一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统

1.本发明涉及反渗透造水、甲醇水重整制氢与质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统。


背景技术：

2.甲醇水重整制氢技术，是20世纪80年代兴起的一种制氢技术，加拿大、英国等国家在这方面进行了大量的研究，所以该技术在工艺上已经较为成熟，成为氢燃料电池动力装置的良好选择。该技术使甲醇和纯净淡水按一定的比例混合，加热汽化并进行过热，使之达到一定的压力和温度进行重整反应。其中淡水与甲醇混合后加压送到换热器预热，再进入过热器进行汽化并过热到所需温度，甲醇水过热气在重整器中催化剂的作用下完成气相催化裂解和转化两个反应，生成含有co2、h2、co的混合气体。
3.燃料电池是一种由电化学原理控制的能量转换装置，即原电池的工作原理，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能量等温地转化为电能，从而使其实际过程还是氧化还原反应。从理论上讲，使得燃料电池在国际市场上非常经济的原因是它们的运行过程中甚至可以达到近100％的热效率。目前能够在实际中所运用的各种类燃料电池，因为被氢气运输、储运能耗等因素限制，并且考虑到装置或整个系统的耗能，所以一般燃料电池系统总的转换效率多在40％～60％范围内，但是如果要考虑排热利用的话，经过不同的优化处理可以使其总的转换效率可以达80％以上。质子交换膜燃料电池：proton exchange membrane fuel cell，简称pemfc，它是由阴极、阳极和质子交换膜组成，它的发电过程不涉及氢氧的燃烧，因此也不受卡诺循环的限制，能量转化率高，且排放物为水和水蒸气，基本是零污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，且无机械振动，低噪声低热辐射，是一种清洁高效的绿色能源，所以是发展前景很好的燃料电池。
4.反渗透造水技术ro(reverse osmosis)是利用压力差为动力的膜分离过滤技术，它的孔径小至纳米级，在一定的压力下，水分子可以通过ro膜，而海水中的其他物质比如无机盐，重金属离子，有机物，细菌和杂质等无法通过，但海水的渗透压要比淡水大，所以需要在海水测施加外部压力，从而可以达到过滤海水的目的。
5.目前，对于中小型船舶来说，由于空间小，无法携带大量的氢气作为质子交换膜燃料电池的燃料，同时，需要大量的淡水来源，由于需要克服的困难较多，导致船用燃料电池发展缓慢。


