璃器皿进行装置搭建，构 造简单，其缺点在于每次实验前都需要对氢气收集装置进行充水处理以实现排水法收集氢 气，操作繁琐，并且需要人工对氢气产量进行统计，这大大的加重了实验者的工作量，费时 费力，且误差较大。
[0004] 又如中国专利申请号2015200250261，申请日为2015年1月15日，发明创造名称 为：金属钠与水反应装置，该申请案的金属钠与水反应装置，包括产气瓶、金属钠推进器、双 孔塞、出气管和储液器，产气瓶与储液器固定连接且在底部由一小孔相连通，塞在产气瓶瓶 口上的双孔塞其中一孔塞入金属钠推进器、另一孔塞入一个连接有开关的出气管，金属钠 推进器由一个顶端带有阻挡环的玻璃管和与玻璃管内径相同的推进柱组成，玻璃管下端塞 有一个密封盖，在出气管上端由下到上依次固定连接一个球形容器和尖嘴玻璃管并相互连 通，储液器外表面设置有体积刻度线；用金属钠推进器在较大块金属钠上钻取一段金属钠， 即可进行实验，现象一清二楚，且在产气瓶里收集到的气体全为纯净的氢气，也能根据储液 器里液面的变化读出产生氢气的体积。但是，该申请案还存在以下缺点：（1)金属钠推进器 直接将一段金属钠送入产气瓶中反应，参加反应的金属钠直接溶于产气瓶中，会对储液器 液面的变化造成影响，从而在计算产生氢气的体积时不准确；（2)反应过程中无法做到定 量控制，不利于控制反应强度及对反应进行定量研宄；（3)通过肉眼观察储液器里液面的 变化来得出产生氢气体积的方法，误差较大，费时费力，实验效率不高。
[0005] 综上所述，如何克服目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操 作繁琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，是现有技术中亟需解决的技 术难题。
【发明内容】
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明克服了目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操作繁 琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，提供了一种金属/水反应制氢实 验装置及收集方法，实现了简化氢气收集操作过程及产气量自动记录的功能。
[0008] 2?技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0010] 本发明的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机构和气量检测 机构；
[0011] 所述溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通；
[0012] 所述反应机构包括固定支架、三口锥形瓶、恒温水浴箱和磁力搅拌器；磁力搅拌器 上方设有恒温水浴箱，恒温水浴箱内部设有三口锥形瓶；三口锥形瓶作为金属/水反应的 容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金属粉末开口和气体开口，其中：溶液开口与 溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞密封，气体开口与气量检测机构相连通；
[0013] 所述固定支架固定在磁力搅拌器的上方，固定支架与三口锥形瓶固定连接。
[0014] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存机构包括 溶液进入管、电磁阀、加热箱、溶液储存箱、热电偶、温度控制仪、控制箱和1#压力变送器；
[0015] 所述加热箱内设有溶液储存箱，溶液储存箱底部设有两个开口，其中一个开口与 溶液进入管的一端相连通，溶液进入管的另一端与所述溶液开口相连通；溶液储存箱底部 另一个开口上设有1#压力变送器，1#压力变送器与控制箱电连接；溶液进入管上设有电磁 阀，电磁阀与控制箱电连接；
[0016] 所述加热箱与温度控制仪电连接，热电偶设于溶液储存箱内部，热电偶与温度控 制仪电连接。
[0017] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述气量检测机构包括 计量管、储水箱、气体逸出管、2#压力变送器、数据采集仪、计算机和显示器；
[0018] 所述计量管和储水箱相互连通，且计量管上部开口并与大气相通；储水箱上部设 有一个开口，该开口与气体逸出管的一端相连通，气体逸出管的另一端与所述气体开口相 连通；
[0019] 所述计量管底部设有2#压力变送器，2#压力变送器的输出端与数据采集仪的输 入端连接，数据采集仪的输出端与计算机连接，显示器与计算机相连。
[0020] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存箱所在的 位置高于恒温水浴箱50~200mm。
[0021] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述加热箱的结构为圆 筒形，加热箱的内径为30~100mm，高度为50~200mm，加热箱底部开孔，孔径为20~90mm; 所述溶液储存箱采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10~20mm的圆 孔；溶液储存箱的壁厚为1~2mm，内径为30~100mm，高度为50~200mm〇
[0022] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述计量管和储水箱 均采用透明的有机玻璃制作；计量管的壁厚为1~3mm，内径为5~20mm，高度为200~ 500mm;储水箱的壁厚为1~3mm，内径为30~150mm，高度为100~300mm。
[0023] 本发明的金属/水反应制氢收集方法，其步骤为，
[0024] 步骤一、准备反应溶液
[0025] A、连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪、计算机和显示器；
[0026] B、向计量管和储水箱中注水，向溶液储存箱中加入反应溶液，向恒温水浴箱中注 水，将三口锥形瓶放入恒温水浴箱中，并使用固定支架将三口锥形瓶固定；
[0027] C、打开温度控制仪和恒温水浴箱的加热开关，将溶液储存箱中的反应溶液和恒温 水浴箱中的水加热到同一温度；
[0028] 步骤二、制氢反应
[0029] a、称取待反应的金属，并将该金属放置于三口锥形瓶的底部，同时将磁力搅拌器 的磁子放入三口锥形瓶内，然后将三口锥形瓶密封；
[0030] b、在控制箱上设定反应溶液的加入量，然后开启电磁阀向三口锥形瓶中开始加入 反应溶液，三口锥形瓶内开始反应产生氢气；
[0031] c、开启磁力搅拌器的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱上的设定值时，电 磁阀自动关闭；
[0032] 步骤三、计量产气量
[0033] I、打开计算机上的数据采集软件，采集2#压力变送器上的压力值；
[0034] II、开始反应后，2#压力变送器测得的压力变化值为AP，计量管中水的液位变化 值为△h，计量管的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算：
[0036] III、计算机根据上述公式自动 计算出氢气的实时产气量V，并在显示器上显示；
[0037] 步骤四、氢气排放
[0038] 实验结束后，打开三口锥形瓶上的金属粉末开口，计量管和储水箱中的水位高度 再次相同，继续进行下一组实验测试。
[0039] 3?有益效果
[0040] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
[0041] (1)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，计量管底部安装有2#压力 变送器，氢气通过气体逸出管进入储水箱，并将同等体积的水排至计量管，计量管水位增加 时，会导致计量管底部压强增大，作用在2#压力变送器上的压力也会增大，2#压力变送器 会测出实验过程中的实时压力变化，通过压力变化数据及计量管的内径能够计算得出产气 量，产气量在计算机上自动计算并以表格的形式存储在计算机上；本发明中，产气量的数据 是通过计算机的自动计算得出，产气量测量精确度高、省时省力，克服了人工计量产气量精 度低、费时费力的不足，且2#压力变送器上的压力值为实时采集，因此反应过程中任意时 间段的产气量数据都可以实时得到并存储，最终得到整个反应过程中产气量随时间连续变 化的数据，有利于对反应过程进行深入研宄。
