CN104975988B - 一种用于氢内燃机的液态储氢材料的供氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氢内燃机的液态氢源材料的供氢系统，包括：用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储氢罐；用于将液态氢源材料脱氢的反应釜；用于储存氢气的缓冲罐；用于储存氧气的储氧罐；用于将氢内燃机产生的热量传送给反应釜的换热装置；储氢设备通过泵将液态氢源材料输入反应釜，在反应釜内进行液态氢源材料的脱氢反应，反应产生的氢气被输送到缓冲罐，同时将脱氢后产生的液态储氢载体输送回储氢罐，缓冲罐内的氢气和储氧罐内的氧气按比例进入氢内燃机。本申请提供的用于氢内燃机汽车的常温常压液态氢源材料的脱氢系统，首次提出了将常温常压下的液态氢源材料脱氢释放的氢气直接进入氢内燃机系统的储氢与氢内燃机一体化技术，使之仅用80升有机载体产生的氢气可供普通轿车跑500公里，从而大幅降低未来氢能规模利用的成本。

Description

一种用于氢内燃机的液态储氢材料的供氢系统

技术领域

本发明涉及有机液态储氢技术领域，特别涉及一种用于氢内燃机的液态储氢材料的供氢系统。

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。本项目首次提出了将常温常压下的液态储氢材料脱氢释放的氢气直接进入燃料电池或内燃机系统的储氢与燃料电池或内燃机一体化技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于氢内燃机的液态储氢系统，将常温常压下的液态氢源材料脱氢释放的氢气直接进入内燃机系统的储氢与内燃机一体化技术。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于氢内燃机的液态氢源材料的供氢系统，包括：

用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储氢罐；

用于将液态氢源材料脱氢的反应釜；

用于储存氢气的缓冲罐；

用于储存氧气的储氧罐；

用于将氢内燃机产生的热量传送给反应釜的换热装置；

通过泵将液态氢源材料经输入管输入反应釜，在反应釜内进行液态氢源材料的脱氢反应，反应产生的氢气被输送到缓冲罐，同时将脱氢后产生的液态储氢载体输送回储氢罐，缓冲罐内的氢气和储氧罐内的氧气按比例进入氢内燃机。

所述储氢罐设置有分别存放液态氢源材料和液态储氢载体的空间，两个空间之间以活动隔板相连。

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℃。

所述反应釜为板式或列管式。所述反应釜内填充有脱氢催化剂。

在所述反应釜和缓冲罐之间设置有用于将液态储氢载体与氢气分离的气液分离装置。

所述换热装置包括设置在氢内燃机外部的散热器和设置在反应釜的外部的加热器。所述散热器和加热器之间通过管路相连，通过导热介质冷却氢内燃机并加热反应釜。

所述储氢罐连接输入管，输入管外部设置有预热装置。

所述储氢罐连接散热器，加热器连接输入管，所述导热介质为液态氢源材料。所述氢内燃机和散热器之间设置有冷却装置。

所述进入氢内燃机的氢气和氧气的体积比为1：8。

液态氢源材料通过泵输入反应釜后，经过脱氢催化剂的作用产生氢气进入缓冲罐，同时将脱氢后产生的液态储氢载体输送回储氢罐，缓冲罐内的氢气和储氧罐内的氧气按1：8的比例进入氢内燃机进行化学能到机械能的转化，氢内燃机产生的高温被换热装置传送给反应釜以供反应釜所需热量。

本申请提供的用于氢内燃机的液态氢源材料的供氢系统，由于液态氢源材料单位体积可以提供的氢气量高于高压储氢技术和固体储氢技术，因此可以大大减小储存液态氢源材料的空间，因而可在汽车、火车、船等领域应用时，可以留有足够的空间加装氧气罐。在现有技术使用氢内燃机的氢能源汽车上，由于没有足够的空间加装氧气罐，氢内燃机内部氢气直接和空气中的氧气进行反应，空气中的氮气，在高温下和氧气反应产生氮氧化合物，氮氧化合物是致癌物质。尤其是在高原地区，空气中的含氧量较低，较易产生氮氧化合物。而本发明采用直接氧气进入氢内燃机进行反应，不会产生氮氧化合物，不需要加装尾气处理装置，大大节省了成本，更加节能环保。

此外，内燃机工作过程中有很多能量以热量的形式释放，工作温度可达400℃以上，目前的汽油、柴油内和燃气内燃机都是通过冷却系统将热量带走，然后散热浪费掉。而由于脱氢反应是一个吸热过程，反应温度在120~250℃，而内燃机释放的热量可以通过换热系统，特别是用氢源材料本身做为冷凝剂，加以利用，整个过程起到了冷却和提高能源利用率的效果。

首次提出了将常温常压下的液态氢源材料脱氢释放的氢气直接进入氢内燃机系统的储氢与氢内燃机一体化技术，使之仅用80升有机载体产生的氢气可供普通轿车跑500公里，从而大幅降低未来氢能规模利用的成本。

