【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及甲醇重整制氢和燃料电池，具体来说是集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置及使用方法。
技术介绍
1、甲醇作为液体储运载体，可有效解决氢气的储运问题，实现氢气的“即产即用”。随着甲醇重整制氢工艺和催化剂的不断改进，制氢成本在不断降低，甲醇重整制氢成为燃料电池在移动式应用中获得稳定氢源的主流方案。甲醇重整制氢的实际产物主要是约75％的h2、23-24％的co2和1-2％的co。co易占据催化剂表面的活性点位使得燃料电池的性能显著下降，co2则会稀释氢气浓度并发生逆水煤气变换反应，生成co，因此通过甲醇重整制得的富氢气体须经过净化装置去除co和co2，得到的高纯氢气才能直接用于质子交换膜燃料电池。但庞杂的制氢、换热、净化和燃料电池系统势必增加了系统的体积和质量，加剧了系统的能耗，降低了能量利用效率，不适用于现代轻量化的应用需求。
2、现有技术中公开了甲醇重整+co优先氧化+低温燃料电池，这一技术的特点是通过催化剂对甲醇重整产生混合气中的co进行选择性氧化(prox)，使之变为co2，从而以混合气的形式进入到低温堆的阳极，氢气参与反应发电，其他气体从阳极排出，目前已在乘用车及分布式电源领域应用，但是该方法降低了燃料的热值，且产生了非燃料气体co2。
3、专利cn202210706449.4公布了一种高度集成的热自持式甲醇重整燃料电池装置，其利用co优先氧化技术有效解决重整气中co深度去除、以及重整器与燃料电池的集成问题，实现甲醇催化燃烧-甲醇重整制氢-合成气去除co-pemfc发
技术实现思路
1、针对上述存在的技术不足，本专利技术提供了一种集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置及使用方法，本专利技术的装置高度集成了甲醇催化燃烧供热、甲醇水蒸汽重整制氢、co甲烷化去除、co2膜吸收、低温氢燃料电池发电的五条技术路径，通过若干片层式功能化反应腔体结构设计实现了多个装置的系统化集成，通过吸热反应和放热反应的耦合实现了双向余热回收利用，通过微通道结构设计和多孔结构催化剂载体提高了装置的传热性能，通过进出口和气路的设置增强了系统集成度，减轻了装置自重，提高了体积功率密度，解决了现有技术存在的缺陷。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，包括燃料电池堆15和若干片层式功能化反应腔体，燃料电池堆15用于高纯氢气与氧气发生电化学反应，将化学能转换为电能，完成发电；若干片层式功能化反应腔体共同用于进行甲醇催化燃烧供热、甲醇水蒸汽重整制氢、co甲烷化去除、co2膜吸收，若干片层式功能化反应腔体夹持于a端盖板1与b端盖板14之间，a端盖板1与b端盖板14保持片层式功能化反应腔体稳定，燃料电池堆15夹持于b端盖板14与c端盖板16之间，b端盖板14与c端盖板16保持燃料电池堆15稳定，a端盖板1、b端盖板14、c端盖板16层叠设置且可拆卸连接，a端盖板1、b端盖板14和c端盖板16上沿两长边对称地设有6个凸台，其上设有6个螺栓孔20，通过螺栓19将a端盖板1、b端盖板14和c端盖板16紧固连接，并紧固夹持位于盖板之间的若干片层式功能化反应腔体和燃料电池堆15；
4、若干片层式功能化反应腔体层叠设置，从a端盖板1到b端盖板14依次为重整预热+燃烧尾气换热腔2、换热隔板4、重整蒸发腔5、催化燃烧腔6、催化重整腔7、co甲烷化腔8、重整尾气+燃烧蒸发换热腔9、氢气收集腔10、co2吸收膜11、co2吸收腔12和燃烧混合腔13，重整预热+燃烧尾气换热腔2便于冷热流体换热、重整蒸发腔5用于吸收来自催化燃烧腔6内的反应热后进行甲醇和水的蒸发、催化燃烧腔6用于发生甲醇催化燃烧反应、催化重整腔7用于发生甲醇水蒸气重整反应、co甲烷化腔8用于进行co甲烷化反应和co2还原反应、重整尾气+燃烧蒸发换热腔9便于冷热流体换热、氢气收集腔10用于实现氢气收集的同时，与重整尾气+燃烧蒸发换热腔9的下腔体隔绝；co2吸收膜11用于除去剩余co2；co2吸收腔12向co2吸收膜11提供co2吸收剂、燃烧混合腔13实现氧气与甲醇燃料的混合。
