CN103956508B - 微型甲醇水蒸气重整室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型甲醇水蒸气重整室，采用铝合金材料进行制作，其组成包括铝合金主体、铝合金封装端板和微流场结构，所述微流场结构作为重整室内气体流通通道，位于铝合金主体和铝合金封装端板之间、铝合金主体的表面。重整室内部微流场结构流道表面通过微弧氧化法生长一层多孔性质的陶瓷薄膜，并且通过填涂法在陶瓷薄膜上形成重整反应催化层。本发明在重整室内部应用微弧氧化技术制备了一层多孔的氧化物陶瓷膜，从而提高了重整室微流道内的重整催化剂附着能力，并且增大反应物与催化剂的接触面积，提升了甲醇水蒸气反应的效率和甲醇转化率。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种微型甲醇水蒸气重整制氢反应器所使用的重整室。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转换为电能的新型高效电池，具有比传统内燃机高一倍的工作效率，同时其反应产物清洁无污染。质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）是目前研究最广泛的燃料电池之一。PEMFC是一种电化学器件，它不是通过将燃料H2和O2直接燃烧的方式产生能量，而是通过燃料在催化剂催化下自身反应直接释放电能，对环境完全无污染。
使用氢气作为燃料的PEMFC相较于其他类燃料电池具有很高的质量比功率，这使得其应用前景良好，但是直接使用纯H2作为燃料，不仅成本高，安全性差，而且氢气储存不易，供给氢气的基建设施不完善。如今最常用的方法是现场液体制氢技术，将化石能源转化为可供燃料电池使用的H2。液相醇类、烃类重整现场制氢技术具有能量密度高、能量转换效率高，液体燃料容易运输、补充和储存，在经济性、安全性等方面也具有很明显的优势，是最现实的燃料电池氢源技术。目前，甲醇因其产量大，资源丰富；与汽油相比有较高的H/C比以及较低的重整温度，不易结碳等优点成为重整制氢最常用的原料。因此，研究开发以甲醇为原料的重整制氢技术具有重要的意义，并且实现甲醇重整制氢燃料电池的商业化对于能源结构的调整与优化，生态环境的保护与修缮具有深远而巨大的意义。
微通道甲醇水蒸气反应器具有体积小，反应效率高，响应时间短，温度分布均匀等优点，受到广大科学家的青睐。但是，由于微通道反应器的通道较小，对反应物料的纯度要求特别严格；较大的床层阻力降也将增加系统的能量消耗；目前微通道内催化剂的涂覆技术也没有很好解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种甲醇水蒸气重整室，它在重整室内部应用微弧氧化技术制备了一层多孔的氧化物陶瓷膜，从而提高了重整室微流道内的重整催化剂附着能力，并且增大反应物与催化剂的接触面积，提升了甲醇水蒸气反应的效率和甲醇转化率。
所述目的是通过如下方案实现的：
一种应用微弧氧化技术的微型甲醇水蒸气重整室，采用铝合金材料进行制作，其组成包括铝合金主体、铝合金封装端板和微流场结构，所述微流场结构作为重整室内气体流通通道，位于铝合金主体和铝合金封装端板之间、铝合金主体的表面。重整室内部微流场结构流道表面通过微弧氧化法生长一层多孔性质的陶瓷薄膜，并且通过填涂法在陶瓷薄膜上形成重整反应催化层。
本发明中，重整室内应用微流道技术设置流道结构，其深度、宽度均为0.1-0.5mm。
本发明中，反应时甲醇水溶液汽化以后到达重整室内，并在重整室内发生反应。
本发明具有以下优点：
（1）本发明甲醇水蒸气重整制氢反应器所使用的甲醇重整室的气体流道表面应用微弧氧化技术生长一层多孔氧化铝陶瓷膜，使催化剂附着能力得到明显提升，增加催化面积，进而提升反应速率；
（2）本发明甲醇水蒸气重整制氢反应器所使用的重整室采用表面微流道结构，使流道内的传热效率更高，重整反应的响应时间更短，并且使得流道内部温度分布更加均匀；
（3）本发明甲醇水蒸气重整制氢反应器所使用的重整室，由于催化剂附着表面积得到提升，使甲醇水蒸气与催化剂接触面积大大增加，提升甲醇转化率进而提升燃料的利用率。
（4）本发明具有制作过程简单、成本低廉、占用空间小，节省体积的优点，利于推广应用。
附图说明
图1是甲醇水蒸气重整室的结构分解示意图（蛇形流道）；
图2是甲醇水蒸气重整室的结构分解示意图（平行流道）。
具体实施方式
下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。
具体实施方式一：本实施方式所述甲醇水蒸气重整室的结构是一个铝合金主体，其表面设计有微流场结构3，整体结构图参看图1和2，利用封装端板2和铝合金主体1组合，以此形成重整室的反应腔体，作为甲醇水蒸气的重整室，其重整室一侧具有微流场结构。
本实施方式中所述表面微流场结构，即在铝合金主体表面分别加工宽度为0.1-0.5mm的气体流道，所加工流道即作为此甲醇水蒸汽重整制氢反应器重整室内气体传输通道。
