用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，包括殼體，殼體的右端設(shè)有甲醇和水溶液進(jìn)口管，左端設(shè)有產(chǎn)氣出口管，殼體內(nèi)由兩塊隔板分隔成右腔室、中間腔室和左腔室；在右腔室內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)器；在中間腔室內(nèi)設(shè)有催化器，中間腔室的管壁上安裝有連通中間腔室的波導(dǎo)管，波導(dǎo)管上設(shè)有磁電管；在左腔室內(nèi)設(shè)有冷凝器。本發(fā)明由于采用微波輻照加熱反應(yīng)物，可以使物質(zhì)內(nèi)外同時(shí)加熱，體系受熱均勻，避免局部高溫區(qū)和“冷點(diǎn)”的出現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的能量效率，具有節(jié)能減排的雙重效果。
【專利說明】用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及反應(yīng)器，尤其涉及一種用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng) 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽車工業(yè)是世界上僅次于石油化工的第二大產(chǎn)業(yè)，目前，幾乎所有的汽車都以汽 油、柴油為燃料，不僅消耗了大量的石油資源，而且汽車尾氣中所含的氮氧化物、碳?xì)浠铩?一氧化碳等造成了大氣的嚴(yán)重污染。為了保持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)人類居住環(huán)境 和保障能源供給，世界各國政府紛紛投入大量的人力、物力尋求解決這些問題的各種途徑。 燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒過程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的高效發(fā)電裝置，其工作過程不受卡諾循環(huán)限制，轉(zhuǎn)換效率高，幾乎沒有污染物排放。 以燃料電池為動(dòng)力的燃料電池電動(dòng)汽車既可以保護(hù)環(huán)境又可以緩解能源短缺和調(diào)整能源 結(jié)構(gòu)，已成為未來汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，是當(dāng)今世界能源和交通領(lǐng)域開發(fā)的熱點(diǎn)。
[0003] 燃料電池按電解質(zhì)分類可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電 池、固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池等五類。而汽車用燃料電池的要求為：能夠 在常溫下工作，電流密度高，免維護(hù)性好，耐振性與耐沖擊性好，能夠從低負(fù)荷到高負(fù)荷進(jìn) 行高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC)能夠滿足這些性能要求，因此成為發(fā)展最快 也最成熟的車用燃料電池?；赑EMFC的燃料電池汽車需要?dú)錃庾鳛槿剂?，自從燃料電?誕生起，氫源問題與燃料電池本身是同樣重要的核心技術(shù)，而氫源的研究開發(fā)已成為燃料 電池汽車從演示走向商業(yè)化的重要步驟。
[0004] PEMFC燃料電池汽車氫的來源主要有兩類，分別為隨車攜帶純氫和車載制氫。
[0005] 隨車攜帶氫氣的儲(chǔ)存方法可分為物理方法和化學(xué)方法。物理方法儲(chǔ)氫指的是利用 改變溫度和壓力使氫液化、氣化或吸附、脫附，從而達(dá)到儲(chǔ)存氫的目的。如：深冷液化儲(chǔ)氫， 高壓壓縮儲(chǔ)氫，活性碳吸附儲(chǔ)氫?；瘜W(xué)方法儲(chǔ)氫指的是用氫和儲(chǔ)氫物質(zhì)在一定條件下反應(yīng)， 將氫儲(chǔ)存起來，改變條件后，又可以釋放出氫，從而達(dá)到儲(chǔ)氫的目的。如：金屬氫化物儲(chǔ)氫， 有機(jī)液態(tài)氫化物儲(chǔ)氫，無機(jī)物儲(chǔ)氫等。
[0006] 車載制氫是指碳?xì)淙剂希ㄊ?、天然氣、甲醇、甲烷，液化石油氣和二甲醚等）在?整器內(nèi)催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含氫氣的混合氣體，混合氣體經(jīng)過凈化器提 純后作為燃料電池汽車的氫源。
