本發(fā)明涉及一種自熱型甲醇制氫微反應(yīng)器，尤其是一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器。

技術(shù)背景

氫燃料電池具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量轉(zhuǎn)換效率高、污染排放低等優(yōu)點，在汽車、船舶等交通工具中有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，氫燃料電池所需的氫氣為二次能源，需要通過其他能源轉(zhuǎn)換能到。一種有效的方式為采用現(xiàn)場重整制氫方式供氫，即采用自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器現(xiàn)場重整制氫，為氫燃料電池供氫。由于采用類似于汽油的液體燃料，現(xiàn)場重整制氫方式不存在高壓儲氫罐直接供氫方式的缺點，為氫燃料電池汽車的大規(guī)模應(yīng)用提供了一種新的思路。

針對常規(guī)的自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器存在結(jié)構(gòu)尺寸大、體積能量效率低等缺點。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?80818079472.0)公開了一種層疊式自熱微制氫重整器。該重整器集成了吸熱反應(yīng)芯片和放熱反應(yīng)芯片，采用半定位銷孔定位。該重整器結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，結(jié)構(gòu)形式易于擴大，便于安裝。然而，該重整器的反應(yīng)載體制造成本高，效率低，啟動時間長；

為了降低制造成本，提高反應(yīng)效率，中國發(fā)明專利(申請?zhí)?80910100100.0)公開了一種微凸臺陣列結(jié)構(gòu)的自熱型甲醇重整制氫微通道重整器。該重整器包含催化重整制氫通道和燃燒通道，重整制氫所需的熱量由燃燒通道提供，實現(xiàn)重整器的自熱運行。通過采用微凸臺陣列結(jié)構(gòu)作為反應(yīng)載體，進一步提高了重整器能量效率。但該反應(yīng)器也存在啟動時間長的問題。

雖然通過各國研究者的努力，自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器的能量效率得到了很大提高。自熱甲醇重整制氫微反應(yīng)器制氫運行時需要一定的溫度(約230℃)。因此，要使微反應(yīng)器能快速實現(xiàn)制氫運行，滿足氫燃料電池汽車啟動的需要，需快速地將微反應(yīng)器升溫到工作溫度。目前，自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器的供熱主要依靠燃燒通道內(nèi)燃燒燃料甲醇和空氣的催化燃燒實現(xiàn)。根據(jù)能量守恒，為了實現(xiàn)微反應(yīng)器的快速升溫，就需要較大的燃燒燃料(甲醇/空氣)入口流量。而大的燃燒燃料入口流量將一方面吹落燃燒催化劑，引起微反應(yīng)器堵塞；另一方面，大流量入口燃燒燃料與催化劑開始接觸時劇烈催化燃燒釋放的大量熱量，又會使微反應(yīng)器局部溫度過高，影響催化劑的壽命，甚至使燃燒催化劑失效。由于上述原因，目前自熱甲醇重整制氫微反應(yīng)器普遍存在啟動時間長的問題，這就制約了反應(yīng)器的大規(guī)模應(yīng)用。因此，有必要發(fā)明一種可快速啟動、結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高、制造成本低，并可直接給氫燃料電池供氫的自熱型甲醇重整制氫反應(yīng)器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器。該反應(yīng)器將燃燒燃料甲醇和空氣分開供應(yīng)。由于燃燒燃料甲醇和空氣在兩個單獨的通道中流動，降低了燃料與催化劑接觸時的氣流速度，這就使甲醇和空氣的供應(yīng)量得到提高，增加了微反應(yīng)器的啟動速度。而且，本發(fā)明中空氣與甲醇是在反應(yīng)通道內(nèi)氣體流動時分段接觸的，這就既可以避免入口燃料量大，反應(yīng)劇烈導致的局部高溫等問題，還可以均勻化微反應(yīng)器燃燒通道溫度，提高燃燒效率和催化劑壽命。此外，該反應(yīng)器的重整制氫板上制造有傳熱傳質(zhì)效率高的錯排非均布微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，可有效提高微反應(yīng)器的制氫效率。本發(fā)明啟動時間短，結(jié)構(gòu)緊湊，能量密度高，制氫效率高，制造成本低，整體結(jié)構(gòu)裝配容易，可作為中、小流量供氫場合的氫源。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器，從上至下依次由蓋板組件，重整制氫板，第一甲醇燃燒板，甲醇燃燒多孔板，第二甲醇燃燒板密封裝配而成；且所述的蓋板組件，重整制氫板，第一甲醇燃燒板，甲醇燃燒多孔板，第二甲醇燃燒板分別為尺寸相等的矩形體結(jié)構(gòu)；其中：

