CN102849679B - 一种制氢设备及其制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种制氢设备及其制氢方法，所述制氢设备包括液体储存容器、主制氢设备、一个或多个子制氢设备；所述子制氢设备作为主制氢设备的加热单元；所述子制氢设备制得的氢气或/和余气作为主制氢设备的初始启动能源，当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的氢气或/和余气维持主制氢设备运行。本发明提出的制氢设备及其制氢方法，通过增加子制氢设备制备一定的氢气，将该部分氢气燃烧作为主制氢设备的启动加热源；而后通过主制氢设备制得的氢气作为主制氢设备的运行加热源。因此，本发明制氢设备只需要小功率电机即可保证设备的正常启动及运行，从而可以保证设备的小型化及移动性。

Description

一种制氢设备及其制氢方法

技术领域

本发明属于氢气制备技术领域，涉及一种制氢设备，尤其涉及一种只需小功率电机的制氢设备；同时，本发明还涉及上述制氢设备的制氢方法。

背景技术

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。

氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500℃，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。

在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11％的氢。泥土里约有1.5％的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70％为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。

氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。

氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了110公里。

用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4％的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40％，而且无需对汽油发动机作多大的改进。

氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。

另外，使用氢-氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。

现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4％的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整-变压吸附技术制取纯氢和富含CO₂的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。

甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：

CH₃OH→CO+2H₂         (1)

H₂O+CO→CO₂+H₂        (2)

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂    (3)

重整反应生成的H₂和CO₂，再经过变压吸附法(PSA)或钯膜分离将H₂和CO₂分离，得到高纯氢气。变压吸附法的耗能高、设备大，且不适合小规模的氢气制备。

此外，现有的氢气制造设备为了让设备启动，需要大功率的电机，通常在3000KW以上(如图1所示)，单单电机就需要占用大量的空间，使得设备无法小型化，移动性也很差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种制氢设备，只需要小功率电机即可保证设备的正常运行。

此外，本发明还提供上述制氢设备的制氢方法，只需要小功率电机即可保证设备的正常运行。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种制氢设备，所述制氢设备包括液体储存容器、主制氢设备、子制氢设备；

所述子制氢设备制得的氢气或/和余气通过燃烧作为主制氢设备的初始启动加热源，当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持主制氢设备运行；

所述子制氢设备包括：小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接；

所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

所述主制氢设备包括：换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接；

所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280°-409°；

重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为400°-460°；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

一种制氢设备，所述制氢设备包括液体储存容器、主制氢设备、一个或多个子制氢设备；所述子制氢设备作为主制氢设备的加热单元；

所述子制氢设备制得的氢气或/和余气作为主制氢设备的初始启动能源，当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的部分氢气或/和余气维持主制氢设备运行。

作为本发明的一种优选方案，所述制氢设备包括若干子制氢设备，包括第一子制氢设备、第二子制氢设备、第三子制氢设备、……、第N子制氢设备，各子制氢设备依次串联；各子制氢设备单位时间的制氢量依次变大；

第一子制氢设备作为第二子制氢设备的加热单元，第i子制氢设备作为第i+1子制氢设备的加热单元，第N子制氢设备作为主制氢设备的加热单元；其中，i为整数，1＜i＜N。

作为本发明的一种优选方案，所述制氢设备包括若干子制氢设备，部分子制氢设备并联设置。

作为本发明的一种优选方案，所述子制氢设备包括小功率电机、子重整室，所述子重整室为小规模重整室，子制氢设备单位时间的制氢量小于主制氢设备时间的制氢量；

所述小功率电机用以满足子重整室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

作为本发明的一种优选方案，所述子制氢设备包括：小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接；

所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

作为本发明的一种优选方案，所述主制氢设备包括：换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接；

所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280°-409°；

重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为400°-460°；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

一种上述制氢设备的制氢方法，所述方法包括如下步骤：

启动子制氢设备制备氢气，子制氢设备制得的氢气或/和余气，作为主制氢设备的初始启动能源；

当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备，主制氢设备制备氢气；

主制氢设备制得的部分氢气或/和余气维持主制氢设备运行。

作为本发明的一种优选方案，所述子制氢设备的制氢步骤包括：

步骤S11：将甲醇和水通过输送装置输送至子换热器换热，换热后进入子气化室气化；

步骤S12：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入子重整室，子重整室内设有催化剂，子重整室内的温度为280°-409°；

