一種甲醇水制氫機及其制氫方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種甲醇水制氫機及其制氫方法，其中，甲醇水制氫機包括甲醇水儲存容器、輸送泵、換熱器、重整器、分離裝置及燃料電池；輸送泵用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；換熱器用于低溫的甲醇和水與重整室輸出的高溫混合氣體進行換熱；重整器設(shè)有重整室及電加熱器，電加熱器為重整室提供熱能，重整室制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體，經(jīng)換熱器后，進入分離裝置分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池，在燃料電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，為輸送泵及電加熱器供電。本發(fā)明的重整器無需設(shè)置燃燒室、進風(fēng)風(fēng)扇、進風(fēng)通道和煙窗，重整器內(nèi)的加熱溫度易控制、穩(wěn)定，重整器結(jié)構(gòu)較簡單、工作穩(wěn)定，檢修難度小。
【專利說明】一種甲醇水制氫機及其制氫方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氫氣制備設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種甲醇水制氫機及其制氫方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫，是一種21世紀(jì)最理想的能源之一，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境；而煤和石油燃燒生成的主要是0)2和SO2，可分別產(chǎn)生溫室效應(yīng)和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產(chǎn)物也是水，可源源不斷地產(chǎn)生氫氣，永遠不會用完。氫的分布很廣泛，水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法制取氫，那么氫也將是一種價格相當(dāng)便宜的能源。
[0003]目前，世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，制氫方法主要有兩種:其一、絕大部分氫是從石油、煤炭和天然氣中制取，這種方法需要消耗本來就很緊缺的礦物燃料；其二、約有4%的氫是用電解水的方法制取，這種方法消耗電能大，很不劃算。隨著技術(shù)的進步，采用甲醇和水重整制氫的技術(shù)漸漸得到發(fā)展，其能減少化工生產(chǎn)中的能耗和降低成本，并有望替代電能消耗特別大的電解水制氫工藝。利用先進的甲醇水蒸氣重整技術(shù)制取H2與CO2的混合氣體，再經(jīng)鈀膜分離器分離，可分別得到H2和C02。
[0004]參照中國發(fā)明申請201310340475.0 ( 申請人::上海合既得動氫機器有限公司)，該專利公開了一甲醇水制氫系統(tǒng)，甲醇與水蒸氣重整器的重整室內(nèi)，在350-409°C溫度下1-5MPa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應(yīng)和一氧化碳的變換反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應(yīng)的氣固催化反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)方程如下:
(I)CH3OH — C0+2H2 ； (2) H20+C0 — C02+H2 ； (3) CH30H+H20 — C02+3H2,重整反應(yīng)生成的 H2 和 CO2,再經(jīng)過分離室的鈀膜分離器將H2和CO2分離，得到高純氫氣。在重整器內(nèi)，還設(shè)置有氣化室及燃燒室，氣化室用于將甲醇與水進入重整器前氣化成蒸氣，而燃燒室用于通過H2燃燒放熱，為重整室提供350-409°C的重整反應(yīng)溫度，以及為氣化室提供熱量。
[0005]然而，上述甲醇水制氫系統(tǒng)還存在以下缺失:其一、由于重整器需要設(shè)置燃燒室，因此，重整器還需要設(shè)置用于扇入空氣中氧氣的進風(fēng)風(fēng)扇和進風(fēng)通道，以及用于排出燃燒后產(chǎn)生的廢氣的煙窗，高溫廢氣從煙窗排出，不僅浪費熱能，而且容易影響制氫系統(tǒng)各部分設(shè)備運轉(zhuǎn)；其二、燃燒室內(nèi)，氫氣燃燒溫度往往會短時間內(nèi)飚升至1000°c以上，容易燒壞重整器，并且，氫氣燃燒放熱的方式難以控制，燃燒室的溫度穩(wěn)定性差(燃燒室的溫度通常要求405-570°C之間)；其三、重整器設(shè)置氣化室、燃燒室等腔室、進風(fēng)風(fēng)扇、進風(fēng)通道、及煙窗等部件，增大了重整器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和檢修難度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種甲醇水制氫機，該制氫機的重整器無需設(shè)置燃燒室、進風(fēng)風(fēng)扇、進風(fēng)通道和煙窗，重整器內(nèi)的加熱溫度容易控制、穩(wěn)定，重整器結(jié)構(gòu)較為簡單、工作穩(wěn)定，檢修難度較?。粸榇吮景l(fā)明還要提供一種該甲醇水制氫機的制氫方法。
