帶表面多孔化微凸臺陣列結(jié)構(gòu)催化劑載體的制氫微重整器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制氫微重整器，尤其是一種帶表面多孔化微凸臺陣列結(jié)構(gòu)催化劑載體的制氫微重整器。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是人類賴以生存和發(fā)展的基石，但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口數(shù)量的提高，能源正以越來越快的速度被消耗。氫能作為一種可再生能源，由于其高效、零污染等優(yōu)勢，是一種極為優(yōu)越的新能源，并被廣泛地應用于各種場合。在眾多制氫的方法中，水汽重整制氫具有氫氣產(chǎn)量高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。氫氣可以由水或醇類等制取，而水是地球上最為豐富的資源，而乙醇等可以生物發(fā)酵等方式制成，都演繹了自然物質(zhì)循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過程。采用微反應器進行重整制氫，是一種現(xiàn)場供氫的有效方式，并引起了眾多研究者的興趣與關(guān)注。
[0003]中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00610124078.X)公開了一種用作催化劑載體的定向銅纖維燒結(jié)氈及其制造方法，制造銅纖維，并將其按照一定規(guī)律纏繞在不銹鋼板凹槽中，壓緊后用氧化鋁粉末覆蓋，隨后在高溫下燒結(jié)，得到定向銅纖維燒結(jié)氈。該方法制造出的催化劑載體熱導性不好，壓降較大，不利于催化劑載體的層疊擴展。
[0004]其他現(xiàn)有制氫反應器中，存在幾種帶微凸臺陣列結(jié)構(gòu)的微通道反應器，比如反應流體通過圓周排列的多個進口流入環(huán)形陣列的微凸臺結(jié)構(gòu)，從圓心流出，雖然具有一定比表面積和較好的傳熱傳質(zhì)性能，但是微凸臺陣列結(jié)構(gòu)催化劑載體的表面較為光滑，不利于催化劑的涂覆，同時限制了催化反應的面積。此外，現(xiàn)有的制氫反應器，也存在表面多孔化的微通道結(jié)構(gòu)，但是多孔結(jié)構(gòu)為開式孔隙結(jié)構(gòu)，僅分布在微通道表面，無法顯著增大反應載體薄板的比表面積。
[0005]從上述分析可以看出，目前的微重整器在催化劑載體比表面積、重整器壓降、傳熱傳質(zhì)速度等方面還有待提高，有必要設計一種具備傳熱傳質(zhì)效率更高、比表面積更大、壓降更低等優(yōu)勢的制氫微重整器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了進一步提高催化劑載體比表面積和傳熱傳質(zhì)速度，降低反應壓降，本發(fā)明提出了一種帶表面多孔化微凸臺陣列結(jié)構(gòu)催化劑載體的制氫微重整器，具備傳熱傳質(zhì)效率更高、比表面積更大、壓降更低的優(yōu)勢。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]本發(fā)明包括上蓋板、下蓋板以及密封安裝在上蓋板與下蓋板之間自上而下依次放置的一塊蒸發(fā)板、多塊重整板和多塊反應載體薄板，相鄰的兩塊重整板之間均設有一塊加熱板，上蓋板、下蓋板、蒸發(fā)板、重整板和加熱板中相鄰兩塊之間的安裝面均設有柔性石墨墊;重整板上表面的重整反應腔均設有反應載體薄板，反應載體薄板整體為矩形板，上表面帶有微凸臺的陣列結(jié)構(gòu)，反應載體薄板的上表面均設有一層多孔涂層;每個重整板的下表面中部一側(cè)開有兩道平行的上條形凹槽，加熱板上表面中部一側(cè)開有兩道與重整板上條形凹槽相對應的下條形凹槽，下條形凹槽與上條形凹槽形成空間內(nèi)放置陶瓷加熱片，重整器采用陶瓷加熱片進行加熱，并通過熱電偶進行重整板的溫度測量。
[0009]所述微凸臺為矩形柱狀結(jié)構(gòu)，所有微凸臺間隔均布并沿氣流流動方向均分為前半部分和后半部分，后半部分微凸臺的寬度小于前半部分微凸臺寬度。
