[发明专利]烷烃裂解与燃料电池复合发电系统

说明书

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种烷烃裂解与燃料电池复合发电系统，即烷烃催化 裂解制备氢气、氢气提纯与燃料电池连接的复合发电装置。

背景技术

随着经济的发展，人类迫切需要开发环境友好的新能源。氢能作为高效、洁净的二次 能源，早在20世纪70年代中期就已经受到人们的高度重视。近来，氢气又有新的用途，用 作燃料电池的燃料。质子交换膜燃料电池，以贵金属铂作为电极催化剂，以纯氢作燃料， 不经过燃烧，直接把燃料的化学能转换成电能的装置。它具有能量转换效率高、无污染、 启动快、比能量高等优点，已被看作电动车、潜艇和各种可移动设备最佳的电源候选者， 成为世界各国竞相研究的热点。目前，制氢的方法主要有电解水法、光解水法、碳及碳氢 化合物重整制合成气法和催化裂解法等。其中，电解水法的成本高，光解水法尚处于研究阶 段，制合成气法以其成本低和技术成熟成为当前大规模制氢最常用的方法。通常，碳氢化合 物制合成气法包括碳氢化合物的水蒸气重整、二氧化碳重整、自热重整和催化部分氧化法 (POM)制氢，但部分氧化反应温度高，且CH₄/O₂混合气有爆炸的潜在危险，很难实现工业 放大。以上这些过程的共同缺点是生成CO、CO₂和H₂的混合物，分离困难，制氢成本是其 最致命的弱点，而且，为了氢燃料电池的使用(H2中CO浓度小于20×10^-5)和工业生产对 洁净氢的需求，CO必须从H₂中除去。

通过无氧条件下直接裂解烷烃可以制备不含碳氧化物的H₂(可直接共PEMFC燃料电池 使用)和碳纳米管(CNTs，具有非常优良的机械强度、导电性与导热性)。由于能够同时得到 这两种非常重要的产品，所以该技术路线引起了许多研究者的重视。目前已有许多制备 CNTs的方法，其中催化裂解法因其简单易行，产率较高且适于批量生产而显示了较好的 工业应用前景。

专利CN1179878C采用甲烷直接无氧条件下裂解制氢或者氢烷混合气的方法，但是该方 法制备的氢气由于含有大量的甲烷会影响到氢气在燃料电池上的分压，降低燃料电池的性 能，同时会造成材料的浪费。

由于氢气的储存运输具有一定的危险，限制了燃料电池的商业化进程。解决氢气的储 存与运输这一难题主要从两方面入手。1采用其它易存储运输的燃料代替氢气。2采用其 它燃料裂解制氢。针对第一种方法，现在主要采用直接廉价而又便于运输的甲醇、乙醇等 作燃料。但是由于甲醇与氢气相比难于电化学活性低，且易渗透过质子交换膜，因此电池 的性能较低。针对第二种方法主要采用裂解甲醇或者氨气制氢，但是由于甲醇的裂解气中 含有CO，CO这种气体对铂催化剂具有较强的毒化作用，微量的CO，便会导致催化剂的中毒， 严重影响了电池的使用寿命。甲烷乙烷丙烷等烷烃在直接裂解过程中并不产生CO，对燃料 电池的催化剂不会造成中毒，但是在直接通入燃料电池过程中，由于有大量的原料气，会 影响氢气在催化剂上的吸附，导致燃料电池的性能波动太大，并且容易造成燃料气的浪费。

发明内容

本发明目的是为了降低燃料气的浪费，提高燃料电池的性能，减少原料气对电池地影 响，而提供了一种将甲烷裂解，钯膜纯化制氢，燃料电池发电联合起来的烷烃裂解与燃料 电池复合发电系统。

本发明的技术方案为：利用烷烃可以非氧条件下直接裂解制备氢气，裂解效率大于60％， 然而该裂解气同时含有将近40％未裂解气烷烃，该气体会降低氢气在燃料电池上的分压，影 响到氢气的利用率。本发明提供了一种将烷烃裂解重整制氢，经过钯膜过滤，提高氢气纯 度并将气体直接通入燃料电池发电这一复合发电系统。通过将烷烃直接裂解制备氢气。采 用裂解不含氧的烷烃，制成气中不含的CO或者CO₂，所制备的气体不含CO，从而不会导致质 子交换膜燃料电池的催化剂的中毒。