CN114251653A - 一种催化燃烧储放氢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气制备及储存技术领域，特别涉及一种催化燃烧储放氢装置及方法。所述装置包括储放氢反应器以及设置于反应器内的至少一个反应模块；所述反应模块包括催化燃烧腔、储放氢反应腔；所述催化燃烧腔与储放氢反应腔由内向外交替设置，各腔室之间均通过隔板阻隔并相互封闭。本发明提高了氢气储运过程中的效率和安全性，全程绿色无污染，且不需要外加电源进行，大大简化了氢气的储运过程。
Description
技术领域
本发明涉及氢气制备及储存技术领域，特别涉及一种催化燃烧储放氢装置及方法。
背景技术
受能源需求日益增长、化石燃料大量消耗与二氧化碳排放总量快速上升等因素的影响，全球应对气候变化的压力持续增大。在此背景下，全球能源转型较快的发达国家对氢能的发展提出了明确的要求和较高的期望。随着我国“碳达峰”、“碳中和”战略目标的提出，氢能也逐步成为了我国未来能源变革的重要组成部分。
目前我国氢能的使用方式是“大规模制氢-储运加注-使用”的模式，单就运费而言，现阶段“产氢-液化-储运-加注”的模式下每公斤氢气从制备完成到最终送达消费者，其中的运输成本在25元以上，极大的制约了氢气的推广使用。同时，加氢、用氢的安全一直是行业重点关注的话题。如何降低氢气的储运成本同时保证过程的安全性是现阶段氢能使用的主要问题。
储氢合金具有很强的储氢能力，在一定的温度和压力条件下，可以与氢气反应，生成金属氢化物；将这些金属氢化物加热，储存在其中的氢又会释放出来。由于储氢合金都是固体，单位体积储氢密度较高(为同等温度、压力条件下气态氢的1000倍)，该种储氢方式不需要笨重、昂贵的钢瓶，也不需要苛刻的温度和压力条件，还具有较长的循环寿命，是一种简便易行的理想储氢方法，给氢气的普及使用开辟了一条广阔的道路。
中国专利CN214093089U提供了一种固态金属的合金储氢瓶，通过改进瓶体内储氢合金的存放结构，使瓶体内的储氢壳程以及换热壳程得到了合理的布置，氢气进入和释放以及换热介质的流向得到了有效引导。
中国专利CN113090937A提供了一种储氢装置、氢气储运系统及加氢、放氢方法，运输过程中以金属氢化物的状态存储氢气，提高了安全性和氢气的储运效率。
但是目前基于储氢合金的氢气储运过程仍然需要电加热器为储放氢过程供能，储放氢过程中的物质和能量循环未能实现较好的梯级利用，导致了大量的能源浪费。因此，现有的储氢合金的装置的相关技术仍存在可改进之处，需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种催化燃烧辅助的集储氢、制氢功能为一体的装置及储氢放氢方法。以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种储氢放氢装置，所述装置包括储放氢反应器以及设置于反应器内的至少一个反应模块；所述反应模块包括催化燃烧腔、储放氢反应腔；所述催化燃烧腔与储放氢反应腔由内向外交替设置，各腔室之间均通过隔板阻隔并相互封闭。
上述技术方案中，进一步地，所述储放氢反应腔上设置有氢气进气口Ⅰ和氢气出口，所述催化燃烧腔上设置有氢气进气口Ⅱ、氧气/空气进气口、冷却水入口和冷却水出口。
上述技术方案中，进一步地，所述催化燃烧腔内装有催化剂床层。
上述技术方案中，进一步地，所述储放氢反应腔内装有储放氢介质。
上述技术方案中，进一步地，所述储放氢介质为翅片结构，用于增加吸放氢过程的气体接触面积。
述技术方案中，进一步地，所述储放氢介质包括钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。
上述技术方案中，进一步地，所述装置还包括控制系统，所述控制系统包括设置在储放氢反应器内的物料流量控制模块、温度控制模块及压力控制模块，用以实现对反应速率和吸放氢效率的精准控制。
