CN114188577A - 一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统，该发电方法包括以下步骤：将乙醇水溶液和氧气按第一设定比例进行蒸发加热，并在第一设定温度和催化剂条件下发生乙醇氧化重整反应，生成富氢混合气；将乙醇水溶液继续蒸发加热，并在第二设定温度和催化剂条件下发生乙醇水蒸气重整反应，生成富氢混合气；对生成的富氢混合气进行吸附冷凝，使用吸附剂吸附富氢混合气内多余的CO2和CO，使用冷凝器并将未反应的H2O进行冷凝，得到高纯度氢气；生成的高纯度氢气通入燃料电池进行化学反应，以生成驱动车轮行驶的电能。该发电方法结合动力系统有效解决了燃料电池汽车的氢源问题，通过双模式的乙醇重整制氢可以有效利用燃料电池余热，提高燃料乙醇的利用率。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统。
背景技术
燃料电池汽车由于其效率高、零排放的特点，在交通运输领域具有极高的应用前景。现有燃料电池汽车所面临的困难除了降低燃料电池堆的制造成本外，最主要的就是如何向燃料电池堆提供氢源。
目前燃料电池汽车的动力系统主要有两种方法可供选择：一种是直接将氢气储存在汽车上，另外一种是由其他燃料在汽车上制氢。燃料电池汽车动力系统的氢源以气态储氢为主，其次是甲醇重整制氢和液态储氢的方式。无论是气态还是液态储氢方式均存在储氢效率较低，续航里程不足的问题，而甲醇重整制氢方式工艺复杂，且甲醇多由化石燃料生产，也属于不可再生资源。生物乙醇是最常见也是产量最大的生物燃料，同时乙醇热值高于甲醇，同样摩尔量的乙醇可以产生更多的氢气，开发乙醇生物燃料制氢，对于解决环境问题和实现燃料电池汽车的推广应用都有积极意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统。本发明为燃料电池汽车的氢燃料来源提供了一种解决方案，降低了对化石燃料的依赖，同时通过双模式的乙醇重整制氢可以有效利用燃料电池余热，提高燃料乙醇的利用率。
一方面，本发明提供了一种燃料电池汽车发电方法，包括以下步骤：
S1、将乙醇水溶液和氧气按第一设定比例进行蒸发加热，并在第一设定温度和催化剂条件下发生乙醇氧化重整反应，生成富氢混合气；
S2、将乙醇水溶液继续蒸发加热，并在第二设定温度和催化剂条件下发生乙醇水蒸气重整反应，生成富氢混合气；
S3、对生成的富氢混合气进行吸附冷凝，使用吸附剂吸附富氢混合气内多余的CO2和CO，使用冷凝器并将未反应的H2O进行冷凝，得到高纯度氢气；
S4、生成的高纯度氢气通入燃料电池进行化学反应，以生成驱动车轮行驶的电能。
优选的，所述乙醇水溶液的水醇摩尔比为0.9-1.1。
优选的，所述第一设定比例中氧醇摩尔比为0.75-0.85。
优选的，所述第一设定温度为400℃-600℃。
优选的，所述第二设定温度为600℃-700℃。
优选的，所述催化剂包含Cu、Co、Ni、Z中的一种或多种。
优选的，所述吸附剂为Ca(OH)2、CuCl中的一种或多种。
另一方面，本发明还提供了一种基于上述的燃料电池汽车发电方法的动力系统，该动力系统包括：
氧气供应装置；
燃料乙醇罐；
氧气罐；
蒸发装置，所述蒸发装置的输入口分别与所述燃料乙醇罐和氧气罐连接，所述蒸发装置用于乙醇水溶液的蒸发加热；
催化反应装置，设置有进料口、出料口、排气进口和排气出口，所述催化反应装置的进料口与所述蒸发装置的输出口连接，所述催化反应装置提供乙醇重整反应的反应场所；
冷凝吸附装置，所述冷凝吸附装置的输入口与所述催化反应装置的出料口连接，所述冷凝吸附装置用于富氢混合气的提纯；
燃料电池，所述燃料电池的输入口分别与所述冷凝吸附装置的输出口和氧气供应系统连接，所述燃料电池的排气口与所述催化反应装置的排气进口连接，所述燃料电池将燃料的化学能转化为电能并由车辆控制器驱动车轮行驶；
排气装置，与所述燃料电池的排气口连接，所述排气装置用于排放所述燃料电池的反应后产物。
优选的，所述催化反应装置包括：
具有内外两层腔体的壳体，所述进料口和出料口均与所述壳体的内腔连通，所述排气进口与排气出口均与所述壳体的外腔连通；
多块催化剂分布板，依次排列设置在所述壳体的内腔内。
