專利名稱：一種金屬泡沫催化重整反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)設(shè)備中有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)器，尤其是在催化劑作用下實(shí)現(xiàn)放熱與吸熱的一種金屬泡沫催化重整反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種利用氫能的發(fā)電裝置，作為新一代的發(fā)電技術(shù)，以其特有的高效率和環(huán)境友好特性而引起了全世界的關(guān)注。
它的最大優(yōu)越性體現(xiàn)在工作溫度低，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，具有比其它類型的燃料電池更高的功率密度等優(yōu)點(diǎn)。它既可用作固定電站，又可作為移動(dòng)運(yùn)輸工具的電源。特別是近幾年來(lái)，由于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)和汽車造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，化石能源逐漸枯竭，PEMFC以其優(yōu)異的技術(shù)性能以及對(duì)環(huán)境較低的污染特性，被廣泛認(rèn)為是未來(lái)汽車的最佳動(dòng)力源。

發(fā)明內(nèi)容
為了減少熱損失，降低排放，本發(fā)明的目的在于，提供一種金屬泡沫催化重整反應(yīng)器。
研究表明，采用有機(jī)燃料催化重整產(chǎn)生氫氣以用于PEMFC在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是最佳選擇之一，它可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行有機(jī)燃料的催化重整制氫。因此，金屬泡沫自熱催化重整反應(yīng)器具有廣闊的應(yīng)用前景。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣來(lái)解決的一種金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，包括外管和內(nèi)管，外管上有絕熱層，其特征在于，所述外管和內(nèi)管采用套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管內(nèi)填滿作為催化劑載體的金屬泡沫，內(nèi)管和外管之間也填充有金屬泡沫。
兩種金屬泡沫結(jié)構(gòu)與材料可以相同也可不同。
本發(fā)明采用金屬泡沫作為催化劑載體。金屬泡沫雖然是一種多孔介質(zhì)材料，但由于其特有的微觀支架結(jié)構(gòu)、高孔隙率(＞90％)、比表面積大、流動(dòng)阻力相對(duì)較小等特點(diǎn)，使其不同于傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)(如堆積顆粒)。采用金屬泡沫材料作為催化劑載體并填充在反應(yīng)通道內(nèi)，可以極大地增加反應(yīng)物和催化劑的接觸面積及傳熱效率，大大提高催化反應(yīng)效率。
本反應(yīng)器采用了等離子體噴涂技術(shù)。在燃燒反應(yīng)一側(cè)，采用等離子體技術(shù)在金屬泡沫的表層覆蓋了一層燃燒催化劑層，而在催化重整反應(yīng)一側(cè)則采用等離子體技術(shù)在相應(yīng)的金屬泡沫表面附著一層重整催化劑。這樣，可以使催化劑在高溫度的環(huán)境中仍具有高黏性及高機(jī)械強(qiáng)度，從而使之經(jīng)久耐用。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)形式的示意圖。
下面結(jié)合附圖以及通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)熱的高效利用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一種催化反應(yīng)熱交換器，包括外管和內(nèi)管，外管上有絕熱層，外管和內(nèi)管采用套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管內(nèi)填滿作為催化劑載體的金屬泡沫，內(nèi)管和外管之間也填充有金屬泡沫。燃料在催化劑的作用下在環(huán)形腔內(nèi)催化燃燒，放出的熱量可立即傳遞給內(nèi)管催化重整過(guò)程所需的熱量，這就是催化反應(yīng)熱交換器的工作原理。
本發(fā)明的反應(yīng)器環(huán)境友好。隨著燃料電池這一環(huán)境友好的發(fā)電方式在技術(shù)上的不斷突破，諸如生物質(zhì)制氫、金屬置換制氫、太陽(yáng)能制氫、金屬氫化物制氫等許多其他的化學(xué)制氫技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并將伴隨著燃料電池、氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一同步入氫能時(shí)代。而這種高效金屬泡沫自熱催化重整反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)高效制氫，并且極大地降低污染物的排放，保證了環(huán)境的清潔、友好。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式包括一個(gè)內(nèi)管一個(gè)外管，或者多個(gè)內(nèi)管一個(gè)外管，外管的形狀可以是圓形，方形或其他形狀，只要形成對(duì)內(nèi)管的包圍均屬于本發(fā)明的套管結(jié)構(gòu)的范疇。
