交替式制取氫氣的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源(可再生能源)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種交替式制取氫氣的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源消耗量的加劇以及隨之而來(lái)的環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，可再生能源日益引起世界各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的重視。氫氣是一種能量密度很高的能源，而且既可以通過(guò)分解地球上儲(chǔ)量極其豐富的水制取，又可以依靠化石能源中儲(chǔ)量較多的天然氣重整制取，因此氫氣作為清潔能源日益成為研究的熱點(diǎn)。
[0003]目前制取氫氣主要有分解水制取氫氣、甲烷重整兩種。分解水制取氫氣中最為常見(jiàn)的是電解水制氫，但電解水需要消耗能量品位極高的電能，能耗較大，因此并不劃算。利用高溫下水分解反應(yīng)吉布斯自由能降低的特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展了多種催化劑的熱化學(xué)循環(huán)催化分解水制取氫氣的方法。原理為利用金屬氧化物在高溫下放氧，低溫下得氧的能力，在低溫下通入水為氧化劑，將失氧后的金屬氧化物氧化，并放出氫氣。該方法僅需要利用熱能即可實(shí)現(xiàn)水分解，但金屬氧化物放氧溫度較高(一般為1500°C左右)，高溫對(duì)于反應(yīng)器材料和密封性能都帶來(lái)挑戰(zhàn)。目前的熱化學(xué)循環(huán)催化分解水制取氫氣的方法都是水蒸氣一次性通過(guò)高溫反應(yīng)器，由水的熱力學(xué)性質(zhì)所限，水的轉(zhuǎn)化率很低(當(dāng)反應(yīng)溫度為1500°C，氣體組分分壓為10—5atm時(shí)，水的轉(zhuǎn)化率為1.26%)，系統(tǒng)熱能至氫氣化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率同樣很低。目前甲烷重整制氫溫度在700°C以上，同樣能耗較大，且制取氫氣中含有一氧化碳、二氧化碳和沒(méi)有完全反應(yīng)的甲烷，純度不高。
[0004]相比于傳統(tǒng)方法制氫，基于質(zhì)子導(dǎo)體和氧離子導(dǎo)體(或碳酸根離子導(dǎo)體)交替式制取氫氣裝置可以利用太陽(yáng)能、核能和工業(yè)廢熱等為熱源，減少電能和化石能源的使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
[0005]然而，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)目前的交替式制取氫氣裝置的結(jié)構(gòu)不盡合理，導(dǎo)致制氫效率不高，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種交替式制取氫氣的裝置，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提尚制氣效率。
[0008](二)技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明交替式制取氫氣的裝置包括:反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括:交替設(shè)置并通過(guò)管道連接的若干個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔(3)和第二離子導(dǎo)體反應(yīng)腔;與多個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔(3)的氫氣出口相連通的抽氫真空管道(7);以及與多個(gè)第二離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(4)的第二氣體出口相連通的抽第二氣體真空管道。其中，質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔(3)內(nèi)部具有質(zhì)子導(dǎo)體催化劑，所述第二離子導(dǎo)體反應(yīng)腔內(nèi)具有能與第二氣體結(jié)合的第二離子導(dǎo)體催化劑;首個(gè)反應(yīng)腔的一側(cè)設(shè)置反應(yīng)氣入口 ；末個(gè)反應(yīng)腔的一側(cè)設(shè)置反應(yīng)氣出口。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明交替式制取氫氣的裝置具有以下有益效果:
[0012](I)反應(yīng)氣管路由質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(或碳酸根離子導(dǎo)體反應(yīng)腔)交替連接而成，水蒸氣或甲烷和水蒸氣分別和質(zhì)子導(dǎo)體催化劑和氧離子導(dǎo)體催化劑(或碳酸根離子導(dǎo)體催化劑)作用交替分解，氣體反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比通過(guò)單一熱化學(xué)循環(huán)時(shí)有大幅提升，若質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(或碳酸根離子導(dǎo)體反應(yīng)腔)數(shù)量足夠多，水蒸氣可以完全分解(或甲烷完全重整)；
[0013](2)連續(xù)通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(碳酸根離子導(dǎo)體反應(yīng)腔)，使高溫水蒸氣被不斷分解或甲烷濕重整不斷進(jìn)行，減少了流出系統(tǒng)的高溫未反應(yīng)原料氣的熱損耗，同時(shí)可以制取更多的氫氣，具有比傳統(tǒng)方法更高的熱效率；
[0014](3)將質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧(碳酸根)離子導(dǎo)體反應(yīng)腔連接成環(huán)形，并將抽氫真空管道和抽氧(二氧化碳)真空管道設(shè)置在環(huán)形的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，大大提高了集熱器反應(yīng)室的空間利用率；
