紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢装置及方法，该装置包括：供水供气单元，用于提供反应需要的水和惰性气体；预热器，用于使水气化，并预热惰性气体，并将得到的水蒸气和预热的惰性气体输入反应器；反应器，用于放置预先混合好的高价锰氧化物和氢氧化物；在第一温度时，高价锰氧化物发生释氧反应，产生低价锰氧化物和氧气，低价锰氧化物与氢氧化物发生释氢反应，产生亚锰酸盐、水和氢气；在第二温度时，低价锰氧化物与水蒸气发生反应，生成高价锰氧化物和氢氧化物；储气单元，用于存储氢气和氧气。该装置为一种单反应器为主体的系统，完成热化学循环，分解水制取氢气和氧气并分离收集。水制取氢气和氧气并分离收集。水制取氢气和氧气并分离收集。

【技术实现步骤摘要】
紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统及方法


[0001]本专利技术涉及氢能
，尤其涉及一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统及方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会发展和前进的重要基础，也是现代科技和工业发展的基本前提，随着时代的进步，人们对能源的需求水涨船高，进而大量开采煤炭、石油、天然气等化石能源，大量化石能源的消耗不仅带来了严重的环境问题，其不可再生性也让人们担心化石能源的枯竭，因此，寻找和发展无污染可持续再生的能源替代化石能源具有重要的意义。
[0003]氢能作为一种清洁能源，具有零碳排放、热值高、储存运输方便等优点，是目前替代化石能源最理想的选择之一，在众多制氢途径中，分解水制氢方法以其原料充足、无含碳燃料使用、灵活方便等优点吸引了众多学者的注意，但由于直接分解水温度过高，条件苛刻，难以大规模商业化运用，寻找更便捷更温和的条件分解水制氢成为了目前研究的重要方向。
[0004]在众多方法中，热化学循环分解水制氢是一种分解水制氢的重要途径，它通过循环物质的释氧和得氧，将水的分解反应拆分为两步或多步，分别进行，以降低反应温度。热化学循环分解水制氢分为两步法和多步法两种，两步法主要以金属氧化物为循环物质，通过金属氧化物在高温下的热解和吸氧反应，将水分子中的氧夺走，产生氢气，再在热解反应中将夺得的氧释放出来，完成循环，这种方法温度较高约在1200℃；多步法热化学循环制氢相较于两步法而言温度较低，但循环物质复杂，如硫碘循环，体系中含有HI、HCl、I2等多种循环物质，且大多数多步法热化学循环的循环物质有毒有酸，对循环系统的抗酸和密封能力有很高的要求。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统及方法，以解决现有技术存在不足的问题。
[0006]本专利技术的一个方面提供了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢装置，包括：供水供气单元，用于提供反应需要的水和惰性气体；预热器，用于使所述水气化，并预热所述惰性气体，并将得到的水蒸气和预热的惰性气体输入反应器；反应器，用于放置预先混合好的高价锰氧化物和氢氧化物；在第一温度时，所述高价锰氧化物发生释氧反应，产生低价锰氧化物和氧气，所述低价锰氧化物与所述氢氧化物发生释氢反应，产生亚锰酸盐、水和氢气；在第二温度时，所述低价锰氧化物与所述水蒸气发生反应，生成所述高价锰氧化物和所述氢氧化物；储气单元，用于存储所述氢气和所述氧气。
[0007]根据本公开的实施例，所述供水供气单元包括：储水罐，用于存储反应需要的水；惰性气体储气罐，用于存储反应需要的惰性气体。
[0008]根据本公开的实施例，所述供水供气单元还包括：水泵，设于所述储水罐与所述预
热器之间，用于向所述预热器输送水；惰性气体泵，设于所述惰性气体储气罐与所述预热器之间，用于向所述预热器输送惰性气体。
[0009]根据本公开的实施例，所述预热器包括：加热腔，用于预热所述惰性气体；螺线管，设于所述加热腔内部，用于加热水，使水发生气化，生成水蒸气；混合管，设于所述加热腔内部，用于混合所述水蒸气和预热后的所述惰性气体。
[0010]根据本公开的实施例，所述储气单元包括：分离除湿器，用于去除所述氢气和所述氧气中混合的水蒸气；储氢罐，用于存储去除水蒸气后的氢气；储氧罐，用于存储去除水蒸气后的氧气。
[0011]根据本公开的实施例，所述储气单元还包括：三通阀，连接所述分离除湿器、所述储氢罐和所述储氧罐；其中，在所述反应器工作时，与所述分离除湿器连接的阀门常开；当产生氢气时，打开与所述储氢罐连接的开关，关闭与所述储氧罐连接的开关，使所述氢气输入所述所述储氢罐；当产生氧气时，打开与所述储氧罐连接的开关，关闭与所述储氢罐连接的开关，使所述氧气输入所述储氧罐。
[0012]根据本公开的实施例，所述第一温度为600
‑
800℃，所述第二温度为200
‑
400℃。
[0013]根据本公开的实施例，所述高价锰氧化物为三氧化二锰，所述低价锰氧化物为四氧化三锰。
