CN107915206A - 应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，包括集成于同一机柜内的重组反应单元、氢气纯化单元、热交换单元、甲烷化反应单元，其中，热交换单元，采用热交换器用于对重组反应后的粗氢气体进行降温输出，并用于对变压吸附装置输出的纯氢通过该热交换器且利用粗氢气体降温散出的热量进行预升温；甲烷化反应单元，采用甲烷化反应器用于供升温后的纯氢通过并将其中的一氧化碳转化为甲烷，输出一氧化碳含量＜0.1PPM的高纯氢。本发明的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置性能稳定、寿命长、可靠性高、纯化后的气体中一氧化碳含量＜0.1PPM且不增加能耗。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置及其制备方法。
背景技术
受自然灾害影响，单纯依赖集中式的电力系统无法确保重要设备的持续稳定运转,除影响日常生活外，更可能因此而危害到生命财产的安全，电池作为备用电力无法长效供电，而且电池回收和环境污染问题仍难以解决。在电力基础建设无法到达的偏远地区及海岛，目前仍以柴油发电为主要电力来源，但其噪音大、污染严重、维护频率高、供电弹性低。太阳能、风力等再生能源发电技术受日照、地域和气候影响较大，目前仍无法进行有效稳定供电。燃料电池发电系统具有高稳定性、低维护、长效运转、低排放的优点，加上可以与多元的再生能源整合来作为当地居民可靠的电力来源，是目前被认为极具发展潜力的发电技术。
对于低温型质子膜燃料电池来说，通常需要使用纯氢作为燃料。甲醇重组反应器是一种可以将甲醇转化为富氢气体的装置，其中氢气含量约75％，为了给燃料电池提供燃料，通常需要对富氢气体进行纯化。目前常用的纯化技术有钯膜纯化和变压吸附纯化，钯膜运行温度较高、价格昂贵，在使用上常因破损而导致氢气纯度不足，甚至因为一氧化碳穿透混在氢气内使得燃料电池寿命大幅减损。变压吸附纯化是一种工业上常见且可靠的纯化工艺，但其工作温度为常温，因此必须先将重组气体降温至常温，且经其纯化的氢气中仍有1PPM以上的CO，虽然纯化后CO含量符合燃料电池的要求，但是随着纯化装置使用时间的增长，纯化效果可能会变差，而CO含量的增加直接影响到燃料电池的寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种性能稳定、寿命长、一氧化碳含量＜0.1PPM且不增加能耗的甲醇重整燃料电池用氢气纯化装置。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：包括集成于同一机柜内的重组反应单元、氢气纯化单元、热交换单元、甲烷化反应单元，其中:
重组反应单元，包含重组反应器及加热装置，用于甲醇水燃料进行升温并进行重组反应制得氢气；
氢气纯化单元，采用变压吸附装置，用于对经热交换、冷凝及气水分离后的氢气进行纯化，输出高纯氢，排出废气；
热交换单元，采用热交换器用于对重组反应后的粗氢气体进行降温输出，并用于对变压吸附装置输出的纯氢通过该热交换器且利用粗氢气体降温散出的热量进行预升温；
甲烷化反应单元，采用甲烷化反应器用于供升温后的纯氢通过并将其中的一氧化碳转化为甲烷，输出一氧化碳含量＜0.1PPM的高纯氢。
作为优选，所述的热交换单元还包括有热交换管，所述的甲烷化反应器输出的高纯氢通过热交换管进行降温，且甲醇水进入重组反应器前先通过热交换管并利用高纯氢降温散出的热量进行预升温。
作为优选，所述的重组反应后的粗氢气体通过热交换器后再通过冷凝器第二次降温后输出至气水分离器，气水分离器对重组反应后并经过降温的粗氢气体进行气水分离，输出气水分离后的粗氢气体，且将未完全反应的水排出。
作为优选，所述重组反应器通过加热装置加热，且所述的变压吸附装置排出的废气导入至加热装置进行回烧。
作为优选，所述加热装置产生的废气通过尾气燃烧反应器进行净化。
一种甲醇重组燃料电池发电系统的氢气的制备方法，包括以下步骤，
a、将甲醇水输入第一热交换器，第一热交换器将甲醇水预升温至100℃～150℃；
b、预升温后的甲醇水经过重组反应器，重组反应器通过加热装置加热，将甲醇水升温至250℃～350℃并开始重组反应，甲醇水转化为富含氢气的粗氢气体；
c、粗氢气体通过热交换器进行第一次降温，降温至50℃～100℃；
