氢气制储一体系统的制作方法

1.本发明涉及制氢反应装置领域，具体是氢气制储一体系统。


背景技术：

2.近年来，一些研究人员试图以水作为氢源，通过设计高效的双功能催化剂，将光催化产生的h自由基随后与硝基芳烃发生原位加氢反应。但在传统使用的油水混合体系中，亲水性的催化剂表面通常被水分子包围，使硝基芳烃分子与h自由基接触困难，从而导致硝基芳烃加氢效率大大降低。此外，有一种公开方法直接将光催化剂粉末加入到油水混合体系，光催化产生的h自由基速率难以调控，速率太快会导致析h2反应加剧，速率太慢导致硝基芳烃加氢反应的氢源不足。
3.其次，氢能因其清洁、高效、丰富，被认为是新世纪最具潜力、无污染、环保型绿色能源。各种开发和利用氢能的研究一直受到业内的重视。而氢能的开发和利用是以氢能的存储为前提的。传统的液化储存、金属氢化物储氢和高压压缩储氢技术虽相对较成熟，但尚不适合长距离、大规模氢能输送。也有新型储氢材料—液态有机烃作为储氢介质开始受到关注，其具有储氢量大、易于输运及加氢-脱氢可逆性好的特点。但具体在实施过程中先采用电解水制氢，然后就地采用加氢工艺把氢气储氢起来运输到目的地采用脱氢方式达到氢气储运的目的，但这个过程中加氢和脱氢的温度比较高，且脱氢需要贵金属催化剂导致整体投资和运行成本较高，投入的规模和运行成本均较大。
4.为了解决上述问题，本案由此而生。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高温阴离子交换膜电解产氢化物一体化装置，解决了上述背景技术中提出的问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：氢气制储一体系统，包括反应器、阴极、阳极和电压小于2v的直流电源，所述直流电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，将反应器分为阳极室和阴极室，所述阴极和阳极分别设置在阴极室和阳极室内，所述反应器的阴极侧设有多个电解水产氢自由基单元叠加而成的电催化腔体，所述电催化腔体的一侧交界面为阴离子交换膜，另一侧设有喷头作为进料处，所述电催化腔体位于阴极处的上端开设有出气孔位，在所述电催化腔体内设有多层隔断作为延伸路径。
9.作为优选方案，进一步地，电催化腔体的上侧衔接有气液分离器，其中气液分离器与出气孔位相对应，并在连通处设有单向阀。
10.作为优选方案，进一步地，多层隔断采用结构为隔板，隔板沿喷头的进气方向间隔布设有多个，相邻两隔板上、下交叠布设，且与电催化腔体对应的上、下内壁形成交错的进气间隙。
11.作为优选方案，进一步地，电催化腔体的截面呈梯形状。
12.氢气制储一体系统的应用工艺，包括如下步骤：
13.s1，喷头喷入的物料为水配置含铜、镍、锰离子的催化剂与甲苯混合，物料在进入电催化腔体前高温气化；
14.s2，大比重的水汽预先达到阴极表面电解水产生氢自由基，氢氧根透过阴离子交换膜到达阳极发生氧化反应生成氧气扩散出去；
15.s3，小比重的甲苯在电催化腔体的延伸路径中与未生成氢气的氢自由基发生电催化反应生成甲基环己烷，同时少量未反应的氢气在电催化、高温等条件下进一步与甲苯发生电催化加氢。
16.催化腔体内的反应温度为160-180℃，压力为2.5-3mpa。
17.电解环境为碱性，阳极板采用金属铱(ir)薄膜材质
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铱催化剂，阴极板采用高含镍的不锈钢材质(镍含量为不锈钢含量的0.5％-3％)。
18.(三)有益效果
19.采用上述技术方案后，本发明提供的氢气制储一体系统，与现有技术相比具有以下有益效果：
20.本发明制储一体化，仅仅增加少量电耗，电催化装置与电解水制氢装置相比设备投资增加少，达到不增加大规模投资和运行成本的前提下，直接制储一体化。
