CN117285005A - 一种等离子体高效制氢装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于制氢技术领域，提供了一种等离子体高效制氢装置及方法，该等离子体高效制氢方法依赖于所述的等离子体高效制氢装置进行实施，包括以下步骤：打开补液口，并注入醇溶液，使醇溶液没过电极。启动高压电源，电压应用于电极之间，随后产生氢气。出气口排出氢气，随后对氢气进行冷凝和纯化处理，最终将处理后的氢气进行收集。相较于现有技术，本发明结合了等离子体放电、催化剂及特定的电极结构，为制氢技术领域带来了新的技术创新和解决方案。

Description

一种等离子体高效制氢装置及方法

技术领域

本发明属于制氢技术领域，尤其涉及一种等离子体高效制氢装置及方法。

背景技术

氢能，由于其卓越的高热值和清洁的燃烧特性，已经逐渐受到全球关注，并被广大科研和产业界认为是未来可替代化石燃料的理想能源。随着全球对清洁能源的日益迫切的需求，氢能作为一种无污染的能源解决方案，其重要性逐步被突显，成为了新能源领域的研究焦点。

目前，氢气的主要生产方法大多数仍然依赖于化石燃料，例如通过催化重整技术。而电解水制氢技术虽然为我们提供了一个较为清洁的制氢路径，但其在能效上仍有待提高。电解水制氢能耗较高，难以突破4kWh/m³H₂。

为此我们提供一种等离子体高效制氢装置及方法。

发明内容

本发明提供一种等离子体高效制氢装置及方法，旨在解决上述背景技术中所提出的问题。

本发明是这样实现的，一种等离子体高效制氢装置，包括反应室、电极和催化剂着床；所述电极有两个且分别伸入所述反应室内，所述催化剂着床设置于所述反应室的内部；所述反应室上设置有补液口和出气口，所述反应室内填充有醇溶液。

可选的，一种等离子体高效制氢装置还包括绝缘套管，所述绝缘套管套设于所述电极的外部，且所述绝缘套管的内壁与所述电极贴合。

可选的，所述绝缘套管材质为陶瓷或聚四氟乙烯。

可选的，所述绝缘套管连通所述电极伸入所述催化剂着床内，所述催化剂着床与所述绝缘套管接触。

可选的，所述催化剂着床为致密多孔结构，所述催化剂着床上负载着析氢催化剂。

可选的，所述催化剂着床为多孔陶瓷、泡沫镍或泡沫铜。

一种等离子体高效制氢方法，该方法依赖于所述的等离子体高效制氢装置进行实施，包括以下步骤：

S1.打开补液口，并注入醇溶液，使醇溶液没过电极。

S2.启动高压电源，电压应用于电极之间，随后产生氢气。

S3.出气口排出氢气，随后对氢气进行冷凝和纯化处理，最终将处理后的氢气进行收集。

可选的，所述电极的放电电压2～15kV，电极间距5～20mm，放电频率500～5000Hz。

本发明所达到的有益效果：

通过结合等离子体技术和特定的催化剂，本发明有效地提高了制氢的效率。与传统的催化重整或电解方法相比，本发明可以在较低的能源输入下实现更高的氢气产出。本发明采用了简洁的操作流程，包括液体注入、放电等离子体生成和氢气收集与处理。这不仅减少了操作中的步骤，还降低了对操作员的技能要求，使得工艺更易于实施。

本发明主要使用甲醇为原料，产生的主要副产品为一氧化碳，其本身也可作为燃料。通过针-针电极结构，实现了高效的放电和氢气生成，降低了设备的制造和运行成本。此外，由于采用了低浓度醇溶液作为原料，进一步降低了原料的成本。

相较于现有技术，本发明结合了等离子体放电、催化剂及特定的电极结构，为制氢技术领域带来了新的技术创新和解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本发明提供的等离子体高效制氢装置的剖视结构示意图；

附图标记如下：

1-反应室、11-补液口、12-出气口、2-电极、21-绝缘套管、3-催化剂着床。

具体实施方式

下面将结合本申请的实施例中的附图，对本申请的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、操作、组件或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤、操作、组件或模块，而是可选的还包括没有列出的步骤、操作、组件或模块，或可选的还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤、操作、组件或模块。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

实施例一

如图1所示，示例性实施例的一种等离子体高效制氢装置，包括反应室1、电极2和催化剂着床3；所述电极2有两个且分别伸入所述反应室1内，所述催化剂着床3设置于所述反应室1的内部；所述反应室1上设置有补液口11和出气口12，所述反应室1内填充有醇溶液。

