CN113830733B - 变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池重整制氢技术领域，公开了一种变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，包括从上至下依次层叠布置的重整腔、催化燃烧腔和蒸发腔；所述重整腔和所述催化燃烧腔内均设置有催化剂载体，且所述催化剂载体为多孔介质泡沫铜；所述重整腔一端设置有催化燃烧腔入口和重整气出口，所述催化燃烧腔入口通过气态燃料通道连接至所述催化燃烧腔，所述重整腔另一端设置有尾气排出通道和重整腔入口，所述重整腔入口通过气态燃料通道连接至所述蒸发腔；所述重整腔与所述催化燃烧腔的进、出口与所述催化剂载体之间均设置有用于分流的均流板。本发明的重整器集尾气催化燃烧、燃料预热、重整制氢于一体，可以使得转化效率进一步提高。

Description

变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器

技术领域

本发明涉及燃料电池重整制氢技术领域，更具体的说是涉及变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器。

背景技术

燃料电池具有能量转换效率高、噪音低等巨大优势。常见的燃料电池种类有碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池工作温度低、可快速启动而且比功率、比能量密度大，是一种极具优势的燃料电池。

燃料电池需要用到可靠的供氢系统，传统的供氢方式为储氢罐供氢，但这种方式不仅能量密度低而且在质量、安全上也存在明显的不足。因此，目前，使用碳氢化合物重整制备氢有望成为解决这一问题的有效措施。典型的碳氢化合物重整反应制氢可分为三种：水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整，其中水蒸气重整制氢可以得到较高纯度的氢气，而且可以在一定程度上抑制结焦现象的发生，是目前的一个研究热点，但该反应是吸热反应，需要外部热源。

对于催化剂的担载方式，目前应用较多的为填充床式，微流道壁覆盖式，陶瓷材料担载式，多孔纤维毡/泡沫金属式等。但是填充床式存在阻力较大、导热系数低的缺点；微流道壁覆盖式，催化效果较差。目前利用多孔纤维毡/泡沫金属式是较为理想的方式，但是如图1所示，使用泡沫金属作为材料，在流动过程中压降较大，且化学反应集中于反应器的入口，导致壁面温度分布不均，浪费了部分催化剂。

除了供氢方面的问题外，燃料电池虽然清洁环保，但是燃料的利用率不是很高，因此会浪费掉部分高热值的氢气，其次，燃料电池尾气中可燃成分含量低，无法直接燃烧，采用催化燃烧进行尾气处理是一种正在蓬勃发展的技术。现在虽然对于重整器的研究工作很多，但大部分的反应器各个模块是分开的，这造成了重整器的集成度低、系统体积庞大等一系列问题。

因此，如何提供一种对燃料尾气进行充分利用，且集成度高、转化率高的重整器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，将尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，同时集燃料预热于一体，使整个系统结构紧凑、转化率进一步提高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，包括从上至下依次层叠布置的重整腔、催化燃烧腔和蒸发腔；所述重整腔和所述催化燃烧腔内均设置有催化剂载体，且所述催化剂载体为多孔介质泡沫铜；

所述重整腔一端设置有催化燃烧腔入口和重整气出口，所述催化燃烧腔入口通过气态燃料通道连接至所述催化燃烧腔，使燃料可以在催化燃烧腔内进行化学反应，所述重整腔另一端设置有尾气排出通道和重整腔入口，所述重整腔入口通过气态燃料通道连接至所述蒸发腔，使受热蒸发的气体进入所述重整腔内进行化学反应；

所述重整腔与所述催化燃烧腔的进、出口与所述催化剂载体之间均设置有用于分流的均流板。

本发明变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器整体装置为板型，采用蒸发腔-催化燃烧腔-重整腔的布置形式，通过催化燃烧为整个装置提供热量。

优选的，在上述变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器中，所述重整腔的催化剂载体依次为大间距泡沫铜、中等间距泡沫铜、小间距泡沫铜和完整泡沫铜片，且所述大间距泡沫铜靠近所述重整腔入口一侧。

优选的，在上述变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器中，所述催化燃烧腔的催化剂载体依次为大间距泡沫铜、中等间距泡沫铜、小间距泡沫铜和完整泡沫铜片，且所述大间距泡沫铜靠近所述催化燃烧腔入口一侧。

优选的，在上述变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器中，所述重整腔与所述催化燃烧腔中的流体整体为逆向流动。

优选的，在上述变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器中，所述蒸发腔为横向蛇形通道、纵向蛇形通道相结合，进一步增加蒸发流程、增强扰动。

