CN101276924A - 反应容器与反应装置 - Google Patents

反应容器与反应装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101276924A
CN101276924A CNA200810002353XA CN200810002353A CN101276924A CN 101276924 A CN101276924 A CN 101276924A CN A200810002353X A CNA200810002353X A CN A200810002353XA CN 200810002353 A CN200810002353 A CN 200810002353A CN 101276924 A CN101276924 A CN 101276924A
Authority
CN
China
Prior art keywords
reaction
catalyst
oxidation
chamber
goal response
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA200810002353XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN101276924B (zh
Inventor
李圣哲
金周龙
李勇杰
韩万锡
金俊植
李赞镐
安镇九
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung SDI Co Ltd filed Critical Samsung SDI Co Ltd
Publication of CN101276924A publication Critical patent/CN101276924A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101276924B publication Critical patent/CN101276924B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2455—Plates arranged radially
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2459—Corrugated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/246—Perforated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2465—Two reactions in indirect heat exchange with each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的反应容器，具体涉及一种显示出改进的热效率的反应容器，以及用于燃料电池的蒸汽重整反应的反应装置。所述反应装置包括：圆柱形反应催化剂室，其上布置有用于预定的目标反应的目标反应催化剂；和围绕所述反应催化剂室的管状氧化催化剂室，其中包括氧化反应催化剂。所述反应装置特征在于催化剂与气体之间增加的接触面积，和将与所述催化剂接触的气体快速加热至所希望的反应温度。

