CN212476103U - 一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置及方法，通过太阳能真空集热管内置填充催化剂的甲醇液相重整制氢反应管、制氢反应器与密闭式高位槽连通的创新设计，实现了制氢反应器与高位槽的压力平衡，保障了高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自动向制氢反应器进料、制氢速率随太阳能波动自适应调节实现自适应智能控制，在野外环境下方便安全智能高效连续地利用太阳能热驱动甲醇液相重整制氢、储氢、用氢，用于PEMFC燃料电池的氢源，无需人力值守，解决了野外环境无人值守无法连续智能制氢的问题。
Description
技术领域：
本实用新型涉及氢能技术领域，具体涉及一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置。
背景技术：
氢能是公认的21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢燃料电池分布式电站、野外通讯基站氢燃料电池备用电源等产业正在孕育形成，各地均制定了产业发展规划，打造千亿市场规模的氢能经济。
如何在野外环境下方便安全高效地制氢、储氢及用氢，成为最具挑战性的技术之一。目前已有的储氢技术，如35-70MPa气态高压储氢、超低温液态储氢、金属氢化物储氢、多孔介质储氢、有机液体储氢等，均存在或压力过高、或超低温保温困难、或储氢密度较低、或脱氢温度较高等诸多问题，而难以规模化推广应用。
甲醇(氢含量12.5wt％)作为氢载体，被认为是最有前景的液态阳光燃料，具有工业生产规模大、廉价易得等优势。目前已有的甲醇重整制氢技术主要包括甲醇蒸汽重整制氢和甲醇高温裂解制氢。
甲醇蒸汽重整制氢需先将甲醇及无盐水汽化为蒸汽，然后在250-350℃的较高温度下发生气相重整反应，产生H2、CO、CO2等混合气，不仅反应装置体积较大、甲醇与水的汽化所需能耗也较大，而且产生的气体中CO浓度远超PEMFC燃料电池的耐受极限，需要增加复杂而昂贵的氢气纯化单元，使得其应用受到极大的限制。甲醇高温裂解制氢同样存在上述难点问题，难以推广应用。
与此同时，如何在野外环境下，无人值守方便安全高效地制氢、储氢及用氢，成为最具挑战性的技术之一。
实用新型内容：
本实用新型的目的是提供一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，通过太阳能真空集热管内置填充催化剂的甲醇液相重整制氢反应管、制氢反应器与密闭式高位槽连通的创新设计，实现了制氢反应器与高位槽的压力平衡，保障了高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自动向制氢反应器进料、制氢速率随太阳能波动自适应调节实现自适应智能控制，在野外环境下方便安全智能高效连续地利用太阳能热驱动甲醇液相重整制氢、储氢、用氢，用于PEMFC燃料电池的氢源，无需人力值守，解决了野外环境无人值守无法连续智能制氢的问题或太阳能因天气原因波动时，玻璃真空管集热温度也随之波动，进而制氢反应器温度随之波动，导致制氢速率随之波动，原料消耗也随之波动，不能自动调节进料量制氢用于PEMFC 燃料电池发电的问题。
本实用新型是通过以下技术方案予以实现的：
一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，该装置包括依次连通的甲醇/水储罐、补给泵、密闭式高位槽、甲醇液相重整制氢反应管、吸附式高压氢罐，所述甲醇液相重整制氢反应管内填催化剂内置于太阳能真空集热管中，甲醇/水储罐经补给泵和单向阀连通密闭式高位槽，为密闭式高位槽提供甲醇水溶液，同时密闭式高位槽连通甲醇液相重整制氢反应管轴心进料导管，此外，甲醇液相重整制氢反应管还设有氢气出口，所述氢气出口经密闭式高位槽和单向阀连通吸附式高压氢罐；甲醇水溶液经补给泵连续向密闭式高位槽进料，密闭式高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自上向下自动流向甲醇液相重整制氢反应管的轴心进料导管，在甲醇液相重整制氢反应管底部折返后进入填充催化剂的催化颗粒床，太阳能真空集热管收集太阳热能并对内置其中的甲醇液相重整制氢反应管加热，发生甲醇液相重整制氢反应与变换反应，自增压产生4.0-7.0MPa的高压氢气(CO含量<100ppm)，流经高位槽后在压差作用下进入吸附式高压储氢罐，用于PEMFC燃料电池的氢源。
