CN108206289A - 一种基于甲醇和水重整制备燃料电池 - Google Patents

一种基于甲醇和水重整制备燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，包含蒸发室，所述蒸发室内设有蒸发器，所述蒸发室与重整室相连，所述重整室通过微通道与高温燃料电池电堆相连，所述高温燃料电池电堆设有阳极和阴极，所述的阳极和阴极之间设有质子膜，所述阳极处设有催化剂；本发明的优点在于：不但将甲醇中携带的氢能量转换为电能，同时将水中含有的氢能转化为电能，实现水中能量的提取与利用；热量效用无浪费，能够进行循环利用，提高了制氢效率和甲醇转化率。

Description

一种基于甲醇和水重整制备燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，具体地说是一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，属于燃料电池领域。
背景技术
目前，解决这些问题最有效的办法就是开发一种微型制氢反应系统，为燃料电池提供氢燃料，且氢的制备，不受储存、运输、安全性限制，随用随制，常压使用。目前研究的比较多的是通过低碳醇(如甲醇、乙醇)重整反应而产生氢气，重整反应主要有三种方式，分别是水蒸气重整，部分氧化重整和自动热重整。同时采用紧凑式现场制氢燃料处理系统，以其紧凑、高效和低成本的特点，在瞬时将液体碳氢化合物燃料转化为氢能源中有着广阔的应用前景。在不明显增加体积和重量的情况下，实现与燃料电池的一体化设计，利用现有燃料系统制氢，实现氢气的连续便利供应，为燃料电池的推广打下了重要基础。
甲醇水蒸气重整制氢微反应器具有诸多优点，但它仍属于技术初级阶段，各项技术均不太成熟，甲醇转化率较低，氢气产量不高，流体分布不均匀，能效利用的连续性，提供能源的稳定性等问题依然阻碍着甲醇水蒸气重整制氢燃料电池的进步和发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，不但将甲醇中携带的氢能量转换为电能，同时将水中含有的氢能转化为电能，实现水中能量的提取与利用；热量效用无浪费，能够进行循环利用，提高了制氢效率和甲醇转化率。
本发明的技术方案为：
一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，包含蒸发室，所述蒸发室内设有蒸发器，所述蒸发室与重整室相连，所述重整室通过微通道与高温燃料电池电堆相连，所述高温燃料电池电堆设有阳极和阴极，所述的阳极和阴极之间设有质子膜，所述阳极处设有催化剂。
所述催化剂包括用于甲醇重整的铜锌催化剂、用于高温燃料电堆的铂催化剂以及用于氧化室氧化的铂铑钯三效催化剂。
所述的甲醇和水的比率是体积比3:2。
所述蒸发室将一定比率的甲醇和水的混合液蒸发，然后甲醇和水的蒸汽导入重整室内，重整为H2和CO2；再通过刻画于电极板上的微型通道将H2、CO2、微量CO、水蒸气混合气体导入高温燃料电池电堆（FuelCellStack）；在高温燃料电池电堆内，氢气在阳极碰到催化剂，分离成电子和质子，质子透过质子膜PEM，与阴极的氧气及电子结合生成水蒸汽，电子从阳极经外部电路回到阴极的过程形成了直流电，对外供能。同时高温燃料电池电堆产生的热量通过热交换器返回供应蒸发器，为甲醇水的蒸发提供持续的供能。
所述高温燃料电池电堆与所述氧化室相连，在高温燃料电池电堆中未反应完全的H2和CO2进入氧化室氧化，排出洁净的H2O和CO2尾气。氧化室中反应产生的热量通过热交换器供应甲醇水蒸气重整室需要的能量。
所述蒸发器设有甲醇水溶液进料口，所述蒸发器内部从进口起依次设有多层蒸发板，每层所述蒸发板上开有板孔，蒸发后的甲醇和水混合蒸汽通过蒸发板的板孔进入与所述蒸发室紧密相连的重整室。
所述重整室与所述蒸发室紧密连接，所述重整室设有气体出料口，重整后的H2、CO2、微量CO、水蒸气通过电极板上刻画的微型通道进入所述高温电池电堆进行反应。所述重整室内由入口到出口依次设有带有催化剂的金属载体，所述金属载体可为铜锌基材制作的多孔板，表面涂覆催化剂。
所述高温燃料电池电堆由若干单电池板组成，所述单电池板为7层结构从左到右依次为阳极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极板，不同数量的单电池压制成不同功率的电堆。该燃料电池温度控制在150-200摄氏度之间，属于高温燃料电池。氢气经由极板流场进入阳极扩散层，经催化反应电离生成H＋和电子，H＋经质子交换膜传递至电池阴极侧，产生的电子由导电物质，经外电路送至阴极；与此同时，氧气经由阴极板流场进入阴极扩散层，在阴极催化层中与阳极生成并传递至电池阴极侧的H＋及电子反应生成水；反应生成的水通过电极随反应尾气排入氧化室。高温电堆反应过程中产生的热量，通过热交换器导回蒸发室为甲醇水蒸发提供能量。
