[發明專利]針對多種碳氫燃料的一體化多套管結構的純氫催化裝置及PEMFC發電系統

有效

• 申請號: 201811415458.8
• 申請日: 2018-11-26
• 公開（公告）號: CN109638324B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 梁鳳麗;束莉楠;毛軍逵;賀振宗;屠澤燦
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M8/0612
• 分類號: H01M8/0612;H01M4/92;H01M4/90
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了針對多種碳氫燃料的一體化多套管結構的純氫催化裝置及PEMFC發電系統。該純氫催化裝置為圓筒狀結構，其內部為三層結構，其中，最外層為燃燒反應室，中間層為重整催化反應室，最內層為水煤氣反應室，相鄰層之間設有間隔壁；燃燒反應室用于擔載燃燒催化劑，重整催化反應室用于擔載重整催化劑，水煤氣反應室用于擔載水煤氣反應催化劑，且水煤氣反應室內設有氫氣透過膜；重整催化反應室與水煤氣反應室相通，重整催化反應室生成的產物進入水煤氣反應室內繼續發生反應，產生的氫氣通過氫氣透過膜純化并收集。本發明推動了PEMFC技術中氫氣制備、儲運和后勤補給困難等問題的改善和解決。

技術領域

本發明屬于能源發電技術領域，特別涉及了一種針對多種碳氫燃料的純氫催化裝置。

背景技術

燃料電池是一種新的能源利用方式，它是將化石燃料中的化學能直接轉換為電能的能量轉化裝置。燃料電池的核心單元是單體電池，它由多孔陰極、致密電解質和多孔陽極組成。陰極室中的氧氣在催化劑作用下裂解，并與運輸來的電子結合，形成氧離子：

O₂+4e^-→2O^2- (1)

工作條件下，電解質具有很高的電子電阻和離子電導，氧離子在氧分壓差的作用下穿過致密的電解質層遷移到陽極。陽極室中，燃料氣首先在陽極材料的表面催化裂解，形成活性氫，進而與氧離子發生反應生成H₂O，并釋放出電子。電子通過外電路，經過負載回到陰極形成電流，實現對外供電：

H₂+O^2-→H₂O+2e^- (2)

可以看出，燃料電池發電過程實際上是能量發生電化學轉化的過程，其中沒有燃燒和機械運動，因而該技術具有發電效率高(發電效率達60％，熱電聯供效率大于85％)、能量密度大(燃料電池系統大于500Wh/kg，而鋰離子電池約為200Wh/kg)、噪聲低、紅外特性低(隱身效果好)、無污染(僅生成H₂O)等諸多優點。

PEMFC采用質子交換膜(PEM)作為電解質，與其他液體電解質燃料電池相比，采用具有良好質子傳導能力的固相PEM，不僅避免了液態電解質操作的不便，又可以將PEM做成幾十微米的薄膜，從而提高電池的能量密度。PEMFC可以在室溫下快速啟動，并可按照負載要求快速改變輸出功率，因此成為電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源和各種可移動電源的最佳候選者。但是PEMFC只能使用高純度的氫氣為燃料，一般的碳氫燃料或者CO的存在會使PEMFC催化劑在幾秒鐘失活，并且這種失活是不可逆的，導致燃料電池系統不能再正常工作。利用水煤氣變換反應將CO轉換成H₂和CO₂，不僅可以將重整氣中的CO含量降低到1％以下，同時可以提高H₂的含量。化工領域的氫氣需要經過制取、運輸、加壓儲存等工序才能用于燃料電池，故而以純氫為燃料的PEMFC技術在應用推廣方面還面臨著氫氣制備、儲運和后勤補給困難等問題。

發明內容

為了解決上述背景技術提到的以純氫為燃料的PEMFC技術在氫氣制備、儲運和后勤補給困難等問題，本發明提供了針對多種碳氫燃料的一體化多套管結構的純氫催化裝置及PEMFC發電系統。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

針對多種碳氫燃料的一體化多套管結構的純氫催化裝置，該裝置為圓筒狀結構，其內部為三層結構，其中，最外層為燃燒反應室，中間層為重整催化反應室，最內層為水煤氣反應室，相鄰層之間設有間隔壁；燃燒反應室用于擔載燃燒催化劑，重整催化反應室用于擔載重整催化劑，水煤氣反應室用于擔載水煤氣反應催化劑，且水煤氣反應室內設有氫氣透過膜；重整催化反應室與水煤氣反應室相通，重整催化反應室生成的產物進入水煤氣反應室內繼續發生反應，產生的氫氣通過氫氣透過膜純化并收集。