[發明專利]一種制氫系統及其方法

在審

• 申請號: 201710515200.4
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107285276A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 張旭東;鄧中山;劉靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: C01B3/34
• 分類號: C01B3/34;C01B3/10;C01B3/02;C01B13/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王瑩,吳歡燕

技術領域

本發明涉及制氫領域，特別是涉及一種制氫系統及其方法。

背景技術

當今化石能源供應形勢日益嚴峻，化石能源利用迫使生態環境不斷遭到破壞，開發和利用可再生能源成為我國實現能源可持續發展的必由之路。太陽能資源清潔、無污染且儲量大，但是具有分散性、不穩定性、不連續性等特點。將太陽能轉化為化學能源可以解決太陽能存儲、運輸、受空間限制等難題。

氫能作為一種潔凈能源，被認為是最理想的化石能源與可再生能源的連接橋梁。開發高效、低成本的太陽能制氫技術成為國際上的研究熱點。太陽能熱化學制氫是利用太陽能聚焦技術獲得熱能和高溫用于制氫反應，其能量轉化效率高，技術手段較為成熟，有廣闊的工業應用前景

目前利用太陽能進行熱化學制氫的方法主要有以下幾種：

(1)直接利用太陽能高溫分解水制氫，反應操作溫度在2000℃左右。該方法由于分解后的高溫氣體產物有接觸爆炸的危險，并且高溫氣體產物難于分離。

(2)太陽能熱化學分解水制氫，反應操作溫度一般在1000℃以上，該方法可以有效地解決上述問題，出現了幾十種循環制氫方法，其中，有名的有Fe2O3循環、S/I循環、UT-3循環、Fe/Cl/O/H循環、Mark循環、太陽能分解金屬氧化物循環等。

(3)太陽能甲烷重整制氫，甲烷水蒸氣重整所需要900℃的熱量由塔式太陽能聚光裝置提供。

(4)太陽能化石燃料/氣化制氫的操作溫度也在1000℃左右，太陽能為煤等化石燃料氣化反應提供能量，制成的合成氣需要進行精華、提純工藝。

以上四種制氫方法均采用高溫太陽能制氫，操作溫度非常高，當大規模推廣時需要使用耐高溫流體介質進行熱量傳輸。當前，大規模太陽能制氫的流體介質一般選擇熔融鹽。但是由于熔融鹽的工作溫度一般小于800℃，而高溫太陽能制氫的操作溫度一般在1000℃以上，二者之間存在溫度的不匹配問題，熔融鹽長時間工作在超高溫下，會發生分解，影響熔融鹽的性能，甚至影響系統的安全性。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種制氫系統及其方法，解決了現有技術中利用熔融鹽作為導熱介質所引發的效率低和穩定性差的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種制氫系統，其特征在于，包括：

集熱機構，所述集熱機構包括集熱器和液態金屬管道，所述液態金屬管道與所述集熱器相連，所述集熱器用于吸收熱量，所述液態金屬管道內填充有液態金屬；

制氫機構；

換熱器，所述換熱器分別與所述制氫機構和液態金屬管道連接。

其中，所述集熱機構還包括液態金屬泵和液態金屬儲液罐，所述液態金屬泵和液態金屬儲液罐均設于所述液態金屬管道；

所述制氫機構包括反應器，所述反應器能夠通過所述換熱器與所述液態金屬管道換熱。

其中，還包括儲氣罐，所述制氫機構還包括金屬儲存罐和儲氫罐，所述金屬儲存罐的一端、儲氣罐和反應器均與所述換熱器的第一換熱管連接，所述金屬儲存罐的另一端通過所述反應器與所述儲氫罐連接，所述液態金屬管道與所述換熱器的第二換熱管連接。

其中，所述換熱器還設有甲烷入口。

其中，還包括液態金屬分離器，所述換熱器為混合接觸式換熱器，所述液態金屬分離器設于所述換熱器處。

其中，所述液態金屬為鎵基合金、銦基合金、錫基合金、鉍基合金、銅基合金、鋰合金、鎘-鉍合金、錫-鉍合金、鉍-鋅合金、鈣-銅合金、鉛鉍合金中的至少一種。

本發明還公開一種制氫方法，其特征在于，包括：

集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬；

液態金屬通入換熱器，給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：在反應器中通入甲烷和水，與第二換熱管中的液態金屬換熱后產生氫氣和一氧化碳。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：反應器中通入水，第一換熱管中填充有金屬氧化物，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和氧氣，氧氣由儲氣罐收集；

金屬通過金屬儲存罐與反應器中的水反應產生氫氣，并由儲氫罐收集，產生的金屬氧化物通入第一換熱管。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：反應器中通入水，第一換熱管中填充有金屬氧化物和甲烷，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和燃料氣，燃料氣由儲氣罐收集；