CN109950591A - 燃料电池新型甲醇重整室 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池新型甲醇重整室，其主要包括：叠层主体，所述叠层主体由若干片金属板片的隔板叠摞而成；进出通道，所述进出通道为至少一对在各个所述隔板上延叠摞方向贯通设置的通道孔构成；无焰催化层以及重整催化层，所述的无焰催化层与所述的重整催化层交替的设置在各个相邻的所述隔板之间。

Description

燃料电池新型甲醇重整室

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池新型甲醇重整室。

背景技术

目前，甲醇重整制氢燃料电池的工作原理是采用蒸汽重整法将甲醇与水中携带的氢转换为氢气,氢气中的化学能经高温燃料电池转换为电能。而甲醇重整室是甲醇重整制氢燃料电池的核心部件之一，其重整室的效率和质量直接影响燃料电池的效率、输出性能和寿命。以往的甲醇重整制氢反应存在以下问题：如甲醇重整制氢反应是一个多组份、多反应的气固催化复杂反应系统。为了提高产氢率降低一氧化碳等副产物的比例，需要将甲醇与水的混合溶液充分的与催化剂反应，需要将催化剂填充孔道制作的很长，目前现有的重整室多以蛇形、管列式居多，此类型的重整室体积都比较大，结构比较复杂性，制造难度大，加工耗时长，成本较高，难以实现自动化，大批量生产。

发明内容

本发明提供一种燃料电池新型甲醇重整室，其主要通过叠层结构解决传统甲醇重整室体积大、结构复杂、重整效率低的问题。

为实现上述目的，一种燃料电池新型甲醇重整室，其主要包括：叠层主体，所述叠层主体由若干片金属隔板叠摞而成，并且各个相邻的所述金属隔板之间分别在所述叠层主体内形成有多个密闭空间；无焰燃烧层以及重整催化层，所述的无焰燃烧层、重整催化层分别通过各个所述的密闭空间交替的设置在所述叠层主体内；第一进出通道，所述第一进出通道为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述无焰燃烧层相连通的管道；第二进出通道，所述第二进出通道为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述重整催化层相连通的管道。

优选的，还包括外壳，所述外壳为包裹在所述叠层主体外部的腔体，并且所述叠层主体中的各个所述隔板四周的边缘与所述外壳内壁完全结合，所述外壳外侧贯通设有与所述进出通道对应的接口管；还包括沿所述金属隔板叠摞方向连接设置在所述叠层主体两端的第一封板和第二封板，所述第一通道以及所述第二通道分别从所述第一封板的一侧贯穿至所述叠层主体内部。

优选的，所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为球状颗粒；所述重整催化层内设有隔网，球状颗粒的所述甲醇重整催化剂通过隔网的空隙约束在所述隔板间隙内。

优选的，所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为粉末设置；所述重整催化层内设有泡沫金属装置，粉末状的甲醇重整催化剂依附于所述泡沫金属装置的表面。

优选的，所述无焰燃烧层内设有无焰燃烧催化剂。

优选的，重整催化层的所述金属隔板表面呈波浪形设置，并且波峰顺甲醇和水的混合蒸汽流动方向设置。

优选的，所述第一进出通道以及所述的第二进出通道的截面呈多边形设置，并且在所述叠层主体内呈旋转扭曲设置；所述第一进出通道以及所述第二进出通道的输入管道内同轴嵌套有筛管，所述筛管的管壁贯通设有若干个贯通的导气孔，所述导气孔靠近所述第一封板的一侧，直径小于靠近所述第二封板一侧的直径。

