一种电化学制氢的生产系统和生产方法技术方案

本发明专利技术提供了一种电化学制氢的生产系统，包括液氨源；与所述液氨源的液相出口相连接的电解池；与所述电解池的气相出口相连接的气体纯化装置；所述气体纯化装置设置有氮气和氨气混合气出口和氢气出气口；与所述气体纯化装置的氢气出气口相连接的二级吸收装置；与所述二级吸收装置的出气口相连接的氢气储存装置。该系统将液氨作为氢的运储介质，在常温下电催化分解得到氢气，通过对气体的多级提纯和缓冲，得到可以直接供燃料电池等设备使用的纯氢气。本发明专利技术提供的生产过程简单易行，可方便快捷地分解液氨为可直接利用的氢能，有助于降低储运氢、制氢的成本，用氢终端设备的小型化、绿色化，具有极大的商业价值和应用前景。

A production system and method of electrochemical hydrogen production

【技术实现步骤摘要】
一种电化学制氢的生产系统和生产方法
本专利技术属于电化学制氢制备
，涉及一种电化学制氢的生产系统和生产方法，尤其涉及一种以液氨为储氢材料电分解制备氢气的生产系统及生产方法。
技术介绍
21世纪能源短缺与环境问题是人类生存的两大亟待解决的问题，对于中国现代化建设，能源与环境是发展的核心。氢能被看作是21世纪最具发展潜力的能源，是人类的战略能源发展方向。氢能不仅储量丰富、可再生、高燃烧热值，并且其燃烧产物为水，是世界上最干净的能源。由于氢能的种种优势，世界上许多国家和地区在广泛开展氢能的研究并尝试使用氢能。在我国，在节能减排大趋势下，发展氢燃料电池已成为解决环境污染和能源短缺的重要选择，已被纳入诸多重要的战略纲要文件中，但氢燃料电池的上游产业链“氢气的高效制备和大规模运输与储存”仍是亟待解决的卡脖子难题。但是在实际应用中，由于缺乏储运规范，导致氢燃料只能以气态方式运输，这种方式成本高，且不安全，不利于降低终端用氢成本。目前储氢的方式有许多种，高压气态储氢是目前较为广泛使用的一种储存方式，由于氢分子特殊的性质，使用传统不锈钢和铝合金制成的压力容器单位质量储氢密度较小，储氢效率较低。液态储氢对储氢容器的绝热要求很高，目前民用领域应用很少。目前大量的储氢研究是基于物理化学吸附的储氢方法，这类吸附氢的材料有碳制材料、金属有机框架材料和沸石咪唑酯骨架结构材料和微孔/介孔沸石分子筛等矿物储氢材料。目前，吸附材料储氢材料若兼顾安全、成本、容量等方面的考虑，还没有一种可以达到应用要求。因而，现在产氢载体成为研究热点，常见的载体有甲烷、乙醇、甲酸、甲基环己烷等。甲烷是天然气的主要成分，具有较高的氢含量，可以以气体或者高压液体的形式运输，但是使氢气从甲烷中释放需要极高的温度，消耗大量的能量，并且会释放大量的温室气体。当以乙醇为氢载体时，虽然其相对于甲烷释放出氢气的条件较为温和，但是也是会消耗大量的能量，释放出大量的温室气体。甲酸可在近室温的条件下使用贵金属催化剂释放出氢气，其氢含量较低。在产氢载体中，氨气的氢含量最高达17.6％，易液化，储存和运输方便，并且价格低廉，是生产农业化肥的重要原料，但随着农业用氨需求量增速的放缓，合成氨产能过剩的问题日益凸显。而且氨气极易液化，在干燥的情况下并不会腐蚀不锈钢等罐体，液氨在单位质量下有着极高的氢含量，有着优异的储运性质，作为氢的运输储存介质，有成本低、含氢量高、便于运储、绿色等优势。相较而言，氨解制氢技术的开发将对合成氨产业的良性发展及产能的消纳有重要意义。目前工业上广泛使用催化化石燃料裂解，电解水，高温高压氨分解制备氢气。当前使用的百分之九十的氢气来自于化石燃料裂解的方式，这种方式虽然在价格上占据优势，但是使用的是一次能源，并且在制备过程中产生大量的温室气体，并不符合绿色化学的要求。电解水虽然有使用在自然界大量存在的水作为原料，产氢纯度高的优势，但是价格昂贵，需要消耗大量电能。高温高压的方式分解氨制备氢气，该方法需要很高的温度，消耗大量的能量，且在高温下制备氢气存在安全隐患，不符合绿色化学的要求，且设备庞大、不利于终端使用。因此，如何找到一种合适的方法，解决目前储氢和制氢过程中存在的上述问题，使其生产过程更加环保，使用时更加便利，已逐渐成为领域内具有前瞻性的研究人员广泛关注的焦点之一。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种电化学制氢的生产系统和生产方法，特别是一种以液氨为储氢材料电分解制备氢气的生产系统，本专利技术对电化学法分解液氨法进行系统化创建，直接得到可供使用的氢气，电催化过程效率较高，反应易于控制，而且可连续进行，不会造成资源和能量的浪费，装置可以实现高度的模块化与小型化，在国内去产能的大背景下，该方案的实施具有极大的商业价值和市场前景。本专利技术提供了一种电化学制氢的生产系统，包括液氨源；与所述液氨源的液相出口相连接的电解池；与所述电解池的气相出口相连接的气体纯化装置；所述气体纯化装置设置有氮气和氨气混合气出口和氢气出气口；与所述气体纯化装置的氢气出气口相连接的二级吸收装置；与所述二级吸收装置的出气口相连接的氢气储存装置。优选的，所述液氨源与所述电解池之间设置有柱塞泵；所述电解池的气相出口处设置有冷凝装置；所述电解池的气相出口与所述气体纯化装置之间设置有真空计；所述气体纯化装置包括高温气体纯化装置；所述电解池的气相出口的外接管路上还连接有真空泵。优选的，所述液氨源包括液氨钢瓶；所述电解池为高压密封电解池；所述气体纯化装置为钯膜气体纯化装置；所述二级吸收装置为剩余氨气吸收柱；所述氢气储存装置包括氢气储存罐；所述电化学制氢的生产系统可以连续进行制氢。优选的，所述电解池的液相进口和气相出口远端设置；所述二级吸收装置的出气口与所述氢气储存装置之间设置有隔膜泵；所述电解池包括电极和电解液；所述电极包括双电极体系和三电极体系；所述电解液为含有铵盐的液氨。优选的，所述双电极体系包括阳极和阴极；所述阳极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；所述阴极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；所述催化剂包括铂纳米颗粒、铱纳米颗粒、钌纳米颗粒和过渡金属氮化物中的一种或多种。优选的，所述三电极体系包括工作电极、对电极和参比电极；所述工作电极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；所述对电极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；所述催化剂包括铂纳米颗粒、铱纳米颗粒、钌纳米颗粒和过渡金属氮化物中的一种或多种；所述参比电极包括银丝准参比电极。优选的，所述过渡金属氮化物包括氮化碳、氮化铁、氮化钴、氮化铌和氮化钛中的一种或多种；所述负载的负载量为0.1wt.％～20wt.％；所述铵盐包括氯化铵、溴化铵、硝酸铵和六氟磷酸铵中的一种或多种；所述铵盐的浓度为0.1～5mol/L。本专利技术还提供了一种电化学制氢的生产方法，包括以下步骤：1)将液氨注入含有铵盐的电解池中，经电化学反应后，得到氢气、氮气和氨气的混合气；2)将上述步骤的混合气经过气体纯化后，得到氢气。优选的，所述电化学反应包括两电极电化学反应或三电极电化学反应；所述两电极电化学反应体系的电位区间为-2.0～2.0V；所述三电极电化学反应体系的电位区间为-2.0～2.0vs.银丝准参比电极；所述电化学反应为恒电位电解或恒电流电解；所述气体纯化前还包括冷凝步骤；所述冷凝的温度为-77～-33℃。优选的，所述电解池内的压力为小于等于5Mpa；所述液氨的注入速度为小于等于1mL/s；所述电化学反应为在催化剂的作用下进行电化学反应；所述电化学反应为常温电化学反应；所述气体纯化的温度为350～380℃。本专利技术提供了一种电化学制氢的生产系统，包括液氨源；与所述液氨源的液相出口相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学制氢的生产系统，其特征在于，包括液氨源；/n与所述液氨源的液相出口相连接的电解池；/n与所述电解池的气相出口相连接的气体纯化装置；/n所述气体纯化装置设置有氮气和氨气混合气出口和氢气出气口；/n与所述气体纯化装置的氢气出气口相连接的二级吸收装置；/n与所述二级吸收装置的出气口相连接的氢气储存装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学制氢的生产系统，其特征在于，包括液氨源；
与所述液氨源的液相出口相连接的电解池；
与所述电解池的气相出口相连接的气体纯化装置；
所述气体纯化装置设置有氮气和氨气混合气出口和氢气出气口；
与所述气体纯化装置的氢气出气口相连接的二级吸收装置；
与所述二级吸收装置的出气口相连接的氢气储存装置。