[0042] (2)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，将水通过计量管上部开口 注入计量管和储水箱中，根据连通器原理可知，此时计量管的水位和储水箱一致，可根据实 际需要确定实验所需水位高度。实验过程中，反应产生的氢气会进入储水箱，并将同等体积 的水排至计量管，此时计量管的水位高于储水箱；一组实验结束后，打开三口锥形瓶上的金 属粉末开口，储水箱与大气相通，储水箱的水位回升并与计量管的水位再次一致，可继续进 行下一组实验测试，无需重复注水。经过本发明的改进，实验中只需一次注水便能实现多次 测试，避免了目前氢气产气量测量实验中集气量筒需反复注水的繁琐操作过程。
[0043] (3)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，待反应的金属粉末加入反 应容器后，密封反应容器，然后开启电磁阀加入反应溶液，反应溶液的加入量由控制箱控 制，其原理是通过1#压力变送器监测溶液储存箱的液位变化，人工设置反应溶液加入量， 当1#压力变送器检测到压力值等于反应溶液加入量刚好达到设定值时溶液储存箱内剩余 反应溶液液位所对应的临界压力，则触发电磁阀关闭动作，进而停止反应溶液的添加，实现 反应溶液的定量添加；该过程还一方面避免了同时加入金属与反应溶液时，由于未及时密 封反应容器而导致的气体逸出问题，另一方面能准确测出从反应开始到有气体产生时的反 应诱导期时间，便于对反应过程进行深入研宄。
[0044] (4)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，反应溶液的加入量可通过 控制箱实现定量控制，反应温度可通过温度控制仪和恒温水浴箱实现控制，从而有利于对 反应进行定量研宄及控制反应的强度。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明的金属/水反应制氢实验装置的结构示意图。
[0046] 示意图中的标号说明：1、计量管；2、储水箱；3、气体逸出管；4、固定支架；5、三口 锥形瓶；6、溶液进入管；7、电磁阀；8、加热箱；9、溶液储存箱；10、热电偶；11、温度控制仪； 12、控制箱；13、1#压力变送器；14、恒温水浴箱；15、磁力搅拌器；16、2#压力变送器；17、数 据采集仪；18、计算机；19、显示器。
【具体实施方式】
[0047] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0048] 实施例1
[0049] 如图1所示，本实施例的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机 构和气量检测机构，溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通，其 中：溶液储存机构用于存放反应溶液，反应机构用于存放待反应的金属及作为反应容器，气 量检测机构用于检测反应产生的氢气量，具体为反应溶液进入反应机构内与金属反应产生 氢气，氢气通入气量检测机构内实现产气量的自动实时检测。
[0050] 反应机构包括固定支架4、三口锥形瓶5、恒温水浴箱14和磁力搅拌器15,磁力搅 拌器15上方设有恒温水浴箱14,恒温水浴箱14内部设有三口锥形瓶5。三口锥形瓶5作为 金属/水反应的容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金属粉末开口和气体开口， 其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，用于添加反应溶液；金属粉末开口通过密封塞密 封，金属粉末开口用于添加待反应的金属粉末；气体开口与气量检测机构相连通，用于将反 应产生的氢气送入储水箱2中。固定支架4固定在磁力搅拌器15的上方，固定支架4与三 口锥形瓶5固定连接，固定支架4用于固定反应过程中的三口锥形瓶5,防止反应过程中三 口锥形瓶5发生晃动而出现密封塞脱落、气体逸出的情况。三口锥形瓶5的容积为250ml。 磁力搅拌器15为集热式磁力搅拌器，型号采用DF-101S，该装置为实验提供反应条件，使反 应溶液和金属粉末充分混合反应。
[0051 ] 溶液储存机构包括溶液进入管6、电磁阀7、加热箱8、溶液储存箱9、热电偶10、温 度控制仪11、控制箱12和1#压力变送器13。加热箱8内设有溶液储存箱9,溶液储存箱 9底部设有两个开口，其中一个开口与溶液进入管6的一端相连通，溶液进入管6的另一端 与溶液开口相连通；溶液储存箱9底部另一个开口上设有1#压力变送器13,1#压力变送器 13与控制箱12电连接。溶液进入管6上设有电磁阀7,电磁阀7与控制箱12电连接。加 热箱8与温度控制仪11电连接，热电偶10设于溶液储存箱9内部，热电偶10与温度控制 仪11电连接。热电偶10采用标准K型热电偶。热电偶10用于检测溶液储存箱9内部反 应溶液的温度，并将检测的温度数值反馈给温度控制仪11。温度控制仪11用于控制加热 箱8的加热温度，在温度控制仪11上设定好温度数值后，加热箱8就将溶液储存箱9内的 反应溶液加热到指定温度，当溶液储存箱9内的反应溶液达到指定温度后，热电偶10反馈 此时的温度数值给温度控制仪11，温度控制仪11控制加热箱8将溶液储存箱9内的反应溶 液维持在指定的温度上。热电偶10与温度控制仪11共同实现对溶液储存箱9内反应溶液 的温度控制。
[0052] 电磁阀7的关闭动作由1#压力变送器13导入的压力信号触发，1#压力变送器13 用于实时检测溶液储存箱9内反应溶液相应液位高度所对应的压力值，并将该压力值实时 传输给控制箱12,控制箱12根据1#压力变送器13反馈的压力值控制电磁阀7的关闭动 作。反应开始前在控制箱12上设定反应溶液的加入量，此时1#压力变送器13检测到溶液 储存箱9内反应溶液相应液位高度所对应的一个压力值，并将该压力值反馈给控制箱12 ; 反应开始后，电磁阀7打开，反应溶液逐渐加入到三口锥形瓶5内，此时1#压力变送器13 检测到逐渐变化的压力值；反应溶液加入量刚达到控制箱12的设定值时，此时溶液储存箱 9内反应溶液相应液位高度对应一个临界压力值（该临界压力值等于反应开始前1#压力变 送器13检测到的压力值减去设定数值的反应溶液加入量在溶液储存箱9内液位高度所对 应的压力值），当1#压力变送器13检测到的压力值等于该临界压力值时，证明反应溶液的 加入量正好等于事先的设定数值，则控制箱12控制电磁阀7进行关闭动作，进而停止反应 溶液的添加，实现反应溶液的定量添加。
[0053] 气量检测机构包括计量管1、储水箱2、气体逸出管3、2#压力变送器16、数据采集 仪17、计算机18和显示器19,计量管1和储水箱2相互连通，且计量管1上部开口并与大 气相通。储水箱2上部设有一个开口，该开口与气体逸出管3的一端相连通，气体逸出管3 的另一端与三口锥形瓶5上的气体开口相连通。计量管1底部设有2#压力变送器16,用于 测量计量管1内相应水位的压力，2#压力变送器16通过计量管1内压力的变化来反映产气 量的数值，2#压力变送器16的输出端与数据采集仪17的输入端连接，数据采集仪17的输 出端与计算机 18连接，显示器19与计算机18相连，用于显示实时产气量。数据采集仪17 采用安捷伦34972A型数据采集仪，计算机18内安装有安捷伦数据采集仪配套软件，用于采 集存储数据。气体逸出管3与溶液进入管6均采用玻璃管制成，且均使用橡胶塞与三口锥 形瓶5密封连接。1#压力变送器13与2#压力变送器16均采用高精度低量程扩散硅压力 变送器，为了保证测试精度，压力量程为0~5KPa。为了方便实验观察，计量管1和储水箱 2均采用透明的有机玻璃制作。2#压力变送器16的数据通过数据采集仪17进行采集，并 以表格的形式存储于计算机18上。