技术实现要素：

6.根据上述提出的技术问题，而提供一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统。本发明主要利用利用甲醇水重整制氢技术制取氢气，结合了反渗透造水技术制取淡水，所以此系统可较好地弥补氢气运输储存带来的问题和中小型船舶无法大量携带淡水的缺陷，也结合了三种技术的优点，从而以此系统作为船舶动力系统装置很有前景。本发明采用的技术手段如下：
7.一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统，包括依次相连的外部造水系统、重整分离系统、净化冷凝系统和质子交换膜燃料电池，
8.所述外部造水系统，用于将海水基于反渗透设备制取淡水；
9.所述重整分离系统，用于对混合淡水和甲醇的甲醇水蒸气进行重整且从重整后的混合气体中分离出氢气；
10.所述净化冷凝系统，用于对甲醇水蒸气重整分离后获取的氢气进行冷凝，制取纯净的氢气；
11.所述质子交换膜燃料电池，用于消耗制得的氢气与氧气进行发电。
12.进一步地，所述外部造水系统包括反渗透造水机、甲醇储存装置、淡水储存装置和混合器、阀组，所述反渗透造水机的输入端连接海水，所述反渗透造水机的输出端通过所述淡水储存装置连接在混合器上，所述甲醇储存装置的输出端也连接在混合器上，所述混合器的输出端通过阀组与重整分离系统相连。
13.进一步地，外部造水系统中各装置温度均为室温且压力均为1atm。
14.进一步地，所述重整分离系统包括过热器、自热重整器、分离器，其中自热重整器中将甲醇分为两部分，一部分用于燃烧以提供重整所需热量，一部分用于重整制氢，裂解转化为氢气和碳氧化物的混合气体，之后经过分离器将氢气和其他气体进行分离。
15.进一步地，所述净化冷凝系统包括净化器和冷凝器，所述净化器与分离器的输出端相连，所述净化器用于对分离器输出的气体进行净化以去除杂质，所述冷凝器与净化器的输出端相连，所述冷凝器用于去除氢气中的水分，所述冷凝器还与混合器相连，所述冷凝器输出的冷凝水回流至混合器，继续与甲醇混合进行下一步的流程。
16.进一步地，所述质子交换膜燃料电池包括氧气输入端和氢气输入端，所述氢气输入端与冷凝器的出口相连，所述质子交换膜燃料电池还与净化器的输出端相连，将其输出的阴极水作为净化器的补给。
17.本发明通过将海水利用反渗透法进行净化，使海水作为甲醇水重整制氢反应中的水来源。再利用重整制氢反应，为质子交换膜燃料电池提供燃料。这两方面就解决了船舶载水储水和载氢储氢所带来的安全、成本和空间的问题。整个系统通过各种方法对原料进行了充分的利用，也提高了系统整体的原料利用率。在船舶上，利用氢燃料质子交换膜燃料电池，必须考虑氢气的储存问题，而氢气由于自身的性质所以储存成本较高，利用甲醇水蒸气重整制氢可以有效地避免这个问题。本发明可以把造水技术、甲醇水重整技术与质子交换膜电池结合起来，使得船舶不用携带大量的淡水资源，也解决了氢气虽然是非常清洁的能源，但其运输储存成本很高，且具有很严重的安全隐患的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明系统结构图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，本发明公开了一种船用甲醇水重整制氢质子交换膜燃料电池系统，包括依次相连的外部造水系统、重整分离系统、净化冷凝系统和质子交换膜燃料电池，
22.所述外部造水系统，用于将海水基于反渗透设备制取淡水，船舶无法携带大量的水资源，外部造水部分避免了船舶水的来源问题，结合了反渗透造水技术，可以随时随地利用现有资源制得淡水，以供给重整反应，节省了空间和运输成本；
23.所述重整分离系统，用于对混合淡水和甲醇的甲醇水蒸气进行重整且从重整后的混合气体中分离出氢气；
24.所述净化冷凝系统，用于对甲醇水蒸气重整分离后获取的氢气进行净化冷凝，制取纯净的氢气；
25.所述质子交换膜燃料电池，用于消耗制得的氢气与氧气进行发电。
26.本发明首先利用反渗透法对海水进行过滤以制取淡水，在本发明的实施例中，大型船舶造水机每天的造水量可达20吨左右，其中一部分水经过脱盐处理，去除其中的钙镁离子后，再将脱盐水与甲醇按1.0-5.0的摩尔比例混合通过阀组通入预热过热装置，使混合液预热到300℃。再将过热汽化后的混合气体通入自热重整器进行重整，裂解转化为氢气和碳氧化物的混合气体。其中阀组通过燃料电池反馈装置的反馈，控制甲醇水蒸气的流量，从而控制自热重整器制造的混合器中氢气的流量。之后在250-350℃的温度下，使混合气体经过氢气纯化设备(采用变压吸附和钯膜分离装置)进行分离。分离出来的氢气通入净化器进行净化，本发明的较佳实施例中，此过程后氢气纯度可达99.9％-99.999％，完全可以满足燃料电池对氢气纯度的要求；净化后的氢气再通入冷凝器，使其温度降低至40℃。其中回流液相主要为冷凝后的水，继续回流至混合器进行下一步的工艺流程。纯氢继续通入质子交换膜燃料电池阳极并与阴极的氧气反应，最后制造电能以供船舶动系统使用。
27.具体地，所述外部造水系统包括反渗透造水机、甲醇储存装置、淡水储存装置和混合器、阀组，所述反渗透造水机的输入端连接海水，所述反渗透造水机的输出端通过所述淡水储存装置连接在混合器上，所述甲醇储存装置的输出端也连接在混合器上，所述混合器的输出端通过阀组与重整分离系统相连。外部造水系统中各装置温度均为室温且压力均为1atm。
28.所述重整分离系统包括自热重整器、分离器，其中自热重整器中将甲醇分为两部分，一部分用于燃烧以提供重整所需热量，一部分用于重整制氢，裂解转化为氢气和碳氧化物(co、co2)的混合气体，之后经过分离器将氢气和其他气体进行分离。在本发明实施例中，甲醇的理论氢气收率为18.8％(质量分数)。
29.所述净化冷凝系统包括净化器和冷凝器，所述净化器与分离器的输出端相连，所述净化器用于对分离器输出的气体进行净化以去除杂质，所述冷凝器与净化器的输出端相连，所述冷凝器用于去除氢气中的水分，所述冷凝器还与混合器相连，所述冷凝器输出的冷凝水回流至混合器，继续与甲醇混合进行下一步的流程，提高了原料的利用率。
30.所述质子交换膜燃料电池包括氧气输入端和氢气输入端，所述氢气输入端与冷凝器的出口相连，所述质子交换膜燃料电池还与净化器相连，将其阴极水作为净化器的补给。
31.大型船舶造水机每天可以制造20吨的淡水，所以此技术完全可以为甲醇水重整制氢反应提供充足的淡水，且本发明通过阀组控制混合器输出的流量，从而控制重整净化后氢气的流量，这样便可控制燃料电池阳极进口氢气流量。当负载负荷变大时，可以利用阀组等设备，加大混合器输出的流量，继而控制氢气量，避免氢气制造过多发生危险，也可避免燃料电池负荷太大而受到损坏。当船上负载最大功率为50kw，单片电池电压为0.7v时，此时燃料电池需要氢气的流量为2.7kg/h，当氢气流量超过此值时，反馈装置便将氢气流量反馈给阀组，从而控制自热重整器的氢气制造量。本发明结合了反渗透造水技术、甲醇水蒸气重整技术与质子交换膜燃料电池技术，将三种不同的技术充分发挥各自的优势。据以上总结，结合反渗透造水、甲醇水重整制氢与质子交换膜燃料电池技术作为船舶动力系统是很有前景的。
32.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。