一種甲醇水重整制氫發電機的制作方法

本發明涉及制氫及發電設備技術領域，特別涉及一種甲醇水重整制氫發電機。

背景技術：

氫，是一種21世紀最理想的能源之一，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產生的能量最多，而且它燃燒的產物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環境；而煤和石油燃燒生成的主要是CO₂和SO₂，可分別產生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產物也是水，可源源不斷地產生氫氣，永遠不會用完。氫的分布很廣泛，水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。

目前，利用甲醇水蒸氣重整技術制取H₂與CO₂的混合氣體，再經鈀膜分離器分離，可分別得到H₂和CO₂。參照中國發明申請201310340475.0（申請人：上海合既得動氫機器有限公司），該專利公開了一種甲醇水制氫系統，甲醇與水蒸氣重整器的重整室內，在350-409℃溫度下1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統。反應方程如下：(1)CH₃OH→CO+2H₂；(2)H₂O+CO→CO₂+H₂；(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，重整反應生成的H₂和CO₂，再經過分離室的鈀膜分離器將H₂和CO₂分離，得到高純氫氣。

隨著技術的發展，氫氣在產業中的應用越來越廣泛，例如合成氨工業和石油精制加氫工業等等，除此之外，氫氣還可用于發電，參照中國發明申請201510476342.5（申請人為本創作者：廣東合即得能源科技有限公司），該發明公開了一種甲醇水重整制氫發電機，該發電機采用燃料電池作為發電設備，該燃料電池用于氫氣與空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能，在燃料電池的陽極：2H₂→4H⁺+4e^-，H₂分裂成兩個質子和兩個電子，質子穿過質子交換膜（PEM），電子通過陽極板，通過外部負載，并進入陰極雙極板，在燃料電池的陰極：O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O，質子、電子和O₂重新結合以形成H₂O。該發電機將甲醇水重整制氫與燃料電池整合成一體，實現了制氫與發電合為一體的技術目的。然而，該甲醇水重整制氫發電機的各部分部件模塊化程度低，組裝非常耗時耗力，檢修拆卸很不方便。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術中的不足，提供一種各部分部件模塊化程度高、組裝容易、檢修拆卸方便的甲醇水重整制氫發電機。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種甲醇水重整制氫發電機，包括機殼、機架、電控系統、甲醇水進液系統、甲醇水重整制氫系統及發電系統；所述機殼套裝于機架之外側，所述機架包括底座及設置于底座之上的第一安裝腔、第二安裝腔、側板；所述甲醇水進液系統安裝于底座內；所述甲醇水重整制氫系統包括重整器及啟動裝置，所述重整器安裝于第一安裝腔內，重整器用于甲醇水重整制得氫氣，所述啟動裝置安裝于重整器下端，啟動裝置用于甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，通過燃燒甲醇水原料為重整器的啟動過程提供熱量；所述發電系統包括燃料電池，燃料電池安裝于第二安裝腔內，燃料電池用于氫氣及空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能；所述電控系統包括控制主板及DC-DC轉換器，該控制主板及DC-DC轉換器安裝于側板上。

作為對本發明的進一步闡述：

所述控制主板控制甲醇水進液系統、甲醇水重整制氫系統、發電系統及DC-DC轉換器工作；電控系統還包括可充電電池，在甲醇水重整制氫發電機啟動前/啟動中，該可充電電池為甲醇水重整制氫發電機自身供電, 甲醇水重整制氫發電機啟動之后，發電機自身為可充電電池充電；控制主板還安裝有通電開關、啟動開關、直流輸出接口及直流接觸器，通電開關用于啟動前的電控系統供電，啟動開關用于一鍵啟動甲醇水重整制氫發電機，直流輸出接口用于向外輸出直流電，直流接觸器用于自動接通或斷開直流輸出電路。

所述甲醇水進液系統包括進液總管、輸送泵、啟動進液電磁閥、啟動進液分管、制氫進液電磁閥、制氫進液分管及壓力傳感器；在甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，啟動進液電磁閥打開，制氫進液電磁閥關閉，甲醇水原料依次經進液總管、輸送泵、壓力傳感器、啟動進液電磁閥及啟動進液分管后，供應給甲醇水重整制氫系統的啟動裝置；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，制氫進液電磁閥打開，啟動進液電磁閥關閉，甲醇水原料依次經進液總管、輸送泵、壓力傳感器、制氫進液電磁閥及制氫進液分管后，供應給甲醇水重整制氫系統的重整器。

