CN112174089B - 一种用于密闭环境的有机液体供氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，包括储料单元、水解制氢单元、有机液体脱氢单元和产物处理单元，水解制氢单元以金属氢化合物和水为原料，经水解制备氢气与水蒸气的混合气，氧气与混合气进入有机液体脱氢单元发生安全催化燃烧反应，有机液体在一定温度下发生催化脱氢反应，燃烧尾气水蒸气在产物处理单元经冷却后循环使用；本系统采用氢气与水蒸气的混合气作为燃料，水蒸气作为惰性气体能够降低氢氧反应速率，确保系统安全，具有无需外界供热、储氢密度高、安全可靠、无副产物气体排放等优点，适用于密闭环境，如水下航行器、深海装备等。

Description

一种用于密闭环境的有机液体供氢系统
技术领域
本发明属于储氢技术领域，尤其涉及一种密闭环境中有机液体脱氢与燃料电池供氢系统。
背景技术
密闭环境作为一种较为特殊的环境条件，常见于水下航行器、深海装备等，具有空间有限、环境封闭、氧气稀缺等较为显著的技术特性。相对于常见敞开体系，密闭环境对动力与能源装置的能量密度和尾气排放均提出了更高要求。燃料电池是一种以氢气为燃料，以纯氧为氧化剂，氢气和氧气经电化学反应而产生电能的发电装置，是密闭环境中电源的理想方案之一。其中氧源以液氧罐提供，技术已经非常成熟，而氢源仍存在储氢密度低的技术难题。
目前储氢技术中高压气态储存和低温液态储存是主流方式。但高压气态储存的主要缺点是储氢密度较低，储氢量很难大幅度提高。低温液态储存损耗率每天为1%～2%，不适用于间歇使用的场合。此外合金储氢的主要问题是合金密度大，质量储氢密度极低；水解制氢反应剧烈，放大设计存在极大难度。有机液体储氢是目前适用于密闭环境的理想方案之一，有机液体质量储氢密度一般大于6%，在催化剂的作用下，分解成氢气与有机液体载体，经气液分离后氢气对外输送，有机液体载体作为液体回收。
有机液体储氢的应用也存在尚未完全解决的难题，关键问题之一是脱氢温度较高，一般在160℃以上，燃料电池系统内余热无法满足能量需求，需增加供热装置。电加热脱氢显然不适用密闭环境，最佳加热方式为氢氧催化燃烧。主要原因为氢气热值较高，且燃烧产物为水，方便收集。但氢氧催化燃烧反应存在反应速率高（1/1000秒），热流密度大（108W/㎡）等特点，一旦不能及时移走热量，存在爆炸的安全隐患。
为了提高氢氧反应的安全性，一般在氢氧反应中引入惰性气体稀释氢气与氧气的浓度。水蒸气经冷凝后转变成液态水，方便收集，特别适用于密闭环境。而水蒸气具有热值高的特点，获得一定量的水蒸气需要消耗大量的能量，因此该技术的关键是如何获得水蒸气与氢气的混合气。
发明内容
本发明旨在提供一种有机液体脱氢供氢系统，以解决密闭环境中安全可靠供氢难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，包括顺序连接的储料单元、水解制氢单元、有机液体脱氢单元和产物处理单元；所述的储料单元包括分别连接水解制氢单元和产物处理单元的水罐、连接水解制氢单元的金属氢化物储罐、连接有机液体脱氢单元的液氧罐和有机液体罐，以及连接产物处理单元的有机液体载体储罐；所述的水罐中盛放参与水解制氢反应的去离子水，水质要求电阻率≥18MΩ；所述的金属氢化物储罐中装有金属氢化物材料；所述的液氧罐采用立式形式，由内胆、保温层和外壳组成；所述的水解制氢单元由内部有蜂窝结构催化板的水解反应器和泵阀组成，内通过水与金属氢化物储罐中的金属氢化物在催化剂的作用发生水解制氢反应，为有机液体脱氢单元提供含水蒸气的燃料氢气，作为催化燃烧的燃料；所述的有机液体脱氢单元由带脱氢腔和燃烧腔的板翅式脱氢反应器以及板翅式换热器和泵阀组成，内通过含水蒸气的氢气与液氧罐中的纯氧反应，对有机液体罐中的有机液体加热，发生有机液体的催化脱氢反应，热源来自氢气氧气的催化燃烧；所述的产物处理单元由板翅式换热器以及冷凝器和立式丝网气液分离器组成，用于将有机液体脱氢单元氢氧反应排放的燃烧烟气冷凝成水加以循环使用。