CN109161917A - 纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法 - Google Patents

纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法，包括连接电源的直接加氢电解槽、去离子循环系统和液态有机储氢材料循环系统；直接加氢电解槽内依次设置有微孔钛板、电解水催化层、质子交换膜和设置有孔道的新型质子/电子导体催化层；去离子循环系统由温度传感器T1、氧气气液分离器、去离子水箱、水泵、流量传感器F1和压力传感器P1依次相连，温度传感器T1和压力传感器P1分别连接微孔钛板的一端；液态有机储氢材料循环系统由压力传感器P2、氢气气液分离器、液态有机储氢材料存储箱、循环泵、流量传感器F2和温度传感器T2依次相连，温度传感器T2和压力传感器P2分别连接孔道的一端。本发明能耗小、储氢效率高。

Description

纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法
技术领域
本发明属于电解水制氢及液态有机储氢技术领域，具体涉及纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法。
背景技术
目前的电解制氢方式，都是将产生的氢气以高压气态型式搜集起来。传统的制氢与储氢过程是，先制氢产生氢气，而后氢气催化产生氢质子，氢质子再注入到液态有机储氢材料中。不仅制作过程复杂，还极大降低了能源效率，增加更多能耗。目前已有的液态有机储氢加氢技术，都是采用传统的化工反应器，一次性把贫氢液态有机储氢材料、催化剂和氢气加足，等待反应。该方法的缺点是刚开始阶段氢气存储很快，但是随着液态有机储氢材料氢含量浓度的慢慢提升，氢气存储越来越慢，存储效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法，具有储氢效率高和能耗低的特点。
本发明所采用的技术方案是纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置，连接电源的直接加氢电解槽、去离子循环系统和液态有机储氢材料循环系统；
直接加氢电解槽的阳极侧设置有去离子水，阴极侧设置有液态有机储氢材料，直接加氢电解槽从阳极至阴极依次设置有微孔钛板、电解水催化层、质子交换膜和新型质子/电子导体催化层；
微孔钛板与去离子循环系统相连，去离子循环系统由温度传感器T1、氧气气液分离器、去离子水箱、水泵、流量传感器F1和压力传感器P1依次相连，温度传感器T1和压力传感器P1分别连接微孔钛板的一端；
新型质子/电子导体催化层与液态有机储氢材料循环系统相连，液态有机储氢材料循环系统由压力传感器P2、氢气气液分离器、设置有温度传感器C的液态有机储氢材料存储箱、循环泵、流量传感器F2和温度传感器T2依次相连，新型质子/电子导体催化层内设置孔道，温度传感器T2和压力传感器P2分别连接孔道的一个开口。
本发明的特点还在于：
电解水催化层呈设置有多个微孔。
微孔钛板在直接加氢电解槽中发泡呈微孔状的钛板，可通过水和氧气，防止质子交换膜被压力穿破。
温度传感器T1、流量传感器F1、压力传感器P1、压力传感器P2、浓度传感器C、流量传感器F2、温度传感器T2和压力传感器P3均与控制器连接；控制器分别与水泵、循环泵和高压氢气阀相连。
纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：控制器接收温度传感器T1的信号、流量传感器F1的信号、压力传感器P1的信号、压力传感器P2的信号、浓度传感器C的信号、流量传感器F2的信号、温度传感器T2的信号和压力传感器P3的信号；
步骤2：控制器将步骤2接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤3：控制器分别输出转速控制信号Uf1至水泵、转速控制信号Uf2至循环泵、控制信号Uv至高压氢气阀16。
本发明的有益效果如下：
(1)液态有机储氢材料储氢的催化过程可逆，储氢密度高，且能耗小；
(2)本发明装置的储氢效率高，且储氢载体即液态有机储氢材料在储存、运输和维护上安全方便，适合长距离氢能运送；
(3)富氢液态有机储氢材料在常温常压下很稳定，这种液体与石油类似，具有直接利用现有汽油/柴油输送方式及加油站等能源基础设施的优势。
附图说明
图1是本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法的装置结构示意图；
图2是本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法的控制器信号接口图。
图中，1.直接加氢电解槽，2.温度传感器T1，3.氧气气液分离器，4.去离子水箱，5.水泵，6.流量传感器F1，7.压力传感器P1，8.压力传感器P2，9.氢气气液分离器，10.液态有机储氢材料存储箱，11.循环泵，12.浓度传感器C，13.流量传感器F2，14.温度传感器T2，15.电源，16.高压氢气阀，17.压力传感器P3，18.去离子循环系统，19.液态有机储氢材料循环系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法，如图1所示，包括连接电源15的直接加氢电解槽1、去离子循环系统18和液态有机储氢材料循环系统19；直接加氢电解槽1的阳极侧设置有去离子水，阴极侧设置有液态有机储氢材料，直接加氢电解槽1内从阳极至阴极依次设置有微孔钛板、电解水催化层、质子交换膜和新型质子/电子导体催化层；微孔钛板与去离子循环系统18相连，去离子循环系统18由温度传感器T12、氧气气液分离器3、去离子水箱4、水泵5、流量传感器F16和压力传感器P17依次相连，温度传感器T12和压力传感器P17分别连接微孔钛板的一端；
