CN111470473A - 一种氢气发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柴油车氢气发生技术领域，公开了一种氢气发生装置，其包括储氨装置、裂解装置及纯化装置，储氨装置内填充有储氨材料，柴油机的尾气排气管穿设于储氨装置；尾气排气管上设置有排气支路管，排气支路管位于储氨装置的上游，排气支路管连接于裂解装置，裂解装置上设置有排气口；裂解装置内设置有反应炉，反应炉的内壁涂覆有氨催化裂解催化剂，反应炉与储氨装置连接，反应炉的外侧设置有电加热机构；纯化装置连接于反应炉。柴油机的尾气加热储氨材料，使之释放氨气；排气支路内的尾气将反应炉加热至第一预设温度后，电加热机构加热反应炉至第二预设温度，氨气在反应炉内进行催化裂解生成氢气和氮气；纯化装置对混合气体进行纯化。

Description

一种氢气发生装置
技术领域
本发明涉及柴油车氢气发生技术领域，尤其涉及一种氢气发生装置。
背景技术
氢气是一种清洁的燃料，氢能是未来有发展前景的新能源之一。氢的利用主要包括氢的生产、储存和运输、应用三个方面，而氢的储存是其中的关键。氢气储存技术的滞后，限制了氢的大规模应用，特别是交通工具上的应用。目前，应用最多的储氢方式是高压储氢，但主要缺点是高压氢瓶的是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形；另外还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展。同时由于高压压缩储氢容器受限于氢气本身的密度，其储氢量很难大幅度的提高。
为解决上述这些问题，目前采用的最有效方法是选择合适的具有高能量密度的原料催化转化即时产生氢气。氨由于具有高能量密度和重量储氢量，分解只生成氮气和氢气，无CO等有害产物的产生。因此，氨作为氢的载体具有较大的应用前景。传统氨分解制氢技术主要是将液氨经预热器蒸发成气氨，然后在一定温度下，通过填充有催化剂的氨分解炉，氨气即被分解成含氢75％、含氮25％的氢氮混合气。其反应为：
2NH3→3H2+N2—Q(1)
氨分解温度约在650℃-800℃，分解率可达99％以上，分解后的高温混合气经冷却至常温，进入变压吸附系统去除杂质气体。
近年来，基于固体储氨材料的固态SSCR技术在柴油车尾气净化领域得到了很好的应用，该技术能够快速、高效、稳定的为SCR系统提供NH3还原剂，固体储氨装置(1)内储氨材料加热释放氨气，其反应式如下：
Ma(NH3)nXznNH3+MaXz(2)
因此，以固体储氨系统作为氨源，该系统可以提供稳定的氨气气源，通过催化裂解反应制取氢气，为车载燃料电池系统提供燃料，会很好的满足车用燃料电池系统对氢气的需求。这种氢气随用随制的方式很好的解决氢气存储所面临的一系列问题。
美国专利USP7037484B1公开了一种裂解氨气或其它富氢气体制氢气的等离子体反应器。其特征是，等离子体反应器的内部用电介质横隔膜分成两个腔，等离子体由微波发生器产生，微波发生器通过天线向第一腔中发射电磁能，电磁能穿过电介质隔膜在第二个腔中产生等离子体放电，使注入第二个腔的氨气或其它原料分解产生氢气，反应器中没有催化剂介入。此反应器的结构比较复杂。
国际专利申请WO2007119262A2公开了一种用液氨生产氢气和氮气的装置。其特征是，反应器由三个反应腔体构成，氨气在前两个腔体中进行常规热催化分解，在第三个腔体中进行微波等离子体分解。生成的氢气供给碱性燃料电池使用。该装置的工作温度在250～950℃之间。此发明结构复杂，其中热分解氨气在很高温度下进行。
因此，亟需一种氢气发生装置，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气发生装置，其结构简单，而且可以大量产生的氢气，足以满足氢气使用装置的氢气需求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种氢气发生装置，包括：