所述甲醇水重整制氫系統的重整器包括重整室、分離室、燃燒室及汽化盤管；所述重整室用于甲醇和水發生重整制氫反應制得以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體；所述分離室位于重整器中部，分離室包括燒結過濾器及氫分離膜管，所述混合氣體通過燒結過濾器濾除固態雜質后進入氫分離膜管，氫分離膜管將混合氣體分離成氫氣和余氣，該氫氣供應給燃料電池，該余氣中含有二氧化碳、未完全反應的一氧化碳及部分氫氣，該余氣經所述啟動進液分管后輸向燃燒室；所述燃燒室用于余氣在燃燒室中燃燒，為重整器的運行提供熱量；所述汽化盤管用于將甲醇水汽化。

所述甲醇水重整制氫發電機還包括換熱系統，該換熱系統包括同軸心的雙層換熱管、常溫液體入口、高溫液體出口、高溫氣體入口及低溫氣體出口；所述雙層換熱管的內層管道為氣體管道，外層管道為液體管道；在雙層換熱管的一端，氣體管道與高溫氣體入口相連通，液體管道與高溫液體出口相連通；在雙層換熱管的另一端，氣體管道與低溫氣體出口相連通，液體管道與常溫液體入口相連通；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，所述制氫進液分管中的甲醇水原料從常溫液體入口進入液體管道，所述重整器制得的氫氣從高溫氣體入口進入氣體管道，液體管道中的甲醇水原料與氣體管道中的氫氣進行換熱，甲醇水原料溫度升高，從高溫液體出口輸出至重整器，氫氣溫度降低，從低溫氣體出口輸出至燃料電池。

所述甲醇水重整制氫發電機還包括控氣系統，所述控氣系統設置于向燃料電池輸送氫氣的輸送管道上；所述控氣系統包括安全控氣管、安全進氣控制器、安全電磁閥、常用電磁閥及常用氣壓傳感器；所述安全進氣控制器及安全電磁閥安裝于安全控氣管上，氫氣在通過安全控氣管的過程中，若安全進氣控制器感應到氫氣氣壓高于警戒氣壓，則控制安全電磁閥打開泄氣孔，向外排出氫氣；該安全電磁閥由可充電電池供電；所述常用電磁閥用于在正常狀態下打開/關閉輸送管道，所述常用氣壓傳感器用于在正常狀態下向電控系統反饋輸送管道內的氫氣氣壓。

所述甲醇水重整制氫系統的啟動裝置包括進液/進氣總管、火焰盤、空心雙層蓋體及點火器；所述進液/進氣總管與啟動進液分管相連通；所述火焰盤及空心雙層蓋體從下至上設置于進液/進氣總管上；所述空心雙層蓋體的下側開有與進液/進氣總管相連通的進液/進氣小孔，空心雙層蓋體的周圍排列有一圈出液/出氣小孔；在甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，甲醇水原料經啟動進液分管、進液/進氣總管、進液/進氣小孔后進入空心雙層蓋體之內，再從空心雙層蓋體四周的出液/出氣小孔中流出，直至流入火焰盤；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，甲醇水重整制氫系統產生的余氣經余氣輸送管道、進液/進氣總管、進液/進氣小孔后進入空心雙層蓋體之內，再從空心雙層蓋體四周的出液/出氣小孔中流出；所述點火器設置于空心雙層蓋體的周圍任一位置，且點火位置與出液/出氣小孔相對應。

所述空心雙層蓋體還設有若干上下貫通的通氣孔，該通氣孔用于外界空氣從下至上穿過空心雙層蓋體。

所述甲醇水重整制氫系統的啟動裝置還包括圓座及進風機構，所述圓座圍于火焰盤及空心雙層蓋體的外部，所述進風機構設置于圓座的側端，進風機構包括進風風道及安裝于進風風道外端的風扇；外界空氣在送風風扇的驅動下，經進風風道進入圓座之中。