Description

反应容器与反应装置
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的反应容器，更具体涉及具有改善的热效率的反应容器，和用于蒸汽重整反应的反应装置。
背景技术
燃料电池是一种通过氢与氧的电化学反应发电的发电系统。燃料电池根据其使用的电解质类型分为磷酸盐燃料电池、熔融的碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、碱性燃料电池等。这些类型的燃料电池中的每一个以相同的基本原理运行，但是其燃料类型、运行温度、催化剂、电解质等是不同的。在这些燃料电池的类型中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其他类型的燃料电池相比，表现出良好的输出特性，低运行温度和快速起动和反应时间的优点，并广泛应用于可为固定的配电电源中，如用于房子或公共建筑中，或者是可移动的，如用于便携式电子设备或汽车中。
氢气作为用于发生在燃料电池的阳极的电化学氧化反应的燃料具有最好的反应性，其中氢气与氧反应产生水。并且，氢气不会产生任何空气污染。然而，由于地球上没有天然的以其元素形式存在的氢，所以纯的氢气通常通过重整其他化合物产生。例如，氢气可以用烃类燃料例如汽油、柴油、甲醇、乙醇、天然气等通过重整得到。同样，氢气也易于从诸如市售的丁烷罐的燃料来源得到。所以，如果丁烷罐用作燃料电池的燃料源，通常利用丁烷罐的内压供给所述燃料。
一些燃料电池具有从烃类燃料产生氢气的重整器。重整器的内部可分为重整反应单元、水气转换单元和优先氧化单元来进一步增强重整效率。所述重整反应单元可以进一步分为蒸汽重整反应单元和自热重整反应单元。
重整器中的每个反应单元根据其中使用的反应催化剂不同而具有不同的反应温度范围。例如，蒸汽重整(SR)反应的反应温度范围根据给料而变化。此时，如果给料是诸如丁烷的烃类燃料，那么蒸汽重整反应的反应温度范围为约600℃～约900℃，但是如果给料是甲醇，那么蒸汽重整反应的反应温度范围为约250℃～约400℃。并且，作为除去一氧化碳的方法之一的水气转换(WGS)反应的反应温度范围为约200℃～约350℃，而优先CO氧化(PROX)反应的反应温度范围为约100℃～约250℃。如上所述，重整器中每个反应单元的反应温度范围以下列顺序依次降低：重整反应单元、水气转换单元和优先氧化单元。
为了给每个单元都提供理想的反应温度范围，(在其中设置了)热源，例如，诸如镍铬电热丝的电加热器，或者使用或不使用催化剂的燃烧烃类燃料的装置。
蒸汽重整反应单元在高温下将蒸汽和烃类燃料转化为氢分子和二氧化碳，如反应方程式1所示。在下述例子中的烃使用丁烷。由于从低能态的水分子产生高能态的氢分子，反应方程式1中所示的反应是吸热反应。然而，在该吸热反应中产生大量的氢。
反应方程式1
在自热重整反应单元中，如反应方程式2所示，烃与来自空气中的氧在蒸汽重整反应温度下反应，得到氢分子和二氧化碳。由于碳原子被氧化，并且产物中没有氢原子像蒸汽重整反应一样是来源于水分子的，所以该反应为放热反应。
Figure A20081000235300062
反应方程式2
在蒸汽重整反应或自热重整反应中，理论上应该产生二氧化碳，但是实际上，因为不完全反应而产生了大量一氧化碳。作为减少一氧化碳的装置之一，水气转换单元使一氧化碳与蒸汽反应使一氧化碳完全氧化成二氧化碳，同时所产生的氢分子来源于水分子中的氢原子。所述水气转换反应如反应方程式3所示。
Figure A20081000235300071
反应方程式3
作为另一个减少一氧化碳的装置，优先氧化单元通过使一氧化碳与空气中的氧反应，将一氧化碳氧化为二氧化碳。
Figure A20081000235300072
反应方程式4
重整器的重整效率是燃料电池系统的总效率的主要部分。为了提高重整器的效率，其中发生化学反应的重整器的组件，例如重整反应单元，水气转换单元和优先氧化单元，应该被快速加热至其各自的反应温度。当重整器中的各个单元具有高表面积的结构时，也能提高效率，所述结构上布置有反应催化剂并在理想温度下与反应气相接触。
用具有促进气体混合的结构的反应器来提高催化剂与气体的实际接触面积也是所希望的。
并且，用于重整过程中的热能从重整器中释放出来，这浪费了热能，进而降低了系统的总发电效率。
发明内容
所以，在此公开的实施方式解决了以上讨论的缺陷中的一个或多个，因此本公开的目的是提供一种催化剂与气体间接触面积增加并且所述气体和催化剂被快速加热至所希望的反应温度的反应容器，以及具有该反应容器的反应装置。
同样，另一个目的是提供一种反应容器，其具有能够增加催化剂与流过反应容器的气体间的接触频率的混合结构，以及具有该反应容器的反应装置。
同样，再一个目的是提供一种反应装置，其能够增加催化剂反应率并同时最小化对热能的浪费。
