燃料电池用集成式制氢装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体是关于一种燃料电池用集成式制氢装置。


背景技术：

2.燃料电池因能量利用率高、碳排放量少，被认为是未来重要的能源利用形式，根据电池中传导离子类型的区别主要分为氧化物类燃料电池和质子类燃料电池。其中高温氧化物燃料电池因整体效率高，有望替代燃机发电成为新一代发电技术的核心装备。然而无论是固体氧化物燃料电池还是质子交换膜燃料电池均需要碳氢化合物提供能源物质，其直接可利用的能源物质为氢气。燃料电池内部应具备稳定高效的制氢系统。
3.目前通用的制氢系统包括两类：外重整系统和内重整系统。内重整系统是指天然气通过燃料电池的电堆系统时既能实现氢气的制备，又能实现离子传导发电，是一种集成度更高的系统，然而该类系统目前尚处于不成熟的技术状态。外重整系统是指，碳氢化合物通过燃料电池外置的高效集成的制氢系统进行氢气制备，完成碳氢化合物的转化与氢气的制取，该技术往往需要将脱硫、蒸汽发生、换热、转化、变换等过程集成在一起，是一种高集成度、高效换热的过程。
4.目前，国内外对于此方面提出了多项改进方案和措施。例如：现有技术之一公开了一种天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的方法及装置，该技术提出了一种四换热的工艺方案，同时利用对质子交换膜燃料电池无毒害的制氢原料气天然气作为钯膜内侧的吹扫气，降低膜内侧的氢气分压，从而提高膜内外氢气分压压差，从而提高天然气重整制氢系统与燃料电池集成系统的整体发电效率。该方法采用多重换热，装置结构较为复杂，集成度相对较低；
5.现有技术之二公开了一种封闭式燃料电池氢源系统，包括甲醇供应装置、液氧装置、二氧化碳储备装置、水储备装置、导热油储备系统和甲醇制氢装置系统；其中：甲醇制氢装置中包括制燃烧蒸发器、重整器、燃烧器、一氧化碳选择性氧化反应器以及其他辅助系统；燃烧器、重整器、蒸发器和co选择性氧化反应器的总体模块化。本发明的虽然能够实现整体系统的封闭运行，对甲醇燃料的消耗有一定节省作用，但该系统装置集成度低，不适用于小型的固体氧化物燃料电池的模块化使用。
6.现有技术之三公开了一种分体换热式富氢燃料重整制氢系统。该系统包括供热单元、原料加热换热器、重整器、co净化脱除单元，重整器为换热与重整反应同时进行的板翅式反应器。该系统结构性对独立，可以实现对原料的灵活处置，系统相对稳定。但该装置模块化程度低，集成度低，有待进一步完善。
7.现有技术之四公开了一种基于天然气重整制氢和燃料电池的复合联供系统，包括天然气制氢系统、吸收式制冷系统、布雷顿循环系统、燃料电池、有机朗肯循环系统和供能系统。其中，天然气制氢系统通过布雷顿循环所提供的热源，以天然气为原料重整制氢；燃料电池以天然气为原料进行反应发电，产生的废气在驱动有机朗肯循环的运行后，继续给用户供热。灵活地实现了冷、热、电、氢的复合联供。该系统为冷、热、电、氢联供系统，制氢系
统热交换为整体设计，与单纯制氢系统存在较大差异。
8.因此，亟需一种紧凑式、集成高效换热、转化、变换的制氢装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

9.针对上述问题，本发明的目的是提供一种燃料电池用集成式制氢装置，能够将高效换热、转化和变换集成在一起，且结构简单、紧凑。
10.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
11.本发明所述的燃料电池用集成式制氢装置，包括：箱体，用于为制氢过程提供密闭空间；天然气换热管路，设置于所述箱体内，且所述天然气换热管路的入口由箱体的一侧伸出，所述天然气换热管路用于通入天然气并对天然气进行换热；水蒸气换热管路，设置于所述箱体内，且所述水蒸气换热管路的入口由箱体的另一侧伸出，所述水蒸气换热管路用于通入水并对水进行换热，使其成为水蒸气；重整入口混合器，设置于所述箱体内，其第一入口与所述天然气换热管路的出口连通，其第二入口与所述水蒸气换热管路的出口连通，所述重整入口混合器用于将水蒸气和天然气混合；重整反应器，设置于所述箱体内且位于所述重整入口混合器的下方，所述重整反应器的顶部入口与所述重整入口混合器的出口连通，所述重整反应器用于使天然气和水蒸气在其中充分反应并生成co和h2；燃烧器，设置于所述箱体内且位于所述重整反应器的下方，其第一入口接入天然气输入管路，其第二入口接入空气输入管路，所述燃烧器用于使天然气和空气混合并燃烧，为制氢过程提供高温条件。
