CN112952162B - 一种套筒式燃料处理器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种燃料处理器，具有高度紧凑的一体式结构，可以通过挤出式方式制造，制造成本低，包括燃烧器、重整器和蒸发器等在内的系统，功能全面，布置合理，能量综合利用率高，同时解决快速启动、低温运行等问题，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT‑PEMFC)中甲醇水蒸气重整制氢反应领域，有效提升燃料处理器与燃料电池系统效率。

Description

一种套筒式燃料处理器及应用
技术领域
本发明涉及一种产氢的燃料处理器，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)中甲醇水蒸气重整制氢反应领域，用于给燃料电池单元提供所需反应气。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。燃料处理器为燃料电池供氢装置，主要包括吸热的重整腔室，提供热源的燃烧腔室，提供重整反应气的蒸发室，启动阶段的冷却剂加热腔室，相关附件等，如果布置不合理，会出现体积大不紧凑，燃料热利用效率低，制氢效率差、寿命短等情况，对整个电池组的发电效率及寿命有着重要影响；同时由于功能繁多，结构复杂，制造成本较高。
本发明提出一种燃料处理器，具有高度紧凑的一体式结构，可以通过挤出式方式制造，制造成本低，包括燃烧器、重整器和蒸发器等在内的系统，功能全面，布置合理，能量综合利用率高，同时解决快速启动、低温运行等问题，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)中甲醇水蒸气重整制氢反应领域，有效提升燃料处理器与燃料电池系统效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种燃料处理器，具有高度紧凑的一体式结构，可以通过挤出式方式制造，包括燃烧器、重整器和蒸发器等在内的系统，功能全面，布置合理，能量综合利用率高，同时解决快速启动、低温运行等问题，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)中甲醇水蒸气重整制氢反应领域，有效提升燃料处理器与燃料电池系统效率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种套筒式燃料处理器，所述套筒式是指于一上下二端开口的筒状外壁8内，从内至外依次由上下二端开口的筒状分隔板间隔的、同几何中心穿套的筒状重整腔室1，垂直于几何中心的截面分别为环状的、燃烧腔室2、蒸发腔室3、循环油腔室4、空气预热腔室5、燃烧尾排腔6；于筒状外壁8的上下二开口端分别设有与筒状外壁8和筒状分隔板的开口端端面密闭连接的两端盖板7；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与重整腔室1内部相连通的重整腔室入口E和重整腔室出口F；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与燃烧腔室2内部相连通的燃烧器入口A和燃烧器出口B；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与蒸发腔室3内部相连通的蒸发器出口D和蒸发器入口C；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与循环油腔室4内部相连通的循环油出口H和循环油入口G；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与空气预热腔室5内部相连通的空气入口I和空气出口J；
于两端盖板7的上盖板和下盖板上分别设有与燃烧尾排腔6内部相连通的尾气出口L和尾气入口K。
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，外壁8与重整腔室1和燃烧腔室2的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，于重整腔室1和燃烧腔室2的上下二端开口的筒状分隔板与燃烧腔室2和蒸发腔室3的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，于燃烧腔室2和蒸发腔室3的上下二端开口的筒状分隔板与蒸发腔室3和循环油腔室4的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，于蒸发腔室3和循环油腔室4的上下二端开口的筒状分隔板与循环油腔室4和空气预热腔室5的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，于循环油腔室4和空气预热腔室5的上下二端开口的筒状分隔板与空气预热腔室5和燃烧尾排腔6的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条。