一个实施方式提供了一种具有圆柱体形状并能够使内部气体进行预定的目标反应的反应容器，所述反应容器包括金属整体式反应器，该金属整体式反应器包括纵向贯穿所述圆柱体形状的小室，并且在垂直于所述圆柱形形状的纵向的截面表面具有约40％～约95％的开口率；和附着在每个小室内壁上的催化剂材料。并且，所述金属整体式反应器优选包括小室密度为200～1500cpi的小室。
同时，为了提高内部气体与催化剂的接触频率，所述金属整体式反应器形成为若干层压的整体式片状材料，其中每个片状材料包括打摺的基板，所述打摺的基板具有多个在其中形成的均一的摺并形成所述金属整体式反应器的内部屏障；和侧基板，所述侧基板连接于所述打摺的基板的一侧或两侧，并且所述打摺的基板或侧基板具有多个穿孔。
另一个实施方式提供了一种反应装置，包括：反应催化剂室，所述反应催化剂室包括附着在形成为圆柱体核心的金属整体式反应器上的用于预定的目标反应的目标反应催化剂材料；和氧化催化剂室，所述氧化催化剂室布置为以管状形状围绕所述反应催化剂室，其中由其中氧化催化剂材料而发生可燃燃料的氧化反应。
优选地，所述反应装置是用于将烃类燃料重整为氢气的重整反应装置，所述反应装置进一步包括：燃料预热单元，所述燃料预热单元以管状形状围绕所述氧化催化剂室并用所述氧化催化剂室释放的热量预热来自所述装置外部的燃料；和水预热单元，所述水预热单元以管状形状围绕所述氧化催化剂室并用所述氧化催化剂室释放的热量预热来自所述装置外部的水。
一些实施方式提供了使其中的气体进行目标反应的圆柱形反应容器，所述反应容器包括：金属整体式反应器，其包括多个纵向小室，所述纵向小室具有在垂直于纵向的截面表面上测得的约40％～约95％的开口率；和布置于每个小室的内壁上的催化剂。
在一些实施方式中，所述金属整体式反应器包括至少一个盘绕的整体式片状材料，每个片状材料包括打摺的基板，所述打摺的基板具有多个在其中形成的均一的摺，并形成所述金属整体式反应器的内部屏障；和至少一个侧基板，所述侧基板紧固于所述打摺的基板的一侧或两侧，并且所述打摺的基板和至少一个侧基板中的至少一个包括在其上形成的多个穿孔。
在一些实施方式中，所述打摺的基板包括在其上形成的多个孔。在一些实施方式中，所述打摺的基板包括在其上形成的多个狭缝。
在一些实施方式中，所述金属整体式反应器的小室密度为约200cpi～约1500cpi。
在一些实施方式中，所述目标反应为蒸汽重整反应，并且所述催化剂包括Ni/Al2O3、Ru/ZrO2、Ru/Al2O3和Ru/CeO2-Al2O3中的至少一种。在一些实施方式中，所述目标反应为放热氧化反应，并且所述催化剂包括PdAl2O3、NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Rh、Pd和Pt中的至少一种。在一些实施方式中，所述目标反应为水气转换反应，并且所述催化剂包括Cu、Zn、Fe、Cr、Cr2O3/Fe3O4、Pt/CeO2和Cu/ZnO/Al2O3中的至少一种。在本发明的一些实施方式中，所述目标反应为选择性氧化反应，并且所述催化剂包括Ru、Rh、Pt/Al2O3、TiO2、ZrO2和Au/Fe2O3中的至少一种。
一些实施方式提供了一种反应装置，其包括圆柱形反应催化剂室，所述反应催化剂室包括其上布置有用于目标反应的目标反应催化剂的金属整体式反应器；和围绕所述反应催化剂室的管状氧化催化剂室，其中所述氧化催化剂室包括用于氧化其中的可燃燃料的氧化反应催化剂。
在本发明的一些实施方式中，所述反应装置配置为用于将烃类燃料重整为氢气，并且所述反应装置进一步包括燃料预热单元，其配置为用来自所述氧化催化剂室的热量预热燃料，并包括围绕所述氧化催化剂室布置的管。在一些实施方式中，进一步包括水预热单元，其配置为利用来自氧化催化剂室的热量预热水，并包括围绕所述氧化燃料预热单元布置的管状形状。
一些实施方式进一步包括布置于所述氧化催化剂室中的电加热器，配置为用于将所述氧化催化剂室加热至合适的温度以诱导氧化反应。
在一些实施方式中，所述氧化催化剂室包括其上布置有氧化反应催化剂的金属整体式反应器。在一些实施方式中，所述氧化催化剂室包括其上布置有氧化反应催化剂的陶瓷整体式反应器。在本发明的一些实施方式中，所述氧化反应催化剂包括PdAl2O3、NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Pu、Pd和Pt中的至少一种。
在一些实施方式中，所述目标反应为蒸汽重整反应，并且所述目标反应催化剂包括Ni/Al2O3、Ru/ZrO2、Ru/Al2O3和Ru/CeO2-Al2O3中的至少一种。在一些实施方式中，所述目标反应为水气转换反应，并且所述目标反应催化剂是Cu、Zn、Fe、Cr、Cr2O3/Fe3O4、Pt/CeO2和Cu/ZnO/Al2O3中的至少一种。在一些实施方式中，所述目标反应为选择性氧化反应，并且所述目标反应催化剂包括Ru、Rh、Pt/Al2O3、TiO2、ZrO2和Au/Fe2O3中的至少一种作为主要成分。