新型质子/电子导体催化层与液态有机储氢材料循环系统19相连，液态有机储氢材料循环系统19由压力传感器P28、设置有压力传感器P317和高压氢气阀16的氢气气液分离器9、设置有温度传感器C12的液态有机储氢材料存储箱10、循环泵11、流量传感器F213和温度传感器T212依次相连，新型质子/电子导体催化层内设置孔道，温度传感器T212和压力传感器P28分别连接孔道的一个开口。
如图2所示，温度传感器T12、流量传感器F16、压力传感器P17、压力传感器P28、浓度传感器C12、流量传感器F213、温度传感器T214和压力传感器P317均与控制器连接；控制器分别与水泵5、循环泵11和高压氢气阀16相连。
本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法中主要部件的作用分别如下：
微孔钛板：直接加氢电解槽1阴极侧释放出氢气来维持LOHC管道的高压状态；直接加氢电解槽1的阴极压力高于阳极压力；质子交换膜及电解水催化层由微孔钛板支撑来抗压，微孔钛板发泡形成微孔，可使水、氧气可以通过，并可防止质子交换膜被压力穿破；
电解水催化层：促进电解去离子水反应，产生氧气和氢质子；
质子交换膜：只允许氢质子穿过，避免液态有机储氢材料储氢过程中有杂质干扰。
本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法，其工作过程如下：
水泵5将去离子水箱4中的去离子水注入直接加氢电解槽1的阳极，循环泵11将液态有机储氢材料存储箱10中的液态有机储氢材料注入直接加氢电解槽1的阴极，打开电源15将直接加氢电解槽1通电；去离子水在直接加氢电解槽1的阳极的电解水催化层分解出氧气和氢质子，氢质子穿过质子交换膜进入新型质子/电子导体催化层，氢质子在直接加氢电解槽1的阴极析出氢气，在氢气形成的高压作用下，氢质子被吸收到液态有机储氢材料形成富氢液态有机储氢材料；直接加氢电解槽1的阴极处富余氢气与富氢液态有机储氢材料混合体在氢气气液分离器9中进行气液分离，富氢液态有机储氢材料回流到液态有机储氢材料存储箱10进入下一次循环；直接加氢电解槽1的阳极处氧气与未分解的去离子水经过氧气气液分离器3进行气液分离后，氧气排放到空气中，液体回流至去离子水箱4进入下一循环；直至由压力传感器P317检测的氢气压力达到阙值后，由控制器输出控制信号Uv至高压氢气阀16，释放氢气气液分离器9中的氢气并收集。
水泵5、循环泵11和高压氢气阀的控制过程分别如下：
水泵5的控制过程为：
水泵5将去离子水抽出经过流量传感器F16与压力传感器P17后注入到直接加氢电解槽1进行电解，控制器依据液态有机储氢材料存储箱10里的浓度传感器C12检测到的氢浓度信号和直接加氢电解槽1的阴极侧的压力传感器P28检测到的压力信号来控制水泵5的转速，从而控制电解水的速度；当液态有机储氢材料存储箱10里的氢浓度较低时，控制器输出控制信号Uf1加大水泵5的转速；当液态有机储氢材料存储箱10里的氢浓度达到要求时，控制器输出控制信号Uf1减小水泵5的转速；当直接加氢电解槽1的阴极侧的氢气压力较小时，控制器维持原控制；当直接加氢电解槽1的阴极侧的氢气压力较大时，控制器输出控制信号Uf1减小水泵5的转速。
循环泵11的控制过程为：
控制器依据液态有机储氢材料存储箱10里的氢浓度信号进而控制循环泵11的转速，从而控制直接加氢电解槽1中的加氢反应速度；当液态有机储氢材料存储箱10里的氢浓度较低时，控制器输出控制信号Uf2加大循环泵11的转速；当液态有机储氢材料存储箱10里的氢浓度达到要求时，控制器输出控制信号Uf2减小循环泵11的转速。
高压氢气阀16的控制过程为：
在直接加氢电解槽1的阴极侧析出的氢气存储在液态有机储氢材料管道里，由控制器通过高压氢气阀16来控制电解槽阴极侧的氢气压力，达到液态有机储氢材料的高压反应条件；当氢气达到阙值时，控制器控制高压氢气阀16释放氢气，再通过外部搜集装置将释放的氢气收集起来。
本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置的控制方法为：
步骤1：控制器接收温度传感器T12的信号、流量传感器F16的信号、压力传感器P17的信号、压力传感器P28的信号、浓度传感器C12的信号、流量传感器F213的信号、温度传感器T214的信号和压力传感器P317的信号；
步骤2：控制器将步骤2接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤3：控制器分别输出转速控制信号Uf1至水泵5、转速控制信号Uf2至循环泵11、控制信号Uv至高压氢气阀16。
本发明纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置及控制方法，其有益效果在于：
1)纯水制氢与直接液态储氢加氢是一体化设计，制备的氢质子可直接注入到液态有机储氢材料里，减少了“氢质子到氢气、氢气再到氢质子、再注入液态有机储氢材料”的常规操作过程，同时也减少了中间氢气存储与氢气催化环节，极大提升了能源效率，也降低了中间能量损耗。
2)本发明中直接加氢电解槽1的阴极侧始终保持高压的氢气环境，使液态有机存储材料在氢气富足环境下加氢，且高压环境有利于氢气的存储速度与效率，在直接加氢电解槽1的阴极侧既可制备富氢液态有机存储材料，又能产生氢气。
3)本发明中采用贫氢液态有机储氢材料注入、富氢液态有机储氢材料导出的循环加氢过程，使直接加氢电解槽1内参与反应的液态有机储氢材料始终保持相对较低氢浓度，提高液态有机储氢材料加氢反应速度，以便充分加氢，提升氢气存储效率。
4)直接加氢电解槽1采用新型结构设计，采用微孔钛板支撑质子交换膜，使其具有高压承受能力，并采用新型质子/电子(一体化)导体催化层，可同时让电子与质子通过。
5)为提升液态有机储氢材料的储氢效率，液态有机储氢材料管道始终控制在高压氢气状态，加速液态有机储氢材料的反应。