[0010]所述的微凸臺的陣列結(jié)構(gòu)上表面與柔性石墨墊之間具有間隙。
[0011]所述的上條形凹槽和下條形凹槽槽方向垂直于微凸臺的陣列結(jié)構(gòu)上反應氣體流動方向。
[0012]相鄰兩個所述重整板的上條形凹槽開槽側(cè)相反。
[0013]所述的上蓋板頂面設有進口管，下蓋板底面設有出口管；
[0014]所述的蒸發(fā)板上表面開有蒸發(fā)腔，蒸發(fā)腔與進口管相通，蒸發(fā)腔兩側(cè)對稱分布有三角形的蒸發(fā)入口引流腔和蒸發(fā)出口引流腔，蒸發(fā)出口引流腔處設有蒸發(fā)出口通孔；
[0015]所述的重整板上表面開有重整反應腔，重整反應腔兩側(cè)對稱分布有三角形的重整入口引流腔和重整出口引流腔，重整出口引流腔處設有重整出口通孔；
[0016]所述的加熱板兩側(cè)分別設有加熱入口通孔和加熱出口通孔。
[0017]所述的重整板和加熱板為層疊放置，除最下層以外其余重整板的重整入口引流腔處均設有重整入口通孔，各層重整板的重整入口通孔、加熱板的加熱入口通孔和蒸發(fā)板的蒸發(fā)出口通孔上下對應相通，重整板的重整出口通孔、加熱板的加熱出口通孔和出口管上下對應相通。
[0018]所述的微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，其截面為矩形，長與寬的尺寸為0.5-2mm，高度尺寸為
0.5-3mm，微凸臺之間的間距為0.2_2mm，微凸臺結(jié)構(gòu)表面與微通道底面多孔涂層的厚度為100-300μπι，孔隙率為25-60%，沿流動方向后半部分微凸臺結(jié)構(gòu)的寬度為前半部分微凸臺寬度的I /3-2/3，微凸臺的陣列結(jié)構(gòu)上表面與柔性石墨墊之間具有0.1 -0.3mm的間隙。
[0019]所述的反應載體薄板首先采用微細銑削或線切割等方法在銅片上加工出帶有微凸臺的陣列結(jié)構(gòu)，并采用火焰噴涂法或粉末燒結(jié)法等工藝加工出表面多孔涂層。
[0020]本發(fā)明的制氫微重整器，通過多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板的設計，可以有效提高反應載體薄板的比表面積，提高催化劑與反應載體薄板的附著力，從而增大醇類轉(zhuǎn)化率與反應的穩(wěn)定性，更加高效地實現(xiàn)醇類重整制氫，同時可以有效降低反應壓降從而降低栗入反應物所需的能耗。此外，反應載體薄板的層疊裝配可實現(xiàn)重整器的功率擴大，并應用在汽車等大功率的場合。
[0021]本發(fā)明通過多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板的設計，多孔涂層與微凸臺陣列結(jié)構(gòu)可以有效提高反應載體薄板的比表面積，提高催化劑與反應載體薄板的附著力，從而增大醇類轉(zhuǎn)化率與反應的穩(wěn)定性。
[0022]本發(fā)明的多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板，與多孔材料反應載體薄板相比，熱導性好，壓降較低，溫度分布更均勻，顯著降低重整器所需能耗。
[0023]本發(fā)明的核心部件為多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板，可以首先采用微細銑削或線切割等方法在銅片上加工出微凸臺陣列結(jié)構(gòu)，并采用火焰噴涂法或粉末燒結(jié)法等工藝加工出表面多孔涂層，加工成本低，可實現(xiàn)該類型反應載體薄板的大批量生產(chǎn)。
[0024]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0025]I)本發(fā)明的多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板，沿流動方向后半部分微凸臺的寬度小于前半部分微凸臺寬度，可以有效改善反應過程中氣體體積增大而導致氣阻增加的問題，因而能顯著降低反應的壓降，從而降低栗入反應物所需的能量；同時，可以減少催化劑的使用量，降低成本；
