甲醇重整反应器的制作方法

本实用新型涉及重整制氢技术领域，特别是一种甲醇重整反应器。

背景技术：

在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。在燃烧相同的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）需要纯氢作为燃料，但纯氢的运输、储存、加注技术及设施不能满足分散型电站，尤其是进入家庭使用的要求，因此通过现有的化石燃料的储运附加设施，利用燃料重整制氢的方式与PEMFC联合使用成为国际的通用方法。

甲醇重整制氢是甲醇与水蒸气在350℃-409℃温度下，1-5MPa的压力条件下，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和CO的变换反应，生成H₂和CO，这是一个多组分、多反应的气固相反应系统。反应方程如下：

CH₃OH→CO+H₂ （1）

H₂O+CO→CO₂+H₂ （2）

CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂ （3）

重整反应生成的H₂ 和CO₂，再经过钯膜分离器将H₂ 和CO₂分离，得到高纯氢气。

现有的重整反应器普遍存在如下问题：

1）制成的氢气中含有CO：来自重整反应器的富氢气体包含45-75%H₂、15-25%CO₂、0.5%-2%CO和少量的H₂O和N₂。因氢燃料电池的电极材料为Pt，CO不仅会毒化Pt电极而且极易吸附于催化剂表面，阻碍燃料的催化氧化。大量的研究表明极微量的CO就能使电池性能严重下降。

2）重整反应器的反应温度不易控制：采用燃料燃烧为重整反应提供热量的甲醇重整反应器通常包括重整反应室，燃烧室和蒸发器。燃料在点火装置的作用下通过喷嘴在燃烧室内迅速燃烧产生热，并将通入蒸发器内的原料甲醇和水汽化形成原料混合气体，热的混合气体进入重整反应室在催化剂的作用下发生重整反应产生富氢气体。甲醇重整反应器与质子交换膜燃料电池联用时，产生的富氢气体经CO净化后输送至质子交换膜燃料电池产生电力。

甲醇重整反应中要求温度控制在350℃-409℃范围内，因此需要对燃烧室内温度进行精确控制。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种甲醇重整反应器，以至少解决降低重整反应器产生的富氢气体中CO含量以及重整反应器反应温度可监控的问题。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种带有CO净化及温度监控功能的甲醇重整反应器，包括燃烧室、重整反应室、蒸发器、CO净化器和外壳；

燃烧室和重整反应室均为空腔柱体，燃烧室置于重整反应器内，燃烧室与重整反应室之间的间隙内填充重整反应催化剂；

重整反应室上方设有与燃烧室相通的进料腔体，进料腔体内设有正对燃烧室的喷嘴，喷嘴上设有甲醇燃料进口和空气进口；进料腔体上方设有点火装置，且点火装置的点火正、负电极置于喷嘴的出口处；

蒸发器采用盘管结构，蒸发器置于燃烧室内，蒸发器的出口与重整反应室的进口连接，重整反应室的进口处设有第一热电偶；

CO净化器包括上环形腔管、下环形腔管以及连通于上、下环形腔管之间的若干竖管；上环形腔管的右侧端设有气体出口，且在上环形腔管内靠近气体出口的两侧分别设有上隔板，气体出口处设有第二热电偶；下环形腔管的左侧端设有气体进口，且在下环形腔管内靠近气体进口的两侧分别设有下隔板；CO净化器的上、下环形腔管及各竖管内设有CO反应催化剂；CO净化器整体套装于重整反应室外侧，CO净化器的气体进口与重整反应室的出口连接；

燃烧室、重整反应室、蒸发器、CO净化器和进料腔体都位于同一轴线上，且都封装于外壳内。

作为优选的技术方案，点火装置上设有第一散热风扇，外壳内的壳顶上位于点火装置正上方的位置设有第二散热风扇。

作为优选的技术方案，外壳上部的壳壁上均布有若干散热孔。

作为优选的技术方案，CO净化器的底部设有支撑于外壳壳底的支撑腿。

作为优选的技术方案，CO净化器中的竖管共有二十根，均布于上、下环形腔管之间，上隔板之间、下隔板之间以及上、下隔板之间各分布五根竖管。

甲醇重整反应器启动时，甲醇燃料与空气在喷嘴中混合并从喷嘴处喷出至燃烧室，同时点火装置通电，在点火正、负电极的作用下在燃烧室内迅速燃烧产生热。燃烧室产生的热量迅速向蒸发器和重整反应室内腔传导，原料甲醇和水从蒸发器的进口进入蒸发器，并在盘管状蒸发器内汽化形成原料混合气体，热的混合气体从蒸发器出口经重整反应室进口进入重整反应室，并在催化剂的作用下发生重整反应产生富氢气体。富氢气体进一步经过CO净化器降低CO含量，然后输送至燃料电池产生电力，没有完全使用的转化产物会送回燃烧室为反应提供热量。

