CN112265961A - 一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，包括原料箱、通过原料计量泵与原料箱相连的换热器、通过燃料计量泵与原料箱相连的制氢‑纯化一体化反应器、制氢‑纯化一体化反应器上连接的空气泵、冷却器以及冷却器上连接的氢气储罐，制氢‑纯化一体化反应器包括汽化腔室、重整反应腔室、催化燃烧腔室、氢气纯化腔室、温度传感器、重整产物气输送盘管，重整反应腔室、催化燃烧腔室、氢气纯化腔室为圆柱形套筒式结构，依次从外向里排列；本发明的供氢系统具有储氢密度高、体积重量小、原料来源广泛、适用范围广、氢气即制即用等优点。

Description

一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统
技术领域
本发明属于制氢技术领域，涉及一种基于醇类燃料重整制氢反应的在线供氢系统。
背景技术
氢燃料电池是一种直接将氢燃料和氧化剂中的化学能通过电化学方式转化为电能的高效发电装置。质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、工作温度适宜、振动噪声低、环境友好等优点，已广泛应用于新能源汽车、分布式电站、应急电源、国防军工等领域。例如，在民用领域，以日本丰田“Mirai”、本田“Clarity”以及韩国现代“ix35”等为代表的燃料电池汽车已经实现规模化量产；日本的Ene Farm计划使燃料电池分布式电站进入了百万户百姓家庭。在军用领域，德国212A、214燃料电池AIP潜艇的批量列装，让世界看到了燃料电池发电系统的先进性及其在军事领域的广阔应用前景。特别是近年来，随着燃料电池关键材料、零部件及系统集成开发技术的不断突破，燃料电池电堆的可靠性也有了质的飞跃。同时，燃料电池的成本也大幅降低。
高纯氢气是质子交换膜燃料电池的燃料。目前，适用于燃料电池发电系统储氢方式主要有高压气态储氢、固体材料储氢、有机液体储氢、重整制氢等。高压气态储氢的优点是技术成熟度高、储氢装置结构简单、携带使用方便、充放氢速度快，其不足之处在于储氢密度低，即使将储氢压力提高至70MPa，其体积储氢密度也只有40g/L左右。此外，高压储氢的存储及使用存在较大安全隐患；合金储氢等固体材料储氢技术具有安全性高、可靠性好等特点，其不足之处在于储氢材料成本高、装置重量储氢密度低，难以满足大功率质子交换膜燃料电池的长时间供氢需求。有机液体储氢技术具有较高的材料储氢密度，且氢燃料储运方便，其不足之处在于脱氢能耗高、技术成熟度较低。
重整制氢是指天然气、甲醇、乙醇等富氢燃料在一定温度和压力条件下，在催化剂的作用下发生重整催化反应，转化为H2和CO2的过程。该技术的主要优点在于材料储氢密度较高，适用于氢气的即时制取。其主要不足之处在于变压吸附提纯装置体积重量大，氢气分离效率低，因而限制了重整制氢技术在燃料电池分布式发电系统、机动化电站、新能源汽车等领域的应用。
因此，需要进一步开发储氢密度高、制氢装置体积重量小、结构紧凑、原料来源广泛、适用范围广的即时储制氢装置，以解决燃料电池发电系统的氢气储运瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有燃料电池发电系统储氢技术的不足，提供一种储氢密度高、装置体积重量小、原料来源广泛且补给方便、适用范围广及热量利用率高的在线供氢系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，包括存储醇水燃料的原料箱、通过原料计量泵、电磁阀与原料箱相连的换热器和通过燃料计量泵、电磁阀与原料箱相连的制氢-纯化一体化反应器，所述的制氢-纯化一体化反应器上分别连接有空气泵和冷却器，冷却器上连接有氢气储罐；所述的制氢-纯化一体化反应器由汽化腔室、重整反应腔室、催化燃烧腔室、氢气纯化腔室、温度传感器、重整产物气输送盘管组成，所述的重整反应腔室、催化燃烧腔室和氢气纯化腔室为依次从外向里排列的圆柱形套筒式结构，催化燃烧腔室与汽化腔室相连通，汽化腔室和催化燃烧腔室中均设置有负载型的颗粒催化剂，所述的氢气纯化腔室内设置有膜片式或膜管式的钯或钯合金纯化组件，氢气纯化腔室上还分别设置有重整反应产物气进口、纯氢出口、尾氢出口；作为催化燃烧的醇水原料同时在汽化腔室和催化燃烧腔室内进行催化燃烧反应，反应温度450℃～600℃，催化燃烧腔室同时给重整反应腔室和氢气纯化腔室供热，重整反应腔室内发生重整反应，反应温度400℃～550℃，产生的纯氢经过冷却器冷却后输送至氢气储罐，尾氢输送至催化燃烧腔室进行催化燃烧供热反应。