附图说明
通过以下结合附图对一些优选实施方式的说明，这些和/或其他方面以及优点会更明显并易于理解。
图1a为反应容器的一个实施方式的示意图。
图1b为金属整体式反应容器的一个实施方式的透视图。
图2a和2b分别为金属整体式反应容器的另一个实施方式中的打摺的基板的正视图和透视图。
图3a和3b分别为金属整体式反应容器的另一个实施方式中的打摺的基板的正视图和透视图。
图4a为蒸汽重整反应装置的一个实施方式的纵截面图。
图4b为蒸汽重整反应装置的一个实施方式的横截面图。
具体实施方式
下文中将参考附图说明特定的示例性实施方式。在此，当第一元件被描述为连接到第二元件上时，所述第一元件不仅可以直接连接到第二元件上，也可以通过一个或多个第三元件间接连接到第二元件上。并且，为清楚起见，省略了对于完全理解本公开不必要的元件。并且，通篇相同的附图标记指代相同的元件。
图1a显示采用金属整体式反应器的反应容器的实施方式的截面图。如图1a所示的反应容器具有圆柱体形状，包括金属整体式反应器，所述金属整体式反应器包括具有大约200cpi至约1500cpi(每平方英寸小室数)的小室密度的多个贯穿其中的纵向小室；和布置于所述金属整体式反应器中的纵向小室壁上的催化剂材料，所述催化剂材料优选包括金属颗粒。
所述金属整体式反应器可以包括任何适合的金属，但是优选相对更加坚固并廉价的铁合金或铝合金。在图示的实施方式中，所述金属整体式反应器具有约40％至约95％的截面开口率，相应于约5％到60％的所述壁的占空率。在一些实施方式中，在开口率较高时，反应容器会变得不牢固并且可能会在高温时变得不稳定，特别是当使用廉价的金属如铁合金或铝合金的时候。另一方面，在开口率较低时，气流减小，导致反应效率降低。
所述金属整体式反应器优选具有约200～约1500cpi(每平方英寸小室数)的小室密度。在一些实施方式中，如果所述金属整体式反应器的小室密度小于约200cpi，由于小室壁上涂敷的催化剂的量的减少而使反应性较低，而在一些小室密度超过约1500cpi的实施方式中观察到了反应物的堵塞。
图1a所示的反应容器设计用作热氧化反应单元、重整反应单元、水气转换单元和/或优先氧化单元，这些一起构成了燃料电池系统的重整装置的实施方式。如果所述反应容器用作蒸汽重整反应单元，所述催化剂包括Ni/Al2O3、Ru/ZrO2、Ru/Al2O3和Ru/CeO2-Al2O3等中的至少一种作为主要成分。
如果所述反应容器用作热氧化反应单元，所述催化剂包括PdAl2O3、NiO、CuO、CeO2、Al2O3、铑(Rh)、钯(Pd)、铂(Pt)等中的至少一种作为主要成分。
如果所述反应容器用作水气转换单元，所述催化剂包括Cu、Zn、Fe、Cr、Cr2O3/Fe3O4、Pt/CeO2、Cu/ZnO/Al2O3等中的至少一种作为主要成分。
如果所述反应容器用作优先氧化单元，所述催化剂包括Ru、Rh、Pt/Al2O3、TiO2、ZrO2、Au/Fe2O3等中的至少一种作为主要成分。
如果所述反应容器用作自热重整反应单元，所述催化剂包括Ru、Rh、Pt-Rh/Al2O3、TiO2、ZrO2、CeO2、Ce-Zr复合物、Au/Fe2O3等中的至少一种作为主要成分。
具有上述构造的反应容器具有在纵向小室的内壁上布置有催化剂的整体式形状，从而提高了反应气与催化剂之间的接触面积。所述金属壁快速将催化剂加热至所希望的反应温度。
图1b显示具有螺旋状截面的金属整体式反应器的制备方法的实施方式。如图1b所示，所述具有螺旋状截面的金属整体式反应器包括至少一个螺旋卷绕的整体式片状材料，每个片状材料包括其中形成有多个基本均一的摺的打摺的基板110，其形成了所述金属整体式反应器的小室之间的内部屏障；以及连结在所述打摺的基板110的一侧或两侧的至少一个侧基板120、130。此处，在所述打摺的基板110和至少一个侧基板120、130之间形成多个开口113。并且，另一个开口144形成于所述螺旋截面的中心。根据另一个实施方式，所述金属整体式反应器可以以其他方式形成，例如以Z字形方式折叠至少一个整体式片状材料。
在圆柱状反应容器的情况下，制造如图1b所示具有的螺旋卷曲的整体式片状材料的金属整体式反应器最为经济方便。同样，通过修改形成所述整体式片状材料的打摺的基板110和/或侧基板120、130，例如通过在其上形成开口或穿孔，得到了改善的反应性。
例如，在打摺之前在基板110′上形成多个孔，如图2a所示。所述基板110′打摺之后如图2b所示。本领域技术人员可以理解，打摺的穿孔基板也用作一侧或两侧的侧基板。
如果气体均匀地流过所述金属整体式反应器中的每个小室，那么小室的中心区域的气体不接触小室壁故不发生反应。然而，如果使用如图2b所示的打摺的基板110′，穿过所述金属整体式反应器的每个小室的气体可能进入相邻的小室，从而当其在小室间移动时混合所述气体并使得未反应气体与小室壁接触，得到增加的催化剂反应效率。
