CN109876751B

CN109876751B - 一种等离子体反应器及其应用

Info

Publication number: CN109876751B
Application number: CN201711278347.2A
Authority: CN
Inventors: 杨林林; 高越; 孙公权
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: CN109876751A

Abstract

本发明涉及一种等离子反应器及其应用。该反应器结构用于满足一种过氧化氢作为氧化剂等离子体自热重整制氢的过程，其特点在于高效反应，无需外部加热，自身可达到热平衡。甲醇在该等离子体反应器中，作用于高能电子、自由基活性物质、氧气和电场，发生等离子体氧化重整反应。生成氢气与二氧化碳，可为燃料电池提供氢源。

Description

一种等离子体反应器及其应用

技术领域

本发明涉及等离子反应器领域，特别涉及一种等离子体反应器及其应用。

背景技术

燃料电池，作为一种直接将化学能转换成电能的发电装置，与传统的内燃机相比，具有高能量转换效率、低噪音、零排放等一系列优点。据报道，电池的能量转换效率可以提高1倍左右，达到45％～60％。而其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度低、启动快、工作电流高、比功率比能量密度大、无腐蚀、无噪音、零污染、寿命长等优点，最适宜做移动式电源。美国，加拿大，德国，日本以及澳大利亚等国家都投入了大量人力财力开发这一系统。随着技术的不断进步，PEMFC有望广泛应用，一方面可以降低对石油等化石燃料的依赖，另一方面也可以减少对环境的污染。

然而，PEMFC商业化还存在巨大的障碍，其中一个关键问题就是原料气氢气的来源与储存。氢气由于价格高、安全性差、运输储存及加注困难，不宜直接车载。其中一个解决办法就是采用液体燃料实现车载制氢。

目前的制氢技术主要可分为两大类：一类是可再生的，一类是不可再生的。可再生的制氢技术主要包括生物制氢和太阳能制氢等，由于技术上的限制这类制氢技术还不太可能用于便携式燃料电池电池制氢；比较可行的是另一类制氢技术，主要包括以煤、石油和天然气为主的化石燃料制氢。在所有可能利用的化石燃料中，甲醇制氢有着明显的优势。

传统甲醇重整制氢技术通过重整催化剂，存在启动时间过长、催化剂易中毒、反应温度高等缺点不利于便携式燃料电池耦合。等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，具有反应条件低，启动时间短等优点可以满足甲醇重整制氢反应要求，并已被大量研究证明其原理可行性。

发明内容

为解决上述问题，本发明设计一种等离子体反应器结构及其应用方法，为便携式燃料电池提供氢源

本发明为达到以上目的，通过以下技术方案来实现：

提供一种等离子体反应器，其正极反应腔为下端开口上端密闭的金属筒体，于筒体外壁面上套设有下端开口上端密闭的正极外壳绝缘玻璃筒，于正极外壳绝缘玻璃筒外壁面上套设有下端开口上端密闭的正极外壳；

于正极反应腔下开口端密闭连接有环状正负极绝缘陶瓷，于正负极绝缘陶瓷下方密闭连接有一作为负极的中部带通孔的平板状电极，于负极下方密闭连接有一作为换热腔的上端开口下端密闭的筒体，负极中部的通孔位于换热腔的上开口端的上方，于换热腔外壁面上设有作为气化室的密闭换热夹套层，于换热腔下密闭端设有尾气出口；于气化室下部设有溶液进口；目的在于将反应物热量提供给进口溶液进行气化。

于正极反应腔下开口端设有向下的环状突起A(11)，相应的于负极上表面设有向上的环状突起B(10)，环状突起A和环状突起B相对间隔设置；正极反应腔和负极分别经正极接口和负极接口与高压直流电源的正极和负极电连接，使环状突起A和环状突起B之间尖端放电，形成环状电弧或环状电场；环状突起区别于传统针状尖端放电，可形成一圈电场圆弧，提高反应效率。

于所述正负极绝缘陶瓷下表面开设有一环状凹槽，环状凹槽一端穿过负极与气化室相连通，所述正负极绝缘陶瓷内壁面所围绕的中空区域为圆柱形，于内壁面与环状凹槽侧壁面之间开设有1个或沿内壁面周向均匀分布的2个以上(较好为6-10个)的圆形气体通孔，位于正负极绝缘陶瓷内壁面上圆形气体通孔一端为出气端，位于凹槽侧壁面上圆形气体通孔另一端为进气端，出气端的几何中心处于进气端几何中心的侧上方；用于使溶液蒸汽向反应器上方旋转经过电弧区域，随后由于重力及压力缘故再次经过电弧区域，达到两次反应的目的