[0007]為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種甲醇水制氫機，包括甲醇水儲存容器、輸送泵、換熱器、重整器、分離裝置及燃料電池，其中:
甲醇水儲存容器，其內(nèi)儲存有液態(tài)的甲醇和水；
輸送泵，用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；
換熱器，安裝于輸送泵與重整器之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水在換熱器中，與重整室輸出的高溫混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化；
重整器，設(shè)有重整室及電加熱器，電加熱器為重整室提供熱能，重整室內(nèi)設(shè)有催化劑，甲醇和水在重整室內(nèi)發(fā)生甲醇和水的重整制氫反應(yīng)，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體，該高溫混合氣體經(jīng)換熱器后，進入分離裝置，該高溫混合氣體在換熱器中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低；
分離裝置，用于分離以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，混合氣體經(jīng)分離裝置后，分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池；
燃料電池，氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
[0008]作為對本發(fā)明的進一步闡述:
所述換熱器與重整器之間還設(shè)有補償汽化裝置，該補償汽化裝置設(shè)有電加熱器，所述甲醇和水經(jīng)補償汽化裝置后可進一步汽化；所述燃料電池產(chǎn)生的電能還為補償汽化裝置的電加熱器供電。
[0009]所述分離裝置與燃料電池之間還設(shè)有氣體分流器，該氣體分流器可將從分離裝置輸出的氫氣分流出一部分給燃料電池。
[0010]所述重整器的電加熱器包括電阻發(fā)熱體及金屬鑄件導(dǎo)熱體，該金屬鑄件導(dǎo)熱體包覆于重整室外。
[0011]所述分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質(zhì)量百分比鈀占75%-78%，銀占22%-25%。
[0012]所述重整器設(shè)置有電池啟動裝置，該電池啟動裝置可在重理器啟動過程中，為輸送泵及重整器的電加熱器供電；所述重整器或設(shè)置有燃燒式啟動裝置，該燃燒式啟動裝置可在重理器啟動過程中，通過燃燒甲醇為重整室加熱。
[0013]所述甲醇水制氫機還設(shè)有貯氫瓶，該貯氫瓶可在重理器啟動過程中，為燃料電池輸入氫氣，使燃料電池工作，產(chǎn)生電能，為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
[0014]為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:上述甲醇水制氫機的制氫方法，包括以下步驟:
a.控制裝置控制輸送泵將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；
b.低溫的甲醇和水在換熱器中，與重整室輸出的高溫混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化；
c.汽化的甲醇和水進入重整室內(nèi)，在350-409°C溫度及催化劑作用下，發(fā)生甲醇和水的重整制氫反應(yīng)，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體； d.該高溫混合氣體經(jīng)換熱器后，進入分離裝置，該高溫混合氣體在換熱器中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低；
e.混合氣體經(jīng)分離裝置分離后，分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池；
f.氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
[0015]所述步驟b與步驟c之間還包括汽化補償步驟，甲醇和水經(jīng)換熱器后，未完全汽化的甲醇和水在汽化補償裝置中進一步汽化汽化。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:其一、由于本發(fā)明的重整器設(shè)置有為重整室加熱的電加熱器，因此重整器無需設(shè)置燃燒室、進風(fēng)風(fēng)扇、進風(fēng)通道和煙窗，整體上為一封閉的重整器，不會排放高溫廢氣，避免了熱能浪費，避免了因高溫廢氣影響制氫系統(tǒng)各部分設(shè)備運轉(zhuǎn)，避免了因燃燒對重整器的破壞問題；其二、本發(fā)明電加熱器及輸送泵的電能由燃料電池提供，而燃料電池所需要的氫氣又來自于本發(fā)明制得的氫氣，因此，本發(fā)明無需外接市電，即可實現(xiàn)電加熱器及輸送泵的工作，因而使本發(fā)明適應(yīng)性極強，不受地域條件和市電的限制；其三、電加熱器的加熱溫度容易控制，本發(fā)明能穩(wěn)定地令重整室保持350-409°C的重整反應(yīng)溫度；其四、重整器無需設(shè)置氣化室、燃燒室等腔室、進風(fēng)風(fēng)扇、進風(fēng)通道、及煙窗等部件，極大降低了重整器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和檢修難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)方框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的整體結(jié)構(gòu)方框圖。