d、粗氢气体通过冷凝器第二次降温降至室温；
e、粗氢气体通过气水分离器，粗氢气体中未完全反应的水排出；
f、气水分离器输出的粗氢气体进入变压吸附装置，对粗氢气体进行纯化，输出纯氢，且产生的废气导入加热装置进行回烧；
g、高纯氢通过热交换器进行预升温并通过加热装置加热升温至250℃～350℃；
h、升温后的高纯氢经过甲烷化反应器，将其中的一氧化碳转化为甲烷；
f、甲烷化反应器输出的高纯氢经过第一热交换器，降温至室温，输出供使用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明利用热交换单元的热交换器对重组反应后的粗氢气体进行降温输出，并用于对变压吸附装置输出的高纯氢进行换热升温，升温后的高纯氢气体在甲烷化反应器进行甲烷化反应将其中的一氧化碳转化为甲烷，将其CO含量降至0.1PPM以内，从而避免一氧化碳毒化阳极催化剂而影响燃料电池的寿命；甲烷化反应器输出的高纯氢再经过第一热交换器,降至室温，以最终供给燃料电池使用。本发明将重组后的粗氢气体降温时的热能有效的利用起来，对变压吸附装置输出的纯氢进行升温后利用甲烷化反应器进行再次纯化，进一步降低CO的含量，同时也可以避免因纯化器使用时间过长或其他因素而导致纯化效果差后影响系统寿命，使得系统能源使用率高、寿命长且能提供高纯度氢气，可靠性非常高。
附图说明
图1为本发明的一种甲醇重组燃料电池发电系统原理示意图。
1-重组反应器，2-气水分离器，3-变压吸附装置，4-甲烷化反应器，5-第一热交换器，6-热交换器，7-冷凝器，8-加热装置，9-尾气燃烧反应器，10-空气泵，11-甲醇水泵，A-甲醇水入口，B-高纯氢出口，C-废水出口，D-废气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
如图1所示，
一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，包括集成于同一机柜内的重组反应单元、氢气纯化单元、热交换单元、甲烷化反应单元4，其中，
重组反应单元，包含重组反应器1及加热装置8，用于甲醇水燃料进行升温并进行重组反应制得氢气；
氢气纯化单元，采用变压吸附装置3，用于对经热交换、冷凝及气水分离后的氢气进行纯化，输出高纯氢，排出废气；
热交换单元，采用热交换器6用于对重组反应后的粗氢气体进行降温输出，并用于对变压吸附装置3输出的高纯氢通过该热交换器6且利用粗氢气体降温散出的热量进行预升温；
甲烷化反应单元，采用甲烷化反应器4用于供升温后的高纯氢通过并将其中的一氧化碳转化为甲烷，输出一氧化碳含量<0.1PPM一氧化碳的高纯氢。
热交换单元还包括有热交换管5，甲烷化反应器4输出的高纯氢通过热交换管5进行降温，且甲醇水进入重组反应器1前先通过热交换管5并利用高纯氢降温散出的热量进行预升温。
重组反应后的粗氢气体通过热交换器6后再通过冷凝器7第二次降温后输出至气水分离器2，气水分离器2对重组反应后并经过降温的粗氢气体进行气水分离，输出不含水的粗氢气体，且将未完全反应的水排出。
所述重组反应器1通过加热装置8加热，且变压吸附装置3排出的废气导入至加热装置8进行回烧。
所述加热装置8产生的废气通过尾气燃烧反应器9进行净化。
一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置的制备方法，包括以下步骤，
a、将甲醇水输入热交换管5，热交换管5将甲醇水预升温至100℃～150℃；
b、预升温后的甲醇水经过重组反应器1，重组反应器1通过加热装置8加热，将甲醇水升温至250℃～350℃并开始重组反应，甲醇水转化为富含氢气的粗氢气体；
c、粗氢气体通过热交换器6进行第一次降温，降温至50℃～100℃；
d、粗氢气体通过冷凝器7第二次降温降至室温；
e、粗氢气体通过气水分离器2，粗氢气体中未完全反应的水排出；
f、气水分离器2输出的粗氢气体进入变压吸附装置3，对粗氢气体进行纯化，输出高纯氢，且产生的废气导入加热装置8进行回烧；
g、高纯氢通过热交换器6进行预升温加热升温至250℃～350℃；
h、升温后的高纯氢经过甲烷化反应器4，将其中的一氧化碳转化为甲烷；
f、甲烷化反应器4输出的高纯氢经过热交换管5，降温至室温，输出供使用。
实施例：
实心箭头部分为高纯氢制备的主线路，空心箭头部分表示为变压吸附装置产生的可燃烧的废气导入加热装置8进行回烧。
