专利名称：一种利用甲醇水制备氢气的系统及方法
技术领域：
本发明属于氢气制备技术领域，涉及一种制备氢气的系统，尤其涉及一种利用甲醇水制备氢气的系统；同时，本发明还涉及一种利用甲醇水制备氢气的方法。
背景技术：
在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。这是因为，在燃烧相同重量的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境；而煤和石油燃烧生成的是二氧化碳和二氧化硫，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。 氢是一种无色的气体。燃烧一克氢能释放出142千焦尔的热量，是汽油发热量的3倍。氢的重量特别轻，它比汽油、天然气、煤油都轻多了，因而携带、运送方便，是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢在氧气里能够燃烧，氢气火焰的温度可高达2500°C，因而人们常用氢气切割或者焊接钢铁材料。在大自然中，氢的分布很广泛。水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有I. 5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从水中制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。氢的用途很广，适用性强。它不仅能用作燃料，而且金属氢化物具有化学能、热能和机械能相互转换的功能。例如，储氢金属具有吸氢放热和吸热放氢的本领，可将热量储存起来，作为房间内取暖和空调使用。氢作为气体燃料，首先被应用在汽车上。1976年5月，美国研制出一种以氢作燃料的汽车；后来，日本也研制成功一种以液态氢为燃料的汽车；70年代末期，前联邦德国的奔驰汽车公司已对氢气进行了试验，他们仅用了五千克氢，就使汽车行驶了 110公里。用氢作为汽车燃料，不仅干净，在低温下容易发动，而且对发动机的腐蚀作用小，可延长发动机的使用寿命。由于氢气与空气能够均匀混合，完全可省去一般汽车上所用的汽化器，从而可简化现有汽车的构造。更令人感兴趣的是，只要在汽油中加入4%的氢气。用它作为汽车发动机燃料，就可节油40 %，而且无需对汽油发动机作多大的改进。氢气在一定压力和温度下很容易变成液体，因而将它用铁罐车、公路拖车或者轮船运输都很方便。液态的氢既可用作汽车、飞机的燃料，也可用作火箭、导弹的燃料。美国飞往月球的“阿波罗”号宇宙飞船和我国发射人造卫星的长征运载火箭，都是用液态氢作燃料的。另外，使用氢一氢燃料电池还可以把氢能直接转化成电能，使氢能的利用更为方便。目前，这种燃料电池已在宇宙飞船和潜水艇上得到使用，效果不错。当然，由于成本较高，一时还难以普遍使用。
现在世界上氢的年产量约为3600万吨，其中绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取的，这就得消耗本来就很紧缺的矿物燃料；另有4%的氢是用电解水的方法制取的，但消耗的电能太多，很不划算，因此，人们正在积极探索研究制氢新方法。而用甲醇、水重整制氢可减少化工生产中的能耗和降低成本，有望替代被称为“电老虎”的“电解水制氢”的工艺，利用先进的甲醇蒸气重整——变压吸附技术制取纯氢和富含CO2的混合气体，经过进一步的后处理，可同时得到氢气和二氧化碳气。甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下
权利要求
1.一种利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于，所述系统包括液体储存容器、主制氢设备、一个或多个子制氢设备； 一个或多个子制氢设备制得的氢气或/和余气作为主制氢设备的初始启动能源，当子制氢设备制得的部分氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的氢气或/和余气维持主制氢设备运行； 所述子制氢设备包括小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接； 所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量；待主制氢设备正常工作后子制氢设备停止工作； 所述主制氢设备包括壳体，及壳体内的换热器、气化室、重整室、分离室；所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接； 所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化； 气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂=Cu-ZnO-Al2O3或/和Cu-ZnO-ZrO ;重整室内的温度为370° -409° ； 重整室与分离室之间的传送通道设有一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近； 所述分离室的温度设定为410° -430°，重整室内的温度低于分离室内的温度；所述分离室内设有陶瓷钯膜分离器、金属钯膜分离器，进入分离室的气体先经过陶瓷钯膜分离器做预处理，得到较高纯度的氢气，余气排出；较高纯度的氢气再进入金属钯膜分离器，得到更高纯度的氢气，余气排出； 所述分离室连接有氢气管路、余气输送管路，氢气从氢气管路输出，余气通过余气输送管路输出； 所述余气输送管路盘在壳体的一侧，而后通过第二壳体将余气输送管路罩住，所述第二壳体的外侧设有温差发电机，通过余气输送管路的温度与外界流通空气的温度之差发电，将发出的电能提供给主制氢设备；所述温差发电机包括若干温差发电片； 通过分离室输出的余气为所述换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构加热；所述设备还包括余气量检测单元，当检测到余气不足设定量时，将设定氢气分流输送至换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构，以保证换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构的温度条件。
2.一种利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于，所述系统包括液体储存容器、壳体、反应容器，反应容器设置于该壳体内；所述反应容器内设有换热器、气化室、重整室、分离室，所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接； 所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；气化后的气体进入重整室重整，而后重整后的气体进入分离室分离，分离出氢气及余气; 所述分离室连有余气输送管路，所述余气输送管路盘在所述壳体外侧；所述系统还包括第二壳体，余气输送管路设置于该第二壳体内，第二壳体的外侧与外界空气连通，第二壳体的外侧设有温差发电机，该温差发电机通过余气输送管路的温度与外界流通空气的温度之差发电，得到电能。
