CN114538374B - 一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法 - Google Patents

一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法，所述装置系统包括依次连接的原料供给单元、尾气催化氧化耦合换热单元、乙醇催化重整耦合氢气分离单元、散热单元和监测控制单元；所述尾气催化氧化耦合换热单元将乙醇催化重整耦合氢气分离单元中的尾气进行催化氧化，并将所得反应热用于汽化预热原料；所述监测控制单元用于实时监测并控制装置系统中各个单元的稳定运行。本发明提供的装置系统特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应了安全、环保、经济的氢源，同时提升了装置的能量效率，保证了尾气达标排放。

Description

一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法
技术领域
本发明属于制氢技术领域，涉及一种醇类重整制氢的装置系统，尤其涉及一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法。
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领域。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，车载燃料电池电堆的可靠性也有了质的飞跃。
此外，纯氢、高纯氢和超纯氢作为质子交换膜燃料电池的燃料，主要通过重整制氢的方式获取。重整制氢是指天然气、甲醇或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。相较于天然气和甲醇等富氢燃料，乙醇具有环境友好和氢气收率高等特点，比能量远远高于甲醇和氢气，且乙醇来源广泛，不会过渡消耗化石能源。从长远考虑，生物发酵制乙醇必将成为主流，生物乙醇可以通过生物质或食品、畜牧业的废弃物发酵生成。因此，在新能源汽车迅速发展的当下，研究一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法具有重要意义。
CN 111048809A公开了一种基于秸秆乙醇发酵重整制氢气的氢氧燃料电池智能发电系统，包括：秸秆乙醇发酵系统、乙醇重整制氢系统、氢氧燃料电池发电系统和中央控制系统，其中，所述秸秆乙醇发酵系统对秸秆进行厌氧发酵获得乙醇，所述乙醇重整制氢系统利用所述乙醇和水蒸气重整反应获得氢气，所述氢氧燃料电池发电系统利用所述氢气将化学能转化为电能，所述中央控制系统用于对秸秆乙醇发酵系统、乙醇重整制氢系统和氢氧燃料电池发电系统进行在线控制。但是这种基于秸秆乙醇发酵重整制氢气的氢氧燃料电池智能发电系统占地面积较大，不适用于可移动的车载装置系统在线制氢。
CN 107302100A公开了一种基于乙醇重整制氢的氢燃料电池系统及其发电方法，采用乙醇反应器，以乙醇作为氢燃料电池的原料，乙醇发生水蒸气重整反应生成氢气；并经过水气转换反应器的水气转换和一氧化碳选择性氧化反应器的一氧化碳的选择性氧化，将副产物中的全部一氧化碳都反应生成二氧化碳，水蒸气重整反应生成的无CO富氢气体作为燃料，电化学反应释放出电能输出。然而这种氢燃料电池系统需要外部供热装置来对乙醇蒸汽重整反应器供热，提供水蒸气重整反应所需的热量，一定程度上增加了系统的占地面积，提高了发电成本。
由此可见，如何提供一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法，特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应安全、环保、经济的氢源，同时提升装置的能量效率，保证尾气达标排放，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统及重整制氢的方法，所述装置系统特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应了安全、环保、经济的氢源，同时提升了装置的能量效率，保证了尾气达标排放。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统，所述装置系统包括依次连接的原料供给单元、尾气催化氧化耦合换热单元、乙醇催化重整耦合氢气分离单元、散热单元和监测控制单元。
所述尾气催化氧化耦合换热单元将乙醇催化重整耦合氢气分离单元中的尾气进行催化氧化，并将所得反应热用于汽化预热原料。
所述监测控制单元用于实时监测并控制装置系统中各个单元的稳定运行。
本发明提供的装置系统通过设置尾气催化氧化耦合换热单元和乙醇催化重整耦合氢气分离单元，这种“2+2”的设置模式提升了装置系统的集成度，显著缩小了占据空间，特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应了安全、环保、经济的氢源，同时提升了装置的能量效率，保证了尾气达标排放。