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其有机液体为不饱和芳香烃或杂环化合物，包括N-乙基咔唑、甲苯、二苄基甲苯等，根据硼氢化钠、氢化镁、氢化钙等性质特点，决定是否需要配成溶液。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其金属氢化物包括硼氢化钠、氢化镁、氢化钙等。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其水解制氢单元通过调节水与金属氢化的摩尔比控制氢气与水蒸气的比例。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其有机液体脱氢单元内有机液体催化脱氢反应的空速为0.7～2.0h-1；氢气与氧气的催化燃烧是在氢氧反应化学计量比的条件下进行，空速10000～20000h-1，控制燃烧尾气的温度为280～500℃，水蒸气作为惰性气体降低氢氧反应速率，确保反应安全进行。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其脱氢催化剂为Pd/Al2O3贵金属催化剂，其中Pd质量含量为1.0～2.0%，粒径1～2mm。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其燃烧催化剂为Pt/Al2O3贵金属催化剂，其中Pt质量含量为0.5～1.0%，粒径2～3mm。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其水解反应器以316L不锈钢为外壳，蜂窝孔径控制在1mm以下，孔隙率≥80%，通过调节加入水量调控反应温度，从而得到不同比例的氢气与水蒸气的混合气。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其换热器采用热导率高的铝合金或铜合金钎焊焊接制成，用于有机液体预热。
所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其水罐、金属氢化物储罐、液氧罐、有机液体罐和有机液体载体储罐均为316L不锈钢材质。
本发明的有益效果是：本发明通过金属氢化物水解得到含有水蒸气的氢气，通过水与金属氢化的比例调节水蒸气含量，氢气、水蒸气和氧气发生氧化反应，在惰性气体水蒸气的稀释作用下，使得氢氧催化燃烧在低温（≤500℃）的条件下安全稳定的进行，水解热与氢氧燃烧热用于加热有机液体脱氢。
本发明中的供氢系统存在无需外界供热、储氢密度高、安全可靠、无副产物气体排放的优点，十分适用于密闭环境。
本发明提供了用于密闭环境的有机液体供氢系统，具有无需外界供热、储氢密度高、安全可靠、无副产物气体排放的优点，适用于密闭环境，如水下航行器、深海装备等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
各附图标记为：1—储料单元，11—水罐，12—金属氢化物储罐，13—液氧罐，14—有机液体罐，15—有机液体载体储罐，2—水解制氢单元，3—有机液体脱氢单元，4—产物处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，实施例如下：
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，包括顺序连接的储料单元1、水解制氢单元2、有机液体脱氢单元3和产物处理单元4。
所述的储料单元1包括分别连接水解制氢单元2和产物处理单元4的水罐11、连接水解制氢单元2的金属氢化物储罐12、连接有机液体脱氢单元3的液氧罐13和有机液体罐14，以及连接产物处理单元4的有机液体载体储罐15；所述的水罐11中盛放参与水解制氢反应的去离子水，水质要求电阻率≥18MΩ；所述的金属氢化物储罐12中装有金属氢化物材料；所述的液氧罐13采用立式形式，由内胆、保温层和外壳组成。