所述的蓋板組件包括矩形上蓋板，所述的矩形上蓋板上安裝有重整燃料入口不銹鋼管，重整燃料出口不銹鋼管，甲醇入口不銹鋼管，空氣入口不銹鋼管，燃燒氣體出口不銹鋼管；

所述的重整制氫板上開設(shè)有作為甲醇重整腔的平行四邊形凹槽，所述的平行四邊形凹槽中間的矩形位置安裝有微凸臺，所述的微凸臺上負載有甲醇重整制氫催化劑，所述的平行四邊形凹槽上以位于矩形位置上的微凸臺兩側(cè)為中心對稱開設(shè)有第一三角形流體分布腔；所述的重整制氫板上還開設(shè)有第一燃燒原料空氣入口孔、第一燃燒原料甲醇入口孔、燃燒氣體出口孔；其中所述的重整燃料入口不銹鋼管，重整燃料出口不銹鋼管與平行四邊形凹槽位置對應(yīng)開設(shè)；所述的第一燃燒原料空氣入口孔與空氣入口不銹鋼管位置對應(yīng)開設(shè)；所述的第一燃燒原料甲醇入口孔與甲醇入口不銹鋼管位置對應(yīng)開設(shè)；所述的燃燒氣體出口孔與燃燒氣體出口不銹鋼管位置對應(yīng)開設(shè)；且所述的重整燃料入口不銹鋼管、平行四邊形凹槽、重整燃料出口不銹鋼管貫通形成重整燃料流動通道；

所述的第一甲醇燃燒板上開設(shè)有作為甲醇催化燃燒腔的平行四邊形通槽，且所述的平行四邊形通槽在第一甲醇燃燒板上開設(shè)方向正好與平行四邊形凹槽在重整制氫板上開設(shè)的方向相反；所述的第一甲醇燃燒板上還開設(shè)有第二燃燒原料甲醇入口孔，且第二燃燒原料甲醇入口孔與第一燃燒原料甲醇入口孔位置對應(yīng)開設(shè)；且所述的第一燃燒原料空氣入口孔、燃燒氣體出口孔均與平行四邊形通槽內(nèi)位置對應(yīng)開設(shè)；使所述的空氣入口不銹鋼管、第一燃燒原料空氣入口孔、第一甲醇燃燒板上的平行四邊形通槽、燃燒氣體出口孔和燃燒氣體出口不銹鋼管貫通形成燃燒原料空氣流動通道；

所述的甲醇燃燒多孔板中間開設(shè)有陣列分布的圓形通孔；所述的圓形通孔與第一甲醇燃燒板上的平行四邊形通槽位置對應(yīng)開設(shè)；所述的圓形通孔上表面燒結(jié)有甲醇催化燃燒催化劑薄層；所述的甲醇燃燒多孔板上還開設(shè)有第三燃燒原料甲醇入口孔，且所述的第三燃燒原料甲醇入口孔與第二燃燒原料甲醇入口孔位置對應(yīng)開設(shè)；