12.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，还包括变换反应器，若干个变换反应器绕所述重整反应器周向设置且位于所述箱体内，每个所述变换反应器的入口通过变换反应入口管路与所述重整反应器的底部出口连通，其出口接入变换反应出口管路后汇入产品气输出管路，所述变换反应器用于将co和水蒸气反应生成co2和h2。
13.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，还包括烟气出口，所述烟气出口设置于所述箱体的顶部。
14.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，由空气输入管路通入燃烧器的空气与由天然气输入管路通入燃烧器的天然气的流量比为5:1—15:1。
15.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述重整反应器内设置有催化剂；所述重整反应器入口气中甲烷与水蒸气体积比为10-2，入口气温度为500-800℃；入口气硫含量小于0.1ppm。
16.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述催化剂为镍基催化剂，其空速为5000-40000h-1
。
17.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述天然气换热管路包括依次连接的天然气底部换热管路和天然气侧壁换热管路，常温状的天然气由天然气换热管路的入口通入，经天然气底部换热管路换热后温度为200～300℃，再经天然气侧壁换热管路换热后温度为400～450℃；所述水蒸气换热管路包括依次连接的水蒸气底部换热管路和水蒸气侧壁换热管路，常温状的水由水蒸气换热管路的入口通入蒸发为水蒸气，经水蒸气底部换热管路换热后温度为200～300℃，再经水蒸气侧壁换热管路换热后温度为400～450℃。
18.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述重整入口混合器的第一入口的
天然气和第二入口的水蒸气的温度分别为400～450℃；所述重整入口混合器的出口混合气体的温度为500-800℃。
19.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述变换反应器的入口气体的温度为300-500℃，其出口气体温度为400-600℃，其输出的产品气一氧化碳含量小于1％。
20.所述的燃料电池用集成式制氢装置，优选地，所述箱体外层采用耐高温的材料制作，箱体内层采用耐高温的保温材料制作。
21.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
22.(1)本发明系统集成度高：制氢装置单独成模块，继承了换热、蒸汽发生、转化、变换等过程；
23.(2)本发明换热效率高：本装置可将常温的水蒸发加热制重整温度范围；
24.(3)本发明转化效率高：本装置可将天然气转化为合成气，通过变换反应将90％的一氧化碳转化为二氧化碳，增加产氢量；
25.(4)本发明为不同场景应用奠定基础。
附图说明
26.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
27.图1是本发明的结构示意图。
28.附图中各标记表示如下：
29.1-箱体；2-天然气换热管路；3-水蒸气换热管路；4-重整入口混合器；5-重整反应器；6-燃烧器；7-天然气输入管路；8-空气输入管路；9-变换反应器；10-变换反应入口管路；11-变换反应出口管路；12-产品气输出管路；13-烟气出口。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
