[發明專利]一種二氧化碳循環式水氫動力鎬

在審

• 申請號: 201610220554.1
• 申請日: 2016-04-11
• 公開（公告）號: CN105762387A
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發明（設計）人: 向華
• 申請（專利權）人: 潔星環保科技投資（上海）有限公司
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612;H01M8/04014;H01M8/04225;B25D9/06
• 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

1.一種二氧化碳循環式水氫動力鎬，其特征在于，所述循環式水氫動力鎬包括：甲醇制氫系統、氫氣發電系統、甲醇制備設備、鎬本體，甲醇制氫系統與氫氣發電系統連接，氫氣發電系統與甲醇制備設備連接；甲醇制備設備、鎬本體通過氫氣發電系統發出的電能工作；

所述鎬本體包括電動機、齒輪減速器、曲柄連桿沖擊機構、工作頭，電動機連接氫氣發電系統，電動機、齒輪減速器、曲柄連桿沖擊機構、工作頭依次連接；

所述甲醇制氫系統包括制氫子系統、氣壓調節子系統、收集利用子系統，制氫子系統、氣壓調節子系統、氫氣發電系統、收集利用子系統依次連接；

所述制氫子系統利用甲醇水制備氫氣，所述制氫子系統包括固態氫氣儲存容器、儲存容器、原料輸送裝置、快速啟動裝置、制氫設備、膜分離裝置；

所述儲存容器包括：容器、設置于容器內的間隔機構、與間隔機構連接的驅動機構、控制模塊、感應模塊；所述間隔機構將容器至少分為兩個空間；兩個空間中，一個放置反應液體，另一側設置氫氣發電系統釋放、而后被壓縮的液態或固態的二氧化碳；控制模塊分別連接驅動機構、感應模塊；所述驅動機構包括電機，感應模塊包括壓力傳感器或/和液位傳感器；所述感應模塊用以感應容器內反應液體的量，同時感應氫氣發電系統釋放、而后被壓縮的液態或固態的二氧化碳的量；并將感應數據發送至控制模塊；所述控制模塊根據感應模塊感應的數據控制驅動機構對間隔機構的動作；在儲存容器內的液體減少或二氧化碳增加達到設定條件時，驅動機構驅動間隔機構動作，減少反應液體的容積，增加二氧化碳的容積；所述儲存容器還包括液化裝置或/和固化裝置，將收集到的二氧化碳液化或/和固化；

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，分離室設置于重整室的里面；所述固態氫氣儲存容器、儲存容器分別與制氫設備連接；儲存容器中儲存有液態的甲醇和水；

所述快速啟動裝置為制氫設備提供啟動能源；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、第一氣化管路，第一氣化管路的內徑為1～2mm，第一氣化管路緊密地纏繞于第一加熱機構上；所述第一氣化管路的一端連接儲存容器，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，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；所述重整室內壁設有加熱管路，加熱管路內放有催化劑；所述快速啟動裝置通過加熱所述加熱管路為重整室加熱；所述制氫系統啟動后，制氫系統通過制氫設備制得的氫氣提供運行所需的能源；

所述快速啟動裝置的初始啟動能源為若干太陽能啟動模塊，太陽能啟動模塊包括依次連接的太陽能電池板、太陽能電能轉換電路、太陽能電池；太陽能啟動模塊為第一加熱機構提供電能；或者，所述快速啟動裝置的初始啟動能源為手動發電機，手動發電機將發出的電能存儲于電池中；

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含量占催化劑總質量的0.6％～1.8％，Pd含量占催化劑總質量的1.1％～4％，Cu的氧化物占催化劑總質量的6％～12％，Fe的氧化物占催化劑總質量的3％～8％，Zn的氧化物占催化劑總質量的8％～20％，稀土金屬氧化物占催化劑總質量的6％～40％，其余為過渡金屬氧化物；

或者，所述催化劑為銅基催化劑，包括物質及其質量份數為：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CeO₂，1-3份的La₂O₃；

所述固態氫氣儲存容器中儲存固態氫氣，當制氫系統啟動時，通過氣化模塊將固態氫氣轉換為氣態氫氣，氣態氫氣通過燃燒放熱，為制氫設備提供啟動熱能，作為制氫設備的啟動能源；

所述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；氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進入重整室，重整室內設有催化劑，重整室下部及中部溫度為300℃～420℃；所述重整室上部的溫度為400℃～570℃；重整室與分離室通過連接管路連接，連接管路的全部或部分設置于重整室的上部，能通過重整室上部的高溫繼續加熱從重整室輸出的氣體；所述連接管路作為重整室與分離室之間的緩沖，使得從重整室輸出的氣體的溫度與分離室的溫度相同或接近；所述分離室內的溫度設定為350℃～570℃；分離室內設有膜分離器，從膜分離器的產氣端得到氫氣；

所述原料輸送裝置提供動力，將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0.15～5MPa的壓強，使得制氫設備制得的氫氣具有足夠的壓強；

所述制氫設備啟動制氫后，制氫設備制得的部分氫氣或/和余氣通過燃燒維持制氫設備運行；

所述制氫設備制得的氫氣輸送至膜分離裝置進行分離，用于分離氫氣的膜分離裝置的內外壓強之差大于等于0.7MPa；所述膜分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質量百分比鈀占75％～78％，銀占22％～25％；

所述制氫子系統將制得的氫氣通過傳輸管路實時傳輸至氫氣發電系統；所述傳輸管路設有氣壓調節子系統，用于調整傳輸管路中的氣壓；所述氫氣發電系統利用制氫子系統制得的氫氣發電；

