脱氢反应装置及其控制方法与流程

本公开涉及一种用于将氢气供应至燃料电池的脱氢反应装置及其控制方法。

背景技术：

1、由于化石能源的耗尽和环境污染问题，对可再生能源和替代能源存在巨大需求。作为这样的替代能源之一，氢气受到关注。

2、燃料电池和氢气燃烧装置使用氢气作为反应气体。例如，为了将燃料电池和氢气燃烧装置应用于车辆和各种电子产品，需要氢气的稳定且连续的供应技术。

3、为了将氢气供应至使用氢气的装置，可以使用每当需要氢气时从独立安装的氢气供应源接收氢气的方法。以此方式，可以使用压缩的氢气或液体氢。

4、可替代地，可以使用在使用氢气将其中存储氢气的材料安装在装置上并且将该材料供应至使用氢气的装置之后通过相应材料的反应生成氢气的方法。对于该方法，例如，已经提出了在水溶液中溶解固体氢化物的方法、使用吸附和解吸的方法(例如，吸收剂/碳)、化学方法(例如，化学氢气存储)等。

5、作为示例，通过将酸溶液注入到nabh4中来生产氢气的系统是已知的。该氢气生产系统是分批式系统，包括酸水溶液罐、包括硼氢化钠(nabh4)的反应器、水分离器、酸净化器等。在这样的分批式系统中，在氢气生成反应之后在该反应器中累积产物。

6、因此，因为在常规反应器中同时累积氢气生产的反应产物，所以当需要排出产物时，需要移除并更换反应器本身，或者需要从反应器中回收产物。

7、当使用少量的nabh4(sbh)，或者为了小输出驱动反应器时，反应器具有小尺寸并且因此可以容易地更换，但是当多于几千克的sbh反应以增加氢气的量时，必须使用较重和较大的反应器，导致不方便更换的问题。这个问题可能加剧，因为引起更高压力反应的反应器需要更厚。

8、特别地，当冷却至室温时，产物固化/固定，从而难以清楚地从反应器中除去并因此干扰重启反应。产物可以通过加热而熔化，但是需要单独的热源，这增加了在系统中消耗的能量。

9、此外，因为固-液氢气生成反应是非均匀反应，所以氢气流量可能难以控制。当在反应器中可生成的所有氢气在没有重启的情况下被放入高压缓冲罐中时，必须增加缓冲液的体积。

技术实现思路

1、在一种实施方式中，提供了脱氢反应装置，其中，反应物注入、脱氢反应、和产物回收过程可以独立地分离，以产生作为连续反应的氢气。而且，反应器和产物回收罐单独地被配置为分离反应物和产物以提供可再启动性。因此，易于更换产物存储罐，其不具有比反应器更复杂的注入部件连接和内部结构，并且不需要应用厚材料用于高压反应。而且，可以容易地除去产物，可以减少当从产物存储罐中除去水时系统的重量，通过化学氢化物水溶液的流量控制可以立即进行输出控制，并且可以通过连续反应降低反应器和氢气存储罐的尺寸。

2、在另一实施方式中，提供一种用于控制脱氢反应装置的方法。

3、根据实施方式，脱氢反应装置包括：化学氢化物存储单元，包括化学氢化物存储罐；反应单元，包括酸水溶液存储罐和用于通过使化学氢化物与酸水溶液起反应生成氢气的脱氢反应器；氢气存储单元，包括用于存储在脱氢反应器中产生的氢气的氢气存储罐；和回收单元，用于回收在脱氢反应器中产生的产物。

