CN216980636U - 一种甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及甲烷水合物用做燃料电池的分解‑电解装置，可有效解决煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯大量排空的问题，其解决的技术方案是，包括反应釜体，反应釜体上设置有连通反应釜内壁的水合物进口，反应釜外壁上分别设置有温度传感器、压力监控模块，反应釜内壁与氧气供应罐相连通，反应釜顶部设置有负载，第一负载经质子交换膜与甲烷燃料电池负极、甲烷燃料电池正极电联接，第二负载经电解质与氢燃料电池负极、氢燃料电池正极电联接，本实用新型以低浓度瓦斯为原料经过一系列反应处理形成燃料电池，以水合物的形式进行储存和运输，以燃料电池的形式为煤矿提供能源供给，是燃料电池的分解‑电解装置上的创新。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是一种甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置。
背景技术
对于能源利用来说，研究清洁、高效、可持续发展的新能源动力推进技术已经成为实现绿色化发展的重要趋势，而燃料电池技术的应用被普遍视为一种有效的解决方案，甲烷是进入未来碳约束世界的过渡燃料，也是重要的温室气体，CH4和水电解之后的H2均是优质的燃料电池原料，由于甲烷气体储运过程存在较大的瓦斯气体爆炸风险，采用水合物法运输和保存成为可靠的方法。
在煤矿生产中，考虑煤矿地理位置和特征比较复杂，不便于交通运输和能源供给，能源供给困难、利用效率低，而煤矿瓦斯中大量排空的低浓度煤矿瓦斯如何有效利用也是一大难题，为直接有效的提高甲烷水合物的能源利用效率，降低过程中的能量损耗，必须进一步提高甲烷水合物的高效利用率，因此，发明一种以甲烷水合物为原料直接进行供电的燃料电池势在必行。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，可有效解决煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯大量排空的问题。
本实用新型解决的技术方案是，包括反应釜体，反应釜体上设置有连通反应釜内壁的水合物进口，反应釜外壁上分别设置有温度传感器、压力监控模块，反应釜内壁与氧气供应罐相连通，反应釜顶部设置有负载，第一负载经质子交换膜与甲烷燃料电池负极、甲烷燃料电池正极电联接，第二负载经电解质与氢燃料电池负极、氢燃料电池正极电联接，直流电源正极与阳极板相连，直流电源负极与阴极板相连，反应釜内壁装有与浮球式液位传感器相连接的液位计探头。
本实用新型以低浓度瓦斯为原料经过一系列反应处理形成燃料电池，低浓度瓦斯得到高效利用，以水合物的形式进行储存和运输，以燃料电池的形式为煤矿提供能源供给。解决了煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯大量排空问题，是燃料电池的分解-电解装置上的创新。
附图说明
图1为本实用新型的结构主视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1给出，本实用新型包括反应釜体，反应釜体上设置有连通反应釜内壁2的水合物进口1，反应釜外壁3上分别设置有温度传感器8、压力监控模块12，反应釜内壁2与氧气供应罐19相连通，反应釜顶部设置有负载，第一负载18a经质子交换膜6与甲烷燃料电池负极4、甲烷燃料电池正极5电联接，第二负载18b经电解质11与氢燃料电池负极9、氢燃料电池正极10电联接，直流电源17正极与阳极板15相连，直流电源17负极与阴极板14相连，反应釜内壁2装有与浮球式液位传感器16相连接的液位计探头。
为了保证使用效果，所述的第一负载18a为变压器，燃料电池经过变压器变压转换连接到煤矿检测设备（矿井通风设备、气体探测器、瓦斯泄露检测器等）上。
所述的第二负载18b为变压器，燃料电池连接变压器，经过变压器变压转换连接到生活电器（灯光、充电插口等）上。
所述的压力监控模块12为扩散硅压力变送器。
所述的反应釜内壁2为奥氏体不锈钢。
所述的阳极板15、阴极板14均为不锈钢板。
所述的电解质11为固体聚合物电解质。
所述的质子交换膜6为Nafion117膜。
所述的反应釜顶部设置有过滤口13。
所述的反应釜外壁3上设置有与反应釜内壁2相连通的氢气废气出口20、氧气废气出口21、甲烷废气出口22。
所述的甲烷燃料电池负极4、甲烷燃料电池正极5上覆盖有绝缘隔板7。
所述的氢燃料电池负极9、氢燃料电池正极10上覆盖有氢气带孔绝缘隔板23、氧气带孔绝缘隔板24。
所述的反应釜体内设置有与反应釜体底部有一定距离的氢气、氧气隔板25，液面高度接触隔板时，电解反应才可进行。
本实用新型主要根据甲烷水合物能够远距离运输，稳定性良好，还能以燃料电池的形式供电的特点，容器材料优选采用方形低温储罐卧式双层真空绝热储槽，内胆优选为奥氏体不锈钢，外容器材料优选为Q235-B、Q245R或345R，内外容器夹层优选填充绝热材料，绝缘材料优选为珠光砂、铝箔或保温棉。
