CN107324278B - 高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法 - Google Patents

高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法，所述高电压电催化放电反应器包括一绝缘外壳、一载体外壳、一触媒载体和两块PCB板；所述绝缘外壳的外部设有一高压电源输入端，所述高压电源输入端与一穿设于所述绝缘外壳的高压电源线连接；所述载体外壳的外部与所述高压电源线连接；所述触媒载体的内部设有触媒；两块所述PCB板上设有均匀同向排布的放电针，两块所述PCB板分别设于所述触媒载体的两侧，所述放电针的放电尖端朝向所述触媒载体侧。本发明的制氢系统及方法大大降低了制氢成本，不需额外添加电解质材料，适于大规模制氢生产以及氢氧联合生产，且没有氢气爆炸的风险，不会产生臭氧等有毒气体，安全性极高。

Description

高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法。
背景技术
随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大。虽然煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，严重威胁了人类的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球急待解决的任务。而氢能作为21世纪的绿色能源，由于具备电能和热能所没有的可储存性，使它成为最好的可再生能源的载体，也得到世界各国的关注。
氢能的实用化有以下几项技术难题尚待解决：廉价的制氢技术、安全可靠的贮氢和输氢方法、高效率的氢能转换技术、广泛深度的氢能应用方向。当前主要采用的制氢工艺有很多，但同时存在许多问题，例如：天然气重整和煤气化制氢工艺，得到的产品中CO需分离或进一步转化，且后者可能含尘和硫；烃水蒸气重整和烃部分氧化制氢工艺，其缺点是转化温度高，催化剂易失活；烃自热重整、醇水蒸气重整、醇分解和醇自热重整制氢工艺均需高活性和高稳定性的催化剂；氨分解制氢工艺转化温度要求高，原料具毒性；肼分解制氢工艺原料有毒反应易爆等。
等离子体制氢技术是近年来新兴的一项制氢技术。等离子体制氢技术以水蒸气、氨气、碳氢燃料和空气组成的混合气等为原料气，利用原料气通过电弧放电区域时产生的等离子体中的活性自由基(如O-、OH-、O3等)，引发部分氧化反应，生成富氢气体，它被认为是一种高效低成本的富氢气体或氢气的制造方法。但这种通过气相放电制氢的制氢技术也有如下缺点，例如电弧放电有引起氢气爆炸的危险，产气流量小、氢气选择性不高且易带有臭氧等杂质、反应能量效率低等；另外，以碳氢燃料为原料时，在放电过程中会产生碳沉积附着在电极表面，随着放电时间的增加，放电强度逐步变弱，制氢效果大幅降低；这些缺陷极大地限制了等离子体制氢技术的发展。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中传统制氢装置及方法制氢效率较低、成本较高、生产安全性不稳定，以及等离子体制氢技术不防爆、高耗能、易产生有毒杂质气体等问题，提供了一种高电压电催化放电反应器、制氢系统及方法。
本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种高电压电催化放电反应器，其包括一绝缘外壳、一载体外壳、一触媒载体和两块PCB板；所述绝缘外壳具有中空的矩形管式结构，所述绝缘外壳的外部设有一高压电源输入端，所述高压电源输入端与一穿设于所述绝缘外壳的高压电源线连接；所述载体外壳具有中空的矩形管式结构，所述载体外壳套设于所述绝缘外壳的内部，所述载体外壳的外部与所述高压电源线连接；所述触媒载体为两端开放的盒式结构，所述触媒载体套设于所述载体外壳的内部，所述触媒载体的内部设有触媒；两块所述PCB板上设有均匀同向排布的放电针，两块所述PCB板分别设于所述触媒载体的两侧，并夹设于所述触媒载体与所述载体外壳之间，所述放电针的放电尖端朝向所述触媒载体侧。
