CN114249298B - 一种甲醇重整器及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲醇重整器及燃料电池，甲醇重整器包括重整器主体；重整器主体包括：反应室，反应室具有反应室入口和反应室出口；填充在反应室内的催化主体，催化主体为蜂窝结构，且至少催化主体的蜂窝孔内壁设置有催化剂层；流体盛放腔体，用于盛放待反应流体，且流体盛放腔体的出口与反应室入口连通，反应室出口用于输出待反应流体反应后生成的反应气体；加热组件，加热组件分别加热反应室及流体盛放腔体，以使待反应流体处于气体状态。由于催化主体为蜂窝结构，增大了催化剂层的面积，进而增加了流体与催化剂接触的面积，提高了反应效率。此外，由于加热组件能够使得待反应流体始终处于气体状态，因此，进一步提高了反应效率。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇重整制氢设备技术领域，尤其是涉及一种甲醇重整器及燃料电池。
背景技术
甲醇重整燃料电池为常用的一种燃料电池，由于相比于氢燃料电池，甲醇重整燃料电池不需要高压储氢罐，也不需要建设加氢站，因此，推广成本低，更具推广优势。
甲醇重整燃料电池中，甲醇和水以气体的形式在催化剂的作用下反应生成氢气、二氧化碳以及少量的一氧化碳。目前，通常是在甲醇重整器内设置涂覆催化剂的通道，甲醇和水流经该通道进行反应。一方面，甲醇和水接触催化剂的面积有限，导致反应效率低；另一方面，甲醇和水反应是吸热反应，而在反应过程中会导致甲醇重整器的温度低，进而导致甲醇和水变为液体，进一步影响反应效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种甲醇重整器，旨在提高甲醇和水的反应效率。
本发明的第二个目的是提供一种燃料电池。
为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：
一种甲醇重整器，包括重整器主体；
所述重整器主体包括：
反应室，所述反应室具有反应室入口和反应室出口；
沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向，填充在所述反应室内的催化主体，所述催化主体为蜂窝结构，且至少所述催化主体的蜂窝孔内壁设置有催化剂层；
流体盛放腔体，用于盛放待反应流体，且所述流体盛放腔体的出口与所述反应室入口连通，所述反应室出口用于输出所述待反应流体反应后生成的反应气体；
加热组件，所述加热组件分别加热所述反应室及所述流体盛放腔体，以使所述待反应流体处于气体状态。
在一个具体的实施方案中，所述催化主体包括1块催化模块；
或者，
所述催化主体包括至少2块堆叠设置的催化模块，所述催化模块沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向依次堆叠，或者，所述催化模块垂直所述反应室入口到所述反应室出口的方向依次堆叠，或者，所述催化模块分别沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向及垂直所述反应室入口到所述反应室出口的方向依次堆叠，
沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向堆叠的相邻所述催化模块上的蜂窝孔导通设置。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括第一气体过滤网；
所述第一气体过滤网设置在所述流体盛放腔体的出口与所述反应室入口连通处，以过滤进入所述反应室内的待反应流体。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括第二气体过滤网；
所述第二气体过滤网设置在所述反应室出口处，以过滤所述反应室输出的反应气体。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括用于输入所述待反应流体至所述流体盛放腔体的流体输入管；
所述流体输入管沿着所述反应室入口到所述反应室出口的方向，螺旋绕设在所述反应室外，且所述流体输入管的出口向靠近所述流体盛放腔体的腔底方向倾斜。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括反应气体盛放腔体；
所述反应气体盛放腔体用于盛放所述反应气体，且所述反应气体盛放腔体的入口与所述反应室出口连通；