优选的，所述燃料电池为固体燃料电池。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统，使用乙醇重整制氢有效解决了燃料电池汽车的氢源问题，通过使用氧化重整和水蒸气重整双模式及燃料电池排气余热的循环使用，显著的提高了整个动力系统的效率，提高了乙醇水溶液制氢的重整率以及燃料存储的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的燃料电池汽车发电方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的燃料电池汽车动力系统的原理图；
图3为图2中催化反应装置的结构示意图；
附图标记说明：1-氧气供应装置；2-燃料乙醇罐；3-氧气罐；4-蒸发装置；5-催化反应装置；501-进料口；502-出料口；503-排气进口；504-排气出口；505-催化剂分布板；506-折流板；6-冷凝吸附装置；7-燃料电池；8-车辆控制器；9-车轮；10-排气装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术的不足，本发明提供了一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统，为燃料电池汽车的氢燃料来源提供了一种解决方案，降低了对化石燃料的依赖，同时通过双模式的乙醇重整制氢可以有效利用燃料电池余热，提高燃料乙醇的利用率。
首先，本发明实施例提供了一种燃料电池汽车发电方法，图1为依据本发明实施例的燃料电池汽车发电方法的流程示意图，由图1所示，该燃料电池汽车发电方法包括以下步骤：
S1、将乙醇水溶液和氧气按第一设定比例进行蒸发加热，并在第一设定温度和催化剂条件下发生乙醇氧化重整反应，生成富氢混合气。
S2、将乙醇水溶液继续蒸发加热，并在第二设定温度和催化剂条件下发生乙醇水蒸气重整反应，生成富氢混合气。
S3、对生成的富氢混合气进行吸附冷凝，使用吸附剂吸附富氢混合气内多余的CO2和CO，使用冷凝器并将未反应的H2O进行冷凝，得到高纯度氢气。
S4、生成的高纯度氢气通入燃料电池进行化学反应，以生成驱动车轮行驶的电能。
具体的，步骤S1中，乙醇发生氧化重整反应的方程为：CH3CH2OH+H2O+O2→4H2+2CO2，乙醇的氧化重整反应为热平衡反应，可以在常压和400℃条件下使用催化剂持续进行，所得到的富氢混合气包含反应生产的CO2、CO和未反应的H2O等杂质。
步骤S2中，乙醇发生水蒸气重整反应的方程为：CH3CH2OH+3H2O→6H2+2CO2，此反应为吸热反应，需要维持较高的反应温度，所得到的富氢混合气同样包含CO2、CO和H2O等杂质。
步骤S3中，对反应得到的富氢混合气进行除杂，使用吸附剂可将CO和CO2进行吸附去除，使用冷凝器可将多余的水蒸气冷凝至液体进行收集，经吸附冷凝后的气体为高浓度氢气。
步骤S4中，高浓度氢气通入燃料电池的阳极侧，另在燃料电池的阳极侧通入氧气，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，同时释放出电能，驱动车辆行驶。
本申请实施例中，乙醇水溶液的水醇摩尔比可以是0.9-1.1，优选为1。在乙醇重整制氢中，常规的乙醇裂解反应多大几十种，不同的反应温度、催化剂和反应物所产生的产物和重整率也存在很大的差距。本实施例的乙醇的氧化重整反应及水蒸气重整反应中，乙醇与水的摩尔比均为1时反应效果较佳，因此可以直接使用水醇摩尔比为1的乙醇水溶液，有利于控制乙醇反应的水醇摩尔比。同时，纯乙醇制备成本较高，而本实施例的乙醇水溶液的含水量较大，制备成本较低。
本申请实施例中，第一设定比例中氧醇摩尔比可以为0.75-0.85，优选为0.8。第一设定温度可以为400℃-600℃。第二设定温度可以为600℃-700℃。催化剂可以是Cu、Co、Ni、Z中的一种或多种。该设定温度及催化剂条件下，有效提高了乙醇水溶液制氢的重整率。吸附剂可以为Ca(OH)2、CuCl中的一种或多种，可有效去除CO2和CO。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于上述燃料电池汽车发电方法的动力系统，图2为依据本发明实施例的燃料电池汽车动力系统的原理图，由图2所示，该动力系统包括氧气供应装置1、燃料乙醇罐2、氧气罐3、蒸发装置4、催化反应装置5、冷凝吸附装置6、燃料电池7和排气装置10。