图3a和3b分别显示打摺之前和打摺之后的具有相对于打摺的轴倾斜地形成的多个狭缝式穿孔的基板110″。如上结合图2a和2b所示的实施方式所讨论的，所述打摺的基板110″通过当气体在小室间穿过时混合这些气体来提高催化剂反应效率。
如图3a和3b所示，在打摺的基板110″上形成开口以形成气体混合结构，但是根据另一个实施方式，开口可以在一个或两个侧基板中形成。在侧基板上穿孔对气体混合的影响与图2a和2b所示的实施方式所讨论的相似。
图4a和4b显示包括图1b所示的反应容器的蒸汽重整装置300。用丁烷作为示例性的可重整燃料和放热氧化燃料来说明如图4a和4b所示的蒸汽重整装置300的运行。所述蒸汽重整装置300从外部来源得到水和丁烷气体，并催化氧化一部分丁烷气体以产生热量。所产生的热量进而将水转化为蒸汽。丁烷气体与所述蒸汽混合并被重整以产生氢气。如图4b的截面图所示的蒸汽重整装置300形成大体上圆柱体的形状，并且包括：蒸汽重整反应催化剂室310，其包括担载有蒸汽重整反应催化剂的形成为圆柱体的核心的螺旋金属整体式反应容器；和以管状形状围绕所述蒸汽重整反应催化剂室310排列的氧化催化剂室。可燃燃料的氧化反应在担载有氧化催化剂的氧化催化剂室320中发生。根据图示的实施方式，蒸汽重整装置300可以进一步包括布置于氧化催化剂室320之间的多个电加热器322，用来将氧化催化剂室320加热到合适的温度以诱导氧化反应。
在所述蒸汽重整装置的外壁370和氧化催化剂室320外侧之间保留有空间330。在所述空间330中，燃料流管362和水流管364排列为螺旋盘管(spiralcoil)或螺旋管(helical coil)，丁烷气体燃料从燃料入口352流入燃料流管362，水从入水口354流入水流管364。在水流管364中水被转化为蒸汽，丁烷在与所述蒸汽混合之前被预热。
也就是说，在所述蒸汽重整装置的外壁370和氧化催化剂室320外侧之间的空间330用作以来自氧化催化剂室320的热量来预热燃料的空间330-1；和用来预热水的空间330-2。在一些实施方式中，来自氧化催化剂室320的热的废气直接进入空间330以利用所述废气中的热量。根据所图示的实施方式，在空间330中至少水和丁烷气体中的一种被加热。
反应催化剂室310包括金属整体式反应器，其包括表面上布置有蒸汽重整反应催化剂的多个纵向小室。在一些实施方式中，所述金属整体式反应器优选具有约200cpi～约1500cpi的小室密度和约40％～约95％的开口率。
具有上述结构的反应催化剂室310被氧化催化剂室320提供到反应催化剂室310周围的壁上的热量快速而均匀地加热。所以，丁烷气体与所述催化剂接触的所有区域被快速加热至蒸汽重整反应温度。
氧化催化剂室320也可以以与反应催化剂室310相同的方式形成，从而可具有如图1a所示的其上布置有催化剂的金属整体式结构。然而，在一些实施方式中，保留内部产生的热量比将所述热量快速传出更有益，所以氧化催化剂室320优选由包括多个纵向小室的用一种或多种陶瓷材料制成的整体式反应器形成，其中用于氧化反应的催化剂布置于氧化催化剂室320的表面上。
下面详细说明图4a和4b中所示的蒸汽重整装置中将丁烷气体重整为氢气的过程。
丁烷气体的第一部分被重整为氢气，其第二部分被氧化以向蒸汽重整装置提供足够的热量用于蒸汽重整反应的发生。一部分丁烷气体与空气混合，混合物通过进气口356流入氧化催化剂室320。丁烷气在氧化催化剂室320中被氧化，产生热量、水和二氧化碳。
要被重整的部分丁烷气从燃料入口352进入螺旋环绕氧化催化剂室320的燃料流管362，在那里被氧化催化剂室320中的氧化反应产生的热量加热。同样，水从入水口354进入到螺旋环绕氧化催化剂室320的水流管364，在那里被氧化催化剂室320中的氧化反应产生的热量转化为蒸汽。
被加热的水在蒸汽重整装置下部的释放区域(A)被气化而产生蒸汽。被加热的丁烷气被供给到所述蒸汽重整装置下部的另一区域。所述蒸汽和被加热的丁烷气在所述蒸汽重整装置下部的中心区域混合，混合物流入反应催化剂室310进行蒸汽重整。
所述蒸汽和丁烷气通过充满反应催化剂室310内部的金属整体式反应器进入到反应催化剂室310中，在那里在布置于所述金属整体式反应器表面上的催化剂的协助下被重整为氢气，如反应方程式1所示。在图示的实施方式中，围绕反应催化剂室310的氧化催化剂室320通过氧化反应产生足够的热量为蒸汽重整反应提供合适的温度。
在另一个实施方式中，所述反应装置用于重整反应单元、水气转换单元和/或优先氧化单元，所有这些都用于常规重整器中。然而，此处叙述的实施方式是将所述反应装置用作重整反应单元，一般来讲，这是难度最大的应用，因为它需要用最高的反应温度。所以，本领域技术人员可了解所述反应装置的其他实施方式能用于重整器的其他反应部分，其运行温度落入本反应器设计可以得到的温度范围内。
在此叙述的示例性实施例仅仅为说明的目的，而无意限制本发明的范围。本领域技术人员了解其改变、变化和其等同物并不脱离由权利要求及其等同物所限定的精神和范围。