优选的，所述隔板对应所述无焰催化层的一侧，环所述第一进出通道的四周设有多个双金属片，所述双金属片受热后弯折变形，并将所述无焰催化层与所述第一进出通道进行隔离。

优选的，还包括再循环装置，所述再循环装置，包括内部设有活塞室的外壳，以及活动连接在所述活塞室内且将活塞室分成高压腔和负压腔的活塞，所述活塞上设有用于驱动所述活塞在所述活塞室内往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括设置在所述活塞中部且伸缩端固定在所述负压腔侧壁上的控制气缸，以及设置在所述外壳上且伸入所述活塞室内对所述活塞运动起到导向作用的导杆，所述导杆为中空便于给所述活塞室补充空气；所述活塞的左侧面上设有凹槽，所述凹槽内设有用于加热空气的电热丝；所述外壳内设有加浓腔，所述加浓腔内插接设有用于盛放工件的抽拉箱装置，所述外壳内设有用于连通高压腔和加浓腔的通孔，所述加浓腔内在所述通孔处安装有甲醇喷头，所述外壳上设有用于盛放甲醇的箱体，以及用于将甲醇从所述箱体送至所述甲醇喷头的输送管；所述外壳上设有用于连通所述加浓腔和所述负压腔的第一连通管，所述第一连通管上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述加浓腔流向所述负压腔的第一单向阀；所述外壳上设有用于连通所述负压腔和所述高压腔的第二连通管，所述第二连通管上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述负压腔流向所述高压腔的第二单向阀。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的燃料电池新型甲醇重整室内部示意图；

图2为本发明的燃料电池新型甲醇重整室外部示意图；

图3为本发明的燃料电池新型甲醇重整室筛管部示意图；

图4为本发明的燃料电池新型甲醇重整室隔板部气流走向示意图；

图5为本发明的燃料电池新型甲醇重整室进出通道的螺旋结构示意图；

图6为本发明的燃料电池新型甲醇重整室的隔网及球状催化剂示意图；

图7为本发明的燃料电池新型甲醇重整室的双金属片位置示意图；

图8为本发明的燃料电池新型甲醇重整室的泡沫金属装置示意图；

图9为本发明再循环装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

一种燃料电池新型甲醇重整室，其主要包括：叠层主体，所述叠层主体由若干片金属隔板叠摞而成，并且各个相邻的所述金属隔板之间分别在所述叠层主体内形成有多个密闭空间；无焰燃烧层以及重整催化层，所述的无焰燃烧层、重整催化层分别通过各个所述的密闭空间交替的设置在所述叠层主体内；第一进出通道2，所述第一进出通道2为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述无焰燃烧层相连通的管道；第二进出通道18，所述第二进出通道18为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述重整催化层相连通的管道。

在上述设置中，所述隔板间隙之间放置有无焰燃烧催化剂；所述无焰燃烧层配合隔板间隙的形状、体积、样式等，并且所述无焰燃烧催化剂加工制作成与隔板间隙相适应的形状或样式。无焰燃烧气体通过无焰燃烧层4时发生无焰燃烧反应,把无焰燃烧气体反应为二氧化碳和水(气态水),并且释放出大量的热量,释放的热量为相邻的重整反应提供所需要的温度；通过控制无焰燃烧气体的通入量，来间接的控制甲醇重整反应所需要的温度，并且把温度控制在甲醇重整催化剂的最适温度范围之内，保证重整反应的高效进行。

甲醇和水的混合蒸汽从第二进出通道18入到重整催化层5,并在重整催化层5内发生甲醇重整反应,把甲醇和水的混合蒸汽重整催化为氢气和二氧化碳,重整催化反应所需要的温度由相邻的无焰燃烧装置反应所提供的；通过精确的控制重整反应的流程长度，即重整反应的反应室长度，使整个重整反应转换效率达到最优状态，最后重整反应完的重整气体(氢气和二氧化碳)通过重整气出口通道通入到甲醇重整燃料电池中，在甲醇重整燃料电池中发生电化学反应发出电来。

实施例二：

根据图2，还包括外壳，所述外壳为包裹在所述叠层主体外部的腔体，并且所述叠层主体中的各个所述隔板四周的边缘与所述外壳内壁完全结合，所述外壳外侧贯通设有与所述进出通道对应的接口管；还包括沿所述金属隔板叠摞方向连接设置在所述叠层主体两端的第一封板20和第二封板21，所述第一通道以及所述第二通道分别从所述第一封板20的一侧贯穿至所述叠层主体内部。

通过该外壳7进一步的使相邻的隔板6边缘部分形成密封状态，避免甲醇和水的混合蒸汽以及反应生成物向外部扩散，另外通过第一封板20以及第二封板21对叠层主体起拉紧作用，避免因压力作用导致的叠层主体变形。再有第一进出通道2以及第二进出通道18在第一封板20上连接有接口管，因此提高了接口的强度。

