CN111252736A - 重组产氢装置 - Google Patents

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Abstract

一种重组产氢装置，包含重组产氢系统、进料系统，及加热系统。其中，所述重组产氢系统具有界定出容置空间的外壳、多根设置于所述容置空间且不与所述容置空间连通的重组器、至少一条绕设于至少其中一根重组器的通气管，及连通管，所述外壳具有与所述容置空间连通的进气口及出气口，所述至少一条通气管的两端分别与所述进气口及所述出气口连通，所述连通管的其中一端与所述出气口连通，所述进料系统用于提供燃油及空气，与所述外壳连接，并与所述重组器连通，且所述连通管的其中另一端与所述进料系统连通，所述加热系统具有与所述容置空间连通并可对所述容置空间加热的加热器。

Description

重组产氢装置
技术领域
本发明涉及一种产氢装置，特别是涉及一种用于高碳燃料的重组产氢装置。
背景技术
由于环保意识抬头及全球日趋严苛的环保法规，因此，洁净能源技术的开发，已是各国于能源发展的重要方向。其中，氢能源已被证实是极具发展潜力的洁净能源技术。
一般氢气产生方式可分为碳氢燃料重组产氢、电解产氢等，其中，重组产氢技术是利用重组器将例如天然气、液化石油气、甲醇或其他高碳燃料经重组反应后转化为富氢气体，所述富氢气体则可供燃料电池使用而转化成电能。其中，而当进一步将前述重组产氢应用于车辆时，除了可将重组后产生的氢气供燃料电池车辆使用，以作为提供车辆应用的洁净动力能源外，也可用于内燃机或锅炉提高燃烧效率与减少排气污染的效益，因此，也是相关技术人员积极开发的方向。
目前常用的重组产氢技术有自发热重组产氢法、水蒸气重组产氢法，以及部分氧化法。其中，自发热重组产氢法及水蒸气重组产氢法，因为所用于氢气重组的燃料，除了前述的天然气与高碳燃油外，还需要添加水，因此，除了重组器的热能管理外，还需进一步考虑燃料的油水混合等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好的热回收及热管理效能的重组产氢装置。
于是，本发明重组产氢装置，包含重组产氢系统、进料系统，及加热系统。
所述重组产氢系统具有界定出容置空间的外壳、多根设置于所述容置空间且不与所述容置空间连通的重组器、至少一条绕设于至少其中一根重组器的通气管，及一连通管，所述外壳具有与所述容置空间连通的进气口及出气口，所述至少一条通气管的两端分别与所述进气口及所述出气口连通，所述连通管的其中一端与所述出气口连通。
所述进料系统用于提供包含燃油及空气，与所述外壳连接，并与所述重组器的其中一端连通，且所述连通管的其中另一端与所述进料系统连通。其中，所述空气是经由所述进气口进入所述通气管并经由所述连通管进入所述进料系统后，再进入所述重组器，所述燃油是由所述进料系统直接进入所述重组器，所述重组器可用于将所述燃料进行重组后产生氢气。
所述加热系统具有与所述容置空间连通并可对所述容置空间加热的加热器。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，其中，所述每一根重组器具有成中空的管体、容置于所述管体内的触媒，及容置于所述管体内并分别设于所述触媒的两相反端的多孔陶瓷，所述管体具有与所述进料系统连通的入口，及经由所述外壳与外界连通的出口。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，还包含多个容置于所述容置空间的陶瓷颗粒。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，还包含至少一片设置于所述容置空间的导流板。