CN209691853U - 一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，用于解决现有的燃料电池系统的传热方式过于复杂的技术问题。本实用新型实施例包括电堆、管道、重整反应器、用于储存甲醇水溶液的第一储液罐和用于储存双氧水的第二储液罐；所述重整反应器包括有甲醇水进口、氢气出口、氧气出口以及双氧水进口；所述第一储液罐的出口端连接有甲醇泵，所述甲醇泵的出口端连接管道，所述甲醇泵通过管道与所述甲醇水进口相连通，所述氢气出口通过管道与所述电堆的阳极相连；所述第二储液罐的出口端连接有双氧水泵，所述双氧水泵的出口端连接有管道，所述双氧水泵通过管道与所述双氧水进口相连通，所述氧气出口通过管道与所述电堆的阴极相连。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统。
背景技术
随着化石燃料等不可再生资源的枯竭，未来世界能源体系将逐渐从不可再生能源转向可再生能源，减少对高污染且储量有限(如煤)的传统能源的依赖。同时可再生能源，如太阳能、风能等储存运输不便，而利用氢气作为新能源燃料的化学储能技术储能密度高，技术成熟，目前西方发达国家已经开始建立氢气管道运输网络，同时燃料电池技术是国际公认的发电效率最高而碳排放最低的发电环节关键技术。
氢气在工业上有着广泛的用途。近年来，由于精细化工、生物工程、石油炼制加氢及氢燃料清洁汽车等的迅速发展，对氢气的需求量急速增加，对制氢的要求也越来高的要求；对没有方便氢源的地区，如果采用传统的以石油类、天然气或煤为原料造气来分离制氢需庞大投资，只适用于大规模用户。对中小用户电解水可方便制得氢气，但能耗很大，每立方米氢气耗电达6度，因此近年来许多原用电解水制氢的厂家纷纷进行技术改造，改用甲醇蒸汽转化制氢新的工艺路线。
由于氢气燃料不易储存，且密度较低，极易泄漏，遇火极易爆炸，它的运输和储存安全问题就显得很重要，一般以压缩气体或低温液体(液态氢)形式进行储存和运输。因此，在需要的地方(比如说微型质子交换膜燃料电池附近)现场重整产氢是一种极具潜力的节能高效方法。
现有的制氢工艺中，初始能源消耗较大，主要为各种形式热能加热催化碳氢燃料产生，由于目前的碳氢燃料制氢均需要较大体积的预热器，导致整个燃料电池系统过于复杂。
因此，为解决上述的技术问题，寻找一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统成为本领域技术人员所研究的重要课题。
实用新型内容
本实用新型实施例公开了一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，用于解决现有的燃料电池系统的传热方式过于复杂的技术问题。
本实用新型实施例提供了一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，包括电堆、管道、重整反应器、用于储存甲醇水溶液的第一储液罐和用于储存双氧水的第二储液罐；
所述重整反应器包括有甲醇水进口、氢气出口、氧气出口以及双氧水进口；
所述第一储液罐的出口端连接有甲醇泵，所述甲醇泵的出口端连接管道，所述甲醇泵通过管道与所述甲醇水进口相连通，所述氢气出口通过管道与所述电堆的阳极相连；
所述第二储液罐的出口端连接有双氧水泵，所述双氧水泵的出口端连接有管道，所述双氧水泵通过管道与所述双氧水进口相连通，所述氧气出口通过管道与所述电堆的阴极相连。
可选地，还包括氢气循环泵；
所述电堆包括氢气排放口，所述氢气排放口通过管道与所述氢气循环泵的进口端相连接，所述氢气循环泵的出口端通过管道与所述电堆的阳极相连接。
可选地，所述甲醇泵与所述甲醇水进口之间还通过管道依次连接有球阀、电磁阀、质量流量计、止回阀。
可选地，所述双氧水泵与所述双氧水进口之间还通过管道依次连接有球阀、电磁阀、质量流量计、止回阀。
可选地，所述重整反应器包括上盖板、重整反应层、热交换层、放热反应层以及下盖板；
所述甲醇水进口、所述氢气出口均设置于所述上盖板上，所述上盖板还设置有二氧化碳出口；
所述重整反应层内设置有第一多孔介质陶瓷，所述第一催化剂放置于所述第一多孔介质陶瓷内；所述甲醇水进口、所述氢气出口、所述二氧化碳出口均连通于所述重整反应层；
所述放热反应层内设置有第二多孔介质陶瓷，所述第二催化剂放置于所述第二多孔介质陶瓷内；
所述双氧水进口、所述氧气出口均设置于所述下盖板上，所述下盖板还设置有水出口；所述双氧水进口、所述氧气出口、所述水出口均与所述放热反应层相连通。
