CN110562917A - 微型重整装置以及微型重整系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及醇类重整制氢技术领域，尤其是涉及一种微型重整装置以及微型重整系统，包括：气化单元、重整单元以及为二者加热的加热单元；气化单元与重整单元并排设置，且气化单元上开设有若干尺寸为微米级的气化孔，重整单元上开设有若干尺寸为微米级的重整孔。在工作中，甲醇和水的混合液体进入装置，在通过气化单元的后，甲醇和水的液体被加热气化，达到甲醇反应重整所需要的温度。在微型重整装置中，微米级别的气化孔和重整孔具有更大的比较面积，能够使得甲醇和水的混合液体进入装置，在通过气化单元的后，甲醇和水的液体后被加热气化，接触更加充分，从而反应也更加全面，达到更大的产氢量。并且，生产成本低且应用灵活，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及醇类重整制氢技术领域，尤其是涉及一种微型重整装置以及微型重整系统。
背景技术
燃料电池具有能量转换效率高和无污染等优点，在航天、军事、运输工具、
电力等诸多领域有着广泛的用途，燃料电池所用的燃料从使用性能上来说氢气无疑是很优秀的，氢气是工业生产上常用的一种基础材料，它广泛应用于工业生产的各种场合。尤其是将氢气作为燃料电池的氢源时，要比其它燃料燃烧时造成的污染小、毒性小，因此氢气应用于燃料电池的电动汽车上，基本可以实现“零排放”。但是氢气为常温气体，如何方便的携带是一个很大的问题，采用高压钢瓶既笨重又占地方，采用稀土吸氢材料比能量低又太贵，虽然目前在碳纳米管、碳凝胶、玻璃微球、碳晶须储氢方面的研究有所突破，但是还是处于实验室研究阶段，氢气属于易燃易爆气体，在运输、储存盒安全性方面也存在较多隐患。
非直接甲醇燃料电池(英语：Indirect Methanol Fuel Cell，缩写：IMFC)是一种以甲醇作为燃料的质子交换膜燃料电池类别。其具有高效率、模组小、可在低温运作及无须水管理系统等特点。甲醇在送入燃料电池前，会先经过重组器进行甲醇重组反应。且甲醇在－97.0℃至64.7℃间皆为液态，使此种燃料电池可在较低温度运作，发电后产生纯水和二氧化碳。它是将甲醇经重整器转化成氢气再供给燃料电池的发电装置，它集成了纯氢燃料电池在低温快启动、比功率、能量转换效率高等方面的优越性。甲醇是一个很好的液态燃料，因为它有很高的氢－碳比，没有碳－碳键，且潜在产物容量高，不管是使用还是存贮都是同一状态且条件温和，而且甲醇的产量很大，国内年产超过6000万吨是仅次于乙烯、氨的第三大商用化学品，产量远大于总需求；另外由于甲醇是常温液体，不见明火不会轻易燃烧，所以使其成为公认的未来燃料电池首选燃料来源。
现有的管式重整制氢反应器结构简单，添加或取出催化剂都很容易，而且不会破坏催化剂，存在的问题是对于燃料电池系统来说，体积较大，催化剂利用率低，换热面积有限。
板式反应器结构紧凑，换热面积大，传热性能好，容易放大，生产效率高。存在的问题是体积大、扩大规模时相邻反应器之间的热量传递需要合理控制，催化剂的使用量较大。
微反应器内部包含各种形状的微通道，当反应物通过微通道时发生相应的反应，其尺寸较小，结构工整，比表面积较大，反应空间较小，从而加强了传质和传热能力，提高了化学反应的转化率
微反应器具有体积小而结构工整的特征，传热、传质和反应效率高，安全又便于携带。对于便携式燃料电池来说，微反应器是理想的重整反应器，但存在的问题是制作成本较高，加工精度要求高，处理能力有限，大规模使用还应解决成本、使用寿命等问题。
现有的微型甲醇重整装置有微通道式重整装置、微凸台式重组装置，这两类微通道的缺陷在于加工复杂，制作成本高，比表面积小，产氢量低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型重整装置以及微型重整系统，解决了现有技术中的醇类重整装置中反应比表面积小、加工复杂、成本高且产氢量小的技术问题。
一方面，本发明提供的一种微型重整装置，包括：气化单元、重整单元以及为二者加热的加热单元；
所述气化单元与所述重整单元并排设置，且所述气化单元上开设有若干尺寸为微米级的气化孔，所述重整单元上开设有若干尺寸为微米级的重整孔。
进一步地，所述气化单元包括若干层叠设置的气化板，所述气化孔开设在所述气化板上；
所述重整单元包括若干层叠设置的重整板，所述重整孔开设在所述重整板上。
进一步地，所述重整孔的内表面和所述重整板的两个表面涂覆有重整催化剂。
进一步地，所述加热单元为加热电源，且所述气化单元和所述重整单元的材质均为导电材料，所述加热电源的正负两级分别与所述气化单元和所述重整单元电连接。
