一種液態(tài)氫源材料的脫氫反應(yīng)系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種常溫常壓液態(tài)氫源材料的脫氫系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)展新能源以替代或部分替代不可再生的化石燃料是本世紀(jì)人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在國(guó)務(wù)院去年頒布的《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，以氫能燃料電池為代表的新能源和新能源汽車作為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)方向被分別單獨(dú)列出，并提出了明確的發(fā)展目標(biāo)和發(fā)展路線。氫能由于原料來(lái)源廣泛、無(wú)污染且能量轉(zhuǎn)換效率高，是解決未來(lái)清潔能源需求問(wèn)題的首選新能源技術(shù)。
[0003]氫能技術(shù)包括氫的規(guī)模制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸、高效率使用以及配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等環(huán)節(jié)，其中儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是安全有效的利用氫能是最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，工業(yè)上主要采用在_253°C的液化氫或350?700個(gè)大氣壓下高壓氫等儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，高壓氫或液化氫技術(shù)及其應(yīng)用所需能耗是制氫成本的20倍以上，且存在泄漏或儲(chǔ)氫罐壓力過(guò)高等安全隱患。如果能夠?qū)浞肿游皆谀撤N載體上，實(shí)現(xiàn)常溫常壓下的安全儲(chǔ)存，待使用時(shí)，能將氫在溫和條件下，可控的釋放，則可有效地，安全使用氫能。因此，全球主要的工業(yè)國(guó)家都在研發(fā)基于常溫常壓的液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫技術(shù)。以德國(guó)為例，開(kāi)發(fā)的液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較溫和條件下的吸/放氫循環(huán)，但釋放的氫氣時(shí)含有毒害燃料電池的副產(chǎn)物氣體產(chǎn)生，同時(shí)容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研發(fā)基于甲苯等傳統(tǒng)有機(jī)材料的儲(chǔ)氫技術(shù)，但脫氫溫度過(guò)高(大于300°C )，且同樣存在副產(chǎn)物毒化燃料電池的問(wèn)題。因而這兩種儲(chǔ)氫技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用受到制約。
[0004]目前，全球主要的工業(yè)國(guó)家都在研發(fā)基于常溫常壓的液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫材料。德國(guó)開(kāi)發(fā)的液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫材料能夠?qū)崿F(xiàn)較溫和條件下的吸/放氫循環(huán)，但存在儲(chǔ)氫材料釋放的氫氣含有毒害燃料電池的氣體及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研發(fā)基于對(duì)甲基苯等傳統(tǒng)有機(jī)材料的儲(chǔ)氫技術(shù)，但脫氫溫度過(guò)高(大于300°C )，且同樣存在副產(chǎn)物毒化燃料電池的問(wèn)題，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。