所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其醇水燃料为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的一种或两种与去离子水的混合物。
所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其重整反应压力为1.0MPa～3.0MPa。
所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其催化剂为Pt/Al2O3或Pd/Al2O3。
所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其冷却器的冷却方式为风冷或水冷。
本发明的有益效果是：本发明克服了现有燃料电池储氢装置体积重量大、补给保障要求高、机动化能力差等不足，具有储氢密度高、装置体积重量小、原料来源广泛且补给方便、适用范围广及热量利用率高等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记说明：1—原料箱，1.1—电磁阀，1.2—原料计量泵，1.3—电磁阀，1.4—燃料计量泵，2—空气泵，3—换热器，3.1—截止阀，4—制氢-纯化一体化反应器，4.1—汽化腔室，4.2—重整反应腔室，4.3—催化燃烧腔室，4.4—氢气纯化腔室，4.5—温度传感器，4.6—重整产物气输送盘管，5—冷却器，6—氢气储罐，6.1—压力传感器，6.2—截止阀，6.3—背压阀。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明的一个基本实施例如图1所示，一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，它包括原料箱1、通过原料计量泵1.2和电磁阀1.1与原料箱1相连的换热器3、通过燃料计量泵1.4和电磁阀1.3与原料箱1相连的制氢-纯化一体化反应器4，制氢-纯化一体化反应器4上连接有空气泵2、冷却器5以及冷却器5上连接的氢气储罐6，换热器3通过截止阀3.1连接外部，氢气储罐6依次通过截止阀6.2和背压阀6.3连接外部。
所述的制氢-纯化一体化反应器4包括汽化腔室4.1、重整反应腔室4.2、催化燃烧腔室4.3、氢气纯化腔室4.4、温度传感器4.5和重整产物气输送盘管4.6，所述的重整反应腔室4.2、催化燃烧腔室4.3、氢气纯化腔室4.4为圆柱形套筒式结构，依次从外向里排列。催化燃烧腔室4.3与汽化腔室4.1相连通，汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3中均设置有负载型的颗粒催化剂，所述的氢气纯化腔室4.4内设置有膜片式或膜管式的钯或钯合金纯化组件，氢气纯化腔室4.4上还分别设置有重整反应产物气进口、纯氢出口、尾氢出口。
实施例2
在实施例1的基础上进一步的实施例：其醇类燃料为甲醇和乙醇的混合物，原料箱中存储的原料为甲醇、乙醇与去离子水的混合物，其醇类燃料重整反应温度为450℃，反应压力为0.5MPa，原料箱1中存储的醇水原料同时作为反应原料和催化燃烧燃料，并通过原料计量泵1.2和燃料计量泵1.4分别输送至制氢-纯化一体化反应器4的重整反应腔室4.2和汽化腔室4.1，制氢-纯化一体化反应器4的汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3相连通，作为催化燃烧的醇水原料同时在汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3进行催化燃烧反应，反应温度为500℃，汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3中均设置有负载型的颗粒催化剂，催化剂为Pd/Al2O3，催化燃烧腔室4.3同时给重整反应腔室4.2和氢气纯化腔室4.4供热，氢气纯化腔室4.4设置有重整反应产物气进口、纯氢出口、尾氢出口，纯氢经过冷却器5冷却后，输送至氢气储罐6，尾氢输送至催化燃烧腔室4.3进行催化燃烧供热反应，氢气纯化腔室中设置有膜片式的钯合金纯化组件，通过原料计量泵1.2控制在线供氢系统的启停及供氢速率，通过燃料计量泵1.4控制醇类燃料的重整反应温度，重整反应产生的纯氢通过冷却器5降温至环境温度，冷却方式为风冷。