且圆形气体通孔轴线与内侧壁面的切线成10-80度的夹角，且气体出口的气流方向同为逆时针或顺时针。

于正极反应腔与正极外壳绝缘玻璃筒之间留有空隙，于正极外壳绝缘玻璃筒与正极外壳之间留有空隙。

正极反应腔于下开口端向外设有环形凸台，于环形凸台与正极外壳之间设置有一环状正极外壳绝缘陶瓷。

该等离子体反应器的具体应用，用于过氧化氢作为氧化剂等离子体自热重整制氢的过程中，其特征在于：启动等离子体反应器的高压电源后，将甲醇、过氧化氢水溶液混合后由溶液进口通入等离子体反应器内；启动高压电源后等离子体反应器将电能部分转化为热能，为溶液气化提供能量来源；气化后的溶液被等离子体反应器电极之间的施加的高压电电离，形成等离子体，其中的甲醇在高能电子、自由基活性物质、氧气及电场的作用下，发生等离子体氧化重整反应，生成氢气及二氧化碳；流体旋转向上经过等离子体区域后，由于重力回落再次经过等离子体区域，使未反应的甲醇再次反应，反应生成物由出气口排出。

混合溶液中理论甲醇：过氧化氢：水体积比为61:(10-20):(4-14)，优选体积比为61:(14-16):(8-10)，最优体积比为61:15:9。采用过氧化氢作为氧化剂及选用特定比例，目的在于过氧化氢分解生成氧气和水，无副产物且能放出大量热量，可作为反应的部分热源。

相较于传统技术，本发明的有益效果如下：该反应器能该反应器可有效满足甲醇自热重整为含氢气尾气的技术要求，为便携式燃料电池提供氢源；其优势在于无需外接加热装置，反应结构简单；启动时间快，高压电源开启后，气化室温度达到溶液气化温度即可进行反应；两电极之间为圆弧放电，而非传统的尖端放电，甲醇转化率高；流体两次经过等离子体区域，进一步提高甲醇转化效率；采用过氧化氢作为反应氧化剂，副产物中无其他对燃料电池有害物质毒化电池，尾气为电池系统提供氢源。

附图说明

图1为等离子反应器装置示意图

图2为正负极绝缘陶瓷放大图

图中：1、正极外壳；2、环状正极外壳绝缘陶瓷；3、正极反应腔；4、环状正负极绝缘陶瓷；5、负极；6、气化室；7、溶液进口；8、尾气出口；9、负极接口；10、环状突起B；11、环状突起A；12、正极外壳绝缘玻璃筒；13、正极接口；14、高压电源模块。

具体实施方式

如图1所示，等离子反应器装置包括等离子反应器和高压电源模块，其中等离子反应器包括：1、正极外壳；2、环状正极外壳绝缘陶瓷；3、正极反应腔；4、环状正负极绝缘陶瓷；5、负极；6、气化室；7、溶液进口；8、尾气出口；9、负极接口；10、环状突起B；11、环状突起A；12、正极外壳绝缘玻璃筒；13、正极接口；正极与正极外壳之间接触部位通过陶瓷绝缘，未接触部分通过玻璃绝缘。正负极反应腔之间通过陶瓷绝缘。正极接口13与高压电源14输出正极相连，负极接口9与高压电源14输出负极相连，环状突起A(11)与环状突起B(10)之间距离为4mm形成均与放电圆弧，正极接口13与负极接口9为M4*5螺纹，正极外壳绝缘玻璃为壁厚3mm石英玻璃。混合溶液中理论甲醇：过氧化氢：水体积比为61:14-16:8-10，优选体积比为61:15:9。