所述進風風道為筒狀風道；所述火焰盤設有螺旋形的通風孔槽，外界空氣能從下至上依次通過通風孔槽、空心雙層蓋體的外周/通氣孔、重整器的燃燒室。

本發明的有益效果是：本發明設置有安裝各部分部件的機架，機殼套裝于機架之外側，機架包括底座及設置于底座之上的第一安裝腔、第二安裝腔、側板，甲醇水進液系統安裝于底座內，重整器安裝于第一安裝腔內，啟動裝置安裝于重整器下端，燃料電池安裝于第二安裝腔內，控制主板及DC-DC轉換器安裝于側板上；因此，本發明能夠使甲醇水進液系統、重整器、燃料電池、控制主板、DC-DC轉換器等部件實現模塊化組裝，且檢修拆卸非常方便。并且，本發明的優選方式中，還具有以下有益效果：其一、電控系統控制穩定，按下通電開關即可實現啟動前的電控系統供電，在啟動過程中，可充電電池可為甲醇水重整制氫發電機自身供電；通電之后，按下啟動開關，即可一鍵啟動甲醇水重整制氫發電機；其二、甲醇水進液系統能夠分別對重整器及啟動裝置輸送甲醇水原料；其三、采用同軸心的雙層換熱管，能使氫氣在進入燃料電池之前能降溫至較低的溫度，不會對燃料電池造成損害，與此同時，進入重整器的甲醇水原料在換熱器中得到加熱，從而降低重整器內的燃燒加熱強度，大幅提高了甲醇水原料的利用效率；其四、在制氫過程中，從重整器的分離室排出的高溫余氣（含二氧化碳、一氧化碳、氫氣），能從啟動裝置的啟動進液分管輸向燃燒室燃燒，從而使高溫余氣得到充分利用，避免了能源浪費；其五、本發明設置控氣系統，能實時控制氫氣的輸送，并能在氫氣氣壓超過警戒氣壓時，泄出氫氣；其六、本發明的啟動裝置設有空心雙層蓋體，能使甲醇水原料從空心雙層蓋體的周圍分散流出，充分燃燒，與此同時，本發明的啟動裝置還整合了余氣燃燒功能，在本發明處于啟動之后的制氫發電過程中，啟動裝置停止燃燒甲醇水原料，而改由燃燒余氣，余氣經進液/進氣總管、進液/進氣小孔后進入空心雙層蓋體之內，再從空心雙層蓋體四周的出液/出氣小孔中流出，從而實現余氣的充分燃燒。

附圖說明

圖1為甲醇水重整制氫發電機的立體結構示意圖。

圖2為甲醇水重整制氫發電機的另一角度立體結構示意圖。

圖3為甲醇水重整制氫發電機的分散結構示意圖。

圖4為甲醇水重整制氫發電機的另一角度分散結構示意圖。

圖5為甲醇水重整制氫發電機的機架立體結構示意圖。

圖6為本發明的甲醇水重整制氫系統的立體結構示意圖。

圖7為本發明的甲醇水重整制氫系統、甲醇水進液系統、換熱系統及控氣系統的立體結構示意圖。

圖8為本發明的甲醇水重整制氫系統、甲醇水進液系統、換熱系統及控氣系統的另一角度立體結構示意圖。

圖9為本發明的啟動裝置的縱剖視圖。

圖10為本發明的甲醇水重整制氫系統的立體結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。

如圖1～圖8所示，本發明為一種甲醇水重整制氫發電機，包括機殼1、機架2、電控系統3、甲醇水進液系統4、甲醇水重整制氫系統5及發電系統6；所述機殼1套裝于機架2之外側，所述機架2包括底座21及設置于底座21之上的第一安裝腔22、第二安裝腔23、側板24；所述甲醇水進液系統4安裝于底座21內；所述甲醇水重整制氫系統5包括重整器51及啟動裝置52，所述重整器51安裝于第一安裝腔22內，重整器51用于甲醇水重整制得氫氣，所述啟動裝置52安裝于重整器51下端，啟動裝置52用于甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，通過燃燒甲醇水原料為重整器51的啟動過程提供熱量；所述發電系統6包括燃料電池61，燃料電池61安裝于第二安裝腔23內，燃料電池61用于氫氣及空氣中的氧氣發生電化學反應產生電能；所述電控系統3包括控制主板31及DC-DC轉換器32，該控制主板31及DC-DC轉換器32安裝于側板24上。由于本發明設置有安裝各部分部件的機架，因此本發明能夠使甲醇水進液系統、重整器、燃料電池、控制主板、DC-DC轉換器等部件實現模塊化組裝，且檢修拆卸非常方便。