本发明中，所述绝缘外壳采用本领域常规的耐高温绝缘材料制得。
本发明中，所述载体外壳采用本领域常规的耐高温耐腐蚀材料制得。
本发明中，所述触媒载体采用本领域常规的耐高温导电材料制得，一般为能够导电的金属材料。
本发明中，所述触媒载体的内部较佳地设有若干隔板，以扩大触媒载体的内表面接触面积。
本发明中，所述触媒较佳地涂覆于所述触媒载体的内表面。
本发明中，所述触媒较佳地为光触媒材料或制氢催化剂，更佳地为氧化钛、五氧化二钒、铜基催化剂或镍铝催化剂中的一种或多种；所述铜基催化剂较佳地为铜锌铝催化剂。
本发明中，所述放电针较佳地与其所在侧的所述触媒载体的外表面相垂直。
本发明中，所述放电针的放电尖端较佳地与其所在侧的所述触媒载体的外表面距离为0-5mm。
本发明还提供了一种应用了如上所述的高电压电催化放电反应器的制氢系统，所述制氢系统包括一原料气发生装置和至少一组制氢设备单元；
其中，每组所述制氢设备单元包括一所述高电压电催化放电反应器和一气体分离设备，所述高压电源输入端与负极性高压电源连接，所述气体分离设备包括一缓冲装置、一氢气分离装置和一氧气分离装置；所述高电压电催化放电反应器、所述缓冲装置、所述氢气分离装置和所述氧气分离装置依次连接，所述氢气分离装置的滤出后端和所述氧气分离装置的滤出后端均接地；
当所述制氢设备单元为一组时，所述原料气发生装置与所述高电压电催化放电反应器连接，所述氧气分离装置的滤出前端经接地后与所述原料气发生装置连接，所述原料气发生装置与所述制氢设备单元连接形成一循环通路；
当所述制氢设备单元不止一组时，所述原料气发生装置与第一组所述制氢设备单元中的所述高电压电催化放电反应器连接，前一组所述制氢设备单元中的所述氧气分离装置的滤出前端与后一组所述制氢设备单元中的所述高电压电催化放电反应器连接，最末组所述制氢设备单元中的所述氧气分离装置的滤出前端经接地后与所述原料气发生装置连接，所述原料气发生装置与若干组所述制氢设备单元连接形成一循环通路。
本发明中，所述原料气发生装置较佳地为空气泵或高压水蒸气发生器；
所述空气泵为本领域常规的空气泵，用于将空气作为原料气直接通入所述制氢设备单元；
所述高压水蒸气发生器为本领域常规的高压水蒸气发生器，用于将产生的高压饱和水蒸气作为原料气直接通入所述制氢设备单元。
本发明中，所述负极性高压电源的电压较佳地为1-30万伏。
本发明中，所述高电压电催化放电反应器较佳地以竖直方式设置，所述高电压电催化放电反应器的进气口朝向为向下，所述高电压电催化放电反应器的出气口朝向为向上。
本发明中，所述触媒载体的内部较佳地沿气流通过方向设有若干隔板。
本发明中，所述缓冲装置为本领域常规的缓冲装置，一般为高绝缘性耐高压材料制成的气体缓冲罐或气体缓冲室。
本发明中，所述氢气分离装置和所述氧气分离装置分别独立地较佳地为分子筛、中空纤维膜或超滤膜中的一种。
本发明还提供了一种应用了如上所述的制氢系统的制氢方法，其包括如下步骤：
(1)将所述原料气发生装置产生的原料气通入所述制氢设备单元中，对所述原料气进行微放电；
(2)将所述氢气分离装置分离得到离子态的H-接地后得H2，即可。
本发明中，所述原料气较佳地为空气或高压饱和水蒸气；
所述空气的相对湿度较佳地为20-100％，所述空气的相对湿度越高，所述制氢系统的制氢效率也越高；
所述高压饱和水蒸气的温度较佳地为10-200℃，所述高压饱和水蒸气的压力较佳地为1-3kg/cm2。
本发明中，较佳地在所述步骤(2)后，将所述氧气分离装置分离得到的离子态的O-接地，即得O2。
本发明的制氢方法应用负极性高压电源，经由高电压电催化放电反应器将原料气中的H2O分解为H-、H-、OH-和H2O-，整体带负电性，其中H-与O-两者电性相同，故无化学反应产生，两者能够共存。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明高电压电催化放电反应器采用高电压、低电流的设计，大大降低了耗电费用及相关的操作费用，应用其的制氢系统及方法能够高效生产氢气而不需额外添加电解质材料，非常适合于大规模制氢生产以及氢氧联合生产，经实践证明，本发明的制氢方法每立方米氢气的生产成本只有传统甲醇蒸气重整法的20％，高电压电催化放电反应器的制氢所耗电能仅为等离子体制氢技术的1％，且没有氢气爆炸的风险，不会产生臭氧等有毒气体，安全性极高。
