CN104979574A - 一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统，包括：用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储罐；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；用于给反应釜加热的加热装置；氢燃料电池；通过泵将液态氢源材料泵入反应釜，同时将脱氢反应后的液态储氢载体输送回储罐，所述反应釜将液态氢源材料脱氢反应产生的氢气输送到缓冲罐，缓冲罐内的氢气被送进入氢燃料电池。本申请提出基于燃料电池的常温常压液态氢源材料脱氢反应系统，首次提出了将常温常压液态氢源材料在温和条件下发生脱氢反应释放的氢气与氢燃料电池相结合的一体化技术。

Description

一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统
技术领域
本发明涉及一种液态氢源材料脱氢反应供氢系统，特别涉及一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统。
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，可控地释放，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)、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催化层的气体。作为氢的载体，这类储氢载体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液态氢源材料脱氢反应释放的氢气直接进入燃料电池的储氢与燃料电池的一体化技术。
发明内容                                                                                         
本发明的目的是提供一种用于氢燃料电池的液态储氢系统，将常温常压下的液态氢源材料脱氢释放的氢气直接进入氢燃料电池系统的储氢与内燃机一体化技术。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统，包括：
用于储存液体氢源材料和液体储氢载体的储罐；
用于将液体氢源材料脱氢的反应釜，反应釜内填充有脱氢催化剂；
设置在反应釜外部用于加热反应釜的加热装置；
氢燃料电池；
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，将脱氢反应后产生的液态储氢载体输送回储罐，产生的氢气输送到氢燃料电池。
所述产生的氢气在进入氢燃料电池之前储存在缓冲罐里。
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。
所述反应釜供热装置为废热交换器、电加热装置、微波加热装置、电磁加热装置或化学反应供热装置。所述的氢源材料储罐和反应釜之间设置有预热装置。所述储罐内的液体氢源材料通过预热后直接进入反应釜进行脱氢反应。
所述反应釜与加热装置之间设置有导热装置，所述导热装置通过管道连接氢燃料电池外部设置的管道传热设备，所述加热设备和管道传热设备流动的导热介质为储存液体氢源材料。
所述液体氢源材料先进入氢燃料电池外部设置的管道传热设备，将氢燃料电池产生的热量通过导热装置传导给反应釜后，再进入反应釜进行脱氢反应。
反应釜外部的加热装置为电加热装置、微波加热装置或化学反应放热换热装置。为了提高脱氢反应的效率，可以在脱氢反应釜与常温常压液态氢源材料储罐之间设置一个预热装置。经过预热的液态氢源材料进入脱氢反应釜，极大地缩短脱氢反应的时间、提高产生氢气的速度。
脱氢反应加热装置可以是为独立的加热装置。从节约能源和空间的角度，优选组合供热装置，即电池释放出的通过换热装置提供给反应釜，同时增加一个供热装置补充反应釜所需的热量。
在具体应用的过程中，可以在氢燃料电池之前设置一个缓冲罐。以氢燃料电池汽车为例做说明。汽车应用系统需要即时启动运转，即，在氢燃料电池启动之初需要有氢气的供给，而此时脱氢反应才刚刚开始。从汽车发动到氢燃料电池运转，如果没有氢气即时供应，会影响燃料电池的寿命并影响汽车的正常启动。因此，在汽车启动之时，脱氢反应开始之前，如果存在一个过渡性质的氢气供应装置，将解决汽车启动时的氢气供应问题。因此，优先方案是，在脱氢反应出来的氢气进入氢燃料电池之前，设置一个缓冲装置。
所述的常温常压液态氢源材料的储存装置和脱氢后液态储氢载体材料的储罐可以是分开的单独装置单元，也可以是以活动隔板隔开的同一个容器，都能实现本发明的目的。但是，如果用在机动车系统中，从节约机动车空间的角度，优选后者，即常温常压液态氢源材料的储存装置和脱氢后液态储氢载体材料的储存装置为同一储罐，中间以可移动或固定的隔板隔开。
所述的脱氢反应装置为插片式或列管式。如果用在机动车上，从节约机动车空间的角度，脱氢反应装置为插片式，更节约空间。可根据机动车动力的需要，插片的数量可以定制调整。
本申请提供的基于氢燃料电池的常温常压液态氢源材料的脱氢反应系统，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燃料电池一体化技术。
附图说明
图1是本实施例1供氢反应系统的结构示意图。
图2是本实施例2供氢反应系统的结构示意图。
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，基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统，包括：用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储罐、用于将液态氢源材料脱氢的反应釜1、用于储存氢气的缓冲罐2、用于给反应釜加热的加热装置3和氢燃料电池4。
用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储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5和第二存放室6，两个存放室之间隔以活动隔板7。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8，通过泵的运转，液态氢源材料经输入管被输入反应釜。反应釜可以是板式反应釜，内部填充有脱氢催化剂。板式反应釜可以是插片式的，并可以根据汽车排量的需求，相应增加插片数量。
连接泵和反应釜的输入管外部设置有预热装置9，其目的在于提高具体应用过程中，脱氢反应的效率和速度。预热装置可以采用电加热或其他形式，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分解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。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。
反应釜产生的氢气被输送到缓冲罐，然后进入氢燃料电池。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，因此在反应釜外部设置有加热装置，加热装置为电加热器。
储氢设备通过泵将液态氢源材料经输入管输入反应釜，反应釜将液态氢源材料脱氢后产生的氢气输送到缓冲罐，同时将脱氢后产生的液态储氢载体输送回储氢罐，缓冲罐内的氢气被送进入氢燃料电池，化学能转化为电能，电能转为动能带动发动机的运转。
实施例2
由图2可以看出，供氢反应系统包括：用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储罐、用于将液态氢源材料脱氢的反应釜1、用于储存氢气的缓冲罐2、气液分离装置10，加热装置3、导热装置11和氢燃料电池4。
用于储存液态氢源材料和液态储氢载体的储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5和第二存放室6，两个存放室之间隔以活动隔板7。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8，通过泵的运转，液态氢源材料经输入管被输出。反应釜与加热装置之间设置有导热装置，导热装置通过管道连接氢燃料电池外部设置的管道传热设备12，加热设备和管道传热设备流动的导热介质为储存液体氢源材料。
通过泵将液态氢源材料输入氢燃料电池外部设置的管道传热设备，将氢燃料电池产生的热量通过加热装置传导给反应釜后，再进入反应釜进行脱氢反应，反应釜为列管式反应釜，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存放储氢载体的空间。氢气被输送到缓冲罐，然后从缓冲罐输送至氢燃料电池。但由于氢燃料电池的放热在50~100℃，不足以维持反应釜的反应，因此在反应釜外部设置有微波加热装置使反应釜的温度保持在120～250℃。
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 (11)

