CN220685254U - 一种碳氢燃料电解重整制氢设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳氢燃料电解重整制氢设备，包括：原料供给装置、电解重整制氢装置、热管理装置、氢气加注装置和碳捕集装置。该热管理装置包括换热器、催化燃烧器、预热器和气液分离器。该原料供给装置通过预热器与质子交换膜电解池连接以将碳氢燃料与水输送至电解重整制氢装置。该电解重整制氢装包括质子交换膜电解池，该质子交换膜电解池与所述换热器热连接，该质子交换膜电解池的阴极区与所述氢气加注装置相连接，阳极区与所述碳捕集装置相连接。本实用新型中的电解重整制氢设备能够高通用性地适应不同的碳氢燃料重整制氢，产物易于分离，从而实现了低成本、简单、高能量利用效率、小型化的制备“蓝氢”。

Description

一种碳氢燃料电解重整制氢设备

技术领域

本实用新型涉及电解制氢装备技术领域，尤其涉及一种碳氢燃料电解重整制氢设备。

背景技术

基于全球零碳的愿景以及清洁能源加速转型的现状，氢能将在全球能源结构中占据重要地位。氢能是高效环保的二次能源，能量密度与相对安全性高于其他燃料。氢气的制备、储运与加注氢作为氢能产业链发展的上游对于氢能的普及起到了至关重要的作用。目前，我国的氢气来源主要是煤等化石燃料制备的“灰氢”，其制备成本虽然低，但是会伴随着大量的碳排放。以可持续电力制备的“绿氢”被公认为是实现未来氢能普及的终极核心之一。然而，目前高昂的制备、运输、加注氢成本决定了其在氢能市场中尚不具备竞争力，仍需多年的发展。因此，在“灰氢”的基础上结合碳捕集技术所得的“蓝氢”能够兼具能源与环保目标，是“绿氢”尚未大规模普及前的一种有效过渡方案。

价格高昂的氢气储运、加氢部分是导致氢气产业链上游成本居高不下的关键因素之一。我国目前通用的长管拖车(20MPa)的氢储运输方式仅能适用短距离(<200km)的运输，在长距离的运输中不具备可行性。有鉴于此，开发便于运输的高储氢密度的(液态)化学储氢方式被视为是一种降低用氢成本的重要解决方案。这其中，甲醇、甲烷、乙醇等碳氢燃料均具有高含氢量(分别为12.5wt％,25.0wt％,13.0wt％)，易于储运，来源广泛且价格低廉等优势，结合碳捕集技术来制备“蓝氢”具有重要的应用前景。

化学储氢介质分解制氢用于分布式制氢装备或者发电装备是目前氢能产业中的重要产品形式。目前，工业生产过程的重整过程往往需要较高的重整温度(甲醇:约300℃，甲烷，乙醇：800℃)，这增加了能耗与成本，扩大了氢能制备过程中的不安全因素，不利于便携式/分布式制氢装备。此外，在通用的热催化方式产生的燃料重整气中除了氢气外，往往还有高浓度的二氧化碳、一氧化碳等碳产物。复杂的纯化设备对于下游以燃料电池为主的用氢单元往往是不可避免的，这也增加了额外的成本，给小型化带来困难，降低了产品的便携性。因此，如何找到一种低温的、简便的碳氢燃料电解重整制氢设备已经成为本领域技术人员致力于研究的方向。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型公开了一种碳氢燃料电解重整制氢设备，以解决现有技术中的基于热催化方式的碳氢燃料重整制氢的过程，由于需要高温的反应环境，除了氢气外，往往还有高浓度的二氧化碳、一氧化碳等碳产物的问题。

本实用新型公开了一种碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，包括：原料供给装置、电解重整制氢装置、热管理装置、氢气加注装置和碳捕集装置；

