CN101771160B - 一种热耦合天然气重整器 - Google Patents

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Abstract

一种热耦合天然气重整器，包括反应本体，其特征在于所述的反应本体具有彼此独立的第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道和第二气流通道各自均对应设置有一轴向端口和一径向端口，并且，前述第一气流通道内布置有燃烧催化剂，前述第二气流通道内布置有重整催化剂。与现有技术相比，本发明的优点在于：天然气催化重整反应和天然气催化燃烧反应同时进行使得两种反应过程实现了热耦合，完成热交换；也正是这种热耦合的实现，使得反应器结构紧凑，尺寸小，效率高，整体具有良好的可安装性和催化剂易更换性，应用非常方便。

Description

一种热耦合天然气重整器
技术领域
本发明涉及一种化学反应器，尤其涉及一种用于固体氧化物燃料电池发电系统的微型热耦合天然气重整反应器。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)经历了第1代碱性燃料电池(AFC)，第2代磷酸燃料电池(PAFC)，第3代熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)后，在20世纪80年代迅速发展起了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)。该电池具有诸多的优点，比如：避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解质流失等问题；电极反应过程相当迅速；无需采用贵金属电极因而降低了成本；能量的综合利用效率可从单纯60％电效率提高到80％以上；燃料范围广泛，不仅可以用H2，CO等作燃料，而且可以用天然气、煤气化气和其它碳氢化合物如甲醇等作燃料；可以承受较高浓度的硫化物和CO的毒害，因此对电极的要求大大降低；使用具有电催化作用的阳极可以在发电同时生产化学品，如制成燃料电池反应器等。
固体氧化物燃料电池主要由电解质、阳极、阴极构成，一般工作在700～1000℃。向阳极一侧持续通入燃料气，例如H2、天然气、煤气等，同时向阴极一侧持续通入氧气或空气，固体氧化物燃料电池将会发生电化学反应不断向外输出电能，但是直接将天然气通入到电池堆中会导致积碳并最终导致整个系统发电性能的恶化，因此需要对天然气进行一定催化转变使之满足要求。
为此，出现了很多重整器，以满足固体氧化物燃料电池堆的需要，如专利号为ZL200510069799.0的中国发明专利《重整器和具有该重整器的燃料电池系统》(授权公告号：CN100379072C)，该专利中的重整器包括重整部分和完全覆盖重整部分的绝热部分，而绝热部分又具有第一和第二绝热层，使热反应时，绝热性良好，并且，滞留热应力均匀地分布于重整器表面。又如申请号为200610068134.2的中国发明申请公开《板式重整器和包括这种重整器的燃料电池系统》(公开号：CN1848500A)，该专利中的重整器包括板式燃烧反应器、板式预热器及板式重整反应器，热效率和驱动性能较佳。
综上所述，目前，能耗低、结构紧凑且催化重整的同时能完成热交换的微型天然气重整器还不多见，该类重整器可应用于便携式燃料电池上，需要继续开发研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能耗低、结构紧凑且催化重整的同时能完成热交换的热耦合天然气重整器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种热耦合天然气重整器，包括反应本体，其特征在于所述的反应本体具有彼此独立的第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道和第二气流通道各自均对应设置有一轴向端口和一径向端口，并且，前述第一气流通道内布置有燃烧催化剂，前述第二气流通道内布置有重整催化剂。
作为改进，所述的反应本体内由一截面为多折边而呈“弓”形的分割导热板，该分割导热板将所述反应本体内部分割成第一气流通道和第二气流通道，该分割导热板长度方向的两端分别设置有与所述轴向端口适配的盖板，第一气流通道和第二气流通道接触面积大，热交换充分，热能利用率高。
进一步，所述的燃烧催化剂和重整催化剂自上而下交替布置于所述分割导热板上。
便于更换催化剂，所述的燃烧催化剂和重整催化剂负载于金属网或箔片上，而前述金属网或金属箔片则置于所述分割导热板上。
便于外接导管连接，所述的两个径向端口分别密封式连接有径向接头，所述的二个轴向端口分别密封式设置有连接法兰，而该连接法兰上设置有轴向接头。
所述的径向接头和轴向接头可以采用卡套接头、VCR接头、NPT接头或卫生接头。
所述的径向接头焊接于所述径向端口上，而所述的连接法兰通过螺栓可脱卸式设于所述轴向端口上，便于更换催化剂，并且，所述连接法兰与轴向端口之间设有耐高温的密封材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：反应本体中同时填充了两种催化剂，一种是重整催化剂，一种是燃烧催化剂，天然气催化重整反应和天然气催化燃烧反应同时进行使得两种反应过程实现了热耦合，完成热交换；也正是这种热耦合的实现，使得反应器结构紧凑，尺寸小，效率高，便于微型化设计，整体具有良好的可安装性和催化剂易更换性，应用非常方便。
附图说明
图1为实施例结构示意图。
图2为反应本体结构示意图。
图3为图2中去除径向端口和轴向端口后的放大图。
图4为分割导热板放大示意图。
图5为盖板的放大图。
图6为图2中负载了催化剂的金属箔片放大结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：参考图1、图2和图3，本实施例中的热耦合天然气重整器包括反应本体1，反应本体1具有彼此独立的第一气流通道和第二气流通道。
反应本体1内由一截面为多折边而呈“弓”形的分割导热板7，该分割导热板7将反应本体1内部分割成第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道和第二气流通道均对应设置有轴向端口12、径向端口14和轴向端口13、径向端口11，并且，第一气流通道内布置有燃烧催化剂，第二气流通道内布置有重整催化剂。
轴向端口12和轴向端口13用于通气和更换催化剂，径向端口11和径向端口14仅用于通气，轴向端口12与径向端口14相通，轴向端口13与径向端口11相通(如图2箭头所示)。
分割导热板7用于导热交换，分割导热板7长度方向的两端分别设置有与轴向端口12和轴向端口13适配的盖板5，而分割导热板7的两个通气端口分别设于二个径向通气端口一侧并用盖板5分割开(参考图3所示)，盖板5的作用是使得两种流向流道间不会发生串气。
燃烧催化剂和重整催化剂自上而下交替布置于分割导热板7上，燃烧催化剂和重整催化剂负载于金属箔片6上，金属箔片6则置于分割导热板上。具体地：将负载天然气重整催化剂的金属箔片6记为A，将负载天然气燃烧催化剂的金属箔片6记为B。从上到下或者下到上以ABABAB...AB或者BABABA...BA或者ABABAB...A或者BABABA...B交替的方式向流道中填充燃烧催化剂和重整催化剂。
径向端口11和径向端口14分别密封式连接有径向接头8，轴向端口12和轴向端口13分别密封式设置有连接法兰4，而连接法兰4上设置有轴向接头8。
轴向接头8和径向接头3可以采用卡套接头、VCR接头、NPT接头或卫生接头。
径向接头3焊接于径向端口11和径向端口14上，连接法兰4通过螺栓2可脱卸式设于轴向端口12和轴向端口13上，连接法兰4与轴向端口之间设有耐高温的密封材料。
向装有重整催化剂的第一流道的径向端口12通入天然气和水蒸汽的混合气，同时向装有燃烧催化剂的第二流道对应的轴向端口11通入天然气和空气或者氧气的混合气。由于蒸汽重整过程是吸热反应，而催化燃烧过程是放热反应，因此通过反应器本体1实现了热耦合。正是采用了这种热耦合方式才使得反应器结构紧凑，效率高。水蒸汽和天然气的混合气在通过含有重整催化剂的流道后会变成以H2，CO为主要成分的混合气，而这种混合气通入电池堆就不会造成电池堆性能的恶化。天然气和空气或者氧气的混合气通过含有燃烧催化剂的流道后充分燃烧变成以水蒸汽和CO2为主要成分的混合气，这种混合气或者直接排空，或者通过热交换器进行余热回收。