[0007] 由于氫密度小，易氣化、著火、爆炸，故在氫的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用方面帶來一些不 便；氫燃料"逃逸率"高，即使用真空密封燃料箱，也以每24小時(shí)2%的速率"逃逸"，而汽油 一般是每月才1% ;加注氫燃料既費(fèi)時(shí)，又有危險(xiǎn)性?；剂现卣茪渚哂心芰棵芏雀?、 能量轉(zhuǎn)化效率高，容易運(yùn)輸、補(bǔ)充和儲(chǔ)存，在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面也有很明顯的優(yōu)勢(shì)，是最 現(xiàn)實(shí)的燃料電池氫源技術(shù)，成為研究的熱點(diǎn)。
[0008] 1997年，Daimler Benz公司宣布研制了第一臺(tái)用甲醇重整提供氫氣的燃料電池電 動(dòng)汽車，該汽車的性能與常規(guī)的汽車相當(dāng)，用40L甲醇可以行駛400km。美國、日本、德國、力口 拿大等國都投入了大量的財(cái)力和物力開展這方面的研究，并已取得了一定的進(jìn)展，而我國 這方面的研究剛剛起步，目前主要是開展以純氫為燃料的燃料電池汽車的研究，而車載碳 氫燃料重整制氫技術(shù)研究較少，因此開展車載燃料電池重整制氫系統(tǒng)的研究，開發(fā)出高性 能的車載重整制氫裝置具有重要理論意義和使用價(jià)值。
[0009] 燃料電池重整制氫系統(tǒng)主要由原料供應(yīng)裝置、預(yù)熱混合器、重整制氫反應(yīng)器和氣 體凈化器組成。重整制氫反應(yīng)是流體在固體催化劑上的反應(yīng)，所以一般選擇固定床反應(yīng)器 作為燃料重整制氫反應(yīng)器。研究得比較成熟的是管式反應(yīng)器。管式反應(yīng)器一般依賴熱傳導(dǎo) 和對(duì)流分配熱量，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；流速和溫度的操作范圍寬，運(yùn)行時(shí)間長； 催化劑不易磨損，即使在催化劑催化活性下降時(shí)也能長時(shí)間工作；成本低，容易添加或更新 催化劑。其不足之處是熱傳遞性能較差，體積一般不易減小，而且反應(yīng)器填充床中可能會(huì)產(chǎn) 生催化劑有效利用系數(shù)較低、產(chǎn)氫熱效率（生成氫氣低熱值/消耗燃料的低熱值）不太理 想等問題。
[0010] 甲醇重整制氫是工業(yè)制氫的重要方法之一，甲醇作為重整燃料具有雜質(zhì)含量低 (特別是硫含量低）、無需精制、制氫條件溫和（反應(yīng)溫度低于30(TC )，工藝流程簡單等特 點(diǎn)。而且作為液體燃料，可利用現(xiàn)存的汽車燃料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施。其缺點(diǎn)是甲醇具有一定的毒性 和腐蝕性，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成損害，對(duì)重整裝置的防腐要求高。
[0011] 因?yàn)榧状妓魵庵卣麨閺?qiáng)吸熱反應(yīng)，需要系統(tǒng)外部提供熱源。目前的甲醇水蒸氣 重整制氫反應(yīng)器普遍存在系統(tǒng)能耗大，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、加熱不均勻，反應(yīng)器內(nèi)存在"熱點(diǎn)" 與"冷點(diǎn)"問題。
[0012] 微波是一種普遍存在的電磁波，微波的電磁能以波的形式輻射到介質(zhì)內(nèi)部，在介 質(zhì)內(nèi)部引起介質(zhì)的介電損耗而發(fā)熱。與常規(guī)加熱相比，微波加熱不需要熱的傳導(dǎo)和熱對(duì)流， 在微波的作用下，物質(zhì)的介質(zhì)分子在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到活化狀態(tài)，分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞加劇， 大大加快了傳質(zhì)傳熱速率與反應(yīng)速率，縮短了反應(yīng)周期，無滯后效應(yīng)；微波加熱可以使物質(zhì) 內(nèi)外同時(shí)加熱，體系受熱均勻，避免局部高溫區(qū)和"冷點(diǎn)"的出現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的能量效 率，具有節(jié)能減排的雙重效果，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問題，提供一種用于燃料電池汽車的甲醇水蒸 氣重整制氫反應(yīng)器。
[0014] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種用于燃料電池汽車的甲醇 水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，包括殼體，殼體的右端設(shè)有甲醇和水溶液進(jìn)口管，左端設(shè)有產(chǎn)氣出 口管，殼體內(nèi)由兩塊隔板分隔成右腔室、中間腔室和左腔室；在右腔室內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)器；在中 間腔室內(nèi)設(shè)有催化器，中間腔室的管壁上安裝有連通中間腔室的波導(dǎo)管，波導(dǎo)管上設(shè)有磁 電管；在左腔室內(nèi)設(shè)有冷凝器。