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，其中，具有多片彼此间隔且相对交错设置于所述容置空间并与所述外壳连接的导流板。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，其中，所述进料系统包含供应所述燃油的第一进料单元、供应所述空气的第二进料单元，及位于所述第一进料单元下游的混合腔，所述混合腔的一端与所述第一进料单元连通，另一端分别与所述连通管及所述重组器连通，且所述第二进料单元可经由连通进气口的所述至少一条通气管提供空气至所述重组器。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，其中，所述进料系统用于提供燃油、水，及空气，且所述进料系统还包含介于所述第一进料单元与所述混合腔间的乳化单元，所述第一进料单元用于供应所述燃油、水，所述乳化单元可用于将自所述第一进料单元供应的燃油及水以物理乳化方式乳化得到乳化燃料。
较佳地，本发明所述的重组产氢装置，其中，所述乳化单元具有至少一个供燃油及水进入的乳化入口及至少一个位于所述乳化入口下游，用于促进乳化混合的乳化出口，所述乳化入口的口径与所述乳化出口的口径面积比值介于4-25，且液体流经所述乳化入口与所述乳化出口的压差不大于20毫巴。
本发明的有益的效果在于：利用让重组产氢系统的重组器以数根方式设置于单一个可用于加热的外壳的容置空间中，而可有效的让热能分散并均匀的加热所述重组器，以提升所述重组产氢装置的热管理效率。
附图说明
图1是说明本发明所述重组产氢装置的第一实施例的局部立体示意图；
图2是说明本发明所述重组产氢装置的一第一实施例的局部侧剖示意图；
图3是说明本发明所述重组产氢装置的一第二实施例的局部侧剖示意图；
图4是说明本发明所述重组产氢系统还具有陶瓷颗粒的局部侧剖示意图；及
图5是说明本发明所述重组产氢系统还具有导流板的局部侧剖示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的组件。
参阅图1、2，本发明重组产氢装置的一第一实施例包含一重组产氢系统2、一进料系统3、一加热系统4、一侦测系统5，及一控制系统6。其中，图1仅显示所述重组产氢系统2、所述进料系统3，及所述加热系统4间的结构关系，图2则为局部剖视示意图，说明所述第一实施例各个系统间的连接关系。
要说明的是，本发明重组产氢装置可用于进行自发热重组产氢反应后而得到富氢气体。所述重组产氢反应若是部分氧化重组产氢反应，则用于反应的物质包含燃油及空气；若是自发热式重组产氢反应，则反应的物质包含燃油、水及空气。于本实施例中，是以自发热式重组产氢反应作说明，因此，反应的物质包含燃油、水及空气。
所述重组产氢系统2具有一界定出一容置空间211并与所述进料系统3连接的外壳21、多根设置于所述容置空间211并与所述进料系统3连通的重组器22、一条绕设于其中一根重组器22的通气管23，及一连通管24。要说明的是，图1仅示出于其中一根重组器22上绕设有一条通气管23。然实际实施时，可于数根或是每一根重组器22的表面均绕设有所述通气管23。
详细地说，所述外壳21具有与所述容置空间211连通的一进气口212、一出气口213、一加热口214，及一排气口215。所述通气管23的两端分别与所述进气口212及所述出气口213连通，所述连通管24的两端分别连接所述出气口213与所述进料系统3。
