CN104229734A - 重整制氢反应器及其制氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了重整制氢反应器及其制氢方法，在制氢时，通过在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量，在制氢时将原料水加热成水蒸汽使其与天燃气混合进入重整室腔体中进行重整反应产生氢气，为燃料电池提供了稳定的氢源，本发明重整制氢反应器可随时启动重整制氢反应，而且反应器结构紧凑、体积小、方便移动，而且安装简单，其技术难度和投入成本大低。

Description

重整制氢反应器及其制氢方法

技术领域

本发明涉及小型制氢设备，特别涉及重整制氢反应器及其制氢方法。

背景技术

目前，氢能和燃料电池为本世纪洁净高效的新能源技术，技术难度大、投入成本太高、以及基础设施投入庞大，难以进入市场实际应用。而如果将氢能用作分散型燃料电池电站或小型电源，技术难度和投入将大为减少，其在民用和军用方面有比较广阔的应用需求。

由于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。但是PEMFC燃料电池对重整氢气的质量要求高，有害杂质（如CO）含量要求在ppm级，同时要求制氢系统小型化和具有高的比功率，这就成为燃料电池氢源技术中的关键技术难点。

直接甲醇燃料电池（DMFC）是直接利用甲醇水溶液作为燃料，具有体积小、重量轻、系统结构简单、燃料来源丰富、价格低廉、储存携带方便、安全性高等优点，在手机、笔记本电脑、摄像机等小型民用电源和军事上的单兵携带电源等方面具有极大竞争优势。但DMFC阳极未氧化完全的少量甲醇及电池工作过程中产生部分甲醛、甲酸等随尾气排放出来，造成环境污染。低温下甲醇氧化的电位高，输出电流密度较低，膜电极“三合一”组件长期置于醇水液体中，会使可靠性不断降低，甚至会造成膜脱落。同时，燃料甲醇有穿透(Cross Over)现象，即甲醇穿透电解质膜到达阴极致使输出功率降低的现象近期难以解决。

鉴于最近开发的DMFC的Pt-Ru电极有较强的抗甲醇和CO能力，使用重整气时可以省去CO变换和CO净化系统，将DMFC和甲醇重整制氢技术优势结合起来，有可能开发出新一代高效便携式小型燃料电池。目前，燃料电池氢源系统在小型化以及与DMFC系统一体化应用方面的研究已有了一定的进展。美国太平洋西北国家实验室（PNNL）与Battelle公司合作研制成一种可在战场条件下使用的小型燃料电池系统，其中小型转换器包含有蒸发器、换热器、催化点火器、蒸汽发生器等，可以用于军队使用的各种不同仪器和武器装备中。美国摩托罗拉公司宣布暂时中止面向便携式设备的直接甲醇型燃料电池的开发，转而致力于开发甲醇重整型小型燃料电池（RHFC），但其尚处于研究开发的高度保密阶段。

如果能研发一种小型的利用甲醇来制氢的反应器，将是国内制氢技术的一大突破，为燃料电池提供了可靠的氢源。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供重整制氢反应器及其制氢方法，能利用天燃气制氢，而且体积小、方便移动。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种重整制氢反应器，其包括：燃烧室腔体、重整室腔体、用于输送燃料的燃料输送管、用于输送空气的空气输送管、用于输入原料水的输液管、用于输送天燃气的天燃气输气管、用于输出氢气的氢气出气管、用于加热原料水产生水蒸汽的第一换热器、用于输出水蒸汽的水蒸汽输汽管、用于将天燃气与水蒸汽混合的混合器和用于输送天燃气与水蒸汽的混合气体的混合输气加热管；

所述重整室腔体位于燃烧室腔体中，所述燃烧室腔体具有用于排放燃烧尾气的燃烧尾气出气管，所述输液管通过所述第一换热器与水蒸汽输汽管连通，所述水蒸汽输汽管和天燃气输气管间隔缠绕于所述燃烧室腔体的上部，所述水蒸汽输汽管的出口与天燃气输气管的出口分别与所述混合器的两个入口连通，所述混合器的出口通过所述混合输气加热管与重整室腔体的入口连通，所述重整室腔体的出口连通所述氢气出气管；所述燃料输送管和空气输送管设置于所述燃烧室腔体的上部，所述燃烧室腔体中设置有点火装置。