优选地，太阳能真空集热管倾斜放置以更好利用太阳能。
优选地，密闭式高位槽设有液位控制计，当高位槽达到一定液位时补给泵停止，高位槽低于一定液位时补给泵启动。
甲醇液相重整制氢反应管与高位槽连通实现压力平衡，保障了高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自动向甲醇液相重整制氢反应管进料。制氢速率随太阳能波动自适应调节，实现了自适应智能控制。
特别地，催化剂为铜基催化剂Cu@C，其制备方法包括以下步骤：以硝酸铜为Cu源，乙酸为助剂，以壳聚糖为碳源，将硝酸铜和壳聚糖按摩尔比1：1-3：1混合配成水溶液，然后加入乙酸充分搅拌，乙酸加入量为5wt％-15wt％质量分数，程序升温干燥，然后在氮气保护下400-900℃高温热处理，得到Cu@C催化剂。
本实用新型的有益效果如下：
通过太阳能真空集热管内置填充Cu@C催化剂的甲醇液相重整制氢反应管、制氢反应器与密闭式高位槽连通的创新设计，实现了制氢反应器与高位槽的压力平衡，保障了高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自动向制氢反应器进料、制氢速率随太阳能波动自适应调节实现自适应智能控制，在野外环境下方便安全智能高效连续地利用太阳能热驱动甲醇液相重整制氢、储氢、用氢，用于PEMFC燃料电池的氢源，无需人力值守，表现出优异的稳定性及自适应能力，解决了野外环境无人值守无法连续智能制氢的问题或太阳能因天气原因波动时，玻璃真空管集热温度也随之波动，进而制氢反应器温度随之波动，导致制氢速率随之波动，原料消耗也随之波动，不能自动调节进料量稳定制氢用于PEMFC燃料电池发电的问题。
附图说明：
图1是本实用新型的自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置的结构示意图；
其中，1、甲醇/水储罐，2、补给泵，3、密闭式高位槽，4、甲醇液相重整制氢反应管，5、吸附式高压氢罐，6、太阳能真空集热管，7、8单向阀，9、Cu@C催化剂，10、支架。
具体实施方式：
以下是对本实用新型的进一步说明，而不是对本实用新型的限制。
如图1所示的一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，该装置包括依次连通的甲醇/水储罐1、补给泵2、密闭式高位槽3、甲醇液相重整制氢反应管4、吸附式高压氢罐 5，所述甲醇液相重整制氢反应管4内填充Cu@C催化剂9内置于太阳能真空集热管6中，甲醇/水储罐1经补给泵2和单向阀8连通密闭式高位槽3，为密闭式高位槽3提供甲醇水溶液，同时密闭式高位槽3连通甲醇液相重整制氢反应管4轴心进料导管，此外，甲醇液相重整制氢反应管4还设有氢气出口，所述氢气出口经密闭式高位槽3和单向阀7连通吸附式高压氢罐5；甲醇水溶液经补给泵2连续向密闭式高位槽进料，密闭式高位槽3中的甲醇水溶液在重力作用下自上向下自动流向甲醇液相重整制氢反应管4的轴心进料导管，在甲醇液相重整制氢反应管4底部折返后进入填充Cu@C催化剂9的催化颗粒床，太阳能真空集热管6 收集太阳热能并对内置其中的甲醇液相重整制氢反应管4加热，在150-210℃的条件下发生甲醇液相重整制氢反应与变换反应，自增压产生4.0-7.0MPa的高压氢气(CO含量<100ppm)，流经高位槽3后在压差作用下进入吸附式高压储氢罐5，用于PEMFC燃料电池的氢源。
实施例1：
将甲醇与脱盐水混合配制成60wt％浓度的甲醇溶液，加入甲醇/水储罐中。将硝酸铜和壳聚糖按摩尔比1：1比例混合配成水溶液，然后加入5wt％的乙酸作为助剂，充分搅拌3小时后采用程序升温干燥，具体为从常温以5℃/min的速率升温至60℃，于60℃恒温5小时，而后继续以5℃/min的速率升温至80℃，于80℃恒温3小时，而后继续以5℃/min的速率升温至110℃，恒温3小时。然后在氮气保护下经400℃高温热处理，得到Cu@C-400催化剂。将制备的Cu@C-400催化剂装入甲醇液相重整制氢反应管中，制氢反应管内置于太阳能真空集热管中。将系统按图1整体连接，进行野外太阳能热驱动甲醇液相重整制氢性能测试。结果如下：
实施例2
