CN106148990A - 电化学高压加氢及有机液态储氢装置及储氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学高压加氢及有机液态储氢装置，包括一高压电化学电解水装置和一有机液态高压加氢反应器，高压电化学电解水装置所产生的高压氢气通过高压氢气管直接进入有机液态高压加氢反应器，从而实现在有机载体中加氢。本发明结构简单，维护方便和成本低，不需要高压氢气压缩机，只需增加0.088伏的电压就可以产生100个大气压的氢气。本发明还公开了一种电化学高压加氢及有机液态储氢方法。

Description

电化学高压加氢及有机液态储氢装置及储氢方法
技术领域
本发明涉及一种液态加氢储氢装置，具体涉及一种电化学高压加氢及有机液态储氢装置。本发明还涉及一种电化学高压加氢及有机液态储氢方法。
背景技术
氢能是一种清洁能源，氢与氧反应后的产物是水。随着燃料电池技术的成熟，燃料电池的寿命和成本正在接近市场可以接受的范围。燃料电池在汽车上的应用在今后五年将会有大的发展。燃料电池的可靠性和经济性问题解决后，氢气的储存和运输就成为氢能应用的瓶颈。
目前，氢气储存一般采用高压储氢技术，也就是将氢气压缩到350～700个大气压后进行储存和运输。该技术存在成本高和安全性差的问题。
为此，出现了一种有机液态储氢技术，在催化剂作用下，在20～120个大气压、120～200℃的条件下，将氢加到有机载体中，从而实现对氢的储存。该技术需要使用高压氢压缩机，而氢压缩机的成本高，维修困难，占地大，耗能高，因此其加氢过程必须在工厂中完成，不利于燃料电池的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电化学高压加氢及有机液态储氢装置，它可以实现用电化学方法制氢，并将所产生的高压氢气直接加到有机载体中。
为解决上述技术问题，本发明电化学高压加氢及有机液态储氢装置的技术解决方案为：
包括一高压电化学电解水装置和一有机液态高压加氢反应器，高压电化学电解水装置所产生的高压氢气通过高压氢气管3直接进入有机液态高压加氢反应器，从而实现在有机载体中加氢；高压电化学电解水装置包括封闭的电解池1-1，电解池1-1分为阳极区和阴极区，阳极区和阴极区内分别盛有电解液1-2；阳极区的电解液1-2内插入有阳极1-3，阴极区的电解液1-2内插入有阴极1-4，阳极1-3和阴极1-4伸出电解池1-1并分别通过导线1-5连接电解池电源1-6；电解池电源1-6通过控制器4实现控制，控制器4能够对电解池电源1-6的电解电压进行控制；阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力传感器1-9；压力传感器1-9通过信号线连接控制器4；阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力保险装置；电解池1-1的阳极区连接氧气管1-8，电解池1-1的阴极区连接高压氢气管3的入口端；有机液态高压加氢反应器包括封闭的高压容器2-1，高压容器2-1内盛有含有催化剂的有机储氢溶剂2-2；高压氢气管3的出口端通入高压容器2-1的底部附近；高压容器2-1设置有压力传感器2-6；压力传感器2-6通过信号线连接控制器4；高压容器2-1的顶部分别设置有压力保险装置。
所述压力保险装置包括一管道，管道上设置有一单向阀；压力保险装置的管道连接到室外的开放空间，当压力超过设定的最高值时，气体打开单向阀自动排放到室外开放空间。
所述电解池1-1的阳极区与阴极区之间通过压力平衡管实现连接；压力平衡管内设置有一能够沿管道移动的隔离活塞，隔离活塞将阳极区的电解液1-2与阴极区的电解液1-2隔离开。
所述电解池1-1的阳极区和阴极区之间设置有阳离子膜或阴离子膜。
所述高压氢气管3内设置有气液分离装置；气液分离装置能够防止水或水溶液通过高压氢气管3进入加氢反应器的高压容器。
所述高压氢气管3上设置有一单向阀32。
所述高压氢气管3的出口端设置有一层或多层隔离膜，隔离膜能够防止有机溶液通过高压氢气管3进入电解池1-1。
所述电解池1-1的阳极区和阴极区分别设置有温度传感器1-10；温度传感器1-10通过信号线连接控制器4；和/或所述高压容器2-1设置有温度控制装置2-5，温度控制装置2-5通过信号线连接控制器4；温度控制装置2-5为高压容器2-1提供初始温度并控制其温度处于规定的范围内。
