CN116854034A - 板-孔dbd等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了板‑孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，装置主体内的上部设置有进气口和氨气分解反应单元，装置主体内的下部设置有出气口和氢气分离单元，氨气分解反应单元为平行板‑孔DBD结构，氢气分离单元由平行板‑孔DBD和质子交换膜构成，氨气分解反应单元和氢气分离单元之间由覆盖有阻挡介质的带小孔的高压电极连接，装置主体内部填充有催化剂；在装置外表面设置有螺旋线圈；本发明通过将氨气分解、膜分离和等离子体处理相结合，能够提升氨气制氢的效率并有效分离出氢气。
Description
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，具体涉及板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置。
背景技术
氢气是理想的可再生清洁能源，不仅获取方式便捷多样，而且其作为无碳能源燃烧产物仅为水，同时氢气在航天、电子、化工、能源等方面运用广泛，具有广阔的运用前景。目前常用的制氢方法主要有烃类制氢、醇类制氢、生物制氢、电解水制氢、氨制氢等。但是烃类、醇类等制氢方法会产生COX等碳氧化合物，会导致环境污染加剧；生物制氢同样也会产生二氧化碳等温室气体；而电解水制氢存在价格昂贵、能效低、设备复杂等问题，无法满足氢能的发展需求。相较之下，NH3作为无碳清洁能源，氨制氢不仅不会对环境造成负担，同时具有体积密度更高、成本相对较低、液化更容易等优点，能够用作氢气贮存、运输的化学存储介质，能够很好的解决氢的储存和运输问题。
氨气分解的传统方法主要有热分解和催化剂分解。氨气在425℃时，其热力学平衡转化率能够达到98％，但是在实际应用中其热分解反应难以在动力学上实现，并且高温可能会带来反应釜损坏、闪爆等问题。另一方面，氨分解制氢通常协同金属催化剂如Ru等，但是尽管贵金属催化剂能够有效提升氨分解效率，但无疑会提高氨气制氢的成本，而廉价金属的提升效果并不理想。为探索更高效的制氢方法，学者们不断引入新的制氢技术。
近几年，科学研究和工程应用领域开始越来越重视等离子体在氨气分解制氢领域的应用，等离子体技术与催化技术相耦合，既能够融合等离子体的快速高效性，又能够融合催化剂的高选择性，极大地提高了氨气的分解效率。介质阻挡放电(DBD)能够在常压下产生大面积的低温等离子体，即非平衡等离子体，其具有高电子能量和低气体温度的特点，目前，非平衡等离子体已经被应用于有机污染物处理、材料表面处理等方面。DBD模式具有均匀稳定性好、能量密度适中、结构简单等优点，在各种工业应用中更具前景。而板-孔DBD结构，能够将电弧能量聚焦于小孔边缘，达到提高放电稳定性和提升放电强度的效果。
由于不同行业使用氢气能源有纯度的要求，因此必须将氢气从混合气体中分离出来，氢气的分离方法主要有吸附法、深冷分离法和膜渗透法等。相较于传统的分离方法，膜分离技术具有耗能低、投资小、使用方便等特点，其中钯合金膜渗透分离技术具有氢的选择性高、氢渗透性能强、化学和热稳定性好的优点，在氨气制氢领域备受关注。
目前使用DBD等离子体进行氨气制氢的装置，多数无法避免放电在空间分布的随机性与分散性，不能实现对能量的有效利用，存在氨分解过程逆反应现象严重、生成产物为混合气体、无法同时对气体进行连贯的分解和提纯处理等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，能够根据氨气分解的要求匹配合适的放电等离子体，实现对氨气的有效处理，并改善产物“氨氢混合”的现象，能够及时分离出氢气，减少逆反应。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，所述装置主体的上部设置有进气口和氨气分解反应单元，所述装置主体的下部设置有出气口和氢气分离单元，所述氨气分解反应单元和所述氢气分离单元之间由高压电极连接，所述高压电极的中心有小孔，所述装置主体外表面设置有螺旋线圈，所述等氨气分解反应单元为平行平板型DBD结构，包括覆盖阻挡介质的高压电极和覆盖阻挡介质的上接地电极；所述氢气分离单元为平行平板型DBD结构协同质子交换膜结构组成，包括覆盖阻挡介质的带孔高压电极和覆盖阻挡介质的下接地电极，所述质子交换膜封闭环绕连接于下接地电极的阻挡介质。
进一步地，装置主体为封闭的圆柱结构，上端为圆形的上接地电极，下端为圆形的下接地电极，所述装置主体外表面为环状石英管，石英管厚度为1mm。
进一步地，所述进气口位于装置主体的顶部，并远离高压电极上的小孔，进气口直径为2.0mm-5.0mm，进气口可设质量流量计，氨气输入管通过进气口和氨气分解反应单元形成密封连接；所述装置主体的底部设置有出气口，出气口直径为2.0mm-5.0mm，氢气分离反应单元通过出气口与氢气输气管道形成密封连接。