优选地，所述原料供给单元包括生物乙醇供给装置、燃料电池排水供给装置和空气供给装置。
优选地，所述生物乙醇供给装置、燃料电池排水供给装置和空气供给装置分别独立地连接于尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口。
优选地，所述生物乙醇供给装置和燃料电池排水供给装置通过流量泵连接于尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口。
优选地，所述空气供给装置和尾气催化氧化耦合换热单元之间依次设置有颗粒过滤器和流量调节阀。
本发明中，所述流量泵和流量调节阀可根据目标氢气产量调节生物乙醇、燃料电池排水和空气的供应量；所述颗粒过滤器用于去除空气中的固体颗粒物，避免了颗粒物在催化剂表面沉积或者划伤钯膜。
优选地，所述空气供给装置还通过流量调节阀连接于尾气催化氧化耦合换热单元的尾气入口。
本发明中，所述空气供给装置连接于尾气催化氧化耦合换热单元的尾气入口，可为氢气分离后所得尾气的催化氧化供应空气，并通过流量调节阀控制通入的空气量。
优选地，所述空气供给装置具体为无油空气压缩机，避免了油质污染催化剂和钯膜。
优选地，所述尾气催化氧化耦合换热单元包括相互并联的尾气催化氧化部件和换热部件。
优选地，所述尾气催化氧化部件的内部装填有铂基催化剂，实现了氢气分离所得尾气中H2、CO、CH4和微量有机副产物与空气中的氧气发生催化氧化反应生成CO2、H2O和N2，从而保证了尾气达标排放。
本发明中，所述铂基催化剂可以为铈镧固溶体负载铂催化剂，只要能够实现对尾气的催化氧化即可，故在此不对催化剂的具体组成及型号做特别限定。
优选地，所述尾气催化氧化耦合换热单元的表面设置有电加热套，可进行启动冷态下的加热。
优选地，所述尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口和原料出口分别独立地设置有温度传感器。
优选地，所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元包括相互串联的乙醇催化重整部件和氢气分离部件。
优选地，所述乙醇催化重整部件的内部装填有铑基催化剂。
本发明中，所述铑基催化剂可以为CN 102513105A公开的铈镧固溶体负载铑催化剂，只要能够实现催化乙醇重整反应制氢即可，故在此不对催化剂的具体组成及制备方法做特别限定。
优选地，所述氢气分离部件的内部设置有钯合金膜管。
优选地，所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元的表面设置有温度传感器和电加热套，保障了乙醇重整催化剂床层的温度稳定和重整反应的顺利进行。此外，所述电加热套还用于装置启动时乙醇催化重整耦合氢气分离单元在冷态下的加热。
优选地，所述监测控制单元包括在线监测器和控制阀门。
优选地，所述在线监测器包括温度传感器、压力传感器、气体浓度检测计、气体纯度测试仪、气体流量计和显示屏。
第二方面，本发明提供一种采用如第一方面所述装置系统进行车载生物乙醇重整制氢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)利用原料供给单元将生物乙醇、燃料电池排水和空气分别通入尾气催化氧化耦合换热单元进行预热；
(2)利用乙醇催化重整耦合氢气分离单元对预热后的原料进行重整制氢反应，并将所得富氢气体中的氢气和尾气相互分离，其中的氢气通入散热单元进行降温，尾气通入尾气催化氧化耦合换热单元进行氧化。
其中，步骤(1)和(2)均在监测控制单元的实时监测和控制下稳定运行。
优选地，步骤(1)所述预热在初次进行时的热量来源于尾气催化氧化耦合换热单元表面设置的电加热套。
优选地，步骤(2)所得氢气的纯度≥99.97％，例如可以是99.97％、99.975％、99.98％、99.985％、99.99％或99.995％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的装置系统通过设置尾气催化氧化耦合换热单元和乙醇催化重整耦合氢气分离单元，这种“2+2”的设置模式提升了装置系统的集成度，显著缩小了占据空间，特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应了安全、环保、经济的氢源，同时提升了装置的能量效率，保证了尾气达标排放。
附图说明
图1是本发明提供的车载生物乙醇重整制氢的装置系统示意图；
图2是对比例1提供的生物乙醇重整制氢的装置系统示意图。
其中：10-原料供给单元；11-生物乙醇供给装置；12-燃料电池排水供给装置；13-空气供给装置；14-流量泵；20-尾气催化氧化耦合换热单元；21-尾气催化氧化部件；22-换热部件；30-乙醇催化重整耦合氢气分离单元；31-乙醇催化重整部件；32-氢气分离部件；40-散热单元。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统，如图1所示，所述装置系统包括依次连接的原料供给单元10、尾气催化氧化耦合换热单元20、乙醇催化重整耦合氢气分离单元30、散热单元40和监测控制单元(图1中未示出)；所述尾气催化氧化耦合换热单元20将乙醇催化重整耦合氢气分离单元30中的尾气进行催化氧化，并将所得反应热用于汽化预热原料；所述监测控制单元用于实时监测并控制装置系统中各个单元的稳定运行。