可选地，所述第一催化剂为铜和氧化锌。
可选地，所述第二催化剂为铂。
可选地，所述热交换层内设置有换热器，所述换热器用于将放热反应层中的热量传递到所述重整反应层。
可选地，所述上盖板与所述重整反应层之间设置有透氢膜。
可选地，所述下盖板与所述放热反应层之间设置有透氧膜。
从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：
本实施例中，甲醇水溶液的重整反应利用双氧水催化反应所产生的热量进行供热，可以将原有体积较大的换热器去掉，简化燃料电池的传热方式，提高传热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型实施例中提供的一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中提供的一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统中的重整反应器的结构示意图；
图示说明：第二储液罐1；双氧水泵2；第一储液罐3；甲醇泵4；重整反应器5；氢气循环泵6；电堆7；球阀8；电磁阀9；质量流量计10；止回阀11；上盖板12；重整反应层13；热交换层14；放热反应层15；下盖板16；透氢膜17；换热器18；第二催化剂19；透氧膜20；第一催化剂21；甲醇水进口22；氢气出口23；二氧化碳出口24；水出口25；氧气出口26；双氧水进口27。
具体实施方式
本实用新型实施例公开了一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，用于解决现有的燃料电池系统的传热方式过于复杂的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1和图2，本实用新型实施例中提供的一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统的一个实施例包括：
电堆7、管道、重整反应器5、第一储液罐3和第二储液罐1，其中第一储液罐3用于储存甲醇水溶液，第二储液罐1用于储存双氧水；
重整反应器5包括有甲醇水进口22、氢气出口23、氧气出口26以及双氧水进口27；
第一储液罐3的出口端通过管道连接甲醇泵4，甲醇泵4的出口端连接管道，并且通过管道与甲醇水进口22相连通，甲醇泵4将甲醇水溶液泵入到重整反应器5内进行重整反应，从而生成氢气，氢气出口23通过管道与电堆7的阳极相连，氢气从该氢气出口23排出，并通过管道进入到电堆7的阳极。
第二储液罐1的出口端通过管道连接双氧水泵2，双氧水泵2的出口端连接管道，并且通过管道与双氧水进口27相连通，双氧水泵2将双氧水泵2入到重整反应器5内进行放热反应，双氧水与催化剂进行放热反应，从而生成氧气，氧气出口26通过管道与电堆7的阴极相连，氧气从该氧气出口26排出，并通过管道进入到电堆7的阴极。
本实施例中，甲醇水溶液的重整反应利用双氧水催化反应所产生的热量进行供热，可以将原有体积较大的换热器18去掉，简化燃料电池的传热方式，提高传热效率。
进一步地，本实施例还包括氢气循环泵6；
电堆7包括氢气排放口，氢气排放口通过管道与氢气循环泵6的进口端相连接，氢气循环泵6的出口端通过管道与电堆7的阳极相连接。
需要说明的是，电堆7内的电化学反应中未完全反应的氢气，透过氢气循环泵6导出并再次送入到电堆7的阳极，实现阳极再循环从而提高电堆7的反应效率。
进一步地，本实施例中的甲醇泵4与甲醇水进口22之间还通过管道依次连接有球阀8、电磁阀9、质量流量计10、止回阀11。
双氧水泵2与双氧水进口27之间还通过管道依次连接有球阀8、电磁阀9、质量流量计10、止回阀11。
本实施例中供给系统主要分为甲醇水溶液路和双氧水路，供给系统均有储液罐、增压泵，控制系统包括球阀8、电磁阀9、质量流量计10和止回阀11；在甲醇重整技术中以水蒸汽化学反应获得氢气纯度最高，如(1)所示反应方程式，该反应可在相对较低的温度下进行，温度范围为230-300℃，根据此温度区间选择合适催化剂；甲醇重整反应产物中有氢气和二氧化碳，在高温下甲醇会部分裂解产生CO，但CO含量极低，为防止后续所使用到的Pt催化剂中毒，需要对有害气体CO通过优先氧化方式去除，CO2和H2采用透氢膜17分离，CO2直接排除系统外，高纯度氢气进入电堆7的阳极；
