本實(shí)用新型涉及重整制氫技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種帶有CO凈化及溫度監(jiān)控功能的甲醇重整反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

在眾多的新能源中，氫能將會成為21世紀(jì)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(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）需要純氫作為燃料，但純氫的運(yùn)輸、儲存、加注技術(shù)及設(shè)施不能滿足分散型電站，尤其是進(jìn)入家庭使用的要求，因此通過現(xiàn)有的化石燃料的儲運(yùn)附加設(shè)施，利用燃料重整制氫的方式與PEMFC聯(lián)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(fā)生甲醇裂解反應(yīng)和CO的變換反應(yīng)，生成H₂和CO，這是一個(gè)多組分、多反應(yīng)的氣固相反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)方程如下：

CH₃OH→CO+H₂ （1）

H₂O+CO→CO₂+H₂ （2）

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂ （3）

重整反應(yīng)生成的H₂ 和CO₂，再經(jīng)過鈀膜分離器將H₂ 和CO₂分離，得到高純氫氣。

現(xiàn)有的重整反應(yīng)器普遍存在如下問題：

1）制成的氫氣中含有CO：來自重整反應(yīng)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電極而且極易吸附于催化劑表面，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(yán)重下降。

2）重整反應(yīng)器的反應(yīng)溫度不易控制：采用燃料燃燒為重整反應(yīng)提供熱量的甲醇重整反應(yīng)器通常包括重整反應(yīng)室，燃燒室和蒸發(fā)器。燃料在點(diǎn)火裝置的作用下通過噴嘴在燃燒室內(nèi)迅速燃燒產(chǎn)生熱，并將通入蒸發(fā)器內(nèi)的原料甲醇和水汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體進(jìn)入重整反應(yīng)室在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。甲醇重整反應(yīng)器與質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)用時(shí)，產(chǎn)生的富氫氣體經(jīng)CO凈化后輸送至質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)生電力。

甲醇重整反應(yīng)中要求溫度控制在350℃-409℃范圍內(nèi)，因此需要對燃燒室內(nèi)溫度進(jìn)行精確控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種帶有CO凈化及溫度監(jiān)控功能的甲醇重整反應(yīng)器，以至少解決降低重整反應(yīng)器產(chǎn)生的富氫氣體中CO含量以及重整反應(yīng)器反應(yīng)溫度可監(jiān)控的問題。

本實(shí)用新型是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種帶有CO凈化及溫度監(jiān)控功能的甲醇重整反應(yīng)器，包括燃燒室、重整反應(yīng)室、蒸發(fā)器、CO凈化器和外殼；

燃燒室和重整反應(yīng)室均為空腔柱體，燃燒室置于重整反應(yīng)器內(nèi)，燃燒室與重整反應(yīng)室之間的間隙內(nèi)填充重整反應(yīng)催化劑；

重整反應(yīng)室上方設(shè)有與燃燒室相通的進(jìn)料腔體，進(jìn)料腔體內(nèi)設(shè)有正對燃燒室的噴嘴，噴嘴上設(shè)有甲醇燃料進(jìn)口和空氣進(jìn)口；進(jìn)料腔體上方設(shè)有點(diǎn)火裝置，且點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火正、負(fù)電極置于噴嘴的出口處；

蒸發(fā)器采用盤管結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器置于燃燒室內(nèi)，蒸發(fā)器的出口與重整反應(yīng)室的進(jìn)口連接，重整反應(yīng)室的進(jìn)口處設(shè)有第一熱電偶；

CO凈化器包括上、下環(huán)形腔體，上、下環(huán)形腔體之間通過均布的若干豎管連接相通；CO凈化器的進(jìn)口和出口分別設(shè)于下環(huán)形腔體的底部兩側(cè)，下環(huán)形腔體的內(nèi)部空間通過兩塊隔板分為兩部分，其中一部分與CO凈化器的進(jìn)口連通、另一部分與CO凈化器的出口連通，CO凈化器的進(jìn)口與重整反應(yīng)室的出口連接，CO凈化器的出口處設(shè)有第二熱電偶；CO凈化器的上、下環(huán)形腔體及各豎管內(nèi)設(shè)有CO反應(yīng)催化劑；CO凈化器整體套裝于重整反應(yīng)室外側(cè)；