优选的，在上述变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器中，所述蒸发腔中部为横向蛇形通道，蒸发腔入口与所述横向蛇形通道之间、蒸发腔出口与所述横向蛇形通道之间均设置为纵向蛇形通道。

本发明变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器的工作原理如下：

燃料电池尾气通过催化燃烧腔入口进入，在催化燃烧腔内发生燃烧反应，放出大量的热，燃烧后的尾气通过尾气排出通道排出；重整所需的燃料通过蒸发腔入口进入，利用催化燃烧腔释放的热量在蒸发腔内吸热、汽化，汽化后的燃料通过蒸发腔出口进入气态燃料通道，然后进入重整腔入口，燃料在重整腔内发生水蒸气重整反应，由催化燃烧提供反应所需热量，最终重整气通过重整气出口流出。其中，催化燃烧腔与重整腔内均采用泡沫铜作为催化剂载体，反应气通过均流板进入到催化反应段，反应气依次通过大间距泡沫铜、中等间距泡沫铜、小间距泡沫铜以及完整泡沫铜片，完全反应后的气体再通过出口的均流板，流出反应腔。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，具有以下有益效果：

(1)本发明在进行尾气催化燃烧、燃料催化重整的反应中，催化剂采用泡沫铜进行担载，泡沫铜具有较大的比表面积，可进一步增大反应物与催化剂的接触面积，且泡沫金属具有良好的导热性，使催化重整腔、催化燃烧腔内的温度均匀，可以减少温度分布差异对反应带来的影响；

(2)本发明采用变催化剂布置的方式，随着反应气体的流动，反应气浓度越来越低，而反应气与催化剂的接触面积越来越大，自适应的催化剂布置方式可以减缓泡沫金属所带来的巨大压降，且使反应腔内的反应速度更为均匀，壁面温度更为均匀，减少催化剂的用量；

(3)本发明回收燃料电池的尾气进行催化燃烧，对燃料进行预热，为重整反应提供热量，该系统避免了氢气的浪费，同时解决了重整反应吸热的问题，提高了系统的能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统泡沫铜重整器中的压力分布(a)与反应速率分布(b)的示意图；

图2为本发明泡沫铜一体化重整器中的压力分布(a)与反应速率分布(b)的示意图；

图3为本发明中的重整腔、催化燃烧腔和蒸发腔的结构示意图；

图4为本发明中的重整腔的平面结构示意图；

图5为本发明中的蒸发腔的平面结构示意图。

其中，1-蒸发腔入口、2-蒸发腔、3-蒸发腔出口、4-气态燃料通道、5-重整腔入口、6-均流板、7-重整腔、8-催化剂载体、8(a)-大间距泡沫铜、8(b)-中等间距泡沫铜、8(c)-小间距泡沫铜、8(d)-完整泡沫铜片、9-重整气出口、10-催化燃烧腔入口、11-催化燃烧腔、12-尾气排出通道、13–蛇形通道、13(a)-横向蛇形通道、13(b)-纵向蛇形通道。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，包括从上至下依次层叠布置的重整腔7、催化燃烧腔11和蒸发腔2；重整腔7和催化燃烧腔11内均设置有催化剂载体8，且催化剂载体8为多孔介质泡沫铜；

重整腔7一端设置有催化燃烧腔入口10和重整气出口9，催化燃烧腔入口10通过气态燃料通道4连接至催化燃烧腔11，使燃料可以在催化燃烧腔11内进行化学反应，重整腔7另一端设置有尾气排出通道12和重整腔入口5，重整腔入口5通过气态燃料通道4连接至蒸发腔2，使受热蒸发的气体进入重整腔7内进行化学反应；

重整腔7与催化燃烧腔11的进、出口与催化剂载体8之间均设置有用于分流的均流板6。

为了进一步优化上述技术方案，重整腔7的催化剂载体依次为大间距泡沫铜8(a)、中等间距泡沫铜8(b)、小间距泡沫铜8(c)和完整泡沫铜片8(d)，且大间距泡沫铜8(a)靠近重整腔入口5一侧。

为了进一步优化上述技术方案，催化燃烧腔11的催化剂载体依次为大间距泡沫铜8(a)、中等间距泡沫铜8(b)、小间距泡沫铜8(c)和完整泡沫铜片8(d)，且大间距泡沫铜8(a)靠近催化燃烧腔入口10一侧。

为了进一步优化上述技术方案，重整腔7与催化燃烧腔11中的流体整体为逆向流动。

为了进一步优化上述技术方案，蒸发腔2为横向蛇形通道13(a)、纵向蛇形通道13(b)相结合。

为了进一步优化上述技术方案，蒸发腔2中部为横向蛇形通道13(a)，蒸发腔入口1与横向蛇形通道13(a)之间、蒸发腔出口3与横向蛇形通道13(a)之间均设置为纵向蛇形通道13(b)。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明。