所述电解池1-1和/或高压容器2-1的外壁设置有一水冷温度控制装置，水冷温度控制装置产生的热水连接到家庭热水器，从而将电解水反应产生的热源和/或加氢反应产生的热源加以回收利用。
本发明还提供一种电化学高压加氢及有机液态储氢方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：
第一步，利用水电解制氢技术2H2O＝2H2+O2，在电解池1-1的阴极区产生高压氢气；通过控制器4控制电解池电源1-6的电解电压，使所产生的高压氢气的压力满足规定值；
同时，电解池1-1的阳极区和阴极区的压力传感器1-9采集阳极区和阴极区的压力值并传送给控制器4；
第二步，高压氢气经高压氢气管3进入高压容器2-1中的有机储氢溶剂2-2内，实现对氢气的储存；
同时，高压容器2-1的压力传感器2-6采集高压容器2-1内的压力值并传送给控制器4；
第三步，当高压容器2-1中的气体压力达到设定的最高值时，或者电解池1-1的阳极区或阴极区的气体压力达到设定的最高值时，控制器4断开电解池电源1-6，使电解反应自动停止。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明结构简单，维护方便和成本低，不需要高压氢气压缩机，只需增加0.088伏的过电压就可以产生100个大气压的氢气；使用安全，所产生的氢气直接加入有机储氢液体，留在连接管道的氢气体积非常少，有机储氢液体不是易燃易爆材料，另外还有三重安全保护装置，所以高度安全。本发明操作简便，只要加水，按电源开关，就可以自动运行，一切运行都是自动化。本发明绿色环保，氢气的原料是水，产生的排放物也是水；且有机储氢液体可以重复使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明电化学高压加氢及有机液态储氢装置的示意图；
图2是本发明的高压氢气管的示意图。
图中附图标记说明：
1-1为电解池， 1-2为电解液，
1-3为阳极， 1-4为阴极，
1-5为导线， 1-6为电解池电源，
1-7为离子膜， 1-8为氧气管，
1-9为压力传感器， 1-10为温度传感器，
3为高压氢气管， 4为控制器，
31为气液分离装置， 32为单向阀，
2-1为高压容器， 2-2为有机储氢溶剂和催化剂，
2-3为有机载体入口， 2-4为有机载体出口，
2-5为温度控制装置， 2-6为压力传感器。
具体实施方式
如图1所示，本发明电化学高压加氢及有机液态储氢装置，包括一高压电化学电解水装置和一有机液态高压加氢反应器，高压电化学电解水装置所产生的高压氢气通过高压氢气管3直接进入有机液态高压加氢反应器，从而实现在有机载体中加氢；
高压电化学电解水装置包括封闭的电解池1-1，电解池1-1分为阳极区和阴极区，阳极区和阴极区内盛有电解液1-2；阳极区和阴极区之间设置有离子膜1-7，离子膜1-7可以是阳离子膜或阴离子膜；离子膜只允许离子通过，从而将氧气与氢气隔离；
阳极区的电解液1-2内插入有阳极1-3，阴极区的电解液1-2内插入有阴极1-4，阳极1-3和阴极1-4伸出电解池1-1并分别通过导线1-5连接电解池电源1-6；电解池电源1-6通过控制器4实现控制，控制器4能够对电解池电源1-6的电解电压进行控制；
阳极区与阴极区之间通过压力平衡管实现连接；压力平衡管内设置有一能够沿管道移动的隔离活塞，隔离活塞将阳极区的电解液1-2与阴极区的电解液1-2隔离开；
阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力传感器1-9；压力传感器1-9通过信号线连接控制器4；
阳极区和阴极区的顶部分别设置有温度传感器1-10；温度传感器1-10通过信号线连接控制器4；
阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力保险装置；压力保险装置包括一管道，管道上设置有一单向阀；阳极区和阴极区分别通过压力保险装置的管道连接到室外的开放空间，当阳极区或阴极区内的压力超过设定的最高值时，气体自动排放到室外开放空间；
电解池1-1的阳极区连接氧气管1-8，电解池1-1的阴极区连接高压氢气管3的入口端；
电解池1-1的外壁设置有一水冷温度控制装置，水冷温度控制装置产生的热水可以连接到家庭热水器，从而将电解水反应产生的热源加以回收利用；
有机液态高压加氢反应器包括封闭的高压容器2-1，高压容器2-1内盛有含有催化剂的有机储氢溶剂2-2；高压氢气管3的出口端通入高压容器2-1的底部；