燃燒室、重整反應(yīng)室、蒸發(fā)器、CO凈化器和進(jìn)料腔體都位于同一軸線上，且都封裝于外殼內(nèi)。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，點(diǎn)火裝置上設(shè)有第一散熱風(fēng)扇，外殼內(nèi)的殼頂上位于點(diǎn)火裝置正上方的位置設(shè)有第二散熱風(fēng)扇。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，外殼上部的殼壁上均布有若干散熱孔。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，CO凈化器的底部設(shè)有支撐于外殼殼底的支撐腿。

甲醇重整反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)，甲醇燃料與空氣在噴嘴中混合并從噴嘴處噴出至燃燒室，同時(shí)點(diǎn)火裝置通電，在點(diǎn)火正、負(fù)電極的作用下在燃燒室內(nèi)迅速燃燒產(chǎn)生熱。燃燒室產(chǎn)生的熱量迅速向蒸發(fā)器和重整反應(yīng)室內(nèi)腔傳導(dǎo)，原料甲醇和水從蒸發(fā)器的進(jìn)口進(jìn)入蒸發(fā)器，并在盤管狀蒸發(fā)器內(nèi)汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體從蒸發(fā)器出口經(jīng)重整反應(yīng)室進(jìn)口進(jìn)入重整反應(yīng)室，并在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。富氫氣體進(jìn)一步經(jīng)過CO凈化器降低CO含量，然后輸送至燃料電池產(chǎn)生電力，沒有完全使用的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物會送回燃燒室為反應(yīng)提供熱量。

本實(shí)用新型中，CO凈化器的工作原理為：CO凈化器的下環(huán)形腔體內(nèi)部空間被兩塊隔板阻隔成兩部分，記與CO凈化器的進(jìn)口連通的為A空間，與CO凈化器的出口連通的為B空間。富氫氣體從重整反應(yīng)室出口經(jīng)CO凈化器進(jìn)口進(jìn)入到下環(huán)形腔體的A空間內(nèi)，再經(jīng)由與A空間相通的若干豎管向上走，進(jìn)入到上環(huán)形腔體中，然后再從上環(huán)形腔體經(jīng)由與B空間相通的若干豎管向下走，進(jìn)入到下環(huán)形腔體的B空間內(nèi)，最后從CO凈化器出口排出。CO凈化器的該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得富氫氣體能夠在CO凈化器內(nèi)盡可能流經(jīng)更長距離、停留更長時(shí)間的，使得富氫氣體與CO凈化器內(nèi)的CO反應(yīng)催化劑能夠更充分的反應(yīng)，最終進(jìn)一步降低富氫氣體中CO的含量。

本實(shí)用新型中，在重整反應(yīng)室的進(jìn)口處設(shè)有第一熱電偶，在CO凈化器的出口處設(shè)有第二熱電偶，通過兩個(gè)熱電偶對重整反應(yīng)室進(jìn)口及CO凈化器出口的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而可得知整個(gè)重整反應(yīng)器反應(yīng)溫度的運(yùn)行情況。在點(diǎn)火裝置上設(shè)有第一散熱風(fēng)扇，外殼內(nèi)的殼頂上位于點(diǎn)火裝置正上方的位置設(shè)有第二散熱風(fēng)扇，兩個(gè)散熱風(fēng)扇可對重整反應(yīng)器的溫度進(jìn)行控制，使得重整反應(yīng)器的反應(yīng)溫度始終保持在正常范圍內(nèi)。