实施例三：

所述第一进出通道2以及所述第二进出通道18为多组设置。

甲醇和水的混合蒸汽从第二进出通道18的入口进入，并流入各个重整催化层5中，甲醇和水的混合蒸汽在重整催化层5的流通方式是多样式的，可以是串联连接重整催化层的从第一层流通到最后一层，也可是并联的形式同时在重整催化层5的所有层中流通，也可以串并联的方式混合使用，根据甲醇重整制氢反应效率、制氢率及甲醇重整室的大小等各方面因素综合考虑甲醇和水的混合蒸汽的流通连接方式。

从第一进出通道2的入口通入的气体是无焰燃烧气体，无焰燃烧气体是复杂的气体类，可以是甲醇和水的混合蒸汽、燃料电池电堆中的尾气等气体也可以是这些气体的混合气体，只要这些气体可以发生无焰燃烧反应即可；同时无焰燃烧气体在无焰燃烧层4中的流通方式可以是串联、并联、串并联混合或者其他的连接方式，根据设计的需要等多方面的因素综合考虑它的连接方式。

实施例四：

所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为球状颗粒；所述重整催化层内设有隔网，球状颗粒的所述甲醇重整催化剂通过隔网的空隙约束在所述隔板间隙内。

在上述设置中，优选的球状催化剂的直径为2.00～5.00MM。因此，重整催化层5内放置球状颗粒的催化剂时需要放置一些特殊的隔网，隔网的形状、体积与隔板形状、大小相适应，使隔网放置在隔板间隙内，球状甲醇重整催化剂放置在隔网上，此时的重整催化装置由球状甲醇重整催化剂和隔网组成。被隔网13空隙约束的重整催化球16稳定的固定在重整催化层5两侧的隔板6之间，因此避免了重整催化球16之间的碰撞，避免碎裂以及产生细小的粉末颗粒影响燃料电池的寿命。

实施例五：

所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为粉末设置；所述重整催化层内设有泡沫金属装置14，粉末状的甲醇重整催化剂依附于所述泡沫金属装置14的表面。

而此时需要根据隔板间隙的形状、体积的样式，把泡沫金属装置14加工制作成与隔板间隙相适应的形状或样式，粉末状的甲醇重整催化剂通过调配的粘溶液附着在泡沫金属装置14表面；此时的重整催化装置可以减少甲醇催化剂的用量，增大催化剂与甲醇和水的混合蒸汽的接触面积，同时提高了甲醇催化剂稳定性。其中，泡沫金属装置14是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过粉末冶金法和电镀法进行制备，前者通过向熔体金属添加发泡剂制得泡沫金属装置；后者通过电沉积工艺在聚氨酯泡沫塑料骨架上复制成泡沫金属装置。粉末冶金法制造泡沫金属装置14，是在粉末中加入发泡剂(如NH4Cl)，烧结时发泡剂挥发，留下孔隙。用电化学沉积法可以制得规则形状孔隙、孔隙率高达95％的泡沫金属装置14，包括以Cu，Ni，NiCrFe，ZnCu，NiCu，NiCrW，NiFe等金属和合金为骨架的泡沫材料。

实施例六：

根据图4，重整催化层的金属隔板表面呈波浪形设置，并且波峰顺甲醇和水的混合蒸汽流动方向设置。

通过上述设置，甲醇和水的混合蒸汽在重整催化层5内有入口管路向出口管路方向流动时，一部分气流被波峰状凸起出导入波谷12，并在波谷12与前一个波峰11间产生旋流，该过程持续的使部分甲醇和水的混合蒸汽在隔板6的波谷12处发生滞留，同时与经过相邻的两个波峰11上方的甲醇和水的混合蒸汽产生置换效应，因此延长了甲醇和水的混合蒸汽的通过时间与路径，并在旋流的作用下与重整催化粉17进行充分的制氢催化反应，提高了制氢效率。

实施例七：

根据图5，所述第一进出通道2以及所述的第二进出通道18的截面呈多边形设置，并且在所述叠层主体内呈旋转扭曲设置；所述第一进出通道2以及所述第二进出通道18的输入管道内同轴嵌套有筛管，所述筛管的管壁贯通设有若干个贯通的导气孔，所述导气孔靠近所述第一封板20的一侧，直径小于靠近所述第二封板21一侧的直径。

