一种燃料电池供电系统的制作方法

文档序号:16562878发布日期:2019-01-08 22:27
一种燃料电池供电系统的制作方法

本实用新型涉及一种燃料电池供电系统,属于燃料电池技术领域。



背景技术:

聚乙烯醇生产过程中, 单体醋酸乙烯在引发剂的存在下, 通过溶液聚合法生成聚醋酸乙烯(甲醇溶液),聚醋酸乙烯在催化剂氢氧化钠的作用下发生化学反应生成聚乙烯醇,同时产生副产物醋酸甲酯。国内聚乙烯醇行业生产1吨聚乙烯醇的蒸汽消耗先进水平为21吨,将醋酸甲酯催化分解、精制甲醇和醋酸的过程中需要消耗5吨蒸汽,同时产生大量的酸性废水。因此,如何处理聚乙烯醇生产中的副产物醋酸甲酯,以降低聚乙烯醇制造成本,减少环境污染,一直是国内聚乙烯醇行业亟待解决的难题。



技术实现要素:

本实用新型的目的是:利用工业生产聚乙烯醇过程中副产的乙酸甲酯作为原料,通过转化为主要含有甲醇和乙醇的原料,通过燃料电池进行发电。

技术方案是:

一种燃料电池供电系统,包括:

第一精馏塔,连接于聚乙烯醇生产过程中的醇解废液管,用于对醇解废液进行精馏,从塔顶得到含有乙酸甲酯的轻组分;

萃取精馏塔,连接于第一精馏塔的塔顶,在萃取精馏塔上部还设有进水口,用于对含有乙酸甲酯的轻组分进行萃取精馏,从塔顶得到去除甲醇的含有乙酸甲酯的轻组分,在塔底得到含有甲醇和水的重组分;

第二精馏塔,连接于萃取精馏塔的底部,用于对含有甲醇和水的重组分进行精馏分离,塔顶得到含有甲醇的轻组分;

第一醇类燃料电池,连接于第二精馏塔的底部,用于利用甲醇作为原料进行发电;

渗透汽化膜,连接于萃取精馏塔的顶部,用于对萃取精馏塔得到的去除甲醇的含有乙酸甲酯的轻组分进行脱水;

加氢反应器,连接于渗透汽化膜的渗透侧,用于对脱水后的乙酸甲醇进行加氢反应,得到含有甲醇和乙醇的反应物;

第二醇类燃料电池,连接于加氢反应器的反应物出口,用于利用到含有甲醇和乙醇的反应物作为原料进行发电。

在一个实施例中,所述的渗透汽化膜中安装的是NaA分子筛膜、NaY分子筛膜或者PVA膜中的一种。

在一个实施例中,加氢反应器中装有沉积沉淀法制备的Cu-Zn-Al催化剂。

在一个实施例中,第二精馏塔是浮阀塔。

在一个实施例中,第一醇类燃料电池6和/或第二醇类燃料电池7中安装的是全氟磺酸型离子交换膜。

有益效果

本实用新型利用了工业副产物乙酸甲酯,通过多步转化和分离,将其转化为可以供燃料电池发电的醇类,通过直接醇类燃料电池组件进行发电,实现了工业副产物的再利用发电,扩展了副产物的应用。

本实用新型的整体技术构思是:由于聚乙烯醇生产过程中的醇解废液中主要含有乙酸甲酯、甲醇、醋酸钠、水、乙醛,因此,为了获得乙酸甲酯,可以先通过第一精馏塔将其中的醋酸钠、水、乙醛等组分作为重组分去除,从第一精馏塔上得到含有甲醇、乙酸甲酯和水的轻组分混合物,其中的甲醇可以直接作为原料进行燃料电池发电,因此可以通过萃取精馏的方法直接将甲醇分离得到,本步骤中的萃取精馏可以根据本领域技术人员所熟知的方法进行操作(聚乙烯醇副产物的利用及精醋酸甲酯的生产,徐凌云,安徽化工,第40卷,第5期,2014 年10月),通过萃取之后,可以得到主要含有甲醇和水的重组分,通过常规的甲醇和水的精馏分离塔,即可得到纯度较高的甲醇;而在萃取精馏塔顶得到含有乙酸甲酯和甲醇以及少量水的轻组分,通过渗透汽化膜的脱水之后,可以通过加氢反应器,可以对乙酸甲酯加氢处理,得到含有甲醇和乙醇的反应物,也就是说,通过加氢转化后,也能够使剩余的乙酸酯转化为可以供燃料电池发电的醇类。以上的整体技术方案,实现了全部醇解副产物中的有效可发电原料的综合利用。

