CN204189882U - 一种基于甲醇水制氢系统的发电机 - Google Patents

一种基于甲醇水制氢系统的发电机 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于甲醇水制氢系统的发电机，包括甲醇水储存容器、输送泵、换热器、重整器、分离装置及燃料电池；输送泵用于将甲醇和水输送至重整器的重整室；换热器用于低温甲醇和水与重整室输出的高温混合气体进行换热；重整器设重整室及电加热器，电加热器为重整室提供热能，重整室制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体，经换热器后，进入分离装置分离出氢气，输送至燃料电池，在燃料电池内发生电化学反应，产生电能，一部分电能为输送泵及电加热器供电，余下电能输出。本实用新型的重整器无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗，重整器内加热温度易控制、稳定，重整器结构较简单、工作稳定，检修难度小。

Description

一种基于甲醇水制氢系统的发电机
技术领域
本实用新型涉及发电设备技术领域，特别涉及一种基于甲醇水制氢系统的发电机。
背景技术
氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的主要是CO2和SO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
目前，世界上氢的年产量约为3600万吨，制氢方法主要有两种：其一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；其二、约有4%的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别大的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取H2与CO2的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到H2和CO2。
参照中国发明申请201310576349.5（申请人：上海合既得动氢机器有限公司），该专利公开了一种利用即时制得的氢气进行发电的系统及方法，该发电的系统的核发部分为制氢子系统和发电子系统。其中，制氢子系统包括：甲醇与水蒸气重整器的重整室内，在350-409℃温度下1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下：(1)CH3OH→CO+2H2；(2)H2O+CO→CO2+H2；(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2，重整反应生成的H2和CO2，再经过分离室的钯膜分离器将H2和CO2分离，得到高纯氢气。在重整器内，还设置有气化室及燃烧室，气化室用于将甲醇与水进入重整器前气化成蒸气，而燃烧室用于通过H2燃烧放热，为重整室提供350-409℃的重整反应温度，以及为气化室提供热量。
然而，上述利用即时制得的氢气进行发电的系统还存在以下缺失：其一、由于重整器需要设置燃烧室，因此，重整器还需要设置用于扇入空气中氧气的进风风扇和进风通道，以及用于排出燃烧后产生的废气的烟窗，高温废气从烟窗排出，不仅浪费热能，而且容易影响制氢系统各部分设备运转；其二、燃烧室内，氢气燃烧温度往往会短时间内飚升至1000℃以上，容易烧坏重整器，并且，氢气燃烧放热的方式难以控制，燃烧室的温度稳定性差（燃烧室的温度通常要求405-570℃之间）；其三、重整器设置气化室、燃烧室等腔室、进风风扇、进风通道、及烟窗等部件，增大了重整器的结构复杂性和检修难度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种基于甲醇水制氢系统的发电机，该发电机的重整器无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗，重整器内的加热温度容易控制、稳定，重整器结构较为简单、工作稳定，检修难度较小。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种基于甲醇水制氢系统的发电机，包括甲醇水储存容器、输送泵、换热器、重整器、分离装置及燃料电池，其中：
甲醇水储存容器，其内储存有液态的甲醇和水；
输送泵，用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水输送至重整器的重整室；
换热器，安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水在换热器中，与重整室输出的高温混合气体进行换热，甲醇和水温度升高、汽化；
重整器，设有重整室及电加热器，电加热器为重整室提供热能，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体，该高温混合气体经换热器后，进入分离装置，该高温混合气体在换热器中，与低温的甲醇和水进行换热，混合气体温度降低；
分离装置，用于分离以二氧化碳和氢气为主的混合气体，混合气体经分离装置后，分离出氢气，输送至燃料电池；
燃料电池，氢气及空气中的氧气在燃料电池内，发生电化学反应，产生电能，一部分电能为输送泵及重整器的电加热器供电，余下电能输出。
作为对本实用新型的进一步阐述：
所述换热器与重整器之间还设有补偿汽化装置，该补偿汽化装置设有电加热器，所述甲醇和水经补偿汽化装置后可进一步汽化；所述燃料电池产生的电能还为补偿汽化装置的电加热器供电。
所述重整器的电加热器包括电阻发热体及金属铸件导热体，该金属铸件导热体包覆于重整室外。
所述分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
所述重整器设置有电池启动装置，该电池启动装置可在重理器启动过程中，为输送泵及重整器的电加热器供电；所述重整器或设置有燃烧式启动装置，该燃烧式启动装置可在重理器启动过程中，通过燃烧甲醇为重整室加热。
所述甲醇水制氢机还设有贮氢瓶，该贮氢瓶可在重理器启动过程中，为燃料电池输入氢气，使燃料电池工作，产生电能，为输送泵及重整器的电加热器供电。
本实用新型的有益效果是：其一、由于本实用新型的重整器设置有为重整室加热的电加热器，因此重整器无需设置燃烧室、进风风扇、进风通道和烟窗，整体上为一封闭的重整器，不会排放高温废气，避免了热能浪费，避免了因高温废气影响制氢系统各部分设备运转，避免了因燃烧对重整器的破坏问题；其二、本实用新型电加热器及输送泵的电能由燃料电池提供，而燃料电池所需要的氢气又来自于本实用新型制得的氢气，因而使本实用新型适应性极强，不受地域条件的限制；其三、电加热器的加热温度容易控制，本实用新型能稳定地令重整室保持350-409℃的重整反应温度；其四、重整器无需设置气化室、燃烧室等腔室、进风风扇、进风通道、及烟窗等部件，极大降低了重整器的结构复杂性和检修难度。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构方框图。