Claims (20)

1、一种用于对其中的气体进行目标反应的圆柱形反应容器，所述反应容器包括：
金属整体式反应器，其包括多个纵向小室，所述纵向小室具有在垂直于纵向的截面表面中测得的约40％～约95％的开口率；和
布置于每个小室的内壁上的催化剂。
2、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述金属整体式反应器包括至少一个层压的整体式片状材料，每个整体式片状材料包括具有多个在其中形成的均一的摺的打摺的基板，并形成所述金属整体式反应器的内部屏障；和至少一个紧固于所述打摺的基板的一侧或两侧的侧基板，并且
其中至少一个所述打摺的基板和至少一个侧基板包括在其上形成的多个穿孔。
3、根据权利要求2所述的反应容器，其中所述打摺的基板包括在其上形成的多个孔。
4、根据权利要求2所述的反应容器，其中所述打摺的基板包括在其上形成的多个狭缝。
5、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述金属整体式反应器的小室密度为约200cpi～约1500cpi。
6、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述目标反应为蒸汽重整反应，并且所述催化剂包括Ni/Al2O3、Ru/ZrO2、Ru/Al2O3和Ru/CeO2-Al2O3中的至少一种。
7、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述目标反应为放热氧化反应，并且所述催化剂包括PdAl2O3、NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Rh、Pd和Pt中的至少一种。
8、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述目标反应为水气转换反应，并且所述催化剂包括Cu、Zn、Fe、Cr、Cr2O3/Fe3O4、Pt/CeO2和Cu/ZnO/Al2O3中的至少一种。
9、根据权利要求1所述的反应容器，其中所述目标反应为选择性氧化反应，并且所述催化剂包括Ru、Rh、Pt/Al2O3、TiO2、ZrO2和Au/Fe2O3中的至少一种。
10、一种反应装置，包括：
圆柱状反应催化剂室，其包括其上布置有用于目标反应的目标反应催化剂的金属整体式反应器；和
围绕所述反应催化剂室的管状氧化催化剂室，其中所述氧化催化剂室包括用于氧化其中的可燃燃料的氧化反应催化剂。
11、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述反应装置配置为用于将烃类燃料重整为氢气，所述反应装置进一步包括燃料预热单元，所述燃料预热单元包括围绕所述氧化催化剂室布置的管，所述管配置为用来自所述氧化催化剂室的热量预热燃料。
12、根据权利要求11所述的反应装置，进一步包括水预热单元，所述水预热单元包括围绕所述氧化燃料预热单元布置的管状形状，所述管状形状配置为用来自所述氧化催化剂室的热量预热水。
13、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述反应装置配置为用于重整与蒸汽混合的烃类燃料，所述反应装置进一步包括水预热单元，所述水预热单元包括围绕所述氧化催化剂室布置的管，所述管配置为用来自所述氧化催化剂室的热量预热水。
14、根据权利要求10所述的反应装置，进一步包括布置于所述氧化催化剂室中的电加热器，其配置为用于将所述氧化催化剂室加热至合适的温度来诱导氧化反应。
15、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述氧化催化剂室包括其上布置有氧化反应催化剂的金属整体式反应器。
16、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述氧化催化剂室包括其上布置有氧化反应催化剂的陶瓷整体式反应器。
17、根据权利要求15所述的反应装置，其中所述氧化反应催化剂包括PdAl2O3、NiO、CuO、CeO2、Al2O3、Pu、Pd和Pt中的至少一种。
18、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述目标反应为蒸汽重整反应，并且所述目标反应催化剂包括Ni/Al2O3、Ru/ZrO2、Ru/Al2O3和Ru/CeO2-Al2O3中的至少一种。
19、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述目标反应为水气转换反应，并且所述目标反应催化剂是Cu、Zn、Fe、Cr、Cr2O3/Fe3O4、Pt/CeO2和Cu/ZnO/Al2O3中的至少一种。
20、根据权利要求10所述的反应装置，其中所述目标反应为选择性氧化反应，并且所述目标反应催化剂包括Ru、Rh、Pt/Al2O3、TiO2、ZrO2和Au/Fe2O3中的至少一种。
CN200810002353XA 2007-03-29 2008-01-15 反应容器与反应装置 Expired - Fee Related CN101276924B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2007-0030974 2007-03-29
KR1020070030974A KR100857703B1 (ko) 2007-03-29 2007-03-29 반응 용기 및 반응 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101276924A true CN101276924A (zh) 2008-10-01
CN101276924B CN101276924B (zh) 2011-12-07

