CN104971675A - 一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置。该反应装置包括：反应釜、支架和加热装置，所述支架为多层结构，设置有总进液管、总出液管和总出气管，每层分别设置有分进液管、分出液管、分出气管；所述反应釜设置有进液口、出液口和出气口；当反应釜插入支架时候，反应釜进出口、氢气出口分别与支架的总进液管、总出液管和总出气管导通；通过加热装置提供反应釜反应所需温度。本发明还公开了上述脱氢反应装置的应用，反应装置进液口与液态氢源材料储罐相连，出液口与液态储氢载体储罐相连；脱氢反应供热装置和温控装置控制反应温度；氢气进入能量储存装置或能量转换装置，该反应装置广泛应用在以氢能源提供能量来源的动力系统中，比如氢燃料电池和氢内燃机。

Description

一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置

技术领域

本发明涉及化学反应装置，特别涉及一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置。

背景技术

氢能利用技术包括氢的规模制备、储存和运输、使用以及配套基础设施的建设等环节，其中氢能使用,是安全有效的利用氢能是最关键技术之一。目前，工业上主要采用在-253℃的液化氢或350～700个大气压下高压氢等储运技术，高压氢或液化氢技术及其应用所需能耗是制氢成本的20倍以上，且存在泄漏或储氢罐压力过高等安全隐患。

如果将氢分子吸附在某种载体上，实现常温常压下的安全储存，待使用时，将氢在温和条件下可控地释放，则可有效安全地使用氢能。因此，全球主要的工业国家都在研发基于常温常压的液态有机储氢技术。以德国正在开发的液态有机储氢技术能够实现较温和条件下的吸/放氢循环，但释放的氢气时含有毒害燃料电池的副产物气体产生，同时存在容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研发基于甲苯等传统有机材料的储氢技术，但脱氢温度过高（大于300℃），且同样存在副产物毒化燃料电池的问题。因而这两种储氢技术规模化应用受到制约。

发明人程寒松教授及其团队通过长期的探索和研究，发现了一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料具有熔点低(目前开发的技术已低至-20℃)、闪点高(150℃以上)、在自制的高效催化剂作用下释放气体纯度高(99.99%)、脱氢温度低(约150℃)等特点，且循环寿命高（2000次以上）、可逆性强，并且不会产生一氧化碳等毒害燃料电池催化层的气体。作为氢的载体，这类材料在使用过程中始终以液态方式存在，可以像石油一样在常温常压下储存和运输，完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架。

本发明是关于一种用于常温常压液态氢源材料脱氢反应的反应装置。脱氢反应是实现应用的关键步骤，而脱氢反应釜是实现应用的关键装置。通过反应釜，常温常压液态氢源材料能够在温和条件下释放出氢气。

发明内容

本发明是关于一种用于常温常压液态氢源材料脱氢反应的插层式反应装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置，包括：反应釜、支架和加热装置，所述支架为多层结构，设置有总进液管、总出液管和总出气管，每层分别设置有分进液管、分出液管、分出气管、加热装置和反应釜卡口；所述反应釜设置有进液口、出液口和出气口；当反应釜插入支架的反应釜卡口时，反应釜进出口、氢气出口分别与支架的总进液管、总出液管和总出气管导通；通过加热装置提供反应釜反应所需温度。

所述反应釜为薄层板式反应釜或薄层列管式反应釜。

所述反应釜内部填充有脱氢催化剂和惰性材料。

所述分进液管、分出液管、分出气管的关口设置有连通阀门，反应釜的进液口、出液口、出气口分别通过连通阀门连接分进液管、分出液管、分出气管。

所述加热装置为微波加热装置、电加热装置、电磁加热装置或化学反应放热装置。

所述的加热装置设置在反应釜的前端。

所述的加热装置的数量超过一个，所述加热装置之间相隔均匀的距离设置在反应釜外部，所述加热装置对反应釜进行分段加热。

所述的反应釜温度保持在120～250℃。

反应釜为薄层结构，为保证催化反应效率，反应釜厚度不能厚以避免存在梯度导致反应不稳定，效率不高。反应釜可以根据需要插入支架中，支架为多层结构，可以插入单个反应釜，可以插入多个反应釜。支架每层分进液管、分出液管和分出气管的连通阀门在连接反应釜的进液口、出液口和出气口时为连通状态，否则闭合。

由于脱氢反应为吸热反应，需要反应釜保持120～250℃的温度才能维持液体氢源材料进行脱氢反应，因此在支架上设置有加热装置，加热装置设置在反应釜的整个外部或者位于反应釜的前端。由于液态氢源材料的脱氢反应在分段加热条件下效率最高，因此优选加热装置的数量超过一个，加热装置之间相隔均匀的距离设置在反应釜外部，加热装置对反应釜进行分段加热。

反应的热源来源广泛，可以是后续应用过程中产生的热量传递给反应釜，也可以是独立的热源供应装置。热源可以是电加热、微波加热、电磁加热或化学反应放热。

本装置是用于对液态氢源材料进行脱氢反应的可组装式的反应装置，可以根据结构或氢气需求量的要求进行增加或减少反应釜的数量，所产生的氢气可以与氢燃料电池连接或氢内燃机连接，而氢燃料电池或氢内燃机在机动车、船舶甚至飞行器等领域都得到应用。