根据具体的要求，选择适当的醇类型并将其溶解在适当的溶剂中，形成醇溶液。通过反应室1上的补液口11，将准备好的醇溶液倒入反应室1内，直至达到所需的水平。确保两个电极2已经插入到反应室1中，并且它们是没有接触到彼此的。在反应室1的内部，应确保催化剂着床3已经被放置在适当的位置，利用等离子体协同催化反应，加速氢气的生成。通过外部电源为电极2提供电压，当等离子体形成时，醇溶液将开始分解，释放出氢气。由于氢气的产生，反应室内的压力可能会上升。为了安全，可以打开排气口12，以便将氢气安全地引导到外部的收集设备中。醇分解后会导致液面下降从而难以保证液面没过两电极，因此通过补液口11补充醇溶液，以确保液面没过两电极，等离子体直接在液体中引发。可以使用传感器来监测反应室内的气体和液体的状态，同时，也可以监测产出的氢气的纯度和量，以便进行调整。

在本实施例中，电极2放电电压2～15kV，电极间距5～20mm，放电频率500～5000Hz。

作为示例，一种等离子体高效制氢装置还包括绝缘套管21，所述绝缘套管21套设于所述电极2的外部，且所述绝缘套管21的内壁与所述电极2贴合。

通过为电极2加设绝缘套管21，以减少能量损失，使等离子体在电极尖端产生；此外，还可以防止意外的电接触，提高设备的操作安全性。

作为示例，所述绝缘套管21材质为陶瓷或聚四氟乙烯。选择陶瓷或聚四氟乙烯作为绝缘套管的材料意味着能够确保优良的绝缘性，增强设备的耐用性和安全性。

作为示例，所述绝缘套管21连通所述电极2伸入所述催化剂着床3内，所述催化剂着床3与所述绝缘套管21接触。绝缘套管21和催化剂着床3的接触设计确保了放电过程中产生高热量被负载在催化剂着床3上的催化剂充分利用，提高设备等离子体-催化的整体效率。

作为示例，所述催化剂着床3为致密多孔结构；所述催化剂着床3上负载着析氢催化剂。此致密多孔结构的设计旨在提高催化效率，同时使液体能够源源不断进入等离子体放电区域，使得制氢过程更为高效和稳定。

致密多孔结构是一种具有高度组织性和精细孔洞的物质结构。这种结构在多个科学和工程领域都有广泛的应用，因为它可以提供大的表面积与体积比，以及特定的孔径大小和形状。以下是关于致密多孔结构的详细说明：

这个词描述了结构的整体坚固度和连续性。尽管存在许多孔洞，但这些孔洞是有序和精细的，整体材料还是相对坚硬和紧凑的。在多孔材料中，可以通过特定的合成和处理方法控制孔径的大小，从纳米尺度到微米尺度都有。孔洞可以是球形、管状、蜂窝状或其他各种形状。是指材料中孔洞的体积与整体材料体积的比率。

作为示例，所述催化剂着床3为多孔陶瓷、泡沫镍或泡沫铜。

其中，多孔陶瓷具有良好的热稳定性、化学稳定性和机械强度，而且孔隙率可以通过调整制备条件进行调控。泡沫镍具有高的比表面积、良好的导电性和热导率以及出色的机械性能。泡沫铜结合了铜的良好导电性和导热性与多孔材料的轻质和高比表面积的优点。

一种等离子体高效制氢方法，该方法依赖于所述的等离子体高效制氢装置进行实施，包括以下步骤：

S1.打开补液口，并注入醇溶液，使醇溶液没过电极2。

S2.启动高压电源，电压应用于电极2之间，随后产生氢气。

S3.出气口12排出氢气，随后对氢气进行冷凝和纯化处理，最终将处理后的氢气进行收集。

作为示例，所述高压电源为交流、直流或高频脉冲电源。

作为示例，所述电极2的放电电压2～15kV，电极间距5～20mm，放电频率500～5000Hz。

更具体的说，S1:醇溶液注入：通过补液口11向反应室1内注入醇溶液。反应室已经配备了电极2和催化剂着床3。

醇溶液注入的目的是使液体充分覆盖电极2，从而为接下来的液相放电等离子体生成提供介质。

S2:放电等离子体生成：一旦确保醇溶液正确地填充了反应室1并覆盖了电极2，就可以启动高压电源。电压应用于电极2之间，引发强烈的电场。在高电场作用下，醇溶液中的分子被电离，生成等离子体。醇(如甲醇)在等离子体的作用下发生裂解反应，产生氢气以及其他副产品。同时，催化剂着床3在该过程中利用放电区域产生的高温起到了催化作用，进一步提高了氢气的生成率并降低了其它有害气体的生成。