A为甲醇水入口，甲醇水经过甲醇水泵11提供输送动力，输入第一热交换器5，第一热交换器5将甲醇水预升温至100℃～150℃，预升温后的甲醇水经过重组反应器1，重组反应器1通过加热装置8加热，将甲醇水升温至250℃～350℃并开始重组反应，甲醇水转化为富含氢气的粗氢气体，粗氢气体通过热交换器6进行第一次降温，降温至50℃～100℃，粗氢气体通过冷凝器7第二次降温降至室温，粗氢气体通过气水分离器2，粗氢气体中未完全反应的水通过废水出口C排出；气水分离器2输出的粗氢气体进入变压吸附装置3，对粗氢气体进行纯化，输出高纯氢，且产生的废气导入加热装置8进行回烧，高纯氢通过热交换器6进行预升温至25℃；升温后的高纯氢经过甲烷化反应器4，将其中的一氧化碳转化为甲烷f、甲烷化反应器4输出的高纯氢经过第一热交换器5，降温至室温，输出供使用。
其中，加热装置8燃烧产生的废气经过尾气燃烧反应器9净化之后通过废气出口D排出。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：包括集成于同一机柜内的重组反应单元、氢气纯化单元、热交换单元、甲烷化反应单元(4)，其中，
重组反应单元，包含重组反应器(1)及加热装置(8)，用于甲醇水燃料进行升温进行重组反应制得氢气；
氢气纯化单元，采用变压吸附装置(3)，用于对经热交换、冷凝及气水分离后的氢气进行纯化，输出高纯氢，排出废气；
热交换单元，采用热交换器(6)用于对重组反应后的粗氢气体进行降温输出，并用于对变压吸附装置(3)输出的纯氢通过该热交换器(6)且利用粗氢气体降温散出的热量进行预升温；
甲烷化反应单元，采用甲烷化反应器(4)用于供升温后的纯氢通过并将其中的一氧化碳转化为甲烷，输出一氧化碳含量＜0.1PPM的高纯氢。
2.根据权利要求1所述的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：所述的热交换单元还包括有热交换管(5)，所述的甲烷化反应器(4)输出的高纯氢通过热交换管(5)进行降温，且甲醇水进入重组反应器(1)前先通过热交换管(5)并利用高纯氢降温散出的热量进行预升温。
3.根据权利要求1所述的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：所述的重组反应后的粗氢气体通过热交换器(6)后再通过冷凝器(7)第二次降温后进入气水分离器(2)，气水分离器(2)对重组反应后并经过降温的粗氢气体进行气水分离，输出不含水的粗氢气体，且将未完全反应的水排出。
4.根据权利要求1所述的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：所述重组反应器(1)通过加热装置(8)加热，且所述的变压吸附装置(3)排出的废气导入至加热装置(8)进行回烧。
5.根据权利要求4所述的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置，其特征在于：所述加热装置(8)产生的废气通过尾气燃烧反应器(9)进行净化。
6.根据权利要求1的应用于甲醇重组燃料电池的氢气纯化装置的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
a、将甲醇水输入热交换管(5)，热交换管(5)将甲醇水预升温至100℃～150℃；
b、预升温后的甲醇水经过重组反应器(1)，重组反应器(1)通过加热装置(8)加热，将甲醇水升温至250℃～350℃并开始重组反应，甲醇水转化为富含氢气的粗氢气体；
c、粗氢气体通过热交换器(6)进行第一次降温，降温至50℃～100℃；
d、粗氢气体通过冷凝器(7)第二次降温降至室温；
e、粗氢气体通过气水分离器(2)，与冷凝下来的水分离并排出；
f、气水分离器(2)输出的粗氢气体进入变压吸附装置(3)，对粗氢气体进行纯化，输出高纯氢，且产生的废气导入加热装置(8)进行回烧；
g、高纯氢通过热交换器(6)进行预升温加热升温至250℃；
h、升温后的高纯氢经过甲烷化反应器(4)，将其中的一氧化碳转化为甲烷；
f、甲烷化反应器(4)输出的高纯氢经过热交换管(5)，降温至室温，输出供使用。
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