所述热管理装置包括换热器、催化燃烧器、预热器和气液分离器，所述换热器分别与所述催化燃烧器、所述气液分离器和所述预热器热连接；

所述原料供给装置通过所述预热器与所述质子交换膜电解池相连接以将碳氢燃料与水输送至所述电解重整制氢装置；

所述电解重整制氢装置包括质子交换膜电解池，所述质子交换膜电解池与所述换热器之间热连接，且所述质子交换膜电解池包括阳极区、阴极区和位于所述阳极区和阴极区之间的质子交换膜，所述阳极区内设置有阳极气体扩散电极，所述阴极区内设置有阴极气体扩散电极；且所述阴极区与所述氢气加注装置相连接，所述阳极区与所述碳捕集装置相连接。

在其中的一些实施例中，所述原料供给装置包括水供给装置和燃料供给装置，且所述水供给装置和所述燃料供给装置均通过所述预热器与所述质子交换膜电解池相连通，以向所述阴极区输送碳氢燃料以及水或水汽的混合物，向所述阳极区输送水或水汽；且所述燃料供给装置还与所述催化燃烧器相连接以向所述催化燃料器输送碳氢燃料。

在其中的一些实施例中，所述燃料供给装置和所述水供给装置均包括储液罐，输液泵和汽化器，且所述储液罐通过所述输液泵与汽化器相连接，所述汽化器与所述质子交换膜电解池相连接。

在其中的一些实施例中，所述氢气加注装置包括第一纯化器、第一压缩机和所述氢气加注机；

所述阴极区依次通过所述气液分离器、所述第一纯化器、所述第一压缩机与所述氢气加注机相连接。

在其中的一些实施例中，所述第一压缩机的输出端还与一氢储存单元相连接。

在其中的一些实施例中，所述气液分离器的输出端还与所述原料供给装置相连接。

在其中的一些实施例中，所述碳捕集装置包括第二纯化器、第二压缩机和碳储存单元；

所述阳极区依次通过所述气液分离器、所述第二纯化器和第二压缩机与所述碳储存单元相连接。

在其中的一些实施例中，所述第二纯化器的输出端还与所述催化燃烧器相连接。

在其中的一些实施例中，所述碳氢燃料包括甲醇，甲烷，乙醇中的一种或多种。

与现有技术相比，上述实用新型至少具有如下优点或者有益效果之一：

本实用新型公开了一种碳氢燃料电解重整制氢设备，通过原料供给装置能够将碳氢燃料以及重整反应所需要的水/水汽注入电解重整制氢装置，电解重整制氢装置在电场的驱动下，电解池的阳极气体扩散电极会发生碳氢燃料的电催化氧化重整过程生成碳产物，质子通过交换膜传递到阴极气体扩散电极发生质子还原过程生成氢气。热管理装置则可以综合利用碳氢燃料催化燃烧放热，以及体系余热回收来为质子交换膜电解池以及预热器等单元供热，维持整个设备热平衡。阴极区生成的氢气经干燥、压缩后，可用于对外部用氢单元的氢气加注，而阳极区的碳产物则会经过碳捕集设备压缩捕集。未反应的反应原料经过分离、纯化也会再次被循环并入入口原料或者通过催化燃烧的过程实现余热回收。本实用新型中的电解重整制氢设备能够高通用性地适应不同的碳氢燃料重整制氢，产物易于分离，从而实现了低成本、简单、高能量利用效率、小型化的制备“蓝氢”，并且由于整体设备接近无废气排放而具备重要的环保优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为本实用新型实施例中碳氢燃料电解重整制氢设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的说明，但是不作为本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型公开了一种碳氢燃料电解重整制氢设备，该碳氢燃料包括甲醇，甲烷，乙醇等中的一种或多种，即该碳氢燃料包括单不限于甲醇，甲烷，乙醇。具体的：该碳氢燃料电解重整制氢设备包括原料供给装置、电解重整制氢装置、热管理装置、氢气加注装置和碳捕集装置；该热管理装置包括换热器4、催化燃烧器5、预热器6和气液分离器7，该换热器4分别与催化燃烧器5、气液分离器7和预热器6热连接(该热连接可以为通过热交换的方式连接)以为换热器4和预热器6提供热量，该热管理装置能够实现整个设备的热量管理与控制；该原料供给装置通过预热器6与质子交换膜电解池3以将碳氢燃料与水输送至电解重整制氢装置；该电解重整制氢装置包括质子交换膜电解池3(该质子交换膜电解池3为以质子交换膜为核心的碳氢燃料重整制氢电解池)，该质子交换膜电解池3与换热器4之间热连接以便能够保持较合适的工作温度，该质子交换膜电解池3包括阳极区、阴极区和位于阳极区和阴极区之间的质子交换膜，该阳极区内设置有阳极气体扩散电极，阴极区内设置有阴极气体扩散电极；且阴极区与氢气加注装置相连接，阳极区与所述碳捕集装置相连接；通过该电解重整制氢装置能够实现碳氢燃料的电催化重整制氢；且该阴极区与氢气加注装置相连接，该阳极区与碳捕集装置相连接。