5、优选的，燃料电池堆15为现有技术，其由电池单元和对称设置的绝缘板38组成，电池单元夹持于两个绝缘板38之间；电池单元由反应堆、阴极集流板36和阳极集流板34组成，反应堆夹持于阴极集流板36与阳极集流板34之间；反应堆为由若干双极板35与若干膜电极组件37交替叠加而成。
6、优选的，a端盖板1的上表面设有重整反应物入口17和催化燃烧尾气出口18，甲醇与水的混合物从重整反应物入口17进入至所述重整预热+燃烧尾气换热腔2的上腔体内，催化燃烧尾气出口18用于排出甲醇催化燃烧产生的co2和h2o；
7、b端盖板14上设有电池堆阳极氢气入口24、催化燃烧氧气流经口26和催化燃烧甲醇流经口25，高纯氢气经由电池堆阳极氢气入口24进入至燃料电池堆15内，催化燃烧氧气流经口26、催化燃烧甲醇流经口25分别用于流通氧气和甲醇；
8、b端盖板14侧壁上设有氧气入口27，经由氧气入口27通入氧气；
9、c端盖板16的下表面设有电池堆阴极氧气出口30、电池堆阳极氢气出口31、催化燃烧甲醇入口32、电池堆冷却水入口28和电池堆冷却水出口29，电池堆冷却水入口28和电池堆冷却水出口29用于对燃料电池堆15降温；
10、co2吸收腔12相对的两侧分别设有吸收剂入口22和吸收剂出口23，经由吸收剂入口22和吸收剂出口23流通的co2吸收剂使得co2吸收膜11得到充分浸渍。
11、优选的，重整蒸发腔5、催化燃烧腔6、催化重整腔7、co甲烷化腔8、co2吸收腔12和燃烧混合腔13均为顶部开设腔体的结构；
12、重整预热+燃烧尾气换热腔2和重整尾气+燃烧蒸发换热腔9均为顶部、底部双侧开设腔体的结构；即重整预热+燃烧尾气换热腔2的上腔体内进行重整气体预热，下腔体内燃烧尾气的高温余热对上腔体进行加热，重整尾气+燃烧蒸发换热腔9的上腔体内重整尾气的高温余热对下腔体内燃烧反应物进行加热，无需外部能耗；
13、氢气收集腔10为底部开设腔体的结构，实现氢气收集的同时，与重整尾气+燃烧蒸发换热腔9的下腔体隔绝。
14、优选的，催化燃烧腔6、催化重整腔7、co甲烷化腔8的腔体上分别负载有催化材料，腔体内壁上分别涂覆有催化剂颗粒或者分别装配了催化剂颗粒负载的耐腐蚀多孔材料，耐腐蚀多孔材料选自耐腐蚀金属纤维、泡沫金属、泡沫陶瓷或其他具有多孔结构的耐腐蚀材料，多孔结构增大催化剂负载量的同时可以增强换热，避免反应剧烈造成的腔体局部过热问题。
15、优选的，催化燃烧腔6上负载的催化剂用于催化甲醇催化燃烧反应；催化重整腔7上负载的催化剂用于催化甲醇水蒸气重整反应；co甲烷化腔8上负载的催化剂本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，包括燃料电池堆(15)，其特征在于，还包括若干片层式功能化反应腔体，若干所述片层式功能化反应腔体夹持于A端盖板(1)与B端盖板(14)之间，所述燃料电池堆(15)夹持于B端盖板(14)与C端盖板(16)之间，所述A端盖板(1)、所述B端盖板(14)、所述C端盖板(16)层叠设置且可拆卸紧固连接；
2.根据权利要求1所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述催化燃烧腔(6)上负载的催化材料用于催化甲醇燃烧反应；所述催化重整腔(7)上负载的催化材料用于催化甲醇水蒸气重整反应；所述CO甲烷化腔(8)上负载的催化材料用于催化CO甲烷化反应和CO2还原反应。
3.根据权利要求2所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述催化材料为催化剂颗粒或者负载有催化剂颗粒的耐腐蚀多孔材料。
4.根据权利要求3所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述A端盖板(1)的上表面设有重整反应
