专利名称：一种具有两种输出形式的低温液相燃料重整器的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源领域的燃料电池技术，涉及一种应用于质子交换膜燃料电池和液流燃料电池的具有两种输出形式的低温液相燃料重整器。
背景技术：
燃料电池能通过把燃料和氧化剂分别在电池的两侧电极上放电实现将燃料的化学能直接转变为电能，所以它的能量转化率很高，不受卡诺循环能量转换效率的限制，是传统热机效率的两倍以上。通过氢燃料电池实现能量的转换是一种高效、清洁的能源利用方式。但由于氢燃料电池使用的燃料氢气是一种 易燃易爆的气体，在存贮和运输环节存在很多的问题。目前主要氢气存贮方式有高压氢气罐存贮，储氢合金存贮以及高温催化剂重整。其中高压氢气罐储氢在存储氢压缩过程中本身耗能大、储氢密度低和体积大的缺点；而储氢合金储氢存在储氢合金在反复储氢过程合金不断粉碎细化导致合金储氢失效等一系列问题，同时储氢合金储氢还存在合金本身重量大的缺陷；而高温催化剂重整则存在重整器产出的氢气存在一定浓度的一氧化碳气体，能够使燃料电池的催化剂中毒导致燃料电池不能正常工作。因而，目前燃料电池领域的发展因为燃料的原因受到极大的阻碍。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种能满足在低温液态条件下通过使用低温液相燃料重整器将小分子液态燃料在中低温液相中转化来得到燃料电池使用的燃料，从而解决燃料电池燃料的存贮问题的具有两种输出形式的低温液相燃料重整器。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，包括燃料反应室、换热器、电解室和含有催化剂的溶液，将催化剂溶液和小分子有机物溶液混合，然后将混合溶液输送至重整器的反应室在一定的温度和压力条件下发生化学反应生成具有还原性质的低价态燃料溶液，从而完成燃料的转换，而小分子的燃料则氧化成为二氧化碳和水，具有还原性的低价态燃料溶液经过换热器换热后降温进入电解室，然后在电解室中用低压电源以一定电压电解该具有还原性的溶液在阴极获得氢气，同时在阳极区域具有还原性的燃料溶液被重新氧化成高化合价态的催化剂溶液，氢气作为重整器的产物输出到燃料电池，高化合价态的催化剂溶液进入换热器升温后重新进入反应室和燃料反应，形成完整的循环系统；或不需要电解室直接将降温后的中间产物燃料溶液经过换热器降温后输出到流体燃料电池作为流体燃料电池的燃料；燃料电池拥有两种输出模式，一种是以高纯度的氢气为燃料输出模式，提供氢燃料电池使用，另外一种是输出具有还原性的燃料溶液，提供液流燃料电池使用；整个重整器的工作都在系统控制器的控制下进行工作。所述的催化剂溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者杂多酸；同多酸为钨酸或者钥酸，杂多酸则为通式为[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元素中的一种或者几种组合对多酸进行掺杂的掺杂形成的化合物；催化剂溶液是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。所述的多酸是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2H][PMo12O40],硅钨酸和有机分子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，盐酸等非氧化性的有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10_4 IO1moI/L0所述重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一种或者几种组成的混合物。所述反应室内一定温度和压力条件是指温度在20 200°C，压力为O.1 20MPa。
