一种封闭式燃料电池氢源系统技术方案

一种封闭式燃料电池氢源系统，包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置、导热油储备系统和甲醇制氢装置系统；其中：甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和CO选择性氧化反应器的总体模块化；所述的甲醇供应装置、液氧装置和甲醇制氢装置的入口连通；导热油储备系统和甲醇制氢装置的入口和出口连通；二氧化碳储备装置、液态水储备装置分别和甲醇制氢的入口和出口连通。本发明专利技术的优点：实现整体系统的封闭运行。节省甲醇燃料的消耗，进一步提高了整套系统的能量利用，重整制氢系统的结构紧凑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及封闭式碳氢化合物燃料重整制氢领域，特别涉及了一种封闭式燃料电池氢源系统。
技术介绍
氢在地球上的储量非常丰富，燃烧热值高，且燃烧后不产生任何污染，故被看作21世纪理想的洁净新能源。将氢能转化为电能是氢能技术应用最重要的方面，而以氢为燃料的燃料电池更是符合时代的发展。燃料电池是一种利用氧化还原反应将物质中的化学能直接转化为电能的装置，其能量转化效率可达50-60％。燃料电池的这种高能量转换效率以及低温快速启动、低热辐射、低排放、运行噪声低、适应不同功率要求的优势，使其在市场应用方面具有很好的前景。在众多的燃料电池种类中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于近零排放、启动方便、比功率大、操作温度低(50-80℃)、无电解质流失、水易排除、使用寿命长等特点，显示了强大的应用前景。PEMFC不仅可以应用在空间和军事上，还可以作为新型的便携式动力电源应用于汽车等交通工具上。然而，PEMFC的燃料是氢气，由于气态供氢系统太庞大而且液态氢又会损耗大量的能量，都不适合于车载系统。而且，氢气是一种易燃易爆的气体，泄露时不容易察觉，因此，PEMFC大规模的使用，必须解决氢气的储存、运输和安全问题。克服上述问题的一个解决方法是在燃料电池使用的现场，利用燃料制氢系统，从甲醇、天然气、液化气、汽油、柴油等碳氢化合物中快速制备出燃料电池需要的合格富氢混合气体。上述燃料制氢和燃料电池的组合系统被认为是燃料电池商业化应用最为有效的方式。这类燃料制氢系统一般要经过多个转化过程，才能得到燃料电池需要的富氢混合气体。与其他的碳氢化合物相比，甲醇制氢具有明显的优势：甲醇常温下为液态，输运方便、来源广泛，除了可用石油、天然气和煤炭等化石燃料外，还可以由可再生生物质甚至城市垃圾制备；此外，甲醇制氢反应条件温和，重整转化率高、不易积碳、具有很高的H/C比，产物中氢气含量高，CO含量低等。因此，甲醇被认为是燃料电池供氢的理想原料。甲醇重整制氢反应中，主要有甲醇水蒸汽重整制氢(MSR)，甲醇部分氧化催化重整制氢(POR)和甲醇自然催化重整制氢(ATR)三种方法，其中甲醇水蒸汽重整的化学反应方程式如下：CH3OH+H2O→CO2+3H2ΔH298＝49.5kJ/mol从原子经济角度来看，甲醇水蒸汽催化重整制氢是甲醇重整体系中制氢含量最高的反应，等摩尔的甲醇和水在催化剂的作用下，生成一摩尔的二氧化碳和三摩尔的氢气。甲醇水蒸汽重整制氢体系的主要优点在于反应条件温和，产物中氢含量高，副产物CO浓度较低。这对于为PEMFC提供可靠的氢源极其重要。因为富氢重整气中的CO是PEMFC电极Pt催化剂的毒物，少量的CO即可引起催化剂中毒从而降低电催化剂的活性，导致电池性能的下降。因此一般情况下，提供给PEMFC的富氢重整气燃料需要将其中的CO含量降至10ppm以下。CN101121502A公开了一种甲醇制氢系统以及包括该系统的燃料电池，其系统中包括甲醇水蒸汽重整制氢系统和CO选择性氧化反应器，系统可以得到富氢气体CO浓度为50ppm以下的氢气。然而该系统通过利用燃料电池的废气用于甲醇水的气化过程，而甲醇水蒸汽重整反应的热量是采用外来的甲醇和氧化性气体进行燃烧反应来进行外部供热，这样会造成整个系统甲醇需求量的增加和消耗，而且返回气化室的氢气浓度比较高，为了控制气化室的温度，势必需要大量的惰性气体来降低燃烧的绝热温度，从而增加了系统的能量消耗。CN104118848A公开了一种甲醇水蒸汽重整制氢反应装置，其主要的设备是反应器本体，圆形截面反应器包括蒸发和重整，并且蒸发板上设有0.3-1mm的条状通道进行蒸发，通过这些通道的设置使气流的分布均匀，然而上述过程的蒸发热量以及重整热量的来源，专利中并没有过多的描述，而且经过重整的气体并没有进一步降低气体中的CO含量的单元，无法满足燃料电池PEMFC的需要。CN2668600Y公开了一种板翅式甲醇蒸汽重整制氢系统，其主要包括两个板翅式换热器和一个板翅式重整器，板翅式换热器的主要作用是蒸发甲醇水和预热甲醇水的混合气体，而重整、预热所需要的热量主要是来自于外部的传热介质，传热介质的热量由电加热供给，该系统的板翅式结构可以大大提高系统的传热效率。然而上述系统是只是利用简单的CO水汽变换来消除混合气体中的CO，由于热力学的限制，其制氢系统产生的混合气体中CO含量不可能低于50ppm，因而很难应用于PEMFC电池系统中，而且系统所需要的热量全部由外部的供给，进一步增加了系统的能量消耗。CN102616740A公开了一种甲醇水蒸汽重整制氢设备以及利用该设备制氢的方法，其主要的方法是甲醇水混合通过换热器、气化室然后进入到重整室，然后通过预热控温机构到达装有膜分离器的分离室，膜分离器的产气端可以得到氢气，重整室的热量来源主要是氢气和余气的高温热量。