RU216707U1 - Устройство получения водорода - Google Patents
Устройство получения водорода Download PDFInfo
- Publication number
- RU216707U1 RU216707U1 RU2022128328U RU2022128328U RU216707U1 RU 216707 U1 RU216707 U1 RU 216707U1 RU 2022128328 U RU2022128328 U RU 2022128328U RU 2022128328 U RU2022128328 U RU 2022128328U RU 216707 U1 RU216707 U1 RU 216707U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- vol
- polybenzimidazole
- fuel processor
- methanol
- Prior art date
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 61
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 61
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 5
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 24
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 4
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 2
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- ZWNCJCPLPUBNCZ-UHFFFAOYSA-N 1,2-dimethoxyethane;hydrate Chemical compound O.COCCOC ZWNCJCPLPUBNCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018516 Al—O Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 1
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001588 bifunctional effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 description 1
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- NKDDWNXOKDWJAK-UHFFFAOYSA-N dimethoxymethane Chemical compound COCOC NKDDWNXOKDWJAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000007096 poisonous effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель относится к устройству для получения чистого водорода из кислородсодержащих органических соединений химии С1, таких как метанол или диметиловый эфир. Предложено устройство для получения чистого водорода, состоящее из топливного процессора каталитической конверсии оксигенатов в водородсодержащий газ при температуре 320-350°С и атмосферном давлении и водородного насоса с полимерной протонпроводящей мембраной на основе полибензимидазола. Технический результат - водород с чистотой 99,97 об.%. 1 ил., 2 табл.
Description
Полезная модель относится к устройствам для получения чистого водорода из кислородсодержащих органических соединений химии С1, таких как метанол и диметиловый эфир.
В последнее время водород рассматривается как альтернативный и экологически чистый энергоноситель. Традиционные способы получения водорода - каталитические превращения углеводородов - обычно сопровождаются образованием таких продуктов как CO, CO2, CH4 и (N2 - в случае парциального окисления воздухом). Следовательно, эффективная технология очистки водорода является актуальной задачей как для промышленного, так и для энергетического секторов. Из современного уровня техники известны следующие технологии разделения водорода: криогенная, адсорбционная и мембранная, и аппараты для их реализации. Указанные методы являются очень энергоемкими, дорогими в эксплуатации, требуют сложного технического обслуживания.
Метод электрохимической очистки водорода в устройстве, названном «водородный насос», был впервые предложен 50 лет назад (US 3475302 A, C01B 3/50, 28.10.1969; US 3489670 A H01M 8/06, 13.01.1970). Принцип работы водородного насоса заключается в том, что водородсодержащая смесь подается в анодное пространство электрохимического устройства - топливного элемента или электролизера, работающего в электролитическом режиме. Для запуска устройства необходим внешний источник питания постоянного тока. Молекулы водорода окисляются на аноде до протонов, которые мигрируют через протонпроводящую полимерную мембрану к катоду. Электроны по внешней цепи переходят к катоду и рекомбинируются с протонами, образуя чистый водород.
В одной из первых работ (J.M. Sedlak, J.F. Austin, A.B. LaConti // Int. J. Hydrogen Energy. 1981. V.6 P.45) продемонстрировано применение топливного элемента с протон-обменной мембраной типа Nafion для электрохимической перекачки водорода от низкого к высокому давлению и выделения водорода из инертного газа для получения водорода высокой чистоты. Данная схема позволяет концентрировать водород из отходящих газов на выходе из топливного элемента для рециркуляции или последующего хранения.
Водородный насос также может концентрировать водород после топливного процессора для подачи в топливный элемент. Основными недостатками топливных элементов с низкотемпературной протонпроводящей мембраной на основе Nafion в качестве водородного насоса являются их низкая устойчивость к примесям, например, монооксиду углерода СО, и необходимость увлажнения подаваемой газовой смеси. Например, при температурах работы водородного насоса < 100°С платиновые электроды отравляются уже при содержании СО в количестве 2 - 100 ppm из-за его сильной адсорбции на поверхности катализатора.
