提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法。装置包括混合气仓和吸氢容器；吸氢容器内底部设置可供气体穿过、用于承载吸氢材料且可阻止吸氢材料掉落的支撑件；吸氢容器上位于支撑件的下方设置与混合气仓连接的进气口；混合气仓用于向吸氢容器提供含氢气和惰性杂质气体的混合气。方法包括：向吸氢材料分段多次提供含氢气和惰性杂质气体的混合气；或者，使用所述装置，在吸氢容器内的支撑件上放置吸氢材料，利用混合气仓通过进气口向吸氢容器内提供含氢气和惰性杂质气体的混合气，使混合气向上流动穿过吸氢材料，提升吸氢材料在混合气中的氢化反应速度。的氢化反应速度。的氢化反应速度。

【技术实现步骤摘要】
提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法


[0001]本专利技术涉及氢气储存、运输与分离回收的
，具体涉及一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法。

技术介绍

[0002]随着传统化石能源的逐渐消耗，氢能作为一种高效清洁的可再生能源受到了广泛关注。在氢能的实际使用过程中，需要对H2进行合理的储存，运输与分离回收。固态储氢材料因其具备温和可控的吸放氢条件，合理的热力学性能，较快的吸放氢动力学速度，被认为是优良的储氢方式。然而，在储氢材料吸氢的过程中，氢气中可能会混有CO、CO2、O2、Ar、CH4、N2等其他杂质气体，从而使得材料的氢化反应速度减慢，进而影响储氢材料在H2的储存、运输、分离回收等领域的应用。
[0003]在众多可能污染H2的杂质气体中，Ar、CH4和N2通常不会影响储氢材料的氢化反应本征活性，因此将上述气体统称为惰性杂质气体。对于某些特定储氢材料例如Pd，也可能存在除上述惰性杂质气体以外不影响材料氢化反应活性的惰性杂质气体(CO2对Pd也是惰性杂质气体)。如图1所示理论计算的结果表明：当储氢材料置于含H2和惰性杂质气体的混合气中时，惰性杂质气体与储氢材料表明表现出非常弱的物理吸附作用。在杂质气体物理吸附于储氢材料表面后，吸附的H2依然可以发生自发解离。因此，H2中混有的惰性杂质气体并不会影响H2在材料表面的自发解离过程，即惰性杂质气体并不会影响储氢材料的氢化反应本征活性。当储氢材料刚开始接触到含惰性杂质气体的H2时，会以较快的速度选择性吸收一定量的H2。
[0004]然而，当H2中混有惰性杂质气体时，随着吸氢时间的延长，由于储氢材料快速选择性吸收混合气体中的H2，使得惰性杂质气体在储氢材料表面附近被分离形成富集层。这种惰性杂质气体富集层阻碍了H2分子向储氢材料表面的扩散传质，使得储氢材料表面附近的H2分压显著低于混合气体中H2的原始浓度，进而阻碍材料的吸氢反应。因此，储氢材料在含惰性杂质气体的H2中吸氢时，随着吸氢过程的持续进行，其氢化反应速度会发生明显衰退。当吸氢反应进入稳态扩散流阶段后，材料的吸氢过程近乎停滞。
[0005]现有技术主要通过控制混合气中惰性杂质气体的浓度来提升储氢材料的氢化反应速度。然而，在实际使工况下，杂质气体的浓度往往是不可控的，如果为此增加一个H2提纯的环节，则会大大增加使用成本，降低使用效率。本专利技术可以在不需通过对混合气杂质气体进行前期提纯复杂处理的基础上，通过优化加氢过程的物理工程工艺设计，极大的提升材料在含氢气和惰性杂质气体混合气中吸氢反应速度。本专利技术对储氢材料在H2储存，运输与分离回收等领域的应用具有重大的意义。