第二方面，本发明提供一种储氢放氢方法，所述方法包括以下步骤：
(1)储氢：将氢气通入储放氢反应腔内，使氢气在储放氢反应腔中与储放氢介质反应，同时将冷却水通入催化燃烧腔；储氢反应结束后，将冷却水全部排出，随后向催化燃烧腔内通入氢气，供后续放氢反应使用；
(2)放氢：向催化燃烧腔通入空气/氧气与以激活催化燃烧反应，保证氢气在混合气体中的体积分数低于4％，随着催化燃烧反应的进行，催化燃烧腔对储放氢反应腔内的储放氢介质进行加热，产出的氢气由储放氢反应腔排出。
当反应需要吸热时，通过氢氧催化燃烧反应为反应提供热量，所得产物为高温水蒸气，可以继续为反应腔供热。当水蒸气的热量完全供给吸热反应时，水蒸气以冷凝水的形式排出。
上述技术方案中，进一步地，催化燃烧反应产生的水蒸气通过多级换热后变成冷凝水由冷却水出口排出。
基于上述技术方案，本发明较现有技术而言的有益效果为：
(1)本发明的一种储氢储氢装置集成了催化燃烧、换热、储氢介质的储放氢反应等多个工序过程，在综合考虑装置内部物质和能量的耦合匹配的前提下，最大限度的提高了传热效率，保证了整个过程的能量利用率；
(2)本发明装置结构紧凑合理，可以实现单位体积内较大的储氢量，提高了氢气的储运效率；
(3)使用该装置可以实现氢气在常温常压下的储存和运输，降低了氢气储运过程中的安全风险；
(4)该储放氢装置的整个使用过程绿色无污染，且其不需要外加电源进行加热，使用更加简便。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，作为本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明储氢放氢装置的俯视图；
图2是本发明储氢放氢装置在充氢时物流流向示意图；
图3是本发明储氢放氢装置在放氢时物流流向示意图；
图中：1-氧气/空气进气口；2-氢气进气口Ⅰ；3-冷却水出口；4-氢气进气口Ⅱ；5-催化燃烧腔；6-储放氢反应腔；7-隔板；8-翅片结构储氢介质；9-冷却水入口；10-氢气出口；11-阀门；12-充氢时冷却水的流向；13-充氢时氢气的流向；14-放氢时氧气的流向；15-放氢时氢气的流向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
一种储氢放氢装置，如图1-3所示，包括储放氢反应器、设置于反应器内的至少一个反应模块及控制系统；
反应模块包括催化燃烧腔5、储放氢反应腔6；催化燃烧腔5与储放氢反应腔6由内向外交替设置，各腔室之间均通过隔板7阻隔并相互封闭；储放氢反应腔6上设置有氢气进气口Ⅰ2和氢气出口10，催化燃烧腔5上设置有氢气进气口Ⅱ4、氧气/空气进气口1、冷却水入口9和冷却水出口3；催化燃烧腔5内装有催化剂床层；储放氢反应腔6内装有翅片结构储放氢介质8，储氢介质为翅片结构能够增加吸放氢过程的气体接触面积。
本发明反应模块横截面形状包括但不限于圆形、矩形和多边形。
控制系统包括设置在储放氢反应器内的物料流量控制模块、温度控制模块及压力控制模块，用以实现对反应速率和吸放氢效率的精准控制。
储放氢介质包括钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。
利用上述装置进行储氢放氢的方法，包括以下步骤：
(1)通过氢气进气口Ⅰ2向储氢反应腔6内通入氢气，并通过控制系统中的物料流量控制模块控制气体的流量，保持氧气/空气进气口1、氢气进气口Ⅱ4、氢气出口10及用于连通催化燃烧腔与储放氢反应腔6的阀门11关闭；
(2)通过冷却水入口9向催化燃烧腔5内注入冷却水，冷却水在催化燃烧腔5中循环后经冷却水出口3流出，此时通入储放氢反应腔6内的氢气开始被翅片结构的储氢介质8吸收，产生的热量由冷却水带走；