Высокая термическая стабильность и химическая стойкость протонпроводящей мембраны на основе полибензимидазола (PBI) при высоких рабочих температурах до 200°C предполагают существенные преимущества для использования в водородном насосе, а именно: обеспечивают повышенную устойчивость электрода к газовым примесям, содержащим СО (до 5 об.%); быструю кинетику электрода как для анодных, так и для катодных реакций (US 9806365, С01B 3/503, С25B 1/04, B01D 53/32, 31.10.2017).
В последние годы устройства для получения водорода интенсивно исследуются в связи с разработкой компактных топливных процессоров - аппаратов получения водорода. Получение водорода из углеводородов (природного газа, дизельного топлива и т.д.) проводят в реакторах при высокой температуре (выше 700°С), и получаемая газовая смесь содержит значительное количество СО, более 10 об.%. Для уменьшения концентрации СО и увеличения концентрации водорода обычно на 2-й стадии используют реактор паровой конверсии СО (СО + Н2О = СО2 + Н2). Промышленные медьсодержащие катализаторы Cu-Zn-Al-Ox обеспечивают снижение концентрации СО до ~2 об.%.
Аналогичная по составу газовая смесь может быть получена в одну стадию путем паровой конверсии оксигенатов (например, метанол или диметиловый эфир). Это обусловлено высокой активностью и селективностью бифункциональных медьсодержащих катализаторов, низкой температурой процесса паровой конверсии оксигенатов по сравнению с традиционными углеводородами, а также отсутствием примесей соединений серы в исходном сырье, которые являются ядом для большинства катализаторов, и получаемая газовая смесь содержит не более 2 об.% СО.
Как отмечено выше, смесь с таким количеством монооксида углерода подходит для подачи в водородный насос с целью очистки водорода от примесей. Таким образом, комбинирование топливного процессора получения водорода из оксигенатов и водородного насоса позволит создать достаточно компактное устройство получения чистого водорода.
В зависимости от способа конверсии (паровая, воздушная, паровоздушная), выбора исходных реагентов, условий процесса (температуры, давление, расходные характеристики), состава получаемого реформата, наличия или отсутствия катализатора, топливный процессор состоит из разных систем, блоков, элементов, составных частей. Обычно топливный процессор на основе жидких видов топлив содержит пусковое устройство, системы подачи реагентов, испаритель, паронагреватель, каталитический реактор.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство осуществления паровой каталитической конверсии метанола, и/или диметилового эфира, и/или диметоксиметана (RU 138423, B01J 7/00, 20.03.2014), которое содержит каталитический реактор для проведения конверсии, узел подготовки исходной смеси, состоящий из испарителя, пароперегревателя и смесителя реагирующей исходной смеси, нагревательное устройство со встроенным дожигателем анодных газов, образующихся в результате работы топливных элементов. Недостатком заявленного устройства является состав конечно газа, содержащего 59-61% водорода и примеси.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание компактного устройства для получения особо чистого водорода из оксигенатов (метанола или диметилового эфира).
Технический результат - водород чистотой 99,97 об.%.
Наиболее подходящим решением для создания компактного устройства получения водорода является использование топливного процессора (реформера), в котором осуществляют паровую конверсию диметилового эфира или метанола, протекающую на катализаторе, представляющем собой оксиды меди, церия и алюминия, нанесенные на теплопроводный металлический носитель, например фехраль (CuO/CeO2/Al2O3/FeCrAl). Использование данного катализатора благодаря высокой каталитической активности и селективности позволяет получать обогащенную по водороду газовую смесь с низким содержанием моноксида углерода (< 2 об.%). Нужно отметить, что газовую смесь такого состава можно использовать далее для электрохимической очистки водорода от примесей при помощи водородного насоса с полимерной протонпроводящей мембраной на основе полибензимидазола.
