一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器的製作方法
2023-05-17 15:07:01
專利名稱：一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器的製作方法
技術領域：
本發明屬於新能源領域的燃料電池技術，涉及一種應用於質子交換膜燃料電池和液流燃料電池的具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器。
背景技術：
燃料電池能通過把燃料和氧化劑分別在電池的兩側電極上放電實現將燃料的化學能直接轉變為電能，所以它的能量轉化率很高，不受卡諾循環能量轉換效率的限制，是傳統熱機效率的兩倍以上。通過氫燃料電池實現能量的轉換是一種高效、清潔的能源利用方式。但由於氫燃料電池使用的燃料氫氣是一種 易燃易爆的氣體，在存貯和運輸環節存在很多的問題。目前主要氫氣存貯方式有高壓氫氣罐存貯，儲氫合金存貯以及高溫催化劑重整。其中高壓氫氣罐儲氫在存儲氫壓縮過程中本身耗能大、儲氫密度低和體積大的缺點；而儲氫合金儲氫存在儲氫合金在反覆儲氫過程合金不斷粉碎細化導致合金儲氫失效等一系列問題，同時儲氫合金儲氫還存在合金本身重量大的缺陷；而高溫催化劑重整則存在重整器產出的氫氣存在一定濃度的一氧化碳氣體，能夠使燃料電池的催化劑中毒導致燃料電池不能正常工作。因而，目前燃料電池領域的發展因為燃料的原因受到極大的阻礙。
發明內容
為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供一種能滿足在低溫液態條件下通過使用低溫液相燃料重整器將小分子液態燃料在中低溫液相中轉化來得到燃料電池使用的燃料，從而解決燃料電池燃料的存貯問題的具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，包括燃料反應室、換熱器、電解室和含有催化劑的溶液，將催化劑溶液和小分子有機物溶液混合，然後將混合溶液輸送至重整器的反應室在一定的溫度和壓力條件下發生化學反應生成具有還原性質的低價態燃料溶液，從而完成燃料的轉換，而小分子的燃料則氧化成為二氧化碳和水，具有還原性的低價態燃料溶液經過換熱器換熱後降溫進入電解室，然後在電解室中用低壓電源以一定電壓電解該具有還原性的溶液在陰極獲得氫氣，同時在陽極區域具有還原性的燃料溶液被重新氧化成高化合價態的催化劑溶液，氫氣作為重整器的產物輸出到燃料電池，高化合價態的催化劑溶液進入換熱器升溫後重新進入反應室和燃料反應，形成完整的循環系統；或不需要電解室直接將降溫後的中間產物燃料溶液經過換熱器降溫後輸出到流體燃料電池作為流體燃料電池的燃料；燃料電池擁有兩種輸出模式，一種是以高純度的氫氣為燃料輸出模式，提供氫燃料電池使用，另外一種是輸出具有還原性的燃料溶液，提供液流燃料電池使用；整個重整器的工作都在系統控制器的控制下進行工作。所述的催化劑溶液是指由溶解於酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者雜多酸；同多酸為鎢酸或者鑰酸，雜多酸則為通式為[XaMb0jn_ , X=P, Si, Ge1As-,M=W, Mo, a:b=l:6，1:9,1:12 的一系列化合物，以及由 Fe、Co、N1、Cr、Cu、Al、T1、Sn、Ta、Nb、Zr元素中的一種或者幾種組合對多酸進行摻雜的摻雜形成的化合物；催化劑溶液是上述多酸或者摻雜多酸當中的一種或幾種混合而成。所述的多酸是由多酸分子和有機分子結合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2H][PMo12O40],矽鎢酸和有機分子PPY形成的(ppy)4H6[SiW12O4J超分子化合物。所述的重整器中酸性溶液是由硫酸，磷酸，鹽酸等非氧化性的有機或者無機酸中的一種或者其中的幾種混合物配製而成，配製成的溶液中其氫離子濃度為10_4 IO1moI/L0所述重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一種或者幾種組成的混合物。所述反應室內一定溫度和壓力條件是指溫度在20 200°C，壓力為O.1 20MPa。
