本發(fā)明涉及一種液態(tài)加氫儲(chǔ)氫裝置，具體涉及一種電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫裝置。本發(fā)明還涉及一種電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫方法。

背景技術(shù)：

氫能是一種清潔能源，氫與氧反應(yīng)后的產(chǎn)物是水。隨著燃料電池技術(shù)的成熟，燃料電池的壽命和成本正在接近市場(chǎng)可以接受的范圍。燃料電池在汽車上的應(yīng)用在今后五年將會(huì)有大的發(fā)展。燃料電池的可靠性和經(jīng)濟(jì)性問題解決后，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸就成為氫能應(yīng)用的瓶頸。

目前，氫氣儲(chǔ)存一般采用高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，也就是將氫氣壓縮到350～700個(gè)大氣壓后進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。該技術(shù)存在成本高和安全性差的問題。

為此，出現(xiàn)了一種有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，在催化劑作用下，在20～120個(gè)大氣壓、120～200℃的條件下，將氫加到有機(jī)載體中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氫的儲(chǔ)存。該技術(shù)需要使用高壓氫壓縮機(jī)，而氫壓縮機(jī)的成本高，維修困難，占地大，耗能高，因此其加氫過程必須在工廠中完成，不利于燃料電池的推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫裝置，它可以實(shí)現(xiàn)用電化學(xué)方法制氫，并將所產(chǎn)生的高壓氫氣直接加到有機(jī)載體中。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫裝置的技術(shù)解決方案為：

包括一高壓電化學(xué)電解水裝置和一有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器，高壓電化學(xué)電解水裝置所產(chǎn)生的高壓氫氣通過高壓氫氣管3直接進(jìn)入有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)在有機(jī)載體中加氫；高壓電化學(xué)電解水裝置包括封閉的電解池1-1，電解池1-1分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)內(nèi)分別盛有電解液1-2；陽(yáng)極區(qū)的電解液1-2內(nèi)插入有陽(yáng)極1-3，陰極區(qū)的電解液1-2內(nèi)插入有陰極1-4，陽(yáng)極1-3和陰極1-4伸出電解池1-1并分別通過導(dǎo)線1-5連接電解池電源1-6；電解池電源1-6通過控制器4實(shí)現(xiàn)控制，控制器4能夠?qū)﹄娊獬仉娫?-6的電解電壓進(jìn)行控制；陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的頂部分別設(shè)置有壓力傳感器1-9；壓力傳感器1-9通過信號(hào)線連接控制器4；陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的頂部分別設(shè)置有壓力保險(xiǎn)裝置；電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)連接氧氣管1-8，電解池1-1的陰極區(qū)連接高壓氫氣管3的入口端；有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器包括封閉的高壓容器2-1，高壓容器2-1內(nèi)盛有含有催化劑的有機(jī)儲(chǔ)氫溶劑2-2；高壓氫氣管3的出口端通入高壓容器2-1的底部附近；高壓容器2-1設(shè)置有壓力傳感器2-6； 壓力傳感器2-6通過信號(hào)線連接控制器4；高壓容器2-1的頂部分別設(shè)置有壓力保險(xiǎn)裝置。

所述壓力保險(xiǎn)裝置包括一管道，管道上設(shè)置有一單向閥；壓力保險(xiǎn)裝置的管道連接到室外的開放空間，當(dāng)壓力超過設(shè)定的最高值時(shí)，氣體打開單向閥自動(dòng)排放到室外開放空間。

所述電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)之間通過壓力平衡管實(shí)現(xiàn)連接；壓力平衡管內(nèi)設(shè)置有一能夠沿管道移動(dòng)的隔離活塞，隔離活塞將陽(yáng)極區(qū)的電解液1-2與陰極區(qū)的電解液1-2隔離開。

所述電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)之間設(shè)置有陽(yáng)離子膜或陰離子膜。

所述高壓氫氣管3內(nèi)設(shè)置有氣液分離裝置；氣液分離裝置能夠防止水或水溶液通過高壓氫氣管3進(jìn)入加氫反應(yīng)器的高壓容器。

所述高壓氫氣管3上設(shè)置有一單向閥32。

所述高壓氫氣管3的出口端設(shè)置有一層或多層隔離膜，隔離膜能夠防止有機(jī)溶液通過高壓氫氣管3進(jìn)入電解池1-1。

所述電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)分別設(shè)置有溫度傳感器1-10；溫度傳感器1-10通過信號(hào)線連接控制器4；和/或所述高壓容器2-1設(shè)置有溫度控制裝置2-5，溫度控制裝置2-5通過信號(hào)線連接控制器4；溫度控制裝置2-5為高壓容器2-1提供初始溫度并控制其溫度處于規(guī)定的范圍內(nèi)。