本实施例中，所述原料供给单元10包括生物乙醇供给装置11、燃料电池排水供给装置12和空气供给装置13，所述生物乙醇供给装置11、燃料电池排水供给装置12和空气供给装置13分别独立地连接于尾气催化氧化耦合换热单元20的原料入口，所述生物乙醇供给装置11和燃料电池排水供给装置12通过流量泵14连接于尾气催化氧化耦合换热单元20的原料入口，所述空气供给装置13和尾气催化氧化耦合换热单元20之间依次设置有颗粒过滤器和流量调节阀，所述空气供给装置13还通过流量调节阀连接于尾气催化氧化耦合换热单元20的尾气入口，且所述空气供给装置13具体为无油空气压缩机。
本实施例中，所述尾气催化氧化耦合换热单元20包括相互并联的尾气催化氧化部件21和换热部件22，且所述尾气催化氧化部件21的内部装填有铈镧固溶体负载铂催化剂；所述尾气催化氧化耦合换热单元20的表面设置有电加热套，原料入口和原料出口分别独立地设置有温度传感器。
本实施例中，所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元30包括相互串联的乙醇催化重整部件31和氢气分离部件32，且所述乙醇催化重整部件31的内部装填有CN 102513105A中实施例1公开的铈镧固溶体负载铑催化剂，所述氢气分离部件32的内部设置有钯合金膜管；所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元30的表面设置有温度传感器和电加热套。
本实施例中，所述监测控制单元包括在线监测器和控制阀门，且所述在线监测器包括温度传感器、压力传感器、气体浓度检测计、气体纯度测试仪、气体流量计和显示屏(图1中未示出)。
对比例1
本对比例提供一种生物乙醇重整制氢的装置系统，如图2所示，所述装置系统包括原料供给单元10、换热部件22、乙醇催化重整部件31、氢气分离部件32、尾气催化氧化部件21、散热单元40和监测控制单元(图2中未示出)；所述原料供给单元10中的原料依次流经换热部件22、乙醇催化重整部件31和氢气分离部件32；所述氢气分离部件32中的尾气依次流经尾气催化氧化部件21和换热部件22；所述氢气分离部件32中的氢气依次流经换热部件22和散热单元40；所述监测控制单元用于实时监测并控制装置系统中各个单元的稳定运行。
本对比例中，所述原料供给单元10包括生物乙醇供给装置11、燃料电池排水供给装置12和空气供给装置13，所述生物乙醇供给装置11、燃料电池排水供给装置12和空气供给装置13分别独立地连接于换热部件22，所述生物乙醇供给装置11和燃料电池排水供给装置12通过流量泵连接于换热部件22，所述空气供给装置13和换热部件22之间依次设置有颗粒过滤器和流量调节阀，所述空气供给装置13还通过流量调节阀连接于乙醇催化重整部件31和尾气催化氧化部件21，且所述空气供给装置13具体为无油空气压缩机。
本对比例中，所述尾气催化氧化部件21的内部装填有铈镧固溶体负载铂催化剂，所述换热部件22的表面设置有电加热套，原料入口和原料出口分别独立地设置有温度传感器；所述乙醇催化重整部件31的内部装填有CN 102513105A中实施例1公开的铈镧固溶体负载铑催化剂，所述氢气分离部件32的内部设置有钯合金膜管，所述乙醇催化重整部件31的表面设置有温度传感器和电加热套。
本对比例中，所述监测控制单元包括在线监测器和控制阀门，且所述在线监测器包括温度传感器、压力传感器、气体浓度检测计、气体纯度测试仪、气体流量计和显示屏(图2中未示出)。
应用例1
本应用例应用实施例1提供的装置系统进行车载生物乙醇重整制氢，具体方法包括以下步骤：
(1)利用原料供给单元10将生物乙醇、燃料电池排水和空气分别通入尾气催化氧化耦合换热单元20进行预热，且初次预热时的热量来源于尾气催化氧化耦合换热单元20表面设置的电加热套；
(2)利用乙醇催化重整耦合氢气分离单元30对预热后的原料进行重整制氢反应，并将所得富氢气体中的氢气和尾气相互分离，其中的氢气通入散热单元40进行降温，尾气通入尾气催化氧化耦合换热单元20进行氧化。
其中，步骤(1)和(2)均在监测控制单元的实时监测和控制下稳定运行。
本应用例最终所得氢气的纯度为99.97％。
对比应用例1
本对比应用例应用对比例1提供的装置系统进行生物乙醇重整制氢，具体方法包括以下步骤：
(1)利用原料供给单元10将生物乙醇、燃料电池排水和空气分别通入换热部件22进行预热，且初次预热时的热量来源于换热部件22表面设置的电加热套；
(2)利用乙醇催化重整部件31对预热后的原料进行重整制氢反应，得到富氢气体；
(3)利用氢气分离部件32将富氢气体中的氢气和尾气相互分离，并将所得氢气通入散热单元40进行降温，将所得尾气通入尾气催化氧化部件21进行氧化。