所述每一根重组器22是独立地设置于所述容置空间211而不与所述容置空间211连通，具有一成中空的管体221，所述管体221具有一与所述进料系统3连通的入口，及一经由所述外壳21与外界连通的出口、容置于所述管体221内用于催化重组产氢反应的触媒222，及容置于所述管体221内并分别设于所述触媒222的两相反端，且导热性佳的多孔陶瓷223。所述重组器22可将自所述进料系统3供应的混合燃料借由所述触媒222进行自发热重组反应，而产生富氢气体(氢气)。此外，选用导热特性佳的陶瓷材料，除了可利用前段的多孔陶瓷223预热进料，还可让温度集中在两个多孔陶瓷223间的区域，以减少触媒222的热散失。其中，所述触媒222可包括各类涂覆如铂、钯、铑，或钌等贵金属的触媒载体，且可为颗粒状或蜂巢状，由于所述触媒222的种类及形式为本技术领域所周知因此不再多加赘述。
所述进料系统3用于供应进行重组反应的物质至所述重组器22。前述用于进行重组反应的物质包含燃油、水及空气等。其中，所述燃油可为天然气、液化石油气、甲醇、汽油、柴油，或生质燃油等。所述进料系统3包含一第一进料单元31、一第二进料单元32，及一位于所述第一进料单元31下游的混合腔33。所述混合腔33位于所述第一进料单元31与所述外壳21间，其中一端与所述第一进料单元31连通，另一端与所述外壳21连接并分别与所述连通管24及所述重组器22连通。其中，所述第一进料单元31与所述混合腔33连通，并用于供应燃油及水。所述第二进料单元32则自所述外壳21的进气口212与所述通气管23连通，并可经由所述通气管23及所述连通管24供应空气至所述重组器22。所述第一进料单元31与所述第二进料单元32供应的燃油、水及空气，会在所述混合腔33混合后供应至所述重组器22。要说明的是，当进行部分氧化法重组时，则所述第一进料单元31只供应燃油。
所述加热系统4具有一加热器41，及一控制器42，所述加热器41设置于所述加热口214与所述容置空间211连通，所述控制器42可控制所述加热器41对所述容置空间211加热，而间接加热所述重组器22。所述加热器41例如但不限于热风加热器，且所述加热器41产生的热气则可经由所述外壳21的排气口215排出。此外，要说明的是，所述外壳21的加热口214以及所述加热器41的数量也可以彼此配合的为多个，且所述排气口215也可以视需求而为多个。于所述实施例中，所述加热口214、所述排气口215以及所述加热器41是以一个为例作说明，然实际实施时，不以此数量为限。
所述侦测系统5具有多个可分别感测所述混合腔33的温度及所述重组器22的出口温度的温度传感器51，及至少一个设置于所述重组器22的出口以用于检测所述重组器22产生的气体组成的气体检测器52。要说明的是，所述温度传感器51及所述气体检测器52的设置可视实际需求而自行调整，例如，可在所有重组器22及其对外排气的出口处均各自设置温度传感器51及所述气体检测器52，或是可在所有重组器22均设置温度传感器51，但仅在其中一个重组器22的出口，或是所述重组器22对外排气的出口设置所述气体检测器52，而不需在每一个重组器22均同时设置所述温度传感器51及所述气体检测器52。图2中是以每一个重组器22均分别设置所述温度传感器51，及气体检测器52为例说明，然实际实施时并不以此为限。
所述控制系统6可为一般的自动控制系统，与所述侦测系统5(所述温度传感器51及所述气体检测器52)、所述进料系统3(所述第一进料单元31及所述第二进料单元32)，及所述加热系统4讯号连接，可用于接收所述侦测系统5的量测结果，并依据所述量测结果控制所述加热系统4的作动及/或所述进料系统3的燃料供应。
当利用所述第一实施例的重组产氢装置进行自发热重组产氢反应时，可先利用所述加热器41对所述容置空间211加热(即对所述重组器22加热)至一预定的反应温度(约600℃)，接着，先分别自所述第一进料单元31及所述第二进料单元32分别供应燃油及空气至所述重组器22，利用部分氧化法重组产氢，并利用所述气体检测器52检测产生气体的组成，待确定生成的气体的组成为富氢气体，表示所述重组器22的温度已确实达到反应所需温度并可稳定运作，此时，即可自所述第一进料单元31及所述第二进料单元32分别供应燃油、水及空气至所述重组器22进行自发热重组产氢反应，以产生富氢气体(氢气)。