所述的低压电源是指由燃料电池输出功率的一小部分电能通过电源变换器得到提供给重整器的电解室。一定电压是指O.1 O. 2V的低压电流。所述的系统控制器是指带有压力传感器、温度传感器、安全阀、催化剂溶液浓度测试传感器、酸度测试传感器、反应室辅助加热系统、微型电动调节阀、微型泵，系统控制器和反应容器组成的一个有机成套系统。所述辅助加热系统是利用燃料和空气在辅助加热系统内部燃烧产生的热量来工作。所述的换热器是指能够起到将从反应室出来温度高的溶液降温后给电解室使用，同时将从电解室出来的低温溶液预热后加注到反应室，起到提供整个重整器系统能量效率的目的。所述的换热器同时拥有多组换热管在同一换热器内部，换热器还负责将燃料电池工作的时候释放的热量吸收给重整器系统使用，同时持燃料电池工作过程中的恒温性，使燃料电池系统工作在最佳状态下。所述的电解室具有阴极极板，阳极极板，隔膜，气体储藏室，燃料溶液进、出口阀门，气体出口阀门，压力传感器和温度传感器。本发明的积极效果是重整器产生的氢气燃料完全没有CO，能有效的防止氢燃料电池钼金催化剂的中毒，提高以氢气为燃料的燃料电池的输出功率。彻底解决氢燃料电池燃料的贮藏问题；实能量转化效率高，远高于其他高温燃料重整器的工作效率；该重整器的启动温度低，能在低温下30°C左右就开始具有燃料的重整反应，随着反应温度的提高其单位时间重整速度变快。相对于其他重整器高达200 300°C的工作温度具有明显的优势；该重整器同时能够有效的利用燃料电池工作过程中产生的热量，提高了整个燃料电池的效率；该重整器能为大型燃料电堆提供燃料转化，可也设计成微型反应器为小功率燃料电池提转化后的燃料。前者适合于大中型燃料电池作为动力电源使用，后者适合微型燃料电池作为电子产品电源使用。
图1是本发明的结构示意图。图2是图1中B处放大图。图中1_燃粉储罐、2-压电液流泵、3-温度表、4-压力表、5-图表、6-压电泵、7-高温多酸溶液、8-换热器、9-低温多酸溶液、10-隔膜、11-负极、12-正极、13-氢气出口。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。一种具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，它属于新能源技术中的燃料电池，涉及一种应用于质子交换膜燃料电池和液流燃料电池用燃料重整转换的重整器，该重整器可以产出高纯无CO的氢气供质子交换膜燃料电池使用，也可以输出具有还原性的燃料溶液供液流燃料电池使用，能满足在低温液态条件下通过使用低温液相燃料重整器将类似甲醇、甲醛和甲酸等容易运输存贮的小分子液态燃料在中低温液相中转化来得到燃料电池使用的燃料，从而解决燃料电池燃料的存贮问题。一种具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，包括燃料反应室、换热器、电解室和含有催化剂的溶液，将催化剂溶液和小分子有机物溶液混合，然后将混合溶液输送至重 整器的反应室在一定的温度和压力条件下发生化学反应生成具有还原性质的低价态燃料溶液，从而完成燃料的转换，而小分子的燃料则氧化成为二氧化碳和水，具有还原性的低价态燃料溶液经过换热器换热后降温进入电解室，然后在电解室中用低压电源以一定电压电解该具有还原性的溶液在阴极获得氢气，同时在阳极区域具有还原性的燃料溶液被重新氧化成高化合价态的催化剂溶液，氢气作为重整器的产物输出到燃料电池，高化合价态的催化剂溶液进入换热器升温后重新进入反应室和燃料反应，形成完整的循环系统。该重整器也可以不需要电解室直接将降温后的中间产物燃料溶液经过换热器降温后输出到流体燃料电池作为流体燃料电池的燃料；整个重整器的工作都在系统控制器的控制下进行工作。所述的催化剂溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者杂多酸。同多酸为钨酸或者钥酸，杂多酸则为通式为[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等元素一种或者几种组合对多酸进行掺杂的掺杂形成的化合物；催化剂溶液可以是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。