进一步地，所述加热电源包括蓄电池和氢燃料电池。
进一步地，所述气化板与所述重整板的材质均为导电陶瓷。
进一步地，还包括用螺栓连接的上端盖和下端盖，所述上端盖与所述重整单元连接，所述下端盖与所述气化单元连接；所述上端盖和所述下端盖上分别设置有用于与所述加热电源电连接的导电电极。
进一步地，任意两个相邻的所述气化板或任意两个重整板之间设置有密封垫片。
进一步地，所述气化单元与所述重整单元之间设置有温度传感器，所述温度传感器连接有温控仪。
另一方面，本发明提供一种微型重整系统，包括原料输送装置、处理装置和设置在二者之间的上述技术方案提供的任一种所述的微型重整装置，所述原料输送装置通过输送管道与所述微型重整装置连通，所述输送管道上设置有输送泵。
本发明提供的一种微型重整装置以及微型重整系统能够达到以下有益效果。
本发明提供的微型重整装置以及微型重整系统，包括气化单元、重整单元以及为二者加热的加热单元；气化单元与重整单元并排设置，且气化单元上开设有若干尺寸为微米级的气化孔，重整单元上开设有若干尺寸为微米级的重整孔。气化单元用于将通入的醇类和水气化，气化后水和醇类进入重整单元进行重整反应生成氢气、二氧化碳和少量一氧化碳，加热单元为气化单元和重整单元提供气化和反应所需要的热量。在工作中，甲醇和水的混合后的蒸汽进入装置，在通过气化单元的过程中，甲醇和水的混合后的蒸汽被加热，达到甲醇反应重整所需要的温度。在微型重整装置中，微米级别的气化孔和重整孔具有更大的比较面积，能够使得甲醇和水的接触更加充分，从而重整反应也更加全面，达到更大的产氢量。并且，生产成本低且应用灵活，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的微型重整装置的外部结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的微型重整装置的内部结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的微型重整装置的爆炸图；
图4为图1的右视图；
图5为本发明实施例二提供的微型重整系统的结构示意图。
图标：100－加热电源；200－气化单元；201－气化板；300－重整单元；301－重整板；401－上端盖；402－下端盖；403－螺栓；404－导电电极；500－原料输送装置；600－冷却箱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
参照图1－4，本实施例提供的一种微型重整装置，包括：气化单元200、重整单元300以及为二者加热的加热单元；气化单元200与重整单元300并排设置，且气化单元200上开设有若干尺寸为微米级的气化孔，重整单元300上开设有若干尺寸为微米级的重整孔。
本发明实施例提供的微型重整装置以及微型重整系统中，气化单元200用于将通入的醇类和水气化，气化后水和醇类进入重整单元300进行重整生成氢气，加热单元为气化单元200和重整单元300提供反应所需要的热量。在工作中，甲醇和水的混合后的蒸汽进入装置，在通过气化单元的过程中，甲醇和水的混合后的蒸汽被加热，达到甲醇反应重整所需要的热量。在微型重整装置中，微米级别的气化孔和重整孔具有更大的比较面积，能够使得甲醇和水的接触更加充分，从而反应也更加全面，达到更大的产氢量。并且，生产成本低且应用灵活，具有广泛的应用前景。
具体地，本实施例中的气化单元200包括若干层叠设置的气化板201，且气化板201上开设有若干尺寸为微米级的气化孔。
在醇类重整的过程中，首先甲醇与水的混合原料进入气化单元200进行气化，当甲醇与水通过气化孔时，气化板201的热量将甲醇和水汽化成气体。若干个上述气化板201层叠设置形成本实施例中的气化单元200。
其中，气化孔的数量根据气化板201的面积确定，并达到最大的分布率。由于气化孔的直径为微米级别，能够与微型的醇类重整装置相匹配，在面积很小的气化板201上也具有成千上万个气化孔，能够达到极大的比表面积，当甲醇与水通过这些密密麻麻的气化孔时，能够取得优良的气化效果，为后期的重整反应提供更优质的原料，从而提高产气量以及产气的稳定性。
并且，重整单元300包括若干层叠设置的重整板301，重整板301上开设有若干个重整孔，且重整孔的内表面和重整板301个表面涂覆有重整催化剂。并且，重整孔的直径也为微米级别。
气化后的甲醇和水在重整单元300中实现了甲醇的重整反应，当甲醇和水的气体通过成千上万的重整孔时，在合适的反应温度下，重整催化剂催化甲醇的重整反应，使其分解为氢气、二氧化碳、一氧化碳。若干个上述重整板301层叠设置形成本实施例中的重整单元300。
