一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其包括控制系统和通过管道依次连接的储液仓、出液泵、汽化器、反应器、冷凝器及低温质子交换膜燃料电池；所述微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统还包括板式热交换器；所述反应器内装有甲醇重整制氢催化剂；所述甲醇重整制氢催化剂含有包含NiO和Cr2O3的活性组分、包含ZrO2和Al2O的载体以及助剂。本发明专利技术将微量CO的甲醇重整制氢方法与低温质子交换膜燃料电池相配合使用，既规避了氢气提纯的步骤及其装置模块，又可以使用成熟的低温质子交换膜燃料电池系统发电，设备系统成本低、性能可靠，可规模应用于汽车、船舶、基站电源的领域。

A Fuel Cell Power Generation System for Hydrogen Production from Methanol Reforming with Trace CO

【技术实现步骤摘要】
一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统。
技术介绍
氢是地球上储量丰富、燃烧热值很高的元素，而且燃烧后只产生水，不会有其他的任何污染产物，是最清洁的能源，氢能因此也被称为人类终极能源。氢燃料电池是氢气和氧气不经过卡诺循环使化学能直接转化为电能的装置，能效转换效率可达60%以上。燃料电池技术的出现使氢能成为替代化石能源的最佳能源。近年来，随着质子交换膜燃料电池的发展，特别是其应用于汽车以及分布式发电的快速发展，氢气的需求量越来越大。质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell）在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。目前质子交换膜燃料电池的氢气来源主要是甲醇重整制氢、工业富产氢和电解水制氢。甲醇重整制氢由于原料甲醇容易获取、易于分解产氢等特点而受到广泛关注，如申请号为CN201510476342.5的中国专利技术专利公开了一种甲醇水重整制氢发电机，包括电控系统、甲醇水进液系统、制氢系统及发电系统，电控系统包括控制主板、供电装置及电力输出端口，控制主板控制甲醇水进液系统、制氢系统及发电系统工作，其采用甲醇重整制氢装置和低温质子交换膜燃料电池为主要结构的发电系统，但是该专利技术中使用的低温质子交换膜燃料电池对CO的浓度要求要小于2ppm，然而现有通过甲醇制氢催化剂进行甲醇重整制取的氢气中均含有高浓度的CO，由于CO容易使质子交换膜燃料电池催化剂中毒，所以必须将甲醇重整制取得到的氢气进行提纯去除CO后再送入质子交换膜燃料电池使用，增加的氢气提纯装置不仅增加了燃料电池发电系统的成本，而且增加了系统设备的体积空间以及系统控制复杂程度，使得燃料电池发电系统在汽车等空间要求高的场合中无法应用。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术公开了一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其采用微量CO的甲醇重整制氢方法与低温质子交换膜燃料电池相配合组成甲醇重整制氢燃料电池发电系统，既规避了氢气提纯的步骤及其装置模块，又可以使用成熟的低温质子交换膜燃料电池系统发电，设备系统成本低、性能可靠，可规模应用于汽车、船舶、基站电源的领域。