所述的第二甲醇燃燒板中間開設(shè)有微通道，且所述的微通道一側(cè)的第二甲醇燃燒板上開設(shè)有第二三角形流體分布腔；且所述的微通道與第二三角形流體分布腔連通；所述的第二甲醇燃燒板上的微通道與甲醇燃燒多孔板上的圓形通孔位置對應(yīng)開設(shè)；所述的甲醇入口不銹鋼管、第一燃燒原料甲醇入口孔、第二燃燒原料甲醇入口孔、第三燃燒原料甲醇入口孔、第二甲醇燃燒板上的第二三角形流體分布腔、第二甲醇燃燒板上的微通道、甲醇燃燒多孔板上的圓形通孔、第一甲醇燃燒板上的平行四邊形通槽、燃燒氣體出口孔和燃燒氣體出口不銹鋼管貫通形成燃燒原料甲醇流動通道。

所述的重整制氫板上安裝有結(jié)構(gòu)一致的圓柱型微凸臺，且所述的微凸臺呈錯排分布，所述的微凸臺中奇數(shù)列微凸臺數(shù)目相同，偶數(shù)列微凸臺數(shù)目相同。

所述的微凸臺上負載有銅基催化劑cu/zno/al2o3或貴金屬鈀基催化劑pd/al2o3。

所述的圓形通孔上表面燒結(jié)有鉑基催化劑pt/al2o3薄層。

所述的第二甲醇燃燒板上的微通道寬度比甲醇燃燒多孔板上的圓形通孔孔徑大。

所述的重整制氫板為普通鋁合金重整制氫板，所述的第一甲醇燃燒板為普通鋁合金第一甲醇燃燒板，所述的甲醇燃燒多孔板為普通鋁合金甲醇燃燒多孔板，所述的第二甲醇燃燒板為普通鋁合金第二甲醇燃燒板。

所述的蓋板組件，重整制氫板，第一甲醇燃燒板，甲醇燃燒多孔板，第二甲醇燃燒板之間采用焊接方式進行密封裝配。

本發(fā)明的有益效果：

1)通過改善微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，將燃燒燃料甲醇和空氣分開供應(yīng)，該微反應(yīng)器將燃燒燃料甲醇和空氣分開供應(yīng)。由于燃燒燃料甲醇和空氣在兩個單獨的通道中流動，降低了燃料與催化劑接觸時的氣流速度，這就使甲醇和空氣的供應(yīng)量得到提高，增加了微反應(yīng)器的啟動速度。

2)由于本發(fā)明空氣與甲醇接觸是在反應(yīng)通道內(nèi)氣體流動時分段接觸的，這就既可以避免入口燃料量大，反應(yīng)劇烈導致的局部高溫等問題，還可以均勻化微反應(yīng)器燃燒通道溫度，提高燃燒效率和催化劑壽命。

3)本發(fā)明微反應(yīng)器的重整制氫板上制造有傳熱傳質(zhì)效率高的錯排非均布微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，可有效提高微反應(yīng)器的制氫效率。相比于平行和錯排的微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，錯排非均布微凸臺陣列結(jié)構(gòu)可進一步提高燃料在微反應(yīng)器中的停留時間，改善了微反應(yīng)器的傳熱傳質(zhì)性能，從而提高了微反應(yīng)器的效率。

4)本發(fā)明微反應(yīng)器的核心部件(重整制氫板和第二甲醇燃燒板)可采用半固態(tài)微觸變成形工藝加工而成，制造效率高，加工成本低。

5)本發(fā)明微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，可用于中、小功率制氫場合。并且易于擴大規(guī)模，只需將若干個該反應(yīng)器層疊并設(shè)計入口流道即可實現(xiàn)氫氣產(chǎn)量的擴大。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中蓋板組件的結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖3是圖1中重整制氫板的結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖4是圖1中第一甲醇燃燒板的結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖5是圖1中甲醇燃燒多孔板的結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖6是圖1中第二甲醇燃燒板的結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖7是圖6的a-a剖視圖；

