[发明专利]一种燃料化学链制氢系统和方法

说明书

本发明是关于一种燃料化学链制氢系统和方法，包括两个完全相同的化学链燃烧反应器，化学链燃烧反应器包括外管和与外管同轴设置的内管，内管充填有第一载氧体，外管与内管之间的夹层充填有第二载氧体；内管的上端连接有水蒸气导入管道和燃料导入管道，内管的下端连接有气体导出管道。当第一化学链燃烧反应器导入水蒸气与还原态载氧体进行载氧体的氧化反应时，第二化学链燃烧反应器导入燃料与氧化态载氧体进行载氧体的还原反应。本发明的燃料化学链制氢系统工艺简单、反应器紧凑且易于小型化，可高效率地从气态或者液态燃料制取纯氢气。

技术领域

本发明涉及燃料制氢技术领域，特别涉及一种从气态或者液态燃料高效制取可直接用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)纯氢电堆的氢气的燃料化学链制氢技术。

背景技术

氢能与燃料电池是新能源技术领域的一个重要发展方向，而如何高效的从天然气、柴油、煤油、汽油等各种化石燃料、焦炉煤气等各种煤气、沼气等各种生物质气制取纯氢气是一个重要研究课题。在各种燃料电池中，PEMFC由于具有燃料电池汽车(FCV)和分布式热电联供系统两大用途而备受关注。迄今为止，用于FCV的PEMFC通常采用以纯氢气为燃料的纯氢电堆(H₂-PEMFC)，而用于分布式热电联供系统的PEMFC通常采用以重整气(通过碳氢化合物的水蒸气重整、自热重整或者部分氧化重整而得，含有20％以上的CO₂)为燃料的重整气电堆(重整气-PEMFC)。H₂-PEMFC相较于重整气-PEMFC具有发电效率高、成本低和功率密度大的优势，因而从天然气等燃料高效制取纯氢气，然后与H₂-PEMFC形成燃料-H₂-PEMFC分布式热电联供系统，将具有良好的节能和经济效益。

以天然气为例，常用的天然气制取纯氢气的工艺流程有水蒸气重整+CO水汽变换+PSA法、水蒸气重整+CO水汽变换+CO₂化学吸收法、以及水蒸气重整+CO水汽变换+CO₂有机溶剂吸收法。由于PSA、CO₂化学吸收以及CO₂有机溶剂吸收工艺复杂、能耗高且难以小型化，因而并不适用于天然气-H₂-PEMFC分布式热电联供系统。

近年来，以零能耗捕集CO₂为特色的煤炭气化气化学链制氢开始受到研究者的关注。该化学链制氢的工艺流程包括FeO与水蒸气反应生成Fe₃O₄和氢气、Fe₃O₄与空气反应生成Fe₂O₃、以及Fe₂O₃与燃料反应生成FeO和CO₂+H₂O三个独立的环节。这样一来，就需要三个反应器进行巡回切换才能连续获取氢气，因而系统十分复杂。再者，该系统排出两种高温烟气(Fe₃O₄与空气反应排出的烟气和Fe₂O₃与燃料反应产生的烟气)，因而热量的回收利用困难，导致制氢效率降低。因此，现有的化学链制氢工艺不适用于天然气-H₂-PEMFC分布式热电联供系统。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可从各种燃料高效制取纯氢气的燃料化学链制氢系统，尤其是提供一种基于水蒸气重整与化学链燃烧相结合的燃料化学链制氢系统。进而，本燃料化学链制氢系统不仅适用于大规模制氢，还易于小型化，从而十分适用于燃料-H₂-PEMFC分布式热电联供系统。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。