甲醇水蒸气制氢发电系统及其燃料电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于氢气发电技术领域，涉及一种氢气发电系统，尤其涉及一种甲醇水蒸气制氢发电系统；同时，本发明还涉及一种可用于甲醇水蒸气制氢发电系统的燃料电池系统。
【背景技术】
[0002]在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。
[0003]氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500°C，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。
[0004]在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
[0005]氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。
[0006]氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了 110公里。
[0007]用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4%的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40 %，而且无需对汽油发动机作多大的改进。
[0008]氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。
[0009]另外，使用氢一氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。
[0010]现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4%的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整——变压吸附技术制取纯氢和富含0)2的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。
[0011]甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下:
[0012]CH3OH ^ C0+2H2 (I)
[0013]H20+C0 — C02+H2 (2)
[0014]CH30H+H20 — C02+3H2 (3)
[0015]重整反应生成的HjP CO 2，再经过钯膜分离将HjP CO 2分离，得到高纯氢气。变压吸附法的耗能高、设备大，且不适合小规模的氢气制备。
[0016]现有的氢气发电系统，通常是利用已经制备好的氢气发电，即制备氢气与氢气发电是分离的。首先利用制氢设备制备氢气，将氢气放置于氢气缓冲罐中，而后通过氢气缓冲罐中的氢气发电。氢气缓冲罐的体积较为庞大，不便携带，移动性较差，从而制约了氢气制备及发电设备的便携性。
[0017]为了提高制氢设备的便携性，本申请人于2013年提出了移动制氢系统，体积小，便于携带。移动制氢系统采用氢气或制氢后的尾气燃烧为重整室、分离室提供能源，效率低。
[0018]此外，现有氢燃料电池需要利用栗体输送反应气体氧气，栗体需要电力能源，浪费资源，降低了发电效率。
[0019]有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的氢气发电系统，以便克服现有氢气发电系统的上述缺陷。
【发明内容】
[0020]本发明所要解决的技术问题是:提供一种甲醇水蒸气制氢发电系统，可降低能源消耗，提高发电量及发电效率。
[0021]此外，本发明还提供一种燃料电池系统，可降低能源消耗，提高发电量及发电效率。
[0022]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0023]—种甲醇水蒸气制氢发电系统，所述系统包括:固态氢气储存容器、快速启动装置、液体储存容器、原料输送装置、制氢设备、膜分离装置、氢气发电装置；
[0024]所述制氢设备包括换热器、气化室、重整室；膜分离装置设置于分离室内，分离室设置于重整室的上部；
[0025]所述固态氢气储存容器、液体储存容器分别与制氢设备连接；液体储存容器中储存有液态的甲醇和水；
[0026]通过固态氢气储存容器中储存固态氢气或/和快速启动装置为制氢设备提供启动能源；
[0027]所述固态氢气储存容器中储存固态氢气，当制氢系统启动时，通过气化模块将固态氢气转换为气态氢气，气态氢气为氢气发电装置发电，作为制氢设备的启动电源；
[0028]所述快速启动装置包括第一启动装置、第二启动装置；所述第一启动装置包括第一加热机构、第一气化管路，第一气化管路的内径为I?2mm，第一气化管路紧密地缠绕于第一加热机构上；所述第一气化管路的一端连接液体储存容器，通过原料输送装置将甲醇送入第一气化管路中；第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，而后通过点火机构点火燃烧；或者，第一气化管路的另一端输出被气化的甲醇，且输出的甲醇温度达到自燃点，甲醇从第一气化管路输出后直接自燃；所述第二启动装置包括第二气化管路，第二气化管路的主体设置于所述重整室内，第一气化管路或/和第二气化管路输出的甲醇为重整室加热的同时加热第二气化管路，将第二气化管路中的甲醇气化；所述重整室内壁设有加热管路，加热管路内放有催化剂；所述快速启动装置通过加热所述加热管路为重整室加热；
[0029]所述液体储存容器中的甲醇和水通过原料输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；所述原料输送装置提供动力，将液体储存容器中的原料输送至制氢设备；所述原料输送装置向原料提供1.1?5M Pa的压强，使得制氢设备制得的氢气具有足够的压强；
[0030]气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室下部及中部温度为350 °C?409 °C;所述重整室上部的温度为400 °C?570 °C;重整室与分离室通过连接管路连接；所述分离室内的温度设定为400°C?570°C ;
[0031]所述催化剂包括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、稀土金属氧化物、过渡金属氧化物；其中，贵金属Pt含量占催化剂总质量的0.6%?1.8%，Pd含量占催化剂总质量的1.1 %?4%，Cu的氧化物占催化剂总质量的6%?12%，Fe的氧化物占催化剂总质量的3%?8%，Zn的氧化物占催化剂总质量的8%?20%，稀土金属氧化物占催化剂总质量的6 %?40 %，其余为过渡金属氧化物；
[0032]或者，所述催化剂为铜基催化剂，包括物质及其质量份数为: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