Задача решается устройством получения чистого водорода, которое представляет собой последовательно соединенные топливный процессор и водородный насос с полимерной протонпроводящей мембраной. Устройство включает топливный процессор получения водородсодержащего газа каталитической конверсией кислородсодержащих органических соединений С1 (оксигенатов). При этом в качестве оксигенатов используют диметиловый эфир (ДМЭ) или метанол, а паровую конверсию оксигенатов проводят при атмосферном давлении и температуре 320-350°С с использованием блочного катализатора, содержащего, например, оксиды алюминия, церия и меди, последовательно нанесенные на поверхность блока, изготовленного из фехралевой сетки. Выполнение указанных выше требований обеспечивает полное превращение сырья в обогащенный по водороду газовую смесь (реформат) с низким содержанием СО (менее 5 об.%). Полученный реформат направляют в водородный насос с полимерной протонпроводящей мембраной. В водородном насосе используют полимерную протонпроводящую мембрану на основе полибензимидазола, работающую при температуре ~170°С.
В состав блочного структурированного катализатора входит медь до 5 мас.%, оксид церия - до 5 мас.%, оксид алюминия - 10 мас.%, остальное - фехраль.
Предлагаемое устройство схематически представлено на Фигуре, где 1 - испаритель/смеситель, 2 - каталитический реактор, 3 - реформат, 4 - анодное пространство, 5 - полимерная протонпроводящая мембрана на основе полибензимидазола, 6 - катодное пространство, 7 - очищенный водород, 8 - источник постоянного тока.
Устройство работает следующим образом.
В топливный процессор, состоящий из проточного трубчатого реактора (2) с блочным структурированным катализатором CuO/CeO2/Al2O3/FeCrAl массой 1,5 г, нагретым до 320-350°С, с помощью систем подготовки и подачи реагентов (1) подают смесь оксигената с водой со скоростью 2 л/(гкат ч) при атмосферном давлении. Катализатор имеет состав, мас.%: оксид меди - 2, CeO2 - 4, Al2O3 - 6, остальное - фехраль. Катализатор обеспечивает полное превращение сырья в водородсодержащий газ (реформат) с концентрацией Н2 ~ 70 об.% и СО менее 2 об.%.
Реформат (3) после топливного процессора подается в анодное пространство (4) водородного насоса. Молекулы водорода окисляются на аноде до протонов, которые мигрируют через протонпроводящую полимерную мембрану (5) на основе полибензимидазола (ZBT GmbH, Германия) в сторону катодного пространства (6). Электроны по внешней цепи переходят к катоду и рекомбинируются с протонами, образуя чистый водород (7). Для запуска устройства необходим внешний источник питания постоянного тока (8).
Результаты экспериментов по получению водорода в предлагаемом устройстве приведены в таблицах 1 и 2. В качестве оксигенатов используют смесь метилового спирта и воды при соотношении СН3ОН:Н2О=47:53 об.% и температуре в реакторе 320°С (таблица 1) или смесь ДМЭ и воды при соотношении СН3ОСН3:Н2О = 24:76 об.% и температуре в реакторе 350°С (таблица 2) . Концентрация Н2 после очистки электрохимическим способом в водородном насосе c мембраной на основе полибензимидазола составляет 99,97 об.%.