实施例3
在实施例2的基础上进一步的实施例。与实施例2不同的是：其醇类燃料为乙醇，原料箱中存储的原料为乙醇与去离子水的混合物，重整反应温度为550℃，反应压力为4.0MPa，催化燃烧的反应温度为600℃，汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3中设置的催化剂为Pd/Al2O3，氢气纯化腔室中设置有膜管式的钯合金纯化组件，重整反应产生的纯氢的冷却方式为水冷。
实施例4
在实施例2的基础上进一步的实施例。与实施例2不同的是：其醇类燃料为甲醇和异丙醇的混合物，原料箱中存储的原料为甲醇、异丙醇与去离子水的混合物，重整反应温度为400℃，反应压力为2.0MPa，催化燃烧的反应温度为450℃，汽化腔室4.1和催化燃烧腔室4.3中设置的催化剂为Pt/Al2O3，氢气纯化腔室中设置有膜管式的钯纯化组件，重整反应产生的纯氢的冷却方式为水冷。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其特征在于：包括存储醇水燃料的原料箱（1）、通过原料计量泵（1.2）与原料箱（1）相连的换热器（3）和通过燃料计量泵（1.4）与原料箱（1）相连的制氢-纯化一体化反应器（4），所述的制氢-纯化一体化反应器（4）上分别连接有空气泵（2）和冷却器（5），冷却器（5）上连接有氢气储罐（6）；
所述的制氢-纯化一体化反应器（4）由汽化腔室（4.1）、重整反应腔室（4.2）、催化燃烧腔室（4.3）、氢气纯化腔室（4.4）、重整产物气输送盘管（4.6）组成，所述的重整反应腔室（4.2）、催化燃烧腔室（4.3）和氢气纯化腔室（4.4）为依次从外向里排列的圆柱形套筒式结构，催化燃烧腔室（4.3）与汽化腔室（4.1）相连通，汽化腔室（4.1）和催化燃烧腔室（4.3）中均设置有负载型的颗粒催化剂，所述的氢气纯化腔室（4.4）内设置有膜片式或膜管式的钯或钯合金纯化组件，氢气纯化腔室（4.4）上还分别设置有重整反应产物气进口、纯氢出口、尾氢出口；
醇水原料同时作为反应原料和催化燃烧燃料分别通过原料计量泵（1.2）和燃料计量泵（1.4）输送至重整反应腔室（4.2）和汽化腔室（4.1），作为催化燃烧的醇水原料同时在汽化腔室（4.1）和催化燃烧腔室（4.3）内进行催化燃烧反应，反应温度450℃～600℃，催化燃烧腔室（4.3）同时给重整反应腔室（4.2）和氢气纯化腔室（4.4）供热，重整反应腔室（4.2）内发生重整反应，反应温度400℃～550℃，产生的纯氢经过冷却器（5）冷却后输送至氢气储罐（6），尾氢输送至催化燃烧腔室（4.3）进行催化燃烧供热反应。
2.根据权利要求1所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其特征在于，所述的醇水燃料为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇中的一种或两种与去离子水的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其特征在于，所述的重整反应压力为0.5MPa～4.0MPa。
4.根据权利要求1所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其特征在于，所述的催化剂为Pt/Al2O3或Pd/Al2O3。
5.根据权利要求1所述的一种基于醇类燃料重整反应的在线供氢系统，其特征在于，所述冷却器（5）的冷却方式为风冷或水冷。
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