[0019]圖中:1.甲醇水儲存容器；2.輸送泵；3.換熱器；4.重整器；41.重整室；42.電加熱器；5.分離裝置；6.燃料電池；7.補償汽化裝置；71.電加熱器；8.氣體分流器；9.貯氫瓶。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進一步詳細說明。
[0021]如圖1所示，一種甲醇水制氫機，包括甲醇水儲存容器1、輸送泵2、換熱器3、重整器4、分離裝置5及燃料電池6，其中:
甲醇水儲存容器1，其內(nèi)儲存有液態(tài)的甲醇和水；
輸送泵2，用于將甲醇水儲存容器I中的甲醇和水輸送至重整器4的重整室41 ；換熱器3，安裝于輸送泵2與重整器4之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水在換熱器3中，與重整室4輸出的高溫混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化；
重整器4，設(shè)有重整室41及電加熱器42，電加熱器42為重整室41提供350-409°C溫度的熱能，重整室41內(nèi)設(shè)有催化劑，甲醇和水蒸氣在重整室41內(nèi)，1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應(yīng)和一氧化碳的變換反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應(yīng)的氣固催化反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)方程為:(1)CH30H—C0+2H2、(2)H20+C0 — C02+H2、⑶CH30H+H20 — C02+3H2，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體，該高溫混合氣體經(jīng)換熱器3后，進入分離裝置5，該高溫混合氣體在換熱器3中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低； 分離裝置5，用于分離以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，混合氣體經(jīng)分離裝置5后，分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池6，這部分氫氣量為總氫氣量的一小部分，例如10% ；所述分離裝置5為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質(zhì)量百分比鈀占75%-78%，銀占22%-25% ;膜分離裝置的內(nèi)外壓強之差大于或等于
1.1MPa ；
燃料電池6，氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池6內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在燃料電池的陽極:2? — 4H++4e_，H2分裂成兩個質(zhì)子和兩個電子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜(PEM)，電子通過陽極板,通過外部負載,并進入陰極雙極板；在燃料電池的陰極:02+4e_+4H+—2H20，質(zhì)子、電子和O2重新結(jié)合以形成H2O ;燃料電池產(chǎn)生的電能，為輸送泵2及重整器4的電加熱器42供電。
[0022]如圖2所示，作為對本發(fā)明的進一步優(yōu)選方式，所述換熱器3與重整器4之間還設(shè)有補償汽化裝置7，該補償汽化裝置7設(shè)有電加熱器71，所述甲醇和水經(jīng)補償汽化裝置7中的補償汽化管道后可進一步汽化；所述燃料電池6產(chǎn)生的電能還為補償汽化裝置7的電加熱器71供電。
[0023]如圖2所示，所述分離裝置5與燃料電池6之間還設(shè)有氣體分流器8，該氣體分流器8可將從分離裝置5輸出的氫氣分流出一部分(例如10%的氫氣)給燃料電池6，剩下的大部分氫氣(例如90%)收集起來，或輸出至其它氫氣使用設(shè)備。
[0024]在上述技術(shù)方案中，所述重整器4的電加熱器42包括電阻發(fā)熱體及金屬鑄件導(dǎo)熱體，該金屬鑄件導(dǎo)熱體包覆于重整室41夕卜。
[0025]在上述技術(shù)方案中，甲醇水制氫機需要設(shè)置重整器的啟動裝置，該啟動裝置有三種方案:其一、重整器4設(shè)置電池啟動裝置，該電池啟動裝置可在重理器啟動過程中，為輸送泵及重整器的電加熱器供電；其二、重整器4或設(shè)置有燃燒式啟動裝置，該燃燒式啟動裝置可在重理器啟動過程中，通過燃燒甲醇為重整室加熱；其三、甲醇水制氫機還設(shè)有貯氫瓶9,該忙氫瓶9可在重理器4啟動過程中，為燃料電池6輸入氫氣,使燃料電池6工作,產(chǎn)生電能，為輸送泵2及重整器4的電加熱器42供電。
[0026]上述甲醇水制氫機的制氫方法，包括以下步驟:
a.控制裝置控制輸送泵將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室；
b.低溫的甲醇和水(例如10-20°C)在換熱器中，與重整室輸出的高溫混合氣體(例如350-409°C)進行換熱，甲醇和水溫度升高(例如150-300°C)、汽化；
c.汽化的甲醇和水進入重整室內(nèi)，在350-409°C溫度及催化劑作用下，發(fā)生甲醇和水的重整制氫反應(yīng)，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體；