所述的低壓電源是指由燃料電池輸出功率的一小部分電能通過電源變換器得到提供給重整器的電解室。一定電壓是指O.1 O. 2V的低壓電流。所述的系統控制器是指帶有壓力傳感器、溫度傳感器、安全閥、催化劑溶液濃度測試傳感器、酸度測試傳感器、反應室輔助加熱系統、微型電動調節閥、微型泵，系統控制器和反應容器組成的一個有機成套系統。所述輔助加熱系統是利用燃料和空氣在輔助加熱系統內部燃燒產生的熱量來工作。所述的換熱器是指能夠起到將從反應室出來溫度高的溶液降溫後給電解室使用，同時將從電解室出來的低溫溶液預熱後加注到反應室，起到提供整個重整器系統能量效率的目的。所述的換熱器同時擁有多組換熱管在同一換熱器內部，換熱器還負責將燃料電池工作的時候釋放的熱量吸收給重整器系統使用，同時持燃料電池工作過程中的恆溫性，使燃料電池系統工作在最佳狀態下。所述的電解室具有陰極極板，陽極極板，隔膜，氣體儲藏室，燃料溶液進、出口閥門，氣體出口閥門，壓力傳感器和溫度傳感器。本發明的積極效果是重整器產生的氫氣燃料完全沒有CO，能有效的防止氫燃料電池鉬金催化劑的中毒，提高以氫氣為燃料的燃料電池的輸出功率。徹底解決氫燃料電池燃料的貯藏問題；實能量轉化效率高，遠高於其他高溫燃料重整器的工作效率；該重整器的啟動溫度低，能在低溫下30°C左右就開始具有燃料的重整反應，隨著反應溫度的提高其單位時間重整速度變快。相對於其他重整器高達200 300°C的工作溫度具有明顯的優勢；該重整器同時能夠有效的利用燃料電池工作過程中產生的熱量，提高了整個燃料電池的效率；該重整器能為大型燃料電堆提供燃料轉化，可也設計成微型反應器為小功率燃料電池提轉化後的燃料。前者適合於大中型燃料電池作為動力電源使用，後者適合微型燃料電池作為電子產品電源使用。
圖1是本發明的結構示意圖。圖2是圖1中B處放大圖。圖中1_燃粉儲罐、2-壓電液流泵、3-溫度表、4-壓力表、5-圖表、6-壓電泵、7-高溫多酸溶液、8-換熱器、9-低溫多酸溶液、10-隔膜、11-負極、12-正極、13-氫氣出口。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明進一步說明。一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，它屬於新能源技術中的燃料電池，涉及一種應用於質子交換膜燃料電池和液流燃料電池用燃料重整轉換的重整器，該重整器可以產出高純無CO的氫氣供質子交換膜燃料電池使用，也可以輸出具有還原性的燃料溶液供液流燃料電池使用，能滿足在低溫液態條件下通過使用低溫液相燃料重整器將類似甲醇、甲醛和甲酸等容易運輸存貯的小分子液態燃料在中低溫液相中轉化來得到燃料電池使用的燃料，從而解決燃料電池燃料的存貯問題。一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，包括燃料反應室、換熱器、電解室和含有催化劑的溶液，將催化劑溶液和小分子有機物溶液混合，然後將混合溶液輸送至重 整器的反應室在一定的溫度和壓力條件下發生化學反應生成具有還原性質的低價態燃料溶液，從而完成燃料的轉換，而小分子的燃料則氧化成為二氧化碳和水，具有還原性的低價態燃料溶液經過換熱器換熱後降溫進入電解室，然後在電解室中用低壓電源以一定電壓電解該具有還原性的溶液在陰極獲得氫氣，同時在陽極區域具有還原性的燃料溶液被重新氧化成高化合價態的催化劑溶液，氫氣作為重整器的產物輸出到燃料電池，高化合價態的催化劑溶液進入換熱器升溫後重新進入反應室和燃料反應，形成完整的循環系統。該重整器也可以不需要電解室直接將降溫後的中間產物燃料溶液經過換熱器降溫後輸出到流體燃料電池作為流體燃料電池的燃料；整個重整器的工作都在系統控制器的控制下進行工作。所述的催化劑溶液是指由溶解於酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者雜多酸。同多酸為鎢酸或者鑰酸，雜多酸則為通式為[XaMbO4Jn_ , X=P, Si, Ge1As-,M=W, Mo, a:b=l:6，1:9,1:12 的一系列化合物。