S3:氢气的收集与处理

生成的氢气从反应室1中上升，并通过出气口12排放出去。

为了确保氢气的纯度，需要对其进行冷凝处理。在此过程中，氢气被冷却，从而使得气体中的不纯物(如水蒸气、醇蒸气和其他副产品)凝结并被分离。

进一步地，纯化处理可以通过变压吸附、膜分离等技术进行，从而确保得到的氢气纯度达到工业标准。

在本实施例中，采用针-针型的电极结构，并确保两电极间的距离为15mm。在进行制氢操作时，设定放电电压为2kV，并且采用了高频放电，频率达到3000Hz。此外，为了提高氢气的生成效率，我们在催化剂着床上负载了Ni催化剂。关于制氢的原料，我们选用了甲醇浓度为75％的水溶液。在这样的条件与配置下，我们成功地实现了氢气的产量达到4.0L/min。

其中，针-针电极结构是一种放电电极配置方式，其中两个电极均为针状。这种结构可以在两针尖之间形成较强的电场，从而更容易产生放电。由于其较小的放电间隙和强大的电场集中，针-针电极结构特别适合于高频率、小间隙放电应用。在等离子体制氢过程中，该结构有助于实现高效的放电和氢气生成。

实施例二

本实施例相对于实施例一，区别在于：采用针-针电极结构，电极距离20mm，放电电压5kV，放电频率3000Hz，催化剂着床负载Ni催化剂，以体积分数75％的甲醇水溶液为原料时，产氢流量达6.5L/min。

实施例三

本实施例相对于实施例一，区别在于：采用针-针电极结构，电极距离20mm，放电电压5kV，放电频率3000Hz，催化剂着床负载Ni-Cu催化剂，以体积分数75％的甲醇水溶液为原料时，产氢流量达8.0L/min。

实施例四

本实施例相对于实施例一，区别在于：采用棒-棒电极结构，电极距离20mm，放电电压5kV，放电频率3000Hz，催化剂着床负载Ni-Cu催化剂，以体积分数75％的甲醇水溶液为原料时，产氢流量达8.5L/min。

其中，棒-棒电极结构”是指两个平行放置的圆柱形电极，而它们之间的空间可以产生电场。这种结构相较于“针-针电极结构”来说，电场分布相对均匀，而不是高度集中。

实施例五

本实施例相对于实施例一，区别在于：采用棒-棒电极结构，电极距离20mm，放电电压5kV，放电频率3000Hz，催化剂着床负载Ni-Cu催化剂，以体积分数50％的乙醇水溶液为原料时，产氢流量达7.6L/min；

实施例六

本实施例相对于实施例一，区别在于：采用棒-棒电极结构，电极距离20mm，放电电压15kV，放电频率3000Hz，催化剂着床负载Ni-Mo催化剂，以体积分数75％的甲醇水溶液为原料时，产氢流量达18.5L/min；

本申请的示例性实施例可相互组合，通过组合而获得的示例性实施例也落入本申请的范围内。

本申请应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

Claims (9)

1.一种等离子体高效制氢装置，其特征在于，包括反应室(1)、电极(2)和催化剂着床(3)；所述电极(2)有两个且分别伸入所述反应室(1)内，所述催化剂着床(3)设置于所述反应室(1)的内部；所述反应室(1)上设置有补液口(11)和出气口(12)，所述反应室(1)内填充有醇溶液。

2.根据权利要求1所述的等离子体高效制氢装置，其特征在于，还包括绝缘套管(21)，所述绝缘套管(21)套设于所述电极(2)的外部，且所述绝缘套管(21)的内壁与所述电极(2)贴合。

3.根据权利要求2所述的等离子体高效制氢装置，其特征在于，所述绝缘套管(21)材质为陶瓷或聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的等离子体高效制氢装置，其特征在于，所述绝缘套管(21)连通所述电极(2)伸入所述催化剂着床(3)内，所述催化剂着床(3)与所述绝缘套管(21)接触。

5.根据权利要求1所述的等离子体高效制氢装置，其特征在于，所述催化剂着床(3)为致密多孔结构，所述催化剂着床(3)上负载Ni催化剂、Ni-Cu催化剂或Ni-Mo催化剂。

6.根据权利要求5所述的等离子体高效制氢装置，其特征在于，所述催化剂着床(3)为多孔陶瓷、泡沫镍或泡沫铜。

7.一种等离子体高效制氢方法，其特征在于，该方法依赖于所述的等离子体高效制氢装置进行实施，包括以下步骤：

S1.打开补液口，并注入醇溶液，使醇溶液没过电极(2)。

S2.启动高压电源，电压应用于电极(2)之间，随后产生氢气。

S3.出气口(12)排出氢气，随后对氢气进行冷凝和纯化处理，最终将处理后的氢气进行收集。

8.根据权利要求7所述的等离子体高效制氢方法，其特征在于，所述高压电源为交流、直流或高频脉冲电源。

9.根据权利要求7所述的等离子体高效制氢方法，其特征在于，所述电极(2)的放电电压2～15kV，电极间距5～20mm，放电频率500～5000Hz。