Family

ID=39192185

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200810002353XA Expired - Fee Related CN101276924B (zh) 2007-03-29 2008-01-15 反应容器与反应装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7842260B2 (zh)
EP (1) EP1977822B1 (zh)
JP (1) JP4937076B2 (zh)
KR (1) KR100857703B1 (zh)
CN (1) CN101276924B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109404940A (zh) * 2018-10-19 2019-03-01 浙江工业大学 一种快速启动有机废气降解的催化器
CN114845801A (zh) * 2019-12-23 2022-08-02 国际壳牌研究有限公司 电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法
CN116056785A (zh) * 2020-07-23 2023-05-02 托普索公司 结构化催化剂

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100254864A1 (en) * 2008-01-08 2010-10-07 Hisayuki Itsuki Cylindrical steam reformer
US8715585B2 (en) * 2008-06-16 2014-05-06 Isel Co., Ltd. Mixing unit, mixing device, agitation impeller, pump mixer, mixing system and reaction device
KR101008402B1 (ko) * 2008-12-19 2011-01-14 삼성에스디아이 주식회사 개질장치
WO2021049038A1 (ja) * 2019-09-13 2021-03-18 日立化成株式会社 処理部材、処理方法及び処理器具

Family Cites Families (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3425803A (en) * 1967-09-01 1969-02-04 Engelhard Ind Inc Nitric acid tail gas purification
JPS5823168A (ja) * 1981-07-31 1983-02-10 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
US4396480A (en) 1982-02-02 1983-08-02 W. R. Grace & Co. Solid electrolyte sheet
DE3341868A1 (de) * 1983-11-19 1985-05-30 Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co KG, 7000 Stuttgart Matrix fuer einen katalytischen reaktor
DE3347086A1 (de) 1983-12-24 1985-07-04 Süddeutsche Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG, 7000 Stuttgart Matrix fuer einen katalytischen reaktor zur abgasreinigung
JPS647935A (en) * 1987-06-30 1989-01-11 Nissan Motor Catalytic converter device
US4909808A (en) * 1987-10-14 1990-03-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Steam reformer with catalytic combustor
JPH0237741A (ja) * 1988-07-27 1990-02-07 Nippon Alum Mfg Co Ltd 半導体の伝導式判別装置
JPH03178338A (ja) * 1989-12-06 1991-08-02 Usui Internatl Ind Co Ltd 触媒コンバータ用ハニカム体の製造方法
JP3058995B2 (ja) * 1992-08-18 2000-07-04 日本碍子株式会社 ハニカムヒーター
JPH06206271A (ja) * 1992-11-20 1994-07-26 Matsumoto Kokan Kk ハニカム構造体とその製造方法
US5599509A (en) * 1993-03-17 1997-02-04 Nippondenso Co., Ltd. Honeycomb body and catalyst converter having catalyst carrier configured of this honeycomb
JPH07232085A (ja) * 1994-02-24 1995-09-05 Nippon Soken Inc 金属製担体
US5752995A (en) * 1994-06-30 1998-05-19 Kang; Chia-Chen Chu Catalyst and process for the production of hydrogen and/or methane
DE19603222C1 (de) * 1996-01-30 1997-08-28 Daimler Benz Ag Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Gases
JP3181219B2 (ja) * 1996-02-06 2001-07-03 トヨタ自動車株式会社 電気加熱式触媒装置
DE19721630C1 (de) 1997-05-23 1999-02-11 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zur Reformierung von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Edukten
JPH1143305A (ja) 1997-07-23 1999-02-16 Toyota Motor Corp 触媒反応装置とガス分配装置
JP3733753B2 (ja) * 1998-07-29 2006-01-11 松下電器産業株式会社 水素精製装置
JP4089039B2 (ja) * 1998-10-09 2008-05-21 松下電器産業株式会社 水素精製装置
JP2000084413A (ja) * 1998-09-14 2000-03-28 Calsonic Corp 電気加熱触媒担体
JP2001023671A (ja) 1999-07-02 2001-01-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池用触媒反応器および燃料電池システム、並びに坦体
JP3743995B2 (ja) * 1999-12-15 2006-02-08 日産自動車株式会社 メタノール改質触媒
JP2001224963A (ja) * 2000-02-16 2001-08-21 Nissan Motor Co Ltd 触媒組成物、その製造方法及びその使用方法
DE10007766A1 (de) 2000-02-20 2001-08-23 Gen Motors Corp Brenneranordnung
JP2001259426A (ja) 2000-03-21 2001-09-25 Toyota Motor Corp 炭化水素系燃料の改質触媒およびその製造方法並びにモノリス触媒
JP3668885B2 (ja) * 2000-04-13 2005-07-06 日本冶金工業株式会社 自己発熱可能なメタルハニカム構造体
AU2001260216A1 (en) * 2000-04-14 2001-11-07 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for the selective oxidation of carbon monoxide
JP2002104810A (ja) * 2000-09-28 2002-04-10 Nippon Yakin Kogyo Co Ltd 自己発熱型水素発生器
JP2002154805A (ja) * 2000-11-14 2002-05-28 Nissan Motor Co Ltd 改質反応装置及び改質システム
WO2002098790A1 (fr) * 2001-06-04 2002-12-12 Tokyo Gas Company Limited Unite de reformage a vapeur d'eau cylindrique
US7182921B2 (en) * 2001-06-04 2007-02-27 Tokyo Gas Co., Ltd. Cylindrical steam reforming unit
GB0125729D0 (en) 2001-10-26 2001-12-19 Johnson Matthey Plc Catalyst substrate
US7083860B2 (en) * 2002-08-16 2006-08-01 Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh Metallic honeycomb body having at least partially perforated sheet-metal layers
WO2004022937A1 (de) 2002-08-16 2004-03-18 Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh Metallischer wabenkörper aus zumindest teilweise gelochten blechlagen
JP4226884B2 (ja) * 2002-12-11 2009-02-18 カルソニックカンセイ株式会社 金属製触媒担体
JP2004193013A (ja) 2002-12-12 2004-07-08 Toshiba International Fuel Cells Corp 燃料電池発電装置
CN1845784A (zh) 2003-06-27 2006-10-11 超电池公司 环状燃料处理器和方法
US7462208B2 (en) 2003-06-27 2008-12-09 Ultracell Corporation Planar micro fuel processor
WO2005080259A1 (en) * 2004-02-17 2005-09-01 Modine Manufacturing Company Integrated fuel processor for distributed hydrogen production
KR100570756B1 (ko) * 2004-03-29 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
JP4720101B2 (ja) * 2004-04-26 2011-07-13 三菱マテリアル株式会社 ハニカム触媒の製造方法
US7566487B2 (en) * 2004-07-07 2009-07-28 Jonathan Jay Feinstein Reactor with primary and secondary channels
KR100570697B1 (ko) * 2004-09-24 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100719484B1 (ko) 2004-12-31 2007-05-18 한국에너지기술연구원 금속모노리스 촉매를 이용한 컴팩트형 수증기개질구조촉매 및 이를 이용한 수소의 제조방법
JP2006263634A (ja) * 2005-03-25 2006-10-05 Aisin Seiki Co Ltd ハニカム触媒及びハニカム触媒装置
JP2006327904A (ja) * 2005-05-30 2006-12-07 Babcock Hitachi Kk 水素製造装置と該水素製造装置を備えた燃料電池システム