所述的重整制氢反应器中，所述混合输气加热管包括混合输气管和第二换热器，所述第二换热器的入口与所述混合器的出口连通，所述第二换热器的出口通过混合输气管与所述重整室腔体的入口连通。

所述的重整制氢反应器中，所述第二换热器缠绕于所述氢气出气管上。

所述的重整制氢反应器中，所述第一换热器盘绕于所述燃烧尾气出气管中。

所述的重整制氢反应器中，所述重整室腔体中设置有用于检测反应温度的反应温度探头；所述重整制氢反应器还设置用于调节第一换热器和第二换热器的加热温度的调节装置，所述调节装置连接第一换热器和第二换热器。

所述的重整制氢反应器中，在空气输送管的入口还设置有鼓风装置。

所述的重整制氢反应器中，所述燃烧室腔体的上部设置有用于使燃料均匀分布的燃烧物料分布器。

所述的重整制氢反应器中，所述重整室腔体中设置有重整催化剂。

所述的重整制氢反应器中，在所述燃烧室腔体和重整室腔体之间设置有石棉保温层。

一种采用上述重整制氢反应器的制氢方法，其包括如下步骤：

在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量；

在输液管中注入原料水，经第一换热器加热成水蒸汽，同时在天燃气输气管通入天燃气；水蒸汽输汽管和天燃气输气管间隔缠绕于所述燃烧室腔体的上部利用燃烧室腔体温度加热送入混合器；

混合器输出的水蒸汽和天燃气的混合气体经混合输气加热管加热后送入重整室腔体中进行重整反应，产生的氢气经氢气出气管排出。

相较于现有技术，本发明提供的重整制氢反应器及其制氢方法，在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量，在制氢时将原料水加热成水蒸汽使其与天燃气混合进入重整室腔体中进行重整反应产生氢气，为燃料电池提供了稳定的氢源，本发明重整制氢反应器可随时启动重整制氢反应，而且反应器结构紧凑、体积小、方便移动，而且安装简单，其技术难度和投入成本低。

附图说明

图1为本发明提供的重整制氢反应器的结构示意图。

图2为本发明提供的重整制氢反应器中各气体和液体流向示意图。

图3为本发明提供的重整制氢反应器的制氢方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种重整制氢反应器及其制氢方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前，小型氢源和DMFC的集成系统可以实现分散型燃料电池电站或小型电源实际应用成为现实，随着手机、笔记本电脑、摄像机、空调、电动自行车及摩托车等小型家用电器的普及，可以与之配套且清洁高效的小型燃料电池电源系统(1O-5OOW)需求也会增长，其中小型氢源集成系统势必不可或缺，因此本发明的重整制氢反应器的市场前景可观。

请参阅图1，本发明提供的重整制氢反应器包括：燃烧室腔体10、重整室腔体20、用于输送燃料的燃料输送管101、用于输送空气的空气输送管102、用于输入原料水的输液管103、用于输送天燃气的天燃气输气管104、用于输出氢气的氢气出气管201、用于加热原料水产生水蒸汽的第一换热器105、用于输出水蒸汽的水蒸汽输汽管106、用于将天燃气与水蒸汽混合的混合器107和用于输送天燃气与水蒸汽的混合气体的混合输气加热管。

重整制氢反应器为套筒式结构，其重整室腔体20位于燃烧室腔体10中，所述燃料输送管101和空气输送管102设置于所述燃烧室腔体10的上部，所述燃烧室腔体10中设置有点火装置（图中未标出），所述燃烧室腔体10具有用于排放燃烧尾气的燃烧尾气出气管109，所述燃料经燃料输送管101通入燃烧室腔体10中，在燃烧室腔体10中燃烧为制氢反应提供热量，燃烧产生的废气经燃烧尾气出气管109排出。本实施例中，所述燃料输送管101插入空气输送管102中，使燃料与空气中的氧气充分混合。在燃烧室腔体10中，燃料及尾气流向如图2中的粗实箭头所示。

