一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，包括甲烷供应单元、空气供应单元、第一燃料电池和第二燃料电池；空气供应单元分别连接第一燃料电池的阴极和第二燃料电池的阴极；甲烷供应单元连接第一燃料电池的阳极的甲烷进口，甲烷在第一燃料电池的阳极发生电化学反应生成甲醇；第一燃料电池的阳极的甲醇出口连接第二燃料电池的阳极的甲醇进口，甲醇在第二燃料电池的阳极发生电化学反应生成氢气。该甲烷燃料电池系统整体的发电量远大于传统的直接将甲烷氧化获得氢气的燃料电池，还根据需要通过电化学手段调节甲醇与氢气的比例，实现联产电能、甲醇和氢气，并且不需要水蒸气的制备系统和外部供热。

A methane fuel cell system for co-generation of electricity and hydrogen via methanol

The utility model discloses a methane fuel cell system which produces electricity and hydrogen through methanol, including a methane supply unit, an air supply unit, a first fuel cell and a second fuel cell; an air supply unit is connected to the cathode of the first fuel cell and the cathode of the second fuel cell respectively; a methane supply unit is connected to the methane inlet of the anode of the first fuel cell, and methane. The anode of the first fuel cell reacts electrochemically to produce methanol; the methanol outlet of the anode of the first fuel cell connects with the methanol inlet of the anode of the second fuel cell, and methanol reacts electrochemically to generate hydrogen at the anode of the second fuel cell. The overall power generation of the methane fuel cell system is much larger than that of the traditional fuel cell which directly oxidizes methane to hydrogen. It also adjusts the ratio of methanol to hydrogen by electrochemical means according to the need to realize the co-generation of electricity, methanol and hydrogen, and does not need the preparation system of water vapor and external heating.

【技术实现步骤摘要】
一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统
本技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高、燃料来源广、燃料转化效率高等优点。一般SOFC常被用作单独发电装置进行高效发电，但是SOFC也可以作为电化学化工反应器，在高效发电的同时还可以高效的制备化学品。现有的SOFC通常将甲烷在SOFC阳极发生电化学部分氧化反应制备得到包括一氧化碳和氢气的合成气，如果采用SOFC以电化学氧化CO的方式制备氢气，由于在SOFC的工作温度范围内是以H2的电化学氧化反应为主几乎不能实现只发生CO的电化学氧化反应而不发生H2的电化学氧化反应，如果一氧化碳经过变换反应最终可得到二氧化碳：氢气(体积比)＝1：3的富氢气体，需要复杂的外部工艺系统流程。这种方式产生的电能较低，并且一氧化碳的变换反应需要外部水蒸气的供应，还需要配备单独的水蒸气供应系统及合成气压缩系统，会增大工艺的复杂性及投资成本。因此亟需一种更为高效、工艺更简单的燃料电池系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，来提升燃料电池的电能产量并且简化系统工艺。为达此目的，本技术采用以下技术方案：一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，包括甲烷供应单元、空气供应单元、第一燃料电池和第二燃料电池；所述空气供应单元分别连接所述第一燃料电池的阴极和所述第二燃料电池的阴极；所述甲烷供应单元连接所述第一燃料电池的阳极的甲烷进口，甲烷在所述第一燃料电池的阳极发生电化学反应生成甲醇；所述第一燃料电池的阳极的甲醇出口连接所述第二燃料电池的阳极的甲醇进口，甲醇在所述第二燃料电池的阳极发生电化学反应生成氢气。可选的，所述甲烷燃料电池系统还包括甲烷预热单元，所述甲烷预热单元包括甲烷预热流道和甲烷尾气流道，所述甲烷预热流道和甲烷尾气流道之间进行热量交换；所述空气供应单元还包括空气预热单元，所述空气预热单元包括空气预热流道和空气尾气流道，所述空气预热流道和空气尾气流道之间进行热量交换；所述甲烷供应单元连接所述甲烷预热流道的甲烷进口，所述甲烷预热流道的甲烷出口连接所述第一燃料电池的阳极的甲烷进口；所述空气供应单元连接所述空气预热流道的空气进口，所述空气预热流道的空气出口连接所述第一燃料电池的阳极的空气进口。可选的，所述甲烷燃料电池系统还包括尾气三通阀，所述第一燃料电池的阴极连接所述尾气三通阀的第一尾气进口，所述第二燃料电池的阴极连接所述尾气三通阀的第二尾气进口；所述尾气三通阀的尾气出口连接所述甲烷尾气流道的尾气进口，所述甲烷尾气流道的尾气出口连接所述空气尾气流道的尾气进口。可选的，所述甲烷燃料电池系统还包括甲烷压缩机和空气压缩机；所述甲烷供应单元连接所述甲烷压缩机，所述甲烷压缩机连接所述甲烷预热流道的甲烷进口；所述空气供应单元连接所述空气压缩机，所述空气压缩机连接所述空气预热流道的空气进口；所述甲烷燃料电池系统包括供电单元；所述第一燃料电池和所述第二燃料电池均电连接供电单元，以提供电能；所述供电单元分别电连接所述甲烷压缩机和所述空气压缩机。可选的，所述甲烷燃料电池系统还包括热箱，所述第一燃料电池和所述第二燃料电池均位于所述热箱内。可选的，所述第一燃料电池的阳极负载有第一催化剂，所述第一催化剂用于催化甲烷氧化生成甲醇；所述第二燃料电池的阳极负载有第二催化剂，所述第二催化剂用于催化甲醇氧化生成氢气。可选的，所述第一燃料电池的阳极为金属-陶瓷复合阳极；所述第一燃料电池的金属-陶瓷复合阳极中，金属选自铜和铂中的一种或多种，陶瓷为氧化铈/氧化锆基的陶瓷氧化物。可选的，所述第一燃料电池的阳极为陶瓷阳极；所述第一燃料电池的陶瓷阳极中，陶瓷氧化物选自铁、钼、铬和镓元素的氧化物中的一种或多种。可选的，所述第二燃料电池的阳极为金属-陶瓷复合阳极；所述第二燃料电池的金属陶瓷复合阳极中，金属选自铜、镍、银、钯、金和钌的一种或多种，陶瓷为氧化铈/氧化锆基的陶瓷氧化物。可选的，所述第二燃料电池的金属-陶瓷复合阳极中的金属的通过如下步骤制备：采用浸渍法浸渍金属元素对应的硝酸盐溶液至多孔的阳极的孔径内；对阳极的孔径内的硝酸液溶液进行热处理，获得金属元素对应的氧化物；用氢气将金属元素对应的氧化物还原，获得颗粒状金属。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：通过第一燃料电池生产电能并将甲烷氧化制备甲醇，通过第二燃料电池将生产电能并将甲醇氧化制备氢气，该甲烷燃料电池系统整体的发电量远大于传统的直接将甲烷氧化获得氢气的燃料电池，还根据需要通过电化学手段调节甲醇与氢气的比例，实现联产电能、甲醇和氢气。该甲烷燃料电池系统的电化学反应无需水蒸气的参与，不需要水蒸气的制备系统，简化了系统工艺；且无需外部供热，可以实现自热稳定运行。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本技术实施例提供的甲烷燃料系统的结构示意图。图2为本技术实施例提供的第一燃料电池的电化学反应的的理论发电量图图3为本技术实施例提供的第一燃料电池的电化学反应的的及理论发电效率图。图示说明：11、甲烷供应单元；12、第一燃料电池；13、甲烷预热单元；131、甲烷预热流道；132、甲烷尾气流道；14、甲烷压缩机；21、空气供应单元；22、第二燃料电池；23、空气预热单元；231、空气预热流道；232、空气尾气流道；24、空气压缩机；30、尾气三通阀。具体实施方式为使得本技术的技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本技术的技术方案。请参考图1，本实施例提供了一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，包括甲烷供应单元11、空气供应单元21、第一燃料电池12和第二燃料电池22；空气供应单元21分别连接第一燃料电池12的阴极和第二燃料电池22的阴极；甲烷供应单元11连接第一燃料电池12的阳极的甲烷进口，甲烷在第一燃料电池12的阳极发生电化学反应生成甲醇；第一燃料电池12的阳极的甲醇出口连接第二燃料电池22的阳极的甲醇进口，甲醇在第二燃料电池22的阳极发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，其特征在于，包括甲烷供应单元、空气供应单元、第一燃料电池和第二燃料电池；所述空气供应单元分别连接所述第一燃料电池的阴极和所述第二燃料电池的阴极；所述甲烷供应单元连接所述第一燃料电池的阳极的甲烷进口，所述第一燃料电池的阳极的甲醇出口连接所述第二燃料电池的阳极的甲醇进口。