5.根据权利要求4所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述重整蒸发腔(5)、所述催化燃烧腔(6)、所述催化重整腔(7)、所述CO甲烷化腔(8)、所述CO2吸收腔(12)和所述燃烧混合腔(13)均为顶部开设腔体的结构；
6.根据权利要求5所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述重整预热+燃烧尾气换热腔(2)顶部开设的腔体、所述重整尾气+燃烧蒸发换热腔(9)底部开设的腔体和所述重整蒸发腔(5)内均设有微通道结构(3)。
7.根据权利要求6所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述CO2吸收膜(11)为由氧化铝、氧化钛或氧化锆经高温烧结而成的、具有多孔结构的精密陶瓷过滤材料。
8.根据权利要求7所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，若干所述片层式功能化反应腔体外缘均设有密封凹槽(21)，所述密封凹槽(21)与石墨密封圈配合完成片层间的密封；每个所述片层式功能化反应腔体的入口侧与出口侧均设有缓冲区(33)。
9.一种权利要求8所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置的使用方法，其特征在于，通过所述氧气入口(27)通入氧气，通过所述催化燃烧甲醇进管(32)通入甲醇，使甲醇催化燃烧气路先工作，并将甲醇催化燃烧反应的化学能转换为热能；待向所述催化重整腔(7)供给的热能达到催化甲醇水蒸气重整反应温度时，通过所述重整反应物入口(17)加入甲醇与水的混合物，集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置运行。
10.根据权利要求9所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，包括燃料电池堆(15)，其特征在于，还包括若干片层式功能化反应腔体，若干所述片层式功能化反应腔体夹持于a端盖板(1)与b端盖板(14)之间，所述燃料电池堆(15)夹持于b端盖板(14)与c端盖板(16)之间，所述a端盖板(1)、所述b端盖板(14)、所述c端盖板(16)层叠设置且可拆卸紧固连接；
2.根据权利要求1所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述催化燃烧腔(6)上负载的催化材料用于催化甲醇燃烧反应；所述催化重整腔(7)上负载的催化材料用于催化甲醇水蒸气重整反应；所述co甲烷化腔(8)上负载的催化材料用于催化co甲烷化反应和co2还原反应。
3.根据权利要求2所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述催化材料为催化剂颗粒或者负载有催化剂颗粒的耐腐蚀多孔材料。
4.根据权利要求3所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述a端盖板(1)的上表面设有重整反应物入口(17)和催化燃烧尾气出口(18)；
5.根据权利要求4所述的集甲醇重整制氢、氢气净化和燃料电池发电于一体的能量转换装置，其特征在于，所述重整蒸发腔(5)、所述催化燃烧腔(6)、所述催化重整腔(7)、所述co甲烷化腔(8)、所述co2吸收腔(12)和所述燃烧混合腔(13)均为顶部开设腔体的结构；
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【专利技术属性】
技术研发人员：李士玲，颜俏，卢广轩，袁亨通，王云，
申请(专利权)人：西部金属材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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