[0015] 所述催化器內(nèi)裝填有Cu/A1203催化劑。
[0016] 所述Cu/A1203催化劑做成ImmX 1mm的圓柱體形。
[0017] 所述催化器與殼體之間設(shè)有間隔，形成微波腔體。
[0018] 所述蒸發(fā)器包括沿管壁設(shè)置的電控加熱套。
[0019] 所述催化器材料為氧化鋁陶瓷。
[0020] 本發(fā)明用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器由于采用微波輻照加熱 反應(yīng)物，可以使物質(zhì)內(nèi)外同時(shí)加熱，體系受熱均勻，避免局部高溫區(qū)和"冷點(diǎn)"的出現(xiàn)，可以 提高系統(tǒng)的能量效率，具有節(jié)能減排的雙重效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 參見圖1，本發(fā)明用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，包括殼體1， 殼體的右端設(shè)有甲醇和水溶液進(jìn)口管2,左端設(shè)有產(chǎn)氣出口管3,殼體內(nèi)由兩塊隔板分隔成 右腔室、中間腔室和左腔室；在右腔室內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)器4 ;在中間腔室內(nèi)設(shè)有催化器5,中間腔 室的管壁上安裝有連通中間腔室的波導(dǎo)管6,波導(dǎo)管上設(shè)有磁電管7 ;在左腔室內(nèi)設(shè)有冷凝 器8。
[0023] 本發(fā)明中的催化器內(nèi)裝填有Cu/A1203催化劑，該催化劑做成ImmX 1mm的圓柱體 形。催化器材料為氧化鋁陶瓷。
[0024] 本發(fā)明中的催化器與殼體之間設(shè)有間隔，形成微波腔體9。
[0025] 本發(fā)明中的蒸發(fā)器包括沿管壁設(shè)置的電控加熱套。
[0026] 本發(fā)明的工作原理是，甲醇和水溶液經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)成蒸氣后進(jìn)入催化器進(jìn)行反 應(yīng)，催化器中裝填銅基催化劑，微波由磁電管產(chǎn)生，波導(dǎo)管把電磁波能引導(dǎo)到微波腔體中對(duì) 混合氣體進(jìn)行加熱，促進(jìn)制氫反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)氣經(jīng)冷凝器進(jìn)行氣水分離后排出。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在于：包括殼體，殼 體的右端設(shè)有甲醇和水溶液進(jìn)口管，左端設(shè)有產(chǎn)氣出口管，殼體內(nèi)由兩塊隔板分隔成右腔 室、中間腔室和左腔室；在右腔室內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)器；在中間腔室內(nèi)設(shè)有催化器，中間腔室的管 壁上安裝有連通中間腔室的波導(dǎo)管，波導(dǎo)管上設(shè)有磁電管；在左腔室內(nèi)設(shè)有冷凝器。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在 于：所述催化器內(nèi)裝填有Cu/A120 3催化劑。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在 于：所述Cu/A120 3催化劑做成ImmX 1mm的圓柱體形。
4. 如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在 于：所述催化器與殼體之間設(shè)有間隔，形成微波腔體。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在 于：所述蒸發(fā)器包括沿管壁設(shè)置的電控加熱套。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器，其特征在 于：所述催化器材料為氧化鋁陶瓷。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK104157889SQ201410382433
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】李聰, 高顏, 任洪娟 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)