储氨装置，其内填充有储氨材料，用于储存氨气，柴油机的尾气排气管穿设于所述储氨装置，所述尾气排气管用于加热所述储氨材料以释放氨气；
裂解装置，所述尾气排气管上设置有排气支路管，所述排气支路管位于所述储氨装置的上游，所述排气支路管连接于所述裂解装置，所述裂解装置上设置有排气口；
所述裂解装置内设置有反应炉，所述反应炉的内壁涂覆有氨催化裂解催化剂，所述反应炉与储氨装置连接，所述反应炉的外侧设置有电加热机构；
所述排气支路管内的尾气将所述反应炉加热至第一预设温度后，所述电加热机构开启加热所述反应炉，加热至第二预设温度时，氨气在所述反应炉内进行催化裂解生成氢气和氮气；
纯化装置，其连接于所述反应炉，所述纯化装置用于纯化所述反应炉产生的混合气体。
优选地，还包括排气控制阀，其设置于所述尾气排气管上，且位于所述排气支路管的下游。
优选地，还包括第一截止阀和氨气泵，所述储氨装置与所述反应炉通过氨气输送管连接，所述第一截止阀和所述氨气泵均设置于所述氨气输送管上，所述第一截止阀位于靠近所述储氨装置的一侧。
优选地，还包括第二截止阀，所述反应炉与所述纯化装置通过混合气输送管连接，所述第二截止阀设置于所述混合气输送管上。
优选地，还包括第三截止阀，所述纯化装置上设置有纯化气体输送管，所述第三截止阀设置于所述纯化气体输送管上。
优选地，所述储氨装置上设置有第一温度传感器和压力传感器。
优选地，所述反应炉上设置有第二温度传感器。
优选地，所述混合气输送管的内径是所述氨气输送管的内径的1.1-2.0倍。
优选地，所述第一预设温度为300℃，所述第二预设温度为700℃。
优选地，所述储氨材料为氨合氯化锶、氨合氯化镁、氨合氯化锂和氨合氯化锂中的任意一种或至少两种的组合。
本发明的有益效果：
储氨装置内的储氨材料储存氨气，柴油机的尾气加热储氨材料，使之释放氨气，并输送至反应炉内；排气支路内的尾气将反应炉加热至第一预设温度后，电加热机构开启加热反应炉，加热至第二预设温度时，氨气在反应炉内进行催化裂解生成氢气和氮气；纯化装置对反应炉产生的混合气体进行纯化，使混合气体能够直接供氢气使用装置使用。该装置结构简单，而且可以大量产生的氢气，能够满足氢气使用装置的氢气需求。
附图说明
图1是本发明提供的氢气发生装置的结构示意图。
图中：
1、储氨装置；2、柴油机；21、尾气排气管；22、排气支路管；3、裂解装置；31、反应炉；32、加热机构；33、排气口；
4、纯化装置；5、排气控制阀；6、氨气输送管；7、第一截止阀；8、氨气泵；9、混合气输送管；10、第二截止阀；11、纯化气体输送管；12、第三截止阀；13、第一温度传感器；14、压力传感器；15、第二温度传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例公开了一种氢气发生装置，其包括储氨装置1、裂解装置3、纯化装置4、排气控制阀5、氨气泵8、第一截止阀7、第二截止阀10及第三截止阀12。
储氨装置1为罐状，其内填充有固体的储氨材料，储氨材料用于储存氨气。储氨装置1上设置有第一温度传感器13和压力传感器14，第一温度传感器13用于检测储氨装置1的温度，压力传感器14用于检测储氨装置1内的氨气的压力。储氨材料为氨合氯化锶、氨合氯化镁、氨合氯化锂和氨合氯化锂中的任意一种或至少两种的组合。柴油机2的尾气排气管21穿设于储氨装置1，尾气排气管21用于加热储氨材料，以释放氨气。尾气排气管21上设置有排气支路管22，排气支路管22位于储氨装置1的上游，排气支路管22连接于裂解装置3，裂解装置3上设置有排气口33。排气控制阀5设置于尾气排气管21上，且位于排气支路管22的下游，通过控制排气控制阀5的开合度，来控制是否向穿设于储氨装置1的尾气排气管21通入尾气，以及控制通入的尾气量；以此来控制是否加热储氨装置1内的储氨材料以及控制储氨材料的温度。具体地，排气控制阀5可以在0°至90°范围内翻转任意角度，翻转0°时，排气控制阀5处于关闭状态，即尾气不流经储氨装置1。通过排气控制阀5不同的翻转角度，可以控制流经储氨装置1和氨催化裂解装置3的尾气量。