Claims (5)

1.一种热耦合天然气重整器，包括反应本体，其特征在于所述的反应本体具有彼此独立的第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道和第二气流通道各自均对应设置有一轴向端口和一径向端口，并且，前述第一气流通道内布置有燃烧催化剂，前述第二气流通道内布置有重整催化剂；
所述的反应本体内由一截面为多折边而呈“弓”形的分割导热板，该分割导热板将所述反应本体内部分割成第一气流通道和第二气流通道，该分割导热板长度方向的两端分别设置有与所述轴向端口适配的盖板；
所述的燃烧催化剂和重整催化剂自上而下交替布置于所述分割导热板上。
2.根据权利要求1所述的热耦合天然气重整器，其特征在于所述的燃烧催化剂和重整催化剂负载于金属网或箔片上，而前述金属网或金属箔片则置于所述分割导热板上。
3.根据权利要求1或2所述的热耦合天然气重整器，其特征在于所述的二个径向端口分别密封式连接有径向接头，所述的二个轴向端口分别密封式设置有连接法兰，而该连接法兰上设置有轴向接头。
4.根据权利要求3所述的热耦合天然气重整器，其特征在于所述的径向接头和轴向接头采用卡套接头、VCR接头、NPT接头或卫生接头。
5.根据权利要求3所述的热耦合天然气重整器，其特征在于所述的径向接头焊接于所述径向端口上，而所述的连接法兰通过螺栓可脱卸式设于所述轴向端口上，并且，所述连接法兰与轴向端口之间设有耐高温的密封材料。
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