2.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述液氨源与所述电解池之间设置有柱塞泵；
所述电解池的气相出口处设置有冷凝装置；
所述电解池的气相出口与所述气体纯化装置之间设置有真空计；
所述气体纯化装置包括高温气体纯化装置；
所述电解池的气相出口的外接管路上还连接有真空泵。


3.根据权利要求2所述的生产系统，其特征在于，所述液氨源包括液氨钢瓶；
所述电解池为高压密封电解池；
所述气体纯化装置为钯膜气体纯化装置；
所述二级吸收装置为剩余氨气吸收柱；
所述氢气储存装置包括氢气储存罐；
所述电化学制氢的生产系统可以连续进行制氢。


4.根据权利要求1～3任意一项所述的生产系统，其特征在于，所述电解池的液相进口和气相出口远端设置；
所述二级吸收装置的出气口与所述氢气储存装置之间设置有隔膜泵；
所述电解池包括电极和电解液；
所述电极包括双电极体系和三电极体系；
所述电解液为含有铵盐的液氨。


5.根据权利要求4所述的生产系统，其特征在于，所述双电极体系包括阳极和阴极；
所述阳极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；
所述阴极的材质包括铂或负载有催化剂的碳材料；
所述催化剂包括铂纳米颗粒、铱纳米颗粒、钌纳米颗粒和过渡金属氮化物中的一种或多种。

【专利技术属性】
技术研发人员：张新波，张宁，石苗苗，鲍迪，陈红，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22