以及由 Fe、Co、N1、Cr、Cu、Al、T1、Sn、Ta、Nb、Zr等元素一種或者幾種組合對多酸進行摻雜的摻雜形成的化合物；催化劑溶液可以是上述多酸或者摻雜多酸當中的一種或幾種混合而成。所述的多酸也可以是由多酸分子和有機分子結合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2Hl [PMo12O40],矽鎢酸和有機分子PPY形成的(PPy)4H6[SiW12O4tl]等超分子化合物。所述的重整器中酸性溶液是由硫酸，磷酸，鹽酸等非氧化性的有機或者無機酸中的一種或者其中的幾種混合物配製而成，配製成的溶液中其氫離子濃度為10_4 IO1moI/L0所述的重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一種或者幾種組成的混合物。所述反應室內一定溫度和壓力條件是指溫度在20 200°C，壓力為O.1 20MPa。所述的低壓電源是指由燃料電池輸出功率的一小部分電能通過電源變換器得到提供給重整器的電解室。一定電壓是指O.1 O. 2V的低壓電流。所述的系統控制器是指帶有壓力傳感器、溫度傳感器、安全閥、催化劑溶液濃度測試傳感器、酸度測試傳感器、反應室輔助加熱系統、微型電動調節閥、微型泵，系統控制器和反應容器等組成的一個有機成套系統。
所述的輔助加熱系統是利用燃料和空氣在輔助加熱系統內部燃燒產生的熱量來工作。所述的換熱器是指能夠起到將從反應室出來溫度高的溶液降溫後給電解室使用，同時將從電解室出來的低溫溶液預熱後加注到反應室，起到提供整個重整器系統能量效率的目的。所述的換熱器同時擁有多組換熱管在同一換熱器內部，換熱器還負責將燃料電池工作的時候釋放的熱量吸收給重整器系統使用，同時持燃料電池工作過程中的恆溫性，使燃料電池系統工作在最佳狀態下。
所述的電解室具有陰極極板，陽極極板，隔膜，氣體儲藏室，燃料溶液進、出口閥門，氣體出口閥門，壓力傳感器和溫度傳感器。所述的燃料電池擁有兩種輸出模式，一種是以高純度的氫氣為燃料輸出模式，提供氫燃料電池使用，另外一種是輸出具有還原性的燃料溶液，提供液流燃料電池使用。本發明的重整器產生的氫氣燃料完全沒有CO，能有效的防止氫燃料電池鉬金催化劑的中毒，提高以氫氣為燃料的燃料電池的輸出功率。徹底解決氫燃料電池燃料的貯藏問題；實能量轉化效率高，遠高於其他高溫燃料重整器的工作效率；
該重整器的啟動溫度低，能在低溫下30°C左右就開始具有燃料的重整反應，隨著反應溫度的提高其單位時間重整速度變快。相對於其他重整器高達200 300°C的工作溫度具有明顯的優勢；該重整器同時能夠有效的利用燃料電池工作過程中產生的熱量，提高了整個燃料電池的效率；該重整器能為大型燃料電堆提供燃料轉化，可也設計成微型反應器為小功率燃料電池提轉化後的燃料。前者適合於大中型燃料電池作為動力電源使用，後者適合微型燃料電池作為電子產品電源使用。
實施例1 :
按圖1和圖2說明的方案採用不鏽鋼加工成一個C 100X 150mm的小型壓力容器，設計壓力2MPa，分別在罐體上按照圖示加工安裝溫度傳感器，壓力傳感器，PH傳感器，輔助加熱系統的加熱管進料口，出料口以及對應的閥門，得到所需的反應室，採用不鏽鋼加工一個0 100X 130mm的容器，裡面排布兩組毛細銅管做為換熱器的熱交換管，並安裝對應的閥門得到所需的換熱器。採用PP塑料加工300X200X 150mm的密封結構的塑料槽，在內部按照圖示排列陰極板，隔膜，陽極板，連接陰極電源總線，陽極電源總線，進料口閥門，出料口閥門，氣體輸出口閥門得到所述的電解室。將反應室，熱交換器，電解室，控制器連接安裝完畢並檢查氣密性，得到所需要的重整器。多酸酸性轉換液的配置，取純水1L，加入IOOg鑰酸銨，攪拌溶解，加入20ml分析純H3P04，然後將溶液加熱至80°C保溫30分鐘，降低溫度冷卻，過濾溶液得到所需要的多酸酸性轉換溶液，將該溶液加入的到重整器反應室體積的三分之二處；使用蠕動泵通過燃料加入口將甲醇加入到重整器總，加入量通過傳感器控制；重整器工作時的加熱由燃料電池電堆散熱器提供；反應室產生具有較強還原性質的深藍色溶液，由燃料輸出口流出，經過換熱器降溫後進入電解室，在電解室中使用燃料電池自身輸出的部分電流經過變換器降到O.1 O. 2V提供給電解室使用，電解室中間產物燃料被電解室陽極氧化消耗後溶液重新進入反應室再生，不斷循環。電解室陰極板上產生的氫氣輸送到燃料電池。該重整器適合大功率氫燃料電池使用。