其中，步骤(1)-(3)均在监测控制单元的实时监测和控制下稳定运行。
本对比应用例最终所得氢气的纯度为99.2％。
相较于应用例1，本对比应用例虽然也能制得纯度≥99％的氢气，但是所采用装置系统的集成度不及应用例1，占据空间较大，不适用于车载燃料电池。
由此可见，本发明提供的装置系统通过设置尾气催化氧化耦合换热单元和乙醇催化重整耦合氢气分离单元，这种“2+2”的设置模式提升了装置系统的集成度，显著缩小了占据空间，特别适用于车载燃料电池，为新能源汽车供应了安全、环保、经济的氢源，同时提升了装置的能量效率，保证了尾气达标排放。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (15)

1.一种车载生物乙醇重整制氢的装置系统，其特征在于，所述装置系统包括依次连接的原料供给单元、尾气催化氧化耦合换热单元、乙醇催化重整耦合氢气分离单元、散热单元和监测控制单元；
所述原料供给单元包括生物乙醇供给装置、燃料电池排水供给装置和空气供给装置，且所述生物乙醇供给装置、燃料电池排水供给装置和空气供给装置分别独立地连接于尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口；
所述尾气催化氧化耦合换热单元包括相互并联的尾气催化氧化部件和换热部件，且所述尾气催化氧化耦合换热单元的表面设置有电加热套；
所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元包括相互串联的乙醇催化重整部件和氢气分离部件；
所述尾气催化氧化耦合换热单元将乙醇催化重整耦合氢气分离单元中的尾气进行催化氧化，并将所得反应热用于汽化预热原料；
所述监测控制单元用于实时监测并控制装置系统中各个单元的稳定运行。
2.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述生物乙醇供给装置和燃料电池排水供给装置通过流量泵连接于尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口。
3.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述空气供给装置和尾气催化氧化耦合换热单元之间依次设置有颗粒过滤器和流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述空气供给装置还通过流量调节阀连接于尾气催化氧化耦合换热单元的尾气入口。
5.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述空气供给装置具体为无油空气压缩机。
6.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述尾气催化氧化部件的内部装填有铂基催化剂。
7.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述尾气催化氧化耦合换热单元的原料入口和原料出口分别独立地设置有温度传感器。
8.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述乙醇催化重整部件的内部装填有铑基催化剂。
9.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述氢气分离部件的内部设置有钯合金膜管。
10.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述乙醇催化重整耦合氢气分离单元的表面设置有温度传感器和电加热套。
11.根据权利要求1所述的装置系统，其特征在于，所述监测控制单元包括在线监测器和控制阀门。
12.根据权利要求11所述的装置系统，其特征在于，所述在线监测器包括温度传感器、压力传感器、气体浓度检测计、气体纯度测试仪、气体流量计和显示屏。
13.一种采用如权利要求1-12任一项所述装置系统进行车载生物乙醇重整制氢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）利用原料供给单元将生物乙醇、燃料电池排水和空气分别通入尾气催化氧化耦合换热单元进行预热；
（2）利用乙醇催化重整耦合氢气分离单元对预热后的原料进行重整制氢反应，并将所得富氢气体中的氢气和尾气相互分离，其中的氢气通入散热单元进行降温，尾气通入尾气催化氧化耦合换热单元进行氧化；
其中，步骤（1）和（2）均在监测控制单元的实时监测和控制下稳定运行。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述预热在初次进行时的热量来源于尾气催化氧化耦合换热单元表面设置的电加热套。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤（2）所得氢气的纯度≥99.97%。
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