处于重整腔室1、燃烧腔室2、蒸发腔室3、循环油腔室4、空气预热腔室5、燃烧尾排腔6内上下两端的固定连接条个数为2-8个，分别均布于上下两端。
重整腔室1和燃烧腔室2间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起处于重整腔室1内，突起远离几何中心线顶端与燃烧腔室2和蒸发腔室3间筒状分隔板的内壁面贴接。
于靠近两端盖板7的上盖板和下盖板处，突起与蒸发腔室3和循环油腔室4的筒状分隔板间设有固定连接条。
蒸发腔室3和循环油腔室4间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起面向内循环油腔室4，突起远离几何中心线顶端与循环油腔室4和空气预热腔室5间筒状分隔板的内壁面贴接，靠近几何中心线的相邻凹槽间的筒状分隔板顶端与燃烧腔室2和蒸发腔室3间筒状分隔板的外壁面贴接。
空气预热腔室5和燃烧尾排腔6间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起面向内燃烧尾排腔6，突起远离几何中心线顶端与筒状外壁8的内壁面贴接，靠近几何中心线的相邻凹槽间的筒状分隔板顶端与循环油腔室4和空气预热腔室5间筒状分隔板的外壁面贴接。
筒状外壁8为圆筒状；燃烧腔室2和蒸发腔室3间的筒状分隔板为圆筒状；循环油腔室4和空气预热腔室5间筒状分隔板为圆筒状。
所述燃料处理器在高温质子交换膜燃料电池中的应用。
所述燃料处理器在高温质子交换膜燃料电池中的应用，包括高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，蒸发腔3的入口C连接甲醇桶，出口D与重整腔1的入口E连接，重整腔1的出口F连接电池的阳极入口，用于提供电池燃料；燃烧腔室2入口A连接外部空气与氢气用于催化燃烧放热，出口B与燃烧尾排腔入口K连接，后于出口L排出；空气预热腔室5的入口I与气泵连接，空气预热腔室5的出口J连接电池的阴极入口，用于提供电池氧化剂；循环油腔室4的入口G连接外部散热器出口，循环油腔室4出口(H)连接电池的冷却通道入口，用于电池启动阶段预热与运行阶段的散热。优选的，所述燃料处理器整体采用铝挤出式结构，以重整腔为中心，截面花瓣式流场，填充重整催化剂，用于重整制氢反应；重整腔与紧围绕其的外壁腔组成燃烧腔，填充燃烧催化剂，提供热源；紧靠燃烧腔外侧腔体为重整反应液蒸发腔(甲醇水溶液)，主要用于重整反应液的预热和汽化，为进入重整器准备；紧靠蒸发腔外侧为循环冷却油腔，主要用于系统启动阶段的预热和运行工况电堆的冷却；紧靠循环冷却油腔外侧的是参与电堆反应的空气预热腔，防止进入电堆空气温度过低同时解决低温启动问题；紧靠空气预热腔外侧的是燃烧尾气的尾排腔，用于热量回收给空气预热。
燃烧腔室将重整腔包裹，花瓣式结构使热量更多更均匀的传导给吸热的重整腔，有利于重整反应高效进行同时启动阶段能够快速预热；花瓣式蒸发腔室将燃烧腔包裹，同时大部分面积与燃烧室接触，充分利用燃烧室热量，温度高蒸发快；蒸发腔室外侧紧靠花瓣式循环冷却油腔室，大部分面积与蒸发室接触，截面同时与燃烧室进行点接触，启动运行时不通入重整反应液，无蒸发吸热，燃烧室热量可以通过冷却油腔室与燃烧室的接触部分给循环油加热，同时加热重整室，用于整个系统的快速预热，系统运行后由于热量过剩，不希望循环油从燃烧室再吸收大量热量，此时运行状态其上紧靠的重整反应液蒸发腔室将其与燃烧室近似隔断，蒸发腔与燃烧室和循环冷却油腔室都大面积接触，蒸发需吸收大量热量，从燃烧室吸热的同时也从循环冷却油腔室吸热，解决了上述问题同时有利于冷却油的散热；空气预热腔室位于循环冷却油腔室外层，预热空气，解决电堆进气温度低的问题；紧靠空气预热腔外侧的是燃烧尾气的尾排腔，用于热量回收给空气预热，同时其花瓣式结构与循环冷却油腔室接触面积很小，原理同上，启动阶段可以用于给循环冷却油加热，系统运行后通入空气，气道隔断作用，避免了高温尾气给循环油过多传热。
附图说明
图1所示燃料处理器的整体示意图。
图2是本发明燃料处理器的主体示意图。
图3本发明燃料处理器的主体剖视图。
图4本发明燃料处理器的主体截面图。
图中：A.燃烧器入口，B.燃烧器出口，C.蒸发器入口，D.蒸发器出口，E.重整腔室入口，F.重整腔室出口，G.循环油入口，H.循环油出口，I.空气入口，J.空气出口，K.燃烧尾气入口，L.燃烧尾气出口