如图1所示，本实施方式中所述重整室的微流场结构3为蛇形微流道，利用微弧氧化技术使其表面生长一层多孔性质的陶瓷薄膜，主要工艺步骤是将带有微流场结构的铝合金主体用酒精清洗干净后，在铝合金主体表面覆盖一层玻璃并将微流场结构暴漏在外，然后浸润在硅酸钠或铝酸钠或氟锆酸钾（5-20g/L）和次亚磷酸钠（0.5-3g/L）的混合溶液中，利用0-600V直流电源，以恒定电流密度（5-20A/dm2）在室温下对微流场结构进行氧化处理30-180分钟，即可在微流场结构表面获得微弧氧化陶瓷膜。
在经过微弧氧化处理之后，在载体表面进行催化剂担载，催化剂的担载方式主要采用填涂法：将水和皂土以质量比100:1的比例并加入催化剂混合，放置在磁力搅拌器上搅拌30分钟使混合液体形成均匀的悬浊液。通过填涂的方式将悬浊液注射进入陶瓷膜内部，使之在其内部均匀分布，后放置在70℃环境中干燥，然后再注入悬浊液，再干燥，经过反复几次，直至催化剂担载量达到所要求得浓度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述混合溶液中含有10g/L硅酸钠和1g/L次亚磷酸钠。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述混合溶液中含有15g/L铝酸钠和2.5g/L次亚磷酸钠。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于：所述混合溶液中含有20g/L氟锆酸钾和1.5g/L次亚磷酸钠。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一-四的不同点在于：所述电流密度为8A/dm2，处理时间为150分钟。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于：所述电流密度为15A/dm2，处理时间为60分钟。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一-六的不同点在于：所述重整室主体微弧氧化处理时所采用的电源为双向脉冲电源，正向电压为300-700V，负向脉冲为0-200V，频率为10-10000Hz。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于：所述正向电压为450V，负向脉冲为50V，频率为500Hz。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七的不同点在于：所述正向电压为500V，负向脉冲为100V，频率为1500Hz。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一-九的不同点在于：所述重整室主体微流场结构3采用平行流场结构，如图2所示。
上述实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微型甲醇水蒸气重整室，包括铝合金主体、铝合金封装端板和微流场结构，其特征在于所述微流场结构表面通过微弧氧化法生长一层多孔性质的陶瓷薄膜，并且在陶瓷薄膜上形成重整反应催化层，所述利用微弧氧化法生长一层多孔性质的陶瓷薄膜的工艺步骤如下：将带有微流场结构的铝合金主体用酒精清洗干净后浸润在含有5-20g/L硅酸钠或铝酸钠或氟锆酸钾、0.5-3g/L次亚磷酸钠的混合溶液中，利用双向脉冲电源或直流电源在室温下对微流场结构进行氧化处理30-180分钟，即可在微流场结构表面获得微弧氧化陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于所述微流场结构的宽度和深度均为0.1-0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于所述微流场结构为蛇形微流道。
4.根据权利要求1或2所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于所述微流场结构为平行流场结构。
5.根据权利要求1所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于采用双向脉冲电源时，正向电压为300-700V，负向脉冲为0-200V，频率为10-10000Hz。
6.根据权利要求1所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于采用直流电源时，电压为0-600V，电流密度为5-20A/dm2。
7.根据权利要求1所述的微型甲醇水蒸气重整室，其特征在于采用填涂法在陶瓷薄膜上形成重整反应催化层。
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