将甲醇与脱盐水混合配制成40wt％浓度的甲醇溶液，加入甲醇/水储罐中。将硝酸铜和壳聚糖按摩尔比3：1比例混合配成水溶液，然后加入15wt％的乙酸作为助剂，充分搅拌3小时后采用程序升温干燥，具体为从常温以5℃/min的速率升温至60℃，于60℃恒温5小时，而后继续以5℃/min的速率升温至80℃，于80℃恒温3小时，而后继续以5℃/min的速率升温至110℃，恒温5小时。然后在氮气保护下经700℃高温热处理，得到Cu@C-700催化剂。将制备的Cu@C-700催化剂装入甲醇液相重整制氢反应管中，制氢反应管内置于太阳能真空集热管中。将系统整体连接，进行野外太阳能热驱动甲醇液相重整制氢性能测试。结果如下：
实施例3
将甲醇与脱盐水混合配制成60wt％浓度的甲醇溶液，加入甲醇/水储罐中。将硝酸铜和壳聚糖按摩尔比2：1比例混合配成水溶液，然后加入10wt％的乙酸作为助剂，充分搅拌3小时后采用程序升温干燥，具体为从常温以5℃/min的速率升温至60℃，于60℃恒温5小时，而后继续以5℃/min的速率升温至80℃，于80℃恒温3小时，而后继续以5℃/min的速率升温至110℃，恒温5小时。然后在氮气保护下经900℃高温热处理，得到Cu@C-900催化剂。将制备的Cu@C-900催化剂装入甲醇液相重整制氢反应管中，制氢反应管内置于太阳能真空集热管中。将系统整体连接，进行野外太阳能热驱动甲醇液相重整制氢性能测试。结果如下：
从以上结果可得出结论：在波动的太阳能驱动下，制氢系统在不同的温度下具有自适应的产氢速率，H2选择性达到99％左右，CO含量低于仪器检测下限。且本实用新型提出的系统，经过复杂太阳能波动工况的苛刻检验，表现出优异的稳定性及自适应能力，证明了本实用新型解决了野外环境无人值守方便安全高效地制氢、储氢、用氢以及廉价易得的非贵金属催化剂高效催化甲醇液相重整制氢的技术问题。
Claims (3)
1.一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，其特征在于，该装置包括依次连通的甲醇/水储罐、补给泵、密闭式高位槽、甲醇液相重整制氢反应管、吸附式高压氢罐，所述甲醇液相重整制氢反应管内填充催化剂内置于太阳能真空集热管中，甲醇/水储罐经补给泵和单向阀连通密闭式高位槽，为密闭式高位槽提供甲醇水溶液，同时密闭式高位槽连通甲醇液相重整制氢反应管轴心进料导管，此外，甲醇液相重整制氢反应管还设有氢气出口，所述氢气出口经密闭式高位槽和单向阀连通吸附式高压氢罐；甲醇水溶液经补给泵连续向密闭式高位槽进料，密闭式高位槽中的甲醇水溶液在重力作用下自上向下自动流向甲醇液相重整制氢反应管的轴心进料导管，在甲醇液相重整制氢反应管底部折返后进入填充催化剂的催化颗粒床，太阳能真空集热管收集太阳热能并对内置其中的甲醇液相重整制氢反应管加热，发生甲醇液相重整制氢反应与变换反应，自增压产生高压氢气，流经高位槽后在压差作用下进入吸附式高压储氢罐，用于PEMFC燃料电池的氢源。
2.根据权利要求1所述的自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，其特征在于，太阳能真空集热管倾斜放置。
3.根据权利要求1或2所述的自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置，其特征在于，密闭式高位槽设有液位控制计。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202021940567.4U CN212476103U (zh) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | 一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112047301A (zh) * | 2020-09-07 | 2020-12-08 | 广州氢动科技有限公司 | 一种自适应的太阳能热驱动甲醇液相重整制氢装置及方法 |
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2020
- 2020-09-07 CN CN202021940567.4U patent/CN212476103U/zh active Active
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