一种制氢系统及其方法与流程

本发明涉及制氢领域，特别是涉及一种制氢系统及其方法。

背景技术：

当今化石能源供应形势日益严峻，化石能源利用迫使生态环境不断遭到破坏，开发和利用可再生能源成为我国实现能源可持续发展的必由之路。太阳能资源清洁、无污染且储量大，但是具有分散性、不稳定性、不连续性等特点。将太阳能转化为化学能源可以解决太阳能存储、运输、受空间限制等难题。

氢能作为一种洁净能源，被认为是最理想的化石能源与可再生能源的连接桥梁。开发高效、低成本的太阳能制氢技术成为国际上的研究热点。太阳能热化学制氢是利用太阳能聚焦技术获得热能和高温用于制氢反应，其能量转化效率高，技术手段较为成熟，有广阔的工业应用前景

目前利用太阳能进行热化学制氢的方法主要有以下几种：

(1)直接利用太阳能高温分解水制氢，反应操作温度在2000℃左右。该方法由于分解后的高温气体产物有接触爆炸的危险，并且高温气体产物难于分离。

(2)太阳能热化学分解水制氢，反应操作温度一般在1000℃以上，该方法可以有效地解决上述问题，出现了几十种循环制氢方法，其中，有名的有fe2o3循环、s/i循环、ut-3循环、fe/cl/o/h循环、mark循环、太阳能分解金属氧化物循环等。

(3)太阳能甲烷重整制氢，甲烷水蒸气重整所需要900℃的热量由塔式太阳能聚光装置提供。

(4)太阳能化石燃料/气化制氢的操作温度也在1000℃左右，太阳能为煤等化石燃料气化反应提供能量，制成的合成气需要进行精华、提纯工艺。

以上四种制氢方法均采用高温太阳能制氢，操作温度非常高，当大规模推广时需要使用耐高温流体介质进行热量传输。当前，大规模太阳能制氢的流体介质一般选择熔融盐。但是由于熔融盐的工作温度一般小于800℃，而高温太阳能制氢的操作温度一般在1000℃以上，二者之间存在温度的不匹配问题，熔融盐长时间工作在超高温下，会发生分解，影响熔融盐的性能，甚至影响系统的安全性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种制氢系统及其方法，解决了现有技术中利用熔融盐作为导热介质所引发的效率低和稳定性差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制氢系统，其特征在于，包括：

集热机构，所述集热机构包括集热器和液态金属管道，所述液态金属管道与所述集热器相连，所述集热器用于吸收热量，所述液态金属管道内填充有液态金属；

制氢机构；

换热器，所述换热器分别与所述制氢机构和液态金属管道连接。

其中，所述集热机构还包括液态金属泵和液态金属储液罐，所述液态金属泵和液态金属储液罐均设于所述液态金属管道；

所述制氢机构包括反应器，所述反应器能够通过所述换热器与所述液态金属管道换热。

其中，还包括储气罐，所述制氢机构还包括金属储存罐和储氢罐，所述金属储存罐的一端、储气罐和反应器均与所述换热器的第一换热管连接，所述金属储存罐的另一端通过所述反应器与所述储氢罐连接，所述液态金属管道与所述换热器的第二换热管连接。

其中，所述换热器还设有甲烷入口。

其中，还包括液态金属分离器，所述换热器为混合接触式换热器，所述液态金属分离器设于所述换热器处。

其中，所述液态金属为镓基合金、铟基合金、锡基合金、铋基合金、铜基合金、锂合金、镉-铋合金、锡-铋合金、铋-锌合金、钙-铜合金、铅铋合金中的至少一种。

本发明还公开一种制氢方法，其特征在于，包括：

集热器收集热量传递给液态金属管道的液态金属；

液态金属通入换热器，给制氢机构提供反应所需的热量，制氢机构获得热量后制氢。

其中，所述给制氢机构提供反应所需的热量，制氢机构获得热量后制氢为：在反应器中通入甲烷和水，与第二换热管中的液态金属换热后产生氢气和一氧化碳。

其中，所述给制氢机构提供反应所需的热量，制氢机构获得热量后制氢为：反应器中通入水，第一换热管中填充有金属氧化物，与第二换热管中的液态金属换热后，产生金属和氧气，氧气由储气罐收集；

金属通过金属储存罐与反应器中的水反应产生氢气，并由储氢罐收集，产生的金属氧化物通入第一换热管。

其中，所述给制氢机构提供反应所需的热量，制氢机构获得热量后制氢为：反应器中通入水，第一换热管中填充有金属氧化物和甲烷，与第二换热管中的液态金属换热后，产生金属和燃料气，燃料气由储气罐收集；

金属通过金属储存罐与反应器中的水反应产生氢气，并由储氢罐收集，产生的金属氧化物通入第一换热管。

(三)有益效果

本发明提供的一种制氢系统及其方法，用液态金属作为耐高温流体介质进行热量传输，取代现有的熔融盐。液态金属具有较低的熔点和较高的沸点，能够在较大的温度范围内保持液态，不会发生相变，传热稳定；液态金属具有远高于空气，水等非金属冷却剂的热导率，传热效率高；流动性好于熔融盐；提高了制氢系统的效率和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图；