甲醇和水的混合蒸汽通过第一进出通道2、第二进出通道18的入口进入叠层主体过程中，受管道内壁结构的影响产生旋流，同时，由于相邻的两个隔板6上的对应第一入口管道的通道孔3存在偏转角度，因此使得两块相邻隔板6间的重整催化层5或无焰催化层4的边界与进出通道2相接触，从而扩大的重整催化层5与无焰催化层4的入口截面，利于甲醇和水的混合蒸汽进入无焰催化层4或重整催化层5；同时构成的旋转样式的进出通道2使甲醇和水的混合蒸汽产生旋流，甲醇和水的混合蒸汽在旋流的作用下，其中的杂质受向心力影响，卷至轴心部位，因此避免了过多的杂质随气流走向进入隔板间的间隙内。筛管9通过外侧壁与通道孔3固定结合，进一步的限制了叠层主体1的稳定性，同时对筛管9的孔经大小进行限制，还有助于控制甲醇和水的混合蒸汽进入无焰催化层4以及重整催化层5内的比例，因此筛管9对应无焰催化层4与重整催化层5的导气孔10具有不同的孔径大小，一般来讲，该孔径的大小通过该重整室的使用地区来限定，通常在靠近赤道地区，由于环境温度高，因此对无焰催化层4的产热要求不好，通多降低对应无焰催化层4的孔径，加大对应重整催化层5的孔径来增大制氢效率，而高纬度地区的由于气温低下，相应的调整筛管9的孔径变化，以满足增大无焰催化层4的产热效率。

实施例八：

根据图7，所述隔板6对应所述无焰催化层4的一侧，环所述通道孔3的四周设有多个双金属片15，所述双金属片15受热后弯折变形，并将所述无焰催化层4与所述进出通道2进行隔离。

随着甲醇和水的混合蒸汽与无焰催化层4的催化反应并不断的生成热量，该热量通过隔板6传递给双金属片15，固定在无焰催化层4两侧隔板6上的的双金属片15受热变形，并形成闭合状态，将无焰催化层4与进出通道2进行隔离，从而减小甲醇和水的混合蒸汽进入无焰催化层4中，因此也降低了无焰催化层4的发热反应，当隔板6的热量下降后，双金属片15复位变形并逐渐打开，使无焰催化层4与进出通道2恢复导通状态，从而为了避免热量满足重整催化层5的催化反应后，无焰催化继续消耗多余的甲醇和水的混合蒸汽。

实施例九：

根据图9，所述叠层主体1外部还设有再循环装置，所述再循环装置分别通过第一连通管43、第二连通管45与所述第二进出通道18的进口及出口端连通，所述再循环装置内部还设有活塞室31的外壳30，以及活动连接在所述活塞室31内且将活塞室31分成高压腔32和负压腔33的活塞38，所述活塞38上设有用于驱动所述活塞38在所述活塞室31内往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括设置在所述活塞38中部且伸缩端固定在所述负压腔33侧壁上的控制气缸60，以及设置在所述外壳30上且伸入所述活塞室31内对所述活塞38运动起到导向作用的导杆，所述导杆为中空便于给所述活塞室31补充空气；所述活塞38的左侧面上设有凹槽，所述凹槽内设有用于加热空气的电热丝；所述外壳30内设有加浓腔34，所述加浓腔34内插接设有用于盛放工件的抽拉箱装置，所述外壳30内设有用于连通高压腔32和加浓腔34的通孔35，所述加浓腔34内在所述通孔35处安装有甲醇喷头40，所述外壳30上设有用于盛放甲醇的箱体，以及用于将甲醇从所述箱体送至所述甲醇喷头40的输送管42；所述外壳30上设有用于连通所述加浓腔34和所述负压腔33的第一连通管43，所述第一连通管43上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述加浓腔34流向所述负压腔33的第一单向阀44；所述外壳30上设有用于连通所述负压腔33和所述高压腔32的第二连通管45，所述第二连通管45上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述负压腔33流向所述高压腔32的第二单向阀46。

通过上述设置，该再循环装置工作时，将蒸发器放置到第一夹块和第二夹块之间，然后转动传动螺杆使得与所述第一螺纹段螺纹连接的第一夹块和与所述第二螺纹段螺纹连接的第二夹块相向运动将工件夹紧，紧接着驱动气缸58伸长驱动活塞38向左运动使得高压腔32内的空气被压缩且压力升高，然后压缩空气从甲醇喷头40喷到甲醇腔内并且将输送管42内输送过来的甲醇进行雾化喷洒到工件上完成蒸发；由于活塞38向左运动使得负压腔33内产生负压，甲醇腔内含有甲醇的空气通过第一连通管43进入到负压腔33内。在驱动气缸58驱动活塞38向右运动复位时，将位于负压腔33内的含有甲醇的空气通过第二连通管45送至高压腔32，等待下一次蒸发操作；该装置在对蒸发器进行通风时，甲醇和水的混合蒸汽循环使用不会通过废气的形式排向空气中，大大减少了对空气造成的污染。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于，包括：

