[發明專利]一種基于乙醇重整制氫的氫燃料電池系統及其發電方法

在審

• 申請號: 201710636981.2
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107302100A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 王亞斌;李曉峰;史衛澤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;北京鑫海港億科技有限公司
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612;C01B3/32
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于乙醇重整制氫的氫燃料電池系統，其特征在于，所述氫燃料電池系統包括：乙醇蒸汽重整反應器、外部供熱裝置、水氣轉換反應器、一氧化碳選擇性氧化反應器和氫燃料電池；其中，所述外部供熱裝置包括燃料入口、供熱裝置空氣入口和返回口；所述乙醇蒸汽重整反應器包括水溶液入口和重整反應器產物出口；所述水氣轉換反應器包括水入口、轉換反應器進料口和轉換反應器產物出口；所述一氧化碳選擇性氧化反應器包括氧化反應器空氣入口、氧化反應器進料口和氧化反應器產物出口；所述氫燃料電池包括燃料電池進料口、燃料電池空氣入口和氣體出口；所述乙醇蒸汽重整反應器的外部設置外部供熱裝置；空氣從供熱裝置空氣入口、燃料從燃料入口以及氫燃料電池中電化學反應后的氣體從返回口輸送至外部供熱裝置，外部供熱裝置采用外部供熱模式對乙醇蒸汽重整反應器供熱，提供水蒸氣重整反應所需的熱量；乙醇水溶液從水溶液入口輸送至乙醇蒸汽重整反應器；在乙醇蒸汽重整反應器中，乙醇發生水蒸氣重整反應，水蒸氣重整反應生成的氣體通過重整反應器產物出口輸送至水氣轉換反應器的轉換反應器進料口；水蒸氣重整反應生成的氣體包括反應產物和副產物，反應產物為氫氣；同時，水從水入口輸送至水氣轉換反應器；在水氣轉換反應器中，副產物中的部分一氧化碳和水發生水氣轉換反應生成二氧化碳和氫氣，水氣轉換反應后的氣體全部通過轉換反應器產物出口輸送至一氧化碳選擇性氧化反應器的氧化反應器進料口；同時空氣從氧化反應器空氣入口也輸送至一氧化碳選擇性氧化反應器；在一氧化碳選擇性氧化反應器中，剩余部分的一氧化碳與氧氣發生氧化反應，生成二氧化碳，至此副產物中的全部一氧化碳都反應生成二氧化碳，氧化反應后的全部氣體通過氧化反應器產物出口輸送至氫燃料電池的燃料電池進料口；同時空氣從氫燃料電池空氣入口也輸送至氫燃料電池；在氫燃料電池中，水蒸氣重整反應生成的無CO富氫氣體作為燃料，以氧氣作為氧化劑，氫氣經電化學反應生成水，同時釋放出電能輸出；電化學反應后的氣體通過氣體出口輸送至外部供熱裝置的返回口，氣體中未反應的氫氣燃燒為乙醇蒸汽重整反應器供熱。

2.如權利要求1所述的氫燃料電池系統，其特征在于，所述乙醇蒸汽重整反應器采用徑向反應器。

3.如權利要求1所述的氫燃料電池系統，其特征在于，所述乙醇水溶液中，乙醇的體積百分數為50％～60％，用于地面靜電站。

4.如權利要求1所述的氫燃料電池系統，其特征在于，在乙醇蒸汽重整反應器中，低溫水蒸氣重整在300～550℃范圍內，高溫水蒸氣重整在650～930℃范圍。

5.一種基于乙醇重整制氫的氫燃料電池系統，其特征在于，所述氫燃料電池系統包括：部分氧化重整反應器、水氣轉換反應器、一氧化碳選擇性氧化反應器和氫燃料電池；其中，所述部分氧化重整反應器包括重整反應器空氣入口、水溶液入口和重整反應器產物出口；所述水氣轉換反應器包括水入口、轉換反應器進料口和轉換反應器產物出口；所述一氧化碳選擇性氧化反應器包括氧化反應器空氣入口、氧化反應器進料口和氧化反應器產物出口；所述氫燃料電池包括燃料電池進料口、燃料電池空氣入口和氣體出口；空氣從重整反應器空氣入口以及乙醇水溶液從水溶液入口輸送至部分氧化重整反應器，在部分氧化重整反應器中，小部分乙醇燃燒提供水蒸氣重整反應所需的熱量，大部分乙醇發生水蒸氣重整反應，水氣轉換后的氣體通過重整反應器產物出口輸送至水氣轉換反應器的轉換反應器進料口；水蒸氣重整反應生成的氣體包括反應產物和副產物，反應產物為氫氣；同時，水從水入口輸送至水氣轉換反應器；在水氣轉換反應器中，副產物中的部分一氧化碳和水發生水氣轉換反應生成二氧化碳和氫氣，水氣轉換反應后氣體全部通過轉換反應器產物出口輸送至一氧化碳選擇性氧化反應器的氧化反應器進料口；同時空氣從氧化反應器空氣入口也輸送至一氧化碳選擇性氧化反應器；在一氧化碳選擇性氧化反應器中，剩余部分的一氧化碳與氧氣發生氧化反應，生成二氧化碳，至此副產物中的全部一氧化碳都反應生成二氧化碳，氧化反應后全部的氣體通過氧化反應器產物出口輸送至氫燃料電池的燃料電池進料口；同時空氣從氫燃料電池空氣入口也輸送至氫燃料電池；在氫燃料電池中，水蒸氣重整反應生成的無CO富氫氣體作為燃料，以氧氣作為氧化劑，氫氣經電化學反應生成水，同時釋放出電能輸出；電化學反應后的氣體從氣體出口排出。

6.如權利要求5所述的氫燃料電池系統，其特征在于，所述乙醇水溶液中，乙醇的體積百分數為90％～99％，用于車輛動力源。