图2为本发明实施例2的结构图；

图3为本发明实施例3的结构图；

图4为本发明实施例1的流程图；

图5为本发明实施例2的流程图；

图6为本发明实施例3的流程图。

图中，1、集热机构；2、换热器；3、制氢机构；11、集热器；12、液态金属管道；13、液态金属储液罐；14、分离器；15、液态金属泵；16、金属储存罐；17、反应器；18、储氢罐；19、储气罐；20、甲烷入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开一种制氢系统，包括：集热机构1，所述集热机构1包括集热器11和液态金属管道12，所述液态金属管道12与所述集热器11相连，所述集热器11用于吸收热量；

制氢机构3；

换热器2，所述换热器2分别与所述制氢机构3和液态金属管道12连接。

本发明还公开一种制氢方法，包括：

集热器收集热量传递给液态金属管道的液态金属；

液态金属通入换热器，给制氢机构提供反应所需的热量。

本发明公开一种制氢系统及其方法，用液态金属作为耐高温流体介质进行热量传输，取代现有的熔融盐。具有以下有益效果：液态金属具有较低的熔点和较高的沸点，能够在较大的温度范围内保持液态，不会发生相变，传热稳定；液态金属具有远高于空气，水等非金属冷却剂的热导率，传热效率高；同时，液态金属良好的导电能力，可以使用电磁泵驱动；液态金属的流动性远好于熔融盐。将熔点低、沸点高、导热性能优异的液态金属作为太阳能制氢系统的传热介质有助于提高太阳能制氢系统效率和运行稳定性。

其中，所述液态金属为镓基合金、铟基合金、锡基合金、铋基合金、铜基合金、锂合金、镉-铋合金、锡-铋合金、铋-锌合金、钙-铜合金、铅铋合金中的至少一种。

其中，其中，还包括液态金属分离器14，所述换热器2为混合接触式换热器，所述液态金属分离器14设于所述换热器2处，所述液态金属分离器用于分离液态金属，防止液态金属管道12通入金属或金属氧化物等杂质。也可以利用非接触式的换热器进行换热。

实施例1：

如图1和图4所示，本实施例采用甲烷与水反应产生氢气的方法。所述集热机构1还包括液态金属泵15和液态金属储液罐13，所述液态金属泵15和液态金属储液罐13均设于所述液态金属管道12，所述制氢机构3包括反应器17。

工作过程：集热器收集热量传递给液态金属管道的液态金属，利用液态金属作为传热介质，液态金属通入换热器，在反应器中通入甲烷和水，与第二换热管中的液态金属换热后产生氢气和一氧化碳，后续还需要将氢气和一氧化碳进行分离。

其中，采用槽式、碟式或塔式集热系统，可获得高达1000℃以上的温度。所述的液态金属管道内流动的工质为液态金属，液态金属管道的材质与液态金属相兼容，在高温下可以长时间稳定存在。所述的液态金属储液罐13用来储存液态金属，即使太阳光发生波动时，也能保持系统的稳定运行。液态金属泵15为液态金属流动提供动力，可以为电磁泵或离心泵。制氢机构3为甲烷水蒸气重整反应制氢系统。反应器17为甲烷和水蒸气发生重整反应的容器。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

如图2和图5所示，本实施例采用金属与水发生反应产生氢气的方法。其结构包括储气罐19，所述制氢机构3还包括金属储存罐16和储氢罐18，所述金属储存罐16的一端、储气罐19和反应器17均与所述换热器2的第一换热管连接，所述金属储存罐16的另一端通过所述反应器17与所述储氢罐18连接，所述液态金属管道12与所述换热器2的第二换热管连接。

工作过程：集热器收集热量传递给液态金属管道的液态金属，利用液态金属作为传热介质，液态金属通入换热器，将反应器中的甲烷和水替换成水，第一换热管中填充有金属氧化物，与第二换热管中的液态金属换热后，产生金属和氧气，氧气由储气罐收集；

金属通过金属储存罐与反应器中的水反应产生氢气，并由储氢罐收集，产生的金属氧化物通入第一换热管。

具体的，金属氧化物可以为氧化锌、氧化锡、铁基金属氧化物、铈基金属氧化物、钙钛矿类复合金属氧化物。金属储存罐16用来储存金属氧化物高温分解后得到的金属。

实施例3：

本实施例与实施例2基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例2相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例2不同之处：

如图3和图6所示，本实施例采用甲烷和金属氧化物发生反应产生金属和燃料气，金属在和水反应生成氢气的方法。其结构为换热器2还设有甲烷入口20。

工作方法：集热器收集热量传递给液态金属管道的液态金属，利用液态金属作为传热介质，液态金属通入换热器，将反应器通入水，第一换热管中填充有金属氧化物和甲烷，与第二换热管中的液态金属换热后，产生金属和燃料气，燃料气由储气罐收集；

金属通过金属储存罐与反应器中的水反应产生氢气，并由储氢罐收集，产生的金属氧化物通入第一换热管。

其中，燃料气中也含有氢气，可以将其与一氧化碳分离并收集氢气。本实施例与实施例2相比，所需要的温度更低，同时不产生氧气，避免金属再次氧化，影响后续反应。

本发明提供的一种制氢系统及其方法，用液态金属作为耐高温流体介质进行热量传输，取代现有的熔融盐。液态金属具有较低的熔点和较高的沸点，能够在较大的温度范围内保持液态，不会发生相变，传热稳定；液态金属具有远高于空气，水等非金属冷却剂的热导率，传热效率高；流动性好于熔融盐；提高了制氢系统的效率和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。