参见图3，变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器由三层组成，分别为重整腔7、催化燃烧腔11、蒸发腔2。燃料电池尾气通过催化燃烧腔入口10进入，在催化燃烧腔11内发生燃烧反应，放出大量的热，燃烧后的尾气通过尾气排出通道12排出装置。重整所需的燃料通过蒸发腔入口1进入，利用催化燃烧腔11释放的热量在蒸发腔2内吸热、汽化，汽化后的燃料通过蒸发腔出口3进入气态燃料通道4，然后进入重整腔入口5，燃料在重整腔7内发生水蒸气重整反应，由催化燃烧提供反应所需热量，最终重整气通过重整气出口9流出。

其中，催化燃烧腔11与重整腔7内均采用泡沫铜作为催化剂载体，反应气通过均流板6分流，进入到催化反应段，反应气依次通过大间距泡沫铜8(a)、中等间距泡沫铜8(b)、小间距泡沫铜8(c)以及完整泡沫铜片8(d)，完全反应后的气体再通过重整气出口9的均流板，流出反应腔。

催化燃烧腔11与重整腔7内均发生催化反应，采用多孔介质泡沫铜作为催化剂载体。

蒸发腔2采用横向、纵向蛇形通道相结合，进一步增加蒸发流程，增强扰动。

重整腔7与催化燃烧腔11进出口布置有均流板6，其中的流体整体为逆向流动。

参见图4可知，催化重整腔7的工作过程为：汽化后的燃料通过气态燃料通道4进入重整腔入口5，通过均流板6，燃料比较均匀的流入催化反应段，当反应气浓度较高时，带有催化剂的泡沫铜布置的稀疏，当反应气浓度较低时，带有催化剂的泡沫铜布置的比较密集。随着反应气的流动，依次通过大间距泡沫铜8(a)、中等间距泡沫铜8(b)、小间距泡沫铜8(c)以及完整泡沫铜片8(d)。燃料在重整腔7内发生水蒸气重整反应，由相邻的催化燃烧腔11提供反应所需热量，最终重整气通过重整腔出口9流出。

催化燃烧腔11采用与重整腔7相似的催化剂布置形式，燃烧尾气，如图2所示，通过催化燃烧腔入口10进入，在催化燃烧腔11内发生燃烧反应，为其相邻的两个腔室提供热量。

参见图5可知，蒸发腔的工作过程为：重整所需的燃料通过蒸发腔入口1进入，经过横向、纵向的蛇形通道13，充分利用催化燃烧腔11释放的热量，在蒸发腔2内吸热、汽化，汽化后的燃料通过蒸发腔出口3，进入气态燃料通道4。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方案而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，其特征在于，包括从上至下依次层叠布置的重整腔、催化燃烧腔和蒸发腔；所述重整腔和所述催化燃烧腔内均设置有催化剂载体，且所述催化剂载体为多孔介质泡沫铜；

所述重整腔一端设置有催化燃烧腔入口和重整气出口，所述催化燃烧腔入口通过气态

燃料通道连接至所述催化燃烧腔，使燃料在催化燃烧腔内发生化学反应；所述重整腔另端设置有尾气排出通道和重整腔入口，所述重整腔入口通过气态燃料通道连接至所述蒸发腔，使蒸发预热的气体进入所述重整腔内发生化学反应；

所述重整腔与所述催化燃烧腔的进、出口与所述催化剂载体之间均设置有用于分流的均流板；

所述重整腔的催化剂载体依次为大间距泡沫铜、中等间距泡沫铜、小间距泡沫铜和完整泡沫铜片，且所述大间距泡沫铜靠近所述重整腔入口一侧；

所述催化燃烧腔的催化剂载体依次为大间距泡沫铜、中等间距泡沫铜、小间距泡沫铜和完整泡沫铜片，且所述大间距泡沫铜靠近所述催化燃烧腔入口一侧；

所述重整腔与所述催化燃烧腔中的流体整体为逆向流动。

2.根据权利要求1所述的变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，其特征在于，所述蒸发腔为横向蛇形通道、纵向蛇形通道相结合。

3.根据权利要求1或2所述的变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器，其特征在于，所述蒸发腔中部为横向蛇形通道，蒸发腔入口与所述横向蛇形通道之间、蒸发腔出口与所述横向蛇形通道之间均设置为纵向蛇形通道。

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