圖8是本發(fā)明制氫工作原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本實施例的一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器，如圖1-7所示，從上至下依次由蓋板組件1，重整制氫板2，第一甲醇燃燒板3，甲醇燃燒多孔板4，第二甲醇燃燒板5密封裝配而成；且所述的蓋板組件1，重整制氫板2，第一甲醇燃燒板3，甲醇燃燒多孔板4，第二甲醇燃燒板5分別為尺寸相等的矩形體結(jié)構(gòu)；其中：

所述的蓋板組件1包括矩形上蓋板6，所述的矩形上蓋板6上安裝有重整燃料入口不銹鋼管7，重整燃料出口不銹鋼管8，甲醇入口不銹鋼管9，空氣入口不銹鋼管10，燃燒氣體出口不銹鋼管11；各不修鋼管內(nèi)外徑尺寸相同，與矩形上蓋板6采用氬弧焊方法進行連接與密封。

所述的重整制氫板2上開設(shè)有作為甲醇重整腔的平行四邊形凹槽17，所述的平行四邊形凹槽17中間的矩形位置安裝有圓柱型微凸臺18，且所述的微凸臺18呈錯排分布，所述的微凸臺18中奇數(shù)列微凸臺18數(shù)目相同，偶數(shù)列微凸臺18數(shù)目相同。所述的圓柱型微凸臺18上負載有甲醇重整制氫催化劑，其中本實施例所述的甲醇重整制氫催化劑采用銅基催化劑或貴金屬催化劑，所述的平行四邊形凹槽17上以位于矩形位置上的圓柱形微凸臺18兩側(cè)為中心對稱開設(shè)有第一三角形流體分布腔19，用于均勻化甲醇重整制氫燃料(甲醇/水混合溶液)；所述的重整制氫板2上還開設(shè)有第一燃燒原料空氣入口孔12、第一燃燒原料甲醇入口孔13、燃燒氣體出口孔14；其中所述的重整燃料入口不銹鋼管7，重整燃料出口不銹鋼管8與平行四邊形凹槽17位置對應(yīng)開設(shè)；所述的第一燃燒原料空氣入口孔12與空氣入口不銹鋼管10位置對應(yīng)開設(shè)；所述的第一燃燒原料甲醇入口孔13與甲醇入口不銹鋼管9位置對應(yīng)開設(shè)；所述的燃燒氣體出口孔14與燃燒氣體出口不銹鋼管11位置對應(yīng)開設(shè)；且所述的重整燃料入口不銹鋼管7、平行四邊形凹槽17、重整燃料出口不銹鋼管8貫通形成重整燃料流動通道；甲醇重整燃料甲醇/水混合溶液流入重整燃料流動通道，與甲醇重整制氫催化劑接觸發(fā)生甲醇重整制氫反應(yīng)，制得氫氣。

所述的第一甲醇燃燒板3上開設(shè)有作為甲醇催化燃燒腔的平行四邊形通槽20，且所述的平行四邊形通槽20在第一甲醇燃燒板3上開設(shè)方向正好與平行四邊形凹槽17在重整制氫板2上開設(shè)的方向相反；所述的第一甲醇燃燒板3上還開設(shè)有第二燃燒原料甲醇入口孔15，且第二燃燒原料甲醇入口孔15與第一燃燒原料甲醇入口孔13位置對應(yīng)開設(shè)；且所述的第一燃燒原料空氣入口孔12、燃燒氣體出口孔14均與平行四邊形通槽20內(nèi)位置對應(yīng)開設(shè)；使所述的空氣入口不銹鋼管10、第一燃燒原料空氣入口孔12、第一甲醇燃燒板3上的平行四邊形通槽20、燃燒氣體出口孔14和燃燒氣體出口不銹鋼管11貫通形成燃燒原料空氣流動通道。