附图说明

图1是本发明实施例1供氢系统的结构示意图。

图2是本发明实施例2供氢系统的结构示意图。

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。

实施例1

从图1可以看出，用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储氢罐设置有分别存放液态氢源材料和液态储氢载体的空间：第一存放室1和第二存放室2，两个存放室之间隔以活动隔板3。第一和第二存放室各设置有输入口和输出口，第一存放室的输出口设置有泵4，通过泵的运转，液态氢源材料经输入管被输入反应釜5。反应釜采用板式反应釜，内部填充有脱氢催化剂。

连接泵和反应釜的输入管外部设置有预热装置6，预热装置采用电加热器，将输入反应釜的液态氢源材料预热至150℃。

液态氢源材料在反应釜中被催化分解，液态储氢载体被输送回储氢罐存放液态储氢载体的第二存放室。由于两个存放室之间隔以活动隔板，在当液态氢源材料被输出后，第一存放室的空间减小，而第二存放室的空间增大，可以用于存放输送回来的液态储氢载体，有利于节省空间。在液态氢源材料被脱氢生成液态储氢载体后，可以通过第二存放室的输出口抽出液态储氢载体，同时向第一存放室的输入口灌入液态氢源材料。

反应釜中产生的氢气被输送到缓冲罐7，然后进入氢内燃机8，同时通过泵按1：8体积比向氢内燃机输入氢气和储氧罐9内的氧气，氢气和氧气在氢内燃机内进行化学能到机械能的转化，带动汽车或者或者或者船等交通设备的运转。氢内燃机会产生400℃左右的高温，而反应釜需要120～250℃的温度才能维持液态氢源材料进行脱氢反应，因此在氢内燃机和反应釜外部设置有换热装置：设置在氢内燃机外部的散热器10和设置在反应釜的外部的加热器11。散热器和加热器之间通过管路相连，导热介质冷却氢内燃机并加热反应釜。通过热交换，可以充分利用氢内燃机产生的热能。在管路上设置有泵保证导热介质在散热器和加热器之间的流动。

实施例2

从图2可以看出，用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储氢罐设置有分别存放液态氢源材料和液态储氢载体的空间：第一存放室1和第二存放室2，两个存放室之间隔以活动隔板3。第一和第二存放室各设置有输入口和输出口，第一存放室的输出口设置有泵4，通过泵的运转，液态氢源材料被输入到设置在氢内燃机外部的散热器11的管道内，设置在反应釜的外部的加热器12和散热器之间通过管路相连，液态氢源材料通过热交换冷却氢内燃机并加热反应釜，最后通过输入管进入反应釜5。

反应釜采用列管式反应釜，内部填充有脱氢催化剂。液态氢源材料在反应釜中被催化分解，产物被送入气液分离装置7里进行分离为氢气和液态储氢载体，液态储氢载体被输送回储氢罐存放液态储氢载体的第二存放室。气液分离装置将氢气输送到缓冲罐8，然后进入氢内燃机9，同时通过泵按1：8体积比向氢内燃机输入氢气和储氧罐10内的氧气，氢气和氧气在氢内燃机内进行化学能到机械能的转化，带动汽车或者或者或者船等交通设备的运转。

将供氢系统运用在小型汽车上，储氢罐的体积为60~100L，即可提供4.5~5.8kg的氢气，可以小型汽车行驶500公里。

将供氢系统运用在卡车上，储氢罐的体积为150~250L，即可提供11.3~14.5kg的氢气，可使卡车行驶500公里。

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)

1.一种用于氢内燃机的液态氢源材料的供氢系统，其特征在于包括：

用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储氢罐；

用于将液态氢源材料脱氢的反应釜；

用于储存氢气的缓冲罐；

用于储存氧气的储氧罐；

用于将氢内燃机产生的热量传送给反应釜的换热装置；

所述换热装置包括设置在氢内燃机外部的散热器和设置在反应釜的外部的加热器；

所述散热器和加热器之间通过管路相连，通过导热介质冷却氢内燃机并加热反应釜；

所述储氢罐连接散热器，加热器连接输入管，所述导热介质为液态氢源材料；所述氢内燃机和散热器之间设置有冷却装置；

通过泵将液态氢源材料经散热器、加热器、输入管输入反应釜，在反应釜内进行液态氢源材料的脱氢反应，反应产生的氢气被输送到缓冲罐，同时将脱氢后产生的液态储氢载体输送回储氢罐，缓冲罐内的氢气和储氧罐内的氧气按比例进入氢内燃机。

2.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于：所述储氢罐设置有分别存放液态氢源材料和液态储氢载体的空间，两个空间之间以活动隔板相连。

3.根据权利要求2所述的供氢系统，其特征在于：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℃。

4.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于：所述反应釜为板式或列管式。

5.根据权利要求4所述的供氢系统，其特征在于：所述反应釜内填充有脱氢催化剂。

6.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于：在所述反应釜和缓冲罐之间设置有用于将液态储氢载体与氢气分离的气液分离装置。

7.根据权利要求1所述的供氢系统，其特征在于：所述进入氢内燃机的氢气和氧气的体积比为1：8。