图1中实线部分表示物料连接，虚线部分则表示热连接。

上述碳氢燃料电解重整制氢设备在制氢过程中，质子交换膜电解池3的阳极区发生碳氢燃料与水的电氧化重整半反应，阴极区发生水/质子电还原半反应。质子交换膜位于两者之间，并与两者紧密贴合，传导质子通过质子交换膜从阳极侧到阴极侧；其中，电解重整制氢装置的工作温度为60到200℃。

上述热管理装置中的换热器4能够起到平衡装置中各处热量、余热回收的作用，以导热油或者导热气为传热介质；催化燃烧器5中装有催化燃烧催化剂能够催化燃料氧化反应，50℃即可起活，200℃即可达到99％的燃料转化率；催化燃烧器5一方面能够催化氧化纯化器出口废气中的可燃成分，另一方面可以直接催化氧化原料燃料，能够高效为装置供热；且上述热管理装置智能可控，确保装置热平衡。

在本实用新型的一个具体的实施例中，上述原料供给装置包括水供给装置1和燃料供给装置2，且该水供给装置1和燃料供给装置2均通过预热器6与质子交换膜电解池3相连通，以向阴极区输送碳氢燃料以及水或水汽的混合物，向阳极区输送水或水汽。该燃料供给装置2和水供给装置1均包括储液罐，输液泵和汽化器，且储液罐通过输液泵与汽化器相连接，该汽化器与质子交换膜电解池3相连接。具体的，上述原料供给装置能够分别为电解池阴阳两侧反应区(即阳极区和阴极区)提供反应物料，流量智能可控，匹配氢气产量要求。向阴极区供给物料为水或水汽，向阳极区和供给物料为碳氢燃料以及水或水汽的混合物；另外该原料供给装置中的燃料供给装置2还与催化燃烧器5相连接，以根据整个设备中的热管理装置的反馈，输入碳氢燃料到催化燃烧器5，燃烧以给体系供热。在本实用新型的一个具体的实施例中，上述氢气加注装置能够实现对电解池出口气的纯化、储存以及对外接用氢单元的氢气加注，该氢气加注装置包括但不限于第一纯化器8、第一压缩机9和氢气加注机11；上述阴极区依次通过气液分离器7、第一纯化器8、第一压缩机9与氢气加注机11相连接，该氢气加注装置还包括氢储存单元10，该第一压缩机9的输出端还与一氢储存单元10相连接。在此，需要说明的是，从气液分离器7进入第一纯化器8的气体组分中包含但不限于氢气，水汽；第一纯化器8包括但不限于干燥器以及膜式氢气提纯器；氢气加注机11的输出氢气流量可定制达到300Nm³/h，输出压力可达30MPa，流量与压力向下可调，氢气纯度可达6N级别。

在本实用新型的一个具体的实施例中，上述碳捕集装置包括第二纯化器12、第二压缩机13和碳储存单元14；上述阳极区依次通过气液分离器7、第二纯化器12和第二压缩机13与碳储存单元14相连接。具体的，上述第二纯化器12的输出端还与催化燃烧器5相连接。在此，需要说明的是，从气液分离器7进入第二纯化器12的气体组分中包含但不限于未转化的碳氢燃料，一氧化碳，二氧化碳，水汽；第二纯化器12包括但不限于干燥器以及膜式气体分离器；第二纯化器12分离出的二氧化碳尾气，可用于催化燃烧器5尾气处理的同时，为装置供热；第二压缩机13收集燃料重整电解池阳极区和催化燃烧产生的二氧化碳产物，将其压缩，储存在碳储存单元14，从而使得整个设备几乎无废气排放。