所述的甲醇燃燒多孔板4中間開設(shè)有陣列分布的圓形通孔21，所述的圓形通孔21與第一甲醇燃燒板3上的平行四邊形通槽20位置對應(yīng)開設(shè)，且所述的圓形通孔21上表面燒結(jié)有甲醇催化燃燒催化劑薄層(如鉑基催化劑)，燃燒催化劑為多孔結(jié)構(gòu)，不會堵塞圓形通孔21；所述的甲醇燃燒多孔板4上還開設(shè)有第三燃燒原料甲醇入口孔16，且所述的第三燃燒原料甲醇入口孔16與第二燃燒原料甲醇入口孔15位置對應(yīng)開設(shè)。

所述的第二甲醇燃燒板5中間開設(shè)有微通道22，且所述的微通道22一側(cè)的第二甲醇燃燒板5上開設(shè)有第二三角形流體分布腔23，用于均勻化微通道22內(nèi)的甲醇流速，提高甲醇的利用效率；且所述的微通道22與第二三角形流體分布腔23連通；所述的第二甲醇燃燒板5上的微通道22與甲醇燃燒多孔板4上的圓形通孔21位置對應(yīng)開設(shè)，且所述的微通道22寬度比甲醇燃燒多孔板4上的圓形通孔21孔徑大；所述的甲醇入口不銹鋼管9、第一燃燒原料甲醇入口孔13、第二燃燒原料甲醇入口孔15、第三燃燒原料甲醇入口孔16、第二甲醇燃燒板5上的第二三角形流體分布腔23、第二甲醇燃燒板5上的微通道22、甲醇燃燒多孔板4上的圓形通孔21、第一甲醇燃燒板3上的平行四邊形通槽20、燃燒氣體出口孔14和燃燒氣體出口不銹鋼管11貫通形成燃燒原料甲醇流動通道。

所述的重整制氫板2為普通鋁合金重整制氫板，所述的第一甲醇燃燒板3為普通鋁合金第一甲醇燃燒板，所述的甲醇燃燒多孔板4為普通鋁合金甲醇燃燒多孔板，所述的第二甲醇燃燒板5為普通鋁合金第二甲醇燃燒板。

所述的蓋板組件1，重整制氫板2，第一甲醇燃燒板3，甲醇燃燒多孔板4，第二甲醇燃燒板5之間采用焊接方式進行密封裝配；提高重整制氫反應(yīng)器的緊湊性和密封性。

所述的重整制氫板2，第二甲醇燃燒板5由于結(jié)構(gòu)復雜，存在微結(jié)構(gòu)導致機械加工效率較低，因此可采用半固態(tài)微觸變成形技術(shù)加工而成；其余薄板可采用普通機械加工技術(shù)制造而成。

本實施例的一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器，在由蓋板組件1和重整制氫板2構(gòu)成的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)腔內(nèi)進行甲醇重整制氫反應(yīng)，制得富氫重整氣。在由重整制氫板2、第一甲醇燃燒板3和甲醇燃燒多孔板4構(gòu)成的甲醇催化燃燒腔內(nèi)進行甲醇催化燃燒反應(yīng)，為反應(yīng)器的運行提供熱量。在甲醇重整制氫反應(yīng)腔中進行的甲醇水蒸氣重整制氫包括三個反應(yīng)，如下所示：

