本发明专利技术涉及一种用于提供氢气的系统，其包括脱氢单元(4)，用于从至少部分加载的载氢介质中释放含氢气的气体混合物；与所述脱氢单元(4)连接的分离/纯化单元(5)，用于至少部分地从所述气体混合物中分离氢气并且纯化分离的氢气，其中所述分离/纯化单元(5)具有分离膜(17)；与所述分离/纯化单元(5；5a)连接的利用单元(6),用于利用纯化的氢气；与所述分离/纯化单元(5；5a)连接的热转换单元(7)，用于热转换残余气体混合物。
Systems and methods for the supply and further use of hydrogen
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于供应和进一步使用氢气的系统和方法本专利申请主张德国专利申请DE102017217748.9的优先权，其内容通过引用被并入本文。本专利技术涉及一种用于供应并且进一步使用氢气的系统和方法。氢气可用于燃料电池中的发电。为此，必须以例如至少99.9％的高纯度供应氢气。一氧化碳(CO)或烃(TOC)等杂质特别不利，损害燃料电池的运行。一种已知的用于提供氢气的方法是使载氢介质脱氢，尤其是使液体有机载氢介质(也称为液体有机氢载体(LOHC))脱氢。JP2002/134141A公开了利用LOHC脱氢反应从气体混合物中分离出氢气。利用LOHC脱氢反应分离氢气开支巨大，因此所分离的氢气应尽量用于发电。燃料电池的最大效率为55％。总体效率是根据燃料电池效率、98％的载氢介质氢化效率和后期70％的载氢介质脱氢效率而得出的，最多为38％。燃料电池的实际效率通常在45％至50％之间，因此实际总体效率约为30％至34％。本专利技术的目的是，改进氢气的供应，尤其是为在燃料电池中的利用而改进氢气的供应，尤其是将效率提高到理论上的最大总体效率38％。该目的通过具有权利要求1所述特征的系统和具有权利要求6所述特征的方法来实现。本专利技术的核心在于，将来自脱氢单元的气体混合物中的氢气在分离/纯化单元中至少部分地进行分离纯化。意外发现，如果只对气体混合物的子流进行纯化以用于后期发电，该方法的总体效率就会提高。减少了待要用于发电的子流的纯化所涉及的开支，从而提高了总体效率。当分离/纯化单元具有分离膜，用于从气体混合物中分离氢气以及纯化氢气时，这是特别有利的。本专利技术还基于这样的发现：分离膜可用于从LOHC脱氢中纯化氢气。根据本专利技术，从现有技术中已知的具有上游分离步骤和下游纯化步骤的两步法可以借助分离膜作为组合的一步工艺来实现。简化了方法，尤其减少了氢气纯化所涉及的开支。本专利技术的主要优点在于，提高了总体效率，同时减少了氢气纯化所涉及的开支。若所使用的载氢介质是LOHC，氢就是通过有机分子或有机分子混合物的催化脱氢反应释放的。这意味着通过加载的载体介质的物理变换(借助催化脱氢反应在卸载单元中卸载)来释放氢。在加载状态下，该载体介质尤其是一种饱和多环化合物，尤其是全氢二苄基甲苯或全氢苄基甲苯，其能够作为纯净物、异构体混合物或混合物被相互使用。或者，加载的载体介质是一种饱和多环化合物，其包含氮或氧等杂原子，尤其是全氢-N-乙基咔唑、全氢-N-丙基咔唑、全氢-N-异丙基咔唑、全氢-N-丁基咔唑或这些物质的合成物。或者，所使用的加载载体介质也可以是饱和有机低聚物或聚合物，其可以通过催化脱氢转化为具有扩展π共轭电子体系的低聚物或聚合物。在该卸载单元中对加载的载体介质进行卸载，这尤其是在压力稳定的化学反应器中进行，其工艺温度在100℃到450℃之间，优选地在150℃到420℃之间，尤其是在180℃到390℃之间。工艺压力在0.1到30bar之间，尤其是在1到10bar之间，其中尤其可以使用含金属的催化剂，尤其是含铂和/或钯的催化剂。重要的是催化剂能够将从LOHC载体介质排出的氢作为氢气释放。除铂和/或钯外，铬、铁、钴、镍、铜、铱或钌等金属也尤其适用于此目的。经由第一流体导管与分离/纯化单元相连接的利用单元使得分离纯化的氢气能够直接利用、尤其是通过在发电单元中发电。利用单元也可以采取不同的形式来物理地利用氢气。发电单元尤其是燃料电池，该燃料电池尤其具有聚合物电解质膜，该燃料电池尤其是PEM燃料电池。经由第二流体导管与分离/纯化单元连接的热转换单元(尤其是氢燃烧器)使得能够以如下方式有利地提高系统的总体效率,即有利地燃烧残余气体混合物并因此能够对其进行热转换。残余气体混合物是来自脱氢单元中的气体混合物的子流，氢气已从其中分离。残余气体混合物尤其未被纯化并可能包含杂质，尤其是烃化合物形式的杂质。这样的杂质在残余气体混合物的热转换方面没有问题。这是基于这样的发现：一方面，仅部分纯化足以用于燃料电池中的氢气发电，另一方面，在热转换单元中残余气体混合物的热转换没有问题。根据权利要求2所述的热转换单元与发电单元的连接使得能够以如下方式更加提高总体效率,即通过将残余氢(尤其是来自燃料电池中的残余氢)供应给氢燃烧器。已经发现，当分离纯化的氢气部分地、尤其不完全地用于发电单元中的发电时，会进一步提高总体效率。由于用于燃料电池中发电的开支减少了，因此发电部分的效率提高了，尤其提高至最多55％。实际总体效率可提高至最多38％。即使充分利用氢气流、即将传入的氢气流全部发电，也达不到燃料电池的最大效率。根据权利要求3所述的电化学压缩机使得能够在分离/纯化单元中有利地分离氢。