在本实用新型的一个具体的实施例中，上述气液分离器7的输出端还与原料供给装置相连接以便将未反应的碳氢燃料与水经过气液分离器后，可循环进入原料供给装置，且上述气液分离器7与换热器4之间热连接可以将气液分离器7产生的热量输送至换热器4。

下面以碳氢燃料分别为甲醇，甲烷，乙醇为例来对本实用新型的碳氢燃料电解重整制氢设备的应用进行具体的说明：

一、以碳氢燃料为甲醇为例来进行说明：

质子交换膜电解池的阳极工作模式：

CH₃OH+H₂O-6e^-→CO₂+6H⁺ (Eq-01)

CH₃OH-4e^-→CO+4H⁺ (Eq-02)

甲醇水溶液或者甲醇水蒸汽通入电解池的阳极区，在正电位作用下被氧化重整(Eq-01)，生成质子跨过质子交换膜，碳产物流出阳极区。此过程中可能伴随着产生CO的副反应(Eq-02)。未反应的甲醇与水经过气液分离器后，可循环进入原料供应装置，CO经过纯化器被分离后，可被催化燃烧给装置供热。

质子交换膜电解池的阴极工作模式：

2H⁺+2e^-→H₂ (Eq-03)

水或者水蒸气被通入电解池的阴极区，用于保持质子膜的湿润。跨膜的质子在负电位下被还原成氢气(Eq-03)。阴极区输出主要是氢气和水蒸气，后者可以通过气液分离器以及干燥器除去，剩下高纯氢气。

整个设备的运行温度在60到150℃，明显低于热催化甲醇蒸汽重整过程。本实用新型装置获得的氢气分离工序简易，氢气纯度高，碳产物易于捕集。整机的能量利用效率高，可以小型化，成本较低。

二、以碳氢燃料为甲烷为例来进行说明：

质子交换膜电解池的阳极工作模式：

CH₄+2H₂O-8e^-→CO₂+8H⁺ (Eq-04)

CH₄+H₂O-6e^-→CO+6H⁺ (Eq-05)

甲烷与水蒸汽通入电解池的阳极区，在正电位作用下被氧化重整(Eq-04)，生成质子跨过质子交换膜，碳产物流出阳极区。此过程中可能伴随着产生CO的副反应(Eq-05)。未反应的水经过气液分离器后，可循环返回原料供给装置。未反应的甲烷经过纯化器后，可循环进入原料供给装置，CO经过纯化器被分离后，可被催化燃烧给装置供热。

质子交换膜电解池的阴极工作模式：

2H⁺+2e^-→H₂ (Eq-06)

水蒸气被通入用于保持质子膜的湿润。跨膜的质子在负电位下被还原成氢气(Eq-06)。阴极区产物主要是氢气和水蒸气，后者可以通过气液分离器以及干燥器除去，剩下高纯氢气。

整个设备的运行温度在60到200℃，明显低于热催化甲烷蒸汽重整过程。本实用新型装置获得的氢气分离工序简易，氢气纯度高，碳产物易于捕集。整机的能量利用效率高，可以小型化，成本较低。

三、以碳氢燃料为乙醇为例来进行说明：

质子交换膜电解池的阳极工作模式：

CH₃CH₂OH+3H₂O-12e^-→2CO₂+12H⁺ (Eq-07)

CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-→2CO+8H⁺ (Eq-08)

乙醇水溶液或者乙醇水蒸汽通入电解池的阳极区，在正电位作用下被氧化重整，见(Eq-07)，生成质子跨过质子交换膜，碳产物流出阳极区。此过程中可能伴随着产生CO的副反应，见(Eq-08)。未反应的乙醇与水经过气液分离器后，可循环进入原料供应装置，CO经过纯化器被分离后，可被催化燃烧给装置供热。

质子交换膜电解池的工作模式：

2H⁺+2e^-→H₂ (Eq-09)