本實(shí)用新型所述甲醇重整反應(yīng)室主要與質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)用，為質(zhì)子交換膜燃料電池提供氫氣。在啟動(dòng)時(shí)，使用工業(yè)甲醇燃燒產(chǎn)生熱，提供重整反應(yīng)所需要的溫度，與傳統(tǒng)甲醇重整反應(yīng)器相比，一方面，直接使用液體燃料簡化結(jié)構(gòu)；二方面，點(diǎn)燃后即可快速加熱至所需的反應(yīng)溫度，減少了啟動(dòng)時(shí)間，工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)；三方面，使用特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)造的CO凈化器，大大降低了富氫氣體中CO的含量；四方面，散熱風(fēng)扇及熱電偶的加入，可實(shí)時(shí)對重整反應(yīng)器的溫度情況進(jìn)行監(jiān)控，確保反應(yīng)的順利進(jìn)行和安全問題。本實(shí)用新型特別適用于可移動(dòng)、便攜式的小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型中CO凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的仰視圖。

圖中：1-燃燒室、2-重整反應(yīng)室、3-蒸發(fā)器、4- CO凈化器、4-1-上環(huán)形腔體、4-2-下環(huán)形腔體、4-3-豎管、4-4-隔板、5-外殼、6-進(jìn)料腔體、7-甲醇燃料進(jìn)口、8-空氣進(jìn)口、9-點(diǎn)火裝置、10-第一熱電偶、11-第二熱電偶、12-第一散熱風(fēng)扇、13-第二散熱風(fēng)扇、14-散熱孔、15-支撐腿、A-蒸發(fā)器的進(jìn)口、B-蒸發(fā)器的出口、C-重整反應(yīng)室的進(jìn)口、D-重整反應(yīng)室的出口、E-CO凈化器的進(jìn)口、F- CO凈化器的出口。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本實(shí)用新型，以下結(jié)合參考附圖并結(jié)合實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步清楚、完整的說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

圖1所示的一種帶有CO凈化及溫度監(jiān)控功能的甲醇重整反應(yīng)器，包括燃燒室1、重整反應(yīng)室2、蒸發(fā)器3、CO凈化器4和外殼5；

燃燒室1和重整反應(yīng)室2均為空腔柱體，優(yōu)選為空腔圓柱體，燃燒室1置于重整反應(yīng)器2內(nèi)，燃燒室1與重整反應(yīng)室2之間的間隙內(nèi)填充重整反應(yīng)催化劑；

重整反應(yīng)室2上方設(shè)有與燃燒室1相通的進(jìn)料腔體6，進(jìn)料腔體6內(nèi)設(shè)有正對燃燒室1的噴嘴（圖中未示出），噴嘴上設(shè)有甲醇燃料進(jìn)口7和空氣進(jìn)口8；進(jìn)料腔體6上方設(shè)有點(diǎn)火裝置9，且點(diǎn)火裝置9的點(diǎn)火正、負(fù)電極（圖中未示出）置于噴嘴的出口處；

蒸發(fā)器3采用盤管結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器3置于燃燒室1內(nèi)蒸發(fā)器3的進(jìn)口A接甲醇水溶液，蒸發(fā)器3的出口B與重整反應(yīng)室2的進(jìn)口C連接，重整反應(yīng)室2的進(jìn)口C處設(shè)有第一熱電偶10；

如圖2、3所示的CO凈化器4包括上、下環(huán)形腔體4-1、4-2，上、下環(huán)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凈化器4的進(jìn)口E和出口F分別設(shè)于下環(huán)形腔體4-2的底部兩側(cè)，下環(huán)形腔體4-2的內(nèi)部空間通過兩塊隔板4-4分為兩部分，其中一部分與CO凈化器4的進(jìn)口E連通、另一部分與CO凈化器4的出口F連通，CO凈化器4的進(jìn)口E與重整反應(yīng)室2的出口D連接，CO凈化器4的出口F處設(shè)有第二熱電偶11；CO凈化器4的上、下環(huán)形腔體4-1、4-2及各豎管4-3內(nèi)設(shè)有CO反應(yīng)催化劑；CO凈化器4整體套裝于重整反應(yīng)室2外側(cè)；