具体的，氧气供应装置1可以是空压机，用于持续供给含氧气的高压空气。燃料乙醇罐2用于储存并供给乙醇水溶液。氧气罐3用于储存并供给氧气。燃料乙醇罐2和氧气罐3的出口均可以设置有流量计阀门，以控制乙醇水溶液和氧气的定量供给。
蒸发装置4的输入口分别与燃料乙醇罐2和氧气罐3连接，蒸发装置4内设有加热器，可将通入的乙醇水溶液加热蒸发至乙醇氧化重整反应所需的温度。
图3为图2中催化反应装置5的结构示意图，结合图3所示，催化反应装置5设置有进料口501、出料口502、排气进口503和排气出口504，催化反应装置5的进料口501与蒸发装置4的输出口连接，经蒸发装置4加热至一定温度的乙醇水蒸气与氧气一起通入催化反应装置5，在催化反应装置5的内部先发生乙醇的氧化重整反应。催化反应装置5内承载有催化剂，乙醇的氧化重整反应在催化剂和一定的温度条件下可持续进行。同时催化反应装置5由外部热源持续供热，可提供乙醇发生水蒸气重整反应所需的温度，水蒸气重整反应所需的温度高于氧化重整反应，当催化反应装置5内升高水蒸气重整反应所需的温度时，乙醇发生水蒸气重整反应制氢。
冷凝吸附装置6的输入口与催化反应装置5的出料口502连接，乙醇发生重整反应后产出的富氢混合气在冷凝吸附装置6内进行除杂。冷凝吸附装置6内承载有吸附剂，可将CO和CO2进行吸附去除，冷凝吸附装置6内还设置有冷凝器，可将多余的水蒸气冷凝至液体收集。富氢混合气经冷凝吸附装置6吸附冷凝后剩余高浓度氢气进入下一装置。
燃料电池7的输入口分别与冷凝吸附装置6的输出口和氧气供应系统连接，氧气供应装置1供应的氧气通入燃料电池7的阴极侧，经冷凝吸附装置6排出的高浓度氢气通入燃料电池7的阳极侧，阴阳极气体在电池内发生电化学反应，同时释放出电能，输出的电能由车辆控制器8驱动车轮9，进而达到车辆行驶目的。燃料电池7内的电化学反应会释放大量热能，并产出高温气体由燃料电池7的排气口排出，燃料电池7的排气口与催化反应装置5的排气进口503连接，一部分高温气体由催化反应装置5的排气进口503进入催化反应装置5，由催化反应装置5的排气出口504排出，该高温气体可作为前述的催化反应装置5的外部热源，为催化反应装置5内的乙醇水蒸气重整反应提供热量。
排气装置10同样与燃料电池7的排气口连接，排气装置10用于排放另一部分燃料电池7的反应产出气体。
结合图2-3所示，本申请实施例的催化反应装置5还包括壳体和催化剂分布板505。壳体具有内外两层腔体，壳体的形状不作限制，进料口501和出料口502均与壳体的内腔连通，排气进口503与排气出口504均与壳体的外腔连通。乙醇的重整反应的反应场所为壳体的内腔，乙醇、氧气以及反应后气体进料口501和出料口502排进与排出。燃料电池7发生电化学反应产生的高温气体通入壳体的外腔，经内外壳体之间的热传递将高温气体的热量传递至内腔，以提供乙醇水蒸气反应所需的温度。排气进口503可以靠近出料口502设置，排气出口504可以靠近进料口501设置，使高温气体的流向与反应物的流向对向设计，通过对向换热维持反应温度，提高热量的利用率。壳体的外腔内还可以安装有若干块折流板506，若干块折流板506可以交错布置，以提高高温气体的壳程流体速度，迫使该气体按规定路程多次横向通过壳体的外腔，增强气体湍流程度，进一步提高热量的利用率。
催化剂分布板505具有多块，依次排列设置在壳体的内腔内，催化剂分布板505承载催化剂，多块催化剂分布板505增大反应物与催化剂的接触面积，使反应过程更高效。
进一步的，本申请实施例的燃料电池7可以为固体燃料电池。乙醇水蒸气重整是强吸热反应，必须借助外部热源，因此本申请所适用的燃料电池7为固体燃料电池，其反应温度可达800～1200℃，满足乙醇水蒸气反应所需温度的供热条件。