所述反应气体盛放腔体上连通设置有合成气出口管，以输出所述反应气体。
在另一个具体的实施方案中，所述甲醇重整器还包括外壳；
所述重整器主体安装在所述外壳内。
在另一个具体的实施方案中，所述加热组件包括第一加热装置和第二加热装置；
所述第一加热装置设置在所述反应室外，以加热所述反应室；
所述第二加热装置设置在所述流体盛放腔体外，以加热所述流体盛放腔体。
在另一个具体的实施方案中，所述第一加热装置包括环布在所述反应室外的多个催化燃烧管；
所述催化燃烧管内用于通入甲醇和空气进行燃烧发热。
在另一个具体的实施方案中，所述催化燃烧管的入口均设置在所述催化燃烧管的底端，且通过分布管连通；
所述催化燃烧管的出口均设置在所述催化燃烧管的顶端，且通过汇集管连通。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括温度控制器和第一测温装置；
所述第一测温装置和所述第一加热装置均与所述温度控制器信号连接，所述第一测温装置用于测量所述反应室的温度，所述温度控制器用于根据所述第一测温装置测得的温度值调控所述第一加热装置的加热强度。
在另一个具体的实施方案中，所述第二加热装置包括填充在所述外壳内的导热油层；
所述导热油层绕布在所述流体盛放腔体外，用于加热所述流体盛放腔体。
在另一个具体的实施方案中，所述重整器主体还包括第二测温装置；
所述第二测温装置和所述第二加热装置均与所述温度控制器信号连接，所述第二测温装置用于测量所述导热油层的温度，所述温度控制器用于根据所述第二测温装置测得的温度值调控所述第二加热装置的加热强度。
在另一个具体的实施方案中，所述导热油层的导热油通过列管注入所述外壳内，所述列管贯穿所述反应室及所述流体盛放腔体；
和/或
所述第一测温装置为热电偶管；
和/或
所述第二测温装置为热电偶管；
和/或
所述反应室、所述流体盛放腔体及所述反应气体盛放腔体一体成型连接，且采用不锈钢制成；
和/或
所述反应气体盛放腔体的底端通过支撑架安装在所述外壳内；
和/或
所述外壳采用不锈钢制成。
根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。
本发明提供的甲醇重整器，使用时，流体盛放腔体内盛放的流体进入反应室内，流经催化主体上的蜂窝孔，且在蜂窝孔内壁设置的催化剂层的催化作用下发生反应生成反应气体，并从反应室的出口排出。由于催化主体为蜂窝结构，增大了催化剂层的面积，进而增加了流体与催化剂接触的面积，提高了反应效率。此外，由于加热组件加热反应室及流体盛放腔体，因此，能够使得待反应流体始终处于气体状态，进一步提高了反应效率。
为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：
一种燃料电池，包括如上述中任意一项所述的甲醇重整器。
本发明提供的燃料电池，由于包含上述任意一项中的甲醇重整器，因此，甲醇重整器所具有的有益效果均是本发明公开的燃料电池所包含的。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的甲醇重整器的主视结构示意图；
图2为本发明提供的甲醇重整器的俯视结构示意图；
图3为本发明提供的A-A的剖视结构示意图。
其中，图1-图3中：
甲醇重整器1000、重整器主体100、反应室101、催化主体102、流体盛放腔体103、加热组件104、第一气体过滤网105、第二气体过滤网106、流体输入管107、反应气体盛放腔体108、合成气出口管108a、外壳200、第一加热装置104a、第二加热装置104b、催化燃烧管104a-1、分布管104a-2、汇集管104a-3、第一测温装置109、第二测温装置110、列管111、催化燃烧烟气排出管104a-4、甲醇空气输入管104a-5、支撑架112。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-图3，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”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位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
结合图1-图3所示，本发明一方面提供了一种甲醇重整器1000，用于提高甲醇和水的反应效率。