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其包括控制系统和通过管道依次连接的储液仓、出液泵、汽化器、反应器、冷凝器及低温质子交换膜燃料电池，所述反应器的内部装有甲醇重整制氢催化剂；所述反应器的内部设有电加热丝，且在所述反应器内还设有温度传感器及压力传感器；在每一段管道的出口均设有阀门，在每一段管道的出口及入口均设有压力表；所述储液仓、出液泵、汽化器、反应器、冷凝器及低温质子交换膜燃料电池均与控制系统电连接，所述控制系统基于PLC建立；所述甲醇重整制氢催化剂含有以下质量分数的组分：活性组分10～40%、助剂5～25%、载体35～75%；所述的活性组分包含NiO和Cr2O3，所述NiO的质量占所述活性组分质量的55～85%，所述Cr2O3的质量占所述活性组分质量的15～45%；所述助剂为过渡金属氧化物或/和稀土金属氧化物中的一种或多种组合；所述载体包含ZrO2和Al2O3，所述ZrO2的质量占所述载体质量的50～90%，所述Al2O3的质量占所述载体质量的10～50%；所述甲醇重整制氢催化剂的助剂中的过渡金属氧化物为以下金属的氧化物：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞以及元素周期表中第104～112号的金属；所述助剂中的稀土金属氧化物为以下金属的氧化物：钪、钇以及元素周期表中的镧系金属；所述助剂优选为La、Ce、Mo、Y、Fe、Co的金属氧化物中的一种或多种组合。本专利技术所使用的甲醇重整制氢催化剂将氧化镍作为主要活性组分，并且在氧化铬配合作用下，提高催化剂活性，同时添加过渡金属氧化物和稀土金属氧化物作为助剂，可以提高活性组分和载体之间的强相互作用，进而改善催化剂表面特性，特别是La、Ce、Y等稀土金属氧化物一方面可以提高氧化镍在载体表面的分散度以及高温稳定性，另一方面稀土金属氧化物本身含有少量活性氧，还可以给活性组分供氧，提高催化剂的抗积碳性能，使催化剂的活性和寿命得到很大提高；将ZrO2和Al2O3混合制备成载体，不仅克服了氧化铝与活性组分互相作用力较大，降低催化剂活性的问题，还克服了氧化锆比表面积小，负载活性组分少的问题，使用ZrO2和Al2O3作为载体提高了载体的负载能力和催化剂的催化性能。进一步，上述甲醇重整制氢催化剂的活性组分还含有CuO，所述CuO的质量占所述活性组分质量的0～5%。在氧化镍和氧化铬组成的活性组分中添加少量的氧化铜，通过氧化铜与氧化镍以及氧化铬的共同作用降低催化剂的活性温度，进一步提高催化剂的催化活性。进一步，上述微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统还包括板式热交换器，所述板式热交换器的冷流进口与汽化器的出口连接，且冷流出口与反应器的进口连接；所述板式热交换器的热流进口与反应器的出口连接，且热流出口与冷凝器的进口连接。通过板式热交换器换热，一方面降低了甲醇重整制氢所得到的产品气的温度，便于后续步骤操作；另一方面利用产品气的热能为进入反应器的甲醇水蒸气进行加热，保证甲醇水汽化完全，并且提高反应器的进口温度，缩短反应器内的加热升温时间，还可以适当减小电加热丝功率，减少系统自身电能消耗，起到节能的作用。进一步，上述冷凝器内设有冷凝盘管；所述冷凝盘管成“V”形排布；在所述冷凝盘管的最低位置连有冷凝液回流管，且冷凝液回流管与反应器连接；所述冷凝液回流管上设有存水弯，防止反应器中气体从冷凝液回流管流入冷凝盘管。反应产生的气体及部分未反应的甲醇水蒸气在板式热交换器内放热后通入冷凝器中，甲醇水蒸气在冷凝盘管中冷凝，并流到冷凝盘管的最低部位，最后通过存水弯及冷凝液回流管流回反应器重新进行反应，提高甲醇转化效率。进一步，上述反应器内设有催化剂装笼；所述催化剂装笼的前半段为网格笼状结构段，后半段为伸出反应器的密封结构段；所述网格笼状结构段为金属网笼形状，且内部装有甲醇重整制氢催化剂；所述密封结构段的端部设有连杆；在所述反应器的两个相对的侧面上分别设有一组气缸；所述连杆的两端各对应一组气缸且与对应气缸的推杆连接。使用催化剂装笼可以有效防止催化剂的流失，通过气缸推动连杆将催化剂装笼从反应器中抽出或装入，便于更换催化剂。进一步，上述甲醇重整制氢催化剂的制备方法为常规的共沉淀法、热解法、溶胶凝胶法中的一种或多种方法的综合使用。