[0054] 本实施例中，计量管1的壁厚为3mm，内径为10mm，高度为300mm;储水箱2的壁厚 为3mm，内径为50mm，高度为200mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存 箱9的位置高于恒温水浴箱14的位置200_。加热箱8的结构为圆筒形，采用四周加热的 方式加热溶液储存箱9 ;加热箱8的内径为60mm，高度为100mm，加热箱8底部开孔，孔径为 45mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10mm的圆 孔；溶液储存箱9的壁厚为2mm，内径为50mm，高度为100mm〇
[0055] 本实施例的金属/水反应制氢收集方法，其步骤为，
[0056] 步骤一、准备反应溶液
[0057] A、连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪17、计算机18和显示器19 ;
[0058] B、从计量管1上部开口向计量管1和储水箱2中注水，使计量管1和储水箱2中 水位高度为150mm;向溶液储存箱9中加入反应溶液（本实施例中的反应溶液为水溶液，水 溶液中可根据需要加入相应溶质），使溶液储存箱9中反应溶液的液位高度为80_ ;向恒温 水浴箱14中注入占恒温水浴箱14 一半体积容量的水，将三口锥形瓶5放入恒温水浴箱14 中，并使用固定支架4将三口锥形瓶5固定；
[0059] C、打开温度控制仪11和恒温水浴箱14的加热开关，将溶液储存箱9中的反应溶 液和恒温水浴箱14中的水均加热到60°C后保温；
[0060] 步骤二、制氢反应
[0061] a、称取平均粒径为100nm的待反应铝粉0.lg，并将铝粉放置于三口锥形瓶5的底 部，同时将磁力搅拌器15的磁子放入三口锥形瓶5内，然后将三口锥形瓶5密封；
[0062] b、在控制箱12上设定反应溶液的加入量，本实施例中反应溶液的加入量设为 50ml，然后开启电磁阀7向三口锥形瓶5中开始加入反应溶液，反应溶液加入量通过控制箱 12控制，三口锥形瓶5内开始反应产生氢气，氢气通过气体逸出管3进入储水箱2,将储水 箱2中的水压至计量管1中，计量管1中的水位上升时，作用在计量管1底部2#压力变送 器16上的压力也会增大，通过压力变化数值及计量管1的内径数值能够计算得出产气量， 产气量数据以表格的形式存储在计算机18上；
[0063] c、开启磁力搅拌器15的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱12上设定的 50ml时，电磁阀7自动关闭；根据水的压强可知，1mm液位变化对应10Pa的压力变化，电 磁阀7未开启时，反应溶液的液位高度为80mm，此时1#压力变送器13检测到的压力值为 800Pa，结合溶液储存箱9的内径为50mm，经计算得知，50ml的反应溶液在溶液储存箱9内 对应的液位高度为25. 5mm，则50ml的反应溶液对应的压力值为255Pa，最终临界压力值为： 800-255 = 545Pa，即当1#压力变送器13检测到压力值为545Pa时，则代表反应溶液加入 量到达设定值，控制箱12控制电磁阀7自动关闭，停止向三口锥形瓶5中加入反应溶液。
[0064] 步骤三、计量产气量
[0065] I、打开计算机18上的数据采集软件，每隔0? 5秒采集一次2#压力变送器16上的 压力值并同步储存，通过2#压力变送器16测得的压力变化即可快速得到实验气体产量；
[0066] II、开始反应后，2#压力变送器16测得的压力变化值为AP，计量管1中水的液位 变化值为Ah，计量管1的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算（其中P代 表水的密度，g代表重力加速度）：
[0068]III、计算机18根据上述公式自动计算出氢气的实时产气量V，并在显示器19上显 示；
[0069] 步骤四、氢气排放
[0070] 实验结束后，打开三口锥形瓶5上的金属粉末开口，此时计量管1和储水箱2的液 面相当于同时裸露在大气中，根据连通器原理，计量管1和储水箱2中的水位高度再次相 同，可继续进行下一组实验测试，无需重复注水。
[0071] 目前实验研宄中多采用排水法对氢气进行收集与计量，由于气体产生是一个连续 的过程，所以现有实验过程中一般需要使用摄像机对产气量变化过程进行实时拍摄，反应 结束后需调取视频文件，人工进行产气量统计，最后还需将统计数据制成图表，进而得到金 属与水反应产生氢气体积变化的相关数据。但是该过程首先对摄像机的像素要求较高，此 外视频文件会占用计算机大量内存，并且数据统计过程增加了额外的工作量。本实施例的 金属/水反应制氢实验装置及收集方法，计量管1底部安装有2#压力变送器16,氢气通过 气体逸出管3进入储水箱2,并将同等体积的水排至计量管1，计量管1水位增加时，会导致 计量管1底部压强增大，作用在2#压力变送器16上的压力也会增大，2#压力变送器16会 测出实验过程中的实时压力变化，通过压力变化数据及计量管1的内径能够计算得出产气 量，产气量在计算机18上自动计算并以表格的形式存储在计算机18上；本实施例中，产气 量的数据是通过计算机18的自动计算得出，产气量测量精确度高、省时省力，克服了人工 计量产气量精度低、费时费力的不足，且2#压力变送器16上的压力值为实时采集，因此反 应过程中任意时间段的产气量数据都可以实时得到并存储，最终得到整个反应过程中产气 量随时间连续变化的数据，有利于对反应过程进行深入研宄。
[0072] 现有实验过程中通常采用排水法集气，因而每做完一组实验就需要向量筒中重新 注水，操作较繁琐。本实施例的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，将水通过计量管1 上部开口注入计量管1和储水箱2中，根据连通器原理可知，此时计量管1的水位和储水 箱2-致，可根据实际需要确定实验所需水位高度。实验过程中，反应产生的氢气会进入储 水箱2,并将同等体积的水排至计量管1，此时计量管1的水位高于储水箱2 ;-组实验结束 后，打开三口锥形瓶5上的金属粉末开口，储水箱2与大气相通，储水箱2的水位回升并与 计量管1的水位再次一致，可继续进行下一组实验测试，无需重复注水。经过本发明的改 进，实验中只需一次注水便能实现多次测试，避免了目前氢气产气量测量实验中集气量筒 需反复注水的繁琐操作过程。
[0073] 现有的氢气产气量测量实验过程中，大多是先向反应溶液中加入待反应的金属粉 末，而后再将反应容器密封，这样做容易导致在密封反应容器之前就有气体逸出。本实施例 的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，待反应的金属粉末加入反应容器后，密封反应 容器，然后开启电磁阀7加入反应溶液，反应溶液的加入量由控制箱12控制，其原理是通过 1#压力变送器13监测溶液储存箱9的液位变化，人工设置反应溶液加入量，当1#压力变送 器13检测到压力值等于反应溶液加入量刚好达到设定值时溶液储存箱9内剩余反应溶液 液位所对应的临界压力，则触发电磁阀7关闭动作，进而停止反应溶液的添加，实现反应溶 液的定量添加。该过程还一方面避免了同时加入金属与反应溶液时，由于未及时密封反应 容器而导致的气体逸出问题，另一方面能准确测出从反应开始到有气体产生时的反应诱导 期时间，便于对反应过程进行深入研宄。
[0074] 现有的反应过程中待反应的金属和反应溶液的量无法做到定量控制且反应温度 不可控，不利于对反应进行定量研宄及控制反应的强度；本实施例的金属/水反应制氢实 验装置及收集 方法，反应溶液的加入量可通过控制箱12实现定量控制，反应温度可通过温 度控制仪11和恒温水浴箱14实现控制，从而有利于对反应进行定量研宄及控制反应的强 度。
[0075] 实施例2
[0076] 本实施例的金属/水反应制氢实验装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处 在于：计量管1的壁厚为1mm，内径为15mm，高度为200mm;储水箱2的壁厚为1mm，内径为 90mm，高度为100mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存箱9的位置高于 恒温水浴箱14的位置125_。加热箱8的内径为100_，高度为70_，加热箱8底部开孔， 孔径为70mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径20mm 的圆孔；溶液储存箱9的壁厚为1mm，内径为90mm，高为70mm。