附图说明
图1为本发明实施例1和2中高电压电催化放电反应器的截面结构示意图。
图2为本发明实施例1和2中高电压电催化放电反应器的侧视结构示意图。
图3为本发明实施例1和2中触媒载体及PCB板的结构示意图。
图4为本发明实施例1的制氢系统结构示意图。
图5为本发明实施例2的制氢系统结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
下述实施例中所使用的高电压电催化放电反应器如图1-3所示，其包括一绝缘外壳1、一载体外壳2、一触媒载体3和两块PCB板41和42；所述绝缘外壳1为中空的矩形管式结构，所述绝缘外壳1的外部设有一高压电源输入端5，所述高压电源输入端5与一穿设于所述绝缘外壳1的高压电源线连接；所述载体外壳2为中空的矩形管式结构，所述载体外壳2套设于所述绝缘外壳1的内部，所述载体外壳2的外部与所述高压电源线连接；所述触媒载体3为两端开放的盒式结构，所述触媒载体3套设于所述载体外壳2的内部，所述触媒载体3的内部设有触媒，所述触媒涂覆于所述触媒载体3的内表面；所述PCB板41和42上设有均匀同向排布的放电针6，两块所述PCB板41和42相对地位于所述触媒载体3的两侧并夹设于所述触媒载体3与所述载体外壳2之间，所述放电针6的放电尖端均位于所述触媒载体3侧；所述触媒载体3的内部沿气流通过方向设有若干隔板；所述放电针与其所在侧的所述触媒载体的外表面相垂直，所述放电针的放电尖端与其所在侧的所述触媒载体的外表面距离为0-5mm。
实施例1
如图4所示，一种应用了如上所述的高电压电催化放电反应器的制氢系统，所述制氢系统包括一空气泵11和一制氢设备单元，所述空气泵11与所述制氢设备单元连接形成一循环通路；其中，所述制氢设备单元包括所述高电压电催化放电反应器12和气体分离设备，所述高电压电催化放电反应器12的高压电源输入端与负极性高压电源连接，所述气体分离设备包括缓冲装置13、氢气分离装置14和氧气分离装置15；所述高电压电催化放电反应器12以竖直方式设置，所述高电压电催化放电反应器12的进气口朝向为向下，所述高电压电催化放电反应器12的出气口朝向为向上；所述空气泵11、所述高电压电催化放电反应器12、所述缓冲装置13、所述氢气分离装置14和所述氧气分离装置15依次连接，所述氢气分离装置14的滤出后端和所述氧气分离装置15的滤出后端均接地，所述氧气分离装置15的滤出前端经接地后与所述空气泵11连接；所述氢气分离装置14为分子筛，所述氧气分离装置15为中空纤维膜。
应用实施例1的制氢方法步骤如下：
(1)将所述空气泵11产生的空气通入所述高电压电催化放电反应器12中；
(2)在所述高电压电催化放电反应器12中对所述空气进行微放电，得到离子态的H-、O-、OH-、H2O-；
(3)将上一步骤中得到的所述离子态的H-、O-、OH-和H2O-经所述缓冲装置13通入所述氢气分离装置14，分离得到离子态的H-；再将所述离子态的H-接地后得到H2并收集；
(4)将上一步骤中所述氢气分离装置14的滤出前端得到的离子态的O-、OH-和H2O-通入所述氧气分离装置15，分离得到离子态的O-；将所述离子态的O-接地后得到O2并收集；
(5)将上一步骤中所述氧气分离装置15的滤出前端得到的离子态的OH-和H2O-接地后，得到O2和H2O并通入所述空气泵11循环利用。
其中，所述空气泵11所输送的空气的相对湿度为20-100％，所述负极性高压电源的电压为1-20万伏，根据空气相对湿度调节。
实施例2