4、化学氢化物存储罐可包括化学氢化物和稳定剂，稳定剂包括氢氧化钠(naoh)、氢氧化钾(koh)、氢氧化锂(lioh)、氢氧化铯(csoh)或其组合。

5、化学氢化物存储单元可将化学氢化物直接从化学氢化物存储罐注入到脱氢反应器中。

6、化学氢化物存储单元还可以包括储水罐和混合器，混合器用于通过混合化学氢化物和水来制备化学氢化物水溶液。

7、化学氢化物存储单元可将化学氢化物水溶液供应至脱氢反应器。

8、化学氢化物水溶液可以包括20wt.％至80wt.％的化学氢化物、1wt.％至10wt.％的稳定剂以及剩余量的水。

9、化学氢化物水溶液可以与酸水溶液同时注入到脱氢反应器中，或者可以在首先注入酸水溶液之后注入到脱氢反应器中。

10、化学氢化物水溶液和酸水溶液可以在注入到脱氢反应器中之后的3秒内彼此接触。

11、脱氢反应器可包括被配置为喷射化学氢化物水溶液的第一喷嘴，和被配置为喷射酸水溶液的第二喷嘴。

12、第一喷嘴或第二喷嘴可包括用于雾化化学氢化物水溶液或酸水溶液的径向喷射器。

13、化学氢化物水溶液可以加热至30℃至80℃范围内的温度并注入到脱氢反应器中。

14、反应单元还可以包括用于将脱氢反应器的温度保持在100℃至400℃范围内的温度下的冷却水存储罐。

15、氢气存储单元还可以包括水分收集器、甲烷化器、过滤器、或它们的组合，用于在氢气存储罐的前端处将氢气与在脱氢反应器中产生的混合气体分离。

16、当产物的温度大于或等于40℃时，回收单元可以以液态从脱氢反应器中回收产物。

17、回收单元可以包括产物存储罐，其被配置为接收在脱氢反应器中产生的混合气体和产物，然后将混合气体转移到氢气存储单元的前端。

18、产物存储罐可以通过蒸发在产物中包含的水分来进行排出。

19、回收单元可以通过将大于或等于40℃的溶剂注入产物存储罐来溶解和排出产物。

20、根据另一示例性实施方式，脱氢反应装置的控制方法包括：(a)确定燃料电池是否需要氢气供应，(b)当燃料电池需要氢气供应时，确定该氢气存储罐中的压力是否小于参考压力，(c)当该氢气存储罐的压力小于该参考压力时，混合化学氢化物和水以制备化学氢化物水溶液，(d)确定脱氢反应器的内部压力是否小于预定的极限压力，(e)当脱氢反应器的内部压力小于预定的极限压力时，将化学氢化物和酸水溶液注入脱氢反应器中以执行脱氢反应，(f)确定脱氢反应器的内部压力是否大于氢气存储罐的内部压力，(g)当脱氢反应器的内部压力大于氢气存储罐的内部压力时，将在脱氢反应器中产生的氢气供应至氢气存储罐并且返回至步骤(f)，(h)当脱氢反应器的内部压力不大于氢气存储罐的压力时，停止将化学氢化物水溶液和酸水溶液注入到脱氢反应器中，并且将氢气存储罐中的氢气转移到燃料电池，(i)确定脱氢反应器的内部压力是否小于产物排出压力，(j)当脱氢反应器的内部压力不小于产物排出压力时返回至步骤(g)，(k)当脱氢反应器的内部压力小于产物排出压力时，将脱氢反应器中的混合气体和产物转移到产物存储罐，将产物存储罐中的混合气体转移到氢气存储单元中，然后返回至步骤(a)，以及(l)当燃料电池不需要氢气供应时终止操作。

21、在步骤(b)中，参考压力是能够供应至燃料电池的高于大气压的压力。

22、在步骤(d)中，预定的极限压力可以是脱氢反应器通过氢气加压时的最大允许压力。

23、在步骤(f)中，氢气存储罐的内部压力可以是正常压力至预定的极限压力。

24、在步骤(i)中，产物排出压力可以是使用混合气体将产物从脱氢反应器中自动排出的最小压力。

25、参考压力可以在10巴至20巴的范围内。

26、产物排出压力可在1巴至10巴的范围内。

27、在步骤(b)中，当氢气存储罐的压力不小于参考压力时，该方法可移动至将氢气从氢气存储罐供应至燃料电池的步骤(h)。

28、在步骤(d)中，当脱氢反应器的内部压力不小于设置的极限压力时，该方法可以移动至确定脱氢反应器的内部压力是否大于氢气存储罐的内部压力的步骤(f)。

29、在根据实施方式的脱氢反应装置中，反应物注入、脱氢反应以及产物回收过程可以独立地分离，以产生作为连续反应的氢气，并且反应器和产物回收罐单独地被配置为分离反应物和产物以提供可再启动性。因此，易于更换产物存储罐，其不具有比反应器更复杂的注入部件连接和内部结构，并且不需要应用厚材料用于高压反应，可以容易地除去产物，可以减少当从产物存储罐除去水时系统的重量，通过化学氢化物水溶液的流量控制可以立即进行输出控制，并且可以通过连续反应降低反应器和氢气存储罐的尺寸。