實施例2
按
的方案採用不鏽鋼加工成一個0 100X 150_的小型壓力容器，設計壓力2MPa，分別在罐體上按照圖示加工安裝溫度傳感器，壓力傳感器，PH傳感器，輔助加熱系統的加熱管進料口，出料口以及對應的閥門，得到所需的反應室。按照圖示採用不鏽鋼加工一個0 100X 130mm的容器，裡面排布兩組毛細銅管做為換熱器的熱交換管，並安裝對應的閥門得到所需的換熱器。按照圖示3採用PP塑料加工300X200X 150mm的密封結構的塑料槽，在內部排列陰極板，隔膜，陽極板，連接陰極電源總線，陽極電源總線，進料口閥門，出料口閥門，氣體輸出口閥門得到所述的電解室。將反應室，熱交換器，電解室，控制器連接安裝完畢並檢查氣密性，得到所需要的重整器。多酸性轉換液的配置，取高純水1L，加入80g鑰酸銨20克鎢酸銨，10克硫酸亞鐵攪拌溶解後加入50克檸檬酸攪拌使之溶解，然後加入1:3稀釋後的分析純H2S0445ml，然後將溶液加熱至80°C保溫30分鐘，然後降低溫度冷卻，過濾溶液得到所需要的多酸酸性轉換溶液，將該溶液加入的到重整器反應室體積的三分之二處。使用蠕動泵通過燃料加入口將甲醇加入到重整器總，加入量通過傳感器控制。重整器工作時的加熱由燃料電池電堆散熱器提供。反應室產生具有較強還原性質的深藍色溶液，由燃料輸出口流出，經過換熱器降溫後進入電解室，在電解室中使用燃料電池本來輸出的部分電流經過變換器降到O.1 O. 2V提供給電解室使用，電解室中間產物燃料被電解室陽極氧化消耗後溶液重新進入反應室再生，不斷循環。電解室陰極板上產生的氫氣輸送到燃料電池，作為燃料電池的電源。該重整器適合大功率氫燃料電池使用。實施例3
按
的方案採用不鏽鋼加工成一個0 100X 150_的小型壓力容器，設計壓力2MPa，分別在罐體上按照圖示加工安裝溫度傳感器，壓力傳感器，pH傳感器，輔助加熱系統的加熱管進料口，出料口以及對應的閥門，得到所需的反應室。按照圖示採用不鏽鋼加工一個0 100X 130mm的容器，裡面排布兩組毛細銅管做為換熱器的熱交換管，並安裝對應的閥門得到所需的換熱器。將反應室，熱交換器，控制器連接安裝完畢並檢查氣密性，得到所需要的重整器。酸性轉換液的配置，取高純水IL加入IOOg鑰酸銨攪拌均勻後，加入1:3分析純H2S04，60ml，然後將溶液加熱至80°C，降低溫度冷卻，過濾溶液得到所需要的酸性轉換溶液，將該溶液加入的到重整器反應室體積的三分之二處。使用蠕動泵通過燃料加入口將甲醇加入到重整器總，加入量通過傳感器控制。重整器工作時的加熱由燃料電池電堆散熱器提供。反應室產生具有較強還原性質的深藍色溶液，由燃料輸出口流出，經過換熱器降 溫後進入提供給液流燃料電池使用，中間產物燃料在液流燃料電池被在負極放電後溶液重新進入反應室再生，不斷循環。該重整器適合大功率液流燃料電池使用。
權利要求
1.一種具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是包括燃料反應室、換熱器、電解室和含有催化劑的溶液，將催化劑溶液和小分子有機物溶液混合，然後將混合溶液輸送至重整器的反應室在溫度在20 200°C、壓力為O.1 20MPa的條件下發生化學反應生成具有還原性質的低價態燃料溶液，從而完成燃料的轉換，而小分子的燃料則氧化成為二氧化碳和水，具有還原性的低價態燃料溶液經過換熱器換熱後降溫進入電解室，然後在電解室中用低壓電源以一定電壓電解該具有還原性的溶液在陰極獲得氫氣，同時在陽極區域具有還原性的燃料溶液被重新氧化成高化合價態的催化劑溶液，氫氣作為重整器的產物輸出到燃料電池，高化合價態的催化劑溶液進入換熱器升溫後重新進入反應室和燃料反應，形成完整的循環系統；或不需要電解室直接將降溫後的中間產物燃料溶液經過換熱器降溫後輸出到流體燃料電池作為流體燃料電池的燃料；燃料電池擁有兩種輸出模式，一種是以高純度的氫氣為燃料輸出模式，提供氫燃料電池使用，另外一種是輸出具有還原性的燃料溶液，提供液流燃料電池使用；整個重整器的工作都在系統控制器的控制下進行工作。