所述输液管103通过所述第一换热器105与水蒸汽输汽管106连通，所述水蒸汽输汽管106和天燃气输气管104间隔缠绕于所述燃烧室腔体10的上部，所述水蒸汽输汽管106的出口与天燃气输气管104的出口分别与所述混合器107的两个入口连通，所述混合器107的出口通过所述混合输气加热管与重整室腔体20的入口连通，所述重整室腔体20的出口连通所述氢气出气管201。

在所述输液管103流入原料水后，经第一换热器105加热产生水蒸汽，同时在天燃气输气管104中通入天燃气，水蒸汽和天燃气进入混合器107中混合，混合气体经混合输气加热管加热成高温气体进入重整室腔体20中进行重整反应。由于燃料燃烧时会产生热量，本发明将水蒸汽输汽管106和天燃气输气管104间隔缠绕于所述燃烧室腔体10的上部，将水蒸汽和天燃气预热后送入混合器107中，有效利用了能量，而且利于减小重整制氢反应器的体积。其中，原料水和水蒸汽的流向如图2中的细实箭头所示，天燃气的气体流向如图2中的细虚箭头所示，氢气的流向如如图2中的粗虚箭头所示。

请继续参阅图1，所述混合输气加热管包括混合输气管108和第二换热器202，所述第二换热器202的入口与所述混合器107的出口连通，所述第二换热器202的出口通过混合输气管108与所述重整室腔体20的入口连通。混合器107输出的混合气体经第二换热器202成高温混合气体，经混合输气管108送入重整室腔体20中。

为了减小重整制氢反应器的体积，及有效利用能源，所述第二换热器202缠绕于所述氢气出气管201上（即第二换热器为外置盘管状），通过盘绕方式可有效减小反应器的体积，而且时混合气体加热均匀。

为了进一步有效利用热量，所述第一换热器105盘绕于所述燃烧尾气出气管109中（即第一换热器为内置盘管状），有效利用燃烧尾气的热量为原料水预热。

请继续参阅图1，本发明提供的重整制氢反应器中，所述重整室腔体20中设置有用于检测反应温度的反应温度探头203；所述重整制氢反应器还设置用于调节第一换热器105和第二换热器202的加热温度的调节装置（图中未示出），所述调节装置连接第一换热器105和第二换热器202，通过检测的反应温度来调节第一换热器105和第二换热器202的加热温度，避免能源浪费。本实施例中，所述调节装置为变阻器、开关、PLC等具有调节功能的电子器件，其调节方式和原理为现有技术，此处不作详述。

为了使空气能快速进入燃烧室腔体10中，为燃料提供足够的氧气，本实施例在空气输送管102的入口还设置有鼓风装置（图中未示出），使足够的氧气进入燃烧室腔体10中，为燃料提供良好的燃烧条件。本实施例中，所述燃料也可采用来源丰富、价格低廉的天燃气，或者部分重整尾气。

进一步的，所述燃烧室腔体10的上部设置有用于使燃料均匀分布的燃烧物料分布器110，所述燃烧物料分布器110呈蜂窝状，使燃料在燃烧室内均匀分布，获得均匀分布的燃烧室温度。

本发明采用在所述燃烧室腔体10和重整室腔体20之间设置有石棉保温层111，可防止重整室腔体20的热量流失。

所述重整室腔体20中设置有重整催化剂，且该重整催化剂优选为颗粒催化剂，防止输出的氢气中混入杂质。

本发明提供的重整制氢反应器其反应在燃烧室腔体10和重整室腔体20中进行，为了更好的理解本发明，现在各腔体中的反应方式进行说明：

其中，燃烧室腔体10主要进行燃烧反应：

CH₄(g)+3/2O₂(g)—CO(g)+2H₂O（g)