附图说明

图1 是实施例1反应装置的示意图。

图2是实施例2反应装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

液体储氢载体是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系，包括至少两种不同的储氢组分，储氢组分为不饱和芳香烃或杂环不饱和化合物，且至少一种储氢组分为低熔点化合物，低熔点化合物的熔点低于80℃。

进一步地，储氢组分选自杂环不饱和化合物，杂环不饱和化合物中的杂原子为N、S、O及P中的一种或多种。

进一步地，杂环不饱和化合物中杂环和芳环的总数为1~20，杂原子的总数为1~20。

进一步地，相对于液态储氢体系的总质量而言，低熔点化合物的质量分数为5~95%。

进一步地，液态储氢体系还包括加氢添加剂，加氢添加剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，加氢添加剂的加入量为0.1~10mL。

进一步地，不同的储氢组分分别选自苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-异丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所组成的组及其衍生物。

进一步地，极性溶剂选自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、异丙醇、正丁醇、二氧六环、正丁醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一种或多种。

进一步地，非极性溶剂选自正己烷、正戊烷、环己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一种或多种。

进一步地，储氢体系还包括脱氢添加剂，脱氢添加剂选自十氢化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一种或多种。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，脱氢添加剂的加入量为0.1~10mL。

液体储氢载体在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成液体氢源材料，液体氢源材料在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为液体储氢载体。

实施例一

如图1所示，插入一个反应釜的插层式反应装置，包括：反应釜、支架和加热装置。

支架为多层结构，设置有总进液管1、总出液管2和总出气管3，每层分别设置有分进液管4、分出液管5、分出气管6和反应釜卡口7。分进液管、分出液管、分出气管的关口设置有连通阀门8。

反应釜9为薄层板式反应釜，内部填充有脱氢催化剂和惰性材料。反应釜设置有进液口10、出液口11和出气口12，反应釜可插入支架中的反应釜卡口内通过进液口、出液口和出气口分别与分进液管、分出液管和分出气管相连。

加热装置13设置在反应釜的前端，为微波加热装置。

由于支架中止插入了一个反应釜，分进液管、分出液管、分出气管管口的阀门只有与反应釜相连的插层中是开通的，其余为闭合状态。加热装置也是插入反应釜的插层是工作状态，其余为休息状态。

液态氢源材料通过总进液管进入分进液管进入反应釜，反应釜在120～250℃下在脱氢催化剂的作用下将液体氢源材料分解为氢气和液体储氢载体，氢气通过分出气管进入总出气管被送入储气罐，液体储氢载体通过分出液管进入总出液管被倒入储液罐。

实施例二

如图2所示，插入5个反应釜的插层式反应装置，包括：反应釜、支架和加热装置。

支架为多层结构，设置有总进液管1、总出液管2和总出气管3，每层分别设置有分进液管4、分出液管5、分出气管6和反应釜卡口7。分进液管、分出液管、分出气管的关口设置有连通阀门8。

反应釜9为薄层列管式反应釜，内部填充有脱氢催化剂和惰性材料。反应釜设置有进液口10、出液口11和出气口12，反应釜可插入支架中的加热装置内通过进液口、出液口和出气口分别与分进液管、分出液管和分出气管相连。

加热装置为电加热装置13，加热装置的数量为4个，加热装置之间相隔均匀的距离设置在反应釜外部，加热装置对反应釜进行分段加热。

液态氢源材料通过总进液管进入分进液管进入反应釜，反应釜在120～250℃下在脱氢催化剂的作用下将液体氢源材料分解为氢气和液体储氢载体，氢气通过分出气管进入总出气管被送入储气罐，液体储氢载体通过分出液管进入总出液管被倒入储液罐。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (8)

1.一种用于液态氢源材料进行脱氢反应的插层式反应装置，其特征在于包括：反应釜、支架和加热装置，所述支架为多层结构，设置有总进液管、总出液管和总出气管，每层分别设置有分进液管、分出液管、分出气管、加热装置和反应釜卡口；所述反应釜设置有进液口、出液口和出气口；当反应釜插入支架的反应釜卡口时，反应釜进出口、氢气出口分别与支架的总进液管、总出液管和总出气管导通；通过加热装置提供反应釜反应所需温度。

2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述反应釜为薄层板式反应釜或薄层列管式反应釜。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述反应釜内部填充有脱氢催化剂和惰性材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述分进液管、分出液管、分出气管的关口设置有连通阀门，反应釜的进液口、出液口、出气口分别通过连通阀门连接分进液管、分出液管、分出气管。

5.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于：所述加热装置为微波加热装置、电加热装置、电磁加热装置或化学反应放热装置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的加热装置设置在反应釜的前端。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的加热装置的数量超过一个，所述加热装置之间相隔均匀的距离设置在反应釜外部，所述加热装置对反应釜进行分段加热。

8.根据权利要求6或7所述的反应装置，其特征在于：所述的反应釜温度保持在120～250℃。