[发明专利]用于供应和进一步使用氢气的系统和方法

说明书

本发明涉及一种用于提供氢气的系统，其包括脱氢单元(4)，用于从至少部分加载的载氢介质中释放含氢气的气体混合物；与所述脱氢单元(4)连接的分离/纯化单元(5)，用于至少部分地从所述气体混合物中分离氢气并且纯化分离的氢气，其中所述分离/纯化单元(5)具有分离膜(17)；与所述分离/纯化单元(5；5a)连接的利用单元(6),用于利用纯化的氢气；与所述分离/纯化单元(5；5a)连接的热转换单元(7)，用于热转换残余气体混合物。

本专利申请主张德国专利申请DE 10 2017 217 748.9的优先权，其内容通过引用被并入本文。

本发明涉及一种用于供应并且进一步使用氢气的系统和方法。

氢气可用于燃料电池中的发电。为此，必须以例如至少99.9％的高纯度供应氢气。一氧化碳(CO)或烃(TOC)等杂质特别不利，损害燃料电池的运行。

一种已知的用于提供氢气的方法是使载氢介质脱氢，尤其是使液体有机载氢介质(也称为液体有机氢载体(LOHC))脱氢。JP2002/134141A公开了利用LOHC脱氢反应从气体混合物中分离出氢气。利用LOHC脱氢反应分离氢气开支巨大，因此所分离的氢气应尽量用于发电。燃料电池的最大效率为55％。总体效率是根据燃料电池效率、98％的载氢介质氢化效率和后期70％的载氢介质脱氢效率而得出的，最多为38％。燃料电池的实际效率通常在45％至50％之间，因此实际总体效率约为30％至34％。

本发明的目的是，改进氢气的供应，尤其是为在燃料电池中的利用而改进氢气的供应，尤其是将效率提高到理论上的最大总体效率38％。

该目的通过具有权利要求1所述特征的系统和具有权利要求6所述特征的方法来实现。本发明的核心在于，将来自脱氢单元的气体混合物中的氢气在分离/纯化单元中至少部分地进行分离纯化。意外发现，如果只对气体混合物的子流进行纯化以用于后期发电，该方法的总体效率就会提高。减少了待要用于发电的子流的纯化所涉及的开支，从而提高了总体效率。当分离/纯化单元具有分离膜，用于从气体混合物中分离氢气以及纯化氢气时，这是特别有利的。本发明还基于这样的发现：分离膜可用于从LOHC脱氢中纯化氢气。根据本发明，从现有技术中已知的具有上游分离步骤和下游纯化步骤的两步法可以借助分离膜作为组合的一步工艺来实现。简化了方法，尤其减少了氢气纯化所涉及的开支。本发明的主要优点在于，提高了总体效率，同时减少了氢气纯化所涉及的开支。

若所使用的载氢介质是LOHC，氢就是通过有机分子或有机分子混合物的催化脱氢反应释放的。这意味着通过加载的载体介质的物理变换(借助催化脱氢反应在卸载单元中卸载)来释放氢。在加载状态下，该载体介质尤其是一种饱和多环化合物，尤其是全氢二苄基甲苯或全氢苄基甲苯，其能够作为纯净物、异构体混合物或混合物被相互使用。或者，加载的载体介质是一种饱和多环化合物，其包含氮或氧等杂原子，尤其是全氢-N-乙基咔唑、全氢-N-丙基咔唑、全氢-N-异丙基咔唑、全氢-N-丁基咔唑或这些物质的合成物。或者，所使用的加载载体介质也可以是饱和有机低聚物或聚合物，其可以通过催化脱氢转化为具有扩展π共轭电子体系的低聚物或聚合物。在该卸载单元中对加载的载体介质进行卸载，这尤其是在压力稳定的化学反应器中进行，其工艺温度在100℃到450℃之间，优选地在150℃到420℃之间，尤其是在180℃到390℃之间。工艺压力在0.1到30bar之间，尤其是在1到10bar之间，其中尤其可以使用含金属的催化剂，尤其是含铂和/或钯的催化剂。重要的是催化剂能够将从LOHC载体介质排出的氢作为氢气释放。除铂和/或钯外，铬、铁、钴、镍、铜、铱或钌等金属也尤其适用于此目的。

经由第一流体导管与分离/纯化单元相连接的利用单元使得分离纯化的氢气能够直接利用、尤其是通过在发电单元中发电。利用单元也可以采取不同的形式来物理地利用氢气。发电单元尤其是燃料电池，该燃料电池尤其具有聚合物电解质膜，该燃料电池尤其是PEM燃料电池。