从反应的可逆性和储氢量等角度来看,苯和甲苯是比较理想的有机液体储氢剂,环己烷和甲基环己烷是较理想的有机液态氢载体。
有机液态氢化物可逆储放氢系统是一个封闭的循环系统,是由储氢剂的加氢反应、氢载体的存储和运输、脱氢反应等3个过程组成。利用催化加氢装置,将氢存储在环己烷或甲基环己烷等氢载体中。由于氢载体在常温、常压下呈液体,存储和运输简单易行。将氢载体运输到目的地后,通过催化脱氢装置,在脱氢催化剂的作用下,释放出被存储的氢能,供用户使用;储氢剂则经过冷却后存储、运输,循环再利用。
不饱和芳烃与对应氢化物,如苯/环己烷、甲基苯/甲基环己烷等有机物可以在不破坏碳环的主体结构下加氢和脱氢,这是结构非敏感的反应,在C-H键断裂的同时不影响C-H骨架的结构,而且反应是可逆的。图10-4是以环己烷为代表的液体有机氢化物储氢反应框图。
图10-4 以环己烷为代表的液体有机氢化物储氢反应框图(www.daowen.com)
环己烷、甲基环己烷、苯、甲苯等为工业上可大规模生产的化学品,如果反应产物可以循环地利用,将实现大规模低成本储氢。液体有机氢化物也可用于质子交换膜燃料电池(PEMFC),并给机车提供能源,这个过程被日本、法国等国家看好。整个功能过程包括环烷烃在机车上脱氢并产生芳烃,氢气供给燃料电池给机车提供,芳烃在工厂中再生成文环烷烃等步骤。
液体有机氢化物储氢有很多优点。催化反应可逆,反应物产物可循环再利用,氢储量相对较高(约60kg H2/m3,质量分数为6%~8%),如果用于质子交换膜燃料电池还可以实现CO2零排放。另外,燃料从集中地分散运输到各燃料站时也比较方便和安全。在挪威、瑞士等一些北欧国家及加拿大等水利资源较丰富的国家,还可利用液体有机氢化物的循环季节性储放氢以解决能源与需求之间的季节性错配的问题。即在夏季水电较丰富的季节通过电解加氢过程实现有机液体储能,在冬季水电缺乏的季节再利用氢能发电,这种方法比水利泵储能方法更具有优势,尤其是用于周期超过100天的长期存储。在日本、新加坡等能源相对贫乏的地区,或者我国西部与东部地区之间供求相对不平衡的地区,以有机液体形式进行长途输送或可解决能源的地区分布不均匀问题。有机液体用于长周期储氢或长途输氢的过程原理如图10-5所示。
图10-5 有机液体用于长周期储氢或长途输氢的过程原理
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