本实用新型中，CO净化器工作时，重整反应室出来的富氢气体从CO净化器的气体进口进入到下环形腔管内，由于下隔板的阻隔作用，富氢气体会沿着部分竖管向上流动，进入到上环形腔管内，由于上隔板的阻隔作用，富氢气体会折向沿着部分竖管向下流动，重新流入到下环形腔管内，同时还是由于下隔板的阻隔作用，富氢气体又会折向沿着剩余的竖管向上流动，重新流入到上环形腔管内，并最终从气体出口排出。CO净化器的该结构特点使得富氢气体能够在CO净化器内尽可能流经更长距离、停留更长时间的、与CO催化剂接触更多的面积，使得富氢气体与CO净化器内的CO反应催化剂能够更充分的反应，最终进一步降低富氢气体中CO的含量。

本实用新型中，在重整反应室的进口处设有第一热电偶，在CO净化器的出口处设有第二热电偶，通过两个热电偶对重整反应室进口及CO净化器出口的温度进行实时监测，从而可得知整个重整反应器反应温度的运行情况。在点火装置上设有第一散热风扇，外壳内的壳顶上位于点火装置正上方的位置设有第二散热风扇，两个散热风扇可对重整反应器的温度进行控制，使得重整反应器的反应温度始终保持在正常范围内。

本实用新型所述甲醇重整反应室主要与质子交换膜燃料电池联用，为质子交换膜燃料电池提供氢气。在启动时，使用工业甲醇燃烧产生热，提供重整反应所需要的温度，与传统甲醇重整反应器相比，一方面，直接使用液体燃料简化结构；二方面，点燃后即可快速加热至所需的反应温度，减少了启动时间，工作稳定，可靠性强；三方面，使用特殊结构构造的CO净化器，大大降低了富氢气体中CO的含量；四方面，散热风扇及热电偶的加入，可实时对重整反应器的温度情况进行监控，确保反应的顺利进行和安全问题。本实用新型特别适用于可移动、便携式的小型燃料电池发电系统。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中CO净化器的结构示意图。

图3为图2中的X-X剖视图。

图4为图2中的Y-Y剖视图。

图5为本实用新型CO净化器结构展开及气体流向示意图。

图中：1-燃烧室、2-重整反应室、3-蒸发器、4- CO净化器、4-1-上环形腔体、4-2-下环形腔体、4-3-竖管、4-4-气体出口、4-5-上隔板、4-6-气体进口、4-7-下隔板、6-进料腔体、7-甲醇燃料进口、8-空气进口、9-点火装置、10-第一热电偶、11-第二热电偶、12-第一散热风扇、13-第二散热风扇、14-散热孔、15-支撑腿、A-蒸发器的进口、B-蒸发器的出口、C-重整反应室的进口、D-重整反应室的出口。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型，以下结合参考附图并结合实施例对本实用新型作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1至图5所示的一种甲醇重整反应器，包括燃烧室1、重整反应室2、蒸发器3、CO净化器4和外壳5；

燃烧室1和重整反应室2均为空腔柱体，优选为空腔圆柱体，燃烧室1置于重整反应器2内，燃烧室1与重整反应室2之间的间隙内填充重整反应催化剂；

重整反应室2上方设有与燃烧室1相通的进料腔体6，进料腔体6内设有正对燃烧室1的喷嘴（图中未示出），喷嘴上设有甲醇燃料进口7和空气进口8；进料腔体6上方设有点火装置9，且点火装置9的点火正、负电极（图中未示出）置于喷嘴的出口处；

蒸发器3采用盘管结构，蒸发器3置于燃烧室1内蒸发器3的进口A接甲醇水溶液，蒸发器3的出口B与重整反应室2的进口C连接，重整反应室2的进口C处设有第一热电偶10；

如图2至图5所示的CO净化器4包括上环形腔管4-1、下环形腔管4-2以及连通于上、下环形腔管4-1、4-2之间的若干竖管4-3；上环形腔管4-1的右侧端设有气体出口4-4，且在上环形腔管4-1内靠近气体出口4-4的两侧分别设有上隔板4-5，气体出口4-4处设有第二热电偶11；下环形腔管4-2的左侧端设有气体进口4-6，且在下环形腔管4-2内靠近气体进口4-6的两侧分别设有下隔板4-7；CO净化器4的上、下环形腔管4-1、4-2及各竖管4-3内设有CO反应催化剂；CO净化器4整体套装于重整反应室2外侧，CO净化器4的气体进口4-6与重整反应室2的出口D连接；

