[发明专利]交替式制取氢气的装置

说明书

技术领域

本发明涉及新能源(可再生能源)技术领域，尤其涉及一种交替式制取氢气的装置。

背景技术

随着传统能源消耗量的加剧以及随之而来的环境污染愈发严重，可再生能源日益引起世界各国政府和研究机构的重视。氢气是一种能量密度很高的能源，而且既可以通过分解地球上储量极其丰富的水制取，又可以依靠化石能源中储量较多的天然气重整制取，因此氢气作为清洁能源日益成为研究的热点。

目前制取氢气主要有分解水制取氢气、甲烷重整两种。分解水制取氢气中最为常见的是电解水制氢，但电解水需要消耗能量品位极高的电能，能耗较大，因此并不划算。利用高温下水分解反应吉布斯自由能降低的特点，已经发展了多种催化剂的热化学循环催化分解水制取氢气的方法。原理为利用金属氧化物在高温下放氧，低温下得氧的能力，在低温下通入水为氧化剂，将失氧后的金属氧化物氧化，并放出氢气。该方法仅需要利用热能即可实现水分解，但金属氧化物放氧温度较高(一般为1500℃左右)，高温对于反应器材料和密封性能都带来挑战。目前的热化学循环催化分解水制取氢气的方法都是水蒸气一次性通过高温反应器，由水的热力学性质所限，水的转化率很低(当反应温度为1500℃，气体组分分压为10^-5atm时，水的转化率为1.26％)，系统热能至氢气化学能的转换效率同样很低。目前甲烷重整制氢温度在700℃以上，同样能耗较大，且制取氢气中含有一氧化碳、二氧化碳和没有完全反应的甲烷，纯度不高。

相比于传统方法制氢，基于质子导体和氧离子导体(或碳酸根离子导体)交替式制取氢气装置可以利用太阳能、核能和工业废热等为热源，减少电能和化石能源的使用，对实现能源的可持续发展具有重要意义。

然而，在实现本发明的过程中，申请人发现目前的交替式制取氢气装置的结构不尽合理，导致制氢效率不高，

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种交替式制取氢气的装置，以优化结构设计，提高制氢效率。

(二)技术方案

本发明交替式制取氢气的装置包括：反应器。该反应器包括：交替设置并通过管道连接的若干个质子导体反应腔(3)和第二离子导体反应腔；与多个质子导体反应腔(3)的氢气出口相连通的抽氢真空管道(7)；以及与多个第二离子导体反应腔(4)的第二气体出口相连通的抽第二气体真空管道。其中，质子导体反应腔(3)内部具有质子导体催化剂，所述第二离子导体反应腔内具有能与第二气体结合的第二离子导体催化剂；首个反应腔的一侧设置反应气入口；末个反应腔的一侧设置反应气出口。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明交替式制取氢气的装置具有以下有益效果：

(1)反应气管路由质子导体反应腔和氧离子导体反应腔(或碳酸根离子导体反应腔)交替连接而成，水蒸气或甲烷和水蒸气分别和质子导体催化剂和氧离子导体催化剂(或碳酸根离子导体催化剂)作用交替分解，气体反应物转化率比通过单一热化学循环时有大幅提升，若质子导体反应腔和氧离子导体反应腔(或碳酸根离子导体反应腔)数量足够多，水蒸气可以完全分解(或甲烷完全重整)；

(2)连续通过质子导体反应腔和氧离子导体反应腔(碳酸根离子导体反应腔)，使高温水蒸气被不断分解或甲烷湿重整不断进行，减少了流出系统的高温未反应原料气的热损耗，同时可以制取更多的氢气，具有比传统方法更高的热效率；

(3)将质子导体反应腔和氧(碳酸根)离子导体反应腔连接成环形，并将抽氢真空管道和抽氧(二氧化碳)真空管道设置在环形的内侧或外侧，大大提高了集热器反应室的空间利用率；

(4)与现有技术的装置相比，可以通过控制质子导体催化剂和氧离子导体催化剂(或碳酸根离子导体催化剂)的表面积来控制调节气体反应物的速率，控制质子导体催化剂吸氢，氧离子导体催化剂吸氧或碳酸根离子导体催化剂吸收二氧化碳的速率与气体反应物反应的动力学性能匹配；

(5)可以和太阳能等新能源以及核能、工业废热相结合，清洁环保；

(6)装置通过质子导体催化剂和氧离子导体催化剂或碳酸根离子导体催化剂产生高纯氢气和高纯氧气或高纯二氧化碳，避免工业化生产所造成的一氧化碳残留，在能源动力、医疗、化工等方面具有重要意义。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例交替式制取氢气装置的正面图；

图2为图1所示交替式制取氢气装置的背面图；

图3为图1所示交替式制取氢气装置中反应器正面的立体图；