步骤S13：子重整室与子分离室之间的传送通道经过一子预热控温机构，该子预热控温机构用以加热从子重整室输出的气体；所述子预热控温机构作为子重整室与子分离室之间的缓冲，使得从子重整室输出的气体的温度与子分离室的温度相同或接近；

步骤S14：所述子分离室内的温度设定为400°-460°；子分离室内设有子膜分离器，从子膜分离器的产气端得到氢气。

作为本发明的一种优选方案，所述主制氢设备的制氢步骤包括：

步骤S21：将甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S22：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280°-409°；

步骤S23：重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S24：所述分离室内的温度设定为400°-460°；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

本发明的有益效果在于：本发明提出的制氢设备及其制氢方法，通过增加子制氢设备制备一定的氢气，将该部分氢气(还可以包括余气)燃烧作为主制氢设备的启动加热源；而后通过主制氢设备制得的氢气(还可以包括余气)作为主制氢设备的运行加热源。因此，本发明制氢设备只需要小功率电机(如30W)即可保证设备的正常启动及运行，从而可以保证设备的小型化及移动性。

附图说明

图1为现有制氢设备的部分组成示意图。

图2为本发明制氢设备的部分组成示意图。

图3为本发明制氢设备的启动原理图。

图4为实施例二中本发明制氢设备的启动原理图。

图5为实施例三中本发明制氢设备的启动原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图2，本发明揭示了一种制氢设备，所述制氢设备包括液体储存容器10、主制氢设备30、子制氢设备20。

所述子制氢设备20制得的氢气或/和余气通过燃烧作为主制氢设备30的初始启动加热源，当子制氢设备20制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备30；此后，主制氢设备30制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持主制氢设备运行。

所述子制氢设备包括：小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接。所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；如图3所示，小功率电机通常只需要30W即可满足需要，可以将制得的氢气及余气存储，如存储5m³。液体储存容器中的甲醇和水经过处理后输送至子重整室重整、子分离室分离(也可以不进行分离操作)；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

本实施例中，所述主制氢设备包括：换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接。所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化。气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280°-409°。重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。所述分离室内的温度设定为400°-460°；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

以上介绍了本发明制氢设备的组成，本发明在揭示上述设备的同时，还揭示一种上述制氢设备的制氢方法。所述方法包括如下步骤：启动子制氢设备制备氢气，子制氢设备制得的氢气或/和余气，作为主制氢设备的初始启动能源。当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备，主制氢设备制备氢气。主制氢设备制得的部分氢气或/和余气维持主制氢设备运行。

其中，所述子制氢设备的制氢步骤包括：

步骤S11：将甲醇和水通过输送装置输送至子换热器换热，换热后进入子气化室气化；

步骤S12：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入子重整室，子重整室内设有催化剂，子重整室内的温度为280°-409°；

步骤S13：子重整室与子分离室之间的传送通道经过一子预热控温机构，该子预热控温机构用以加热从子重整室输出的气体；所述子预热控温机构作为子重整室与子分离室之间的缓冲，使得从子重整室输出的气体的温度与子分离室的温度相同或接近；

步骤S14：所述子分离室内的温度设定为400°-460°；子分离室内设有子膜分离器，从子膜分离器的产气端得到氢气。

所述主制氢设备的制氢步骤包括如下步骤：

步骤S21：将甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S22：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280°-409°；

步骤S23：重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S24：所述分离室内的温度设定为400°-460°；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

实施例二

请参阅图4，本实施例中，所述制氢设备包括若干子制氢设备，包括第一子制氢设备、第二子制氢设备、第三子制氢设备、……、第N子制氢设备，各子制氢设备依次串联；各子制氢设备单位时间的制氢量依次变大。