甲醇水溶液的重整反应为吸热反应，因此需要向反应容器持续供热维持化学反应速度，本实施例以化学反应方式为重整供热，见式(2)，解决了同类加热问题的缺陷，比如电加热能量转化效率较低，燃烧加热的温度点不均匀的问题等；本实施例以双氧水为原料，通过有高活性的金属催化剂催化下分解释放热量，反应热量足以维持甲醇重整反应，并产生水蒸气和氧气，水蒸气和氧气通过透氧膜20分离，水蒸气可通入甲醇侧作为重整反应的原料，产生氧气一部分用于CO的优先氧化，剩余氧气进入电堆7阴极侧作为电堆7反应供气，不足气体从周围大气吸入空气，保持电堆7阴极侧处于富氧环境；
由于双氧水量保持相对过量，甲醇产生氢气温度与反应温度基本相当，高温氢气携带部分水蒸气进入电堆7阳极，作为燃料电池的燃料，在阳极扩散至催化剂层被电离成H+，H+穿过质子交换膜到达阴极侧，同时阴极侧氧气也扩散至催化剂层被电离成O2-，与透过的H+反应生成水，电子透过外部电路产生电能，电化学反应中未完全反应的氢气，透过氢气循环泵6导出并再次送入阳极进气道，实现阳极再循环从而提高燃料电池反应效率；
请参阅图2，进一步地，本实施例中的重整反应器5包括上盖板12、重整反应层13、热交换层14、放热反应层15以及下盖板16；
甲醇水进口22、氢气出口23均设置于上盖板12上，上盖板12还设置有二氧化碳出口24；
重整反应层13内设置有第一多孔介质陶瓷，第一催化剂21放置于第一多孔介质陶瓷内；甲醇水进口22、氢气出口23、二氧化碳出口24均连通于重整反应层13；
上盖板12与重整反应层13之间设置有透氢膜17；
热交换层14内设置有换热器18，换热器18用于将放热反应层15中的热量传递到重整反应层13；
放热反应层15内设置有第二多孔介质陶瓷，第二催化剂19放置于第二多孔介质陶瓷内；
双氧水进口27、氧气出口26均设置于下盖板16上，下盖板16还设置有水出口25；双氧水进口27、氧气出口26、水出口25均与放热反应层15相连通；
下盖板16与放热反应层15之间设置有透氧膜20。
进一步地，本实施例中所用到的第一催化剂21为铜和氧化锌；第二催化剂19为铂，除铂之外，还可以采用其它的金属催化剂，例如Fe、Cu、Cr、Pd、Mn均可。
本实施例中的重整反应器5由玻璃晶片制成，具备一定的耐化学腐蚀性，本实施例中的换热器18为逆流式换热器18，请参阅图2，共分为五层，第一层为上盖板12，开设有甲醇水进口22、CO2出口和H2出口，晶片内侧开槽装有透氢膜17，可实现二氧化碳和和氢气的分离；第二层为重整反应层13，催化剂放置于多孔介质陶瓷中，气体液体均可穿过该多孔介质，多孔介质陶瓷放置于第二层玻璃镜片的口腔中，还起到中间支撑作用；第三层为热交换层14，换热器18上下面均与装催化剂的多孔介质陶瓷接触，换热器18的表面上可以加装翅片，使其可以加强流体的湍流程度，增强了换热效果；第四层为放热反应层15，该层也是将催化剂放置于多孔介质陶瓷中，多孔介质陶瓷也起到支撑作用；第五层为下端板，开设有双氧水进口27、氧气出口26和水蒸汽出口，晶片内侧开槽装有透氧膜20，可实现水蒸气和氧气的分离。
本实施例中选择Cu和ZnO作为甲醇水蒸气重整催化剂，其中Cu提供了催化活性，而ZnO附着于Cu表面，选择金属Pt作为过氧化氢分解的催化剂；
在双氧水放热反应时将重整器加热至约250℃，此时双氧水的空速较高，反应较为剧烈，然后将水和甲醇混合后通入重整器，重整反应开始，温度开始持续升高，此时甲醇的空速逐渐增加，开始控制双氧水量，确保甲醇侧温度不持续升高，控制在合理的区间，此时获得双氧水和甲醇的空速为稳定空速；
PEMFC(质子交换膜燃料电池)的电效率在40％～60％之间，为转化的能量均以热量的形式释放，本系统采用甲醇水溶液对电堆7系统外部冷却，避免电堆7内部出现过热的现象，电堆7反应产生的水大部分从阴极排出，此部分水可收集作为去离子补水；
本实施例中的重整反应器5比现有同类重整反应器5更为紧凑，且反应放热更为均匀，同时富氧环境增强了系统效率，电堆7的阳极再循环系统和外部冷却系统可保证电堆7处于较高的反应效率。
综上所述，本系统具有以下优点：
1.采用双氧水放热反应加热甲醇重整简化了重整反应器5结构，气化重整过程不需要电热或燃烧加热，简化了系统工艺，加热温度更为均匀且方便控制，提高了燃料重整转化效率；
2.采用双氧水放热可以做到反应产生的再次利用，产生水蒸气再次作为原料参与重整，取消了传统的去离子水系统；
3.采用本设计重整系统产生的氢气和氧气均含湿，可载水进入电堆7反应，取消了传统的加湿系统，简化了工艺流程；
4.采用氢气循环泵6实现阳极气体的再循环，以及阴极的富氧环境均提高了电堆7的反应效率；
5.采用甲醇液对电堆7实施外部冷却，提高了系统的安全性，并可回热加热前端的甲醇液，提高整个系统的循环效率。