(3)储氢反应结束后，将冷却水由冷却水出口3全部排出，，开启阀门11，向催化燃烧腔5中通入氢气，供后续制氢反应使用；
(4)通过氧气/空气进气口1向催化燃烧腔5通入氧气或空气，保证氢气在混合气体中的体积分数低于4％，使其与催化燃烧腔5内少量氢气发生反应，保持冷却水入口9、氢气进气口Ⅰ2关闭，用于连通催化燃烧腔与储放氢反应腔的阀门11开启，此时催化燃烧反应开始进行；
(5)随着催化燃烧反应的进行，催化燃烧腔5的温度开始上升，同时催化燃烧的反应热通过热传导的形式传到储放氢反应腔6，翅片结构储放氢介质8开始放出氢气，其中大部分从氢气出口10排出，少部分通过氢气进气口Ⅱ4进入催化燃烧腔5，及时对反应消耗的氢气进行补充；
(6)催化燃烧后的反应产物水蒸气的热量逐层传递并被储放氢反应腔6吸收，最终通过冷却水出口3排出。
本发明涉及的化学反应式如下：
储氢过程中，储放氢反应腔中进行的是储氢介质M的吸氢反应。
反应式为：
放氢过程中，催化燃烧腔5中主要进行氢氧的催化燃烧反应。
反应式为：2H2+O2→2H2O
储放氢反应腔中主要进行的是储氢介质MHx的分解反应。
反应式为：
储氢介质M包括但不限于钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。
由此可见，本实施例利用集成化的设计将催化燃烧、储放氢反应过程集成为一体，使反应器结构紧凑合理。此外，通过催化燃烧的模式还替代了传统电加热的反应器的结构，将一部分氢气通过催化燃烧的方式为储氢过程供能。催化燃烧腔和储放氢反应腔逐层交替包覆缠绕的设置使吸放热过程得到了最大限度的耦合，极大的提高了传热效率和能量利用率。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种储氢放氢装置，其特征在于，所述装置包括储放氢反应器以及设置于反应器内的至少一个反应模块；所述反应模块包括催化燃烧腔、储放氢反应腔；所述催化燃烧腔与储放氢反应腔由内向外交替设置，各腔室之间均通过隔板阻隔并相互封闭。
2.根据权利要求1所述的储氢放氢装置，其特征在于，所述储放氢反应腔上设置有氢气进气口Ⅰ和氢气出口，所述催化燃烧腔上设置有氢气进气口Ⅱ、氧气/空气进气口、冷却水入口和冷却水出口。
3.根据权利要求1所述的储氢放氢装置，其特征在于，所述催化燃烧腔内装有催化剂床层。
4.根据权利要求1所述的储氢放氢装置，其特征在于，所述储放氢反应腔内装有储放氢介质。
5.根据权利要求1所述的储氢制氢装置，其特征在于，所述储放氢介质为翅片结构。
6.根据权利要求5所述的储氢放氢装置，其特征在于，所述储放氢介质包括钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金。
7.根据权利要求1所述的储氢放氢装置，其特征在于，所述装置还包括控制系统，所述控制系统包括设置在储放氢反应器内的物料流量控制模块、温度控制模块及压力控制模块。
8.一种储氢放氢方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1-7任一项所述装置，所述方法包括以下步骤：
(1)储氢：将氢气通入储放氢反应腔内，使氢气在储放氢反应腔中与储放氢介质反应，同时将冷却水通入催化燃烧腔；储氢反应结束后，将冷却水全部排出，随后向催化燃烧腔内通入氢气，供后续放氢反应使用；
(2)放氢：向催化燃烧腔通入空气/氧气与以激活催化燃烧反应，保证氢气在混合气体中的体积分数低于4％，随着催化燃烧反应的进行，催化燃烧腔对储放氢反应腔内的储放氢介质进行加热，产出的氢气由储放氢反应腔排出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，催化燃烧反应产生的水蒸气通过多级换热后变成冷凝水由冷却水出口排出。
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