一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置及方法与流程

本发明涉及制氢技术，尤其涉及一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置及方法。

背景技术：

1、氢化镁(mgh2)是一种良好的储氢材料，可以作为各类用氢固定端、移动端的氢气源。氢化镁制氢技术主要有两种，一种是热解制氢，另一种是水解制氢；目前存在的问题是氢化镁热解需要外界提供热源，而氢化镁水解放出大量热量需要及时排出，两者之间存在过程耦合的可行性和必要性，以提高制氢过程中的能量利用率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对目前氢化镁制氢技术热利用率低的问题，提出一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置，该装置结合氢化镁水解放热和热解吸热的特点，实现能量的高效利用。该装置以氢化镁为载体，利用水解反应热促进热分解反应，是一种高储氢密度、连续稳定的放氢装置。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置，包括水解单元、干燥单元和热解单元，所述水解单元出口与干燥单元入口连通，所述干燥单元出口与热解单元入口连通，所述水解单元、干燥单元和热解单元中均填充有氢化镁；

3、所述水解单元包覆在热解单元外侧；或，所述热解单元包覆在水解单元外侧；

4、所述水解单元与热解单元间采用导热材料。

5、进一步地，所述镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置还包括储水单元和储气单元，所述储水单元出口与水解单元入口连通，所述热解单元出口与储气单元入口连通，所述储气单元的第一出口与水解单元入口连通，所述储气单元的第二出口与和下游用氢装置连通。

6、进一步地，所述镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置还包括热交换器，所述热交换器包含两个冷媒入口，分别与储水单元出口、储气单元第一连通，所述热交换器的冷媒出口与水解单元入口连通，所述热交换器的热媒入口与热解单元出口连通，所述热交换器的热媒出口与储气单元入口连通。

7、进一步地，所述热交换器包含一个冷媒入口，所述储气单元第一出口与储水单元出口汇合后的管路与热交换器冷媒入口连通，即所述储气单元第一出口流出的氢气作为载气与来自储水单元的水一同流经热交换器，升温后，流入水解单元。

8、进一步地，所述水解单元入口和水解单元出口分别设置在水解单元的下方和上方。

9、进一步地，所述水解单元设置有用于快速更换填料的换料口，所述换料口采用法兰与垫片密封。

10、进一步地，所述干燥单元设置有用于快速更换填料的换料口，所述换料口采用法兰与垫片密封。

11、当水解单元和热解单元放氢结束后，所述水解单元移出水解产物氢氧化镁，更换新的氢化镁，可通过换料口完成；而所述热解单元中的产物为金属镁，通过氢气出口向热解单元中通入氢气，发生反应为mg+h2→mgh2，重新获得氢化镁；或，取出产物金属镁，在固定加氢站加氢后，重新放入热解单元。所述干燥单元吸收氢气中的水蒸气，反应接近80％后，需要进行更换，采用法兰与垫片连接的方式进行密封。

12、进一步地，所述干燥单元设置在水解单元和热解单元上方。

13、进一步地，所述干燥单元内设置有流道板，能使氢气中夹带的水蒸气与干燥单元内的氢化镁充分接触。

14、进一步地，所述热解单元入口和热解单元出口分别设置在热解单元上方和下方。

15、进一步地，所述热解单元内壁上设置有金属翅片，便于导热。

16、进一步地，所述水解单元中填充的氢化镁，热解单元中填充的氢化镁和干燥单元中填充的氢化镁的质量比为1～3:3:0.5～2。

17、进一步地，所述水解单元、热解单元和干燥单元的容积比为3～8:4:1～5，优选为4：3：1。

18、进一步地，所述水解单元中填充有氢化镁和促进水解的催化剂；

19、和/或，所述干燥单元中填充有氢化镁和促进水解的催化剂；

20、和/或，所述热解单元中填充有氢化镁和促进热解反应的催化剂。

21、本发明基于不同单元的反应特点，向氢化镁中添加不同的催化剂，实现原料潜能的充分利用。所述水解单元和热解单元的氢化镁分别添加了不同的催化剂，如水解单元中的氢化镁混合有促进水解反应的催化剂，使反应过程中生成的氢氧化镁可以剥离；热解单元中的氢化镁混合有促进热解反应的催化剂，氢化镁重复吸放氢；干燥单元中的氢化镁(可以不添加催化剂也可以添加促进水解的催化剂)，添加促进水解的催化剂能使高温的水蒸气进入干燥单元中，水解反应优先发生。