如图2所示，高压氢气管3的入口端上方设置有气液分离装置31，气液分离装置31能够防止水或水溶液通过高压氢气管3进入加氢反应器的高压容器2-1；
高压氢气管3上设置有一单向阀32，单向阀32的导通方向是从电解池1-1至加氢反应器的高压容器2-1；
高压氢气管3的出口端还可以设置有一层或多层隔离膜，隔离膜能够防止有机溶液通过高压氢气管3进入电解池1-1；
阴极1-4产生的氢气经过高压氢气管3的气液分离装置31，然后再经高压氢气管3的出口端通入高压容器2-1的底部附近；
高压容器2-1的顶部设置有有机载体入口2-3，底部设置有有机载体出口2-4；
高压容器2-1的顶部设置有温度控制装置2-5，温度控制装置2-5通过信号线连接控制器4；温度控制装置2-5为高压容器2-1提供初始温度并控制其温度处于规定的范围内；
高压容器2-1的顶部设置有压力传感器2-6；压力传感器2-6通过信号线连接控制器4；
高压容器2-1的顶部分别设置有压力保险装置；压力保险装置包括一管道，管道上设置有一单向阀；高压容器2-1通过压力保险装置的管道连接到室外的开放空间，当高压容器2-1内的压力超过设定的最高值时，气体打开单向阀自动排放到室外开放空间；
高压容器2-1的外壁设置有一水冷温度控制装置，水冷温度控制装置产生的热水可以连接到家庭热水器，从而将加氢反应产生的热源加以回收利用。
本发明电化学高压加氢及有机液态储氢方法，包括以下步骤：
第一步，利用水电解制氢技术2H2O＝2H2+O2，在电解池1-1的阴极区产生高压氢气；通过控制器4控制电解池电源1-6的电解电压，使所产生的高压氢气的压力满足规定值；
同时，电解池1-1的阳极区和阴极区的压力传感器1-9采集阳极区和阴极区的压力值并传送给控制器4；
第二步，高压氢气经高压氢气管3进入高压容器2-1中的有机储氢溶剂2-2内，实现对氢气的储存；
同时，高压容器2-1的压力传感器2-6采集高压容器2-1内的压力值并传送给控制器4；
第三步，当高压容器2-1中的气体压力达到设定的最高值时，或者电解池1-1的阳极区或阴极区的气体压力达到设定的最高值时，控制器4断开电解池电源1-6，使电解反应自动停止。
本发明利用水电解制氢技术2H2O＝2H2+O2，该技术中，所产生的氢气的压力是可以通过电解电压进行控制的，根据能斯特方程，当氧气压力等于氢气压力时，氢气的压力P满足以下公式：
P＝exp(nFE/3RT)＝exp(15474E/T)，
其中，E＝(Ea-Eo)，E是过电压，
Eo是水的标准电解电压，
Ea是电解池的工作电压，
T是绝对温度，
F是法拉第常数，
R是气体常数，
n是电化学反应中的电子转移数；
在室温25度时，当过电压E＝0.088V时，P接近100个大气压。这个结果说明，在水电解制氢过程中，只要增加0.088伏的电解电压就可以实现在有机载体中加氢，不再需要成本高、耗能大的氢压缩机。
需要说明的是，此处的工作电压是理论工作电压，没有包挂克服离子膜电阻、电解液电阻、电极表面电阻等需要的电压，所以在实际应用中工作电压会高于理论计算值。在实际操作中，经常通过电压控制电解电流最后调控氢气的产率。
本发明正是利用上述原理，通过简单有效的装置就可以实现加氢，能够大大节约设备成本、运行及维护费用。
本发明体积小，操作简单，可以作为家庭储氢装置。
本发明能够实现直接从家电、太阳能或风能产生的电中直接产生有机液态氢，作为氢燃料汽车的动力，也可以作为家庭燃料电池紧急备用电源的能源。
本发明也可以直接将氢储存到氢高压罐，作为燃料电池汽车及其他备用电源。
本发明的特点是安全可靠；本发明的安全性有以下三重保险：
第一，电压控制；
本发明通过控制器控制电解池的电源电压作为电解电压，能够直接控制所产生的氢气压力；在设定的电压条件下，当气体压力达到最高值时电解反应能够自动停止；
第二，气体压力控制；
本发明通过三个压力传感器分别监控电解池的阳极区和阴极区以及高压容器的气体压力值，当气体压力超过设定值时切断电源；
第三，压力安全保险；
本发明通过三个压力保险装置分别控制电解池的阳极区和阴极区以及高压容器的气体压力值，当气体压力超过设定值时，气体自动释放到开发空间。
本发明能够将所产生的气体直接加入有机储氢液体，装置内气体体积可以控制到最小，可以小于一升，即使泄露或爆炸也不会产生重大损失；而有机储氢液体不是易燃易爆材料，使用过程中的安全系数大。