燃烧室1、重整反应室2、蒸发器3、CO净化器4和进料腔体6都位于同一轴线上，且都封装于外壳5内。

燃烧室1为重整反应提供热量，燃料为甲醇，助燃剂为空气，燃烧产物是CO₂和H₂O，燃烧过程中放出热量。该反应能够迅速燃烧产生热，从而使燃烧室1和重整反应室2迅速升温到所需的温度。喷嘴设于进料腔体6内，甲醇燃料进口7和空气进口8分别用于向喷嘴内输入燃料甲醇和助燃剂。点火装置9设于进料腔体6上方，点火装置9的点火正、负电极伸至喷嘴处，点火装置9通电，点火正、负电极即可点燃从喷嘴喷出的燃料甲醇和空气的混合气体，喷嘴即可将火焰喷入至燃烧室1内。蒸发器3为原料甲醇和水的汽化场所，原料甲醇和水通过蒸发器3的进口输入蒸发器3内，汽化后的混合气体从蒸发器3的输出端口输出至重整反应室2。重整反应室2中甲醇和水反应生成重整合成气，甲醇重整催化剂主要有镍系催化剂、铂钯催化剂和铜系催化剂，其中，铜系催化剂的反应温度在230℃-270℃，其催化活性、反应选择性好。

甲醇重整制氢反应器启动时，燃料甲醇通过蠕动泵、燃料甲醇、空气进入进料腔体6的喷嘴，燃料甲醇和空气混合，喷到燃烧室1中，在点火装置9的点火正、负电极的作用下迅速燃烧产生热，其启动时间短，操作和装置都很简单。燃烧室1产生的热量迅速向蒸发器3和重整反应室2内腔传导，原料甲醇和水在蒸发器3内汽化形成原料混合气体，热的混合气体进入重整反应室2在催化剂的作用下发生重整反应产生富氢气体。

来自重整反应室2的富氢气体包含45-75%H₂、15-25%CO₂、0.5%-2%CO和少量的H₂O和N₂。因氢燃料电池的电极材料为Pt，CO不仅会毒化Pt电极而且极易吸附于催化剂表面，阻碍燃料的催化氧化。大量的研究表明极微量的CO就能是电池性能严重下降，因而，选择一种好的降低CO浓度的方法显得格外重要。而本实用新型在重整反应室2外侧设置有特殊结构构造的CO净化器4，具体实施时，CO净化器4中的竖管4-3共有二十根，均布于上、下环形腔管4-1、4-2之间，两块上隔板4-5之间、两块下隔板4-7之间以及两处上、下隔板4-5、4-7之间各分布五根竖管4-3。该CO净化器4的工作原理如图5所示，CO净化装置的下环形腔管4-2内被两块下隔板4-7分为两个空间，记：与气体进口4-6相通的为a空间，与气体进口4-6隔绝为b空间；上环形腔管4-1内被两块上隔板4-5分为两个空间，记：与气体出口4-4相通的为c空间，与气体出口4-4隔绝的为d空间。富氢气体从气体进口4-6进入到下环形腔管4-2的a空间中，由于下环形腔管4-2内两块下隔板4-7的阻隔，气体只能沿着位于两块下隔板4-7之间的五根竖管4-3（即底部管口与a空间相通、顶部管口与d空间相通的五根竖管4-3）向上流动，进入到上环形腔管4-1的d空间中，由于上环形腔管4-1内的两块上隔板4-5的阻隔，气体只能分流两侧并折向沿着位于上隔板和下隔板之间的十根竖管4-3（即顶部管口与d空间相通、底部管口与b空间相通的十根竖管4-3）向下流动，进入到下环形腔管4-2的b空间中，由于下环形腔管4-2内两块下隔板4-7的阻隔，气体只能折向沿着位于两块上隔板4-5之间的五根竖管4-3（即底部管口与b空间相通、顶部管口与c空间相通的五根竖管4-3）向上流动，进入到上环形腔管4-1的c空间中，并最终从气体出口4-4排出。

经过CO净化后的富氢气体进入质子交换膜燃料电池产生电力，没有完全使用的转化产物会送回甲醇重整反应器的燃烧室为反应提供热量。

具体实施时，点火装置9上设有第一散热风扇12，外壳5内的壳顶上位于点火装置9正上方的位置设有第二散热风扇13。外壳5上部的壳壁上均布有若干散热孔14。CO净化器4的底部设有支撑于外壳5壳底的支撑腿15。第一散热风扇12、第二散热风扇13、散热孔14、第一热电偶10及第二热电偶11的设置都是为了能够精准监控本实用新型的整体温度运行情况，避免意外发生。

本实用新型要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有多种变形和更改，凡在本实用新型的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本实用新型的保护范围之内。