CN114804024A - 可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器 - Google Patents
可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，属于燃料电池重整制氢技术领域。解决了如何提供一种对燃料电池尾气进行充分利用，且蒸发、重整和催化燃烧部分结构紧凑，体积小，反应过程中壁面受热充分、催化反应充分、转化率高、适用于各种场合的可满足多种燃料电池功率需求的一体化重整器的问题。本发明采用催化燃烧外腔、蒸发段、两级重整段和催化燃烧内腔的层叠布置形式，回收燃料电池的尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，整体装置为圆柱状腔体，催化燃烧与蒸发重整镶嵌布置，十分紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置，增强气体扰流，提高燃料电池尾气的利用率，热量利用率高，催化燃烧反应充分。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池重整制氢技术领域，特别是涉及可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器。
背景技术
燃料电池可以通过电化学反应将化学物质的部分吉布斯自由能转化为电能，不受卡诺循环效应的限制，比传统的发电技术具有更高的效率，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(PEMFC)具有能效高、污染低、功率密度高、启动迅速、工作寿命长等诸多优势，成为现阶段最具开发潜力的燃料电池。
现有储氢技术在储氢密度、能耗等方面存在明显短板，难以满足燃料电池商用需求，故现场制氢技术得到了广泛关注。因此，目前使用碳氢化合物重整制备氢被认为是燃料电池氢源技术的重要发展方向。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无需氧气或者空气参与反应，工业应用经验也最为丰富，而且产物中氢气的比例最高，比较适合后续接入燃料电池使用，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，目前应用较多的为壁面涂覆式，多孔纤维毡/泡沫金属式，填充床式等。其中多孔纤维毡/泡沫金属式，技术尚不成熟；填充床式是目前应用最为广泛，技术最为成熟的一种方式，具有很高的反应效率，但在流动过程中压降较大，壁面温度分布不均，造成了催化剂的浪费；壁面涂覆式虽然催化效果不如填充床式，但是在某些特殊通道中更加适用。
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。
因此，如何提供一种对燃料电池尾气进行充分利用，且蒸发、重整和催化燃烧部分结构紧凑，体积小，反应过程中壁面受热充分、催化反应充分、转化率高、适用于各种场合的可满足多种燃料电池功率需求的一体化重整器，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，以解决上述背景技术提到的如何提供一种对燃料电池尾气进行充分利用，且蒸发、重整和催化燃烧部分结构紧凑，体积小，反应过程中壁面受热充分、催化反应充分、转化率高、适用于各种场合的可满足多种燃料电池功率需求的一体化重整器的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，包括从外到内依次布置的催化燃烧外腔、蒸发段、一级重整段、催化燃烧内腔和二级重整段，所述催化燃烧外腔的一侧设置有催化燃烧腔出口，另一侧设置有蒸发段入口，所述催化燃烧内腔的一侧设置有催化燃烧腔入口，
催化燃烧腔入口流入尾气进入催化燃烧内腔后，进入催化燃烧外腔至催化燃烧腔出口；所述蒸发段入口流入液态燃料经过蒸发段，汽化后进入一级重整段和二级重整段发生催化重整反应至二级重整段出口。
更进一步的，所述蒸发段和一级重整段为错列布置的螺旋管道。
更进一步的，所述一级重整段内壁面涂覆有助于重整反应进行的催化剂。
更进一步的，所述二级重整段为正弦型变截面的波纹筒状管道，内部填充有助于重整反应进行的催化剂，交错布置的管道和凸起凹陷的壁面增强了尾气扰动，使得催化燃烧反应更加充分，提高了尾气的利用效率。
更进一步的，所述蒸发段、一级重整段和二级重整段二级重整段管道外壁面涂覆有助于催化燃烧反应进行的催化剂。
更进一步的，蒸发段与一级重整段和二级重整段内的燃料与催化燃烧反应的尾气整体为逆向流动。
更进一步的，所述二级重整段为一级重整段后续的缓冲反应段，用于缓冲功率突增，对燃料重整流量需求增加的情况。
更进一步的，所述催化燃烧外腔与催化燃烧内腔均为圆柱状腔体。
更进一步的，催化燃烧段为蒸发段、一级重整段和二级重整段外壁面发生催化燃烧反应的部分；蒸发重整段为蒸发段、一级重整段和二级重整段，催化燃烧段与蒸发重整段镶嵌布置，结构紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置。
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多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，具有以下有益效果：