本发明使用方便、安全、低成本，容易维护，可移动；可以作为家庭，市区街道使用；也可以在山区，野外通过太阳能、风能及其他可持续能源实现加氢。

Claims (10)

1.一种电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：包括一高压电化学电解水装置和一有机液态高压加氢反应器，高压电化学电解水装置所产生的高压氢气通过高压氢气管直接进入有机液态高压加氢反应器，从而实现在有机载体中加氢；
高压电化学电解水装置包括封闭的电解池，电解池分为阳极区和阴极区，阳极区和阴极区内分别盛有电解液；
阳极区的电解液内插入有阳极，阴极区的电解液内插入有阴极，阳极和阴极伸出电解池并分别通过导线连接电解池电源；电解池电源通过控制器实现控制，控制器能够对电解池电源的电解电压进行控制；
阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力传感器；压力传感器通过信号线连接控制器；
阳极区和阴极区的顶部分别设置有压力保险装置；
电解池的阳极区连接氧气管，电解池的阴极区连接高压氢气管的入口端；
有机液态高压加氢反应器包括封闭的高压容器，高压容器内盛有含有催化剂的有机储氢溶剂；高压氢气管的出口端通入高压容器的底部附近；
高压容器设置有压力传感器；压力传感器通过信号线连接控制器；
高压容器的顶部分别设置有压力保险装置。
2.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述压力保险装置包括一管道，管道上设置有一单向阀；压力保险装置的管道连接到室外的开放空间，当压力超过设定的最高值时，气体打开单向阀自动排放到室外开放空间。
3.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述电解池的阳极区与阴极区之间通过压力平衡管实现连接；压力平衡管内设置有一能够沿管道移动的隔离活塞，隔离活塞将阳极区的电解液与阴极区的电解液隔离开。
4.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述电解池的阳极区和阴极区之间设置有阳离子膜或阴离子膜。
5.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述高压氢气管内设置有气液分离装置；气液分离装置能够防止水或水溶液通过高压氢气管进入加氢反应器的高压容器。
6.根据权利要求1或5所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述高压氢气管上设置有一单向阀。
7.根据权利要求6所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述高压氢气管的出口端设置有一层或多层隔离膜，该隔离膜能够防止有机溶液通过高压氢气管进入电解池。
8.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述电解池的阳极区和阴极区分别设置有温度传感器；温度传感器通过信号线连接控制器；和/或所述高压容器设置有温度控制装置，温度控制装置通过信号线连接控制器；温度控制装置为高压容器提供初始温度并控制其温度处于规定的范围内。
9.根据权利要求1所述的电化学高压加氢及有机液态储氢装置，其特征在于：所述电解池和/或高压容器的外壁设置有一水冷温度控制装置，水冷温度控制装置产生的热水连接到家庭热水器，从而将电解水反应产生的热源和/或加氢反应产生的热源加以回收利用。
10.一种电化学高压加氢及有机液态储氢方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，利用水电解制氢技术2H2O＝2H2+O2，在电解池的阴极区产生高压氢气；通过控制器控制电解池电源的电解电压，使所产生的高压氢气的压力满足规定值；
同时，电解池的阳极区和阴极区的压力传感器采集阳极区和阴极区的压力值并传送给控制器；
第二步，高压氢气经高压氢气管进入高压容器中的有机储氢溶剂内，实现对氢气的储存；
同时，高压容器的压力传感器采集高压容器内的压力值并传送给控制器；
第三步，当高压容器中的气体压力达到设定的最高值时，或者电解池的阳极区或阴极区的气体压力达到设定的最高值时，控制器断开电解池电源，使电解反应自动停止。
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