所述電解池1-1和/或高壓容器2-1的外壁設(shè)置有一水冷溫度控制裝置，水冷溫度控制裝置產(chǎn)生的熱水連接到家庭熱水器，從而將電解水反應(yīng)產(chǎn)生的熱源和/或加氫反應(yīng)產(chǎn)生的熱源加以回收利用。

本發(fā)明還提供一種電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫方法，其技術(shù)解決方案為，包括以下步驟：

第一步，利用水電解制氫技術(shù)2H₂O＝2H₂+O₂，在電解池1-1的陰極區(qū)產(chǎn)生高壓氫氣；通過控制器4控制電解池電源1-6的電解電壓，使所產(chǎn)生的高壓氫氣的壓力滿足規(guī)定值；

同時(shí)，電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的壓力傳感器1-9采集陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的壓力值并傳送給控制器4；

第二步，高壓氫氣經(jīng)高壓氫氣管3進(jìn)入高壓容器2-1中的有機(jī)儲(chǔ)氫溶劑2-2內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的儲(chǔ)存；

同時(shí)，高壓容器2-1的壓力傳感器2-6采集高壓容器2-1內(nèi)的壓力值并傳送給控制器4；

第三步，當(dāng)高壓容器2-1中的氣體壓力達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，或者電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)或陰極區(qū)的氣體壓力達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，控制器4斷開電解池電源1-6，使電解反應(yīng)自動(dòng)停止。

本發(fā)明可以達(dá)到的技術(shù)效果是：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便和成本低，不需要高壓氫氣壓縮機(jī)，只需增加0.088伏的過電壓就可以產(chǎn)生100個(gè)大氣壓的氫氣；使用安全，所產(chǎn)生的氫氣直接加入有機(jī)儲(chǔ)氫液體，留在連接管道的氫氣體積非常少，有機(jī)儲(chǔ)氫液體不是易燃易爆材料，另外還有三重安全保護(hù)裝置，所以高度安全。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，只要加水，按電源開關(guān)，就可以自動(dòng)運(yùn)行，一切運(yùn)行都是自動(dòng)化。本發(fā)明綠色環(huán)保，氫氣的原料是水，產(chǎn)生的排放物也是水；且有機(jī)儲(chǔ)氫液體可以重復(fù)使用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1是本發(fā)明電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫裝置的示意圖；

圖2是本發(fā)明的高壓氫氣管的示意圖。

圖中附圖標(biāo)記說明：

1-1為電解池， 1-2為電解液，

1-3為陽(yáng)極， 1-4為陰極，

1-5為導(dǎo)線， 1-6為電解池電源，

1-7為離子膜， 1-8為氧氣管，

1-9為壓力傳感器， 1-10為溫度傳感器，

3為高壓氫氣管， 4為控制器，

31為氣液分離裝置， 32為單向閥，

2-1為高壓容器， 2-2為有機(jī)儲(chǔ)氫溶劑和催化劑，

2-3為有機(jī)載體入口， 2-4為有機(jī)載體出口，

2-5為溫度控制裝置， 2-6為壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫裝置，包括一高壓電化學(xué)電解水裝置和一有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器，高壓電化學(xué)電解水裝置所產(chǎn)生的高壓氫氣通過高壓氫氣管3直接進(jìn)入有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)在有機(jī)載體中加氫；

高壓電化學(xué)電解水裝置包括封閉的電解池1-1，電解池1-1分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)內(nèi)盛有電解液1-2；陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)之間設(shè)置有離子膜1-7，離子膜1-7可以是陽(yáng)離子膜或陰離子膜；離子膜只允許離子通過，從而將氧氣與氫氣隔離；

陽(yáng)極區(qū)的電解液1-2內(nèi)插入有陽(yáng)極1-3，陰極區(qū)的電解液1-2內(nèi)插入有陰極1-4，陽(yáng)極1-3和陰極1-4伸出電解池1-1并分別通過導(dǎo)線1-5連接電解池電源1-6；電解池電源1-6通 過控制器4實(shí)現(xiàn)控制，控制器4能夠?qū)﹄娊獬仉娫?-6的電解電壓進(jìn)行控制；

陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)之間通過壓力平衡管實(shí)現(xiàn)連接；壓力平衡管內(nèi)設(shè)置有一能夠沿管道移動(dòng)的隔離活塞，隔離活塞將陽(yáng)極區(qū)的電解液1-2與陰極區(qū)的電解液1-2隔離開；

陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的頂部分別設(shè)置有壓力傳感器1-9；壓力傳感器1-9通過信號(hào)線連接控制器4；

陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的頂部分別設(shè)置有溫度傳感器1-10；溫度傳感器1-10通過信號(hào)線連接控制器4；

陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的頂部分別設(shè)置有壓力保險(xiǎn)裝置；壓力保險(xiǎn)裝置包括一管道，管道上設(shè)置有一單向閥；陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)分別通過壓力保險(xiǎn)裝置的管道連接到室外的開放空間，當(dāng)陽(yáng)極區(qū)或陰極區(qū)內(nèi)的壓力超過設(shè)定的最高值時(shí)，氣體自動(dòng)排放到室外開放空間；

電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)連接氧氣管1-8，電解池1-1的陰極區(qū)連接高壓氫氣管3的入口端；

電解池1-1的外壁設(shè)置有一水冷溫度控制裝置，水冷溫度控制裝置產(chǎn)生的熱水可以連接到家庭熱水器，從而將電解水反應(yīng)產(chǎn)生的熱源加以回收利用；

有機(jī)液態(tài)高壓加氫反應(yīng)器包括封閉的高壓容器2-1，高壓容器2-1內(nèi)盛有含有催化劑的有機(jī)儲(chǔ)氫溶劑2-2；高壓氫氣管3的出口端通入高壓容器2-1的底部；

如圖2所示，高壓氫氣管3的入口端上方設(shè)置有氣液分離裝置31，氣液分離裝置31能夠防止水或水溶液通過高壓氫氣管3進(jìn)入加氫反應(yīng)器的高壓容器2-1；

高壓氫氣管3上設(shè)置有一單向閥32，單向閥32的導(dǎo)通方向是從電解池1-1至加氫反應(yīng)器的高壓容器2-1；

高壓氫氣管3的出口端還可以設(shè)置有一層或多層隔離膜，隔離膜能夠防止有機(jī)溶液通過高壓氫氣管3進(jìn)入電解池1-1；

陰極1-4產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過高壓氫氣管3的氣液分離裝置31，然后再經(jīng)高壓氫氣管3的出口端通入高壓容器2-1的底部附近；

高壓容器2-1的頂部設(shè)置有有機(jī)載體入口2-3，底部設(shè)置有有機(jī)載體出口2-4；

高壓容器2-1的頂部設(shè)置有溫度控制裝置2-5，溫度控制裝置2-5通過信號(hào)線連接控制器4；溫度控制裝置2-5為高壓容器2-1提供初始溫度并控制其溫度處于規(guī)定的范圍內(nèi)；

高壓容器2-1的頂部設(shè)置有壓力傳感器2-6；壓力傳感器2-6通過信號(hào)線連接控制器4；

高壓容器2-1的頂部分別設(shè)置有壓力保險(xiǎn)裝置；壓力保險(xiǎn)裝置包括一管道，管道上設(shè)置有一單向閥；高壓容器2-1通過壓力保險(xiǎn)裝置的管道連接到室外的開放空間，當(dāng)高壓容器2-1內(nèi)的壓力超過設(shè)定的最高值時(shí)，氣體打開單向閥自動(dòng)排放到室外開放空間；

高壓容器2-1的外壁設(shè)置有一水冷溫度控制裝置，水冷溫度控制裝置產(chǎn)生的熱水可以連 接到家庭熱水器，從而將加氫反應(yīng)產(chǎn)生的熱源加以回收利用。

本發(fā)明電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫方法，包括以下步驟：

第一步，利用水電解制氫技術(shù)2H₂O＝2H₂+O₂，在電解池1-1的陰極區(qū)產(chǎn)生高壓氫氣；通過控制器4控制電解池電源1-6的電解電壓，使所產(chǎn)生的高壓氫氣的壓力滿足規(guī)定值；

同時(shí)，電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的壓力傳感器1-9采集陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的壓力值并傳送給控制器4；