本发明所述重组产氢装置的特色在于，因设置了多根重组器22于所述容置空间211内，因此，可于加热过程中让每一根重组器22达到均匀受热并可提高升温速率，且可利用回收所述重组器22反应后产生的热作为所述重组器22进行反应所需的热源，而能减少所述重组产氢装置对外界热能的依赖。此外，设置所述通气管23缠绕于所述重组器22上，因此，供应的空气于经过所述通气管23时即可被加热，而无需再利用另一加热系统对空气加热。而可令整体重组产氢装置具有更佳的热管理效果。再者，还可进一步利用所述侦测系统5侦测所述混合腔33及所述重组器22对外排气的出口温度，以确认重组器22是否升温且达成热稳定状态。当温度不足，或是温度过高，则可借由所述控制系统6控制所述加热器41的开、关，或是控制所述进料单元3的进料量及进料速度，以令整体反应可达到最佳效率，并可避免因未达工作温度而进料，反而造成反应不佳而积碳的问题。
参阅图3，本发明重组产氢装置的一第二实施例，其结构大致与所述第一实施例相同，不同处在于所述第二实施例的所述进料系统，还包含一位于所述第一进料单元31与所述混合腔33间的乳化单元34。其中，所述第二实施例与所述第一实施例相同处不再赘述，以下仅就所述乳化单元34进行说明。
详细的说，所述乳化单元34介于所述第一进料单元31与所述混合腔33间，一端与所述第一进料单元31连通，另一端则与所述混合腔33连通。所述乳化单元34可利用物理乳化方式，将自所述第一进料单元31所供应的燃油及水先进行乳化，形成一乳化燃料后再供应至所述混合腔33与所述空气混合。
前述的物理乳化方式是指不以添加化学乳化剂的方式进行油(燃油)、水的乳化。
所述物理乳化方式可以借由令所述乳化单元34具有前、后不同大小的口径与数量的孔洞，并利用控制含有燃油及水的一混合液的流速，令所述混合液通过不同大小的口径的孔口后因压力差与流速差变化急遽，破坏油水接口产生油水混合形成乳化现象而形成所述乳化燃料。本发明所述第二实施例利用所述乳化单元34，让所述燃油及水可预先混合均匀后再被供应至所述混合腔33与空气混合，因此，可让供应至所述重组器22的燃油与水混合更为均匀，而可避免一般自发热重组反应因为进料中同时含有油(燃油)及水，因为油/水不兼容造成分散不均匀，导致影响重组产氢的反应效率的缺点。
具体的说，所述乳化单元34具有至少一乳化入口及至少一个位于所述乳化入口下游以用于促进乳化混合的乳化出口。由于所述乳化单元34中的孔口(乳化入口、乳化出口)大小对乳化现象有影响，过大的孔口面积其乳化效果较差，而过小的孔口面积则会造成上、下游压差过大，阻碍流动。因此，以所述乳化单元34的所述每一个乳化入口的孔口面积(AD)与每一个乳化出口的孔口面积(Ad)的比值表示所述乳化单元34的乳化参数，所述乳化单元34是控制所述每一个乳化入口的孔口面积(AD)与每一个乳化出口的孔口面积(Ad)的孔口面积比值(AD/Ad)介于4-25，并令所述混合液(燃油/乳化油)流过所述乳化入口与乳化出口间的最大压差不大于20毫巴(mbar)，以得到较佳的乳化效果。此外，要说明的是，所述乳化单元34对流量并无任何影响，但对于进料混合与重组产氢效率有正面提升的效果。
参阅图4，于一些实施例中，所述重组产氢系统2还具有多个填置在所述容置空间211的陶瓷颗粒25。由于自发热重组产氢反应会放热，因此，利用在所述容置空间211填置所述陶瓷颗粒25，可更有效增加热气滞留时间与蓄热，使所述重组器22温度分布均匀，并维持反应温度，而达成更好的反应效率及热管理。此外，由于所述陶瓷颗粒25的孔隙率高，因此，热空气可流经所述陶瓷颗粒25的空隙，且不会造成过大的流动阻力影响流动。