31.本发明提供一种燃料电池用集成式制氢装置，通过设置在箱体内的天然气换热管路、水蒸气换热管路、重整入口混合器、重整反应器、变换反应器和燃烧器，能够将高效换热、转化和变换反应集成在一起，且结构简单、紧凑。
32.如图1所示，本发明提供的燃料电池用集成式制氢装置，包括：箱体1，用于为制氢过程提供密闭空间；天然气换热管路2，设置于所述箱体1内，且天然气换热管路2的入口由箱体1的一侧伸出，天然气换热管路2用于通入天然气并对天然气进行换热；水蒸气换热管路3，设置于箱体1内，且水蒸气换热管路3的入口由箱体1的另一侧伸出，水蒸气换热管路3用于通入水并对水进行换热，使其成为水蒸气；重整入口混合器4，设置于箱体1内，其第一入口与天然气换热管路2的出口连通，其第二入口与水蒸气换热管路3的出口连通，重整入口混合器4用于将水蒸气和天然气混合；重整反应器5，设置于箱体1内且位于重整入口混合
器4的下方，重整反应器5的顶部入口与重整入口混合器4的出口连通，重整反应器5用于使天然气和水蒸气在其中充分反应并生成co和h2；燃烧器6，设置于箱体1内且位于重整反应器5的下方，其第一入口接入天然气输入管路7，其第二入口接入空气输入管路8，所述燃烧器用于使天然气和空气混合并燃烧，为制氢过程提供高温条件。
33.在上述实施例中，优选地，本发明还包括变换反应器9，若干个变换反应器9绕重整反应器5周向设置且位于箱体1内，每个变换反应器9的入口通过变换反应入口管路10与重整反应器5的底部出口连通，其出口接入变换反应出口管路11后汇入产品气输出管路12，变换反应器9用于将co和水蒸气反应生成co2和h2。
34.在上述实施例中，优选地，本发明还包括烟气出口13，烟气出口13设置于箱体1的顶部，用于排放燃烧器6产生的烟气。
35.在上述实施例中，优选地，由空气输入管路8通入燃烧器的空气与由天然气输入管路7通入燃烧器的天然气的流量比为5:1—15:1。
36.在上述实施例中，优选地，重整反应器5内设置有催化剂；重整反应器5入口气中甲烷与水蒸气体积比为10-2，入口气温度为500-800℃；入口气硫含量小于0.1ppm。
37.在上述实施例中，优选地，催化剂为镍基催化剂，其空速为5000-40000h-1
。
38.在上述实施例中，优选地，天然气换热管路2包括依次连接的天然气底部换热管路和天然气侧壁换热管路，常温状(一般为25℃)的天然气由天然气换热管路的入口通入，经天然气底部换热管路换热后温度为200～300℃，再经天然气侧壁换热管路换热后温度为400～450℃；水蒸气换热管路3包括依次连接的水蒸气底部换热管路和水蒸气侧壁换热管路，常温状(一般为25℃)的水，由水蒸气换热管路的入口通入时变为水蒸气，经水蒸气底部换热管路换热后温度为200～300℃，再经水蒸气侧壁换热管路换热后温度为400～450℃。
39.在上述实施例中，优选地，重整入口混合器4的第一入口的天然气和第二入口的水蒸气的温度分别为400～450℃；重整入口混合器4的出口混合气体的温度为500-800℃。
40.在上述实施例中，优选地，变换反应器9的入口气体的温度为300-500℃，其出口气体温度为400-600℃，其输出的产品气一氧化碳含量小于1％。
41.在上述实施例中，优选地，箱体1外层采用耐高温的材料制作，箱体1内层采用耐高温的保温材料制作。具体的，外层一般采用耐高温合金等，内层保温材料一般为石棉、气凝胶类保温材料。
42.本发明的工作过程为：
43.(1)将常温的天然气从天然气换热管路通入并经其换热，将常温的水从水蒸气换热管路通入并经其换热；
44.(2)将换热后的天然气和水在重整入口混合器中混合后通入重整反应器中，并在催化剂和高温作用下反应，生成co和h2；
45.(3)将混有水蒸气的co和h2通入变换反应器中，使co和h2o反应生成co2和h2；
46.(4)燃烧器为反应过程提供高温条件，箱体为反应过程提供密闭条件。
47.最后应说明的是：以上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精神和
范围。