21.具体的，方案中控制的反应温度为160-180℃，使得水配置含铜、镍、锰等离子的催化剂和甲苯混合物能够在高温气化进入电催化腔体，实现水、催化剂、甲苯混合气化后先输送阴极表面，电解出来的氢自由基和甲苯在阴极板借助铜、镍、锰催化剂的辅助条件下发生加氢反应直接生成甲基环己烷，水不经过阳极，电解水生成的氢氧根离子透过阴离子交换膜达到阳极发生氧化反应生成氧气扩散出去了。同时，在腔体内多隔板路径延伸的形式，使得电解水产生的氢自由基在未生成氢气之前，就和甲苯充分接触发生电催化反应生成甲基环己烷，增加反应原料在电极板停留时间的同时，使得少量未反应的氢气在电催化、高温等条件下进一步与甲苯发生电催化加氢。
22.其次，控制甲苯与电解水产生的氢自由基或氢气摩尔比过量，充分利用水电解产生的加氢原料，使得电解效率更高达到5.5kw*h/nm3氢气以下。
附图说明
23.图1为本发明示意图；
24.图2为本发明单个电解水产氢自由基示意图。
25.图中，1、反应器；2、电催化腔体；3、喷头；4、出气孔位；5、气液分离器；6、隔板。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
27.氢气制储一体系统，包括反应器1、阴极、阳极和电压小于2v的直流电源，直流电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，将反应器1分为阳极室和阴极室，阴极和阳极分别设置在阴极室和阳极室内，反应器1的阴极侧设有多个电解水产氢自由基单元叠加而成的电
催化腔体2，电催化腔体2的一侧交界面为阴离子交换膜，另一侧设有喷头3作为进料处。
28.电催化腔体2的上端开设有出气孔位4，电催化腔体2的上侧衔接有气液分离器5，其中气液分离器5与出气孔位4相对应，并在连通处设有单向阀，避免产物/有机氧化物回流。
29.电催化腔体2的截面呈梯形状，在电催化腔体2内设有多层隔断作为延伸路径。延伸路径的设置可控制气化物料的反应时间，且避免气化物料为完全反应而过快流出。
30.多层隔断采用结构为隔板6，隔板6沿喷头3的进气方向间隔布设有多个，相邻两隔板6上、下交叠布设，且与电催化腔体2对应的上、下内壁形成进气间隙。
31.需说明的是，电催化腔体2内整个的都是阴极并进行反应。前期气体生成相对较少，因此出气孔位4在靠近进料位处不设置。
32.氢气制储一体系统的应用工艺，包括如下步骤：
33.s1，喷头3喷入的物料为水配置含铜、镍、锰离子的催化剂与甲苯混合，物料在进入电催化腔体2后高温气化；
34.s2，大比重的水汽预先达到阴极表面电解水产生氢自由基，氢氧根透过阴离子交换膜到达阳极反生氧化反应生成氧气扩散出；
35.s3，小比重的甲苯在电催化腔体2的延伸路径中与未生成氢气的氢自由基发生电催化反应生成甲基环己烷。
36.要达到上述反应的顺利进行，需控制电催化腔体2内压力为2.5-3mpa，反应温度为160-180℃，使得水配置含铜、镍、锰等离子的催化剂和甲苯混合物能够在高温气化进入电催化腔体2，水、催化剂、甲苯混合气化后先输送阴极表面，电解出来的氢离子和甲苯在阴极板借助铜、镍、锰催化剂的辅助条件下发生加氢反应直接生成甲基环己烷。同时，水不经过阳极，电解水生成的氢氧根离子透过阴离子交换膜达到阳极，发生氧化反应生成氧气扩散出去。
37.其次，本方案中物料流向为：混合水、甲苯、催化剂高温气化后，在腔体内多隔板6形式充分接触电解水产生的氢原子在未生成氢气之前就和甲苯发生电催化反应生成甲基环己烷。增加反应原料在电极板停留时间的同时，使得少量未反应的氢气在电催化、高温等条件下进一步与甲苯发生电催化加氢。
38.其中，反应温度为160-180℃，对应阴极膜需要能够耐高温，可采用苯基阴离子交换膜(现有成熟膜，温度≤220即可使用)。
39.整体造价降低：本方案应用的整体环境为碱性，故双极板不需要钛材，直接不锈钢即可，膜不需要耐酸腐蚀的磺酸基含氟的进口杜邦膜、催化剂也不需要昂贵的铂、铱金属等。
40.产量提高：本方案甲苯加氢生成甲基环己烷选择性非常高基本99％以上，而转化率单次循环可以做到约50％以上，多次循环后基本在95％以上(上述数据属于基本经验数据)。以下对上述产量结合工艺部分进行说明。
41.其中生成甲基环己烷反应为1单元甲苯和3单元氢自由基和氢气反应生成甲基环己烷，即99％选择性生成为甲基环己烷，且最终控制1％产量以下的副产物(如环己烯等)，几乎没有副产物的形成。