如圖2和圖4所示，所述控制主板31控制甲醇水進液系統4、甲醇水重整制氫系統5、發電系統6及DC-DC轉換器32工作；電控系統3還包括可充電電池（圖中未示出），在甲醇水重整制氫發電機啟動前/啟動中，該可充電電池為甲醇水重整制氫發電機自身供電, 甲醇水重整制氫發電機啟動之后，發電機自身為可充電電池充電；控制主板31還安裝有通電開關311、啟動開關312、直流輸出接口313及直流接觸器314，通電開關311用于啟動前的電控系統3供電，啟動開關312用于一鍵啟動甲醇水重整制氫發電機，直流輸出接口313用于向外輸出直流電，直流接觸器314用于自動接通或斷開直流輸出電路。在本發明技術方案中，DC-DC轉換器向直流輸出接口輸出的為48V直流電，DC-DC轉換器向設備自身供應的為24V直流電。

如圖7和圖8所示，所述甲醇水進液系統4包括進液總管41、輸送泵42、啟動進液電磁閥43、啟動進液分管44、制氫進液電磁閥45、制氫進液分管46及壓力傳感器47；在甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，啟動進液電磁閥43打開，制氫進液電磁閥45關閉，甲醇水原料依次經進液總管41、輸送泵42、壓力傳感器47、啟動進液電磁閥43及啟動進液分管44后，供應給甲醇水重整制氫系統的啟動裝置52；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，制氫進液電磁閥45打開，啟動進液電磁閥43關閉，甲醇水原料依次經進液總管41、輸送泵42、壓力傳感器47、制氫進液電磁閥45及制氫進液分管46后，供應給甲醇水重整制氫系統的重整器51。這樣，一套甲醇水進液系統就能夠分別對重整器及啟動裝置輸送甲醇水原料。

如圖6、圖7、圖8和圖10所示，所述甲醇水重整制氫系統的重整器51包括重整室511、分離室512、燃燒室513及汽化盤管514；所述重整室511用于甲醇和水發生重整制氫反應制得以二氧化碳和氫氣為主的混合氣體，所述重整室511內設有催化劑，甲醇和水蒸汽在重整室511內，1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統，反應方程為：(1)CH₃OH→CO+2H₂、(2)H₂O+CO→CO₂+H₂ 、(3)CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，制得以二氧化碳和氫氣為主的高溫混合氣體；所述分離室512位于重整器51中部，分離室512包括燒結過濾器5121及氫分離膜管5122，所述混合氣體經富氫管道5111后進入燒結過濾器5121，通過燒結過濾器5121濾除固態雜質后進入氫分離膜管5122，氫分離膜管5122將混合氣體分離成氫氣和余氣，該氫氣經氫氣輸送管道5124后供應給燃料電池61，該余氣中含有二氧化碳、未完全反應的一氧化碳及部分氫氣，該余氣依次經余氣輸送管道5123、啟動裝置52后輸向燃燒室513，需要注意的是，余氣進入燃燒室通道是啟動裝置；所述燃燒室513用于余氣在燃燒室中燃燒，為重整器51的運行提供熱量；所述汽化盤管514用于將甲醇水汽化。通過燃燒余氣，既能為重整室提供重整制氫反應所需要的熱量，又能使高溫余氣得到充分利用，避免了能源浪費。

如圖7和圖8所示，甲醇水重整制氫發電機還包括換熱系統7，該換熱系統7包括同軸心的雙層換熱管71、常溫液體入口72、高溫液體出口73、高溫氣體入口74及低溫氣體出口75；所述雙層換熱管71的內層管道為氣體管道，外層管道為液體管道；在雙層換熱管71的一端，氣體管道與高溫氣體入口相連通，液體管道與高溫液體出口相連通；在雙層換熱管71的另一端，氣體管道與低溫氣體出口相連通，液體管道與常溫液體入口相連通；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，所述制氫進液分管46中的甲醇水原料從常溫液體入口72進入液體管道，所述重整器51制得的氫氣從高溫氣體入口74進入氣體管道，液體管道中的甲醇水原料與氣體管道中的氫氣進行換熱，甲醇水原料溫度升高，從高溫液體出口73輸出至重整器51，氫氣溫度降低，從低溫氣體出口75輸出至燃料電池61。采用同軸心的雙層換熱管，能使氫氣在進入燃料電池之前能降溫至較低的溫度，不會對燃料電池造成損害，與此同時，進入重整器的甲醇水原料在換熱器中得到加熱，從而降低重整器內的燃燒加熱強度，大幅提高了甲醇水原料的利用效率。

