一种用于氨分解制氢的等离子催化方法及反应装置

本发明涉及清洁能源，具体涉及一种应用于氨分解制氢工艺的等离子催化方法和反应装置。

背景技术：

1、随着工业的发展以及碳排放的日益增加，清洁能源的研究使用日渐频繁；其中氢燃料电池以其绿色清洁以及能量转化不受卡诺循环限制的特点收到世界各国关注；但是氢气的制取和储存运输一直是氢燃料电池的难点所在；氨是一种可以广泛获得的无机化合物，采用氨分解制氢，能够克服现有氢气储存运输困难的问题；然而氨分解反应在动力学上很难发生，需要采用合适的催化剂来促进氨分解反应。目前氨分解催化剂的主要通过在高温下对催化剂表面结构和组成的调控，来提高催化剂的氨分解性能；或者在较温和的条件下寻找新的技术手段来实现高效氨分解制氢。

2、中国专利cn1861519a公开一种氨分解制氢的等离子体催化方法，该等离子体催化方法在等离子体催化反应器中进行，其放电区设置有非贵金属负载型催化剂，非贵金属包含fe、co、ni、cr、mo、mn、cu和w等金属元素，其质量百分含量为0.5～40％，该等离子体催化方法等离子体使一部分的氨气发生分解，产生的热量使催化剂床层温度升高，发生部分氨气的热催化分解；但该方法中需要采用大量催化剂以及较高的氨气量来进行氨分解反应，(6.0ml)，氨分解效率不高且能量消耗大。

技术实现思路

1、针对现有技术中，应用于氨分解制氢工艺中等离子体催化方法的工作温度高，环境要求条件较高，氨气分解效率低以及消耗能量大的缺陷，从而提供一种工作温度低、反应条件较为温和，生产成本较低，氨气分解效率高且能量消耗低的适用于产业化应用的等离子体催化方法和反应装置。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于氨分解制氢的等离子催化方法：包括如下步骤：步骤一：将10℃～15℃的氨气通入含有阻挡介质的等离子反应装置中；步骤二：将含有阻挡介质的等离子反应装置与3000～4000伏特的电压连通并且将所述等离子反应装置内部的温度升高到300℃～500℃，使得10℃～15℃的氨气活化形成等离子体混合气体；步骤三：将等离子体氨气与含有二元复合金属的催化剂混合，分解为氢气和氮气的混合气体。

3、进一步的，等离子反应装置中设置有介电常数为15～21的无机化合物材料。

4、进一步的，催化剂为负载型催化剂，催化剂由活性组分和催化剂载体组成，催化剂的活性组分为二元复合金属，催化剂载体为无机氧化物。

5、进一步的，活性成分为镍-铂、镍-钌、钴-钌或者钴-镍；催化剂载体为氧化铈、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镁或者铈锆复合氧化物。

6、进一步的，活性组分占催化剂质量的0.5～5％；催化剂载体占催化剂质量的95～99.5％。

7、本发明还公开了一种用于氨分解制氢的反应装置，包括含有阻挡介质的等离子反应部以及催化转化反应部，含有阻挡介质的等离子反应部与催化转化反应部彼此连通，含有阻挡介质的等离子反应部的顶部设置有第一开口和第二开口，第一开口中设置有第一金属丝，含有阻挡介质的等离子反应部的外壁缠绕设置有第二金属丝，第一金属丝和第二金属丝彼此电连接。

8、进一步的，用于氨分解制氢的反应装置的制造材料为最低耐热温度为800℃的无机非金属材料。

9、进一步的，第一金属丝与第二金属丝连接后的总长度为用于氨分解制氢的反应装置总长度的30％～50％。

10、进一步的，含有阻挡介质的等离子反应部中设置有第一阻挡板，第一阻挡板的截面形状与含有阻挡介质的等离子部的截面形状相对应，阻挡介质上设置有通孔，阻挡介质的制造材料为石英玻璃、环氧树脂或者氧化铝陶瓷。