42.转化率数值为氢自由基与甲苯反应生成甲基环己烷，其高产值主要通过工艺的创
新应用实现，本方案为通过多层隔断作为延伸路径、控制温度在160-180℃以及多个电解水产氢自由基叠加而成的电催化腔体，使得该转化率部分在90％以上；其次部分氢自由基得到电子后生成氢气，氢气进一步与甲苯反应生成甲基环己烷，该部分大约为上述超过90％转化率中剩余部分80-90％，综合下来多次循环后大致达95％以上。
43.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.氢气制储一体系统，包括反应器、阴极、阳极和直流电源，所述直流电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，将反应器分为阳极室和阴极室，所述阴极和阳极分别设置在阴极室和阳极室内，其特征在于：所述反应器的阴极侧设有多个电解水产氢自由基单元叠加而成的电催化腔体，所述电催化腔体的一侧交界面为阴离子交换膜，另一侧设有喷头作为进料处，所述电催化腔体的上端开设有出气孔位，在所述电催化腔体内设有多层隔断作为延伸路径。2.根据权利要求1所述氢气制储一体系统，其特征在于：所述电催化腔体的上侧衔接有气液分离器，其中气液分离器与出气孔位相对应，并在连通处设有单向阀。3.根据权利要求1所述氢气制储一体系统，其特征在于：所述多层隔断采用结构为隔板，隔板沿喷头的进气方向间隔布设有多个，相邻两隔板上、下交叠布设，且与电催化腔体对应的上、下内壁形成交错的进气间隙。4.根据权利要求1所述氢气制储一体系统，其特征在于：所述直流电源的电压小于2v。5.根据权利要求1所述氢气制储一体系统，其特征在于：所述电催化腔体的截面呈梯形状。6.氢气制储一体系统的应用工艺，应用于权利要求1-5任意一项所述的氢气制储一体系统，其特征在于：s1，喷头喷入的物料为水配置含铜、镍、锰离子的催化剂与甲苯混合，物料在进入电催化腔体前高温气化；s2，大比重的水汽预先达到阴极表面电解水产生氢自由基，氢氧根透过阴离子交换膜到达阳极发生氧化反应生成氧气扩散出；小比重的甲苯在电催化腔体的延伸路径中与未生成氢气的氢自由基发生电催化反应生成甲基环己烷，同时少量未反应的氢气在电催化、高温等条件下进一步与甲苯发生电催化加氢；s3，电催化腔体中反应生成的有机氧化物从出气孔位进入气液分离器并进行收集，同时单向阀的设置避免其回流。7.根据权利要求6所述氢气制储一体系统的应用工艺，其特征在于：电催化腔体内的反应温度为160-180℃，压力为2.5-3mpa。8.根据权利要求6所述氢气制储一体系统的应用工艺，其特征在于：电解环境为碱性，阳极板采用金属铱薄膜材质，阴极板采用含镍的不锈钢材质。9.根据权利要求7所述氢气制储一体系统的应用工艺，其特征在于：阴离子交换膜采用耐高温的苯基阴离子交换膜。10.根据权利要求7所述氢气制储一体系统的应用工艺，其特征在于：甲苯过量，大于电解水产生的氢自由基或氢气摩尔比，以充分消耗电解水产生的氢自由基或氢气。

技术总结
本发明公开了氢气制储一体系统，包括反应器、阴极、阳极和直流电源，直流电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接，反应器分为阳极室和阴极室，反应器的阴极侧设有多个电解水产氢自由基单元叠加而成的电催化腔体，电催化腔体的一侧交界面为阴离子交换膜。本发明水配置含铜、镍、锰等离子的催化剂和甲苯混合物能够在高温气化进入电催化腔体，实现水、催化剂、甲苯混合气化后先输送阴极表面，电解出来的氢自由基和甲苯在阴极板借助铜、镍、锰催化剂的辅助条件下发生加氢反应直接生成甲基环己烷，少量未反应的氢自由基和生成纳米氢气在高含镍阴极板催化作用下直接加氢反应，进一步反应消耗电解水产生的氢自由基和氢气。电解水产生的氢自由基和氢气。电解水产生的氢自由基和氢气。


技术研发人员：陈磊 陈雨霞 肖四利 张云保 管宇
受保护的技术使用者：浙江皓日氢能源科技有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/6