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109404940A (zh) * 2018-10-19 2019-03-01 浙江工业大学 一种快速启动有机废气降解的催化器
CN114845801A (zh) * 2019-12-23 2022-08-02 国际壳牌研究有限公司 电加热反应器、包括所述反应器的炉和使用所述反应器的气体转化方法
CN116056785A (zh) * 2020-07-23 2023-05-02 托普索公司 结构化催化剂

Also Published As

Publication number Publication date
US20080241019A1 (en) 2008-10-02
JP2008247727A (ja) 2008-10-16
KR100857703B1 (ko) 2008-09-08
EP1977822B1 (en) 2012-05-16
CN101276924B (zh) 2011-12-07
US7842260B2 (en) 2010-11-30
JP4937076B2 (ja) 2012-05-23
EP1977822A2 (en) 2008-10-08
EP1977822A3 (en) 2008-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101276924B (zh) 反应容器与反应装置
US6835354B2 (en) Integrated reactor
US8986405B2 (en) Gas generator and processes for the conversion of a fuel into an oxygen-depleted gas and/or hydrogen-enriched gas
CN100369309C (zh) 燃料电池系统用重整器及具有该重整器的燃料电池系统
JP4674099B2 (ja) 燃料電池システムの改質器及びこれを備えた燃料電池システム
CN1330034C (zh) 重整器和具有该重整器的燃料电池系统
EP2198951B1 (en) Reformer
CN103502140B (zh) 用于烃重整的使用微通道加热器的装置
JP5154272B2 (ja) 燃料電池用改質装置
CA2521275C (en) Anode tailgas oxidizer
KR100844409B1 (ko) 연료개질 시스템 및 그 제조방법과 연료전지 시스템
KR101179539B1 (ko) 연료전지 시스템용 개질장치
CN100563054C (zh) 燃料电池系统及其操作方法
RU113729U1 (ru) Процессор для конверсии углеводородных топлив в синтез-газ для применения в твердооксидных топливных элементах
KR100969803B1 (ko) 반응 용기 및 반응 장치
US20110038762A1 (en) Apparatus, systems and methods for the production of hydrogen
KR101001395B1 (ko) 연료 개질기
JP2009084077A (ja) 燃料電池用改質装置
WO2012105922A2 (en) Hybrid foam/low-pressure autothermal reformer
JP2009084078A (ja) 燃料電池用改質装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20111207

Termination date: 20160115

EXPY Termination of patent right or utility model