参阅图5，于一些实例中，所述重组产氢系统2还包含至少一片设置于所述容置空间211的导流板26，且所述至少一片导流板26与所述外壳21连接并位于所述容置空间211。利用所述至少一片导流板26可增加对所述容置空间211的热空气导流的效果，使所述容置空间211的热场更为均匀，而可更均匀的加热所述重组器22。要说明的是，当所述导流板26为多片时，所述导流板26可以是彼此间隔且相对交错设置于所述容置空间211，以达成更佳导流效果。图4是以所述重组器22具有三片导流板26的示意图，然实际实施时并不以此等数量为限。
综上所述，本发明的重组产氢装置利用将重组器22以数根方式设置于单一个可用于加热的所述外壳21的容置空间211中，因此，可有效的让热能分散并均匀的加热所述重组器22；而利用所述陶瓷颗粒25的填充及导流板26的设置，则可进一步提升所述重组产氢系统2的蓄热能力及热场分散效果，以提升整体的热回收及热管理效能，而使重组反应可达到最佳效率。此外，本发明还进一步利用所述乳化单元34将用于重组产氢反应的燃油及水，先进行乳化混合，而可避免一般自发热重组反应因为燃料中同时含有油(燃油)及水，因为油/水不互溶，造成分散不均匀，导致影响重组产氢的反应效率的缺点，故确实可达成本发明的目的。

Claims (8)

1.一种重组产氢装置，其特征在于：包含：
重组产氢系统，具有界定出容置空间的外壳、多根设置于所述容置空间且不与所述容置空间连通的重组器、至少一条绕设于至少其中一根重组器的通气管，及连通管，所述外壳具有与所述容置空间连通的进气口及出气口，所述至少一条通气管的两端分别与所述进气口及所述出气口连通，所述连通管的其中一端与所述出气口连通；
进料系统，用于提供燃油及空气，与所述外壳连接，并与所述重组器的其中一端连通，且所述连通管的其中另一端与所述进料系统连通，
其中，所述空气经由所述进气口进入所述通气管并经由所述连通管进入所述进料系统后，再进入所述重组器，所述燃油由所述进料系统直接进入所述重组器，所述重组器可用于将所述燃油及空气进行重组后产生氢气；及
加热系统，具有与所述容置空间连通并可对所述容置空间加热的加热器。
2.根据权利要求1所述的重组产氢装置，其特征在于：所述每一根重组器具有成中空的管体、容置于所述管体内的触媒，及容置于所述管体内并分别设于所述触媒的两相反端的多孔陶瓷，所述管体具有与所述进料系统连通的入口，及经由所述外壳与外界连通的出口。
3.根据权利要求1所述的重组产氢装置，其特征在于：所述重组产氢系统还包含多个容置于所述容置空间的陶瓷颗粒。
4.根据权利要求1所述的重组产氢装置，其特征在于：所述重组产氢系统还包含至少一片设置于所述容置空间的导流板。
5.根据权利要求4所述的重组产氢装置，其特征在于：所述重组产氢系统具有多片彼此间隔且相对交错设置于所述容置空间并与所述外壳连接的导流板。
6.根据权利要求1所述的重组产氢装置，其特征在于：所述进料系统包含供应所述燃油的第一进料单元、供应所述空气的第二进料单元，及位于所述第一进料单元下游的混合腔，所述混合腔的一端与所述第一进料单元连通，另一端分别与所述连通管及所述重组器连通，且所述第二进料单元可经由连通进气口的所述至少一条通气管提供空气至所述重组器。
7.根据权利要求6所述的重组产氢装置，其特征在于：所述进料系统用于提供燃油、水及空气，且所述进料系统还包含介于所述第一进料单元与所述混合腔间的乳化单元，所述第一进料单元用于供应所述燃油、水，所述乳化单元可用于将自所述第一进料单元供应的燃油及水以物理乳化方式乳化得到乳化燃料。
8.根据权利要求7所述的重组产氢装置，其特征在于：所述乳化单元具有至少一个供燃油及水进入的乳化入口及至少一个位于所述乳化入口下游用于促进乳化混合的乳化出口，所述乳化入口的口径与所述乳化出口的口径面积比值介于4-25，且液体流经所述乳化入口与所述乳化出口的压差不大于20毫巴。
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