[0077] 实施例3
[0078] 本实施例的金属/水反应制氢实验装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处 在于：计量管1的壁厚为2mm，内径为20mm，高度为400mm;储水箱2的壁厚为2mm，内径为 150mm，高度为300mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存箱9的位置高于 恒温水浴箱14的位置50mm。加热箱8的内径为50mm，高度为180mm，加热箱8底部开孔， 孔径为35mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10mm 的圆孔；溶液储存箱9的壁厚为2mm，内径为40mm，高为180mm。
[0079] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技 术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：包括溶液储存机构、反应机构和气量 检测机构； 所述溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通； 所述反应机构包括固定支架（4)、三口锥形瓶（5)、恒温水浴箱（14)和磁力搅拌器 (15);磁力搅拌器（15)上方设有恒温水浴箱（14)，恒温水浴箱（14)内部设有三口锥形瓶 (5);三口锥形瓶（5)作为金属/水反应的容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金 属粉末开口和气体开口，其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞 密封，气体开口与气量检测机构相连通； 所述固定支架（4)固定在磁力搅拌器（15)的上方，固定支架（4)与三口锥形瓶（5)固 定连接。2. 根据权利要求1所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述溶液储存机 构包括溶液进入管（6)、电磁阀（7)、加热箱（8)、溶液储存箱（9)、热电偶（10)、温度控制仪 (11) 、控制箱（12)和1#压力变送器（13); 所述加热箱（8)内设有溶液储存箱（9)，溶液储存箱（9)底部设有两个开口，其中一个 开口与溶液进入管（6)的一端相连通，溶液进入管（6)的另一端与所述溶液开口相连通； 溶液储存箱（9)底部另一个开口上设有1#压力变送器（13)，1#压力变送器（13)与控制箱 (12) 电连接；溶液进入管（6)上设有电磁阀（7)，电磁阀（7)与控制箱（12)电连接； 所述加热箱（8)与温度控制仪（11)电连接，热电偶（10)设于溶液储存箱（9)内部，热 电偶（10)与温度控制仪（11)电连接。3. 根据权利要求1所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述气量检测机 构包括计量管（1)、储水箱（2)、气体逸出管（3)、2#压力变送器（16)、数据采集仪（17)、计 算机（18)和显示器（19); 所述计量管（1)和储水箱（2)相互连通，且计量管（1)上部开口并与大气相通；储水箱 (2)上部设有一个开口，该开口与气体逸出管（3)的一端相连通，气体逸出管（3)的另一端 与所述气体开口相连通； 所述计量管（1)底部设有2#压力变送器（16)，2#压力变送器（16)的输出端与数据采 集仪（17)的输入端连接，数据采集仪（17)的输出端与计算机（18)连接，显示器（19)与计 算机（18)相连。4. 根据权利要求2所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述溶液储存箱 (9)所在的位置高于恒温水浴箱（14)50~200mm。5. 根据权利要求2所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述加热箱（8) 的结构为圆筒形，加热箱（8)的内径为30~100mm，高度为50~200mm，加热箱（8)底部开 孔，孔径为20~90mm ;所述溶液储存箱（9)采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开 口均为直径10~20mm的圆孔；溶液储存箱（9)的壁厚为1~2mm，内径为30~100mm，高 度为50~200mm。6. 根据权利要求3所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述计量管（1)和 储水箱（2)均采用透明的有机玻璃制作；计量管（1)的壁厚为1~3_，内径为5~20_，高 度为200~500mm ;储水箱⑵的壁厚为1~3mm，内径为30~150mm，高度为100~300mm。7. -种金属/水反应制氢收集方法，其特征在于：其步骤为， 步骤一、准备反应溶液 A、 连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪（17)、计算机（18)和显示器 (19)； B、 向计量管（1)和储水箱（2)中注水，向溶液储存箱（9)中加入反应溶液，向恒温水浴 箱（14)中注水，将三口锥形瓶（5)放入恒温水浴箱（14)中，并使用固定支架（4)将三口锥 形瓶（5)固定； C、 打开温度控制仪（11)和恒温水浴箱（14)的加热开关，将溶液储存箱（9)中的反应 溶液和恒温水浴箱（14)中的水加热到同一温度； 步骤二、制氢反应 a、 称取待反应的金属，并将该金属放置于三口锥形瓶（5)的底部，同时将磁力搅拌器 (15)的磁子放入三口锥形瓶（5)内，然后将三口锥形瓶（5)密封； b、 在控制箱（12)上设定反应溶液的加入量，然后开启电磁阀（7)向三口锥形瓶（5)中 开始加入反应溶液，三口锥形瓶（5)内开始反应产生氢气； c、 开启磁力搅拌器（15)的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱（12)上的设定值 时，电磁阀（7)自动关闭； 步骤三、计量产气量 I、 打开计算机（18)上的数据采集软件，采集2#压力变送器（16)上的压力值； II、 开始反应后，2#压力变送器（16)测得的压力变化值为ΛΡ，计量管（1)中水的液位 变化值为Ah，计量管（1)的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算：III、 计算机（18)根据上述公式自动计算出氢气的实时产气量V，并在显示器（19)上显 示； 步骤四、氢气排放 实验结束后，打开三口锥形瓶（5)上的金属粉末开口，计量管（1)和储水箱（2)中的水 位高度再次相同，继续进行下一组实验测试。
【专利摘要】本发明公开了一种金属/水反应制氢实验装置及收集方法，属于实验用制氢装置技术领域。本发明的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机构和气量检测机构，溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通。磁力搅拌器上方设有恒温水浴箱，恒温水浴箱内部设有三口锥形瓶，三口锥形瓶上设有三个开口，其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞密封，气体开口与气量检测机构相连通。固定支架固定在磁力搅拌器的上方，固定支架与三口锥形瓶固定连接，固定支架用于固定反应过程中的三口锥形瓶。本发明实现了简化氢气收集操作过程及产气量自动记录的功能。
【IPC分类】G01N7/18
【公开号】CN104897517
【申请号】CN201510358861
【发明人】朱宝忠, 王双, 孙蓉, 孙华建, 孙运兰, 李凡, 堵同宽
【申请人】安徽工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实验用制氢装置技术领域，更具体地说，涉及一种金属/水反应制氢 实验装置及收集方法。
【背景技术】