甲醇重整器1000包括重整器主体100，重整器主体100包括反应室101、催化主体102、流体盛放腔体103和加热组件104。
反应室101的形状不限，可以为圆筒形，也可以是方筒形等，反应室101具有反应室入口和反应室出口，具体地，反应室101的两端敞口设置，即反应室101的两端开口分别为反应室入口及反应室出口。可以理解地，也可以是反应室101为封闭腔体，反应室101的两端开设通孔作为反应室入口及反应室出口。
沿着反应室入口到反应室出口方向，填充在反应室101内的催化主体102，催化主体102为蜂窝结构，且至少催化主体102的蜂窝孔内壁设置有催化剂层。需要说明的是，也可以在反应室101的内壁及催化主体102的外壁上涂覆催化剂，进而增大流体与催化剂的接触面积，以提高反应效率。
流体盛放腔体103用于盛放待反应流体，且流体盛放腔体103的出口与反应室入口连通，反应室出口用于输出待反应流体反应后生成的反应气体。具体地，流体盛放腔体103与反应室101一体成型连接。可以理解地，流体盛放腔体103与反应室101一体成型连接仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以是流体盛放腔体103与反应室101分体设置。以待反应流体为甲醇和水为例。
加热组件104分别加热反应室101及流体盛放腔体103，以使待反应流体处于气体状态。
本发明提供的甲醇重整器1000，使用时，流体盛放腔体103内盛放的流体进入反应室101内，流经催化主体102上的蜂窝孔，且在蜂窝孔内壁设置的催化剂层的催化作用下发生反应生成反应气体，并从反应室101的出口排出。由于催化主体102为蜂窝结构，增大了催化剂层的面积，进而增加了流体与催化剂接触的面积，提高了反应效率。此外，由于加热组件104加热反应室101及流体盛放腔体103，因此，能够使得待反应流体始终处于气体状态，进一步提高了反应效率。
在一些实施例中，催化主体102包括1块催化模块，即催化主体102为一体成型的催化模块，便于加工。
在其它一些实施例中，催化主体102包括至少2块堆叠设置的催化模块，便于通过增减催化模块来实现流体与催化剂接触面积及接触时间的增减。
具体地，催化模块沿着反应室入口到反应室出口方向依次堆叠，或者，催化模块垂直反应室入口到反应室出口的方向依次堆叠，或者，催化模块分别沿着反应室入口到反应室出口方向及垂直反应室入口到反应室出口的方向依次堆叠。且当沿着反应室入口到反应室出口方向堆叠有至少2块催化模块时，沿着反应室入口到反应室出口方向堆叠的相邻催化模块上的蜂窝孔导通设置。
在一些实施例中，重整器主体100还包括第一气体过滤网105，第一气体过滤网105设置在流体盛放腔体103的出口与反应室入口连通处，以过滤进入反应室101内的待反应流体。第一气体过滤网105的设置，一方面能够过滤杂质等，避免杂质等进入反应室101内，另一方面能够使得流体更均匀的进入反应室101内。
在一些实施例中，重整器主体100还包括第二气体过滤网106，第二气体过滤网106设置在反应室出口处，以过滤反应室101输出的反应气体，避免排出的反应气体中含有杂质。
进一步地，本发明公开了重整器主体100还包括反应气体盛放腔体108，反应气体盛放腔体108用于盛放反应气体，且反应气体盛放腔体108的入口与反应室出口连通，反应气体盛放腔体108上连通设置有合成气出口管108a，以输出反应气体。
具体地，本发明公开了反应气体盛放腔体108与反应室101及流体盛放腔体103一体成型连接，形成反应管，反应管的顶端通过管盖密封。反应室出口与反应气体盛放腔体108之间通过第二气体过滤网106隔开，而反应室入口与流体盛放腔体103之间通过第一气体过滤网105隔开。
为了提高加热效率，本发明公开了反应管采用不锈钢制成，起到保温和支撑的作用。
在一些实施例中，重整器主体100还包括流体输入管107，流体输入管107用于输入待反应流体至流体盛放腔体103内。
为了便于流体沿着流体输入管107进入流体盛放腔体103内，本发明公开了流体输入管107沿着反应室入口到反应室出口的方向，螺旋绕设在反应室101外，且流体输入管107的出口向靠近流体盛放腔体103的腔底方向倾斜，使得流体进入流体盛放腔体103后再进入反应室101内，提高了进入反应室101的流体的均匀性。
可以理解地，设置流体输入管107为螺旋设置的管仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置流体输入管107为直管或者倾斜管等。