[0026]2)本發(fā)明的多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)反應載體薄板，與表面多孔化的微通道反應載體薄板相比，微通道結(jié)構(gòu)表面的多孔涂層可以進一步提高反應載體薄板的比表面積，提高催化劑與反應載體薄板的附著力，并改善微重整器內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)，從而有利于提高重整制氫過程中的醇類轉(zhuǎn)化率和制氫速率；
[0027]3)本發(fā)明的層疊型多孔微凸臺陣列結(jié)構(gòu)制氫微重整器，采用陶瓷加熱片進行加熱，可有效減小重整器的體積，從而提高其能量密度。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的整體三維爆炸示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明反應載體薄板的俯視圖。
[0030]圖3是本發(fā)明微凸臺陣列結(jié)構(gòu)的表面多孔涂層電鏡圖。
[0031 ]圖4是本發(fā)明反應載體薄板截面的剖視示意圖。
[0032]圖5是本發(fā)明上蓋板的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖6是本發(fā)明蒸發(fā)板的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖7是本發(fā)明加熱板的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖8是本發(fā)明重整板的三維結(jié)構(gòu)示意圖
[0036]圖9是本發(fā)明反應載體薄板上的氣體流動簡圖。
[0037]圖10是本發(fā)明的整體氣體流動路徑示意圖。
[0038]圖中:1、出口管，2、下蓋板，3、反應載體薄板，4、重整板，5、蒸發(fā)板，6、上蓋板，7、進口管，8、柔性石墨墊，9、加熱板，10、陶瓷加熱片，11、銅片，12、多孔涂層，13、微通道，14、蒸發(fā)出口通孔，15、蒸發(fā)出口引流腔，16、蒸發(fā)入口引流腔，17、蒸發(fā)腔，18、下條形凹槽，19、加熱入口通孔，20、加熱出口通孔，21、重整出口引流腔，22、重整出口通孔，23、重整反應腔，24、重整入口通孔，25、重整入口引流腔，26、上條形凹槽，27、微凸臺。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0040]如圖1所示，本發(fā)明包括上蓋板6、下蓋板2以及密封安裝在上蓋板6與下蓋板2之間自上而下依次放置的一塊蒸發(fā)板5、多塊重整板4和一塊反應載體薄板3，相鄰的兩塊重整板4之間均設有一塊加熱板9，上蓋板6、下蓋板2、蒸發(fā)板5、重整板4和加熱板9中相鄰兩塊之間的安裝面均設有柔性石墨墊8。
[0041 ]如圖1所示，反應載體薄板3安裝在重整板4上表面的重整反應腔23中，反應載體薄板3整體為矩形板，上表面帶有微凸臺27的陣列結(jié)構(gòu)，如圖2所示，反應載體薄板3的上表面(包括微凸臺27陣列結(jié)構(gòu)表面和微通道13底面)均設有一層多孔涂層12，如圖4所示;每個重整板4的下表面中部一側(cè)開有兩道平行的上條形凹槽26，加熱板9上表面中部一側(cè)開有兩道與重整板4上條形凹槽26相對應的下條形凹槽18，下條形凹槽18與上條形凹槽26形成空間內(nèi)放置陶瓷加熱片10。
[0042]微凸臺27為矩形柱狀結(jié)構(gòu)，覆涂涂層后的微凸臺陣列結(jié)構(gòu)表面如圖3所示，所有微凸臺27間隔均布并沿氣流流動方向均分為前半部分和后半部分，前半部分的微凸臺27的寬度均相同，后半部分的微凸臺27的寬度均相同，后半部分微凸臺27的寬度小于前半部分微凸臺27寬度，所有微凸臺27沿氣流流動方向的長度相同，如圖9所示。微凸臺27的陣列結(jié)構(gòu)上表面與柔性石墨墊8之間具有間隙，從而可以提高反應過程的傳熱速度，降低反應壓降。
[0043]上條形凹槽26和下條形凹槽18槽方向垂直于微凸臺27的陣列結(jié)構(gòu)上反應氣體流動方向。
[0044]相鄰兩個重整板4的上條形凹槽26開槽側(cè)相反，利于溫度的均勻分布。
[0045]如圖5所示，上蓋板6頂面設有進口管7，如圖1所示，下蓋板2底面