[發明專利]甲醇水蒸氣制氫發電系統及其燃料電池系統

在審

• 申請號: 201510426553.8
• 申請日: 2015-07-20
• 公開（公告）號: CN105070930A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發明（設計）人: 向華
• 申請（專利權）人: 上海合既得動氫機器有限公司
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06;H01M8/04;H01M8/22;C01B3/40
• 代理公司: 上海金盛協力知識產權代理有限公司 31242
• 代理人: 王松

技術領域

本發明屬于氫氣發電技術領域，涉及一種氫氣發電系統，尤其涉及一種甲醇水蒸氣制氫發電系統；同時，本發明還涉及一種可用于甲醇水蒸氣制氫發電系統的燃料電池系統。

背景技術

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，氫氣產生的能量最多，而且它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環境；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，燃燒后唯一的產物也是水，可源源不斷地產生氫氣，永遠不會用完。

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℃，因而人們常用氫氣切割或者焊接鋼鐵材料。

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。

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換的功能。例如，儲氫金屬具有吸氫放熱和吸熱放氫的本領，可將熱量儲存起來，作為房間內取暖和空調使用。

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氫為燃料的汽車；70年代末期，前聯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。

用氫作為汽車燃料，不僅干凈，在低溫下容易發動，而且對發動機的腐蝕作用小，可延長發動機的使用壽命。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，從而可簡化現有汽車的構造。更令人感興趣的是，只要在汽油中加入4％的氫氣。用它作為汽車發動機燃料，就可節油40％，而且無需對汽油發動機作多大的改進。

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射人造衛星的長征運載火箭，都是用液態氫作燃料的。

另外，使用氫—氫燃料電池還可以把氫能直接轉化成電能，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。

現在世界上氫的年產量約為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──變壓吸附技術制取純氫和富含CO₂的混合氣體，經過進一步的后處理，可同時得到氫氣和二氧化碳氣。

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。反應方程如下：

CH₃OH→CO+2H₂(1)

H₂O+CO→CO₂+H₂(2)

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂(3)

重整反應生成的H₂和CO₂，再經過鈀膜分離將H₂和CO₂分離，得到高純氫氣。變壓吸附法的耗能高、設備大，且不適合小規模的氫氣制備。

現有的氫氣發電系統，通常是利用已經制備好的氫氣發電，即制備氫氣與氫氣發電是分離的。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電設備的便攜性。