以甲醇的自熱催化重整過(guò)程為例其中蒸汽重整過(guò)程為ΔH＝131KJ/mol催化燃燒過(guò)程為 這兩個(gè)過(guò)程的結(jié)合可以通過(guò)一種緊湊式催化反應(yīng)熱交換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果增大反應(yīng)物與催化劑的接觸面積，那么可以顯著提高產(chǎn)氫效率、減少熱損失和排放。
金屬泡沫材料提供了設(shè)計(jì)這種高效催化反應(yīng)器的可能。金屬泡沫雖然是一種多孔介質(zhì)材料，但由于其特有的微觀支架結(jié)構(gòu)、高孔隙率(＞90％)、比表面積大、流動(dòng)阻力相對(duì)較小等特點(diǎn)，使其不同于傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)(如堆積顆粒)。采用金屬泡沫材料作為催化劑載體并填充在反應(yīng)通道內(nèi)，可以極大地增加反應(yīng)物和催化劑的接觸面積及傳熱效率，大大提高催化反應(yīng)效率。
利用等離子體噴涂技術(shù)解決催化劑層在高溫度條件下黏性及機(jī)械強(qiáng)度不足的問(wèn)題。在燃燒反應(yīng)一側(cè)，采用等離子體技術(shù)在金屬泡沫的表層覆蓋了一層燃燒催化劑層，而在催化重整反應(yīng)一側(cè)則采用等離子體技術(shù)在相應(yīng)的金屬泡沫表面附著一層重整催化劑。這樣，可以使催化劑在高溫度的環(huán)境中仍具有高黏性及高機(jī)械強(qiáng)度，從而使之經(jīng)久耐用。
等離子體技術(shù)噴涂的金屬可以采用金屬鋁，鈦，或氧化鋯等。這些采用等離子體技術(shù)噴涂出的金屬或金屬氧化物可以使得金屬支撐底層免于受到其他介質(zhì)的侵蝕，與此同時(shí)，可以提高金屬支撐底層在高溫下的使用壽命。
此外，等離子體技術(shù)還可以使用合成的金屬材料作為噴涂物。
在本發(fā)明所采用的等離子噴涂技術(shù)中，等離子體噴涂層的多孔結(jié)構(gòu)取決于出口流型(層流，過(guò)渡流或湍流)，化學(xué)成分，流速，噴涂距離和噴涂功率等。
需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，本發(fā)明不局限以上所給出的實(shí)施例的形式，還可以變換成其他的結(jié)構(gòu)形式。如改變內(nèi)管的數(shù)量或改變外管的形狀，內(nèi)管和套管中通過(guò)的流體或流體混合物順流或逆流，但只要是采用了本發(fā)明定義的套管結(jié)構(gòu)，都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，包括外管和內(nèi)管，外管上有絕熱層，其特征在于，所述外管和內(nèi)管采用套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管內(nèi)填滿金屬泡沫，內(nèi)管和外管之間也填充有金屬泡沫。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，其特征在于，所述的內(nèi)管和外管之間填充的金屬泡沫材料與內(nèi)管填滿的金屬泡沫材料不同。
3.如權(quán)利要求1或2所述的金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，其特征在于，所述的金屬泡沫的表層上覆蓋有燃燒催化劑層或重整催化劑層。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬泡沫催化重整反應(yīng)器，其特征在于，所述的燃燒催化劑層或重整催化劑層采用等離子體噴涂形成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了這樣一種自熱催化重整反應(yīng)器采用套管結(jié)構(gòu)，包括外管和內(nèi)管，外管上有絕熱層，內(nèi)管內(nèi)填滿作為催化劑載體的金屬泡沫，內(nèi)管和外管之間也填充有金屬泡沫。燃料在催化劑的作用下在環(huán)形腔內(nèi)催化燃燒，放出的熱量可立即傳遞給內(nèi)管作為催化重整過(guò)程所需的熱量。另外，本發(fā)明采用了等離子體技術(shù)對(duì)催化劑層進(jìn)行了保護(hù)，可以使得金屬支撐底層免于受到其他介質(zhì)的侵蝕，與此同時(shí)，可以提高金屬支撐底層在高溫下的使用壽命。本發(fā)明的反應(yīng)器由于采用了上述技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效、清潔的目的，十分適合時(shí)代的發(fā)展需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)C01B3/40GK1947832SQ200610104598
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者趙長(zhǎng)穎, 杜艷平, 李增耀 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)