帶有CO淨化及溫度監控功能的甲醇重整反應器的製作方法

2023-10-27 18:32:32

本實用新型涉及重整制氫技術領域，特別是一種帶有CO淨化及溫度監控功能的甲醇重整反應器。

背景技術：

在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀最理想的能源。在燃燒相同的煤、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，不會汙染環境。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）需要純氫作為燃料，但純氫的運輸、儲存、加注技術及設施不能滿足分散型電站，尤其是進入家庭使用的要求，因此通過現有的化石燃料的儲運附加設施，利用燃料重整制氫的方式與PEMFC聯合使用成為國際的通用方法。

甲醇重整制氫是甲醇與水蒸氣在350℃-409℃溫度下，1-5MPa的壓力條件下，在催化劑的作用下，發生甲醇裂解反應和CO的變換反應，生成H2和CO，這是一個多組分、多反應的氣固相反應系統。反應方程如下：

CH3OH→CO+H2 （1）

H2O+CO→CO2+H2 （2）

CH3OH+H2O→CO2+3H2 （3）

重整反應生成的H2 和CO2，再經過鈀膜分離器將H2 和CO2分離，得到高純氫氣。

現有的重整反應器普遍存在如下問題：

1）製成的氫氣中含有CO：來自重整反應器的富氫氣體包含45-75%H2、15-25%CO2、0.5%-2%CO和少量的H2O和N2。因氫燃料電池的電極材料為Pt，CO不僅會毒化Pt電極而且極易吸附於催化劑表面，阻礙燃料的催化氧化。大量的研究表明極微量的CO就能使電池性能嚴重下降。

2）重整反應器的反應溫度不易控制：採用燃料燃燒為重整反應提供熱量的甲醇重整反應器通常包括重整反應室，燃燒室和蒸發器。燃料在點火裝置的作用下通過噴嘴在燃燒室內迅速燃燒產生熱，並將通入蒸發器內的原料甲醇和水汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體進入重整反應室在催化劑的作用下發生重整反應產生富氫氣體。甲醇重整反應器與質子交換膜燃料電池聯用時，產生的富氫氣體經CO淨化後輸送至質子交換膜燃料電池產生電力。

甲醇重整反應中要求溫度控制在350℃-409℃範圍內，因此需要對燃燒室內溫度進行精確控制。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種帶有CO淨化及溫度監控功能的甲醇重整反應器，以至少解決降低重整反應器產生的富氫氣體中CO含量以及重整反應器反應溫度可監控的問題。

本實用新型是通過如下技術方案實現的：

一種帶有CO淨化及溫度監控功能的甲醇重整反應器，包括燃燒室、重整反應室、蒸發器、CO淨化器和外殼；

燃燒室和重整反應室均為空腔柱體，燃燒室置於重整反應器內，燃燒室與重整反應室之間的間隙內填充重整反應催化劑；

重整反應室上方設有與燃燒室相通的進料腔體，進料腔體內設有正對燃燒室的噴嘴，噴嘴上設有甲醇燃料進口和空氣進口；進料腔體上方設有點火裝置，且點火裝置的點火正、負電極置於噴嘴的出口處；

蒸發器採用盤管結構，蒸發器置於燃燒室內，蒸發器的出口與重整反應室的進口連接，重整反應室的進口處設有第一熱電偶；

CO淨化器包括上、下環形腔體，上、下環形腔體之間通過均布的若干豎管連接相通；CO淨化器的進口和出口分別設於下環形腔體的底部兩側，下環形腔體的內部空間通過兩塊隔板分為兩部分，其中一部分與CO淨化器的進口連通、另一部分與CO淨化器的出口連通，CO淨化器的進口與重整反應室的出口連接，CO淨化器的出口處設有第二熱電偶；CO淨化器的上、下環形腔體及各豎管內設有CO反應催化劑；CO淨化器整體套裝於重整反應室外側；

燃燒室、重整反應室、蒸發器、CO淨化器和進料腔體都位於同一軸線上，且都封裝於外殼內。

作為優選的技術方案，點火裝置上設有第一散熱風扇，外殼內的殼頂上位於點火裝置正上方的位置設有第二散熱風扇。

作為優選的技術方案，外殼上部的殼壁上均布有若干散熱孔。

作為優選的技術方案，CO淨化器的底部設有支撐於外殼殼底的支撐腿。

甲醇重整反應器啟動時，甲醇燃料與空氣在噴嘴中混合併從噴嘴處噴出至燃燒室，同時點火裝置通電，在點火正、負電極的作用下在燃燒室內迅速燃燒產生熱。燃燒室產生的熱量迅速向蒸發器和重整反應室內腔傳導，原料甲醇和水從蒸發器的進口進入蒸發器，並在盤管狀蒸發器內汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體從蒸發器出口經重整反應室進口進入重整反應室，並在催化劑的作用下發生重整反應產生富氫氣體。富氫氣體進一步經過CO淨化器降低CO含量，然後輸送至燃料電池產生電力，沒有完全使用的轉化產物會送回燃燒室為反應提供熱量。