所述的多酸也可以是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2Hl [PMo12O40],硅钨酸和有机分子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，盐酸等非氧化性的有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10_4 IO1moI/L0所述的重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一种或者几种组成的混合物。所述反应室内一定温度和压力条件是指温度在20 200°C，压力为O.1 20MPa。所述的低压电源是指由燃料电池输出功率的一小部分电能通过电源变换器得到提供给重整器的电解室。一定电压是指O.1 O. 2V的低压电流。所述的系统控制器是指带有压力传感器、温度传感器、安全阀、催化剂溶液浓度测试传感器、酸度测试传感器、反应室辅助加热系统、微型电动调节阀、微型泵，系统控制器和反应容器等组成的一个有机成套系统。
所述的辅助加热系统是利用燃料和空气在辅助加热系统内部燃烧产生的热量来工作。所述的换热器是指能够起到将从反应室出来温度高的溶液降温后给电解室使用，同时将从电解室出来的低温溶液预热后加注到反应室，起到提供整个重整器系统能量效率的目的。所述的换热器同时拥有多组换热管在同一换热器内部，换热器还负责将燃料电池工作的时候释放的热量吸收给重整器系统使用，同时持燃料电池工作过程中的恒温性，使燃料电池系统工作在最佳状态下。
所述的电解室具有阴极极板，阳极极板，隔膜，气体储藏室，燃料溶液进、出口阀门，气体出口阀门，压力传感器和温度传感器。所述的燃料电池拥有两种输出模式，一种是以高纯度的氢气为燃料输出模式，提供氢燃料电池使用，另外一种是输出具有还原性的燃料溶液，提供液流燃料电池使用。本发明的重整器产生的氢气燃料完全没有CO，能有效的防止氢燃料电池钼金催化剂的中毒，提高以氢气为燃料的燃料电池的输出功率。彻底解决氢燃料电池燃料的贮藏问题；实能量转化效率高，远高于其他高温燃料重整器的工作效率；
该重整器的启动温度低，能在低温下30°C左右就开始具有燃料的重整反应，随着反应温度的提高其单位时间重整速度变快。相对于其他重整器高达200 300°C的工作温度具有明显的优势；该重整器同时能够有效的利用燃料电池工作过程中产生的热量，提高了整个燃料电池的效率；该重整器能为大型燃料电堆提供燃料转化，可也设计成微型反应器为小功率燃料电池提转化后的燃料。前者适合于大中型燃料电池作为动力电源使用，后者适合微型燃料电池作为电子产品电源使用。
实施例1 :
按图1和图2说明的方案采用不锈钢加工成一个C 100X 150mm的小型压力容器，设计压力2MPa，分别在罐体上按照图示加工安装温度传感器，压力传感器，PH传感器，辅助加热系统的加热管进料口，出料口以及对应的阀门，得到所需的反应室，采用不锈钢加工一个0 100X 130mm的容器，里面排布两组毛细铜管做为换热器的热交换管，并安装对应的阀门得到所需的换热器。采用PP塑料加工300X200X 150mm的密封结构的塑料槽，在内部按照图示排列阴极板，隔膜，阳极板，连接阴极电源总线，阳极电源总线，进料口阀门，出料口阀门，气体输出口阀门得到所述的电解室。将反应室，热交换器，电解室，控制器连接安装完毕并检查气密性，得到所需要的重整器。多酸酸性转换液的配置，取纯水1L，加入IOOg钥酸铵，搅拌溶解，加入20ml分析纯H3P04，然后将溶液加热至80°C保温30分钟，降低温度冷却，过滤溶液得到所需要的多酸酸性转换溶液，将该溶液加入的到重整器反应室体积的三分之二处；使用蠕动泵通过燃料加入口将甲醇加入到重整器总，加入量通过传感器控制；重整器工作时的加热由燃料电池电堆散热器提供；反应室产生具有较强还原性质的深蓝色溶液，由燃料输出口流出，经过换热器降温后进入电解室，在电解室中使用燃料电池自身输出的部分电流经过变换器降到O.1 O. 2V提供给电解室使用，电解室中间产物燃料被电解室阳极氧化消耗后溶液重新进入反应室再生，不断循环。电解室阴极板上产生的氢气输送到燃料电池。该重整器适合大功率氢燃料电池使用。