如图5所示，一种应用了如上所述的高电压电催化放电反应器的制氢系统，所述制氢系统包括所述高压水蒸气发生器21、第一制氢设备单元和第二制氢设备单元，所述高压水蒸气发生器21与两组所述制氢设备单元连接形成一循环通路；其中，所述第一制氢设备单元包括第一高电压电催化放电反应器221和第一气体分离设备，所述第一气体分离设备包括第一缓冲装置231、第一氢气分离装置241和第一氧气分离装置251；所述第二制氢设备单元包括第二高电压电催化放电反应器222和第二气体分离设备，所述第二气体分离设备包括第二缓冲装置232、第二氢气分离装置242和第二氧气分离装置252，所述第一高电压电催化放电反应器221和第二高电压电催化放电反应器222的高压电源输入端与负极性高压电源连接；所述第一高电压电催化放电反应器221和第二高电压电催化放电反应器222均以竖直方式设置，进气口朝向为向下，出气口朝向为向上；所述高压水蒸气发生器21、所述第一高电压电催化放电反应器221、所述第一缓冲装置231、所述第一氢气分离装置241、所述第一氧气分离装置251、所述第二高电压电催化放电反应器222、所述第二缓冲装置232、所述第二氢气分离装置242和所述第二氧气分离装置252依次连接，所述第一氢气分离装置241的滤出后端、所述第一氧气分离装置251、所述第二氢气分离装置242的滤出后端和所述第二氧气分离装置252的滤出后端均接地，所述第二氧气分离装置252的滤出前端经接地后与所述高压水蒸气发生器21连接；所述第一氢气分离装置241、所述第一氧气分离装置251、所述第二氢气分离装置242和所述第二氧气分离装置252均为超滤膜。
应用实施例2的制氢方法步骤如下：
(1)将所述高压水蒸气发生器21产生的高压饱和水蒸气通入所述第一高电压电催化放电反应器221中；
(2)在所述第一高电压电催化放电反应器221中对所述高压饱和水蒸气进行微放电，得到离子态的H-、O-、OH-、H2O-；
(3)将上一步骤中得到的所述离子态的H-、O-、OH-和H2O-经所述第一缓冲装置231通入所述第一氢气分离装置241，分离得到离子态的H-；再将所述离子态的H-接地后得到H2并收集；
(4)将上一步骤中所述第一氢气分离装置241的滤出前端得到的离子态的O-、OH-和H2O-通入所述第一氧气分离装置251，分离得到离子态的O-；将所述离子态的O-接地后得到O2并收集；
(5)将上一步骤中所述第一氧气分离装置251的滤出前端得到的离子态的OH-和H2O-通入所述第二高电压电催化放电反应器222中，并在所述第二高电压电催化放电反应器22中对所述离子态的OH-和H2O-进行微放电，得到离子态的H-、O-、OH-和H2O-；
(6)将上一步骤中得到的所述离子态的H-、O-、OH-和H2O-经所述第二缓冲装置232通入所述第二氢气分离装置242，分离得到离子态的H-；再将本步骤中得到的所述离子态的H-接地后得到H2并收集；
(7)将上一步骤中通过所述第二氢气分离装置242的滤出前端得到的离子态的O-、OH-和H2O-通入所述第二氧气分离装置252，分离得到离子态的O-；将本步骤中得到的所述离子态的O-接地后得到O2并收集；
(8)将上一步骤中所述第二氧气分离装置252的滤出前端得到的离子态的OH-和H2O-接地后，得到O2和H2O并通入所述高压水蒸气发生器21循环利用。
其中，所述高压水蒸气发生器产生的高压饱和水蒸气的温度为10-200℃，所述高压水蒸气发生器产生的高压饱和水蒸气的压力为1-3kg/cm2，所述负极性高压电源的电压为1-30万伏，根据高压饱和水蒸气的温度与压力进行调节。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种制氢系统，其特征在于，所述制氢系统包括一原料气发生装置和至少一组制氢设备单元；
其中，每组所述制氢设备单元包括一高电压电催化放电反应器和一气体分离设备，所述的高电压电催化放电反应器包括一绝缘外壳、一载体外壳、一触媒载体和两块PCB板；所述绝缘外壳具有中空的矩形管式结构，所述绝缘外壳的外部设有一高压电源输入端，所述高压电源输入端与一穿设于所述绝缘外壳的高压电源线连接；所述载体外壳具有中空的矩形管式结构，所述载体外壳套设于所述绝缘外壳的内部，所述载体外壳的外部与所述高压电源线连接；所述触媒载体为两端开放的盒式结构，所述触媒载体套设于所述载体外壳的内部，所述触媒载体的内部设有触媒；两块所述PCB板上设有均匀同向排布的放电针，两块所述PCB板分别设于所述触媒载体的两侧，并夹设于所述触媒载体与所述载体外壳之间，所述放电针的放电尖端朝向所述触媒载体侧；