3.根据权利要求2所述的利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于 所述系统包括主制氢设备，壳体、反应容器、换热器、气化室、重整室、分离室组成了主制氢设备的主要部分；所述系统还包括一个或多个子制氢设备； 一个或多个子制氢设备制得的氢气或/和余气作为主制氢设备的初始启动能源，当子制氢设备制得的部分氢气或/和余气满足设定量时，启动主制氢设备；此后，主制氢设备制得的氢气或/和余气维持主制氢设备运行； 所述子制氢设备包括小功率电机、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室；所述液体储存容器、子换热器、子气化室、子重整室、子分离室通过管路依次连接； 所述小功率电机用以满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数；液体储存容器中的甲醇和水经过处理输送至子重整室重整、子分离室分离；将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量；待主制氢设备正常工作后子制氢设备停止工作。
4.根据权利要求2所述的利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于 所述重整室与分离室之间的传送通道设有一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近。
5.根据权利要求4所述的利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于 所述分离室的温度设定为410° -430°，重整室内的温度低于分离室内的温度；所述分离室内设有陶瓷钯膜分离器、金属钯膜分离器，进入分离室的气体先经过陶瓷钯膜分离器做预处理，得到较高纯度的氢气，余气排出；较高纯度的氢气再进入金属钯膜分离器，得到更高纯度的氢气，余气排出。
6.根据权利要求5所述的利用甲醇水制备氢气的系统，其特征在于 通过分离室输出的余气为所述换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构加热；所述设备还包括余气量检测单元，当检测到余气不足设定量时，将设定氢气分流输送至换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构，以保证换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构的温度条件。
7.一种利用权利要求I所述系统制备氢气的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 步骤一、子制氢设备制氢步骤； 步骤S11、所述小功率电机启动，满足子气化室、子重整室、子分离室的环境参数； 步骤S12、液体储存容器中的甲醇和水经过加热进入子气化室气化； 步骤S13、气化后的气体输送至子重整室重整，重整室内的温度为370° -409° ;重整室内设有催化剂=Cu-ZnO-Al2O3或/和Cu-ZnO-ZrO ； 步骤S14、将制得的气体通过子分离室分离出氢气及余气，所述分离室的温度设定为410° -430° ;或者，不经过分离直接进入步骤S15; 步骤S15、将制得的氢气及余气燃烧，为主制氢设备需要加热的元件提供热量；待主制氢设备正常工作后子制氢设备停止工作；步骤二、主制氢设备制氢步骤； 步骤S21、所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化； 步骤S22、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂Cu-ZnO-Al2O3 或 / 和 Cu-ZnO-ZrO ;重整室内的温度为 370° -409° ； 步骤S23、重整室与分离室之间的传送通道设有一预热控温机构，该预热控温机构用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近； 步骤S24、所述分离室的温度设定为410° -430°，重整室内的温度低于分离室内的温度；所述分离室内设有陶瓷钯膜分离器、金属钯膜分离器，进入分离室的气体先经过陶瓷钯膜分离器做预处理，得到较高纯度的氢气，余气排出；较高纯度的氢气再进入金属钯膜分离器，得到更高纯度的氢气，余气排出；所述分离室连接有氢气管路、余气输送管路，氢气从氢气管路输出，余气通过余气输送管路输出； 步骤S25、设置于第二壳体的外侧的温差发电机通过余气输送管路的温度与流通空气的温度之差进行发电，将发出的电能提供给主制氢设备； 步骤S26、通过分离室输出的余气为所述换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构加热；所述设备还包括余气量检测单元，当检测到余气不足设定量时，将设定氢气分流输送至换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构，以保证换热器、气化室、重整室、分离室、预热控温机构的温度条件。
8.一种利用权利要求2所述系统制备氢气的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 步骤SI、所述液体储存容器中的甲醇和水通过输送装置输送至换热器换热，换热后进入气化室气化； 步骤S2、气化后的气体进入重整室重整； 步骤S3、重整后的气体进入分离室分离，分离出氢气及余气； 步骤S4、设置于第二壳体的外侧的温差发电机通过余气输送管路的温度与流通空气的温度之差进行发电，得到电能。
全文摘要
本发明揭示了一种利用甲醇水制备氢气的系统及方法，所述系统包括液体储存容器、壳体、反应容器，反应容器设置于该壳体内；所述反应容器内设有换热器、气化室、重整室、分离室，所述液体储存容器、换热器、气化室、重整室、分离室通过管路依次连接；分离室连有余气输送管路，所述余气输送管路盘在所述壳体外侧；所述系统还包括第二壳体，余气输送管路设置于该第二壳体内，第二壳体的外侧与外界空气连通，第二壳体的外侧设有温差发电机，该温差发电机通过余气输送管路的温度与外界流通空气的温度之差发电，得到电能。本发明通过在余气输送管路附近设置温差发电机，利用高温余气及外界空气之间的温差进行发电，有效地利用了余气的温度，节约能源。
文档编号C01B3/32GK102874754SQ20121033991
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者向华, 庞娟娟, 向德成 申请人:上海合既得动氢机器有限公司