所述氧化室设有气体入口，经高温燃料电池电堆处理后的尾气经过极板上刻画的微通道进入氧化室，实现尾气输送，经催化反应完全后，排出H2O和CO2尾气,在此过程中产生的热量，经热交换器导回重整室提供能量。
另外，所述金属载体反应板可为铜锌纤维烧结板、泡沫板、蜂窝板，具有比表面积大、加工成本低、制氢效率高等优点。
本发明的优点在于：
（1）本发明的燃料电池不但将甲醇中携带的氢能量转换为电能，同时将水中含有的氢能转化为电能，实现水中能量的提取与利用；
（2）本发明燃料电池中需要的氢气即产即用、无高温高压，安全可靠；
（3）本发明燃料电池中热量效用无浪费，进行循环利用，提高了制氢效率和甲醇转化率；
（4）本发明燃料电池中由于热量效用自销、整个电池低红外辐射、隐蔽性好；
（5）本发明燃料电池使用甲醇水作为燃料来源，携氢量高于纯氢，能量密度高，1L甲醇水可发1千瓦时电量，综合利用度高可达46%、能源转化效率高；
（6）本发明的燃料电池的反应过程是化学反应过程、除了蒸发器的声音外，整个产能过程噪声小，对环境无污染；
（7）本发明的燃料电池对燃料甲醇的要求不高，达到工业级即可，燃料来源广泛，成本经济；
（8）本发明的燃料电池重整室催化剂的金属载体反应板可为铜锌纤维烧结板、泡沫板、蜂窝板，具有比表面积大、加工成本低、制氢效率高等优点。
下面结合附图和实施对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的燃料电池的系统结构示意图；
图2燃料电池单电堆层级示意图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，包含蒸发室，所述蒸发室内设有蒸发器，所述蒸发室与重整室相连，所述重整室通过电极板微通道与高温燃料电池电堆相连，所述高温燃料电池电堆设有阳极和阴极，所述的阳极和阴极之间设有质子膜，所述阳极处设有催化剂；
所述催化剂包括用于甲醇重整的铜锌催化剂、用于高温燃料电堆的铂催化剂以及用于氧化室氧化的铂铑钯三效催化剂。
所述的甲醇和水的比率是体积比3:2。
所述蒸发室将一定比率的甲醇和水的混合液蒸发，然后甲醇和水的蒸汽导入重整室内，重整为H2和CO2；再通过刻画于电极板上的微型通道将H2、CO2、微量CO、水蒸气混合气体导入高温燃料电池电堆（FuelCellStack）；在高温燃料电池电堆内，氢气在阳极碰到催化剂，分离成电子和质子，质子透过质子膜PEM，与阴极的氧气及电子结合生成水蒸汽，电子从阳极经外部电路回到阴极的过程形成了直流电，对外供能。同时高温燃料电池电堆产生的热量通过热交换器返回供应蒸发器，为甲醇水的蒸发提供持续的供能。
所述高温燃料电池电堆与所述氧化室相连，在高温燃料电池电堆中未反应完全的H2和CO2进入氧化室氧化，排出洁净的H2O和CO2尾气。氧化室中反应产生的热量通过热交换器供应甲醇水蒸气重整室需要的能量。
所述蒸发器设有甲醇水溶液进料口，所述蒸发器内部从进口起依次设有多层蒸发板，每层所述蒸发板上开有板孔，蒸发后的甲醇和水混合蒸汽通过蒸发板的板孔进入与所述蒸发室紧密相连的重整室。
所述重整室与所述蒸发室紧密连接，所述重整室设有气体出料口，重整后的H2、CO2、微量CO、水蒸气通过电极板上刻画的微型通道进入所述高温电池电堆进行反应。所述重整室内由入口到出口依次设有带有催化剂的金属载体，所述金属载体可为铜锌基材制作的多孔板，表面涂覆催化剂。
如图2所示，所述高温燃料电池电堆由若干单电池板组成，所述单电池板为7层结构从左到右依次为阳极板1（电极板阳极）、阳极扩散层2（阳极分散层）、阳极催化层3、质子交换膜4、阴极催化层5、阴极扩散层6（阴极分散层）、阴极板7（电极板阴极），不同数量的单电池压制成不同功率的电堆。该燃料电池温度控制在150-200摄氏度之间，属于高温燃料电池。氢气经由极板流场进入阳极扩散层，经催化反应电离生成H＋和电子，H＋经质子交换膜传递至电池阴极侧，产生的电子由导电物质，经外电路送至阴极；与此同时，氧气经由阴极板流场进入阴极扩散层，在阴极催化层中与阳极生成并传递至电池阴极侧的H＋及电子反应生成水；反应生成的水通过电极随反应尾气排入氧化室。高温电堆反应过程中产生的热量，通过热交换器导回蒸发室为甲醇水蒸发提供能量。
所述氧化室设有气体入口，经高温燃料电池电堆处理后的尾气经过极板上刻画的微通道进入氧化室，实现尾气输送，经催化反应完全后，排出H2O和CO2尾气,在此过程中产生的热量，经热交换器导回重整室提供能量。
另外，所述金属载体反应板可为铜锌纤维烧结板、泡沫板、蜂窝板，具有比表面积大、加工成本低、制氢效率高等优点。