| Таблица 1 | |||||
| Исходная смесь, об.% | Состав реформата, об. % | Концентрация Н2 после водородного насоса, об.% | |||
| H2 | CO2 | CO | H2O | ||
| СН3ОН:Н2О = 47:53 | 71 | 22,6 | 1,6 | 4,5 | 99,97 |
| Таблица 2 | ||||||
| Исходная смесь, об.% | Состав реформата, об. % | Концентрация Н2 после водородного насоса, об.% | ||||
| H2 | CO2 | CO | ДМЭ | H2O | ||
| СН3ОСН3:Н2О=24:76 | 70 | 22,4 | 2 | 0,5 | 4,5 | 99,97 |
Claims (1)
- Устройство получения чистого водорода, которое представляет собой последовательно соединенные топливный процессор, предназначенный для проведения каталитической конверсии кислородсодержащих органических соединений, таких как диметиловый эфир или метанол, в водородсодержащий газ при температуре 320-350°С и атмосферном давлении с использованием блочного катализатора, содержащего оксиды алюминия, церия и меди, последовательно нанесенные на поверхность блока, изготовленного из фехралевой сетки, и водородный насос с полимерной протонпроводящей мембраной на основе полибензимидазола.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU216707U1 true RU216707U1 (ru) | 2023-02-22 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10013597A1 (de) * | 2000-03-18 | 2001-09-27 | Proton Motor Fuel Cell Gmbh | Kombinationsanlage mit einer Brennstoffzelle und einem Verbrennungsmotor und/oder Brenner |
| JP2007126351A (ja) * | 2005-08-17 | 2007-05-24 | Honda Motor Co Ltd | エネルギーステーション |
| RU138423U1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-03-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Устройство получения обогащенной водородом газовой смеси |
| JP2016115479A (ja) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10013597A1 (de) * | 2000-03-18 | 2001-09-27 | Proton Motor Fuel Cell Gmbh | Kombinationsanlage mit einer Brennstoffzelle und einem Verbrennungsmotor und/oder Brenner |
| JP2007126351A (ja) * | 2005-08-17 | 2007-05-24 | Honda Motor Co Ltd | エネルギーステーション |
| RU138423U1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-03-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Устройство получения обогащенной водородом газовой смеси |
| JP2016115479A (ja) * | 2014-12-12 | 2016-06-23 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20190233952A1 (en) | Systems and methods for variable pressure electrochemical carbon dioxide reduction | |
| JP5121533B2 (ja) | 水素製造装置、およびそれを用いた燃料電池システム | |
| US20040253492A1 (en) | Ammonia fuel cell | |
| Kwok et al. | A dual fuel microfluidic fuel cell utilizing solar energy and methanol | |
| JP5105937B2 (ja) | 一酸化炭素濃度を低減する方法 | |
| JPH06321501A (ja) | 電気化学装置および水素発生方法 | |
| CN112853389B (zh) | 一种基于高温高压电解技术的电化学合成装置 | |
| JP2000510433A (ja) | Ｃｏやｃｏ▲下２▼を含まない水素を作製する膜反応装置 | |
| KR20250031201A (ko) | 금속 포메이트 생산 | |
| CN116799266A (zh) | 一种低浓度瓦斯固体氧化物燃料电池发电系统及方法 | |
| RU216707U1 (ru) | Устройство получения водорода | |
| CN119137311A (zh) | 合成气生成过程和一氧化碳电解 | |
| CN114976155A (zh) | 一种甲醇重整及固体氧化物结合的氢燃料电池系统 | |
| RU2803569C1 (ru) | Способ получения водорода | |
| CN216336599U (zh) | 一种乙醇氧化重整制氢的装置 | |
| CN217881590U (zh) | 一种甲醇重整及固体氧化物结合的氢燃料电池系统 | |
| JP2025539802A (ja) | 二酸化炭素の付加価値製品への変換のために逆水性ガスシフト反応器とともに使用される一酸化炭素電解槽 | |
| Wiyaratn | Reviews on fuel cell technology for valuable chemicals and energy co-generation | |
| RU225231U1 (ru) | Устройство получения энергии | |
| CN114132896A (zh) | 一种乙醇氧化重整制氢的装置及方法 | |
| JP2005296755A (ja) | 水蒸気改質触媒、水蒸気改質方法、水素製造装置および燃料電池システム | |
| JP4550385B2 (ja) | 水素製造装置および燃料電池システム | |
| US20250163591A1 (en) | Systems and Methods for Generating eFuels and Platform Chemicals from Carbon Based Fuel Combustion Sources | |
| JP4381833B2 (ja) | 水素製造装置および燃料電池システム | |
| RU2497748C1 (ru) | Способ получения водорода |