[发明专利]制氢系统以及使用该制氢系统的制氢方法和动力系统

说明书

本发明涉及一种制氢系统，包括气氨/液氨进料部、第一导电部、第二导电部、电解部和产物气体出料部，其中所述电解部包含电解质组合物，对于气氨体系，所述电解质组合物含有铵盐和可以溶解所述铵盐的溶剂，对于液氨体系，所述电解质为铵盐，其中所述铵盐选自苯磺酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、月桂酸铵、四丁基乙酸铵或其任意组合。

技术领域

本发明属于氢能制备领域，更具体地，涉及利用电化学技术制备氢气的装置及方法。

背景技术

氢能作为一种清洁能源越来越受到社会的关注，但是直接以氢气作为燃料具有成本高、存储效率低、安全性能差的问题。安全、高效、经济的供氢、储氢技术是实现氢能利用的关键技术之一，然而开发高效经济的储氢材料与系统目前仍面临着巨大的技术挑战。

氨作为一种质量分数达17.6％的富氢物质，含氢量高于水、醇等含氢物质，是良好的储氢载体。氨气的成本低廉，易于运输、存储，相关技术及基本设施成熟，可作为高能液体燃料。然而，由于氨容易毒化质子交换膜燃料电池，因而很难作为燃料直接应用于燃料电池系统。开发高效的氨分解技术，将氨气分解为氢气，从而根据需要可以直接使用或者供给于氢燃料电池使用，是氨作为储氢载体的亟需解决的技术问题。

目前由氨制备氢气的方法通常基于高温热化学分解技术。根据化学反应动力学，在高温条件下，氨的分解效率可以达到99％。尽管非专利文献1报道镍基催化剂具有较高的氨分解催化活性，但氨分解反应仍需要在400℃以上的高温条件下才能进行。这种高温热化学分解技术可以用于工业上大规模的氨分解制氢，但氨用于小规模制氢以及向移动电源供氢，如车载燃料电池供氢时，需要开发出安全高效的100℃以下低温氨分解制氢技术。

非专利文献2报道了利用活性钙钛矿(SrTiO₃或BaTiO₃)可以在室温下将氨分解为氢气和氮气，但转化率很低，并且需要900℃才能实现将分解生成的氮气和氢气从钙钛矿材料中提取出来。利用电能提供能量将氨气分子分解为氢气分子和氮气分子，使得100℃以下低温氨分解制氢成为可能。

非专利文献3和非专利文献4报道了电解强碱性含氨废水制备氢气的方法。氨在阳极发生如(1)式所示的电极反应，被氧化为氮气。而水在阴极上发生如(2)式所示的电极反应，被还原为氢气。非专利文献5和非专利文献6同样基于上述体系开展了电极的优化研究，然而上述电解氨体系存在两个方面的问题：1)氨在该体系中很容易被过氧化，生成具有腐蚀性的硝酸盐；2)该反应体系中氢气的实际来源于水中的氢原子，并没有实现真正意义上的氨解制氢。

2NH₃(aq)+6OH^-→N₂(g)+6H₂O+6e^- (1)

6H₂O+6e^-→3H₂(g)+6OH^- (2)

非专利文献7和非专利文献8报道了利用金属氨基化合物(KNH₂等)作为支持电解质电解液氨，在阳极和阴极上分别发生如(3)和(4)式所示的电极反应，将氨分解为氢气和氮气。通过提高KNH₂的浓度，可以显著降低体系的电阻，电流效率得到85％。通过对电极进行优化，可以将电流效率进一步提高到96.9％。但金属氨基化合物极易与空气中的水或氧气发生反应起火，存在很大的安全隐患。

3NH₂^-→1/2N₂+2NH₃+3e^- (3)

3NH₃+3e^-→3/2H₂+3NH₂^- (4)