(1)本发明采用催化燃烧外腔、蒸发段、一级重整段、催化燃烧内腔和二级重整段的层叠布置形式，回收燃料电池的尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，避免了氢气的浪费，同时解决了重整反应吸热的问题，整体装置为圆柱状腔体，催化燃烧与蒸发重整镶嵌布置，十分紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置，独特的结构设计增强气体扰流，提高燃料电池尾气的利用率，使得热量利用充分，催化燃烧反应充分。
(2)本发明采用一级重整段加二级重整段，即壁面涂覆式和填充床式耦合的手段，二级重整段为一级重整段后续的缓冲反应段，可用于缓冲功率突增，对燃料重整流量需求增加的情况。利用两段蒸汽重整反应，通过改变进料流量可以使重整器应用于不同功率燃料电池的供气侧，可有效用于多种场合。
(3)本发明的重整器集尾气催化燃烧、重整制氢于一体，结构紧凑，催化反应充分，可满足多种燃料电池功率需求，使得转化效率进一步提高。
(4)本发明将燃料电池尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，同时蒸发、重整和催化燃烧部分结构紧凑，使催化燃烧和重整反应充分，转化率进一步提高。
(5)本发明的蒸发段和两级重整段内的燃料与催化燃烧反应的尾气整体为逆向流动，即燃料电池尾气先在二级重整段外壁面发生催化燃烧反应，之后再依次流过一级重整段和蒸发段的外壁面发生反应，由于一开始尾气中可以反应的成分含量高，故可以放出更多的热量，使得二级重整段反应更加充分，对热量的利用匹配合理。
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为本发明所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器的结构示意图；
其中，1-蒸发段入口，2-一级重整段入口，3-二级重整段入口，4-二级重整段出口，5-催化燃烧腔入口，6-催化燃烧腔出口，7-蒸发段，8-一级重整段，9-二级重整段，10-催化燃烧内腔，11-催化燃烧外腔。
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。
一、具体实施方式一，参见图1说明本实施方式，可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，包括从外到内依次布置的催化燃烧外腔11、蒸发段7、一级重整段8、催化燃烧内腔10和二级重整段9，所述催化燃烧外腔11的一侧设置有催化燃烧腔出口6，另一侧设置有蒸发段入口1，所述催化燃烧内腔10的一侧设置有催化燃烧腔入口5，
催化燃烧腔入口5流入尾气进入催化燃烧内腔10后，进入催化燃烧外腔11至催化燃烧腔出口6；所述蒸发段入口1流入液态燃料经过蒸发段7，汽化后进入一级重整段8和二级重整段9发生催化重整反应至二级重整段出口4。
所述蒸发段7和一级重整段8为错列布置的螺旋管道。
所述二级重整段9为正弦型变截面的波纹筒状管道，内部填充有助于重整反应进行的催化剂，交错布置的管道和凸起凹陷的壁面增强了尾气扰动，使得催化燃烧反应更加充分，提高了尾气的利用效率。
所述一级重整段8内壁面涂覆有助于重整反应进行的催化剂。
所述蒸发段7、一级重整段8和二级重整段9管道外壁面涂覆有助于催化燃烧反应进行的催化剂。
可以在一级重整段8中涂覆不同成分、不同质量的催化剂；在二级重整段9中填充不同质量、不同粒径的催化剂，用来满足实际应用。
二级重整段9为一级重整段8后续的缓冲反应段，可用于缓冲功率突增，对燃料重整流量需求增加的情况，通过改变进入蒸发段入口1的燃料流量可以使重整器应用于不同功率燃料电池的供气侧，可有效用于多种场合。
所述催化燃烧外腔11与催化燃烧内腔10均为圆柱状腔体，催化燃烧段与蒸发重整段镶嵌布置，结构紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置。
参见图1，多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器由五部分组成，分别为催化燃烧外腔11、蒸发段7、一级重整段8、催化燃烧内腔10和二级重整段9。燃料电池尾气通过催化燃烧腔入口5进入，在催化燃烧内腔10和催化燃烧外腔11内的管道壁面上发生燃烧反应，放出大量的热，燃烧后的尾气通过催化燃烧腔出口6排出；液态燃料通过蒸发段入口1进入蒸发段7汽化，然后进入一级重整段8和二级重整段9，即燃料通过一级重整段8的壁面涂覆布置的催化剂和二级重整段9的填充布置的催化剂发生水蒸气重整反应，由催化燃烧提供反应所需热量，最终重整气通过二级重整段出口4流出。
本发明所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，整体装置为圆柱状腔体，采用催化燃烧外腔11、蒸发段7、一级重整段8、催化燃烧内腔10和二级重整段9的层叠布置形式，回收燃料电池的尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，避免了氢气的浪费，同时解决了重整反应吸热的问题。
催化燃烧段为蒸发段7、一级重整段8和二级重整段9外壁面发生催化燃烧反应的部分；蒸发重整段为蒸发段7、一级重整段8和二级重整段9；重整反应段为一级重整段8和二级重整段9，其中，整体装置为圆柱状腔体，催化燃烧段与蒸发重整段镶嵌布置，结构紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置，独特的结构设计增强气体扰流，提高燃料电池尾气的利用率，使得热量利用充分，催化燃烧反应充分。