第一子制氢设备作为第二子制氢设备的加热单元，第i子制氢设备作为第i+1子制氢设备的加热单元，第N子制氢设备作为主制氢设备的加热单元；其中，i为整数，1＜i＜N。

实施例三

请参阅图5，本实施例中，所述制氢设备包括若干子制氢设备，部分子制氢设备并联设置。

综上所述，本发明提出的制氢设备及其制氢方法，通过增加子制氢设备制备一定的氢气，将该部分氢气(还可以包括余气)燃烧作为主制氢设备的启动加热源；而后通过主制氢设备制得的氢气(还可以包括余气)作为主制氢设备的运行加热源。因此，本发明制氢设备只需要小功率电机(如30W)即可保证设备的正常启动及运行，从而可以保证设备的小型化及移动性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种制氢设备，其特征在于，所述制氢设备包括液体储存容器、主制氢设备、子制氢设备；

所述子制氢设备制得的氢气或/和余气通过燃烧作为主制氢设备的初始启动加热源，当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的部分氢气或/和余气通过燃烧维持主制氢设备运行；

所述子制氢设备包括：小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接；

所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气或/和余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量；

所述主制氢设备包括：换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接；

所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280℃-409℃；

重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为400℃-460℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

2.一种甲醇水蒸气重整制氢设备，其特征在于，所述制氢设备包括液体储存容器、主制氢设备、一个或多个子制氢设备；所述子制氢设备作为主制氢设备的加热单元，子制氢设备单位时间的制氢量小于主制氢设备单位时间的制氢量；

所述子制氢设备制得的氢气或/和余气通过燃烧作为主制氢设备的初始启动能源，当子制氢设备制得的部分氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的氢气或/和余气维持主制氢设备运行。

3.根据权利要求2所述的制氢设备，其特征在于：

所述制氢设备包括若干子制氢设备，包括第一子制氢设备、第二子制氢设备、第三子制氢设备、……、第N子制氢设备，各子制氢设备依次串联；各子制氢设备单位时间的制氢量依次变大；

第一子制氢设备作为第二子制氢设备的加热单元，第i子制氢设备作为第i+1子制氢设备的加热单元，第N子制氢设备作为主制氢设备的加热单元；其中，i为整数，1<i<N。

4.根据权利要求2所述的制氢设备，其特征在于：

所述制氢设备包括若干子制氢设备，部分子制氢设备并联设置。

5.根据权利要求2所述的制氢设备，其特征在于：

所述子制氢设备包括小功率电机、子重整室，所述子重整室为小规模重整室，子制氢设备单位时间的制氢量小于主制氢设备单位时间的制氢量；

所述小功率电机用以满足子重整室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整；将制得的氢气或/和余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

6.根据权利要求2所述的制氢设备，其特征在于：

所述子制氢设备包括：小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接；

所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气或/和余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量。

7.根据权利要求2所述的制氢设备，其特征在于：

所述主制氢设备包括：换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接；

所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280℃-409℃；

重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

所述分离室内的温度设定为400℃-460℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。

8.一种利用权利要求2所述制氢设备的制氢方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

启动子制氢设备制备氢气，子制氢设备制得的部分氢气或/和余气，作为主制氢设备的初始启动能源；

当子制氢设备制得的氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备，主制氢设备制备氢气；

主制氢设备制得的部分氢气或/和余气维持主制氢设备运行。

9.根据权利要求8所述的制氢方法，其特征在于：

所述子制氢设备的制氢步骤包括：

步骤S11：将甲醇和水通过输送装置输送至子换热器换热，换热后进入子气化室气化；

步骤S12：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入子重整室，子重整室内设有催化剂，子重整室内的温度为280℃-409℃；

步骤S13：子重整室与子分离室之间的传送通道经过一子预热控温机构，该子预热控温机构用以加热从子重整室输出的气体；所述子预热控温机构作为子重整室与子分离室之间的缓冲，使得从子重整室输出的气体的温度与子分离室的温度相同或接近；

步骤S14：所述子分离室内的温度设定为400℃-460℃；子分离室内设有子膜分离器，从子膜分离器的产气端得到氢气。

10.根据权利要求8所述的制氢方法，其特征在于：

所述主制氢设备的制氢步骤包括：

步骤S21：将甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S22：气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为280℃-409℃；

步骤S23：重整室与分离室之间的传送通道经过一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S24：所述分离室内的温度设定为400℃-460℃；分离室内设有膜分离器，从膜分离器的产气端得到氢气。