进一步地，装置主体外部环绕螺旋线圈与装置主体表面的间距为1mm，所述螺旋线圈匝数为100匝。
进一步地，所述带小孔的高压电极同时也为气体的流动通道，气体的流动通道的高度为5mm，所述高压电极的外直径为5cm-50cm，所述内直径为4mm-7mm，所述小孔的直径为2.0mm-5.0mm。
进一步地，所述氨气分解反应单元填充有催化剂Ni/MgO，所述氢气分离单元填充有沸石分子筛。
进一步地，所述高压电极和上接地电极的间距为5mm-10mm，上接地电极直径为5cm-50cm，所述高压电极和下接地电极的间距为5mm-10mm，下接地电极直径为5cm-50cm，阻挡介质直径为6cm-50cm，阻挡介质厚度为1mm。
进一步地，所述质子交换膜为钯-铜合金膜。
优选的，所述阻挡介质的材料采用石英玻璃、陶瓷、环氧、聚四氟乙烯、钢化玻璃。
进一步地，所述高压电极、上接地电极和下接地电极电极采用铜、铝合金不锈钢、镀金/铜。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过将等离子体处理和氢气分离处理相结合，通过合理匹配放电等离子体实现氨气分解制氢并及时分离出氢气，大幅度提高了氨气的转化率，提高了氨分解的稳定性和时效性，改善“氨分解逆反应”和“氨氢混合”的现象，对实现氨气分解制氢更高效、经济的工业应用具有重要意义和实际价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置的内部结构图；
图2是本发明板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置的外部结构图；
图3是本发明带小孔平板阻挡介质高压电极结构的示意图；
图4是本发明板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置的内部剖面示意图；
图5是本发明板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置中氨气分解反应单元结构的示意图；
图6是本发明板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置中氢气分离单元结构的示意图。
图中，1-进气口，2-上接地电极，3-高压电极，4-质子交换膜，5-下接地电极，6-出气口，7-螺旋线圈，8-小孔，9-阻挡介质，10-催化剂Ni/MgO，11-沸石分子筛。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
如图1-6所示，本发明实施例公开了板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，包括装置主体，装置主体的上部设置有进气口1和氨气分解反应单元，装置主体的下部设置有出气口6和氢气分离单元，氨气分解反应单元和氢气分离单元之间由高压电极3连接，高压电极3的中心有小孔8，装置主体外表面设置有螺旋线圈7，氨气分解反应单元为平行平板型DBD结构，包括覆盖阻挡介质9的高压电极3和覆盖阻挡介质9的上接地电极2；氢气分离单元为平行平板型DBD结构协同质子交换膜4组成，包括覆盖阻挡介质9的高压电极3和覆盖阻挡介质9的下接地电极5，质子交换膜4封闭环绕连接于下接地电极5的阻挡介质9。
装置主体为四周密闭的圆柱型结构，上端为圆形的上接地电极2，下端为圆形的下接地电极5，装置主体外表面为环状石英管，石英管厚度为1mm。进气口1位于装置主体的顶部，并远离高压电极3上的小孔8，进气口1的进气流速可调节，进气口1直径为2.0mm-5.0mm可调，进气口1可设质量流量计，氨气输入管通过进气口1和氨气分解反应单元形成密封连接；装置主体的底部设置有出气口6，出气口6直径为2.0mm-5.0mm可调，氢气分离反应单元通过出气口6与氢气输气管道形成密封连接。预处理气体在氨气分解反应单元完成反应再从小孔8进入氢气分离单元，气体经出气口6排出。
如图2所示，装置主体外部环绕有螺旋线圈7，可以在装置主体反应区域产生平行磁场，环绕螺旋线圈与装置主体表面的间距为1mm，螺旋线圈匝数为100匝。
如图3所示，带小孔8的高压电极3同时也为气体的流动通道，气体的流动通道的高度为5mm，高压电极3的外直径为5cm-50cm可调，内直径为4mm-7mm可调，小孔8的直径为2.0mm-5.0mm可调。
如图4所示，为装置主体的剖面图，高压电极3和上接地电极2的间距为5mm-10mm可调，上接地电极2直径为5cm-50cm可调，高压电极3和下接地电极5的间距为5mm-10mm可调，下接地电极5直径为5cm-50cm可调，阻挡介质9直径为6cm-50cm可调，阻挡介质9厚度为1mm。质子交换膜4为钯-铜合金膜等；阻挡介质9的材料采用但不限于石英玻璃、陶瓷、环氧、聚四氟乙烯、钢化玻璃等；高压电极、上接地电极和下接地电极可采用但不限于如铜、铝合金、不锈钢、镀金/铜等。