Claims (10)

1.一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：包含蒸发室，所述蒸发室内设有蒸发器，所述蒸发室与重整室相连，所述重整室通过微通道与高温燃料电池电堆相连，所述高温燃料电池电堆设有阳极和阴极，所述的阳极和阴极之间设有质子膜，所述阳极处设有催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述催化剂包括用于甲醇重整的铜锌催化剂、用于高温燃料电堆的铂催化剂以及用于氧化室氧化的铂铑钯三效催化剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述蒸发室将一定比率的甲醇和水的混合液蒸发，然后甲醇和水的蒸汽导入重整室内，重整为H2和CO2；再通过刻画于电极板上的微型通道将H2、CO2、微量CO、水蒸气混合气体导入高温燃料电池电堆；在高温燃料电池电堆内，氢气在阳极碰到催化剂，分离成电子和质子，质子透过质子膜PEM，与阴极的氧气及电子结合生成水蒸汽，电子从阳极经外部电路回到阴极的过程形成了直流电，对外供能；同时高温燃料电池电堆产生的热量通过热交换器返回供应蒸发器，为甲醇水的蒸发提供持续的供能。
4.根据权利要求3所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述的甲醇和水的比率是体积比3:2。
5.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述高温燃料电池电堆与所述氧化室相连，在高温燃料电池电堆中未反应完全的H2和CO2进入氧化室氧化，排出洁净的H2O和CO2尾气；氧化室中反应产生的热量通过热交换器供应甲醇水蒸气重整室需要的能量。
6.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述蒸发器设有甲醇水溶液进料口，所述蒸发器内部从进口起依次设有多层蒸发板，每层所述蒸发板上开有板孔，蒸发后的甲醇和水混合蒸汽通过蒸发板的板孔进入与所述蒸发室紧密相连的重整室。
7.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述重整室与所述蒸发室紧密连接，所述重整室设有气体出料口，重整后的H2、CO2、微量CO、水蒸气通过电极板上刻画的微型通道进入所述高温电池电堆进行反应；所述重整室内由入口到出口依次设有带有催化剂的金属载体，所述金属载体可为铜锌基材制作的多孔板，表面涂覆催化剂。
8.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述高温燃料电池电堆由若干单电池板组成，所述单电池板为7层结构从左到右依次为阳极板、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极板，不同数量的单电池压制成不同功率的电堆，该燃料电池温度控制在150-200摄氏度之间，属于高温燃料电池，氢气经由极板流场进入阳极扩散层，经催化反应电离生成H＋和电子，H＋经质子交换膜传递至电池阴极侧，产生的电子由导电物质，经外电路送至阴极；与此同时，氧气经由阴极板流场进入阴极扩散层，在阴极催化层中与阳极生成并传递至电池阴极侧的H＋及电子反应生成水；反应生成的水通过电极随反应尾气排入氧化室，高温电堆反应过程中产生的热量，通过热交换器导回蒸发室为甲醇水蒸发提供能量。
9.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述氧化室设有气体入口，经高温燃料电池电堆处理后的尾气经过极板上刻画的微通道进入氧化室，实现尾气输送，经催化反应完全后，排出H2O和CO2尾气,在此过程中产生的热量，经热交换器导回重整室提供能量。
10.根据权利要求1所述的一种基于甲醇和水重整制备燃料电池，其特征在于：所述金属载体的反应板为铜锌纤维烧结板、泡沫板或蜂窝板。
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