结合图1-3所示，本申请实施例的燃料电池汽车发电方法应用在动力系统上时，在汽车启动初期，打开氧气罐3和燃料乙醇罐2上的流量计阀门，氧气罐3和燃料乙醇罐2同时开启，一同进入蒸发装置4进行蒸发加热，加热至400℃时，开始发生乙醇氧化重整反应，氧化重整反应为热平衡反应，可以在常压和400℃条件下使用催化剂持续进行，生成的混合气经冷凝吸附装置6提纯后通入燃料电池7，燃料电池7开始工作，燃料电池7发生电化学反应产生的高温气体一部分经排气装置10排出，另一部分经催化反应装置5的排气进口503通入催化反应装置5的外腔，通过换热提高内腔的温度。随着燃料电池7反应的进行，当催化反应装置5的温度上升达到600℃以上后，关闭氧气罐3阀门，只有燃料乙醇罐2内的乙醇水溶液进入蒸发装置4蒸发加热，随后进入催化反应装置5发生乙醇水蒸气重整反应，此反应为吸热反应，需要维持较高的反应温度。乙醇的水蒸气重整反应温度控制再600～700℃区间，避免反应温度过高导致催化剂中毒。反应完成后的富氢混合气，所含杂质包含反应生产的CO2、CO和未反应的H2O，经过冷凝吸附装置6进行冷凝吸附后获得高纯度氢气，通入燃料电池7反应堆内。高纯度氢气进入燃料电池7反应堆，氧气供给系统持续提供氧气，两极的气体反应产生动力，通过车辆控制器8驱动车轮9实现燃料电池汽车的高效运行。
综上所述，本发明实施例的一种燃料电池汽车发电方法及其动力系统，使用乙醇重整制氢有效解决了燃料电池汽车的氢源问题，通过使用氧化重整和水蒸气重整双模式及燃料电池排气余热的循环使用，显著的提高了整个动力系统的效率，提高了乙醇水溶液制氢的重整率以及燃料存储的效率。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将乙醇水溶液和氧气按第一设定比例进行蒸发加热，并在第一设定温度和催化剂条件下发生乙醇氧化重整反应，生成富氢混合气；
S2、将乙醇水溶液继续蒸发加热，并在第二设定温度和催化剂条件下发生乙醇水蒸气重整反应，生成富氢混合气；
S3、对生成的富氢混合气进行吸附冷凝，使用吸附剂吸附富氢混合气内多余的CO2和CO，使用冷凝器并将未反应的H2O进行冷凝，得到高纯度氢气；
S4、生成的高纯度氢气通入燃料电池进行化学反应，以生成驱动车轮行驶的电能。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述乙醇水溶液的水醇摩尔比为0.9-1.1。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述第一设定比例中氧醇摩尔比为0.75-0.85。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述第一设定温度为400℃-600℃。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述第二设定温度为600℃-700℃。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述催化剂包含Cu、Co、Ni、Z中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车发电方法，其特征在于，所述吸附剂为Ca(OH)2、CuCl中的一种或多种。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的燃料电池汽车动力系统，其特征在于，包括：
氧气供应装置；
燃料乙醇罐；
氧气罐；
蒸发装置，所述蒸发装置的输入口分别与所述燃料乙醇罐和氧气罐连接，所述蒸发装置用于乙醇水溶液的蒸发加热；
催化反应装置，设置有进料口、出料口、排气进口和排气出口，所述催化反应装置的进料口与所述蒸发装置的输出口连接，所述催化反应装置提供乙醇重整反应的反应场所；
冷凝吸附装置，所述冷凝吸附装置的输入口与所述催化反应装置的出料口连接，所述冷凝吸附装置用于富氢混合气的提纯；
燃料电池，所述燃料电池的输入口分别与所述冷凝吸附装置的输出口和氧气供应系统连接，所述燃料电池的排气口与所述催化反应装置的排气进口连接，所述燃料电池将燃料的化学能转化为电能并由车辆控制器驱动车轮行驶；
排气装置，与所述燃料电池的排气口连接，所述排气装置用于排放所述燃料电池的反应后产物。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述催化反应装置包括：
具有内外两层腔体的壳体，所述进料口和出料口均与所述壳体的内腔连通，所述排气进口与排气出口均与所述壳体的外腔连通；
多块催化剂分布板，依次排列设置在所述壳体的内腔内。
10.根据权利要求8所述的一种燃料电池汽车动力系统，其特征在于，所述燃料电池为固体燃料电池。
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