[0002] 氢气是一种清洁无污染的新能源，也是一种可再生能源。氢气作为燃料用于交通 运输、热能和动力生产中时，具有高效率、高效益的特点，而且氢气反应的产物是水和热，是 真正意义上的清洁能源和可持续能源，但是，氢气的能源转换效率非常低，并且很难存储。
[0003] 因此，科学家认为可使用金属/水反应产生氢气，这种方法不仅廉价、高效，而且 使得氢气的运输与存储更加简单易行，然而这种方法只是处于实验研宄阶段，目前并没有 得到实际应用。通常，在实验室中研宄金属/水反应时采用量筒排水法收集氢气，例如中国 专利申请号2011202486815,申请日为2011年7月15日，发明创造名称为：一种手控制氢 实验装置，该申请案公开了一种利用金属置换氢气并收集氢气的实验装置，该装置包括三 叉戟瓶、滤网圆筒、手控装置、氢气收集装置，其中氢气收集装置由橡胶塞、玻璃弯管、乳胶 管、尖嘴玻璃弯管、量筒顺次连接而成，玻璃弯管穿过橡胶塞伸入三叉戟瓶内的一端作为氢 气出口。该申请案中的氢气收集装置，其优点在于可利用现有的玻璃器皿进行装置搭建，构 造简单，其缺点在于每次实验前都需要对氢气收集装置进行充水处理以实现排水法收集氢 气，操作繁琐，并且需要人工对氢气产量进行统计，这大大的加重了实验者的工作量，费时 费力，且误差较大。
[0004] 又如中国专利申请号2015200250261，申请日为2015年1月15日，发明创造名称 为：金属钠与水反应装置，该申请案的金属钠与水反应装置，包括产气瓶、金属钠推进器、双 孔塞、出气管和储液器，产气瓶与储液器固定连接且在底部由一小孔相连通，塞在产气瓶瓶 口上的双孔塞其中一孔塞入金属钠推进器、另一孔塞入一个连接有开关的出气管，金属钠 推进器由一个顶端带有阻挡环的玻璃管和与玻璃管内径相同的推进柱组成，玻璃管下端塞 有一个密封盖，在出气管上端由下到上依次固定连接一个球形容器和尖嘴玻璃管并相互连 通，储液器外表面设置有体积刻度线；用金属钠推进器在较大块金属钠上钻取一段金属钠， 即可进行实验，现象一清二楚，且在产气瓶里收集到的气体全为纯净的氢气，也能根据储液 器里液面的变化读出产生氢气的体积。但是，该申请案还存在以下缺点：（1)金属钠推进器 直接将一段金属钠送入产气瓶中反应，参加反应的金属钠直接溶于产气瓶中，会对储液器 液面的变化造成影响，从而在计算产生氢气的体积时不准确；（2)反应过程中无法做到定 量控制，不利于控制反应强度及对反应进行定量研宄；（3)通过肉眼观察储液器里液面的 变化来得出产生氢气体积的方法，误差较大，费时费力，实验效率不高。
[0005] 综上所述，如何克服目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操 作繁琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，是现有技术中亟需解决的技 术难题。
【发明内容】
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明克服了目前实验室用金属/水反应制氢装置存在的氢气收集过程操作繁 琐和人工进行氢气产量统计费时费力、误差较大的不足，提供了一种金属/水反应制氢实 验装置及收集方法，实现了简化氢气收集操作过程及产气量自动记录的功能。
[0008] 2?技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0010] 本发明的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机构和气量检测 机构；
[0011] 所述溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通；
[0012] 所述反应机构包括固定支架、三口锥形瓶、恒温水浴箱和磁力搅拌器；磁力搅拌器 上方设有恒温水浴箱，恒温水浴箱内部设有三口锥形瓶；三口锥形瓶作为金属/水反应的 容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金属粉末开口和气体开口，其中：溶液开口与 溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞密封，气体开口与气量检测机构相连通；
[0013] 所述固定支架固定在磁力搅拌器的上方，固定支架与三口锥形瓶固定连接。
[0014] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存机构包括 溶液进入管、电磁阀、加热箱、溶液储存箱、热电偶、温度控制仪、控制箱和1#压力变送器；
[0015] 所述加热箱内设有溶液储存箱，溶液储存箱底部设有两个开口，其中一个开口与 溶液进入管的一端相连通，溶液进入管的另一端与所述溶液开口相连通；溶液储存箱底部 另一个开口上设有1#压力变送器，1#压力变送器与控制箱电连接；溶液进入管上设有电磁 阀，电磁阀与控制箱电连接；
[0016] 所述加热箱与温度控制仪电连接，热电偶设于溶液储存箱内部，热电偶与温度控 制仪电连接。
[0017] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述气量检测机构包括 计量管、储水箱、气体逸出管、2#压力变送器、数据采集仪、计算机和显示器；
[0018] 所述计量管和储水箱相互连通，且计量管上部开口并与大气相通；储水箱上部设 有一个开口，该开口与气体逸出管的一端相连通，气体逸出管的另一端与所述气体开口相 连通；
[0019] 所述计量管底部设有2#压力变送器，2#压力变送器的输出端与数据采集仪的输 入端连接，数据采集仪的输出端与计算机连接，显示器与计算机相连。
[0020] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述溶液储存箱所在的 位置高于恒温水浴箱50~200mm。
[0021] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述加热箱的结构为圆 筒形，加热箱的内径为30~100mm，高度为50~200mm，加热箱底部开孔，孔径为20~90mm; 所述溶液储存箱采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10~20mm的圆 孔；溶液储存箱的壁厚为1~2mm，内径为30~100mm，高度为50~200mm〇
[0022] 作为本发明的金属/水反应制氢实验装置的进一步改进，所述计量管和储水箱 均采用透明的有机玻璃制作；计量管的壁厚为1~3mm，内径为5~20mm，高度为200~ 500mm;储水箱的壁厚为1~3mm，内径为30~150mm，高度为100~300mm。
[0023] 本发明的金属/水反应制氢收集方法，其步骤为，
[0024] 步骤一、准备反应溶液
[0025] A、连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪、计算机和显示器；
[0026] B、向计量管和储水箱中注水，向溶液储存箱中加入反应溶液，向恒温水浴箱中注 水，将三口锥形瓶放入恒温水浴箱中，并使用固定支架将三口锥形瓶固定；
[0027] C、打开温度控制仪和恒温水浴箱的加热开关，将溶液储存箱中的反应溶液和恒温 水浴箱中的水加热到同一温度；
[0028] 步骤二、制氢反应
[0029] a、称取待反应的金属，并将该金属放置于三口锥形瓶的底部，同时将磁力搅拌器 的磁子放入三口锥形瓶内，然后将三口锥形瓶密封；
[0030] b、在控制箱上设定反应溶液的加入量，然后开启电磁阀向三口锥形瓶中开始加入 反应溶液，三口锥形瓶内开始反应产生氢气；
[0031] c、开启磁力搅拌器的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱上的设定值时，电 磁阀自动关闭；
[0032] 步骤三、计量产气量
[0033] I、打开计算机上的数据采集软件，采集2#压力变送器上的压力值；
[0034] II、开始反应后，2#压力变送器测得的压力变化值为AP，计量管中水的液位变化 值为△h，计量管的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算：
[0036] III、计算机根据上述公式自动 计算出氢气的实时产气量V，并在显示器上显示；