燃燒室1、重整反應(yīng)室2、蒸發(fā)器3、CO凈化器4和進(jìn)料腔體6都位于同一軸線上，且都封裝于外殼5內(nèi)。

燃燒室1為重整反應(yīng)提供熱量，燃料為甲醇，助燃劑為空氣，燃燒產(chǎn)物是CO₂和H₂O，燃燒過程中放出熱量。該反應(yīng)能夠迅速燃燒產(chǎn)生熱，從而使燃燒室1和重整反應(yīng)室2迅速升溫到所需的溫度。噴嘴設(shè)于進(jìn)料腔體6內(nèi)，甲醇燃料進(jìn)口7和空氣進(jìn)口8分別用于向噴嘴內(nèi)輸入燃料甲醇和助燃劑。點(diǎn)火裝置9設(shè)于進(jìn)料腔體6上方，點(diǎn)火裝置9的點(diǎn)火正、負(fù)電極伸至噴嘴處，點(diǎn)火裝置9通電，點(diǎn)火正、負(fù)電極即可點(diǎn)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(nèi)。蒸發(fā)器3為原料甲醇和水的汽化場所，原料甲醇和水通過蒸發(fā)器3的進(jìn)口輸入蒸發(fā)器3內(nèi)，汽化后的混合氣體從蒸發(fā)器3的輸出端口輸出至重整反應(yīng)室2。重整反應(yīng)室2中甲醇和水反應(yīng)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(yīng)溫度在230℃-270℃，其催化活性、反應(yīng)選擇性好。

甲醇重整制氫反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)，燃料甲醇通過蠕動(dòng)泵、燃料甲醇、空氣進(jìn)入進(jìn)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(diǎn)火裝置9的點(diǎn)火正、負(fù)電極的作用下迅速燃燒產(chǎn)生熱，其啟動(dòng)時(shí)間短，操作和裝置都很簡單。燃燒室1產(chǎn)生的熱量迅速向蒸發(fā)器3和重整反應(yīng)室2內(nèi)腔傳導(dǎo)，原料甲醇和水在蒸發(fā)器3內(nèi)汽化形成原料混合氣體，熱的混合氣體進(jìn)入重整反應(yīng)室2在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體。

來自重整反應(yīng)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電極而且極易吸附于催化劑表面，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(yán)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?？梢詫O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(yīng)。本實(shí)用新型在重整反應(yīng)室2外側(cè)設(shè)置有上、下環(huán)形腔體4-1、4-2加若干豎管4-3結(jié)構(gòu)的CO凈化器4，CO凈化器4的進(jìn)口連接重整反應(yīng)室2的出口。從重整反應(yīng)室2進(jìn)入到CO凈化器4中的富氫氣體會按照下環(huán)形腔體4-2→豎管4-3→上環(huán)形腔體4-1→豎管→下環(huán)形腔體的路線最終從CO凈化器4的出口排出。CO凈化器4的上、下環(huán)形腔體4-1、4-2及若干豎管4-3中都設(shè)有CO反應(yīng)催化劑。經(jīng)過CO凈化后的富氫氣體進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)生電力，沒有完全使用的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物會送回甲醇重整反應(yīng)器的燃燒室為反應(yīng)提供熱量。

具體實(shí)施時(shí)，點(diǎn)火裝置9上設(shè)有第一散熱風(fēng)扇12，外殼5內(nèi)的殼頂上位于點(diǎn)火裝置9正上方的位置設(shè)有第二散熱風(fēng)扇13。外殼5上部的殼壁上均布有若干散熱孔14。CO凈化器4的底部設(shè)有支撐于外殼5殼底的支撐腿15。第一散熱風(fēng)扇12、第二散熱風(fēng)扇13、散熱孔14、第一熱電偶10及第二熱電偶11的設(shè)置都是為了能夠精準(zhǔn)監(jiān)控本實(shí)用新型的整體溫度運(yùn)行情況，避免意外發(fā)生。

本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍不限于以上具體實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本實(shí)用新型可以有多種變形和更改，凡在本實(shí)用新型的構(gòu)思與原則之內(nèi)所作的任何修改、改進(jìn)和等同替換都應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。