如圖2、圖3、圖7和圖8所示，甲醇水重整制氫發電機還包括控氣系統8，所述控氣系統8設置于向燃料電池61輸送氫氣的輸送管道上；所述控氣系統8包括安全控氣管81、安全進氣控制器82、安全電磁閥83、常用電磁閥84及常用氣壓傳感器85；所述安全進氣控制器82及安全電磁閥83安裝于安全控氣管81上，氫氣在通過安全控氣管81的過程中，若安全進氣控制器82感應到氫氣氣壓高于警戒氣壓，則控制安全電磁閥83打開泄氣孔，向外排出氫氣；該安全電磁閥83由可充電電池供電；所述常用電磁閥84用于在正常狀態下打開/關閉輸送管道，所述常用氣壓傳感器85用于在正常狀態下向電控系統3反饋輸送管道內的氫氣氣壓。

如圖6～圖9所示，所述甲醇水重整制氫系統的啟動裝置52的位置與重整器的重整室位置相對應，位于重整室內部下方，啟動裝置52包括進液/進氣總管521、火焰盤522、空心雙層蓋體523及點火器524；所述進液/進氣總管521與啟動進液分管44相連通；所述火焰盤522及空心雙層蓋體523從下至上設置于進液/進氣總管521上；所述空心雙層蓋體523的下側開有與進液/進氣總管521相連通的進液/進氣小孔5231，空心雙層蓋體523的周圍排列有一圈出液/出氣小孔5232；在甲醇水重整制氫發電機啟動過程中，甲醇水原料經啟動進液分管44、進液/進氣總管521、進液/進氣小孔5231后進入空心雙層蓋體523之內，再從空心雙層蓋體523四周的出液/出氣小孔5232中流出，直至流入火焰盤522，點火之后，甲醇水原料能夠在空心雙層蓋體523周圍迅速散開燃燒，而未完全燃燒的甲醇水原料則掉入火焰盤522中進一步迅速燃燒，這樣在火焰盤上方及空心雙層蓋體523周圍，甲醇水原料充分燃燒，釋放重整器所需要的啟動熱量，啟動速度非常快，通常在1分鐘之內即可啟動；在甲醇水重整制氫發電機制氫過程中，甲醇水重整制氫系統產生的余氣經余氣輸送管道5123、進液/進氣總管521、進液/進氣小孔5231后進入空心雙層蓋體523之內，再從空心雙層蓋體523四周的出液/出氣小孔5232中流出，在空心雙層蓋體523的周圍，余氣燃燒，釋放重整器所需要的運行熱量；所述點火器524設置于空心雙層蓋體523的周圍任一位置，且點火位置與出液/出氣小孔5232相對應。

在201510476342.5號專利中，甲醇水原料從進液立管往上流向小孔，再從小孔中冒出時，往往不會向四周散開，而是從上蓋體的某一位置直接流下來，不但達不到分散甲醇水原料的效果，而且點火器很難點火成功，因為點火器的點火位置是唯一的，也是固定不變的，若多次點火仍然不成功，則甲醇水原料會從啟動系統內部滲透出來，產生甲醇異味和安全風險，因此，本發明采用具有一圈出液/出氣小孔的空心雙層蓋體能很好的解決此問題。

如圖6～圖9所示，所述空心雙層蓋體523還設有若干上下貫通的通氣孔5233，該通氣孔5233用于外界空氣從下至上穿過空心雙層蓋體523。這樣，外界空氣更容易通過空心雙層蓋體523，噪音更低，燒燒更充分。

如圖6～圖9所示，所述甲醇水重整制氫系統的啟動裝置52還包括圓座525及進風機構526，所述圓座525圍于火焰盤522及空心雙層蓋體523的外部，所述進風機構526設置于圓座525的側端，進風機構526包括進風風道5261及安裝于進風風道5261外端的風扇5262；外界空氣在送風風扇5262的驅動下，經進風風道5261進入圓座525之中。設置圓座后，圓座將啟動裝置包圍，能顯著降低燃燒噪音，燃燒更充分，燃燒無異味產生；設置進風機構526后，能既能實現空氣導流，又能防止和消除回火風險。

如圖6～圖9所示，所述進風風道5261為筒狀風道；所述火焰盤522設有螺旋形的通風孔槽5221，外界空氣能通過通風孔槽5221向上進入火焰盤522之上、空心雙層蓋體523的外周以及重整器的燃燒室513內。外界空氣能從下至上依次通過通風孔槽、空心雙層蓋體的外周/通氣孔、重整器的燃燒室。采用螺旋形的通風孔槽5221，能使空氣螺旋式上升，顯著提高燃燒效率。

以上所述，僅是本發明較佳實施方式，凡是依據本發明的技術方案對以上的實施方式所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的范圍內。