[0037] 步骤四、氢气排放
[0038] 实验结束后，打开三口锥形瓶上的金属粉末开口，计量管和储水箱中的水位高度 再次相同，继续进行下一组实验测试。
[0039] 3?有益效果
[0040] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
[0041] (1)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，计量管底部安装有2#压力 变送器，氢气通过气体逸出管进入储水箱，并将同等体积的水排至计量管，计量管水位增加 时，会导致计量管底部压强增大，作用在2#压力变送器上的压力也会增大，2#压力变送器 会测出实验过程中的实时压力变化，通过压力变化数据及计量管的内径能够计算得出产气 量，产气量在计算机上自动计算并以表格的形式存储在计算机上；本发明中，产气量的数据 是通过计算机的自动计算得出，产气量测量精确度高、省时省力，克服了人工计量产气量精 度低、费时费力的不足，且2#压力变送器上的压力值为实时采集，因此反应过程中任意时 间段的产气量数据都可以实时得到并存储，最终得到整个反应过程中产气量随时间连续变 化的数据，有利于对反应过程进行深入研宄。
[0042] (2)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，将水通过计量管上部开口 注入计量管和储水箱中，根据连通器原理可知，此时计量管的水位和储水箱一致，可根据实 际需要确定实验所需水位高度。实验过程中，反应产生的氢气会进入储水箱，并将同等体积 的水排至计量管，此时计量管的水位高于储水箱；一组实验结束后，打开三口锥形瓶上的金 属粉末开口，储水箱与大气相通，储水箱的水位回升并与计量管的水位再次一致，可继续进 行下一组实验测试，无需重复注水。经过本发明的改进，实验中只需一次注水便能实现多次 测试，避免了目前氢气产气量测量实验中集气量筒需反复注水的繁琐操作过程。
[0043] (3)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，待反应的金属粉末加入反 应容器后，密封反应容器，然后开启电磁阀加入反应溶液，反应溶液的加入量由控制箱控 制，其原理是通过1#压力变送器监测溶液储存箱的液位变化，人工设置反应溶液加入量， 当1#压力变送器检测到压力值等于反应溶液加入量刚好达到设定值时溶液储存箱内剩余 反应溶液液位所对应的临界压力，则触发电磁阀关闭动作，进而停止反应溶液的添加，实现 反应溶液的定量添加；该过程还一方面避免了同时加入金属与反应溶液时，由于未及时密 封反应容器而导致的气体逸出问题，另一方面能准确测出从反应开始到有气体产生时的反 应诱导期时间，便于对反应过程进行深入研宄。
[0044] (4)本发明的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，反应溶液的加入量可通过 控制箱实现定量控制，反应温度可通过温度控制仪和恒温水浴箱实现控制，从而有利于对 反应进行定量研宄及控制反应的强度。
【附图说明】
[0045] 图1为本发明的金属/水反应制氢实验装置的结构示意图。
[0046] 示意图中的标号说明：1、计量管；2、储水箱；3、气体逸出管；4、固定支架；5、三口 锥形瓶；6、溶液进入管；7、电磁阀；8、加热箱；9、溶液储存箱；10、热电偶；11、温度控制仪； 12、控制箱；13、1#压力变送器；14、恒温水浴箱；15、磁力搅拌器；16、2#压力变送器；17、数 据采集仪；18、计算机；19、显示器。
【具体实施方式】
[0047] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0048] 实施例1
[0049] 如图1所示，本实施例的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机 构和气量检测机构，溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通，其 中：溶液储存机构用于存放反应溶液，反应机构用于存放待反应的金属及作为反应容器，气 量检测机构用于检测反应产生的氢气量，具体为反应溶液进入反应机构内与金属反应产生 氢气，氢气通入气量检测机构内实现产气量的自动实时检测。
[0050] 反应机构包括固定支架4、三口锥形瓶5、恒温水浴箱14和磁力搅拌器15,磁力搅 拌器15上方设有恒温水浴箱14,恒温水浴箱14内部设有三口锥形瓶5。三口锥形瓶5作为 金属/水反应的容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金属粉末开口和气体开口， 其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，用于添加反应溶液；金属粉末开口通过密封塞密 封，金属粉末开口用于添加待反应的金属粉末；气体开口与气量检测机构相连通，用于将反 应产生的氢气送入储水箱2中。固定支架4固定在磁力搅拌器15的上方，固定支架4与三 口锥形瓶5固定连接，固定支架4用于固定反应过程中的三口锥形瓶5,防止反应过程中三 口锥形瓶5发生晃动而出现密封塞脱落、气体逸出的情况。三口锥形瓶5的容积为250ml。 磁力搅拌器15为集热式磁力搅拌器，型号采用DF-101S，该装置为实验提供反应条件，使反 应溶液和金属粉末充分混合反应。
[0051 ] 溶液储存机构包括溶液进入管6、电磁阀7、加热箱8、溶液储存箱9、热电偶10、温 度控制仪11、控制箱12和1#压力变送器13。加热箱8内设有溶液储存箱9,溶液储存箱 9底部设有两个开口，其中一个开口与溶液进入管6的一端相连通，溶液进入管6的另一端 与溶液开口相连通；溶液储存箱9底部另一个开口上设有1#压力变送器13,1#压力变送器 13与控制箱12电连接。溶液进入管6上设有电磁阀7,电磁阀7与控制箱12电连接。加 热箱8与温度控制仪11电连接，热电偶10设于溶液储存箱9内部，热电偶10与温度控制 仪11电连接。热电偶10采用标准K型热电偶。热电偶10用于检测溶液储存箱9内部反 应溶液的温度，并将检测的温度数值反馈给温度控制仪11。温度控制仪11用于控制加热 箱8的加热温度，在温度控制仪11上设定好温度数值后，加热箱8就将溶液储存箱9内的 反应溶液加热到指定温度，当溶液储存箱9内的反应溶液达到指定温度后，热电偶10反馈 此时的温度数值给温度控制仪11，温度控制仪11控制加热箱8将溶液储存箱9内的反应溶 液维持在指定的温度上。热电偶10与温度控制仪11共同实现对溶液储存箱9内反应溶液 的温度控制。
[0052] 电磁阀7的关闭动作由1#压力变送器13导入的压力信号触发，1#压力变送器13 用于实时检测溶液储存箱9内反应溶液相应液位高度所对应的压力值，并将该压力值实时 传输给控制箱12,控制箱12根据1#压力变送器13反馈的压力值控制电磁阀7的关闭动 作。反应开始前在控制箱12上设定反应溶液的加入量，此时1#压力变送器13检测到溶液 储存箱9内反应溶液相应液位高度所对应的一个压力值，并将该压力值反馈给控制箱12 ; 反应开始后，电磁阀7打开，反应溶液逐渐加入到三口锥形瓶5内，此时1#压力变送器13 检测到逐渐变化的压力值；反应溶液加入量刚达到控制箱12的设定值时，此时溶液储存箱 9内反应溶液相应液位高度对应一个临界压力值（该临界压力值等于反应开始前1#压力变 送器13检测到的压力值减去设定数值的反应溶液加入量在溶液储存箱9内液位高度所对 应的压力值），当1#压力变送器13检测到的压力值等于该临界压力值时，证明反应溶液的 加入量正好等于事先的设定数值，则控制箱12控制电磁阀7进行关闭动作，进而停止反应 溶液的添加，实现反应溶液的定量添加。
