CN104975987B - 一种氢能源转化装置中热利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢能源转化装置中的热能利用系统，包括：反应釜、缓冲罐、氢能转化装置和换热设备；其中所述反应釜连接缓冲罐，缓冲罐连接氢能转化装置，所述换热设备设置在反应釜和氢能转化装置的外部；所述换热设备中通过液态氢源作为导热介质将氢能转化装置产生的热量传递给反应釜，传送热量后的液态氢源材料进入反应釜进行脱氢化学反应。本发明不仅能充分利用氢能转化装置自身的热量，减少冷却水的用量，而且可大大减小设备空间，并且不需要额外是用其他的导热介质，减少可能产生的污染。

Description

一种氢能源转化装置中热利用系统
技术领域
本发明涉及有机液态储氢技术领域，特别涉及一种氢能源转化装置中的热能利用系统。
背景技术
氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车及移动装置等领域有着广泛的应用前景。近10年来，美国、欧洲、日本等发达国家以及我国政府部门和企业投入了巨额资金来发展“氢能经济”，在大规模化氢制备、氢燃料电池等领域都有所突破。2015年世界主要汽车厂商（包括上汽）将批量生产氢燃料电池车。据美国能源部和美国工程院的预测，氢燃料电池车将在15年至20年之内取代现有燃油车及混合动力车，在全球汽车市场居主导地位。此外，氢能技术还可用于备用电源、储能、削峰填谷式并网发电及分布式供能、助燃及环境保护等领域。可以预见，当氢能技术迅速完成市场化进程融入人们的生活后，国家的能源危机以及环境压力将得到极大缓解。
氢能技术包括氢的规模制备、储存和运输、高效率使用以及配套基础设施的建设等环节，其中储存和运输,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。如果能够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，能将氢在温和条件下，可控的释放，则可有效地，安全使用氢能。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。以德国为例，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。
中国地质大学（武汉）可持续能源实验室研究团队，在中组部第二批“千人计划”程寒松教授的带领下，在原美国工作基础上，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)、并在自制高效催化剂作用下，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，并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池的气体。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。
发明内容
本发明的目的是将液态氢源材料作为导热介质用于氢能源转化装置中，提供一种既能节省空间，又能充分利用能源的热能利用系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种氢能源转化装置中的热能利用系统，包括：反应釜、缓冲罐、氢能转化装置和换热设备；其中所述反应釜连接缓冲罐，缓冲罐连接氢能转化装置，所述换热设备设置在反应釜和氢能转化装置的外部；所述换热设备中通过液态氢源作为导热介质将氢能转化装置产生的热量传递给反应釜，传送热量后的液态氢源材料进入反应釜进行脱氢化学反应。
所述液态储氢载体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℃
所述反应釜内填充有脱氢催化剂。
所述液态氢源材料在反应釜中进行脱氢反应后产生的氢气进入缓冲罐，产生的液态储氢载体被储存起来。
所述氢能转化装置为氢内燃机。所述氢内燃机和换热装置之间设置有冷却装置。
所述氢能转化装置为氢燃料电池。所述反应釜外部换热设备的外部设置有补热装置。所述补热装置为电加热器、电磁加热器或微波加热器。
由于氢内燃机在工作时可以产生高达400℃的温度，氢燃料电池在工作时也能产生50～100℃的温度，而液态氢源材料进行脱氢反应需要120～250℃。液态氢源材料具有在300℃温度保持性能稳定的特定，因此将液态氢源材料作为导热介质来冷却氢内燃机或氢燃料电池，同时将热量传递给脱氢反应釜，传递热量后的液态氢源材料继续进入反应釜进行脱氢化学反应。
本发明不仅能充分利用氢能转化装置自身的热量，减少冷却水的用量，而且可大大减小设备空间，并且不需要额外使用其他的导热介质，减少可能产生的污染。
附图说明
图1是本发明实施例1热能利用系统的结构示意图。
图2是本发明实施例2热能利用系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的附图和实施例对本发明作进一步的说明。
液态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。
液态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态氢源材料，液态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态储氢载体。液态储氢载体在300℃能保持性能的稳定。
实施例1
如图1所示的氢能源汽车中的热能利用系统，包括反应釜1、缓冲罐2、氢内燃机3、换热设备4和冷却装置5。反应釜连接缓冲罐，缓冲罐连接氢内燃机，换热设备设置在反应釜和氢内燃机的外部，在氢内燃机和换热装置之间设置有冷却装置，冷却装置将氢内燃机外部的温度降到300℃左右。
液态氢源材料通过管道进入换热设备，在换热设备中液态氢源作为导热介质将氢内燃机产生的热量传递给反应釜，传送热量后仍然保有相当高温度的液态氢源材料进入反应釜进行脱氢化学反应，反应釜内填充有脱氢催化剂，液态氢源材料在反应釜中进行脱氢反应后产生的氢气和液态储氢载体，氢气进入缓冲罐，产生的液态储氢载体被储存起来，缓冲罐内的氢气被送入氢内燃机进行氢能到机械能的转化。
实施例2
如图2所示的氢能源汽车中的热能利用系统，包括反应釜1、缓冲罐2、氢燃料电池6、换热设备4和电加热器7。反应釜连接缓冲罐，缓冲罐连接氢燃料电池，换热设备设置在反应釜和氢内燃机的外部，在反应釜外部换热设备的外部设置有电加热器。
换热设备中通过液态氢源作为导热介质将氢燃料电池产生的热量传递给反应釜，由于氢燃料电池产生的热量较少，不足以满足反应釜所需温度，在反应釜外部换热设备的外部设置有电加热器进行补热，使反应釜达到反应所需的120～250℃。传送热量后仍然保有相当高温度的液态氢源材料进入反应釜进行脱氢化学反应，反应釜内填充有脱氢催化剂，液态氢源材料在反应釜中进行脱氢反应后产生的氢气和液态储氢载体，氢气进入缓冲罐，产生的液态储氢载体被储存起来，缓冲罐内的氢气被送入氢燃料电池进行氢能到电能的转化。
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 (7)

1.一种氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于包括：反应釜、缓冲罐、氢能转化装置和换热设备；其中所述反应釜连接缓冲罐，缓冲罐连接氢能转化装置，所述换热设备设置在反应釜和氢能转化装置的外部；所述换热设备中通过液态氢源作为导热介质将氢能转化装置产生的热量传递给反应釜，传送热量后的液态氢源材料进入反应釜进行脱氢化学反应；
所述液态氢源材料在反应釜中进行脱氢反应后产生的氢气进入缓冲罐，产生的液态储氢载体被储存起来；
所述液态储氢载体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℃。
2.根据权利要求1所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述反应釜内填充有脱氢催化剂。
3.根据权利要求1所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述氢能转化装置为氢内燃机。
4.根据权利要求3所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述氢内燃机和换热装置之间设置有冷却装置。
5.根据权利要求1所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述氢能转化装置为氢燃料电池。
6.根据权利要求5所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述反应釜外部换热设备的外部设置有补热装置。
7.根据权利要求6所述的氢能源转化装置中的热能利用系统，其特征在于：所述补热装置为电加热器、电磁加热器或微波加热器。
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