2.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的催化劑溶液是指由溶解於酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者雜多酸；同多酸為鎢酸或者鑰酸，雜多酸則為通式為[XaMbO4Jn- ,X=P, Si, Ge, As-, M=W, Mo,a:b=l:6，1:9, 112 的一系列化合物，以及由 Fe、Co、N1、Cr、Cu、Al、T1、Sn、Ta、Nb、Zr 元素中的一種或者幾種組合對多酸進行摻雜的摻雜形成的化合物；催化劑溶液是上述多酸或者摻雜多酸當中的一種或幾種混合而成。
3.如權利要求2所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的多酸是由多酸分子和有機分子結合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2H] [PMo12O40],矽鎢酸和有機分子PPY形成的(ppy)4H6[SiW12O4J超分子化合物。
4.如權利要求2所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的重整器中酸性溶液是由硫酸，磷酸，鹽酸等非氧化性的有機或者無機酸中的一種或者其中的幾種混合物配製而成，配製成的溶液中其氫離子濃度為10_4 lOkol/L。
5.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一種或者幾種組成的混合物。
6.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的低壓電源是指由燃料電池輸出功率的一小部分電能通過電源變換器得到提供給重整器的電解室，一定電壓是指O.1 O. 2V的低壓電流。
7.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述系統控制器是指帶有壓力傳感器、溫度傳感器、安全閥、催化劑溶液濃度測試傳感器、酸度測試傳感器、反應室輔助加熱系統、微型電動調節閥、微型泵，系統控制器和反應容器組成的一個有機成套系統。
8.如權利要求7所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述輔助加熱系統是利用燃料和空氣在輔助加熱系統內部燃燒產生的熱量來工作。
9.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的換熱器是指能夠起到將從反應室出來溫度高的溶液降溫後給電解室使用，同時將從電解室出來的低溫溶液預熱後加注到反應室，起到提供整個重整器系統能量效率的目的；所述的換熱器同時擁有多組換熱管在同一換熱器內部，換熱器還負責將燃料電池工作的時候釋放的熱量吸收給重整器系統使用，同時持燃料電池工作過程中的恆溫性，使燃料電池系統工作在最佳狀態下。
10.如權利要求1所述具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，其特徵是所述的電解室具有陰極極板，陽極極板，隔膜，氣體儲藏室，燃料溶液進、出口閥門，氣體出口閥門，壓力傳感器和溫度傳感器。
全文摘要
本發明涉及具有兩種輸出形式的低溫液相燃料重整器，將催化劑溶液和小分子有機物溶液混合，然後將混合溶液輸送至重整器的反應室在溫度在20～200℃、壓力為0.1～20MPa的條件下發生化學反應生成具有還原性質的低價態燃料溶液，從而完成燃料的轉換，而小分子的燃料則氧化成為二氧化碳和水，具有還原性的低價態燃料溶液經過換熱器換熱後降溫進入電解室，然後在電解室中用低壓電源以一定電壓電解該具有還原性的溶液在陰極獲得氫氣，同時在陽極區域具有還原性的燃料溶液被重新氧化成高化合價態的催化劑溶液，氫氣作為重整器的產物輸出到燃料電池，高化合價態的催化劑溶液進入換熱器升溫後重新進入反應室和燃料反應，形成完整的循環系統。
文檔編號H01M8/02GK103022537SQ20121058919
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者劉軍 申請人:劉軍