[0053] 气量检测机构包括计量管1、储水箱2、气体逸出管3、2#压力变送器16、数据采集 仪17、计算机18和显示器19,计量管1和储水箱2相互连通，且计量管1上部开口并与大 气相通。储水箱2上部设有一个开口，该开口与气体逸出管3的一端相连通，气体逸出管3 的另一端与三口锥形瓶5上的气体开口相连通。计量管1底部设有2#压力变送器16,用于 测量计量管1内相应水位的压力，2#压力变送器16通过计量管1内压力的变化来反映产气 量的数值，2#压力变送器16的输出端与数据采集仪17的输入端连接，数据采集仪17的输 出端与计算机 18连接，显示器19与计算机18相连，用于显示实时产气量。数据采集仪17 采用安捷伦34972A型数据采集仪，计算机18内安装有安捷伦数据采集仪配套软件，用于采 集存储数据。气体逸出管3与溶液进入管6均采用玻璃管制成，且均使用橡胶塞与三口锥 形瓶5密封连接。1#压力变送器13与2#压力变送器16均采用高精度低量程扩散硅压力 变送器，为了保证测试精度，压力量程为0~5KPa。为了方便实验观察，计量管1和储水箱 2均采用透明的有机玻璃制作。2#压力变送器16的数据通过数据采集仪17进行采集，并 以表格的形式存储于计算机18上。
[0054] 本实施例中，计量管1的壁厚为3mm，内径为10mm，高度为300mm;储水箱2的壁厚 为3mm，内径为50mm，高度为200mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存 箱9的位置高于恒温水浴箱14的位置200_。加热箱8的结构为圆筒形，采用四周加热的 方式加热溶液储存箱9 ;加热箱8的内径为60mm，高度为100mm，加热箱8底部开孔，孔径为 45mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10mm的圆 孔；溶液储存箱9的壁厚为2mm，内径为50mm，高度为100mm〇
[0055] 本实施例的金属/水反应制氢收集方法，其步骤为，
[0056] 步骤一、准备反应溶液
[0057] A、连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪17、计算机18和显示器19 ;
[0058] B、从计量管1上部开口向计量管1和储水箱2中注水，使计量管1和储水箱2中 水位高度为150mm;向溶液储存箱9中加入反应溶液（本实施例中的反应溶液为水溶液，水 溶液中可根据需要加入相应溶质），使溶液储存箱9中反应溶液的液位高度为80_ ;向恒温 水浴箱14中注入占恒温水浴箱14 一半体积容量的水，将三口锥形瓶5放入恒温水浴箱14 中，并使用固定支架4将三口锥形瓶5固定；
[0059] C、打开温度控制仪11和恒温水浴箱14的加热开关，将溶液储存箱9中的反应溶 液和恒温水浴箱14中的水均加热到60°C后保温；
[0060] 步骤二、制氢反应
[0061] a、称取平均粒径为100nm的待反应铝粉0.lg，并将铝粉放置于三口锥形瓶5的底 部，同时将磁力搅拌器15的磁子放入三口锥形瓶5内，然后将三口锥形瓶5密封；
[0062] b、在控制箱12上设定反应溶液的加入量，本实施例中反应溶液的加入量设为 50ml，然后开启电磁阀7向三口锥形瓶5中开始加入反应溶液，反应溶液加入量通过控制箱 12控制，三口锥形瓶5内开始反应产生氢气，氢气通过气体逸出管3进入储水箱2,将储水 箱2中的水压至计量管1中，计量管1中的水位上升时，作用在计量管1底部2#压力变送 器16上的压力也会增大，通过压力变化数值及计量管1的内径数值能够计算得出产气量， 产气量数据以表格的形式存储在计算机18上；
[0063] c、开启磁力搅拌器15的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱12上设定的 50ml时，电磁阀7自动关闭；根据水的压强可知，1mm液位变化对应10Pa的压力变化，电 磁阀7未开启时，反应溶液的液位高度为80mm，此时1#压力变送器13检测到的压力值为 800Pa，结合溶液储存箱9的内径为50mm，经计算得知，50ml的反应溶液在溶液储存箱9内 对应的液位高度为25. 5mm，则50ml的反应溶液对应的压力值为255Pa，最终临界压力值为： 800-255 = 545Pa，即当1#压力变送器13检测到压力值为545Pa时，则代表反应溶液加入 量到达设定值，控制箱12控制电磁阀7自动关闭，停止向三口锥形瓶5中加入反应溶液。
[0064] 步骤三、计量产气量
[0065] I、打开计算机18上的数据采集软件，每隔0? 5秒采集一次2#压力变送器16上的 压力值并同步储存，通过2#压力变送器16测得的压力变化即可快速得到实验气体产量；
[0066] II、开始反应后，2#压力变送器16测得的压力变化值为AP，计量管1中水的液位 变化值为Ah，计量管1的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算（其中P代 表水的密度，g代表重力加速度）：
[0068]III、计算机18根据上述公式自动计算出氢气的实时产气量V，并在显示器19上显 示；
[0069] 步骤四、氢气排放
[0070] 实验结束后，打开三口锥形瓶5上的金属粉末开口，此时计量管1和储水箱2的液 面相当于同时裸露在大气中，根据连通器原理，计量管1和储水箱2中的水位高度再次相 同，可继续进行下一组实验测试，无需重复注水。
[0071] 目前实验研宄中多采用排水法对氢气进行收集与计量，由于气体产生是一个连续 的过程，所以现有实验过程中一般需要使用摄像机对产气量变化过程进行实时拍摄，反应 结束后需调取视频文件，人工进行产气量统计，最后还需将统计数据制成图表，进而得到金 属与水反应产生氢气体积变化的相关数据。但是该过程首先对摄像机的像素要求较高，此 外视频文件会占用计算机大量内存，并且数据统计过程增加了额外的工作量。本实施例的 金属/水反应制氢实验装置及收集方法，计量管1底部安装有2#压力变送器16,氢气通过 气体逸出管3进入储水箱2,并将同等体积的水排至计量管1，计量管1水位增加时，会导致 计量管1底部压强增大，作用在2#压力变送器16上的压力也会增大，2#压力变送器16会 测出实验过程中的实时压力变化，通过压力变化数据及计量管1的内径能够计算得出产气 量，产气量在计算机18上自动计算并以表格的形式存储在计算机18上；本实施例中，产气 量的数据是通过计算机18的自动计算得出，产气量测量精确度高、省时省力，克服了人工 计量产气量精度低、费时费力的不足，且2#压力变送器16上的压力值为实时采集，因此反 应过程中任意时间段的产气量数据都可以实时得到并存储，最终得到整个反应过程中产气 量随时间连续变化的数据，有利于对反应过程进行深入研宄。
[0072] 现有实验过程中通常采用排水法集气，因而每做完一组实验就需要向量筒中重新 注水，操作较繁琐。本实施例的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，将水通过计量管1 上部开口注入计量管1和储水箱2中，根据连通器原理可知，此时计量管1的水位和储水 箱2-致，可根据实际需要确定实验所需水位高度。实验过程中，反应产生的氢气会进入储 水箱2,并将同等体积的水排至计量管1，此时计量管1的水位高于储水箱2 ;-组实验结束 后，打开三口锥形瓶5上的金属粉末开口，储水箱2与大气相通，储水箱2的水位回升并与 计量管1的水位再次一致，可继续进行下一组实验测试，无需重复注水。经过本发明的改 进，实验中只需一次注水便能实现多次测试，避免了目前氢气产气量测量实验中集气量筒 需反复注水的繁琐操作过程。
[0073] 现有的氢气产气量测量实验过程中，大多是先向反应溶液中加入待反应的金属粉 末，而后再将反应容器密封，这样做容易导致在密封反应容器之前就有气体逸出。本实施例 的金属/水反应制氢实验装置及收集方法，待反应的金属粉末加入反应容器后，密封反应 容器，然后开启电磁阀7加入反应溶液，反应溶液的加入量由控制箱12控制，其原理是通过 1#压力变送器13监测溶液储存箱9的液位变化，人工设置反应溶液加入量，当1#压力变送 器13检测到压力值等于反应溶液加入量刚好达到设定值时溶液储存箱9内剩余反应溶液 液位所对应的临界压力，则触发电磁阀7关闭动作，进而停止反应溶液的添加，实现反应溶 液的定量添加。该过程还一方面避免了同时加入金属与反应溶液时，由于未及时密封反应 容器而导致的气体逸出问题，另一方面能准确测出从反应开始到有气体产生时的反应诱导 期时间，便于对反应过程进行深入研宄。
[0074] 现有的反应过程中待反应的金属和反应溶液的量无法做到定量控制且反应温度 不可控，不利于对反应进行定量研宄及控制反应的强度；本实施例的金属/水反应制氢实 验装置及收集 方法，反应溶液的加入量可通过控制箱12实现定量控制，反应温度可通过温 度控制仪11和恒温水浴箱14实现控制，从而有利于对反应进行定量研宄及控制反应的强 度。