蒸发段7和两级重整段(8、9)内的燃料与催化燃烧反应的尾气整体为逆向流动，即燃料电池尾气先在二级重整段外壁面发生催化燃烧反应，之后再依次流过一级重整段和蒸发段的外壁面发生反应，由于一开始尾气中可以反应的成分含量高，故可以放出更多的热量，使得二级重整段反应更加充分，对热量的利用匹配合理
本发明所述的多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器的工作原理如下：
燃料电池尾气通过催化燃烧腔入口5进入，在催化燃烧内腔10，即蒸发段7和两级重整段(8、9)的管道外壁面上发生催化燃烧反应，放出大量的热通过管壁给到管道内的燃料，燃烧反应后的尾气通过催化燃烧腔出口6排出；液体燃料先通过蒸发段7汽化后后进入重整反应段(一级重整段8和二级重整段9)，即燃料通过一级重整段8的壁面涂覆布置的催化剂和二级重整段9的填充布置的催化剂发生水蒸气重整反应，由催化燃烧提供反应所需热量，最终重整气通过二级重整段出口4流出。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。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。
Claims (9)
1.一种可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：包括从外到内依次布置的催化燃烧外腔(11)、蒸发段(7)、一级重整段(8)、催化燃烧内腔(10)和二级重整段(9)，所述催化燃烧外腔(11)的一侧设置有催化燃烧腔出口(6)，另一侧设置有蒸发段入口(1)，所述催化燃烧内腔(10)的一侧设置有催化燃烧腔入口(5)，
催化燃烧腔入口(5)流入尾气进入催化燃烧内腔(10)后，进入催化燃烧外腔(11)至催化燃烧腔出口(6)；所述蒸发段入口(1)流入液态燃料经过蒸发段(7)，汽化后进入一级重整段(8)和二级重整段(9)发生催化重整反应至二级重整段出口(4)。
2.根据权利要求1所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述蒸发段(7)和一级重整段(8)为错列布置的螺旋管道。
3.根据权利要求2所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述二级重整段(9)为正弦型变截面的波纹筒状管道，内部填充有助于重整反应进行的催化剂。
4.根据权利要求3所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述一级重整段(8)内壁面涂覆有助于重整反应进行的催化剂。
5.根据权利要求1、2或4所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述蒸发段(7)、一级重整段(8)和二级重整段(9)管道外壁面涂覆有助于催化燃烧反应进行的催化剂。
6.根据权利要求1、2或4所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述蒸发段(7)、一级重整段(8)和二级重整段(9)内的燃料与催化燃烧反应的尾气整体为逆向流动。
7.根据权利要求1、2或4所述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述二级重整段(9)为一级重整段(8)后续的缓冲反应段，用于缓冲功率突增，对燃料重整流量需求增加的情况。
8.根据权利要求1、2或4述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：所述催化燃烧外腔(11)与催化燃烧内腔(10)均为圆柱状腔体。
9.根据权利要求1、2或4述的可满足多种功率需求的变截面分级镶嵌式一体化重整反应器，其特征在于：催化燃烧段为蒸发段(7)、一级重整段(8)和二级重整段(9)外壁面发生催化燃烧反应的部分；蒸发重整段为蒸发段(7)、一级重整段(8)和二级重整段(9)，催化燃烧段与蒸发重整段镶嵌布置，结构紧凑，体积小，适用于便携式可移动的供氢装置。
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| CN103601151A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-02-26 | 浙江大学 | 自热错排微凸台阵列型醇类重整器 |
| CN112960647A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置 |
| CN113830733A (zh) * | 2021-08-27 | 2021-12-24 | 哈尔滨工业大学 | 变催化剂分布的泡沫铜一体化重整器 |
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2022
- 2022-04-19 CN CN202210409186.0A patent/CN114804024B/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN103601151A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-02-26 | 浙江大学 | 自热错排微凸台阵列型醇类重整器 |
| CN112960647A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置 |
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