本发明工作流程如图5、6所示，具体如下：
如图5所示，氨气分解反应单元为板-孔介质阻挡型结构，氨气分解反应单元填充有催化剂Ni/MgO10，反应气体经小孔8流出。
如图6所示，氢气分离单元为板-孔介质阻挡型结构，氢气分离单元填充有催化剂沸石分子筛11，氢气由质子交换膜4渗透到出气口6。
本发明利用直接提纯协同DBD等离子体实现氨气制氢，Ar/NH3混合气体首先经过氨气分解反应单元处理，等离子体中的荷能荷电离子、高活性基团以及光、电效应的作用协同催化剂Ni/MgO，氨气分子与高能量的亚稳态氩原子碰撞产生Penning激发和电离反应，使得N-H键断裂，可以有效地产生电子碰撞反应激发产生NH*、NH2 *和H自由基，生成氢气经小孔流入氢气分离单元；在氢气分离单元，沸石分子筛能够吸收多余的氨气，其微孔结构也将促进微放电生成，氢气在等离子体的作用下分解成H自由基，高浓度的H自由基由质子交换膜渗透到出气口，最终实现氢气的提纯。
本发明装置，氨气分解反应单元和氢气分离单元安置在一个完整密闭的系统中，二者在作用机制和流程上连续，同时又属于两个独立工作环节，无直接相互作用；装置主体外部的螺旋线圈对系统工作起辅助作用，带电粒子在磁场作用下受洛伦兹力做圆周运动，不仅增加了气体粒子的停留时间，也增加了碰撞的概率。即气体先进入氨气分解反应单元，并且一直在移动过程，经过等离子体处理后直接进入氢气分离单元开始第二阶段的提纯过程。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述装置主体的上部设置有进气口和氨气分解反应单元，所述装置主体的下部设置有出气口和氢气分离单元，所述氨气分解反应单元和所述氢气分离单元之间由高压电极连接，所述高压电极的中心有小孔，所述装置主体外表面设置有螺旋线圈，所述氨气分解反应单元为平行平板型DBD结构，包括覆盖阻挡介质的高压电极和覆盖阻挡介质的上接地电极；所述氢气分离单元为平行平板型DBD结构协同质子交换膜结构组成，包括覆盖阻挡介质的高压电极和覆盖阻挡介质的下接地电极，所述质子交换膜封闭环绕连接于下接地电极的阻挡介质。
2.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，装置主体为封闭的圆柱结构，上端为圆形的上接地电极，下端为圆形的下接地电极，所述装置主体外表面为环状石英管，石英管厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述进气口位于装置主体的顶部，并远离高压电极上的小孔，进气口直径为2.0mm-5.0mm，进气口设质量流量计，氨气输入管通过进气口和氨气分解反应单元形成密封连接；所述装置主体的底部设置有出气口，出气口直径为2.0mm-5.0mm，氢气分离反应单元通过出气口与氢气输气管道形成密封连接。
4.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，装置主体外部环绕螺旋线圈与装置主体表面的间距为1mm，所述螺旋线圈匝数为100匝。
5.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述带小孔的高压电极同时也为气体的流动通道，气体的流动通道的高度为5mm，所述高压电极的外直径为5cm-50cm，内直径为4mm-7mm，所述小孔的直径为2.0mm-5.0mm。
6.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述氨气分解反应单元填充有催化剂Ni/MgO，所述氢气分离单元填充有沸石分子筛。
7.根据权利要求1所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述高压电极和上接地电极的间距为5mm-10mm，上接地电极直径为5cm-50cm，所述高压电极和下接地电极的间距为5mm-10mm，下接地电极直径为5cm-50cm，阻挡介质直径为6cm-50cm，阻挡介质厚度为1mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述质子交换膜为钯-铜合金膜。
9.根据权利要求1-7任一项所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述阻挡介质的材料采用石英玻璃、陶瓷、环氧、聚四氟乙烯、钢化玻璃。
10.根据权利要求1-7任一项所述的板-孔DBD等离子体协同质子交换膜氨气制氢的装置，其特征在于，所述高压电极、上接地电极和下接地电极采用铜、铝合金不锈钢、镀金/铜。
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