管路导线连接完毕后，操作步骤如下：1，打开高压电源14提高反应器温度；2，两分钟后甲醇过氧化氢水溶液从溶液进口7进入气化室6内，加热气体形态通过负极反应腔5；3，在正负极绝缘陶瓷内形成旋转流环状突起A与环状突起B之间的电弧形成等离子体，并随气流进入到正极反应腔3内。4，随着重力作用，流体再次经过正极尖端11与负极尖端10之间的电弧再次反应；5，最后通过尾气出口8离开反应器做下阶段使用。其中高压电源输出电压为15kv，溶液流量为5ml/min，尾气经色谱检测组分为H₂、CO₂、CO、CH₃OH、O₂，甲醇转化率为90％。

本方法反应结构简单，无需外接加热装置，可以有效将甲醇过氧化氢水溶液重整为富含氢气的尾气，甲醇转化率高，解决了便携式燃料电池氢源的供给问题，以及传统甲醇水制氢所带来的电池毒化，启动时间慢等缺点。

Claims

1.一种等离子体反应器，其特征在于：包括正极反应腔（3），

正极反应腔（3）为下端开口上端密闭的筒体；

于正极反应腔下开口端密闭连接有环状正负极绝缘陶瓷（4），于正负极绝缘陶瓷（4）下方密闭连接有一作为负极（5）的中部带通孔电极，于负极下方密闭连接有一作为换热腔的上端开口下端密闭的筒体，负极（5）中部的通孔位于换热腔的上开口端的上方，于换热腔外壁面上设有作为气化室（6）的密闭换热夹套层，于换热腔下密闭端设有尾气出口（8）；于气化室（6）下部设有溶液进口（7）；

于正极反应腔下开口端设有向下的环状突起A（11），相应的于负极上表面设有向上的环状突起B（10），环状突起A（11）和环状突起B（10）相对间隔设置；正极反应腔和负极分别经正极接口（13）和负极接口（9）与高压直流电源的正极和负极电连接，使环状突起A和环状突起B之间尖端放电，形成环状电弧或环状电场；

于所述正负极绝缘陶瓷下表面开设有一环状凹槽，环状凹槽一端穿过负极与气化室相连通，所述正负极绝缘陶瓷内壁面所围绕的中空区域为圆柱形，于内壁面与环状凹槽侧壁面之间开设有1个或沿内壁面周向均匀分布的2个以上的圆形气体通孔，位于正负极绝缘陶瓷内壁面上圆形气体通孔一端为出气端，位于凹槽侧壁面上圆形气体通孔另一端为进气端，出气端的几何中心处于进气端几何中心的侧上方。

2.根据权利要求1所述等离子体反应器，其特征在于：

所述正极反应腔（3）筒体为下端开口上端密闭的金属筒体，于筒体外壁面上套设有下端开口上端密闭的正极外壳绝缘玻璃筒（12），于正极外壳绝缘玻璃筒（12）外壁面上套设有下端开口上端密闭的正极外壳（1）。

3.根据权利要求1所述等离子体反应器，其特征在于：

所述圆形气体通孔轴线与内侧壁面的切线成10-80度的夹角，且气体出口的气流方向同为逆时针或顺时针。

4.根据权利要求2所述等离子体反应器，其特征在于：

于正极反应腔（3）与正极外壳绝缘玻璃筒（12）之间留有空隙，于正极外壳绝缘玻璃筒（12）与正极外壳（1）之间留有空隙。

5.根据权利要求1或2所述等离子体反应器，其特征在于：

正极反应腔于下开口端向外设有环形凸台，于环形凸台与正极外壳（1）之间设置有一环状正极外壳绝缘陶瓷（2）。

6.一种权利要求1-5任一所述等离子体反应器的应用，用于过氧化氢作为氧化剂等离子体自热重整制氢的过程中，其特征在于：

启动等离子体反应器的高压电源后，将甲醇、过氧化氢水溶液混合后由溶液进口（7）通入等离子体反应器内使溶液发生气化；气化后的溶液被等离子体反应器电极之间的施加的高压电电离，形成等离子体，其中的甲醇在高能电子、自由基活性物质、氧气及电场的作用下，发生等离子体氧化重整反应，生成氢气及二氧化碳；流体旋转向上经过等离子体区域后，由于重力回落再次经过等离子体区域，使未反应的甲醇再次反应，反应生成物由出气口排出。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：混合的溶液中甲醇：过氧化氢：水体积比为61:（10-20）:（4-14）。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：

混合的溶液中甲醇：过氧化氢：水体积比为61:（14-16）:（8-10）。