同样的，由于重整孔的直径为微米级别，能够与微型的醇类重整装置相匹配，在面积很小的重整板301上也具有成千上万个涂覆有重整催化剂的气化孔，能够达到极大的比表面积，当甲醇通过这些密密麻麻的气化孔时，能够充分与催化剂结合，从而达到极优的反应效果，产气稳定且产氢量大。
需要说明的是，本实施例中的气化孔和重整孔都为微米级别的孔，整个气化单元200和重整单元300也就具有更小的体积。
本实施例中的加热单元为加热电源100，且气化单元200和重整单元300的材质均为导电材料，加热电源100的正负两级分别与气化单元200和重整单元300电连接。
具体地，加热电源100包括蓄电池和氢燃料电池。
具体地，蓄电池和氢燃料电池能够反复充电。当重整装置启动时由蓄电池提供电能加热气化装置和重组装置，产生氢气供给氢燃料电池发电。当氢燃料电池发电稳定后，反馈一部分电能给气化加热装置和重整加热装置，以保证系统运行。
气化板201与重整板301的材质均为导电陶瓷。
导电陶瓷是一种导电新材料，能够适应高温，并且耐腐蚀。本实施例中，采用导电陶瓷制作气化板201和重整板301，不但满足了与加热电源100形成导电回路以便加热气化板201和重整板301的要求，还延长了装置的使用寿命。
在重整单元300内，当甲醇和水的蒸气通过重整板301上的重整孔时，甲醇与水蒸气重整生成氢气和二氧化碳，同时，二氧化碳与氢气反应会产生一氧化碳和水，甲醇在这个过程中也会分解成为氢气和一氧化碳。
在工作中，甲醇和水的混合后的蒸汽进入本实施例提供的微型重整装置，在通过气化单元200的过程中，甲醇和水的混合后的蒸汽被加热，达到甲醇反应重整所需要的温度。由于气化单元200和重整单元300的材质均为导电材料，当加热电源100与气化单元200和重整单元300电连接，形成加热回路，则加热电源100能够直接对气化单元200和重整单元300进行加热，使其各自达到所需的温度，简单且精确，能够达到更好的醇类重整效果。并且，由于气化单元200和重整单元300的材质为导电材料，则其接通加热电源100之后所能达到的温度由其本身材质的电阻决定，在生产中，能够根据实际的使用需求，生产合适电阻值的气化单元200和重整单元300，生产成本低且应用灵活，能量利用率高，具有广泛的应用前景。
需要说明的是，由于气化和重整的过程都需要达到一定的温度才能进行，而在本实施例中，加热电源100为气化板201和重整板301通电后，两者的温度是由其自身的电阻值确定。在气化单元200气化过程中，气化板201的温度可以在一个较为宽泛不具体的范围，只要达到使甲醇和水能够被气化的效果。在重整单元300中进行的重整过程中，由于需要重整催化剂的作用，而催化剂的反应需要一个确定的温度，所以，重整板301的温度需要一个比较精确的温度值，或者一个比较精确的小的温度范围。
另外，针对不同的重整催化剂，重整板301所要达到的温度也是不一样的。举例说明，当重整催化剂为铜锌铝三元催化剂，重整反应需要的温度为320℃；当重整催化剂为铜锌铈锆四元催化剂，重整反应需要的温度为220℃。所以，在实际生产使用中，选用的重整催化剂的种类是与重整板301的选用相关的。
本实施例中，任意两个相邻的气化板201或任意两个相邻重整板301之间设置有密封垫片。
由于气化板201与气化板201之间、重整板301板与重整板301之间以及气化单元200与重整单元300之间需要足够近的距离并与加热电源100形成通电回路，以使气化板201和重整板301被加热，所以本实施例中，采用螺栓将相邻的气化板201、相邻的重整板301连接在一起。
需要说明的是，本实施例中的气化过程以及重整过程中的加热温度都是由气化单元200或重整单元300的电阻值和电压确定的，能够通过增减气化板201的数量和调整气化板的电阻值和电压改变气化过程的温度，也能通过增减重整板301的数量和调整重整板的电阻值和电压改变重整过程的温度，优选地使相邻的气化板201之间、相邻的重整板301之间为可拆卸连接。但是，一般的结构上的可拆卸连接都需要一定的空间，这部分空间又增大了相邻的气化板201之间、相邻的重整板301之间的空隙，势必对加热回路的形成产生影响，所以，为了保证加热回路的实现，本实施例中气化板201之间、重整板301之间采用高温胶粘接。
并且，本实施例中，在气化单元200与重整单元300之间设置有温度传感器，温度传感器连接有温控仪。
由于重整反应所需要的温度比较精确，为了实时掌握当前反应的温度并对反应参数做出实时的调整，本实施中在气化单元200和重整单元300之间设置有温度传感器，该温度传感器连接温度控制仪表，可以根据反应温度设定温度值，通过温控仪对反应的温度进行自动精确控制。