附图说明

图1是本发明提供的发电系统结构图。

图2是第一醇类燃料电池6极化和功率密度曲线。

图3是第二醇类燃料电池7极化和功率密度曲线。

其中,1、第一精馏塔;2、萃取精馏塔;3、第二精馏塔;4、渗透汽化膜;5、加氢反应器;6、第一醇类燃料电池;7、第二醇类燃料电池; 8、进水口。

具体实施方式

本实用新型中所述的百分比在无特别指明的情况下是指质量百分比。

本实用新型提供的燃料电池供电系统结构如图1所示,包括:

第一精馏塔1,连接于聚乙烯醇生产过程中的醇解废液管,用于对醇解废液进行精馏,从塔顶得到含有乙酸甲酯的轻组分;

萃取精馏塔2,连接于第一精馏塔1的塔顶,在萃取精馏塔2上部还设有进水口8,用于对含有乙酸甲酯的轻组分进行萃取精馏,从塔顶得到去除甲醇的含有乙酸甲酯的轻组分,在塔底得到含有甲醇和水的重组分;

第二精馏塔3,连接于萃取精馏塔2的底部,用于对含有甲醇和水的重组分进行精馏分离,塔顶得到含有甲醇的轻组分;

第一醇类燃料电池6,连接于第二精馏塔3的底部,用于利用甲醇作为原料进行发电;

渗透汽化膜4,连接于萃取精馏塔2的顶部,用于对萃取精馏塔2得到的去除甲醇的含有乙酸甲酯的轻组分进行脱水;

加氢反应器5,连接于渗透汽化膜4的渗透侧,用于对脱水后的乙酸甲醇进行加氢反应,得到含有甲醇和乙醇的反应物;

第二醇类燃料电池7,连接于加氢反应器5的反应物出口,用于利用到含有甲醇和乙醇的反应物作为原料进行发电。

在一个实施例中,所述的渗透汽化膜7中安装的是NaA分子筛膜、NaY分子筛膜或者PVA膜中的一种。

实施例1

本实施例中所采用的醇解废液组成为重量百分比甲醇76%、醋酸甲酯21%、醋酸钠0.3%、水2.5%、乙醛0.1%。将醇解废液送入第一精馏塔1中进行精馏分离,塔顶温度53.5℃,塔底温度75℃,塔板数30,常压操作,从第一精馏塔1的顶部得到的轻组分的组成是:乙酸甲酯75%、甲醇25%、微量水、乙醛。

再将第一精馏塔1的顶部得到的轻组分送入萃取精馏塔2中进行萃取精馏,从塔上部的进水口中加入水作为萃取剂,塔顶温度57.5℃,塔底温度102℃,塔板数40,塔内加压至0.5MPa操作,从萃取精馏塔2的塔顶得到的轻组分的组成是:乙酸甲酯92%、水5%、甲醇2%,釜液为27%的甲醇水溶液。

甲醇水溶液通过第二精馏塔3进行精馏分离,第二精馏塔3采用浮阀塔,塔板数7,塔顶温度65℃,塔底温度97℃,回流比1.5,塔内为常压操作。第二精馏塔3的塔顶得到纯度≥99.0%的甲醇,送入第一醇类燃料电池6中进行发电。