第二步，高壓氫氣經(jīng)高壓氫氣管3進(jìn)入高壓容器2-1中的有機(jī)儲(chǔ)氫溶劑2-2內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的儲(chǔ)存；

同時(shí)，高壓容器2-1的壓力傳感器2-6采集高壓容器2-1內(nèi)的壓力值并傳送給控制器4；

第三步，當(dāng)高壓容器2-1中的氣體壓力達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，或者電解池1-1的陽(yáng)極區(qū)或陰極區(qū)的氣體壓力達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，控制器4斷開電解池電源1-6，使電解反應(yīng)自動(dòng)停止。

本發(fā)明利用水電解制氫技術(shù)2H₂O＝2H₂+O₂，該技術(shù)中，所產(chǎn)生的氫氣的壓力是可以通過電解電壓進(jìn)行控制的，根據(jù)能斯特方程，當(dāng)氧氣壓力等于氫氣壓力時(shí)，氫氣的壓力P滿足以下公式：

P＝exp(nFE/3RT)＝exp(15474E/T)，

其中，E＝(Ea-Eo)，E是過電壓，

Eo是水的標(biāo)準(zhǔn)電解電壓，

Ea是電解池的工作電壓，

T是絕對(duì)溫度，

F是法拉第常數(shù)，

R是氣體常數(shù)，

n是電化學(xué)反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；

在室溫25度時(shí)，當(dāng)過電壓E＝0.088V時(shí)，P接近100個(gè)大氣壓。這個(gè)結(jié)果說明，在水電解制氫過程中，只要增加0.088伏的電解電壓就可以實(shí)現(xiàn)在有機(jī)載體中加氫，不再需要成本高、耗能大的氫壓縮機(jī)。

需要說明的是，此處的工作電壓是理論工作電壓，沒有包掛克服離子膜電阻、電解液電阻、電極表面電阻等需要的電壓，所以在實(shí)際應(yīng)用中工作電壓會(huì)高于理論計(jì)算值。在實(shí)際操作中，經(jīng)常通過電壓控制電解電流最后調(diào)控氫氣的產(chǎn)率。

本發(fā)明正是利用上述原理，通過簡(jiǎn)單有效的裝置就可以實(shí)現(xiàn)加氫，能夠大大節(jié)約設(shè)備成本、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用。

本發(fā)明體積小，操作簡(jiǎn)單，可以作為家庭儲(chǔ)氫裝置。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)直接從家電、太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生的電中直接產(chǎn)生有機(jī)液態(tài)氫，作為氫燃料汽車的動(dòng)力，也可以作為家庭燃料電池緊急備用電源的能源。

本發(fā)明也可以直接將氫儲(chǔ)存到氫高壓罐，作為燃料電池汽車及其他備用電源。

本發(fā)明的特點(diǎn)是安全可靠；本發(fā)明的安全性有以下三重保險(xiǎn)：

第一，電壓控制；

本發(fā)明通過控制器控制電解池的電源電壓作為電解電壓，能夠直接控制所產(chǎn)生的氫氣壓力；在設(shè)定的電壓條件下，當(dāng)氣體壓力達(dá)到最高值時(shí)電解反應(yīng)能夠自動(dòng)停止；

第二，氣體壓力控制；

本發(fā)明通過三個(gè)壓力傳感器分別監(jiān)控電解池的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)以及高壓容器的氣體壓力值，當(dāng)氣體壓力超過設(shè)定值時(shí)切斷電源；

第三，壓力安全保險(xiǎn)；

本發(fā)明通過三個(gè)壓力保險(xiǎn)裝置分別控制電解池的陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)以及高壓容器的氣體壓力值，當(dāng)氣體壓力超過設(shè)定值時(shí)，氣體自動(dòng)釋放到開發(fā)空間。

本發(fā)明能夠?qū)⑺a(chǎn)生的氣體直接加入有機(jī)儲(chǔ)氫液體，裝置內(nèi)氣體體積可以控制到最小，可以小于一升，即使泄露或爆炸也不會(huì)產(chǎn)生重大損失；而有機(jī)儲(chǔ)氫液體不是易燃易爆材料，使用過程中的安全系數(shù)大。

本發(fā)明使用方便、安全、低成本，容易維護(hù)，可移動(dòng)；可以作為家庭，市區(qū)街道使用；也可以在山區(qū)，野外通過太陽(yáng)能、風(fēng)能及其他可持續(xù)能源實(shí)現(xiàn)加氫。