在一些实施例中，甲醇重整器1000还包括外壳200，重整器主体100安装在外壳200内。
具体地，重整器通过支撑架112安装在外壳200内，具体地，支撑架112固定在反应气体盛放腔体108的底端，且支撑架112的底端固定在外壳200内，即反应气体盛放腔体108通过支撑架112安装在外壳200内。支撑架112为多个杆材或者杆材焊接成型，且支撑架112分别与反应气体盛放腔体108及外壳200焊接。
进一步地，本发明公开了外壳200采用不锈钢制成。需要说明的是，外壳200也可以是其它材质制成。
在一些实施例中，加热组件104包括第一加热装置104a和第二加热装置104b，第一加热装置104a设置在反应室101外，以加热反应室101。第二加热装置104b设置在流体盛放腔体103外，以加热流体盛放腔体103。
进一步地，本发明公开了第一加热装置104a包括环布在反应室101外的多个催化燃烧管104a-1，催化燃烧管104a-1内用于通入甲醇和空气进行燃烧发热。
为了实现对反应室101的均匀加热，本发明公开了催化燃烧管104a-1均匀环布在反应室101的周向。
需要说明的是，第一加热装置104a不限于为上述结构，也可以是包覆在反应室101外的电加热板等。
为了便于甲醇和空气进入催化燃烧管104a-1内，本发明公开了催化燃烧管104a-1的入口均设置在催化燃烧管104a-1的底端，且通过分布管104a-2连通。具体地，分布管104a-2包括环形管和十字管，且十字管设置在环形管的内环内，且十字管与环形管连通，十字管上设置有多个连接管，连接管连通甲醇空气入口管，且甲醇空气入口管延伸至外壳200外。十字管上连通有延伸出外壳200的甲醇空气输入管104a-5，以输入甲醇和空气。
催化燃烧管104a-1的出口均设置在催化燃烧管104a-1的顶端，且通过汇集管104a-3连通，汇集管104a-3上连通有催化燃烧烟气排出管104a-4，以排出烟气。具体地，为了便于收集催化燃烧管104a-1排出的燃烧后的气体及便于加工制造，本发明公开了汇集管104a-3的结构与分布管104a-2的结构相同。
在一些实施例中，重整器主体100还包括温度控制器和第一测温装置109，第一测温装置109和第一加热装置104a均与温度控制器信号连接，第一测温装置109用于测量反应室101的温度，温度控制器用于根据第一测温装置109测得的温度值调控第一加热装置104a的加热强度，使得反应室101的温度恒定。
具体地，本发明公开了第一测温装置109为热电偶管，需要说明的是，第一测温装置109也可以是其它测温装置。
在一些实施例中，第二加热装置104b包括填充在外壳200内的导热油层，导热油层绕布在流体盛放腔体103外，用于加热流体盛放腔体103。导热油层内的导热油通过电加热
导热油层的导热油通过列管111注入外壳200内，列管111贯穿反应室101及流体盛放腔体103。具体地，列管111的个数位多个，以列管111个数为4个为例。
为了进一步提高流体反应效率，本发明公开了列管111外壁涂覆催化剂。
进一步地，本发明公开了重整器主体100还包括第二测温装置110，第二测温装置110和第二加热装置104b均与温度控制器信号连接，第二测温装置110用于测量导热油层的温度，温度控制器用于根据第二测温装置110测得的温度值调控第二加热装置104b的加热强度，以使得流体盛放腔体103的温度恒定。
具体地，本发明公开了第二测温装置110为热电偶管，需要说明的是，第二测温装置110也可以是其它测温装置。
本发明另一方面提供了一种燃料电池，包括如上述中任意一项实施例中的甲醇重整器1000。
本发明提供的燃料电池，由于包含上述任意一项实施例中的甲醇重整器1000，因此，甲醇重整器1000所具有的有益效果均是本发明公开的燃料电池所包含的。
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创造特点相一致的最宽的范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (14)
1.一种甲醇重整器，其特征在于，包括重整器主体；
所述重整器主体包括：
反应室，所述反应室具有反应室入口和反应室出口；
沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向，填充在所述反应室内的催化主体，所述催化主体为蜂窝结构，且至少所述催化主体的蜂窝孔内壁设置有催化剂层；