萃取精馏塔2中塔顶得到的轻组分送入渗透汽化膜4中进行脱水,蒸汽渗透膜采用的是NaA分子筛膜,料液侧温度105℃,料液侧绝压80kPa,渗透侧绝压500Pa,蒸汽渗透膜平均水通量0.93kg/m2·h,截留侧得到含有94.8%乙酸甲酯和5.1%甲醇的脱水物料。

脱水物料送入加氢反应器5中进行加氢反应,采用Cu-Zn-Al催化剂,催化剂的主要性质是:

反应温度235℃,反应压力7.8MPa,乙酸甲酯液相体积空速1h-1,氢气与乙酸甲酯的摩尔比8.5∶1,液体产品的平衡组成为:甲醇38.12%,乙醇59.52%,乙酸甲酯0.86%,乙酸乙酯1.29%。

第一醇类燃料电池6和第二醇类燃料电池7都采用的是质子交换膜燃料电池(PEMFC),其中安装的是全氟磺酸型离子交换膜。具体的制作过程如现有技术,如下:

电极制备:甲醇电极催化剂为碳载Pt- Ru合金,Pt含量为20 wt%,Ru含量10 wt%.制备工艺如下:用PTFE处理过的碳纸作为电极支撑体,上面涂一层用Nafion溶液含量为10 wt%调和的碳粉作为扩散层,碳份的涂覆量为5.0~6.5 mg/cm2.另将Pt- Ru/C催化剂粉末加入到含有Nafion的乙醇溶液含量(10 wt%)中,超声波震荡数分钟使成“油墨”状,均匀涂在碳扩散层上,用吹风机吹干,表面喷一层Nafion.甲醇电极上Pt- Ru涂覆量为2 mg/cm2。氧电极催化剂为碳载Pt,其制备过程和甲醇电极相同,考虑到氧电极需要具有一定的疏水性能,故扩散层用PTFE乳液代替Nafion溶液和碳粉制备,PTFE含量为10 wt%。催化层仍用含量为10 wt%Nafion和Pt/C粉末调和制备,电极上Pt涂覆量为1 mg/ cm2。Nafion-115膜的处理方法是先将Nafion- 115膜用3 wt%H2O2水溶液于80℃浸煮1 h,经二次蒸馏水冲洗后,再放入1.0 mol/L H2SO4水溶液中80℃浸煮1 h,取出用二次蒸馏水冲洗干净,放入盛有干净水的瓶中备用。

单电池组装相性能测试:将甲醇阳极和氧阴极的催化层面向Nafion-115膜,在100 kg /cm2压力和135℃下热压融合,制成膜一电极组合体(MEA).采用夹心式结构组装成单电池,电极有效面积为9 cm2。醇水溶液浓度为1.0mol/L,流速1.0 ml/ min。以氧气作氧化剂,氧气压力0.2MPa,通过加热棒加热电池,热电偶测温,池温升到75℃开始放电运转,电池的端电压和电流密度由直流数字电压表测定。

醇类燃料电池中的电极反应如下:

阳极甲醇氧化的半反应是:

CH3OH+Pt→Pt-CH2OH+H++e-

Pt-CH2OH+Pt→Pt2-CHOH+H++e-

Pt2CHOH+Pt→Pt3-COH+H++e-

Pt3-COH +Pt→Pt(3-x)-CO+xPt+H++e-

H2O+Pt→Pt-OHad+H++e-

Pt(3-x)-CO+ Pt-OHad→(4-x)Pt+CO2+H++e-

CH3OH+H2O←→CO2+6H++6e-

阴极氧还原的半反应是:

3/2O2 + 6H+ + 6e- ←→ 3H2O

电池总反应: CH3OH + 3/2O2←→CO2 + 2H2O

第一醇类燃料电池6和第二醇类燃料电池上的极化和功率密度曲线分别如图2和图3所示。从图中可以看出,第一醇类燃料电池6采用甲醇作为燃料,电池功率密度随电流密度增加而提高,在300~350mA/cm2范围内,功率密度最大,约为72mW/cm2;第二醇类燃料电池7采用甲醇和乙醇混合物作为燃料,在300~350mA/cm2范围内,功率密度最大,约为61mW/cm2

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