所述的水解制氢单元2由内部有蜂窝结构催化板的水解反应器和泵阀组成，内通过水与金属氢化物储罐12中的金属氢化物在催化剂的作用发生水解制氢反应，为有机液体脱氢单元3提供含水蒸气的燃料氢气，即氢气与水蒸气的混合气，作为催化燃烧的燃料，水解制氢单元2通过调节水与金属氢化的摩尔比控制氢气与水蒸气的比例；水解反应器以316L不锈钢为外壳，蜂窝孔径控制在1mm以下，孔隙率≥80%。通过调节加入水量调控反应温度，从而得到不同比例的氢气与水蒸气的混合气；其中金属氢化物包括硼氢化钠、氢化镁、氢化钙等。
所述的有机液体脱氢单元3由带脱氢腔和燃烧腔的板翅式脱氢反应器分别装填催化剂以及板翅式换热器和泵阀组成，内通过含水蒸气的氢气与液氧罐13中的纯氧反应，对有机液体罐14中的有机液体加热，发生有机液体的催化脱氢反应，热源来自氢气氧气的催化燃烧；有机液体脱氢单元3内有机液体催化脱氢反应的空速为0.7～2.0h-1；氢气与氧气的催化燃烧是在氢氧反应化学计量比的条件下进行，空速10000～20000h-1，控制燃烧尾气的温度为280～500℃，水蒸气作为惰性气体降低氢氧反应速率，确保反应安全进行。其中有机液体为不饱和芳香烃或杂环化合物，包括N-乙基咔唑、甲苯、二苄基甲苯等，根据硼氢化钠、氢化镁、氢化钙等性质特点，决定是否需要配成溶液。其中脱氢催化剂为Pd/Al2O3贵金属催化剂，其中Pd质量含量为1.0～2.0%，粒径1～2mm，燃烧催化剂为Pt/Al2O3贵金属催化剂，其中Pt质量含量为0.5～1.0%，粒径2～3mm。
所述的产物处理单元4由板翅式换热器以及冷凝器和立式丝网气液分离器实现氢气/有机液体的分离组成，用于将有机液体脱氢单元3氢氧反应排放的燃烧烟气水蒸气冷凝成水加以循环使用，所述的换热器采用热导率高的铝合金或铜合金钎焊焊接制成，用于有机液体预热，板翅式换热器具有热效率高、结构紧凑的优点。
本专利的所述的水罐11、金属氢化物储罐12、液氧罐13、有机液体罐14和有机液体载体储罐15均为316L不锈钢材质。
实施例2
启动：水与金属氢化物硼氢化钠按摩尔比为10：1的比例输送至水解制氢单元2，在催化剂的作用下，释放出氢气，反应温度为120℃，氢气与水蒸气摩尔比接近1：1。将氢气与水蒸气的混合气输送至有机液体脱氢单元3，同时输入1/2氢气量的氧气，发生氢氧催化燃烧反应，加热脱氢反应器，当反应器温度高于200℃时，往脱氢反应器内输入全氢化N-乙基咔唑，启动脱氢反应。
运行：氢气、水蒸气和氧气混合气以15000h-1的空速流经催化燃烧腔，有机液体以0.7h-1空速流经脱氢反应腔，通过匹配混合气流量和全氢化N-乙基咔唑流量，控制两者流量比为2.7：1，脱氢腔温度稳定在200℃，全氢化N-乙基咔唑发生脱氢反应生成氢气与N-乙基咔唑。N-乙基咔唑产物将全氢化N-乙基咔唑原料预热至145℃。N-乙基咔唑与氢气混合物进入气液分离器进行气液分离。氢氧燃烧尾气经冷凝器后凝结成液态水。
整个系统对外供氢量为400SL/min匹配40kW级燃料电池进料为689g/min全氢化N-乙基咔唑，71.4g/min氧气，200.9g/min水，42.2g/min硼氢化钠即可实现自热脱氢供氢，系统内储氢材料平均质量储氢密度为4.9%。
实施例3
启动：水与金属氢化物氢化镁按摩尔比为8：1的比例输送至水解制氢单元2，在催化剂的作用下，释放出氢气，反应温度为110℃，氢气与水蒸气摩尔比接近1：3。将氢气与水蒸气的混合气输送至有机液体脱氢单元3，同时输入1/2氢气量的氧气，发生氢氧催化燃烧反应，加热脱氢反应器，当反应器温度高于300℃时，往脱氢反应器内输入甲基环己烷，启动脱氢反应。
运行：氢气、水蒸气和氧气混合气以10000h-1的空速流经催化燃烧腔，甲基环己烷以0.7h-1空速流经脱氢反应腔，通过匹配混合气流量和甲基环己烷流量，控制两者流量比为3.0：1，脱氢腔温度稳定在300℃，甲基环己烷发生脱氢反应生成氢气与甲苯。甲苯将甲基环己烷预热至165℃。甲苯与氢气混合物进入气液分离器进行气液分离。氢氧燃烧尾气经冷凝器后凝结成液态水
