甲醇水蒸氣制氫發(fā)電系統(tǒng)及其燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氫氣發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氫氣發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種甲醇水蒸氣制氫發(fā)電系統(tǒng)；同時，本發(fā)明還涉及一種可用于甲醇水蒸氣制氫發(fā)電系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀最理想的能源。這是因為，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是二氧化碳和二氧化硫，可分別產(chǎn)生溫室效應和酸雨。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。
[0003]氫是一種無色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦爾的熱量，是汽油發(fā)熱量的3倍。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運送方便，是航天、航空等高速飛行交通工具最合適的燃料。氫在氧氣里能夠燃燒，氫氣火焰的溫度可高達2500°C，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。
[0004]在大自然中，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從水中制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。
[0005]氫的用途很廣，適用性強。它不僅能用作燃料，而且金屬氫化物具有化學能、熱能和機械能相互轉(zhuǎn)換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領(lǐng)，可將熱量儲存起來，作為房間內(nèi)取暖和空調(diào)使用。
[0006]氫作為氣體燃料，首先被應用在汽車上。1976年5月，美國研制出一種以氫作燃料的汽車；后來，日本也研制成功一種以液態(tài)氫為燃料的汽車；70年代末期，前聯(lián)邦德國的奔馳汽車公司已對氫氣進行了試驗，他們僅用了五千克氫，就使汽車行駛了 110公里。
[0007]用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發(fā)動，而且對發(fā)動機的腐蝕作用小，可延長發(fā)動機的使用壽命。由于氫氣與空氣能夠均勻混合，完全可省去一般汽車上所用的汽化器，從而可簡化現(xiàn)有汽車的構(gòu)造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4%的氫氣。用它作為汽車發(fā)動機燃料，就可節(jié)油40 %，而且無需對汽油發(fā)動機作多大的改進。
[0008]氫氣在一定壓力和溫度下很容易變成液體，因而將它用鐵罐車、公路拖車或者輪船運輸都很方便。液態(tài)的氫既可用作汽車、飛機的燃料，也可用作火箭、導彈的燃料。美國飛往月球的“阿波羅”號宇宙飛船和我國發(fā)射人造衛(wèi)星的長征運載火箭，都是用液態(tài)氫作燃料的。
[0009]另外，使用氫一氫燃料電池還可以把氫能直接轉(zhuǎn)化成電能，使氫能的利用更為方便。目前，這種燃料電池已在宇宙飛船和潛水艇上得到使用，效果不錯。當然，由于成本較高，一時還難以普遍使用。
[0010]現(xiàn)在世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，其中絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取的，這就得消耗本來就很緊缺的礦物燃料；另有4%的氫是用電解水的方法制取的，但消耗的電能太多，很不劃算，因此，人們正在積極探索研究制氫新方法。而用甲醇、水重整制氫可減少化工生產(chǎn)中的能耗和降低成本，有望替代被稱為“電老虎”的“電解水制氫”的工藝，利用先進的甲醇蒸氣重整——變壓吸附技術(shù)制取純氫和富含0)2的混合氣體，經(jīng)過進一步的后處理，可同時得到氫氣和二氧化碳氣。
[0011]甲醇與水蒸氣在一定的溫度、壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統(tǒng)。反應方程如下:
[0012]CH3OH ^ C0+2H2 (I)
[0013]H20+C0 — C02+H2 (2)
[0014]CH30H+H20 — C02+3H2 (3)
[0015]重整反應生成的HjP CO 2，再經(jīng)過鈀膜分離將HjP CO 2分離，得到高純氫氣。變壓吸附法的耗能高、設備大，且不適合小規(guī)模的氫氣制備。
