[发明专利]一种用于密闭环境的有机液体供氢系统

说明书

本发明公开了一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，包括储料单元、水解制氢单元、有机液体脱氢单元和产物处理单元，水解制氢单元以金属氢化合物和水为原料，经水解制备氢气与水蒸气的混合气，氧气与混合气进入有机液体脱氢单元发生安全催化燃烧反应，有机液体在一定温度下发生催化脱氢反应，燃烧尾气水蒸气在产物处理单元经冷却后循环使用；本系统采用氢气与水蒸气的混合气作为燃料，水蒸气作为惰性气体能够降低氢氧反应速率，确保系统安全，具有无需外界供热、储氢密度高、安全可靠、无副产物气体排放等优点，适用于密闭环境，如水下航行器、深海装备等。

技术领域

本发明属于储氢技术领域，尤其涉及一种密闭环境中有机液体脱氢与燃料电池供氢系统。

背景技术

密闭环境作为一种较为特殊的环境条件，常见于水下航行器、深海装备等，具有空间有限、环境封闭、氧气稀缺等较为显著的技术特性。相对于常见敞开体系，密闭环境对动力与能源装置的能量密度和尾气排放均提出了更高要求。燃料电池是一种以氢气为燃料，以纯氧为氧化剂，氢气和氧气经电化学反应而产生电能的发电装置，是密闭环境中电源的理想方案之一。其中氧源以液氧罐提供，技术已经非常成熟，而氢源仍存在储氢密度低的技术难题。

目前储氢技术中高压气态储存和低温液态储存是主流方式。但高压气态储存的主要缺点是储氢密度较低，储氢量很难大幅度提高。低温液态储存损耗率每天为1%～2%，不适用于间歇使用的场合。此外合金储氢的主要问题是合金密度大，质量储氢密度极低；水解制氢反应剧烈，放大设计存在极大难度。有机液体储氢是目前适用于密闭环境的理想方案之一，有机液体质量储氢密度一般大于6%，在催化剂的作用下，分解成氢气与有机液体载体，经气液分离后氢气对外输送，有机液体载体作为液体回收。

有机液体储氢的应用也存在尚未完全解决的难题，关键问题之一是脱氢温度较高，一般在160℃以上，燃料电池系统内余热无法满足能量需求，需增加供热装置。电加热脱氢显然不适用密闭环境，最佳加热方式为氢氧催化燃烧。主要原因为氢气热值较高，且燃烧产物为水，方便收集。但氢氧催化燃烧反应存在反应速率高（1/1000秒），热流密度大（10⁸W/㎡）等特点，一旦不能及时移走热量，存在爆炸的安全隐患。

为了提高氢氧反应的安全性，一般在氢氧反应中引入惰性气体稀释氢气与氧气的浓度。水蒸气经冷凝后转变成液态水，方便收集，特别适用于密闭环境。而水蒸气具有热值高的特点，获得一定量的水蒸气需要消耗大量的能量，因此该技术的关键是如何获得水蒸气与氢气的混合气。

发明内容

本发明旨在提供一种有机液体脱氢供氢系统，以解决密闭环境中安全可靠供氢难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，包括顺序连接的储料单元、水解制氢单元、有机液体脱氢单元和产物处理单元；所述的储料单元包括分别连接水解制氢单元和产物处理单元的水罐、连接水解制氢单元的金属氢化物储罐、连接有机液体脱氢单元的液氧罐和有机液体罐，以及连接产物处理单元的有机液体载体储罐；所述的水罐中盛放参与水解制氢反应的去离子水，水质要求电阻率≥18MΩ；所述的金属氢化物储罐中装有金属氢化物材料；所述的液氧罐采用立式形式，由内胆、保温层和外壳组成；所述的水解制氢单元由内部有蜂窝结构催化板的水解反应器和泵阀组成，内通过水与金属氢化物储罐中的金属氢化物在催化剂的作用发生水解制氢反应，为有机液体脱氢单元提供含水蒸气的燃料氢气，作为催化燃烧的燃料；所述的有机液体脱氢单元由带脱氢腔和燃烧腔的板翅式脱氢反应器以及板翅式换热器和泵阀组成，内通过含水蒸气的氢气与液氧罐中的纯氧反应，对有机液体罐中的有机液体加热，发生有机液体的催化脱氢反应，热源来自氢气氧气的催化燃烧；所述的产物处理单元由板翅式换热器以及冷凝器和立式丝网气液分离器组成，用于将有机液体脱氢单元氢氧反应排放的燃烧烟气冷凝成水加以循环使用。

所述的一种用于密闭环境的有机液体供氢系统，其有机液体为不饱和芳香烃或杂环化合物，包括N-乙基咔唑、甲苯、二苄基甲苯等，根据硼氢化钠、氢化镁、氢化钙等性质特点，决定是否需要配成溶液。