CO+H2O—CO2+H2

当系统稳定运行后，燃烧的原料除用天燃气外也可以用部份重整气，与燃料电池系统集成后，还可以回收其阳极尾气作为燃料气。其主要反应为：

    H₂+1/2O₂ —H₂O

本发明进行燃烧的主要作用是：1、为重整系统提供能量；2、为原料水的汽化提供热量；3、为重整反应补充能量，并且重整制氢反应器结构设置合理，有效利用了能源。

反应器主要进行化学反应为：

CH₄＋H₂O→3H₂＋CO-Q 

CO＋H₂O→H₂＋CO₂＋Q 

CH₄＋2O₂→2H₂O＋CO₂＋Q

其中，Q为热量，从化学反应可看出，本发明的重整制氢反应器排出气体没有CO等有害气体，不会污染环境。

本发明还相应提供一种重整制氢反应器的制氢方法，如图3所示，其包括如下步骤：

S100、在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量；

S200、在输液管中注入原料水，经第一换热器加热成水蒸汽，同时在天燃气输气管通入天燃气；水蒸汽输汽管和天燃气输气管间隔缠绕于所述燃烧室腔体的上部利用燃烧室腔体温度加热送入混合器；

S300、混合器输出的水蒸汽和天燃气的混合气体经混合输气加热管加热后送入重整室腔体中进行重整反应，产生的氢气经氢气出气管排出。具体如上述实施例所述。

综上所述，本发明提供的重整制氢反应器及其制氢方法，在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量，在制氢时，将原料水加热成水蒸汽使其与天燃气混合进行重整室腔体混合产生氢气，为燃料电池提供了稳定的氢源，本发明重整制氢反应器可随时启动重整制氢反应，而且反应器结构紧凑、体积小、方便移动，而且安装简单，其技术难度和投入成本低。而且反应温度易于控制，热能利用率高，适用于100-1500W的燃料电池小型电源的氢源系统。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种重整制氢反应器，其特征在于，包括：燃烧室腔体、重整室腔体、用于输送燃料的燃料输送管、用于输送空气的空气输送管、用于输入原料水的输液管、用于输送天燃气的天燃气输气管、用于输出氢气的氢气出气管、用于加热原料水产生水蒸汽的第一换热器、用于输出水蒸汽的水蒸汽输汽管、用于将天燃气与水蒸汽混合的混合器和用于输送天燃气与水蒸汽的混合气体的混合输气加热管；

所述重整室腔体位于燃烧室腔体中，所述燃烧室腔体具有用于排放燃烧尾气的燃烧尾气出气管，所述输液管通过所述第一换热器与水蒸汽输汽管连通，所述水蒸汽输汽管和天燃气输气管间隔缠绕于所述燃烧室腔体的上部，所述水蒸汽输汽管的出口与天燃气输气管的出口分别与所述混合器的两个入口连通，所述混合器的出口通过所述混合输气加热管与重整室腔体的入口连通，所述重整室腔体的出口连通所述氢气出气管；所述燃料输送管和空气输送管设置于所述燃烧室腔体的上部，所述燃烧室腔体中设置有点火装置。

2.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述混合输气加热管包括混合输气管和第二换热器，所述第二换热器的入口与所述混合器的出口连通，所述第二换热器的出口通过混合输气管与所述重整室腔体的入口连通。

3.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述第二换热器缠绕于所述氢气出气管上。

4.根据权利要求3所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述第一换热器盘绕于所述燃烧尾气出气管中。

5.根据权利要求4所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述重整室腔体中设置有用于检测反应温度的反应温度探头；所述重整制氢反应器还设置用于调节第一换热器和第二换热器的加热温度的调节装置，所述调节装置连接第一换热器和第二换热器。

6.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，在空气输送管的入口还设置有鼓风装置。

7.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述燃烧室腔体的上部设置有用于使燃料均匀分布的燃烧物料分布器。

8.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，所述重整室腔体中设置有重整催化剂。

9.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，在所述燃烧室腔体和重整室腔体之间设置有石棉保温层。

10.一种采用权利要求1所述重整制氢反应器的制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：

在燃烧室腔体中通入燃料和空气，使燃料在燃烧室腔体中燃烧提供制氢反应所需热量；

在输液管中注入原料水，经第一换热器加热成水蒸汽，同时在天燃气输气管通入天燃气；水蒸汽输汽管和天燃气输气管间隔缠绕于所述燃烧室腔体的上部利用燃烧室腔体温度加热送入混合器；

混合器输出的水蒸汽和天燃气的混合气体经混合输气加热管加热后送入重整室腔体中进行重整反应，产生的氢气经氢气出气管排出。