【技术特征摘要】
1.一种经由甲醇联产电能及氢气的甲烷燃料电池系统，其特征在于，包括甲烷供应单元、空气供应单元、第一燃料电池和第二燃料电池；所述空气供应单元分别连接所述第一燃料电池的阴极和所述第二燃料电池的阴极；所述甲烷供应单元连接所述第一燃料电池的阳极的甲烷进口，所述第一燃料电池的阳极的甲醇出口连接所述第二燃料电池的阳极的甲醇进口。2.根据权利要求1所述的甲烷燃料电池系统，其特征在于，所述甲烷燃料电池系统还包括甲烷预热单元，所述甲烷预热单元包括甲烷预热流道和甲烷尾气流道，所述甲烷预热流道和甲烷尾气流道之间进行热量交换；所述空气供应单元还包括空气预热单元，所述空气预热单元包括空气预热流道和空气尾气流道，所述空气预热流道和空气尾气流道之间进行热量交换；所述甲烷供应单元连接所述甲烷预热流道的甲烷进口，所述甲烷预热流道的甲烷出口连接所述第一燃料电池的阳极的甲烷进口；所述空气供应单元连接所述空气预热流道的空气进口，所述空气预热流道的空气出口分别连接所述第一燃料电池的阴极和所述第二燃料电池的阴极。3.根据权利要求2所述的甲烷燃料电池系统，其特征在于，所述甲烷燃料电池系统还包括尾气三通阀，所述第一燃料电池的阴极连接所述尾气三通阀的第一尾气进口，所述第二燃料电池的阴极连接所述尾气三通阀的第二尾气进口；所述尾气三通阀的尾气出口分别连接所述甲烷尾气流道的尾气进口和所述空气尾气流道的尾气进口。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海宾，宋文婉，韩敏芳，夏云峰，
申请(专利权)人：广东索特能源科技有限公司，东莞深圳清华大学研究院创新中心，
类型：新型
国别省市：广东,44