6.利用双氧水产生氧气对重整有害气体CO优先氧化，防止电堆7催化剂中毒，提高了电池的安全性。
以上对本实用新型所提供的一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (10)
1.一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、管道、重整反应器、用于储存甲醇水溶液的第一储液罐和用于储存双氧水的第二储液罐；
所述重整反应器包括有甲醇水进口、氢气出口、氧气出口以及双氧水进口；
所述第一储液罐的出口端连接有甲醇泵，所述甲醇泵的出口端连接管道，所述甲醇泵通过管道与所述甲醇水进口相连通，所述氢气出口通过管道与所述电堆的阳极相连；
所述第二储液罐的出口端连接有双氧水泵，所述双氧水泵的出口端连接有管道，所述双氧水泵通过管道与所述双氧水进口相连通，所述氧气出口通过管道与所述电堆的阴极相连。
2.根据权利要求1所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，还包括氢气循环泵；
所述电堆包括氢气排放口，所述氢气排放口通过管道与所述氢气循环泵的进口端相连接，所述氢气循环泵的出口端通过管道与所述电堆的阳极相连接。
3.根据权利要求1所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述甲醇泵与所述甲醇水进口之间还通过管道依次连接有球阀、电磁阀、质量流量计、止回阀。
4.根据权利要求1所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述双氧水泵与所述双氧水进口之间还通过管道依次连接有球阀、电磁阀、质量流量计、止回阀。
5.根据权利要求1所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述重整反应器包括上盖板、重整反应层、热交换层、放热反应层以及下盖板；
所述甲醇水进口、所述氢气出口均设置于所述上盖板上，所述上盖板还设置有二氧化碳出口；
所述重整反应层内设置有第一多孔介质陶瓷，所述第一多孔介质陶瓷内放置有第一催化剂；所述甲醇水进口、所述氢气出口、所述二氧化碳出口均连通于所述重整反应层；
所述放热反应层内设置有第二多孔介质陶瓷，所述第二多孔介质陶瓷内放置有第二催化剂；
所述双氧水进口、所述氧气出口均设置于所述下盖板上，所述下盖板还设置有水出口；所述双氧水进口、所述氧气出口、所述水出口均与所述放热反应层相连通。
6.根据权利要求5所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述第一催化剂为铜和氧化锌。
7.根据权利要求5所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述第二催化剂为铂。
8.根据权利要求5所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述热交换层内设置有换热器，所述换热器用于将放热反应层中的热量传递到所述重整反应层。
9.根据权利要求5所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述上盖板与所述重整反应层之间设置有透氢膜。
10.根据权利要求5所述的基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统，其特征在于，所述下盖板与所述放热反应层之间设置有透氧膜。
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| CN201920705372.2U CN209691853U (zh) | 2019-05-16 | 2019-05-16 | 一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110010926A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-07-12 | 广东索特能源科技有限公司 | 一种基于双氧水反应的甲醇水重整燃料电池系统 |
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2019
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