却器206进行气水分离，分离的二氧化碳一部分经过压缩机405压缩到0.5-0.6MPa进入到二氧化碳储备装置中，一部分经过循环增压机404增压之后首先和部分的氧气混合之后，分别进入到一氧化碳选择性氧化反应器204，换热器203经过换热之后，和燃料电池尾气进行混合之后进入到重整器的燃烧侧和蒸发器的燃烧侧。在气水分离器中分离出来的液态水一部分进入到水储备装置，一部分由动力设备栗403经过增压注入到净化器205中进行吸收重整器中的微量甲醇。
【主权项】
1.一种封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置和甲醇制氢装置系统； 其中:甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和一氧化碳选择性氧化反应器为模块化集成结构； 甲醇供应装置、液氧装置和甲醇制氢装置的入口连通；二氧化碳储备装置、液态水储备装置分别和甲醇制氢的入口和出口连通。2.按照权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:其他辅助系统主要包括循环增压机、压缩机、净化器和氢气混合气体缓冲罐；蒸发器燃烧侧的出口气体经过冷却分离之后，一部分进入循环增压机，后进入CO选择性氧化反应器的进行预热，之后进入燃烧器；另一部分气体进入压缩机进行增压之后进入到二氧化碳储备装置；净化器和CO选择性氧化反应器的出口以及氢气混合气体缓冲罐相连。3.按照权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:燃烧器和重整器为耦合性匹配结构，两边分别由导热性的隔板隔开，其耦合形式可以是板翅式结构、套筒翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式等一种或上述几种的组合体；耦合性的燃烧、重整器采用模块化的结构，相互之间采用法兰形式进行连接。4.按照权利要求3所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:模块化的重整器侧包含甲醇水蒸汽重整催化剂。5.按照权利要求3所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:模块化的燃烧器侧包含燃烧催化剂。6.按照权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:蒸发器内部由燃烧侧和甲醇水混合物流动侧组成，两边分别由导热性的隔板隔开，导热性隔板的形式可以是板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式金属蜂窝以及列管换热器式等一种或上述几种的组合体；其中优选板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式；蒸发器同样采用模块化的结构，相互之间以及和重整器之间主要采用法兰形式进行连接。7.按照权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:重整器和一氧化碳选择性氧化反应器之间设置一个换热器；换热器与循环压缩机的出口，重整器燃烧侧的进口、重整器重整侧的出口，CO选择性能氧化反应器的进口相连通。8.按照权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，其特征在于:一氧化碳选择性氧化反应器的两侧由隔热板隔开；导热性隔板的形式可以是板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式等一种或上述几种的组合体；其中优选板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式；CO选择性氧化反应器采用模块化的结构，相互之间以及和其他换热器之间主要采用法兰形式进行连接。9.一种采用权利要求1所述的封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统的制氢方法，其特征在于: 甲醇和水通过经过蒸发器气化之后，进入重整器反应得到重整气体，然后通过一氧化碳选择性氧化反应器进一步降低重整气中的一氧化碳浓度，最后通入燃料电池系统进行电化学反应；未反应的部分尾气、氧气和预热的二氧化碳混合进入燃烧器、蒸发器；系统生成的水、二氧化碳分别进入水储备装置和二氧化碳储备装置； 