由于水合物分解是吸热反应，一般采用冰点以上分解，本实用新型的甲烷水合物分解过程中，控制反应釜内温度为5-10℃，反应釜内压力为0.1MPa，通过控制反应温度和反应压力，维持水合物分解平衡，甲烷水合物发生分解反应的同时，对分解出来的水和甲烷进行分离；分离出的纯水集中收集，甲烷燃料电池反应单元利用分离出的甲烷气体为燃料电池提供电力供应。
电解水反应优选采用水电解制氢技术，固体聚合物作为电解质，无需制造碱性环境，以直流电源制备零极距电解槽，进一步优选采用杜邦公司的Nafion117膜，用浸渍还原法制得膜电极，把膜电极组装为零极距电解槽，电解水反应单元中，水合物分解生成的水量达到一定标准才能开始电解水反应，需安装水量监控器（浮球式液位传感器），控制电解反应的发生，电解水反应进行的同时，优选对产生的氢气和氧气进行分离，气体集中处理。
本实用新型的燃料电池反应中，氢燃料电池的电极材料优选为金属铂或石墨，催化剂层优选为铂催化剂（Pt/C）、低铂催化剂或非铂催化剂；非铂催化剂包含Ir/C催化剂、Pb/C催化剂PdCoNi/NCNTs催化剂或Fe3C/ NG新型纳米多孔碳膜催化剂；甲烷燃料电池的正极优选为铜和陶瓷的混合物或多孔镍，负极优选为多孔镍。
本实用新型对甲烷燃料电池反应的环境进行酸碱性调控，反应发生的同时对生成的气体进行处理，电解水分解出氧气通入外部供氧单元，甲烷燃料电池优选通过外部供应氧气维持反应，氢燃料电池使用电解水氢气和供氧单元维持反应。本实用新型中甲烷燃料电池反应单元产生的气体和电解水反应单元产生的氢气和氧气以燃料电池或其他形式进行供电。
高温燃料电池的电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池的Y2O3-stabilized-ZrO2（简称YSZ）或熔融碳酸盐燃料电池的氧化镍电极；低温燃料电池的电极主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）和质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极；Pt/C或Pt-Ru/C作为阳极催化剂。
本实用新型主要根据甲烷水合物的性质和煤矿地理位置提供了一种甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，考虑煤矿地理位置和特征比较复杂，不便于交通运输和能源供给，本实用新型以甲烷水合物为原料经过一系列反应处理形成燃料电池，提高了能源利用效率，以水合物的形式进行储存和运输，以燃料电池的形式为煤矿提供能源供给，解决了煤矿瓦斯中低浓度煤矿瓦斯大量排空问题，具有良好的经济和社会效益。
Claims (10)
1.一种甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，包括反应釜体，其特征在于，反应釜体上设置有连通反应釜内壁(2)的水合物进口(1)，反应釜外壁(3)上分别设置有温度传感器(8)、压力监控模块(12)，反应釜内壁(2)与氧气供应罐(19)相连通，反应釜顶部设置有负载，第一负载(18a)经质子交换膜(6)与甲烷燃料电池负极(4)、甲烷燃料电池正极(5)电联接，第二负载(18b)经电解质(11)与氢燃料电池负极(9)、氢燃料电池正极(10)电联接，直流电源(17)正极与阳极板(15)相连，直流电源(17)负极与阴极板(14)相连，反应釜内壁(2)装有与浮球式液位传感器(16)相连接的液位计探头。
2.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的第一负载(18a)为变压器。
3.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的第二负载(18b)为变压器。
4.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的压力监控模块(12)为扩散硅压力变送器。
5.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的反应釜内壁(2)为奥氏体不锈钢。
6.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的阳极板(15)、阴极板(14)均为不锈钢板。
7.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的电解质(11)为固体聚合物电解质。
8.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的质子交换膜(6)为Nafion117膜。
9.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的反应釜顶部设置有过滤口(13)。
10.根据权利要求1所述的甲烷水合物用做燃料电池的分解-电解装置，其特征在于，所述的反应釜外壁(3)上设置有与反应釜内壁(2)相连通的氢气废气出口(20)、氧气废气出口(21)、甲烷废气出口(22)。
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