所述氣壓調節子系統包括微處理器、氣體壓力傳感器、閥門控制器、出氣閥、出氣管路；所述氣體壓力傳感器設置于傳輸管路中，用以感應傳輸管路中的氣壓數據，并將感應的氣壓數據發送至微處理器；所述微處理器將從氣體壓力傳感器接收的該氣壓數據與設定閾值區間進行比對；當接收到的壓力數據高于設定閾值區間的最大值，微處理器控制閥門控制器打開出氣閥設定時間，使得傳輸管路中氣壓處于設定范圍，同時出氣管路的一端連接出氣閥，另一端連接所述制氫子系統，通過燃燒為制氫子系統的需加熱設備進行加熱；當接收到的壓力數據低于設定閾值區間的最小值，微處理器控制所述制氫子系統加快原料的輸送速度；

所述收集利用子系統連接氫氣發電系統的排氣通道出口，從排出的氣體中分別收集氫氣、氧氣、水，利用收集到的氫氣、氧氣供制氫子系統或/和氫氣發電系統使用，收集到的水作為制氫子系統的原料，從而循環使用；

所述收集利用子系統包括氫氧分離器、氫水分離器、氫氣止回閥、氧水分離器、氧氣止回閥，將氫氣與氧氣分離，而后分別將氫氣與水分離、氧氣與水分離；

所述制氫設備還包括電能估算模塊、氫氣制備檢測模塊、電能存儲模塊；所述電能估算模塊用以估算氫氣發電裝置實時發出的電能是否能滿足重整、分離時需要消耗的電能；如果滿足，則關閉快速啟動裝置；

氫氣制備檢測模塊用來檢測制氫設備實時制備的氫氣是否穩定；若制氫設備制備的氫氣不穩定，則控制快速啟動裝置再次啟動，并將得到的電能部分存儲于電能存儲模塊，當電能不足以提供制氫設備的消耗時使用；

所述氫氣發電系統為燃料電池系統，燃料電池系統包括：氣體供給裝置、電堆；所述氣體供給裝置利用壓縮的氣體作為動力，自動輸送至電堆中；所述電堆包括若干子燃料電池模塊，各個子燃料電池模塊包括至少一個超級電容；

所述燃料電池系統還包括空氣進氣管路、出氣管路；所述壓縮的氣體主要為氧氣；空氣與氧氣在混合容器混合后進入電堆；

所述燃料電池系統還包括氣體調節系統；所述氣體調節系統包括閥門調節控制裝置，以及氧氣含量傳感器或/和壓縮氣體壓縮比傳感器；

所述氧氣含量傳感器用以感應混合容器中混合的空氣與氧氣中氧氣的含量，并將感應到的數據發送至閥門調節控制裝置；

所述壓縮氣體壓縮比傳感器用以感應壓縮氧氣的壓縮比，并將感應到的數據發送至閥門調節控制裝置；

所述閥門調節控制裝置根據氧氣含量傳感器或/和壓縮氣體壓縮比傳感器的感應結果調節氧氣輸送閥門、空氣輸送閥門，控制壓縮氧氣、空氣的輸送比例；壓縮氧氣進入混合容器后產生的動力將混合氣體推送至電堆反應；

所述燃料電池系統還包括濕化系統，濕化系統包括濕度交換容器、濕度交換管路，濕度交換管路為空氣進氣管路的一部分；反應后氣體通過出氣管路輸送至濕度交換容器；

所述濕度交換管路的材料只透水不透氣，使得反應后氣體與自然空氣進行濕度交換，而氣體之間無法流通；

所述甲醇制備設備包括：氮氣輸送裝置、氫氣輸送裝置、二氧化碳輸送裝置、第一混合器、第二混合氣、微型固定床反應器、背壓閥、合成反應器、醇水分離器、色譜儀、甲醇液化裝置、甲醇收集容器、主控模塊；所述二氧化碳輸送裝置連接所述儲存容器收集二氧化碳的一側；制備得到的甲醇輸送至儲存容器的甲醇水混合液一側；

所述氮氣輸送裝置包括氮氣存儲容器、第一輸送管路，第一輸送管路設有第一截止閥、第一質量流量計；

所述二氧化碳輸送裝置包括二氧化碳存儲容器、第二輸送管路，第二輸送管路設有第二截止閥、第二質量流量計；

所述氫氣輸送裝置包括氫氣存儲容器、第三輸送管路、第四輸送管路，第三輸送管路設有第三截止閥、第三質量流量計，第四輸送管路設有第四截止閥、第四質量流量計；

所述氫氣存儲容器通過第三輸送管路與第一輸送管路連接，第三輸送管路與第一輸送管路交匯于一第一三通閥；

所述氫氣存儲容器通過第四輸送管路與第二輸送管路連接，第四輸送管路與第二輸送管路交匯于一第一四通閥；

所述第一三通閥與第一混合器連接，第一混合器的另一端與第二三通閥連接；第二三通閥通過第五輸送管路連接微型固定床反應器，第五輸送管路設有第五質量流量計、壓強計；

所述微型固定床反應器的另一端連接第四三通閥，第四三通閥還連接背壓閥，背壓閥的另一端連接一第二四通閥；

所述第一四通閥與第二混合器連接，第二混合器的另一端與第三三通閥連接；醇水分離器、第二三通閥連接第三三通閥，醇水分離器、甲醇液化裝置、色譜儀連接第二四通閥；甲醇液化裝置與甲醇收集容器連接；

所述主控模塊控制各個部件動作，先控制高純氮氣和高純氫氣以設定的比例經過第一混合器混合后通過催化劑床層排空，待催化劑還原完成后切換氣體為氫氣和二氧化碳的混合氣，氣體通過催化劑床層經背壓閥升壓到一定壓力再經醇水分離器分離出產物甲醇和水，未反應的氣體經過原料氣補充后繼續通過反應器循環反應。