1.重整腔室，2.燃烧腔室，3.蒸发腔室，4.循环油腔室，5.空气预热腔室，6.燃烧尾排腔，7.两端盖板，8.外壁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1、2所示，本燃料处理器，包括重整腔室1，燃烧腔室2，蒸发腔室3，循环油腔室4，空气预热腔室5，燃烧尾排腔室6；系统启动阶段，依靠电加热棒将重整反应液汽化，与空气混合作为燃烧器燃料，系统运行阶段，电堆阴阳极尾气混合作为燃烧器燃料，两阶段燃料均通过燃烧器入口A进入燃烧腔室2催化燃烧放热，燃烧尾气从出口B排出；重整反应液通过蒸发器入口C进入蒸发腔室3预热蒸发汽化，蒸汽从出口D排出，之后从重整入口E进入重整腔室4，生成富氢反应气，从重整出口F排出，进入电堆参与反应；冷却循环油通过入口G进入腔室4，从出口H流出，系统启动时燃烧室热量可以充分直接的给循环油和重整室同时加热，油温迅速升高给电堆加热，有利于整个系统的快速预热，系统运行后，其上紧靠的重整反应液蒸发腔室将其与燃烧室隔断，蒸发从燃烧室吸热的同时也从循环冷却油腔室吸热，有利于冷却油的散热；空气通过入口I进入预热腔室5，从出口J排出进入电堆参与反应，预热腔室位于循环油腔外侧，预热空气，解决电堆进气温度低的问题(含低温运行工况)；紧靠空气预热腔外侧的是燃烧尾气的尾排腔6，用于热量回收给空气预热，燃烧尾气从出口B排出后进入尾气入口K，与空气换热后从燃烧尾排出口L排出。
燃烧腔室2将重整腔1包裹，花瓣式结构使热量更多更均匀的传导给吸热的重整腔，有利于重整反应高效进行同时启动阶段能够快速预热；花瓣式蒸发腔室3将燃烧腔2包裹，同时大部分面积与燃烧室接触，充分利用燃烧室热量，温度高蒸发快；蒸发腔室3外侧紧靠花瓣式循环冷却油腔室4，大部分面积与蒸发室3接触，截面同时与燃烧室2进行点接触，启动运行时不通入重整反应液，无蒸发吸热，燃烧室2热量通过冷却油腔室与燃烧室的接触部分给循环油加热，同时加热重整室，用于整个系统的快速预热，系统运行后由于热量过剩，不希望循环油再从燃烧室2吸收大量热量，此时运行状态其上紧靠的重整反应液蒸发腔室3将其与燃烧室近似隔断，蒸发腔与燃烧室和循环冷却油腔室都大面积接触，蒸发需吸收大量热量，从燃烧室吸热的同时也从循环冷却油腔室4吸热，解决了上述问题同时有利于冷却油的散热；空气预热腔室5位于循环冷却油腔室4外层，预热空气，解决电堆进气温度低的问题；紧靠空气预热腔5外侧的是燃烧尾气的尾排腔6，用于热量回收给空气预热，同时其花瓣式结构与循环冷却油腔室4接触面积很小，原理同上，启动阶段可以用于给循环冷却油加热，系统运行后通入空气，气道隔断作用，避免了高温尾气给循环油过多传热。
以本发明燃料处理器用于甲醇水蒸气重整制氢过程为例，以60％体积含量的甲醇水溶液为重整反应液，质量流量0.000145kg/s，系统运行后，燃烧腔室温度在300～400℃之间，其间填充铂氧化铝催化剂，铂含量为0.5％，重整反应液常温25℃进入预热蒸发腔3，汽化后蒸汽温度达160℃左右，重整腔室温度在220～300℃之间，其间填充CuO/ZnO/Al2O3催化剂，处理器最外腔紧靠油腔预热进电堆的空气，使质量流量0.00148kg/s的空气从常温25℃升至140℃左右，色谱重整尾器含氢量近75％(体积)，氢气标况流量约为10L/min，一氧化碳含量低于1％(体积)，可以用于满足燃料电池电堆运行发电量500W工况的氢气；循环冷却油质量流量0.05kg/s，启动阶段蒸发腔室无流体，燃烧室及其尾排热量直接迅速传至循环油腔，油温从常温25℃升至155℃用时5～8min，期间电堆也随之预热至合适温度，大大缩短了启动时间；系统运行后，循环油用于电堆冷却，吸收电堆热量后大约5℃温升(155→160℃)，再将5℃温升热量散去循环利用，此时蒸发室持续吸热，温度在25～160℃之间，将油循环室与高温燃烧室隔开，避免多余传热，同时吸收油侧热量，有利于油的散热。
本发明的目的是提出一种燃料处理器，具有高度紧凑的一体式结构，可以通过挤出式方式制造，制造成本低，包括燃烧器、重整器和蒸发器等在内的系统，功能全面，布置合理，能量综合利用率高，同时解决快速启动、低温运行等问题，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)中甲醇水蒸气重整制氢反应领域，有效提升燃料处理器与燃料电池系统效率。

Claims (7)

1.一种套筒式燃料处理器，其特征在于：
所述套筒式是指于一上下二端开口的筒状外壁（8）内，从内至外依次由上下二端开口的筒状分隔板间隔的、同几何中心穿套的筒状重整腔室(1)，垂直于几何中心的截面分别为环状的、燃烧腔室（2）、蒸发腔室（3）、循环油腔室（4）、空气预热腔室（5）、燃烧尾排腔（6）；于筒状外壁（8）的上下二开口端分别设有与筒状外壁（8）和筒状分隔板的开口端端面密闭连接的两端盖板（7）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与重整腔室(1)内部相连通的重整腔室入口（E）和重整腔室出口（F）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与燃烧腔室（2）内部相连通的燃烧器入口（A）和燃烧器出口（B）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与蒸发腔室（3）内部相连通的蒸发器出口（D）和蒸发器入口（C）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与循环油腔室（4）内部相连通的循环油出口（H）和循环油入口（G ）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与空气预热腔室（5）内部相连通的空气入口（I）和空气出口（J）；