实施例2
按
的方案采用不锈钢加工成一个0 100X 150_的小型压力容器，设计压力2MPa，分别在罐体上按照图示加工安装温度传感器，压力传感器，PH传感器，辅助加热系统的加热管进料口，出料口以及对应的阀门，得到所需的反应室。按照图示采用不锈钢加工一个0 100X 130mm的容器，里面排布两组毛细铜管做为换热器的热交换管，并安装对应的阀门得到所需的换热器。按照图示3采用PP塑料加工300X200X 150mm的密封结构的塑料槽，在内部排列阴极板，隔膜，阳极板，连接阴极电源总线，阳极电源总线，进料口阀门，出料口阀门，气体输出口阀门得到所述的电解室。将反应室，热交换器，电解室，控制器连接安装完毕并检查气密性，得到所需要的重整器。多酸性转换液的配置，取高纯水1L，加入80g钥酸铵20克钨酸铵，10克硫酸亚铁搅拌溶解后加入50克柠檬酸搅拌使之溶解，然后加入1:3稀释后的分析纯H2S0445ml，然后将溶液加热至80°C保温30分钟，然后降低温度冷却，过滤溶液得到所需要的多酸酸性转换溶液，将该溶液加入的到重整器反应室体积的三分之二处。使用蠕动泵通过燃料加入口将甲醇加入到重整器总，加入量通过传感器控制。重整器工作时的加热由燃料电池电堆散热器提供。反应室产生具有较强还原性质的深蓝色溶液，由燃料输出口流出，经过换热器降温后进入电解室，在电解室中使用燃料电池本来输出的部分电流经过变换器降到O.1 O. 2V提供给电解室使用，电解室中间产物燃料被电解室阳极氧化消耗后溶液重新进入反应室再生，不断循环。电解室阴极板上产生的氢气输送到燃料电池，作为燃料电池的电源。该重整器适合大功率氢燃料电池使用。实施例3
按
的方案采用不锈钢加工成一个0 100X 150_的小型压力容器，设计压力2MPa，分别在罐体上按照图示加工安装温度传感器，压力传感器，pH传感器，辅助加热系统的加热管进料口，出料口以及对应的阀门，得到所需的反应室。按照图示采用不锈钢加工一个0 100X 130mm的容器，里面排布两组毛细铜管做为换热器的热交换管，并安装对应的阀门得到所需的换热器。将反应室，热交换器，控制器连接安装完毕并检查气密性，得到所需要的重整器。酸性转换液的配置，取高纯水IL加入IOOg钥酸铵搅拌均匀后，加入1:3分析纯H2S04，60ml，然后将溶液加热至80°C，降低温度冷却，过滤溶液得到所需要的酸性转换溶液，将该溶液加入的到重整器反应室体积的三分之二处。使用蠕动泵通过燃料加入口将甲醇加入到重整器总，加入量通过传感器控制。重整器工作时的加热由燃料电池电堆散热器提供。反应室产生具有较强还原性质的深蓝色溶液，由燃料输出口流出，经过换热器降 温后进入提供给液流燃料电池使用，中间产物燃料在液流燃料电池被在负极放电后溶液重新进入反应室再生，不断循环。该重整器适合大功率液流燃料电池使用。
权利要求
1.一种具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是包括燃料反应室、换热器、电解室和含有催化剂的溶液，将催化剂溶液和小分子有机物溶液混合，然后将混合溶液输送至重整器的反应室在温度在20 200°C、压力为O.1 20MPa的条件下发生化学反应生成具有还原性质的低价态燃料溶液，从而完成燃料的转换，而小分子的燃料则氧化成为二氧化碳和水，具有还原性的低价态燃料溶液经过换热器换热后降温进入电解室，然后在电解室中用低压电源以一定电压电解该具有还原性的溶液在阴极获得氢气，同时在阳极区域具有还原性的燃料溶液被重新氧化成高化合价态的催化剂溶液，氢气作为重整器的产物输出到燃料电池，高化合价态的催化剂溶液进入换热器升温后重新进入反应室和燃料反应，形成完整的循环系统；或不需要电解室直接将降温后的中间产物燃料溶液经过换热器降温后输出到流体燃料电池作为流体燃料电池的燃料；燃料电池拥有两种输出模式，一种是以高纯度的氢气为燃料输出模式，提供氢燃料电池使用，另外一种是输出具有还原性的燃料溶液，提供液流燃料电池使用；整个重整器的工作都在系统控制器的控制下进行工作。