图2为本实用新型一优选实施例的整体结构方框图。
图中：1.甲醇水储存容器；2.输送泵；3.换热器；4.重整器；41.重整室；42.电加热器；5.分离装置；6.燃料电池；7.补偿汽化装置；71.电加热器；8.气体分流器；9.贮氢瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于甲醇水制氢系统的发电机，包括甲醇水储存容器1、输送泵2、换热器3、重整器4、分离装置5及燃料电池6，其中：
甲醇水储存容器1，其内储存有液态的甲醇和水；
输送泵2，用于将甲醇水储存容器1中的甲醇和水输送至重整器4的重整室41；
换热器3，安装于输送泵2与重整器4之间的输送管道上，低温的甲醇和水在换热器3中，与重整室4输出的高温混合气体进行换热，甲醇和水温度升高、汽化；
重整器4，设有重整室41及电加热器42，电加热器42为重整室41提供350-409℃温度的热能，重整室41内设有催化剂，甲醇和水蒸气在重整室41内，1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2 、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2 ，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体，该高温混合气体经换热器3后，进入分离装置5，该高温混合气体在换热器3中，与低温的甲醇和水进行换热，混合气体温度降低；
分离装置5，用于分离以二氧化碳和氢气为主的混合气体，混合气体经分离装置5后，分离出氢气，输送至燃料电池6；所述分离装置5为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%；膜分离装置的内外压强之差大于或等于1.1MPa；
燃料电池6，氢气及空气中的氧气在燃料电池6内，发生电化学反应，在燃料电池的阳极：2H2→4H++4e-，H2分裂成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；燃料电池产生的电能的一部分，为输送泵2及重整器4的电加热器42供电，这部分电能为总电能的一小部分，例如10%，余下的大部分电能输出。
如图2所示，作为对本实用新型的进一步优选方式，所述换热器3与重整器4之间还设有补偿汽化装置7，该补偿汽化装置7设有电加热器71，所述甲醇和水经补偿汽化装置7中的补偿汽化管道后可进一步汽化；所述燃料电池6产生的电能还为补偿汽化装置7的电加热器71供电。
在上述技术方案中，所述重整器4的电加热器42包括电阻发热体及金属铸件导热体，该金属铸件导热体包覆于重整室41外。
在上述技术方案中，甲醇水制氢机需要设置重整器的启动装置，该启动装置有三种方案：其一、重整器4设置电池启动装置，该电池启动装置可在重理器启动过程中，为输送泵及重整器的电加热器供电；其二、重整器4或设置有燃烧式启动装置，该燃烧式启动装置可在重理器启动过程中，通过燃烧甲醇为重整室加热；其三、甲醇水制氢机还设有贮氢瓶9，该贮氢瓶9可在重理器4启动过程中，为燃料电池6输入氢气，使燃料电池6工作，产生电能，为输送泵2及重整器4的电加热器42供电。
上述甲醇水制氢机的制氢方法，包括以下步骤：
a.控制装置控制输送泵将甲醇水储存容器中的甲醇和水输送至重整器的重整室；
b.低温的甲醇和水（例如10-20℃）在换热器中，与重整室输出的高温混合气体（例如350-409℃）进行换热，甲醇和水温度升高（例如150-300℃）、汽化；
c.汽化的甲醇和水进入重整室内，在350-409℃温度及催化剂作用下，发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体；
d.该高温混合气体经换热器后，进入分离装置，该高温混合气体在换热器中，与低温的甲醇和水进行换热，混合气体温度降低（例如降低至35-40℃）；
e.混合气体经分离装置分离后，分离出氢气，并输送至燃料电池；
f.氢气及空气中的氧气在燃料电池内，发生电化学反应，产生电能，产生的电能一小部分为输送泵及重整器的电加热器供电，余下的大部分电能输出。
所述步骤b与步骤c之间还包括汽化补偿步骤，甲醇和水经换热器后，未完全汽化的甲醇和水在汽化补偿装置中进一步汽化汽化。
以上所述，仅是本实用新型较佳实施方式，凡是依据本实用新型的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：包括甲醇水储存容器、输送泵、换热器、重整器、分离装置及燃料电池，其中：
甲醇水储存容器，其内储存有液态的甲醇和水；
输送泵，用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水输送至重整器的重整室；
换热器，安装于输送泵与重整器之间的输送管道上，低温的甲醇和水在换热器中，与重整室输出的高温混合气体进行换热，甲醇和水温度升高、汽化；
重整器，设有重整室及电加热器，电加热器为重整室提供热能，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体，该高温混合气体经换热器后，进入分离装置，该高温混合气体在换热器中，与低温的甲醇和水进行换热，混合气体温度降低；
分离装置，用于分离以二氧化碳和氢气为主的混合气体，混合气体经分离装置后，分离出氢气，输送至燃料电池；
燃料电池，氢气及空气中的氧气在燃料电池内，发生电化学反应，产生电能，一部分电能为输送泵及重整器的电加热器供电，余下电能输出。
2.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述换热器与重整器之间还设有补偿汽化装置，该补偿汽化装置设有电加热器，所述甲醇和水经补偿汽化装置后可进一步汽化；所述燃料电池产生的电能还为补偿汽化装置的电加热器供电。
3.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述重整器的电加热器包括电阻发热体及金属铸件导热体，该金属铸件导热体包覆于重整室外。
4.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述分离装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置。
5.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述重整器设置有电池启动装置，该电池启动装置可在重理器启动过程中，为输送泵及重整器的电加热器供电。
6.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述重整器设置有燃烧式启动装置，该燃烧式启动装置可在重理器启动过程中，通过燃烧甲醇为重整室加热。
7.根据权利要求1所述的基于甲醇水制氢系统的发电机，其特征在于：所述甲醇水制氢机还设有贮氢瓶，该贮氢瓶可在重理器启动过程中，为燃料电池输入氢气，使燃料电池工作，产生电能，为输送泵及重整器的电加热器供电。
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