蒸发器燃烧侧的出口气体经过冷却分离之后，一部分进入循环增压机后进入一氧化碳选择性氧化反应器和换热器中进行预热，之后进入燃烧器；另一部分气体进入压缩机进行增压之后进入到二氧化碳储备装置；净化器主要是和一氧化碳选择性氧化反应器的出口以及氢气混合气体缓冲罐相连；净化器的主要作用是净化氢气混合气中的微量甲醇，甲醇进入燃料电池的阳极之后，会通过浓度扩散和电子迀移，从阳极渗透到阴极，在阴极电位和Pt催化作用下发生氧化，并与氧的电化学还原构成短路电池，在阴极产生混合电位，降低开路电压和电流效率； 模块化的重整器侧包含甲醇水蒸汽重整催化剂，催化剂的主要成分优选含有Ce、Zr的重整催化剂； 催化剂的主要成分为Pd、Pt、Rh等一种或者是几种贵金属的混合物负载在氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈、氧化锌、氧化镁等一种或者几种混合物组成的载体上；载体的制备方式主要是通过溶胶凝胶、沉淀、共沉淀的方式制备单一载体或者是几种载体混合物；这些载体的制备是本领域技术人员共知的内容，其中贵金属的含量以氧化物来剂是整个燃烧催化剂质量的0.1% -5%之间； 模块化的重整器燃烧侧的操作温度为10-600°C之间，其中优选为260-450°C;操作压力为0.l-2MPa之间；燃烧催化剂的操作空速为5000-10000h \燃烧器温度的控制主要是通过二氧化碳循环量，控制燃烧反应的绝热温升来实现；此外，燃烧侧燃料的进料方式主要是分步的方式进入，这样可以避免由于燃烧反应的绝热温高引起的局部热点；模块化的重整器侧的操作温度为200-350°C，其中优选为240-310°C ;操作压力为0.l_4MPa之间；重整催化剂的操作空速为1000-3000h S 蒸发器完成液态甲醇和液态水混合物的共同蒸发过程，其优化的选择是甲醇与水的气体混合物温度达到200-230 °C之间； 蒸发器燃烧侧的操作温度为10-600°C，优选为70-400°C ;操作压力为0.l_2MPa ;操作空速可以控制在3000-10000h S 重整器和一氧化碳选择性氧化反应器之间设置一个换热器；换热器与COJf环栗的出口，燃烧器燃烧侧的进口、重整器重整侧的出口，CO选择性能氧化反应器的进口相连通；由于进入CO选择性氧化反应器的温度一般控制在100-150°C之间，需要控制重整器的出口温度； 一氧化碳选择性氧化反应器的两侧由隔热板隔开；导热性隔板的形式可以是板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式等一种或上述几种的组合体；其中优选板翅式结构、套筒翅片式、列管翅片式；另外，一种该领域技术人员共知的方式是一氧化碳选择性氧化反应器可以选择绝热反应器加上换热器的方式进行，这样要选择多个CO选择性氧化反应器来实现，其主要的问题在于CO选择性氧化的放热反应，使床层的温度升高，从而降低了选择性氧化的选择性，降低后期氢气的产率；选用集成的方式可以很好的控制床层的温度，提高CO选择性氧化的选择性，进一步提高CO选择性氧化反应器的集成度； 一氧化碳选择性氧化反应器的重整气侧包含CO选择氧化催化剂，催化剂的主要成分为Pd、Pt、Rh、Au、Ru等一种或者是几种的贵金属的混合物负载在氧化铁、氧化镍、氧化招、氧化硅、氧化锆、氧化鈾、氧化锌、氧化镁等一种或者几种混合物组成的载体上；或者是Co、Fe、N1、Al、Ce、Zr、Mn、Co等几种氧化物的混合物；其中贵金属催化剂的贵金属含量以质量计占催化剂质量的0.1% -5%之间；在操作过程中，一氧化碳选择性氧化反应器的重整气侧的操作温度为80-300°C之间；其中优选为100-200°C ;操作压力为0.l_4MPa之间；选择性氧化催化剂的操作可以为1000-10000h S 得到的氢气混合气体中CO含量低于lOppm，甲醇含量低于10ppm的富氢重整气通入燃料电池。
【专利摘要】一种封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统，包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置和甲醇制氢装置系统；甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和一氧化碳选择性氧化反应器为模块化集成结构。制氢方法，甲醇和水通过经过蒸发器气化之后，进入重整器反应得到重整气体，然后通过一氧化碳选择性氧化反应器进一步降低重整气中的一氧化碳浓度，最后通入燃料电池系统进行电化学反应。本发明的优点：整体系统的封闭运行；提高了系统的可操作性和安全性；可以达到换热和反应之间的良好匹配，实现了重整制氢系统的高效、紧凑。
【IPC分类】C01B3/32, H01M8/04
【公开号】CN105655612
【申请号】
【发明人】苏宏久, 袁中山, 王树东, 倪长军, 李德意, 杨晓野
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年12月5日