[发明专利]提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法

说明书

本发明公开了一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法。装置包括混合气仓和吸氢容器；吸氢容器内底部设置可供气体穿过、用于承载吸氢材料且可阻止吸氢材料掉落的支撑件；吸氢容器上位于支撑件的下方设置与混合气仓连接的进气口；混合气仓用于向吸氢容器提供含氢气和惰性杂质气体的混合气。方法包括：向吸氢材料分段多次提供含氢气和惰性杂质气体的混合气；或者，使用所述装置，在吸氢容器内的支撑件上放置吸氢材料，利用混合气仓通过进气口向吸氢容器内提供含氢气和惰性杂质气体的混合气，使混合气向上流动穿过吸氢材料，提升吸氢材料在混合气中的氢化反应速度。

技术领域

本发明涉及氢气储存、运输与分离回收的技术领域，具体涉及一种提升材料在含氢气和惰性杂质气体的混合气中氢化反应速度的装置和方法。

背景技术

随着传统化石能源的逐渐消耗，氢能作为一种高效清洁的可再生能源受到了广泛关注。在氢能的实际使用过程中，需要对H₂进行合理的储存，运输与分离回收。固态储氢材料因其具备温和可控的吸放氢条件，合理的热力学性能，较快的吸放氢动力学速度，被认为是优良的储氢方式。然而，在储氢材料吸氢的过程中，氢气中可能会混有CO、CO₂、O₂、Ar、CH₄、N₂等其他杂质气体，从而使得材料的氢化反应速度减慢，进而影响储氢材料在H₂的储存、运输、分离回收等领域的应用。

在众多可能污染H₂的杂质气体中，Ar、CH₄和N₂通常不会影响储氢材料的氢化反应本征活性，因此将上述气体统称为惰性杂质气体。对于某些特定储氢材料例如Pd，也可能存在除上述惰性杂质气体以外不影响材料氢化反应活性的惰性杂质气体(CO₂对Pd也是惰性杂质气体)。如图1所示理论计算的结果表明：当储氢材料置于含H₂和惰性杂质气体的混合气中时，惰性杂质气体与储氢材料表明表现出非常弱的物理吸附作用。在杂质气体物理吸附于储氢材料表面后，吸附的H₂依然可以发生自发解离。因此，H₂中混有的惰性杂质气体并不会影响H₂在材料表面的自发解离过程，即惰性杂质气体并不会影响储氢材料的氢化反应本征活性。当储氢材料刚开始接触到含惰性杂质气体的H₂时，会以较快的速度选择性吸收一定量的H₂。

然而，当H₂中混有惰性杂质气体时，随着吸氢时间的延长，由于储氢材料快速选择性吸收混合气体中的H₂，使得惰性杂质气体在储氢材料表面附近被分离形成富集层。这种惰性杂质气体富集层阻碍了H₂分子向储氢材料表面的扩散传质，使得储氢材料表面附近的H₂分压显著低于混合气体中H₂的原始浓度，进而阻碍材料的吸氢反应。因此，储氢材料在含惰性杂质气体的H₂中吸氢时，随着吸氢过程的持续进行，其氢化反应速度会发生明显衰退。当吸氢反应进入稳态扩散流阶段后，材料的吸氢过程近乎停滞。

现有技术主要通过控制混合气中惰性杂质气体的浓度来提升储氢材料的氢化反应速度。然而，在实际使工况下，杂质气体的浓度往往是不可控的，如果为此增加一个H₂提纯的环节，则会大大增加使用成本，降低使用效率。本发明可以在不需通过对混合气杂质气体进行前期提纯复杂处理的基础上，通过优化加氢过程的物理工程工艺设计，极大的提升材料在含氢气和惰性杂质气体混合气中吸氢反应速度。本发明对储氢材料在H₂储存，运输与分离回收等领域的应用具有重大的意义。

发明内容