[0075] 实施例2
[0076] 本实施例的金属/水反应制氢实验装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处 在于：计量管1的壁厚为1mm，内径为15mm，高度为200mm;储水箱2的壁厚为1mm，内径为 90mm，高度为100mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存箱9的位置高于 恒温水浴箱14的位置125_。加热箱8的内径为100_，高度为70_，加热箱8底部开孔， 孔径为70mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径20mm 的圆孔；溶液储存箱9的壁厚为1mm，内径为90mm，高为70mm。
[0077] 实施例3
[0078] 本实施例的金属/水反应制氢实验装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处 在于：计量管1的壁厚为2mm，内径为20mm，高度为400mm;储水箱2的壁厚为2mm，内径为 150mm，高度为300mm。为保证反应溶液顺利流入三口锥形瓶5内，溶液储存箱9的位置高于 恒温水浴箱14的位置50mm。加热箱8的内径为50mm，高度为180mm，加热箱8底部开孔， 孔径为35mm;溶液储存箱9采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开口均为直径10mm 的圆孔；溶液储存箱9的壁厚为2mm，内径为40mm，高为180mm。
[0079] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技 术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：包括溶液储存机构、反应机构和气量 检测机构； 所述溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通； 所述反应机构包括固定支架（4)、三口锥形瓶（5)、恒温水浴箱（14)和磁力搅拌器 (15);磁力搅拌器（15)上方设有恒温水浴箱（14)，恒温水浴箱（14)内部设有三口锥形瓶 (5);三口锥形瓶（5)作为金属/水反应的容器，其上设有三个开口，分别称为溶液开口、金 属粉末开口和气体开口，其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞 密封，气体开口与气量检测机构相连通； 所述固定支架（4)固定在磁力搅拌器（15)的上方，固定支架（4)与三口锥形瓶（5)固 定连接。2. 根据权利要求1所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述溶液储存机 构包括溶液进入管（6)、电磁阀（7)、加热箱（8)、溶液储存箱（9)、热电偶（10)、温度控制仪 (11) 、控制箱（12)和1#压力变送器（13); 所述加热箱（8)内设有溶液储存箱（9)，溶液储存箱（9)底部设有两个开口，其中一个 开口与溶液进入管（6)的一端相连通，溶液进入管（6)的另一端与所述溶液开口相连通； 溶液储存箱（9)底部另一个开口上设有1#压力变送器（13)，1#压力变送器（13)与控制箱 (12) 电连接；溶液进入管（6)上设有电磁阀（7)，电磁阀（7)与控制箱（12)电连接； 所述加热箱（8)与温度控制仪（11)电连接，热电偶（10)设于溶液储存箱（9)内部，热 电偶（10)与温度控制仪（11)电连接。3. 根据权利要求1所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述气量检测机 构包括计量管（1)、储水箱（2)、气体逸出管（3)、2#压力变送器（16)、数据采集仪（17)、计 算机（18)和显示器（19); 所述计量管（1)和储水箱（2)相互连通，且计量管（1)上部开口并与大气相通；储水箱 (2)上部设有一个开口，该开口与气体逸出管（3)的一端相连通，气体逸出管（3)的另一端 与所述气体开口相连通； 所述计量管（1)底部设有2#压力变送器（16)，2#压力变送器（16)的输出端与数据采 集仪（17)的输入端连接，数据采集仪（17)的输出端与计算机（18)连接，显示器（19)与计 算机（18)相连。4. 根据权利要求2所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述溶液储存箱 (9)所在的位置高于恒温水浴箱（14)50~200mm。5. 根据权利要求2所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述加热箱（8) 的结构为圆筒形，加热箱（8)的内径为30~100mm，高度为50~200mm，加热箱（8)底部开 孔，孔径为20~90mm ;所述溶液储存箱（9)采用不锈钢制作，其顶部带盖，其底部的两个开 口均为直径10~20mm的圆孔；溶液储存箱（9)的壁厚为1~2mm，内径为30~100mm，高 度为50~200mm。6. 根据权利要求3所述的金属/水反应制氢实验装置，其特征在于：所述计量管（1)和 储水箱（2)均采用透明的有机玻璃制作；计量管（1)的壁厚为1~3_，内径为5~20_，高 度为200~500mm ;储水箱⑵的壁厚为1~3mm，内径为30~150mm，高度为100~300mm。7. -种金属/水反应制氢收集方法，其特征在于：其步骤为， 步骤一、准备反应溶液 A、 连接金属/水反应制氢实验装置，开启数据采集仪（17)、计算机（18)和显示器 (19)； B、 向计量管（1)和储水箱（2)中注水，向溶液储存箱（9)中加入反应溶液，向恒温水浴 箱（14)中注水，将三口锥形瓶（5)放入恒温水浴箱（14)中，并使用固定支架（4)将三口锥 形瓶（5)固定； C、 打开温度控制仪（11)和恒温水浴箱（14)的加热开关，将溶液储存箱（9)中的反应 溶液和恒温水浴箱（14)中的水加热到同一温度； 步骤二、制氢反应 a、 称取待反应的金属，并将该金属放置于三口锥形瓶（5)的底部，同时将磁力搅拌器 (15)的磁子放入三口锥形瓶（5)内，然后将三口锥形瓶（5)密封； b、 在控制箱（12)上设定反应溶液的加入量，然后开启电磁阀（7)向三口锥形瓶（5)中 开始加入反应溶液，三口锥形瓶（5)内开始反应产生氢气； c、 开启磁力搅拌器（15)的搅拌功能，当反应溶液加入量到达控制箱（12)上的设定值 时，电磁阀（7)自动关闭； 步骤三、计量产气量 I、 打开计算机（18)上的数据采集软件，采集2#压力变送器（16)上的压力值； II、 开始反应后，2#压力变送器（16)测得的压力变化值为ΛΡ，计量管（1)中水的液位 变化值为Ah，计量管（1)的底面积为s，内径为d，则产气量V根据下列公式计算：III、 计算机（18)根据上述公式自动计算出氢气的实时产气量V，并在显示器（19)上显 示； 步骤四、氢气排放 实验结束后，打开三口锥形瓶（5)上的金属粉末开口，计量管（1)和储水箱（2)中的水 位高度再次相同，继续进行下一组实验测试。
【专利摘要】本发明公开了一种金属/水反应制氢实验装置及收集方法，属于实验用制氢装置技术领域。本发明的金属/水反应制氢实验装置，包括溶液储存机构、反应机构和气量检测机构，溶液储存机构与反应机构相连通，反应机构与气量检测机构相连通。磁力搅拌器上方设有恒温水浴箱，恒温水浴箱内部设有三口锥形瓶，三口锥形瓶上设有三个开口，其中：溶液开口与溶液储存机构相连通，金属粉末开口通过密封塞密封，气体开口与气量检测机构相连通。固定支架固定在磁力搅拌器的上方，固定支架与三口锥形瓶固定连接，固定支架用于固定反应过程中的三口锥形瓶。本发明实现了简化氢气收集操作过程及产气量自动记录的功能。
【IPC分类】G01N7/18
【公开号】CN104897517
【申请号】CN201510358861
【发明人】朱宝忠, 王双, 孙蓉, 孙华建, 孙运兰, 李凡, 堵同宽
【申请人】安徽工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日
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