施加电压促进氢气通过分离膜，而其他物质、尤其是杂质不能通过膜。更尤其是通过电位的受控施加，可以以受控的方式影响待分离的气流的比例，使得能够调节用于发电单元的所分离纯化的氢气的比例。更尤其是降低了在脱氢单元中确立的所需的绝对压力。这减少了用于运行脱氢单元的开支，从而额外提高了系统的总体效率。借助电化学压缩机来提供燃料电池所需的运行压力。根据权利要求4所述的洗涤单元尤其构造为气体洗涤单元，以从气体混合物中分离LOHC组分(尤其是以液滴形态)。洗涤单元尤其布置在热转换单元的上游。附加地或可选地，洗涤单元可以设置在分离/纯化单元的上游。根据权利要求5所述的热传递单元有助于进一步提高总体效率。来自氢燃烧的热可以直接供应给脱氢单元，以提供氢气释放所必需的反应焓。当残余气体混合物的比例按照体积来确定以使得在热转换单元中产生的热刚好足以供应用于脱氢的反应焓时，是有利的。为此，可以设置中央控制单元，从而一方面监测和控制脱氢单元中的热需求，另一方面监测和控制在分离/纯化单元中氢气从气体混合物中的分离。用于控制、尤其是用于从气体混合物中分离氢气的操纵变量，可以是供应给电化学压缩机的电能或所供应的电压。附加地或可选地，发电单元中的余热可以借助脱氢单元的热传递单元进行回收利用。根据权利要求6至11所述的本专利技术方法的优点与相应系统的各个优点相对应，特此参考。根据权利要求8所述的方法能够经济可行地实施，并使得能够提高总体效率。减少了脱氢单元中增压所涉及的开支。有利的是，借助电化学压缩的增压方式提供分离/纯化单元中升高的压力水平，使得可以以诸多方式利用氢气。除了在发电单元中使用氢气发电外，另一选择是例如物理利用氢气。借助电化学压缩能够达到的氢气压力尤其大于5bar，尤其是大于10bar，使得尤其能够摒弃额外的压缩过程。降低了设备和系统技术的复杂性。该方法简单并能够有利地实施。根据权利要求9所述的方法提高了总体效率。减少了脱氢单元中用于提供热的开支。根据权利要求10所述的方法有利地将气体混合物分成子流。意外发现，当最多85％，尤其是80％，尤其是最多75％的子流从被进料到分离/纯化单元中的气体混合物中被分离并纯化以用于下游发电时，能够提高该方法的总体效率。未被分离的残余气体混合物可以直接导出用以热转换。残余气体混合物中的任何杂质均不是问题。根据权利要求11所述的方法降低了总体热需求。根据权利要求1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于提供氢气的系统，包括/na.脱氢单元(4)，用于从至少部分加载的载氢介质中释放含氢气的气体混合物，/nb.分离/纯化单元(5；5a)，与所述脱氢单元(4)连接，用于至少部分地从所述气体混合物中分离氢气并且用于纯化所分离的氢气，其中所述分离/纯化单元(5；5a)具有分离膜(17)，/nc.利用单元(6)，与所述分离/纯化单元(5；5a)连接，用于利用纯化的氢气，/nd.热转换单元(7)，与所述分离/纯化单元(5；5a)连接，用于热转换残余气体混合物。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171005 DE 102017217748.91.一种用于提供氢气的系统，包括
a.脱氢单元(4)，用于从至少部分加载的载氢介质中释放含氢气的气体混合物，
b.分离/纯化单元(5；5a)，与所述脱氢单元(4)连接，用于至少部分地从所述气体混合物中分离氢气并且用于纯化所分离的氢气，其中所述分离/纯化单元(5；5a)具有分离膜(17)，
c.利用单元(6)，与所述分离/纯化单元(5；5a)连接，用于利用纯化的氢气，
d.热转换单元(7)，与所述分离/纯化单元(5；5a)连接，用于热转换残余气体混合物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述利用单元、尤其是发电单元(6)，与所述热转换单元(7)连接，用于供应来自所述发电单元(6)中的废气流。
3.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述分离/纯化单元(5a)具有电化学压缩机(25)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，设有洗涤单元(8)，用于洗涤来自所述分离/纯化单元(5；5a)中的所述残余气体混合物，其中所述洗涤单元(8)尤其布置在所述热转换单元(7)的上游。
5.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，设有热传递单元(11)，用于将来自所述发电单元(6)和/或来自所述热转换单元(7)中的热回收到所述脱氢单元(4)中。
6.一种用于提供氢气的方法，包括如下方法步骤：
–借助脱氢单元(4)从至少部分加载的载氢介质中释放含氢气的气体混合物，
–借助与所述脱氢单元(4)连接的分离/纯化单...
【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯帕·帕茨，丹尼尔·泰赫曼，贝特霍尔德·梅尔彻，马丁·施奈德，
申请(专利权)人：海德鲁基尼斯LOHC技术有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。