水或者水蒸气被通入电解池的阴极区，用于保持质子膜的湿润。跨膜的质子在负电位下被还原成氢气(Eq-09)。阴极区输出主要是氢气和水蒸气，后者可以通过气液分离器以及干燥器除去，剩下高纯氢气。

整个设备的运行温度在60到200℃，明显低于热催化乙醇蒸汽重整过程。本实用新型装置获得的氢气分离工序简易，氢气纯度高，碳产物易于捕集。整机的能量利用效率高，可以小型化，成本较低。

综上，本实用新型公开的碳氢燃料电解重整制氢设备，该制氢设备为碳氢燃料的低温电解重整制“蓝氢”设备，原料供给装置供给的反应物料分别流入以质子交换膜电解池的阴阳两极区，阳极区发生碳氢燃料与水的电氧化重整半反应，阴极区发生水/质子电还原半反应。质子交换膜传导质子从阳极侧到阴极侧。阴极区产物气液分离器以及纯化器后，可得到纯度为6N级别的氢气，经过压缩机压缩后，可达到30MPa，用于对外接用氢单元的加注。阳极区产物经过气液分离器以及纯化器的分离纯化后，未反应的底物可循环回到原料供给装置或用于热管理装置进行余热回收。整个设备中产生的纯净的二氧化碳产物，将会经过压缩机捕集于碳储存单元中。本实用新型中配置的热管理装置，基于可调变的碳氢燃料催化燃烧器以及换热器实现装置内的热平衡。本实用新型中的碳氢燃料电解重整制氢设备能够实现低温的碳氢燃料重整制氢，产物易于分离，降低了设备的成本和复杂性。此外，由于集成了碳捕集设备，本设备所产生的“蓝氢”具有重要的环保优势。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本实用新型的实质内容，在此不予赘述。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，包括：原料供给装置、电解重整制氢装置、热管理装置、氢气加注装置和碳捕集装置；

所述热管理装置包括换热器、催化燃烧器、预热器和气液分离器，所述换热器分别与所述催化燃烧器、所述气液分离器和所述预热器热连接；

所述原料供给装置通过所述预热器与所述电解重整制氢装置相连接以将碳氢燃料与水输送至所述电解重整制氢装置；

所述电解重整制氢装置包括质子交换膜电解池，所述质子交换膜电解池与所述换热器之间热连接，且所述质子交换膜电解池包括阳极区、阴极区和位于所述阳极区和阴极区之间的质子交换膜，所述阳极区内设置有阳极气体扩散电极，所述阴极区内设置有阴极气体扩散电极；且所述阴极区与所述氢气加注装置相连接，所述阳极区与所述碳捕集装置相连接。

2.如权利要求1所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述原料供给装置包括水供给装置和燃料供给装置，且所述水供给装置和所述燃料供给装置均通过所述预热器与所述质子交换膜电解池相连通，以向所述阴极区输送碳氢燃料以及水或水汽的混合物，向所述阳极区输送水或水汽；且所述燃料供给装置还与所述催化燃烧器相连接以向所述催化燃烧器输送碳氢燃料。

3.如权利要求2所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述燃料供给装置和所述水供给装置均包括储液罐，输液泵和汽化器，且所述储液罐通过所述输液泵与汽化器相连接，所述汽化器与所述质子交换膜电解池相连接。

4.如权利要求1所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述氢气加注装置包括第一纯化器、第一压缩机和氢气加注机；

所述阴极区依次通过所述气液分离器、所述第一纯化器、所述第一压缩机与所述氢气加注机相连接。

5.如权利要求4所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述第一压缩机的输出端还与一氢储存单元相连接。

6.如权利要求1所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述气液分离器的输出端还与所述原料供给装置相连接。

7.如权利要求1所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述碳捕集装置包括第二纯化器、第二压缩机和碳储存单元；

所述阳极区依次通过所述气液分离器、所述第二纯化器和第二压缩机与所述碳储存单元相连接。

8.如权利要求7所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述第二纯化器的输出端还与所述催化燃烧器相连接。

9.如权利要求1所述的碳氢燃料电解重整制氢设备，其特征在于，所述碳氢燃料包括甲醇，甲烷，乙醇中的一种或多种。