Claims (5)

1.纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置，其特征在于，包括连接电源(15)的直接加氢电解槽(1)、去离子循环系统(18)和液态有机储氢材料循环系统(19)；
所述直接加氢电解槽(1)的阳极侧设置有去离子水，阴极侧设置有液态有机储氢材料，所述直接加氢电解槽(1)从阳极至阴极依次设置有微孔钛板、电解水催化层、质子交换膜和新型质子/电子导体催化层；
所述微孔钛板与去离子循环系统(18)相连，所述去离子循环系统(18)由温度传感器T1(2)、氧气气液分离器(3)、去离子水箱(4)、水泵(5)、流量传感器F1(6)和压力传感器P1(7)依次相连，所述温度传感器T1(2)和压力传感器P1(7)分别连接微孔钛板的一端；
所述新型质子/电子导体催化层与液态有机储氢材料循环系统(19)相连，所述液态有机储氢材料循环系统(19)由压力传感器P2(8)、氢气气液分离器(9)、设置有温度传感器C(12)的液态有机储氢材料存储箱(10)、循环泵(11)、流量传感器F2(13)和温度传感器T2(12)依次相连，所述新型质子/电子导体催化层内设置孔道，所述温度传感器T2(12)和压力传感器P2(8)分别连接孔道的一个开口。
2.如权利要求1所述的纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置，其特征在于，所述电解水催化层设置有多个微孔。
3.如权利要求1所述的纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置，其特征在于，所述微孔钛板在直接加氢电解槽(1)中发泡呈微孔状的钛板，可通过水和氧气，防止质子交换膜被压力穿破。
4.如权利要求1所述的纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置，其特征在于，所述温度传感器T1(2)、流量传感器F1(6)、压力传感器P1(7)、压力传感器P2(8)、浓度传感器C(12)、流量传感器F2(13)、温度传感器T2(14)和压力传感器P3(17)均与控制器连接；控制器分别与水泵(5)、循环泵(11)和高压氢气阀(16)相连。
5.如权利要求2-4任意一项所述的纯水制氢与直接液态储氢加氢一体化装置的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：控制器接收温度传感器T1(2)的信号、流量传感器F1(6)的信号、压力传感器P1(7)的信号、压力传感器P2(8)的信号、浓度传感器C(12)的信号、流量传感器F2(13)的信号、温度传感器T2(14)的信号和压力传感器P3(17)的信号；
步骤2：控制器将步骤2接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤3：控制器分别输出转速控制信号Uf1至水泵(5)、转速控制信号Uf2至循环泵(11)、控制信号Uv至高压氢气阀(16)。
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