流体盛放腔体，用于盛放待反应流体，且所述流体盛放腔体的出口与所述反应室入口连通，所述反应室出口用于输出所述待反应流体反应后生成的反应气体；
加热组件，所述加热组件分别加热所述反应室及所述流体盛放腔体，以使所述待反应流体处于气体状态；
所述重整器主体还包括用于输入所述待反应流体至所述流体盛放腔体的流体输入管；
所述流体输入管沿着所述反应室入口到所述反应室出口的方向，螺旋绕设在所述反应室外，且所述流体输入管的出口向靠近所述流体盛放腔体的腔底方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的甲醇重整器，其特征在于，所述催化主体包括1块催化模块；
或者，
所述催化主体包括至少2块堆叠设置的催化模块，所述催化模块沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向依次堆叠，或者，所述催化模块垂直所述反应室入口到所述反应室出口的方向依次堆叠，或者，所述催化模块分别沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向及垂直所述反应室入口到所述反应室出口的方向依次堆叠，
沿着所述反应室入口到所述反应室出口方向堆叠的相邻所述催化模块上的蜂窝孔导通设置。
3.根据权利要求1所述的甲醇重整器，其特征在于，所述重整器主体还包括第一气体过滤网；
所述第一气体过滤网设置在所述流体盛放腔体的出口与所述反应室入口连通处，以过滤进入所述反应室内的待反应流体。
4.根据权利要求3所述的甲醇重整器，其特征在于，所述重整器主体还包括第二气体过滤网；
所述第二气体过滤网设置在所述反应室出口处，以过滤所述反应室输出的反应气体。
5.根据权利要求1所述的甲醇重整器，其特征在于，所述重整器主体还包括反应气体盛放腔体；
所述反应气体盛放腔体用于盛放所述反应气体，且所述反应气体盛放腔体的入口与所述反应室出口连通；
所述反应气体盛放腔体上连通设置有合成气出口管，以输出所述反应气体。
6.根据权利要求5所述的甲醇重整器，其特征在于，还包括外壳；
所述重整器主体安装在所述外壳内。
7.根据权利要求6所述的甲醇重整器，其特征在于，所述加热组件包括第一加热装置和第二加热装置；
所述第一加热装置设置在所述反应室外，以加热所述反应室；
所述第二加热装置设置在所述流体盛放腔体外，以加热所述流体盛放腔体。
8.根据权利要求7所述的甲醇重整器，其特征在于，所述第一加热装置包括环布在所述反应室外的多个催化燃烧管；
所述催化燃烧管内用于通入甲醇和空气进行燃烧发热。
9.根据权利要求8所述的甲醇重整器，其特征在于，所述催化燃烧管的入口均设置在所述催化燃烧管的底端，且通过分布管连通；
所述催化燃烧管的出口均设置在所述催化燃烧管的顶端，且通过汇集管连通。
10.根据权利要求8所述的甲醇重整器，其特征在于，所述重整器主体还包括温度控制器和第一测温装置；
所述第一测温装置和所述第一加热装置均与所述温度控制器信号连接，所述第一测温装置用于测量所述反应室的温度，所述温度控制器用于根据所述第一测温装置测得的温度值调控所述第一加热装置的加热强度。
11.根据权利要求10所述的甲醇重整器，其特征在于，所述第二加热装置包括填充在所述外壳内的导热油层；
所述导热油层绕布在所述流体盛放腔体外，用于加热所述流体盛放腔体。
12.根据权利要求11所述的甲醇重整器，其特征在于，所述重整器主体还包括第二测温装置；
所述第二测温装置和所述第二加热装置均与所述温度控制器信号连接，所述第二测温装置用于测量所述导热油层的温度，所述温度控制器用于根据所述第二测温装置测得的温度值调控所述第二加热装置的加热强度。
13.根据权利要求12所述的甲醇重整器，其特征在于，所述导热油层的导热油通过列管注入所述外壳内，所述列管贯穿所述反应室及所述流体盛放腔体；
和/或
所述第一测温装置为热电偶管；
和/或
所述第二测温装置为热电偶管；
和/或
所述反应室、所述流体盛放腔体及所述反应气体盛放腔体一体成型连接，且采用不锈钢制成；
和/或
所述反应气体盛放腔体的底端通过支撑架安装在所述外壳内；
和/或
所述外壳采用不锈钢制成。
14.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-13中任意一项所述的甲醇重整器。
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