进一步，上述的溶胶凝胶法具体包括如下步骤：（1）分别称取活性组分的金属盐溶液、助剂组分的金属盐溶液、载体组分的金属盐溶液以及柠檬酸一起混合，然后加入去离子水在30～80℃条件下反应4～36本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：其包括控制系统和通过管道依次连接的储液仓（1）、出液泵（6）、汽化器（7）、反应器（3）、冷凝器（4）及低温质子交换膜燃料电池（5），所述反应器（3）的内部装有甲醇重整制氢催化剂；所述反应器（3）的内部设有电加热丝（18），且在所述反应器（3）内还设有温度传感器及压力传感器；在每一段管道的出口均设有阀门，在每一段管道的出口及入口均设有压力表；所述储液仓（1）、出液泵（6）、汽化器（7）、反应器（3）、冷凝器（4）及低温质子交换膜燃料电池（5）均与控制系统电连接，所述控制系统基于PLC建立；所述甲醇重整制氢催化剂含有以下质量分数的组分：活性组分10～40%、助剂5～25%、载体35～75%；所述的活性组分包含NiO和Cr2O3，所述NiO的质量占所述活性组分质量的55～85%，所述Cr2O3的质量占所述活性组分质量的15～45%；所述助剂为过渡金属氧化物或/和稀土金属氧化物中的一种或多种组合；所述载体包含ZrO2和Al2O3，所述ZrO2的质量占所述载体质量的50～90%，所述Al2O3的质量占所述载体质量的10～50%；所述甲醇重整制氢催化剂的助剂优选为La、Ce、Mo、Y、Fe、Co的金属氧化物中的一种或多种组合。...

【技术特征摘要】
1.一种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：其包括控制系统和通过管道依次连接的储液仓（1）、出液泵（6）、汽化器（7）、反应器（3）、冷凝器（4）及低温质子交换膜燃料电池（5），所述反应器（3）的内部装有甲醇重整制氢催化剂；所述反应器（3）的内部设有电加热丝（18），且在所述反应器（3）内还设有温度传感器及压力传感器；在每一段管道的出口均设有阀门，在每一段管道的出口及入口均设有压力表；所述储液仓（1）、出液泵（6）、汽化器（7）、反应器（3）、冷凝器（4）及低温质子交换膜燃料电池（5）均与控制系统电连接，所述控制系统基于PLC建立；所述甲醇重整制氢催化剂含有以下质量分数的组分：活性组分10～40%、助剂5～25%、载体35～75%；所述的活性组分包含NiO和Cr2O3，所述NiO的质量占所述活性组分质量的55～85%，所述Cr2O3的质量占所述活性组分质量的15～45%；所述助剂为过渡金属氧化物或/和稀土金属氧化物中的一种或多种组合；所述载体包含ZrO2和Al2O3，所述ZrO2的质量占所述载体质量的50～90%，所述Al2O3的质量占所述载体质量的10～50%；所述甲醇重整制氢催化剂的助剂优选为La、Ce、Mo、Y、Fe、Co的金属氧化物中的一种或多种组合。2.根据权利要求1所述的种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述甲醇重整制氢催化剂的活性组分还含有CuO，所述CuO的质量占所述活性组分质量的0～5%。3.根据权利要求1或2所述的种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统还包括板式热交换器（2），所述板式热交换器的冷流进口（13）与汽化器（7）的出口连接，且冷流出口（19）与反应器（3）的进口连接；所述板式热交换器的热流进口（11）与反应器（3）的出口连接，且热流出口（12）与冷凝器（4）的进口连接。4.根据权利要求3所述的种微量CO的甲醇重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述冷凝器（4）内设有冷凝盘管（14）；所述冷凝盘管（14）成“V”形排布；在所述冷凝盘管（14）的最低位置连有冷凝液回流管（20），且冷凝液回流管与反应器（3）连接；所述冷凝液回流管（20）上设有存水弯（15）。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文昭，罗杏宜，何国强，谭欣，
申请(专利权)人：广西氢朝能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广西,45