d.該高溫混合氣體經(jīng)換熱器后，進入分離裝置，該高溫混合氣體在換熱器中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低(例如降低至35-40°C)；
e.混合氣體經(jīng)分離裝置分離后，分離出氫氣，一部分氫氣(例如10%的氫氣)進入燃料電池；
f.氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
[0027]所述步驟b與步驟c之間還包括汽化補償步驟，甲醇和水經(jīng)換熱器后，未完全汽化的甲醇和水在汽化補償裝置中進一步汽化汽化。
[0028]以上所述，僅是本發(fā)明較佳實施方式，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種甲醇水制氫機，其特征在于:包括甲醇水儲存容器、輸送泵、換熱器、重整器、分離裝置及燃料電池，其中: 甲醇水儲存容器，其內(nèi)儲存有液態(tài)的甲醇和水； 輸送泵，用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室； 換熱器，安裝于輸送泵與重整器之間的輸送管道上，低溫的甲醇和水在換熱器中，與重整室輸出的高溫混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化； 重整器，設(shè)有重整室及電加熱器，電加熱器為重整室提供熱能，重整室內(nèi)設(shè)有催化劑，甲醇和水在重整室內(nèi)發(fā)生甲醇和水的重整制氫反應(yīng)，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體，該高溫混合氣體經(jīng)換熱器后，進入分離裝置，該高溫混合氣體在換熱器中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低； 分離裝置，用于分離以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，混合氣體經(jīng)分離裝置后，分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池； 燃料電池，氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述換熱器與重整器之間還設(shè)有補償汽化裝置，該補償汽化裝置設(shè)有電加熱器，所述甲醇和水經(jīng)補償汽化裝置后可進一步汽化；所述燃料電池產(chǎn)生的電能還為補償汽化裝置的電加熱器供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述分離裝置與燃料電池之間還設(shè)有氣體分流器，該氣體分流器可將從分離裝置輸出的氫氣分流出一部分給燃料電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述重整器的電加熱器包括電阻發(fā)熱體及金屬鑄件導(dǎo)熱體，該金屬鑄件導(dǎo)熱體包覆于重整室外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質(zhì)量百分比鈀占75%-78%，銀占 22%-25%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述重整器設(shè)置有電池啟動裝置，該電池啟動裝置可在重理器啟動過程中，為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述重整器或設(shè)置有燃燒式啟動裝置，該燃燒式啟動裝置可在重理器啟動過程中，通過燃燒甲醇為重整室加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲醇水制氫機，其特征在于:所述甲醇水制氫機還設(shè)有貯氫瓶，該貯氫瓶可在重理器啟動過程中，為燃料電池輸入氫氣，使燃料電池工作，產(chǎn)生電能，為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
9.權(quán)利要求1-8中任意一項所述甲醇水制氫機的制氫方法，其特征在于，包括以下步驟: a.控制裝置控制輸送泵將甲醇水儲存容器中的甲醇和水輸送至重整器的重整室； b.低溫的甲醇和水在換熱器中，與重整室輸出的高溫混合氣體進行換熱，甲醇和水溫度升高、汽化； c.汽化的甲醇和水進入重整室內(nèi)，在350-409°C溫度及催化劑作用下，發(fā)生甲醇和水的重整制氫反應(yīng)，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體； d.該高溫混合氣體經(jīng)換熱器后，進入分離裝置，該高溫混合氣體在換熱器中，與低溫的甲醇和水進行換熱，混合氣體溫度降低； e.混合氣體經(jīng)分離裝置分離后，分離出氫氣，一部分氫氣進入燃料電池； f.氫氣及空氣中的氧氣在燃料電池內(nèi)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能為輸送泵及重整器的電加熱器供電。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制氫方法，其特征在于:所述步驟b與步驟c之間還包括汽化補償步驟，甲醇和水經(jīng)換熱器后，未完全汽化的甲醇和水在汽化補償裝置中進一步汽化。
【文檔編號】H01M4/88GK104362355SQ201410622141
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】向華 申請人:廣東合即得能源科技有限公司