[发明专利]一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种重整制氢集成系统，特别适用于为1-200kW级燃料电池现场提供的富氢气体。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢为燃料，通过电极反应将化学能直接转化为电能，能量转换效率高，对环境污染小。目前PEMFC氢源技术有两类：一是燃料电池携带纯氢；二是富氢燃料现场制氢。因为纯氢价格高、安全性差、纯氢的输送储存及加注困难，导致使用纯氢必然限制了燃料电池的规模应用。液相醇类、烃类重整现场制氢技术是最现实的燃料电池氢源技术，它具有能量密度高、能量转换效率高，燃料容易运输、补充和储存，在经济性、安全性等方面也具有很明显的优势。利用燃料重整制氢的方式与PEMFC联合已成为国际的通用方法。

PEMFC燃料电池对氢气质量要求高，有害杂质(如CO)含量要求在ppm级，同时要求制氢系统小型化和具有高的比功率，这就使得燃料电池氢源技术已经成为燃料电池从展览品走向市场的瓶颈之一。为满足PEMFC燃料电池对氢气质量的要求，一般的制氢系统主要由重整反应器、CO消除系统(包括变换反应器、净化反应器或PSA装置)组成。如何通过优化体系的物流和能流分配，使各个单元反应器达到最佳的能量利用效率，同时使反应系统更加小型化、集成化，进而提高全系统的能量效率，是氢源技术实用化的根本前提。

发明内容

本发明目的在于提供一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统，整个系统包括重整反应器、变换反应器组、CO净化反应器组和催化燃烧蒸发器及第一至五换热器、物流分配器、混合器、第一、第二原料储罐和第一、第二空气压缩机；

重整反应器内装有重整催化剂，变换反应器组的每段反应器内均装有相应的变换催化剂、CO净化反应器组的每段反应器内均装有CO净化催化剂，催化燃烧蒸发器内装有催化燃烧催化剂；第二储罐与催化燃烧蒸发器原料入口相连，第一空气压缩机与催化燃烧蒸发器气体入口相连，催化燃烧蒸发器的物料出口经第四换热器换热后再经第五换热器换热后排出系统；重整反应器气体入口与第一空气压缩机相连，重整反应器物料出口经第一换热器换热后与变换反应器组物料入口相连，

变换反应器组物料出口经第二换热器换热后与CO净化反应器组物料入口相连，CO净化反应器组物料出口经第三换热器换热后与燃料电池相连；第二原料储罐经第一换热器换热后与混合器物料入口相连，第二空压机的气体经第五换热器换热后与CO净化反应器组气体入口相连；第一原料储罐的水出口经物流分配器分成二路后，二路水分别经第二换热器和第三换热器换热后与混合器水入口相连；混合器物料出口经第四换热器换热后与重整反应器重整反应原料入口相连。

第一空气压缩机与催化燃烧蒸发器间的相连管路上设有第一阀门；根据用户对产品气中氢气浓度的不同要求，制氢集成系统可以通过调节第一阀门，使得重整反应原料可以在重整反应器内进行自热重整反应或水蒸汽重整反应，从而得到不同浓度的含氢气体。

第二原料储罐与催化燃烧蒸发器间的相连管路上设有第二阀门；

CO净化反应器组物料出口经第三换热器换热后与一三通相连，三通的一个出口与燃料电池相连，三通的另一个出口经第三阀门通过管道与催化燃烧蒸发器原料入口相连；

当制氢集成系统经过启动阶段进入到稳定运行阶段时，打开第三阀门同时关闭第二阀门，部分产品气沿管道进入到催化燃烧蒸发器内代替来自第二储罐中重整原料与来自第一空气压缩机的空气进行催化燃烧反应，从而维持整个系统的稳定运行。

第二原料储罐与催化燃烧蒸发器间的相连管路上设有第二阀门；第二原料储罐与第一换热器间的相连管路上设有第四阀门；

第二阀门、第四阀门为电磁阀；在重整第二原料储罐的物料出口处设置电磁阀，可通过信号反馈实现系统紧急停车，以保证重整制氢集成系统的实验安全性。

重整反应器、变换反应器组、CO净化反应器组和催化燃烧蒸发器进口处均设计安装气体分布器，用以改善进入各反应器的反应物料分布，提高催化剂的有效利用率。CO净化反应器的气体分布器前还设置有气体混合气，保证不同的反应气体之间的充分混合。

重整反应器、变换反应器组、CO净化反应器组和催化燃烧蒸发器之间均分别由换热器连接，冷态重整原料和水通过换热器换热，可以被预热和汽化(或部分汽化)，同时调节各段反应器进口物料温度，保证各段反应器最佳反应温度，进而提高制氢系统的总热量利用率和体积比功率。