22、进一步地，所述水解单元、干燥单元和热解单元内均设置有压力表和温度计，实时检测反应内腔的压力和温度。

23、本发明的另一个目的还公开了一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的方法，该方法有效利用氢化镁水解产生的热量加热氢化镁热解放出氢气，使氢化镁水解的热量得到充分的利用。

24、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的方法，包括以下步骤：储气单元提供的氢气载气携带储水单元提供的水进入水解单元，随着水解反应的进行，产生的氢气，连同载气通过管道进入干燥单元，氢气中夹带的水蒸气与干燥单元中的氢化镁反应产生氢气，同时释放热量，干燥单元内的氢气(氢气载气、水解单元和干燥单元产生的氢气)通过管道进入到热解单元中，将热量传递给热解单元内的氢化镁，氢化镁热解产生氢气；最终氢气载气、水解单元产生的氢气、干燥单元产生的氢气及热解单元产生的氢气统一从热解单元出口排出进入储气单元。

25、进一步地，所述热解单元出口排出的氢气温度高达200-300℃，不能直接用于燃料电池；本发明将热解单元出口的高温氢气与来自储水单元的水和来自储气单元的氢气载气进行换热，对载气进行预热、将水加热成水蒸气，然后进入水解单元，有利于水解反应的发生，同时，流出热解单元的高温氢气降至70-80℃流入储气单元；储气单元为下游用氢装置(如燃料电池)供氢。

26、本发明提出的镁基储氢材料水解和热解耦合制备氢气的装置及方法，以氢化镁为载体，利用水解反应热促进热分解反应，开发高储氢密度、连续稳定的放氢装置。有效利用氢化镁水解产生的热量加热氢化镁放出氢气，使氢化镁水解的热量得到充分的利用。本发明与现有技术相比较具有以下优点：

27、1)用氢装置燃料电池，要求燃料氢气中的水分不超过10ppm。水分过多，易造成阴极淹没，导致反应气的传输受阻，严重影响燃料电池的工作效率。本发明采用氢化镁替代传统干燥剂，在有效去除氢气中的水分的同时，还可以提高氢气产量；

28、2)本发明通过有效利用水解制氢的反应热，解决了氢化镁热解制氢需要提供外部热源的问题：水解单元中氢化镁水解产生的热量通过水解单元与热解单元间的导热材料直接传递给热解单元中的氢化镁，实现固-固传热；氢气载气、水解单元中氢化镁水解产生的水蒸气及氢气，一同进入干燥单元，一方面对氢气进行了干燥，另一方面水蒸气与氢化镁进行反应产生热量，进一步加热氢气；在干燥单元去除水分的高温氢气进入热解单元，热量传递给热解单元氢化镁，实现气-固传热；热解单元出口的氢气温度为200℃-300℃，此热量与来自储水单元的水和来自储气单元的氢气载气换热，使水变成水蒸气，有利于水解单元中水解反应的发生；

29、3)本发明反应过程如下：

30、在水解单元中发生氢化镁水解反应(水呈液态或气态)，放出热量，一部分热量通过器壁传递给热解单元，另一部分被氢气带走进入干燥单元；在干燥单元中对氢气进行干燥，氢气中残留的水分被氢化镁吸收。高温氢气进入到热解单元中。在热解单元中发生氢化镁的分解反应；按照反应焓及反应过程中的热量损耗，水解单元氢化镁：热解单元氢化镁：干燥单元氢化镁的比例1～3:3:0.5～2。