[0005]中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室研宄團(tuán)隊(duì)，在中組部第二批“千人計(jì)劃”程寒松教授的帶領(lǐng)下，在原美國(guó)工作基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期的探索和研宄，發(fā)現(xiàn)了一類液態(tài)有機(jī)共軛分子儲(chǔ)氫材料，此類材料具有熔點(diǎn)低(目前開(kāi)發(fā)的技術(shù)已低至-20°C )、閃點(diǎn)高(150°C以上)、并在自制高效催化劑作用下，釋放氣體純度高(99.99%)、脫氫溫度低(約150°C )等特點(diǎn)，且循環(huán)壽命高(2000次以上)、可逆性強(qiáng)，并且不產(chǎn)生一氧化碳等毒害燃料電池的氣體。作為氫的載體，這類材料在使用過(guò)程中始終以液態(tài)方式存在，可以像石油一樣在常溫常壓下儲(chǔ)存和運(yùn)輸，完全可利用現(xiàn)有汽油輸送方式和加油站構(gòu)架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種常溫常壓液態(tài)氫源材料的脫氫系統(tǒng)，并提供使用該系統(tǒng)提供氫的方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種液態(tài)氫源材料的脫氫反應(yīng)系統(tǒng)，包括:
用于儲(chǔ)存液態(tài)氫源材料和液態(tài)儲(chǔ)氫載體的儲(chǔ)存設(shè)備；
用于將液態(tài)氫源材料脫氫的反應(yīng)釜；
用于儲(chǔ)存氫氣的緩沖罐；
設(shè)置在反應(yīng)釜外部用于加熱反應(yīng)釜的加熱裝置；
通過(guò)泵將液態(tài)氫源材料經(jīng)輸入管輸入所述反應(yīng)釜，在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行液態(tài)氫源材料的脫氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣被輸送到緩沖罐，同時(shí)將脫氫后產(chǎn)生的液態(tài)儲(chǔ)氫載體輸送回儲(chǔ)氫罐。
[0008]所述液態(tài)儲(chǔ)氫載體包括至少兩種不同的儲(chǔ)氫組分，儲(chǔ)氫組分為不飽和芳香烴或雜環(huán)不飽和化合物，且至少一種儲(chǔ)氫組分為低熔點(diǎn)化合物，低熔點(diǎn)化合物的熔點(diǎn)低于80°C。
[0009]所述儲(chǔ)存設(shè)備設(shè)置有分別存放液態(tài)氫源材料和液態(tài)儲(chǔ)氫載體的空間。
[0010]所述儲(chǔ)存設(shè)備包括存放液態(tài)氫源材料的第一儲(chǔ)存罐和存放液態(tài)儲(chǔ)氫載體的第二儲(chǔ)存鍾。
[0011]所述反應(yīng)釜為板式、列管式或塔式。
[0012]所述反應(yīng)釜內(nèi)填充有脫氫催化劑。
[0013]在所述反應(yīng)釜和緩沖罐之間設(shè)置有用于將液態(tài)儲(chǔ)氫載體與氫氣分離的氣液分離
目.ο
[0014]所述緩沖罐連接氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池。
[0015]所述反應(yīng)釜外部的加熱裝置為廢熱交換器、電加熱器、電磁加熱器或微波加熱器，所述管外部設(shè)置有預(yù)熱裝置。所述儲(chǔ)存設(shè)備內(nèi)的液態(tài)氫源材料通過(guò)預(yù)熱直接進(jìn)入反應(yīng)釜進(jìn)行脫氫反應(yīng)。
[0016]所述反應(yīng)釜外部的加熱裝置為通過(guò)管道內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，所述加熱裝置通過(guò)管道連接氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池外部設(shè)置的管道傳熱設(shè)備，所述加熱設(shè)備和管道傳熱設(shè)備流動(dòng)的導(dǎo)熱介質(zhì)為儲(chǔ)存液態(tài)氫源材料。所述液態(tài)氫源材料先進(jìn)入氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池外部設(shè)置的管道傳熱設(shè)備，將氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池產(chǎn)生的熱量通過(guò)加熱裝置傳導(dǎo)給反應(yīng)釜后，再進(jìn)入反應(yīng)釜進(jìn)行脫氫反應(yīng)。
[0017]一種使用氫反應(yīng)系統(tǒng)提供氫的方法，通過(guò)泵將儲(chǔ)存在儲(chǔ)存設(shè)備中的液態(tài)氫源材料預(yù)熱后輸入反應(yīng)釜，120?200°C 0.2MPa大氣壓下在脫氫催化劑的作用下液態(tài)氫源材料反應(yīng)放出氫氣并產(chǎn)生液態(tài)儲(chǔ)氫載體，氫氣被送入緩沖罐，然后被送入氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池，液態(tài)儲(chǔ)氫載體被送回儲(chǔ)存設(shè)備。
[0018]一種脫氫反應(yīng)系統(tǒng)提供氫的方法，通過(guò)泵將儲(chǔ)存在儲(chǔ)存設(shè)備中的液態(tài)氫源材料送入氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池外部設(shè)置的管道傳熱設(shè)備，通過(guò)加熱裝置進(jìn)入反應(yīng)釜，120?200°C 0.2MPa大氣壓下在脫氫催化劑的作用下液態(tài)氫源材料反應(yīng)放出氫氣并產(chǎn)生液態(tài)儲(chǔ)氫載體，氫氣被送入緩沖罐，然后被送入氫內(nèi)燃機(jī)或氫燃料電池，液態(tài)儲(chǔ)氫載體被送回儲(chǔ)存設(shè)備。