[0015](4)與現(xiàn)有技術(shù)的裝置相比，可以通過(guò)控制質(zhì)子導(dǎo)體催化劑和氧離子導(dǎo)體催化劑(或碳酸根離子導(dǎo)體催化劑)的表面積來(lái)控制調(diào)節(jié)氣體反應(yīng)物的速率，控制質(zhì)子導(dǎo)體催化劑吸氫，氧離子導(dǎo)體催化劑吸氧或碳酸根離子導(dǎo)體催化劑吸收二氧化碳的速率與氣體反應(yīng)物反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能匹配；
[0016](5)可以和太陽(yáng)能等新能源以及核能、工業(yè)廢熱相結(jié)合，清潔環(huán)保；
[0017](6)裝置通過(guò)質(zhì)子導(dǎo)體催化劑和氧離子導(dǎo)體催化劑或碳酸根離子導(dǎo)體催化劑產(chǎn)生尚純氣氣和尚純氧氣或尚純一■氧化碳，避免工業(yè)化生廣所造成的一氧化碳?xì)埩?，在能源?dòng)力、醫(yī)療、化工等方面具有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例交替式制取氫氣裝置的正面圖；
[0019]圖2為圖1所示交替式制取氫氣裝置的背面圖；
[0020]圖3為圖1所示交替式制取氫氣裝置中反應(yīng)器正面的立體圖；
[0021 ]圖4為圖1所示交替式制取氫氣裝置中反應(yīng)器背面的立體圖。
[0022]【本發(fā)明主要元件符合說(shuō)明】
[0023]1-原料氣入口；2-原料氣出口；3-質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔；
[0024]4-氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔；5-質(zhì)子導(dǎo)體催化劑；6-氧離子導(dǎo)體催化劑；
[0025]7-抽氫真空管道；8-抽氧真空管道； 9-氫氣出口；
[0026]10-氧氣出口；11-集熱器開(kāi)口； 12-復(fù)合拋物面聚光器；
[0027]13-反應(yīng)室。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明中，氣體管路將質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔(或碳酸根離子導(dǎo)體反應(yīng)腔)交替連接而成，使流入反應(yīng)器管道內(nèi)的高溫水蒸氣或甲烷和水蒸氣依次流經(jīng)質(zhì)子導(dǎo)體催化劑和氧離子導(dǎo)體催化劑(或碳酸根離子導(dǎo)體催化劑)，解決通過(guò)單一催化劑時(shí)，由于反應(yīng)氣反應(yīng)時(shí)熱化學(xué)平衡限制反應(yīng)正向進(jìn)行，提高了反應(yīng)氣的分解率。
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]一、第一實(shí)施例
[0031]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種交替式制取氫氣裝置，具體為交替分解水制取氫氣和氧氣。圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例交替式制取氫氣裝置正面的立體圖。圖2為圖1所示交替式制取氫氣裝置背面的立體圖。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例交替式制取氫氣裝置包括:
[0032]集熱器，其內(nèi)部形成高溫環(huán)境的集熱器反應(yīng)室13;以及
[0033]反應(yīng)器，固定于所述集熱器反應(yīng)室13內(nèi)，用于在所述高溫環(huán)境下交替制取氫氣和氧氣。
[0034]以下分別對(duì)本實(shí)施例交替式制取氫氣裝置的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]請(qǐng)參照?qǐng)D1，集熱器呈單側(cè)開(kāi)口的筒狀，其內(nèi)部形成高溫環(huán)境的集熱器反應(yīng)室。在集熱器開(kāi)口 11位置的內(nèi)側(cè)設(shè)置復(fù)合拋物面聚光器12。光線經(jīng)過(guò)聚焦后通過(guò)集熱器開(kāi)口 11進(jìn)入集熱器，經(jīng)過(guò)復(fù)合拋物面聚光器12 二次聚光后進(jìn)入集熱器反應(yīng)室13并使集熱器反應(yīng)室13內(nèi)溫度維持在所需的反應(yīng)溫度以上。
[0036]其中，所述的高溫環(huán)境為使水蒸氣發(fā)生反應(yīng)的溫度，一般情況下介于800°C?2000°C之間。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，除了圖1和圖2所示的集熱器之外，還可以采用其他形式的集熱器，復(fù)合拋物面聚光器12還可以采用其他類型的加熱裝置，或在保證達(dá)到工作溫度的情況下不設(shè)置加熱裝置，均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。并且，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例采用的是太陽(yáng)能集熱方式，而在本發(fā)明其他實(shí)施例中，還可以采用核能、化石能源或工業(yè)廢熱提供熱量，只要能使其中的反應(yīng)器的溫度達(dá)到使水蒸氣發(fā)生反應(yīng)的溫度即可。
[0037]圖3為圖1所示交替式制取氫氣裝置中反應(yīng)器正面的立體圖。圖4為圖1所示交替式制取氫氣裝置中反應(yīng)器背面的立體圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3和圖4，反應(yīng)器固定于集熱器反應(yīng)室13內(nèi)，包括:交替設(shè)置并通過(guò)管道連接的若干個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4、抽氫真空管道7和抽氧真空管道8。其中，首個(gè)反應(yīng)腔的一側(cè)設(shè)置水蒸氣入口 I，末個(gè)反應(yīng)腔的一側(cè)設(shè)置水蒸氣出口 2。質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4內(nèi)部分別有質(zhì)子導(dǎo)體催化劑5和氧離子導(dǎo)體催化劑6。該若干個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3和氧離子導(dǎo)體反應(yīng)腔4圍成一環(huán)形。在該環(huán)形的內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)形抽氫真空管道7和抽氧真空管道8。其中，抽氫真空管道7的進(jìn)口與多個(gè)質(zhì)子導(dǎo)體反應(yīng)腔3