1.一种基于氢燃料电池的液态氢源材料供氢反应系统，其特征在于包括：
用于储存液体氢源材料和液体储氢载体的储罐；
用于将液体氢源材料脱氢的反应釜，反应釜内填充有脱氢催化剂；
设置在反应釜外部用于加热反应釜的加热装置；
氢燃料电池；
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，将脱氢反应后产生的液态储氢载体输送回储罐，产生的氢气输送到氢燃料电池。
2.根据权利要求1所述的供氢反应系统，其特征在于：所述产生的氢气在进入氢燃料电池之前储存在缓冲罐里。
3.根据权利要求2所述的供氢反应系统，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。
4.根据权利要求1所述的供氢反应系统，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。
5.根据权利要求1所述的供氢反应系统，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℃。
6. 根据权利要求1所述的供氢反应系统，其特征在于：所述反应釜为板式或列管式。
7.根据权利要求1至6任一所述的供氢反应系统，其特征在于：所述反应釜供热装置为废热交换器、电加热装置、微波加热装置、电磁加热装置或化学反应供热装置。
8.根据权利要求7所述的供氢反应系统，其特征在于：所述的氢源材料储罐和反应釜之间设置有预热装置。
9.根据权利要求8所述的供氢反应系统，其特征在于：所述储罐内的液体氢源材料通过预热后直接进入反应釜进行脱氢反应。
10.根据权利要求7所述的供氢反应系统，其特征在于：所述反应釜与加热装置之间设置有导热装置，所述导热装置通过管道连接氢燃料电池外部设置的管道传热设备，所述加热设备和管道传热设备流动的导热介质为储存液体氢源材料。
11.根据权利要求10所述的供氢反应系统，其特征在于：所述液体氢源材料先进入氢燃料电池外部设置的管道传热设备，将氢燃料电池产生的热量通过导热装置传导给反应釜后，再进入反应釜进行脱氢反应。
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