[0019]本發(fā)明所提供的常溫常壓液態(tài)氫源材料的脫氫系統(tǒng)用于將液態(tài)儲(chǔ)氫材料進(jìn)行脫氫反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)燃料電池或內(nèi)燃機(jī)，以轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能以應(yīng)用于汽車、電源、儲(chǔ)能、化工、制藥、移動(dòng)等各種工業(yè)及民用領(lǐng)域。本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)從附圖和下面的詳細(xì)描述中將得到更加詳細(xì)地闡明。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1脫氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實(shí)施例2脫氫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合具體的附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0023]液態(tài)儲(chǔ)氫載體是一種可在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)的儲(chǔ)氫體系，包括至少兩種不同的儲(chǔ)氫組分，儲(chǔ)氫組分為不飽和芳香烴或雜環(huán)不飽和化合物，且至少一種儲(chǔ)氫組分為低熔點(diǎn)化合物，低熔點(diǎn)化合物的熔點(diǎn)低于80°C。
[0024]進(jìn)一步地，儲(chǔ)氫組分選自雜環(huán)不飽和化合物，雜環(huán)不飽和化合物中的雜原子為N、S、0及P中的一種或多種。
[0025]進(jìn)一步地，雜環(huán)不飽和化合物中雜環(huán)和芳環(huán)的總數(shù)為1~20，雜原子的總數(shù)為
I?20 ο
[0026]進(jìn)一步地，相對(duì)于液態(tài)儲(chǔ)氫體系的總質(zhì)量而言，低熔點(diǎn)化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?95%ο
[0027]進(jìn)一步地，液態(tài)儲(chǔ)氫體系還包括加氫添加劑，加氫添加劑為極性溶劑和/或非極性溶劑。
[0028]進(jìn)一步地，相對(duì)于每克儲(chǔ)氫組分而言，加氫添加劑的加入量為0.l~10mL。
[0029]進(jìn)一步地，不同的儲(chǔ)氫組分分別選自苯、甲苯、乙苯、鄰二甲苯、對(duì)二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-異丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、異喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所組成的組及其衍生物。
[0030]進(jìn)一步地，極性溶劑選自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、異丙醇、正丁醇、二氧六環(huán)、正丁醚、異丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一種或多種。
[0031]進(jìn)一步地，非極性溶劑選自正己烷、正戊烷、環(huán)己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一種或多種。
[0032]進(jìn)一步地，儲(chǔ)氫體系還包括脫氫添加劑，脫氫添加劑選自十氫化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一種或多種。
[0033]進(jìn)一步地，相對(duì)于每克儲(chǔ)氫組分而言，脫氫添加劑的加入量為0.l~10mL。
[0034]液態(tài)儲(chǔ)氫載體在加氫催化劑的作用下進(jìn)行加氫化學(xué)反應(yīng)生成液態(tài)氫源材料，液態(tài)氫源材料在脫氫催化劑的作用下進(jìn)行脫氫化學(xué)反應(yīng)還原為液態(tài)儲(chǔ)氫載體。
[0035]用于儲(chǔ)存液態(tài)氫源材料和液態(tài)儲(chǔ)氫載體的儲(chǔ)存設(shè)備，儲(chǔ)存設(shè)備可以是儲(chǔ)存罐或者其他形式，體積可以是微型或車載或大型儲(chǔ)存罐體。儲(chǔ)存設(shè)備可以設(shè)置有分別存放液態(tài)氫源材料和液態(tài)