裂解装置3内设置有反应炉31，反应炉31上设置有第二温度传感器15，用于检测反应炉31的温度。反应炉31的内壁涂覆有氨催化裂解催化剂，内部涂覆有氨催化裂解催化剂，氨催化裂解催化剂为钌(Ru)、铱(Ir)、铂(Pt)贵金属负载型催化剂，或者是铁(Fe)、镍(Ni)过渡金属催化剂，又或者是装填有氧化铝小球负载的金属催化剂，负载金属活性成分选自镍(Ni)、钌(Ru)和铂(Pt)。裂解装置3为不锈钢板围合形成的圆柱形腔体，反应炉31为陶瓷材质管状结构，位于裂解装置3的内部。
反应炉31与储氨装置1连接，具体地，储氨装置1与反应炉31通过氨气输送管6连接，第一截止阀7和氨气泵8均设置于氨气输送管6上，第一截止阀7位于靠近储氨装置1的一侧。尾气排气管21加热储氨材料，加热至第三预设温度(本实施例中优选为60℃)时，便可使储氨材料释放氨气，当第一截止阀7上游的氨气的压力值到达预设压力值(本实施例中优选为2bar)时，第一截止阀7开启。在氨气泵8的作用下将氨气输送至反应炉31内。本实施例中，氨气泵8优选为耐氨气腐蚀的隔膜泵，其气体泵送量为0-400SLPM。
反应炉31的外侧设置有电加热机构32，具体地，电加热机构32为缠绕在反应炉31外侧的电加热丝，电加热丝的功率为2-10kw。排气支路管21内的尾气将反应炉31加热至第一预设温度(本实施例中，第一预设温度为300℃)后，电加热机构32开启加热反应炉31，加热至第二预设温度(本实施例中，第二预设温度为700℃)时，氨气在反应炉31内进行催化裂解生成氢气和氮气。
纯化装置4连接于反应炉31，纯化装置4用于纯化反应炉31产生的混合气体。具体地，反应炉31与纯化装置4通过混合气输送管9连接，第二截止阀10设置于混合气输送管9上。纯化装置4上设置有纯化气体输送管11，第三截止阀12设置于纯化气体输送管11上。
储氨装置1内的储氨材料储存氨气，柴油机2的尾气加热储氨材料，使之释放氨气，并输送至反应炉31内；排气支路内的尾气将反应炉31加热至第一预设温度后，电加热机构32开启加热反应炉31，加热至第二预设温度时，氨气在反应炉31内进行催化裂解生成氢气和氮气；纯化装置4对反应炉31产生的混合气体进行纯化，使混合气体能够直接供氢气使用装置使用。该装置结构简单，而且可以大量产生的氢气，能够满足氢气使用装置的氢气需求。
氨气输送管6、混合气输送管9及纯化气体输送管11均为不锈钢管，其中，混合气输送管9的内径是氨气输送管6的内径的1.1-2.0倍。
该装置的氢气制取的控制方法，柴油机2冷启动后，将排气控制阀5置于关闭状态，尾气无法流经储氨装置1，尾气经排气支路管22流向裂解装置3，并经裂解装置3上的排气口33排出。流经裂解装置3内尾气，加热反应炉31，将反应炉31加热至第一预设温度后，启动电加热机构32，使反应炉31的温度继续上升，并且打开排气控制阀5，使之具有一定的开度，使尾气既能够流经裂解装置3又能够流经储氨装置1，流经储氨装置1的尾气对储氨装置1内储氨材料加热。当储氨材料的温度上升至高于第三预设温度之后，便向外释放氨气，当储氨装置1内的压力值高于预设压力值时，第一截止阀7开启，氨气泵8开始运行，此时反应炉31的温度也上升至了第二预设温度以上，氨气经氨气输送管6进入到反应炉31内，在反应炉31内的催化裂解催化剂的催化下发生裂解反应，生成氮气和氢气。此时氮气和氢气的混合气体的纯度在99％左右，并不能直接供燃料电池使用，产生的混合气体经第二截止阀10和混合气输送管9进入到纯化装置4内，纯化装置4对混合气体进行纯化，具体为除去未反应的少量杂质气体，得到纯度为99.99％的氮气和氢气的混合气体，然后通过第三截止阀12和纯化气体输送管11输送给后续的氢气使用装置。