本实施例中，还包括用螺栓403连接的上端盖401和下端盖402，上端盖401与重整单元300连接，下端盖402与气化单元200连接；上端盖401和下端盖402上分别设置有用于与加热电源100电连接的导电电极404。
具体地，层叠的气化板201组成的气化单元200设置在下端盖402上，在气化单元200的上部设置有层叠重整板301组成的重整单元300，上端盖401压紧在上端盖401上，上端盖401与下端盖402之间通过螺栓403固定。
需要说明的是，气化板201和重整板301的边缘开设有用于螺栓403穿过的孔，螺栓403穿过上端盖401、层叠的重整板301、重叠的气化板201以及下端盖402固定，将整个醇类重整装置连接成为一个整体。
另外，在气化单元200和重整单元300的外部设置有保温层。
在上端盖401与下端盖402上，分别设置有用于与加热电源100连接的导电电极。另外，在下端盖402开设有用于甲醇和水进入装置的进料口，在上端盖401上开设有用于排出重整反应后生成的氢气和二氧化碳的出料口。
需要说明的是，本实施例中所命名的上端盖401与下端盖402只是对装置不同位置端盖的区分称谓，并不限定端盖的上下位置。
可以看出，本实施例提供的醇类重整系统，具有体积小、产氢量高、出气稳定且能量利用率高的特点，通过并联数个重整装置的方式很容易得到不同产气量的甲醇重整系统以满足不同功率的氢燃料电池需求。
实施例二
参照图5，本实施例提供一种微型重整系统，包括原料输送装置500、处理装置和设置在二者之间的上述实施例一提供的任一种的微型重整装置，原料输送装置500通过输送管道与微型重整装置连通，输送管道上设置有输送泵。
根据实施例一的描述，本实施例中的输送管道与下端盖402上的进料口连通。在输送管道上，设置有输送泵。
需要说明的是，原料输送装置500中的甲醇和水以1：1.3的比例混合，并由循环水进行预加热。
并且，反应完成后，生成的氢气和二氧化碳混合气体通过出料口经输出管道输出。需要说明的是，输出过程中，氢气和二氧化碳的混合气体先经过冷却箱600的冷却，再分离后分别通过氢气排出口和二氧化碳排出口排出。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种微型重整装置，其特征在于，包括：气化单元(200)、重整单元(300)以及为二者加热的加热单元；
所述气化单元(200)与所述重整单元(300)并排设置，且所述气化单元(200)上开设有若干尺寸为微米级的气化孔，所述重整单元(300)上开设有若干尺寸为微米级的重整孔。
2.根据权利要求1所述的微型重整装置，其特征在于，所述气化单元(200)包括若干层叠设置的气化板(201)，所述气化孔开设在所述气化板(201)上；
所述重整单元(300)包括若干层叠设置的重整板(301)，所述重整孔开设在所述重整板(301)上。
3.根据权利要求2所述的微型重整装置，其特征在于，所述重整孔的内表面和所述重整板(301)的两个表面涂覆有重整催化剂。
4.根据权利要求3所述的微型重整装置，其特征在于，所述加热单元为加热电源(100)，且所述气化单元(200)和所述重整单元(300)的材质均为导电材料，所述加热电源(100)的正负两级分别与所述气化单元(200)和所述重整单元(300)电连接。
5.根据权利要求4所述的微型重整装置，其特征在于，所述加热电源(100)包括蓄电池和氢燃料电池。
6.根据权利要求2所述的微型重整装置，其特征在于，所述气化板(200)与所述重整板(300)的材质均为导电陶瓷。
7.根据权利要求3所述的微型重整装置，其特征在于，还包括用螺栓(403)连接的上端盖(401)和下端盖(402)，所述上端盖(401)与所述重整单元(300)连接，所述下端盖(402)与所述气化单元(200)连接；所述上端盖(401)和所述下端盖(402)上分别设置有用于与所述加热电源(100)电连接的导电电极。
8.根据权利要求2－5中任一项所述的微型重整装置，其特征在于，任意两个相邻的所述气化板(201)或任意两个重整板(301)之间设置有密封垫片。
9.根据权利要求1－5中任一项所述的微型重整装置，其特征在于，所述气化单元(200)与所述重整单元(300)之间设置有温度传感器，所述温度传感器连接有温控仪。
10.一种微型重整系统，其特征在于，包括原料输送装置500、处理装置和设置在二者之间的上述权利要求1－9中任一项所述的微型重整装置，所述原料输送装置(500)通过输送管道与所述微型重整装置连通，所述输送管道上设置有输送泵。
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