整个系统对外供氢量为400SL/min（匹配40kW级燃料电池），进料为620.5g/min甲基环己烷，64.3g/min氧气，289.3g/min水，52.2g/min氢化镁即可实现自热脱氢供氢，系统内储氢材料平均质量储氢密度为5.3%。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于：包括顺序连接的储料单元（1）、水解制氢单元（2）、有机液体脱氢单元（3）和产物处理单元（4）；
所述的储料单元（1）包括分别连接水解制氢单元（2）和产物处理单元（4）的水罐（11）、连接水解制氢单元（2）的金属氢化物储罐（12）、连接有机液体脱氢单元（3）的液氧罐（13）和有机液体罐（14），以及连接产物处理单元（4）的有机液体载体储罐（15）；所述的水罐（11）中盛放去离子水；所述的金属氢化物储罐（12）中装有金属氢化物材料；所述的液氧罐（13）由内胆、保温层和外壳组成；
所述的水解制氢单元（2）由内部有蜂窝结构催化板的水解反应器和泵阀组成，通过水与金属氢化物在催化剂的作用发生水解制氢反应，为有机液体脱氢单元（3）提供含水蒸气的燃料氢气，作为催化燃烧的燃料；
所述的有机液体脱氢单元（3）由带脱氢腔和燃烧腔的板翅式脱氢反应器以及板翅式换热器和泵阀组成，通过含水蒸气的氢气与纯氧反应，对有机液体加热，发生有机液体的催化脱氢反应；
所述的产物处理单元（4）由板翅式换热器以及冷凝器和立式丝网气液分离器组成，用于将有机液体脱氢单元（3）排放的燃烧烟气冷凝成水加以循环使用。
2.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的有机液体为不饱和芳香烃或杂环化合物。
3.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的金属氢化物为硼氢化钠、氢化镁或氢化钙。
4.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的水解制氢单元（2）通过调节水与金属氢化的摩尔比控制氢气与水蒸气的比例。
5.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述有机液体脱氢单元（3）内有机液体催化脱氢反应的空速为0.7～2.0h-1；氢气与氧气的催化燃烧的空速10000～20000h-1，燃烧尾气的温度为280～500℃。
6.根据权利要求5所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的脱氢催化剂为Pd/Al2O3贵金属催化剂，其中Pd质量含量为1.0～2.0%，粒径1～2mm。
7.根据权利要求5所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的燃烧催化剂为Pt/Al2O3贵金属催化剂，其中Pt质量含量为0.5～1.0%，粒径2～3mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的水解反应器以316L不锈钢为外壳，蜂窝孔径1mm以下，孔隙率≥80%。
9.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的换热器采用铝合金或铜合金钎焊焊接制成。
10.根据权利要求1所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其特征在于，所述的水罐（11）、金属氢化物储罐（12）、液氧罐（13）、有机液体罐（14）和有机液体载体储罐（15）均为316L不锈钢材质。
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