技术实现思路

[0006]针对吸氢材料在含惰性杂质气体的氢气混合气中氢化反应速度普遍衰减的问题，
本专利技术提供了一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法，解决了吸氢材料在含惰性杂质气体的H2混合气中吸氢动力学减慢的问题。本专利技术技术方案中所述的“氢气”、“H
2”、“氢”应按照广义理解，即涵盖氢同位素氕、氘、氚中的一种或多种。
[0007]具体技术方案如下：
[0008]一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置，包括混合气仓和吸氢容器；
[0009]吸氢容器内底部设置可供气体穿过、用于承载吸氢材料且可阻止所述吸氢材料掉落的支撑件；吸氢容器上位于支撑件的下方设置与混合气仓连接的进气口；
[0010]混合气仓用于向吸氢容器提供含氢气和惰性杂质气体的混合气。
[0011]作为优选，混合气仓带有压力传感器，以便实时监测混合气仓内混合气的压力，以及反映吸氢容器与混合气仓连通后的压力。
[0012]所述吸氢材料包括但不限于金属基储氢材料、配位储氢材料、多孔吸附材料、有机储氢材料等。在一实施例中，所述吸氢材料为ZrCo合金。
[0013]所述惰性杂质气体指不影响H2与吸氢材料的反应本征活性的气体。优选的，所述惰性杂质气体为氮气(N2)、氩气(Ar)、甲烷(CH4)中的至少一种。
[0014]一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的方法，采用所述的提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置，在吸氢容器内的支撑件上放置吸氢材料，利用混合气仓通过进气口向吸氢容器内提供含氢气和惰性杂质气体的混合气，使所述混合气向上流动穿过所述吸氢材料，提升所述吸氢材料在所述混合气中的氢化反应速度。
[0015]优选的，混合气仓分段多次向吸氢容器内提供所述混合气，可进一步提升所述吸氢材料在所述混合气中的氢化反应速度。
[0016]进一步优选的，自第二次开始，混合气仓每次向吸氢容器内提供所述混合气的压力都比上一次高。
[0017]另一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的方法，向吸氢材料分段多次提供含氢气和惰性杂质气体的混合气。
[0018]作为优选，自第二次开始，每次向吸氢材料提供所述混合气的压力都比上一次高。
[0019]所述吸氢材料包括但不限于金属基储氢材料、配位储氢材料、多孔吸附材料、有机储氢材料等。在一实施例中，所述吸氢材料为ZrCo合金。
[0020]所述惰性杂质气体指不影响H2与吸氢材料的反应活性的气体。优选的，所述惰性杂质气体为氮气、氩气、甲烷中的至少一种。
[0021]作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供了所述的装置或所述的方法在提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度中的应用。
[0022]本专利技术技术方案中，所述含氢气和惰性杂质气体的混合气中惰性杂质气体的含量可以是1mol％
‑
10mol％。
[0023]本专利技术与现有技术相比，有益效果有：
[0024]1)本专利技术无需对混合气体的成分、压力等参数进行复杂的预调控，而是通过优化加氢的装置和方式来提升材料在含氢气和惰性杂质气体混合气中的氢化反应速度。在实际
工况下可以直接使用本专利技术所提供的方案，无需对混合气进行纯化处理，从而大大降低了应用成本和效率。
[0025]2)本专利技术可以显著提升储氢材料在含惰性杂质气体的H2混合气中的吸氢速度。通过本专利技术提供的方案，储氢材料可以在混合气中较快速的吸氢到饱和容量。
[0026]3)本专利技术方法步骤简单，安全性高，无需增加复杂的装置，对于广泛的吸氢材料在复杂的多元惰性杂质气体和氢气混合气中氢化反应速度的提高仍适用，对于促进吸氢材料在H2储存、运输与分离回收等领域的应用具有里程碑式的意义。
附图说明
[0027]图1为H2以及惰性杂质气体N2、Ar、CH4与ZrCo(110)表面相作用的理论计算。
[0028]图2为实施例1的提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置结构示意图。
[0029]图3为对比例1的装置结构示意图。
[0030]图4为对比例1中ZrCo合金在1.2bar纯H2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置，其特征在于，包括混合气仓(2)和吸氢容器(3)；吸氢容器(3)内底部设置可供气体穿过、用于承载吸氢材料且可阻止所述吸氢材料掉落的支撑件(4)；吸氢容器(3)上位于支撑件(4)的下方设置与混合气仓(2)连接的进气口(5)；混合气仓(2)用于向吸氢容器(3)提供含氢气和惰性杂质气体的混合气。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，混合气仓(2)带有压力传感器(1)。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸氢材料为ZrCo合金。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述惰性杂质气体为氮气、氩气、甲烷中的至少一种。5.一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的装置，在吸氢容器(3)内的支撑件(4)上放置吸氢材料，利用混...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖学章，毕嘉鹏，张亚杰，陈立新，戚家程，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：