2.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的催化剂溶液是指由溶解于酸性溶液中的多酸形成的溶液，它是同多酸或者杂多酸；同多酸为钨酸或者钥酸，杂多酸则为通式为[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 元素中的一种或者几种组合对多酸进行掺杂的掺杂形成的化合物；催化剂溶液是上述多酸或者掺杂多酸当中的一种或几种混合而成。
3.如权利要求2所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的多酸是由多酸分子和有机分子结合成的超分子化合物，如[(C19H18N3)2H] [PMo12O40],硅钨酸和有机分子PPY形成的(ppy)4H6[SiW12O4J超分子化合物。
4.如权利要求2所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的重整器中酸性溶液是由硫酸，磷酸，盐酸等非氧化性的有机或者无机酸中的一种或者其中的几种混合物配制而成，配制成的溶液中其氢离子浓度为10_4 lOkol/L。
5.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述重整器中的燃料是指甲醇、甲醛和/或甲酸中的一种或者几种组成的混合物。
6.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的低压电源是指由燃料电池输出功率的一小部分电能通过电源变换器得到提供给重整器的电解室，一定电压是指O.1 O. 2V的低压电流。
7.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述系统控制器是指带有压力传感器、温度传感器、安全阀、催化剂溶液浓度测试传感器、酸度测试传感器、反应室辅助加热系统、微型电动调节阀、微型泵，系统控制器和反应容器组成的一个有机成套系统。
8.如权利要求7所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述辅助加热系统是利用燃料和空气在辅助加热系统内部燃烧产生的热量来工作。
9.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的换热器是指能够起到将从反应室出来温度高的溶液降温后给电解室使用，同时将从电解室出来的低温溶液预热后加注到反应室，起到提供整个重整器系统能量效率的目的；所述的换热器同时拥有多组换热管在同一换热器内部，换热器还负责将燃料电池工作的时候释放的热量吸收给重整器系统使用，同时持燃料电池工作过程中的恒温性，使燃料电池系统工作在最佳状态下。
10.如权利要求1所述具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，其特征是所述的电解室具有阴极极板，阳极极板，隔膜，气体储藏室，燃料溶液进、出口阀门，气体出口阀门，压力传感器和温度传感器。
全文摘要
本发明涉及具有两种输出形式的低温液相燃料重整器，将催化剂溶液和小分子有机物溶液混合，然后将混合溶液输送至重整器的反应室在温度在20～200℃、压力为0.1～20MPa的条件下发生化学反应生成具有还原性质的低价态燃料溶液，从而完成燃料的转换，而小分子的燃料则氧化成为二氧化碳和水，具有还原性的低价态燃料溶液经过换热器换热后降温进入电解室，然后在电解室中用低压电源以一定电压电解该具有还原性的溶液在阴极获得氢气，同时在阳极区域具有还原性的燃料溶液被重新氧化成高化合价态的催化剂溶液，氢气作为重整器的产物输出到燃料电池，高化合价态的催化剂溶液进入换热器升温后重新进入反应室和燃料反应，形成完整的循环系统。
文档编号H01M8/02GK103022537SQ20121058919
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者刘军 申请人:刘军