[发明专利]一种基于电化学原理合成氨的系统

说明书

本发明涉及一种基于电化学原理合成氨的系统，包括供氢罐、合成氨反应器、供氮罐和氨处理装置；合成氨反应器包括膜电极组件、阳极气室和阴极气室；供氢罐上连通设有增湿组件，增湿组件与所述阳极气室连通；供氮罐与所述阴极气室连通；氨处理装置包括储氨罐，储氨罐与阴极气室连通；阳极气室上还设排氢口。合成氨反应器在通电下，氢气在阳极气室解离为氢质子，氮气在阴极气室发生还原反应与氢质子结合生成氨，实现基于电化学原理的制氨，整个装置简单易制，适用场景广泛，很大程度上降低了传统制氨过程中的能耗，间接地将氨作为了氢的载体，保证了在后续无论运输还是储存中，都可以相对之前更加便捷地利用氢能，为氢能的广泛应用提供了新思路。

技术领域

本发明涉及储氢技术领域，具体涉及一种基于电化学原理合成氨的系统。

背景技术

氢能源具有热值高、环保的特点，是一种具有较高应用前景的新能源。

传统储氢方式一般是将氢气通过压缩的方法储存在储氢罐中，而该种储氢罐为了满足储氢的要求，其在生产时需要设计为能保证最高98MPa的压力，并且由于“氢脆”现象的存在，使得储氢罐无论是在选材还是工艺方面都具有一个近乎苛刻的条件，很大程度上增加了储氢罐设计的难度；同时由于储氢罐的重量较重，使得氢能的储存、运输以及利用方面都成为一个棘手的问题。

氨(NH₃)是一种化工原料，其中氢的质量分数为17.6％，能量密度最多可达到300Wh/kg，并且液态氨的储氢密度是35MPa下储氢罐储氢密度的五倍，不仅如此，氨在室温、0.8MPa左右时，就能以液态的形式储存，非常适合远距离的输送，同时氨具有刺激性气味，若存在泄露，可在第一时间发现，避免造成更大的泄露损失，是一种非常好的储氢载体。

氮气和氢气可以合成氨，即氢气储存在氨气中可以通过合成氨的方式来实现，在工业上合成氨是在高温高压条件下将N2和H2催化合成的，该过程中需要的条件严格，耗能极高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电化学原理合成氨的系统，以解决传统合成氨过程中合成要求高、能耗高的问题，从而便于实现对氢的储存和利用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电化学原理合成氨的系统，包括供氢罐、合成氨反应器、供氮罐和氨处理装置；所述合成氨反应器包括膜电极组件、阳极气室和阴极气室；所述供氢罐上连通设有增湿组件，所述增湿组件与所述阳极气室连通；所述供氮罐与所述阴极气室连通；所述氨处理装置包括储氨罐，所述储氨罐与阴极气室连通；所述阳极气室上还设排氢口。

进一步优选，所述增湿组件为增湿器；所述增湿器上连通设有用于排出多余氢气的氢气排空阀；所述系统还包括第一水箱，第一水箱与所述排氢口连通；所述第一水箱又与所述增湿器相连通使合成氨反应器中未反应的氢气重新回流至增湿器。

进一步优选，所述增湿组件为第二水箱，所述第二水箱上设有喷淋鼓泡组件；所述排氢口连通设有供多余氢气排出的氢气排空阀。

进一步优选，所述膜电极组件包括阳极催化剂、阴极催化剂和质子传导膜；所述阳极催化剂和所述阴极催化剂分别涂覆在所述质子传导膜两侧；所述阳极催化剂为铂基催化剂；所述阴极催化剂为金基催化剂。

进一步优选，所述供氢罐和所述增湿组件之间连通设有氢气控制阀；所述供氮罐和所述合成反应器之间连通设有氮气控制阀。

进一步优选，所述氨处理装置还包括氮气分离装置和干燥装置；所述氮气分离装置和所述干燥装置前后设置在所述阴极气室和所述储氨罐连通的管路上。

进一步优选，所述氮气分离装置为氮气分离塔；所述干燥装置为设有氧化钙的干燥通道。

进一步优选，所述阴极气室和所述氮气分离塔之间的管路上设有第一氨控制阀；所述氮气分离塔上设有排出氮气的排空阀；所述干燥通道和所述储氨罐之间连通的管路上设有第二氨控制阀。