[發(fā)明專利]一種通過低溫等離子體重整有機化合物的制氫裝置及制氫方法

在審

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• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112250040A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王保偉;彭葉平;鄒吉軍
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C01B3/36
• 分類號: C01B3/36;C01B3/48
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11471
• 代理人: 王睿

本發(fā)明提供了一種通過低溫等離子體重整有機化合物的制氫裝置，其包括進料系統(tǒng)、汽化系統(tǒng)、等離子體反應(yīng)器、高壓電源和氫氣收集系統(tǒng)。有機化合物、水和載氣通過進料系統(tǒng)輸入汽化系統(tǒng)內(nèi)，有機化合物和水發(fā)生汽化并與載氣形成混合氣輸入等離子體反應(yīng)器內(nèi)。通過高壓電源供電，在等離子體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子體場，使有機化合物發(fā)生重整反應(yīng)生成富氫氣體，由氫氣收集系統(tǒng)進行收集和分離。上述制氫裝置具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、原料來源廣泛、適用面廣、能量成本和設(shè)備成本低廉等優(yōu)點，可對各種含氫化合物進行等離子體重整制氫，為燃料電池以及氫能汽車在線供氫。本發(fā)明還提供了使用上述裝置的制氫方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)制氫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過低溫等離子體重整有機化合物的制氫裝置，以及使用該裝置的制氫方法。

背景技術(shù)

隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，開發(fā)清潔、高效的新能源成為了全世界的研究熱點，其中燃料電池由于其高效率和低排放，被認為是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電后的第四類發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。近20年以來，燃料電池這種高效、潔凈的能量轉(zhuǎn)化裝置得到了各國政府、開發(fā)商及研發(fā)機構(gòu)的普遍重視。燃料電池在交通運輸、便攜式電源、分散電站、航空航天及水下潛器等民用與軍用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前對質(zhì)子交換膜燃料電池的研究和應(yīng)用最為廣泛和深入，但在質(zhì)子交換膜燃料電池中進行反應(yīng)的燃料是高純度氫氣，氫氣的制備和存儲是質(zhì)子交換膜燃料電池能否應(yīng)用和規(guī)模化應(yīng)用的先決條件和關(guān)鍵技術(shù)，對氫氣的制備、提純和存儲技術(shù)進行綜合和分析有利于準確把握全局，進而進行有重點的攻關(guān)研究。

氫氣具有能量密度大、燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物清潔的特點，在車用能源、航天航空、化工技術(shù)以及生物制藥等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。氫能的開發(fā)利用已成為能源的重點發(fā)展方向，低能耗、高效率的氫氣生產(chǎn)方式已成為國內(nèi)外研究的熱點。目前市場上制氫的方法有很多，包括甲烷水蒸氣重整、烴類的部分氧化及自熱重整、電解水以及等離子體裂解等多種方式，其中甲烷水蒸氣重整制氫占據(jù)全球氫氣產(chǎn)量的50％以上。甲烷水蒸氣重整制氫工藝已非常成熟，因甲烷具有較高的H/C比，該工藝在制氫方面具有優(yōu)勢。但近些年來，隨著化石燃料的大量使用造成溫室氣體的過量排放導(dǎo)致全球變暖，甲烷水蒸氣重整制氫工藝的缺點逐漸暴露：甲烷水蒸氣重整反應(yīng)是一個強吸熱反應(yīng)，為了使反應(yīng)持續(xù)進行，外部需要通過燃燒化石燃料來供熱，該過程會產(chǎn)生大量的CO₂，美國國家研究委員會報告表明，甲烷水蒸氣重整工藝二氧化碳排放量為9.2kg CO₂/kg H₂。自熱重整制氫雖然被認為是替代傳統(tǒng)甲烷水蒸氣重整制氫的一種可行性方案，但該過程中為了生產(chǎn)高質(zhì)量的合成氣，需要另配置空氣分離裝置，增加了設(shè)備成本和能源消耗。

等離子體是指氣體不斷地從外部吸收能量電離形成的電子和重粒子(主要包括正、負離子和中性粒子)。因其能表現(xiàn)出與其他物質(zhì)狀態(tài)不同的特異性能，區(qū)別于物質(zhì)常見的固、液、氣三態(tài)，故被稱為物質(zhì)的第四態(tài)——等離子態(tài)。等離子法制取氫氣成本低，并且該制氫技術(shù)的原料適應(yīng)性強，幾乎所有的含碳氫的物質(zhì)都可以作為制氫原料。熱等離子可以起到高溫?zé)嵩春突瘜W(xué)活性粒子源的雙重作用，可在無催化劑的條件下加速反應(yīng)進程，并提供吸熱過程中所需的能量。隨著氫能應(yīng)用領(lǐng)域的逐步成熟與擴大，清潔能源氫的需求量日益增加，因此開發(fā)更加清潔高效、成本低廉的制氫新工藝勢在必行。近年來國內(nèi)外以甲醇、二甲醚、乙醇等為原料展開了各種低溫等離子體制氫的實驗研究，實驗結(jié)果均表明反應(yīng)過程存在·O、·OH、·H等活性粒子，這些活性粒子促進甲醇、二甲醚、乙醇等分解產(chǎn)生氫氣。然而目前還沒有采用等離子體與烴類化合物進行高效制氫的實驗裝置。

鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一目的是提供一種通過低溫等離子體重整有機化合物的制氫裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在線制氫，可滿足氫能汽車、燃料電池和移動電源在線供氫的需求。

本發(fā)明的第二目的是提供使用該裝置的制氫方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：