氢气输出量的大小可以通过调节氨气泵8的转速来实现，氮气和氢气的混合气体的输送与否可以通过第二截止阀10和第三截止阀12来进行控制。氢气的需求量按照化学计量比为1.2-2.0泵入氨催化裂解装置3的氨气进行计算。如氢气的需求量为M，则泵入氨催化裂解装置3的氨气量为(1.2*2/3)M。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢气发生装置，其特征在于，包括：
储氨装置(1)，其内填充有储氨材料，用于储存氨气，柴油机(2)的尾气排气管(21)穿设于所述储氨装置(1)，所述尾气排气管(21)用于加热所述储氨材料以释放氨气；
裂解装置(3)，所述尾气排气管(21)上设置有排气支路管(22)，所述排气支路管(22)位于所述储氨装置(1)的上游，所述排气支路管(22)连接于所述裂解装置(3)，所述裂解装置(3)上设置有排气口(33)；
所述裂解装置(3)内设置有反应炉(31)，所述反应炉(31)的内壁涂覆有氨催化裂解催化剂，所述反应炉(31)与所述储氨装置(1)连接，所述反应炉(31)的外侧设置有电加热机构(32)；
所述排气支路管(22)内的尾气将所述反应炉(31)加热至第一预设温度后，所述电加热机构(32)开启加热所述反应炉(31)，加热至第二预设温度时，氨气在所述反应炉(31)内进行催化裂解生成氢气和氮气；
纯化装置(4)，其连接于所述反应炉(31)，所述纯化装置(4)用于纯化所述反应炉(31)产生的混合气体。
2.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，还包括排气控制阀(5)，其设置于所述尾气排气管(21)上，且位于所述排气支路管(22)的下游。
3.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，还包括第一截止阀(7)和氨气泵(8)，所述储氨装置(1)与所述反应炉(31)通过氨气输送管(6)连接，所述第一截止阀(7)和所述氨气泵(8)均设置于所述氨气输送管(6)上，所述第一截止阀(7)位于靠近所述储氨装置(1)的一侧。
4.根据权利要求3所述的氢气发生装置，其特征在于，还包括第二截止阀(10)，所述反应炉(31)与所述纯化装置(4)通过混合气输送管(9)连接，所述第二截止阀(10)设置于所述混合气输送管(9)上。
5.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，还包括第三截止阀(12)，所述纯化装置(4)上设置有纯化气体输送管(11)，所述第三截止阀(12)设置于所述纯化气体输送管(11)上。
6.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，所述储氨装置(1)上设置有第一温度传感器(13)和压力传感器(14)。
7.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，所述反应炉(31)上设置有第二温度传感器(15)。
8.根据权利要求4所述的氢气发生装置，其特征在于，所述混合气输送管(9)的内径是所述氨气输送管(6)的内径的1.1-2.0倍。
9.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，所述第一预设温度为300℃，所述第二预设温度为700℃。
10.根据权利要求1所述的氢气发生装置，其特征在于，所述储氨材料为氨合氯化锶、氨合氯化镁、氨合氯化锂和氨合氯化锂中的任意一种或至少两种的组合。
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