上述过程经过通过膜分离器可以得到纯净的氢气，然而上述系统的甲醇水原料的蒸发和气化需要外部的热量来完成，增加了系统能量的消耗；而且专利中重整的热量主要是依靠氢气和余气的热容完成，由于余气和氢气的比热比较小，而重整需要的热量比较大，势必增加了重整器的设计难度。由上述专利可以看出，甲醇水蒸汽重整制氢系统的主体是甲醇重整反应器。由于该过程是强吸热反应，因此如何获得甲醇水蒸汽重整反应所需的能量，保持整个重整催化剂床层温度的均匀分布使得催化剂发挥最大的效用是各类重整反应器设计的重点和难点。此外，值得指出的是，上述专利中公开的都是敞开体系下的重整制氢系统，对整个系统尾气排放的要求不高。针对特殊的应用场合，如空间站、飞船以及某些不允许排放的封闭环境，出于安全性的考虑，将对可燃性物质如甲醇、H2、CO等实行零排放，这就对整个重整氢气燃料电池系统的能流物流设计提出了更高的要求，系统中的可燃性气体将全部被利用或消耗，也使得全系统具有更高的能量效率。本专利技术即提出一种封闭式的甲醇水蒸汽重整制氢燃料电池氢源系统及装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述制氢系统的能量利用率低或重整产品气中CO的含量不满足PEMFC燃料电池系统要求、制氢系统集成度差、排放要求等级低等不足，而且考虑到燃料电池系统的应用场合的广泛性，本专利技术提出了一种针对PEMFC燃料电池的封闭式制氢系统，本专利技术提供的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统不仅可以制得CO浓度低于10ppm的富氢重整气，实现制氢系统和燃料电池的封闭运行；而且通过有效利用燃料电池的阳极尾气，提高了整套系统的能量利用效率；通过燃烧、重整、CO选择性氧化模块化的设计以及导热油系统，进一步优化了重整、选择性氧化反应的床层温度分布，实现了重整制氢系统的高效、紧凑。本专利技术提供了一种封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的封闭式燃料电池氢源系统包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置、导热油储备系统和甲醇制氢装置系统；其中：甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和CO选择性氧化反应器的总体模块化；所述的甲醇供应装置、液氧装置和甲醇制氢装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的封闭式燃料电池氢源系统包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置、导热油储备系统和甲醇制氢装置系统；其中：甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和CO选择性氧化反应器的总体模块化；所述的甲醇供应装置、液氧装置和甲醇制氢装置的入口连通；导热油储备系统和甲醇制氢装置的入口和出口连通；二氧化碳储备装置、液态水储备装置分别和甲醇制氢的入口和出口连通。

【技术特征摘要】
1.一种封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的封闭式燃料电池氢源系统包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置、导热油储备系统和甲醇制氢装置系统；
其中：甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和CO选择性氧化反应器的总体模块化；
所述的甲醇供应装置、液氧装置和甲醇制氢装置的入口连通；导热油储备系统和甲醇制氢装置的入口和出口连通；二氧化碳储备装置、液态水储备装置分别和甲醇制氢的入口和出口连通。
2.按照权利要求1所述的封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的其他辅助系统包括导热油循环泵、导热油冷却器、压缩机、净化器和氢气混合气体缓冲罐；
导热油由导热油循环泵从导热油储备罐进入到CO选择性氧化反应器、与进入到燃烧器的高温导热油混合之后经过重整器、蒸发器和冷却器返回到导热油储罐；净化器主要是和CO选择性氧化反应器的出口以及氢气混合气体缓冲罐相连。
3.按照权利要求1所述的封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的燃烧器为换热形式的模块化结构，导热油和气体部分分别由导热性的隔板隔开，其导热隔板的形式可以为板翅式结构、套筒翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式等一种或上述几种的组合体；模块化的燃烧器相互之间采用法兰连接。
4.按照权利要求3所述的封闭式燃料电池氢源系统，其特征在于：所述的模块化结构的燃烧器侧包含燃烧催化剂。
5.按照权利要求1所述的封...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏宏久，袁中山，王树东，倪长军，李德意，张骋，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21