于两端盖板（7）的上盖板和下盖板上分别设有与燃烧尾排腔（6）内部相连通的尾气出口（L）和尾气入口（K）；
重整腔室(1)和燃烧腔室（2）间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起处于重整腔室(1)内，突起远离几何中心线顶端与燃烧腔室（2）和蒸发腔室（3）间筒状分隔板的内壁面贴接；蒸发腔室（3）和循环油腔室（4）间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起面向内循环油腔室（4），突起远离几何中心线顶端与循环油腔室（4）和空气预热腔室（5）间筒状分隔板的内壁面贴接，靠近几何中心线的相邻凹槽间的筒状分隔板顶端与燃烧腔室（2）和蒸发腔室（3）间筒状分隔板的外壁面贴接；空气预热腔室（5）和燃烧尾排腔（6）间的筒状分隔板的内壁面上设有2个以上的从上至下贯通筒状分隔板上下端面的凹槽，相应的于筒状分隔板外壁面上形成2个以上的与凹槽相对应的突起，突起面向内燃烧尾排腔（6），突起远离几何中心线顶端与筒状外壁（8）的内壁面贴接，靠近几何中心线的相邻凹槽间的筒状分隔板顶端与循环油腔室（4）和空气预热腔室（5）间筒状分隔板的外壁面贴接。
2.根据权利要求1所述燃料处理器，其特征在于：
于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，外壁（8）与重整腔室(1)和燃烧腔室（2）的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，于重整腔室(1)和燃烧腔室（2）的上下二端开口的筒状分隔板与燃烧腔室（2）和蒸发腔室（3）的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，于燃烧腔室（2）和蒸发腔室（3）的上下二端开口的筒状分隔板与蒸发腔室（3）和循环油腔室（4）的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，于蒸发腔室（3）和循环油腔室（4）的上下二端开口的筒状分隔板与循环油腔室（4）和空气预热腔室（5）的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条；
于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，于循环油腔室（4）和空气预热腔室（5）的上下二端开口的筒状分隔板与空气预热腔室（5）和燃烧尾排腔（6）的上下二端开口的筒状分隔板间设有固定连接条。
3.根据权利要求2所述燃料处理器，其特征在于：
处于重整腔室(1)、燃烧腔室（2）、蒸发腔室（3）、循环油腔室（4）、空气预热腔室（5）、燃烧尾排腔（6）内上下两端的固定连接条个数为2-8个，分别均布于上下两端。
4.根据权利要求1所述燃料处理器，其特征在于：于靠近两端盖板（7）的上盖板和下盖板处，突起与蒸发腔室（3）和循环油腔室（4）的筒状分隔板间设有固定连接条。
5.根据权利要求1或2所述燃料处理器，其特征在于：筒状外壁（8）为圆筒状；燃烧腔室（2）和蒸发腔室（3）间的筒状分隔板为圆筒状；循环油腔室（4）和空气预热腔室（5）间筒状分隔板为圆筒状。
6.一种权利要求1-5任一所述燃料处理器在高温质子交换膜燃料电池中的应用。
7.如权利要求6所述燃料处理器在高温质子交换膜燃料电池中的应用，其特征在于：包括高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC），蒸发腔（3）的入口（C）连接甲醇桶，出口（D）与重整腔（1）的入口（E）连接，重整腔（1）的出口（F）连接电池的阳极入口，用于提供电池燃料；燃烧腔室（2）入口（A）连接外部空气与氢气用于催化燃烧放热，出口（B）与燃烧尾排腔入口（K）连接，后于出口（L）排出；空气预热腔室（5）的入口（I）与气泵连接，空气预热腔室（5）的出口(J)连接电池的阴极入口，用于提供电池氧化剂；循环油腔室（4）的入口（G）连接外部散热器出口，循环油腔室（4）出口(H)连接电池的冷却通道入口，用于电池启动阶段预热与运行阶段的散热。
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