[0014]根据本公开的实施例，所述预热器的预热温度为300
‑
500℃。
[0015]本公开另一方面提供了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢方法，应用于如第一方面任意一项所述的装置，所述方法包括：预先混合好高价锰氧化物和氢氧化物；在第一温度时，所述高价锰氧化物发生释氧反应，产生低价锰氧化物和氧气，所述低价锰氧化物与所述氢氧化物发生释氢反应，产生亚锰酸盐、水和氢气；在第二温度时，所述低价锰氧化物与水蒸气发生反应，生成所述高价锰氧化物和所述氢氧化物；重复前两步，进行循环反应。
[0016]在本专利技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0017]本专利技术提供了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统，以流程相对简单的系统实现600
‑
800℃稳定制氢，该系统具有以下优点：(1)最高温度在600
‑
800℃，降低了热化学循环反应温度，实现了较低温度下稳定制氢；(2)系统仅有一个反应釜，简化了系统流程和设备；(3)通过气体和温度的切换控制反应进行的顺序，实现氢氧分离，避免爆炸风险和额外的气体分离功；(4)水以蒸汽的形式在预热环节与气体提前混合，能够使得反应更加彻底；(5)循环中的反应物无毒无酸，对管路和设备的损耗小，系统更为稳定。
附图说明
[0018]为了更完整地理解本专利技术及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0019]图1示意性示出了本专利技术实施例提供的一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢系统。
具体实施方式
[0020]以下，将参照附图来描述本专利技术的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细
节以提供对本专利技术实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0021]在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0022]在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0023]本专利技术提供饿了一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢方法，方法包括S1～S4。
[0024]S1，预先混合好高价锰氧化物和氢氧化物。
[0025]在本实施例中，高价锰氧化物为三氧化二锰(Mn2O3)，氢氧化物为氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种紧凑式新型三步法热化学循环分解水制氢装置，其特征在于，包括：供水供气单元，用于提供反应需要的水和惰性气体；预热器(5)，用于使所述水气化，并预热所述惰性气体，并将得到的水蒸气和预热的惰性气体输入反应器(6)；反应器(6)，用于放置预先混合好的高价锰氧化物和氢氧化物；在第一温度时，所述高价锰氧化物发生释氧反应，产生低价锰氧化物和氧气，所述低价锰氧化物与所述氢氧化物发生释氢反应，产生亚锰酸盐、水和氢气；在第二温度时，所述亚锰酸盐与所述水蒸气发生反应，生成所述高价锰氧化物和所述氢氧化物；储气单元，用于存储所述氢气和所述氧气。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供水供气单元包括：储水罐(1)，用于存储反应需要的水；惰性气体储气罐(3)，用于存储反应需要的惰性气体。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述供水供气单元还包括：水泵(2)，设于所述储水罐(1)与所述预热器(5)之间，用于向所述预热器(5)输送水；惰性气体泵(4)，设于所述惰性气体储气罐(3)与所述预热器(5)之间，用于向所述预热器(5)输送惰性气体。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预热器(5)包括：加热腔，用于预热所述惰性气体；螺线管，设于所述加热腔内部，用于加热水，使水发生气化，生成水蒸气；混合管，设于所述加热腔内部，用于混合所述水蒸气和预热后的所述惰性气体。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储气单元包括：分离除湿器(7)，用于去除所述氢气和所述氧气中混合的水蒸气；储氢罐(8)，用于存...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启斌，焦钒，龙怡彪，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：