叠层主体，所述叠层主体由若干片金属隔板叠摞而成，并且各个相邻的所述金属隔板之间分别在所述叠层主体内形成有多个密闭空间；

无焰燃烧层以及重整催化层，所述的无焰燃烧层、重整催化层分别通过各个所述的密闭空间交替的设置在所述叠层主体内；

第一进出通道，所述第一进出通道为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述无焰燃烧层相连通的管道；

第二进出通道，所述第二进出通道为一对贯穿进所述叠层主体内部，并分别与所述重整催化层相连通的管道。

2.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：还包括外壳，所述外壳为包裹在所述叠层主体外部的腔体，并且所述叠层主体中的各个所述隔板四周的边缘与所述外壳内壁完全结合，所述外壳外侧贯通设有与所述进出通道对应的接口管；还包括沿所述金属隔板叠摞方向连接设置在所述叠层主体两端的第一封板和第二封板，所述第一通道以及所述第二通道分别从所述第一封板的一侧贯穿至所述叠层主体内部。

3.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为球状颗粒；所述重整催化层内设有隔网，球状颗粒的所述甲醇重整催化剂通过隔网的空隙约束在所述隔板间隙内。

4.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述重整催化层内设有甲醇重整催化剂，所述的甲醇重整催化剂为粉末设置；所述重整催化层内设有泡沫金属装置，粉末状的所述甲醇重整催化剂依附于所述泡沫金属装置表面。

5.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述无焰燃烧层内设有无焰燃烧催化剂。

6.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述重整催化层的所述金属隔板表面呈波浪形设置，并且波峰顺甲醇和水的混合蒸汽流动方向设置。

7.如权利要求2所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述第一进出通道以及所述的第二进出通道的截面呈多边形设置，并且在所述叠层主体内呈旋转扭曲设置；所述第一进出通道以及所述第二进出通道的输入管道内同轴嵌套有筛管，所述筛管的管壁贯通设有若干个贯通的导气孔，所述导气孔靠近所述第一封板的一侧，直径小于靠近所述第二封板一侧的直径。

8.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述隔板对应所述无焰催化层的一侧，环所述第一进出通道的四周设有多个双金属片，所述双金属片受热后弯折变形，并将所述无焰催化层与所述第一进出通道进行隔离。

9.如权利要求1所述的燃料电池新型甲醇重整室，其特征在于：所述叠层主体外部设有再循环装置，所述再循环装置分别通过第一连通管、第二连通管与所述第二进出通道的进口及出口端连通，所述再循环装置内部还设有活塞室的外壳，以及活动连接在所述活塞室内且将活塞室分成高压腔和负压腔的活塞，所述活塞上设有用于驱动所述活塞在所述活塞室内往复运动的驱动装置；所述驱动装置包括设置在所述活塞中部且伸缩端固定在所述负压腔侧壁上的控制气缸，以及设置在所述外壳上且伸入所述活塞室内对所述活塞运动起到导向作用的导杆，所述导杆为中空便于给所述活塞室补充空气；所述活塞的左侧面上设有凹槽，所述凹槽内设有用于加热空气的电热丝；所述外壳内设有加浓腔，所述加浓腔内插接设有用于盛放工件的抽拉箱装置，所述外壳内设有用于连通高压腔和加浓腔的通孔，所述加浓腔内在所述通孔处安装有甲醇喷头，所述外壳上设有用于盛放甲醇的箱体，以及用于将甲醇从所述箱体送至所述甲醇喷头的输送管；所述外壳上设有用于连通所述加浓腔和所述负压腔的第一连通管，所述第一连通管上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述加浓腔流向所述负压腔的第一单向阀；所述外壳上设有用于连通所述负压腔和所述高压腔的第二连通管，所述第二连通管上设有用于控制甲醇和水的混合蒸汽从所述负压腔流向所述高压腔的第二单向阀。