11、进一步的，催化转化反应部的底部设置有第三开孔，催化转化反应部内部设置有含有二元复合金属的负载型催化剂，催化转化反应部的外部缠绕有电炉丝，电炉丝与第一金属丝和第二金属丝彼此错开设置。

12、本发明所述的用于氨分解制氢的等离子催化方法及反应装置，通过将在等离子反应部中设置阻挡介质，使得等离子反应部在通电时能够形成交流弧放电，并且配合上高温和高电压的反应条件，增加了等离子反应部中的电流强度，使得氨气分子能够充分与高能电子碰撞，从而能够充分地等离子化，提高了氨气分解的反应效率；通过采用负载型以及含有二元复合金属的催化剂，有利于降低氨分解反应中的活化能，从而降低氨气分解所需要的温度条件，相比于传统催化剂，减少了后续氨分解反应中催化剂的用量，同时更好地提高了氨气分解的效率，减少了系统能量消耗。

技术特征：

1.一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，其特征在于：所述含有阻挡介质的等离子反应装置中设置有介电常数为15～21的无机化合物材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，其特征在于：所述含有二元复合金属的催化剂为负载型催化剂，所述含有二元复合金属的催化剂由活性组分和催化剂载体组成，所述活性组分为二元复合金属，所述催化剂载体为无机氧化物。

4.根据权利要求3所述的一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，其特征在于：所述活性成分为镍-铂、镍-钌、钴-钌或者钴-镍；所述催化剂载体为氧化铈、氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镁或者铈锆复合氧化物。

5.根据权利要求3所述的一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，其特征在于：所述活性组分占所述催化剂质量的0.5～5％；所述催化剂载体占所述催化剂质量的95～99.5％。

6.一种用于氨分解制氢的反应装置，其特征在于：包括含有阻挡介质的等离子反应部以及催化转化反应部，所述含有阻挡介质的等离子反应部与所述催化转化反应部彼此连通，所述含有阻挡介质的等离子反应部的顶部设置有第一开口和第二开口，所述第一开口中设置有第一金属丝，所述含有阻挡介质的等离子反应部的外壁缠绕设置有第二金属丝，所述第一金属丝和所述第二金属丝电连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于氨分解制氢的反应装置，其特征在于：所述用于氨分解制氢的反应装置的制造材料为最低耐热温度为800℃的无机非金属材料。

8.根据权利要求6所述的一种用于氨分解制氢的反应装置，其特征在于：所述第一金属丝与所述第二金属丝连接后的总长度为所述用于氨分解制氢的反应装置总长度的30％～50％。

9.根据权利要求6所述的一种用于氨分解制氢的反应装置，其特征在于：所述含有阻挡介质的等离子反应部中设置有第一阻挡板，所述第一阻挡板的截面形状与所述含有阻挡介质的等离子部的截面形状相对应，所述第一阻挡板上设置有至少一个通孔，所述第一阻挡板的制造材料为石英玻璃、环氧树脂或者氧化铝陶瓷。

10.根据权利要求6所述的一种用于氨分解制氢的反应装置，其特征在于：所述催化转化反应部的底部设置有第三开孔，所述催化转化反应部内部设置有含有二元复合金属的负载型催化剂，所述催化转化反应部的外部缠绕有电炉丝，所述电炉丝与所述第一金属丝和所述第二金属丝彼此错开设置。

技术总结
本发明公开了一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，先将10℃～15℃氨气通入含有阻挡介质的等离子反应装置中，在3000～4000伏特电压和300℃～500℃温度的条件下活化，形成等离子体气体；再将等离子体气体与含有二元复合金属的催化剂混合，分解为氢气和氮气的混合气体。本发明所述的一种用于氨分解制氢的等离子催化方法，提高了氨气分解的效率，减少氨分解反应中催化剂用量；通过采用负载型且活性金属成分的催化剂，能够提高氨气分解的效率，降低氨分解所需要的外界环境温度，减少系统的能量消耗。

技术研发人员：江莉龙,陈崇启,罗宇,张卿
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15