[发明专利]氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的方法和系统。

背景技术

2010年，中国取代美国成为全球最大的汽车市场。中国汽车市场的崛起在未来很长一段时间所带来的机遇是惊人的。高盛曾发布过一份关于未来全球汽车市场变化的报告。2000年，美国共有1.35亿辆汽车，中国仅有850万辆，印度540万辆。高盛估计，到2050年，美国将有2.33亿辆汽车，中国5.14亿辆，印度6.1亿辆。很难想象，全球这么多车辆对石油的需求量将有多大。亚洲对燃料的需求不断增长，意味着未来必须要寻找其他燃料，或开发其他替代性能源。

但是北京及世界其它大城市的现实已表明，无节制的发展现有汽车工业，汽车尾气导致的雾霾将带来巨大的挑战，解决办法是汽车工业的转型替代，即向电动汽车和氢燃料电池汽车发展。

一旦目前的燃油汽车升级为电动汽车和氢燃料电池汽车，在未来的5-20年忽然有一天我们必须面对这一现实，石油天然气工业如何未雨绸缪？美国能源信息署最新数据显示，2013年美国的汽油消耗量相较于1998年达到的峰值，已经下降了将近75％，而这一切只发生在约15年的时间里，这种现象在中国是否会发生？

人类的能源发展史从薪柴→煤→天然气→沼气→氢气，尽管这一路径仍有争议，但毫无争议的是能源形态从固到液再到气，天然气、沼气和氢气以及电将是未来汽车的主要能源供应形式。

对于制氢，原料可再生，可由水电解制氢，即由水制氢，但近代从汽油、柴油和天然气汽车等燃烧动力车向氢燃料电池车过渡中，必有一段烷烃制氢的过渡阶段。

在烷烃制氢的路线中，尤以天然气蒸汽转化制氢效果最好，不但甲烷中的H/C最高，而且此工艺还把水中的氢转化过来，利用了水中的氢来生产氢气。

但是发展氢燃料电池汽车的瓶颈是氢气的供应，需要新建大量的汽车加氢站以及制氢、配送和储存设备，另外还需在车上安装高压氢气储罐。而且，与现有的汽油和天然气的供应工艺、设备相比，由于氢是最轻的元素，其生产、运输和储存成本高，也是制约氢能燃料电池产业化的因素之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的方法，通过将汽车上存储的水与压缩天然气降压输出的天然气在催化剂的作用下反应，把甲烷和水中的氢转化氢气，氢气直接供给汽车的氢燃料电池发电。

本发明的另一目的在于提供一种氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的系统。

为达到上述目的，本发明提供了一种氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的方法，其包括以下步骤：将水蒸汽和经压缩天然气降压输出的天然气预热，二者混合后与蒸汽转化催化剂接触反应制得产品气，其中，反应压力为0.1-2.0MPa，温度为450-1200℃，空速为500-5000h^-1，水碳比(H₂O/C摩尔比)为2-6；

使经过冷却的产品气与一氧化碳变换催化剂接触反应，制得变换气，其中，反应压力为0.1-2.0MPa，温度为300-500℃，空速为500-2000h^-1；

对变换气进行膜分离提纯，得到CO含量≤50ppm的氢气和分离后的尾气，冷却后，将氢气输入氢燃料电池。

本方法将天然气与水在催化剂的作用下制得氢气，氢气提纯后供给汽车的氢燃料电池发电，实现了在氢燃料电池汽车上原位制氢。本方法是使用蒸汽转化催化剂将天然气中的甲烷和水中的氢转化氢气，使用一氧化碳变换催化剂降低产品气中一氧化碳气体含量，然后通过膜分离工艺得到高纯度氢气。

在上述方法中，优选的，所述蒸汽转化催化剂为M/Al₂O₃，其中，M为活性组分，其为Pt、Pd、Rh、Ag和Ru中的一种或多种的组合，Al₂O₃为载体，以Al₂O₃的质量计，M的含量为0.5-2.0wt％。优选地，可将活性组分M直接负载于Al₂O₃材质的反应管上，此时Al₂O₃既是载体，又是反应器的反应管。

在上述方法中，优选的，以重量百分比计，所述一氧化碳变换催化剂具有以下组份：5-10wt％Cr₂O₃，5-10wt％Co₃O₄，其余为氧化铁。