[0016]現(xiàn)有的氫氣發(fā)電系統(tǒng)，通常是利用已經(jīng)制備好的氫氣發(fā)電，即制備氫氣與氫氣發(fā)電是分離的。首先利用制氫設備制備氫氣，將氫氣放置于氫氣緩沖罐中，而后通過氫氣緩沖罐中的氫氣發(fā)電。氫氣緩沖罐的體積較為龐大，不便攜帶，移動性較差，從而制約了氫氣制備及發(fā)電設備的便攜性。
[0017]為了提高制氫設備的便攜性，本申請人于2013年提出了移動制氫系統(tǒng)，體積小，便于攜帶。移動制氫系統(tǒng)采用氫氣或制氫后的尾氣燃燒為重整室、分離室提供能源，效率低。
[0018]此外，現(xiàn)有氫燃料電池需要利用栗體輸送反應氣體氧氣，栗體需要電力能源，浪費資源，降低了發(fā)電效率。
[0019]有鑒于此，如今迫切需要設計一種新的氫氣發(fā)電系統(tǒng)，以便克服現(xiàn)有氫氣發(fā)電系統(tǒng)的上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種甲醇水蒸氣制氫發(fā)電系統(tǒng)，可降低能源消耗，提高發(fā)電量及發(fā)電效率。
[0021]此外，本發(fā)明還提供一種燃料電池系統(tǒng)，可降低能源消耗，提高發(fā)電量及發(fā)電效率。
[0022]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0023]—種甲醇水蒸氣制氫發(fā)電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:固態(tài)氫氣儲存容器、快速啟動裝置、液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫設備、膜分離裝置、氫氣發(fā)電裝置；
[0024]所述制氫設備包括換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設置于分離室內(nèi)，分離室設置于重整室的上部；
[0025]所述固態(tài)氫氣儲存容器、液體儲存容器分別與制氫設備連接；液體儲存容器中儲存有液態(tài)的甲醇和水；
[0026]通過固態(tài)氫氣儲存容器中儲存固態(tài)氫氣或/和快速啟動裝置為制氫設備提供啟動能源；
[0027]所述固態(tài)氫氣儲存容器中儲存固態(tài)氫氣，當制氫系統(tǒng)啟動時，通過氣化模塊將固態(tài)氫氣轉(zhuǎn)換為氣態(tài)氫氣，氣態(tài)氫氣為氫氣發(fā)電裝置發(fā)電，作為制氫設備的啟動電源；
[0028]所述快速啟動裝置包括第一啟動裝置、第二啟動裝置；所述第一啟動裝置包括第一加熱機構(gòu)、第一氣化管路，第一氣化管路的內(nèi)徑為I?2mm，第一氣化管路緊密地纏繞于第一加熱機構(gòu)上；所述第一氣化管路的一端連接液體儲存容器，通過原料輸送裝置將甲醇送入第一氣化管路中；第一氣化管路的另一端輸出被氣化的甲醇，而后通過點火機構(gòu)點火燃燒；或者，第一氣化管路的另一端輸出被氣化的甲醇，且輸出的甲醇溫度達到自燃點，甲醇從第一氣化管路輸出后直接自燃；所述第二啟動裝置包括第二氣化管路，第二氣化管路的主體設置于所述重整室內(nèi)，第一氣化管路或/和第二氣化管路輸出的甲醇為重整室加熱的同時加熱第二氣化管路，將第二氣化管路中的甲醇氣化；所述重整室內(nèi)壁設有加熱管路，加熱管路內(nèi)放有催化劑；所述快速啟動裝置通過加熱所述加熱管路為重整室加熱；
[0029]所述液體儲存容器中的甲醇和水通過原料輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進入氣化室氣化；所述原料輸送裝置提供動力，將液體儲存容器中的原料輸送至制氫設備；所述原料輸送裝置向原料提供1.1?5M Pa的壓強，使得制氫設備制得的氫氣具有足夠的壓強；
[0030]氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進入重整室，重整室內(nèi)設有催化劑，重整室下部及中部溫度為350 °C?409 °C;所述重整室上部的溫度為400 °C?570 °C;重整室與分離室通過連接管路連接；所述分離室內(nèi)的溫度設定為400°C?570°C ;
[0031]所述催化劑包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金屬氧化物、過渡金屬氧化物；其中，貴金屬Pt含量占催化劑總質(zhì)量的0.6%?1.8%，Pd含量占催化劑總質(zhì)量的1.1 %?4%，Cu的氧化物占催化劑總質(zhì)量的6%?12%，F(xiàn)e的氧化物占催化劑總質(zhì)量的3%?8%，Zn的氧化物占催化劑總質(zhì)量的8%?20%，稀土金屬氧化物占催化劑總質(zhì)量的6 %?40 %，其余為過渡金屬氧化物；
[0032]或者，所述催化劑為銅基催化劑，包括物質(zhì)及其質(zhì)量份數(shù)為:3-17份的CuO，3-18份的 ZnO, 0.5-3 份的 ZrO, 55-80 份的 Al2O3,1-3 份的 CeO2,1