本實用新型中，CO淨化器的工作原理為：CO淨化器的下環形腔體內部空間被兩塊隔板阻隔成兩部分，記與CO淨化器的進口連通的為A空間，與CO淨化器的出口連通的為B空間。富氫氣體從重整反應室出口經CO淨化器進口進入到下環形腔體的A空間內，再經由與A空間相通的若干豎管向上走，進入到上環形腔體中，然後再從上環形腔體經由與B空間相通的若干豎管向下走，進入到下環形腔體的B空間內，最後從CO淨化器出口排出。CO淨化器的該結構特點使得富氫氣體能夠在CO淨化器內儘可能流經更長距離、停留更長時間的，使得富氫氣體與CO淨化器內的CO反應催化劑能夠更充分的反應，最終進一步降低富氫氣體中CO的含量。

本實用新型中，在重整反應室的進口處設有第一熱電偶，在CO淨化器的出口處設有第二熱電偶，通過兩個熱電偶對重整反應室進口及CO淨化器出口的溫度進行實時監測，從而可得知整個重整反應器反應溫度的運行情況。在點火裝置上設有第一散熱風扇，外殼內的殼頂上位於點火裝置正上方的位置設有第二散熱風扇，兩個散熱風扇可對重整反應器的溫度進行控制，使得重整反應器的反應溫度始終保持在正常範圍內。

本實用新型所述甲醇重整反應室主要與質子交換膜燃料電池聯用，為質子交換膜燃料電池提供氫氣。在啟動時，使用工業甲醇燃燒產生熱，提供重整反應所需要的溫度，與傳統甲醇重整反應器相比，一方面，直接使用液體燃料簡化結構；二方面，點燃後即可快速加熱至所需的反應溫度，減少了啟動時間，工作穩定，可靠性強；三方面，使用特殊結構構造的CO淨化器，大大降低了富氫氣體中CO的含量；四方面，散熱風扇及熱電偶的加入，可實時對重整反應器的溫度情況進行監控，確保反應的順利進行和安全問題。本實用新型特別適用於可移動、可攜式的小型燃料電池發電系統。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖2為本實用新型中CO淨化器的結構示意圖。

圖3為圖2的仰視圖。

圖中：1-燃燒室、2-重整反應室、3-蒸發器、4- CO淨化器、4-1-上環形腔體、4-2-下環形腔體、4-3-豎管、4-4-隔板、5-外殼、6-進料腔體、7-甲醇燃料進口、8-空氣進口、9-點火裝置、10-第一熱電偶、11-第二熱電偶、12-第一散熱風扇、13-第二散熱風扇、14-散熱孔、15-支撐腿、A-蒸發器的進口、B-蒸發器的出口、C-重整反應室的進口、D-重整反應室的出口、E-CO淨化器的進口、F- CO淨化器的出口。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好的理解本實用新型，以下結合參考附圖並結合實施例對本實用新型作進一步清楚、完整的說明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

圖1所示的一種帶有CO淨化及溫度監控功能的甲醇重整反應器，包括燃燒室1、重整反應室2、蒸發器3、CO淨化器4和外殼5；

燃燒室1和重整反應室2均為空腔柱體，優選為空腔圓柱體，燃燒室1置於重整反應器2內，燃燒室1與重整反應室2之間的間隙內填充重整反應催化劑；

重整反應室2上方設有與燃燒室1相通的進料腔體6，進料腔體6內設有正對燃燒室1的噴嘴（圖中未示出），噴嘴上設有甲醇燃料進口7和空氣進口8；進料腔體6上方設有點火裝置9，且點火裝置9的點火正、負電極（圖中未示出）置於噴嘴的出口處；