ch3oh+h2o→3h2+co2，

co2+h2→co+h2o，

ch3oh→2h2+co。

在甲醇催化燃燒腔內(nèi)中進行的燃料燃燒過程包括一個反應(yīng)，如下所示：

ch3oh+1.5o2→2h2o+co2。

所述的重整制氫板2的微凸臺18陣列上負載的重整制氫催化劑可為銅基催化劑cu/zno/al2o3，或者貴金屬鈀基催化劑pd/al2o3，用于甲醇水蒸氣重整制氫。

所述的甲醇催化燃燒腔內(nèi)負載有鉑基催化劑pt/al2o3，用于甲醇催化燃燒。

本發(fā)明的工作原理如下：

圖8為本實施例的一種快速啟動自熱型甲醇重整制氫微反應(yīng)器的制氫工作過程原理圖。制氫反應(yīng)開始前，向微反應(yīng)器中通入保護氣氮氣，為了清除通道內(nèi)的殘余空氣。氮氣的流量由質(zhì)量流量計控制。接著，由氣泵向微反應(yīng)器的燃燒原料空氣流動通道中通入空氣，由流量泵向燃燒原料甲醇流動通道中通入甲醇液體?？諝馔ㄟ^空氣入口不銹鋼管10、第一燃燒原料空氣入口孔12流入甲醇催化燃燒腔。燃燒燃料甲醇通過甲醇入口不銹鋼管9、第一燃燒原料甲醇入口孔13、第二燃燒原料甲醇入口孔15、第三燃燒原料甲醇入口孔16流入第二甲醇燃燒板5的微通道22中，再通過微通道22上方的甲醇燃燒多孔板4的圓形通孔21的陣列流入甲醇催化燃燒腔。甲醇和空氣接觸后進行催化燃燒反應(yīng)(燃燒后產(chǎn)物為二氧化碳和水等)，為反應(yīng)器提供熱量。利用催化燃燒產(chǎn)生的熱量將微反應(yīng)器升溫至230℃；當反應(yīng)器溫度升溫到230℃時，向微反應(yīng)器中通入含h2體積分數(shù)5％的n2/h2混合氣體，對甲醇重整制氫催化劑進行還原。當微反應(yīng)器首次還原完成后，微反應(yīng)器就可以一直進行重整制氫反應(yīng)。在沒有外界空氣氧化的情況下，無需再次進行還原。

當微反應(yīng)器需要重整制氫運行時，調(diào)節(jié)甲醇催化燃燒腔的甲醇燃料入口流量，將反應(yīng)器快速升溫并調(diào)節(jié)至重整制氫反應(yīng)溫度。接著，重整燃料(如甲醇水的混合溶液)在泵等動力源的驅(qū)動下泵入微反應(yīng)器的重整燃料流動通道，進行甲醇重整制氫反應(yīng)過程，制得氫氣、二氧化碳、一氧化碳等氣體。在制氫過程中，微反應(yīng)器的溫度由熱電偶和溫控儀控制，重整燃料的流量由流量泵或液體流量計控制，制氫過程的壓力由壓力變送器監(jiān)控。

本發(fā)明能作為中、小型制氫裝備，應(yīng)用于移動式氫燃料電池氫源。

本實施例通過改善微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，將燃燒燃料甲醇和空氣分開供應(yīng)，該微反應(yīng)器將燃燒燃料甲醇和空氣分開供應(yīng)。由于燃燒燃料甲醇和空氣在兩個單獨的通道中流動，降低了燃料與催化劑接觸時的氣流速度，這就使甲醇和空氣的供應(yīng)量得到提高，增加了微反應(yīng)器的啟動速度。第二由于本實施例空氣與甲醇接觸是在反應(yīng)通道內(nèi)氣體流動時分段接觸的，這就既可以避免入口燃料量大，反應(yīng)劇烈導致的局部高溫等問題，還可以均勻化微反應(yīng)器燃燒通道溫度，提高燃燒效率和催化劑壽命。第三本實施例微反應(yīng)器的重整制氫板上制造有傳熱傳質(zhì)效率高的錯排非均布微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，可有效提高微反應(yīng)器的制氫效率。相比于平行和錯排的微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，錯排非均布微凸臺陣列結(jié)構(gòu)可進一步提高燃料在微反應(yīng)器中的停留時間，改善了微反應(yīng)器的傳熱傳質(zhì)性能，從而提高了微反應(yīng)器的效率。第四本實施例微反應(yīng)器的核心部件(催化燃燒板和第二甲醇燃燒板)可采用半固態(tài)微觸變成形工藝加工而成，制造效率高，加工成本低。第五本實施例微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，可用于中、小功率制氫場合。并且易于擴大規(guī)模，只需將若干個該反應(yīng)器層疊并設(shè)計入口流道即可實現(xiàn)氫氣產(chǎn)量的擴大。