所述高压电源输入端与一负极性高压电源连接，所述气体分离设备包括一缓冲装置、一氢气分离装置和一氧气分离装置；
所述高电压电催化放电反应器、所述缓冲装置、所述氢气分离装置和所述氧气分离装置依次连接，所述氢气分离装置的滤出后端和所述氧气分离装置的滤出后端均接地。
2.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述触媒载体的内部设有若干隔板，所述隔板与所述触媒载体中开放的两端平行。
3.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述触媒涂覆于所述触媒载体的内表面上。
4.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述触媒为光触媒材料或制氢催化剂。
5.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述触媒为氧化钛、五氧化二钒、铜基催化剂和镍铝催化剂中的一种或多种。
6.如权利要求5所述的制氢系统，其特征在于，所述铜基催化剂为铜锌铝催化剂。
7.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述放电针与其所在侧的所述触媒载体的外表面相垂直。
8.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，所述放电针的放电尖端与其所在侧的所述触媒载体的外表面的距离为0-5mm。
9.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，当所述制氢设备单元为一组时，所述原料气发生装置与所述高电压电催化放电反应器连接，所述氧气分离装置的滤出前端经接地后与所述原料气发生装置连接，所述原料气发生装置与所述制氢设备单元连接形成一循环通路。
10.如权利要求1所述的制氢系统，其特征在于，当所述制氢设备单元不止一组时，所述原料气发生装置与第一组所述制氢设备单元中的所述高电压电催化放电反应器连接，前一组所述制氢设备单元中的所述氧气分离装置的滤出前端与后一组所述制氢设备单元中的所述高电压电催化放电反应器连接，最末组所述制氢设备单元中的所述氧气分离装置的滤出前端经接地后与所述原料气发生装置连接，所述原料气发生装置与若干组所述制氢设备单元连接形成一循环通路。
11.如权利要求9或10所述的制氢系统，其特征在于，所述原料气发生装置为空气泵或高压水蒸气发生器。
12.如权利要求9或10所述的制氢系统，其特征在于，所述负极性高压电源的电压为1-30万伏。
13.如权利要求9或10所述的制氢系统，其特征在于，所述高电压电催化放电反应器以竖直方式设置，所述高电压电催化放电反应器的进气口朝向为向下，所述高电压电催化放电反应器的出气口朝向为向上。
14.如权利要求9或10所述的制氢系统，其特征在于，所述触媒载体的内部沿气流通过方向设有若干隔板。
15.如权利要求9或10所述的制氢系统，其特征在于，所述氢气分离装置和所述氧气分离装置分别独立地为分子筛、中空纤维膜或超滤膜中的一种。
16.一种制氢方法，其特征在于，其采用如权利要求1-15任一项所述的制氢系统进行，其包括如下步骤：
(1)将所述原料气发生装置产生的原料气通入所述制氢设备单元中，对所述原料气进行微放电；
(2)将所述氢气分离装置分离得到离子态的H-接地后得H2，即可。
17.如权利要求16所述的制氢方法，其特征在于，所述原料气为空气或高压饱和水蒸气。
18.如权利要求17所述的制氢方法，其特征在于，所述空气的相对湿度为20-100％。
19.如权利要求17所述的制氢方法，其特征在于，所述高压饱和水蒸气的温度为10-200℃，所述高压饱和水蒸气的压力为1-3kg/cm2。
20.如权利要求16所述的制氢方法，其特征在于，在所述步骤(2)后，将所述氧气分离装置分离得到的离子态的O-接地，即得O2。
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