蒸發器3採用盤管結構，蒸發器3置於燃燒室1內蒸發器3的進口A接甲醇水溶液，蒸發器3的出口B與重整反應室2的進口C連接，重整反應室2的進口C處設有第一熱電偶10；

如圖2、3所示的CO淨化器4包括上、下環形腔體4-1、4-2，上、下環形腔體4-1、4-2之間通過均布的若干豎管4-3連接相通；CO淨化器4的進口E和出口F分別設於下環形腔體4-2的底部兩側，下環形腔體4-2的內部空間通過兩塊隔板4-4分為兩部分，其中一部分與CO淨化器4的進口E連通、另一部分與CO淨化器4的出口F連通，CO淨化器4的進口E與重整反應室2的出口D連接，CO淨化器4的出口F處設有第二熱電偶11；CO淨化器4的上、下環形腔體4-1、4-2及各豎管4-3內設有CO反應催化劑；CO淨化器4整體套裝於重整反應室2外側；

燃燒室1、重整反應室2、蒸發器3、CO淨化器4和進料腔體6都位於同一軸線上，且都封裝於外殼5內。

燃燒室1為重整反應提供熱量，燃料為甲醇，助燃劑為空氣，燃燒產物是CO2和H2O，燃燒過程中放出熱量。該反應能夠迅速燃燒產生熱，從而使燃燒室1和重整反應室2迅速升溫到所需的溫度。噴嘴設於進料腔體6內，甲醇燃料進口7和空氣進口8分別用於向噴嘴內輸入燃料甲醇和助燃劑。點火裝置9設於進料腔體6上方，點火裝置9的點火正、負電極伸至噴嘴處，點火裝置9通電，點火正、負電極即可點燃從噴嘴噴出的燃料甲醇和空氣的混合氣體，噴嘴即可將火焰噴入至燃燒室1內。蒸發器3為原料甲醇和水的汽化場所，原料甲醇和水通過蒸發器3的進口輸入蒸發器3內，汽化後的混合氣體從蒸發器3的輸出埠輸出至重整反應室2。重整反應室2中甲醇和水反應生成重整合成氣，甲醇重整催化劑主要有鎳系催化劑、鉑鈀催化劑和銅系催化劑，其中，銅系催化劑的反應溫度在230℃-270℃，其催化活性、反應選擇性好。

甲醇重整制氫反應器啟動時，燃料甲醇通過蠕動泵、燃料甲醇、空氣進入進料腔體6的噴嘴，燃料甲醇和空氣混合，噴到燃燒室1中，在點火裝置9的點火正、負電極的作用下迅速燃燒產生熱，其啟動時間短，操作和裝置都很簡單。燃燒室1產生的熱量迅速向蒸發器3和重整反應室2內腔傳導，原料甲醇和水在蒸發器3內汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體進入重整反應室2在催化劑的作用下發生重整反應產生富氫氣體。

來自重整反應室2的富氫氣體包含45-75%H2、15-25%CO2、0.5%-2%CO和少量的H2O和N2。因氫燃料電池的電極材料為Pt，CO不僅會毒化Pt電極而且極易吸附於催化劑表面，阻礙燃料的催化氧化。大量的研究表明極微量的CO就能是電池性能嚴重下降，因而，選擇一種好的降低CO濃度的方法顯得格外重要。可以將CO濃度控制在20ppm以下的方法有吸附、Pd膜分離、CO甲烷化以及CO選擇性氧化反應。本實用新型在重整反應室2外側設置有上、下環形腔體4-1、4-2加若干豎管4-3結構的CO淨化器4，CO淨化器4的進口連接重整反應室2的出口。從重整反應室2進入到CO淨化器4中的富氫氣體會按照下環形腔體4-2→豎管4-3→上環形腔體4-1→豎管→下環形腔體的路線最終從CO淨化器4的出口排出。CO淨化器4的上、下環形腔體4-1、4-2及若干豎管4-3中都設有CO反應催化劑。經過CO淨化後的富氫氣體進入質子交換膜燃料電池產生電力，沒有完全使用的轉化產物會送回甲醇重整反應器的燃燒室為反應提供熱量。

具體實施時，點火裝置9上設有第一散熱風扇12，外殼5內的殼頂上位於點火裝置9正上方的位置設有第二散熱風扇13。外殼5上部的殼壁上均布有若干散熱孔14。CO淨化器4的底部設有支撐於外殼5殼底的支撐腿15。第一散熱風扇12、第二散熱風扇13、散熱孔14、第一熱電偶10及第二熱電偶11的設置都是為了能夠精準監控本實用新型的整體溫度運行情況，避免意外發生。

本實用新型要求保護的範圍不限於以上具體實施方式，對於本領域技術人員而言，本實用新型可以有多種變形和更改，凡在本實用新型的構思與原則之內所作的任何修改、改進和等同替換都應包含在本實用新型的保護範圍之內。