CN114824386B - 一种燃料前处理装置及燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料前处理装置及燃料电池系统，燃料前处理装置包括：反应腔体；用于均化进入反应腔体内的待反应物料的均化分配件，均化分配件安装在反应腔体内；用于催化经过均化分配件均化后的待反应物料反应的反应催化件，反应催化件填充在反应腔体内。本发明通过均化分配件均化分配待反应物料，待均化后再输入反应催化件内进行催化反应，避免了输入反应催化件内的待反应物料不均造成的温度分布不均造成的局部过热或过冷，进而造成催化剂烧结、载体破坏以及反应物转化率低等问题，本发明提高了燃料前处理装置的稳定性。
Description
本申请为申请日为2022年3月25日，申请号为202210297949.7，发明创造名称为“一种燃料前处理装置及燃料电池系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及燃料前处理技术领域，尤其是涉及一种燃料前处理装置及燃料电池系统。
背景技术
随着无人机、水面/水下无人航行器、地面作业机器人等无人载具，车载辅助动力系统及携行供能设备等的广泛使用，紧凑化、轻便化的供电电源具有良好的发展前景。同时，应用功能的多样化和使用场景的复杂化，要求上述设备具备更长的续航时间，也对供电来源提出了更高的要求。以锂电池为代表的储电电池是目前最常用的供电来源，受限于电池较小的储能密度(通常小于500Wh/kg)，为满足长时间连续运行的需求，往往需要频繁更换新电池或进行充电。大量的一次性电池会增加携带和保存难度，并且造成潜在的环境污染；而二次充电电池则往往具有较长的二次充电间歇期，难以在缺少现场充电电源的场合长时间使用。
燃料电池是一种新型发电技术，通过电化学反应过程，直接将燃料的化学能转化为电能，具有发电效率高、运行噪音低、清洁绿色的优点，能够满足各种不同功率规模的供电需求。氨、丙烷、丁烷、液化石油气等容易液化的燃料(常温下液化压力小于10bar)，储存密度高，具有极高的能量密度(液氨约5170Wh/kg，丙烷约13100Wh/kg，丁烷约13200Wh/kg)。基于重整、裂解等燃料前处理技术，可以将上述高能量密度的液体燃料转化为富氢的小分子燃料，用于燃料电池进行发电，实现长时间连续供电。
现有的燃料前处理装置多采用部分氧化重整技术或水蒸汽重整技术。随着反应进行，入口、出口间反应物浓度的变化，反应强度发生改变，常规的燃料前处理装置中催化剂区域内容易形成不均匀的温度分布，造成局部过热或过冷，造成催化剂烧结、载体破坏以及反应物转化率低等问题，限制燃料前处理装置的长期稳定运行。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种燃料前处理装置，旨在提高催化剂区域内温度分布的均匀性，避免局部过热或者过冷造成的催化剂烧结、载体破坏以及反应物转化率低等问题。
本发明的第二个目的是提供一种燃料电池系统。
为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：
一种燃料前处理装置，包括：
反应腔体；
用于将进入所述反应腔体内的待反应物料混合均匀的均化分配件，所述均化分配件安装在所述反应腔体内；
用于催化经过所述均化分配件均化后的待反应物料反应的反应催化件，所述反应催化件填充在所述反应腔体内。
在一个具体的实施方案中，所述燃料前处理装置还包括保温层；
所述保温层包覆在所述反应腔体外，且完全包覆或者部分包覆所述反应腔体。
在另一个具体的实施方案中，所述反应腔体内设置有一端连通所述均化分配件的夹层或者盘管，所述夹层或者所述盘管的另一端用于输入待反应物料；
所述夹层为单夹层或者多折流的夹层。
在另一个具体的实施方案中，所述反应腔体内设置有换热翅片，所述换热翅片的个数至少为2个，且沿着所述反应腔体的周向均布。
在另一个具体的实施方案中，所述反应腔体包括第一子腔体和第二子腔体；
所述第二子腔体套设在所述第一子腔体外，且所述第一子腔体和所述第二子腔体之间相互隔离设置；
所述第一子腔体用于输入放热反应的待反应物料或者吸热反应的待反应物料，所述第二子腔体用于输入吸热反应的待反应物料或者放热反应的待反应物料。
在另一个具体的实施方案中，所述第一子腔体的个数至少为1个，所述第二子腔体的个数至少为2个，至少2个所述第二子腔体之间相互隔离设置，且各个所述第二子腔体及所述第一子腔体依次套设，至少1个所述第二子腔体套设在所述第一子腔体外；
或者
所述第二子腔体的个数至少为1个，所述第一子腔体的个数至少为2个，至少2个所述第一子腔体之间相互隔离设置，且所述第二子腔体和各个所述第一子腔体依次套设，至少1个所述第一子腔体套设在所述第二子腔体内；
或者
所述第一子腔体和所述第二子腔体的个数均至少为2个，且至少2个所述第一子腔体之间相互隔离设置，至少2个所述第二子腔体之间相互隔离设置，且所述第一子腔体和所述第二子腔体之间依次套设，至少1个所述第二子腔体套设在至少1个所述第一子腔体外。
在另一个具体的实施方案中，所述第一子腔体的外壁和所述第二子腔体的内壁形成导热腔；
所述换热翅片设置在所述第二子腔体的内壁上，且向所述第二子腔体的外壁延伸。
在另一个具体的实施方案中，所述反应腔体内设置有至少2组反应管组；
每组反应管组包括内部反应管和包覆在所述内部反应管外的外部反应层，每个所述内部反应管的进气端及每个所述外部反应层的进气端均分别安装有均化分配件；
所述内部反应管和所述外部反应层中，一者用于放热反应，另一者用于吸热反应。
在另一个具体的实施方案中，所述反应管组沿着所述反应腔体的轴线环形均布在所述反应腔体内。
在另一个具体的实施方案中，所述反应管组沿着远离所述反应腔体的轴线的方向分层设置在所述反应腔体内。
在另一个具体的实施方案中，所述燃料前处理装置还包括热管；
所述热管的个数至少为2个，且沿着所述反应腔体的轴线环形均布在所述反应腔体内。
在另一个具体的实施方案中，所述热管沿着远离所述反应腔体的轴线的方向分层设置在所述反应腔体内，且所述热管组成的热管层分别设置在相邻反应管组成的反应管层之间。
在另一个具体的实施方案中，所述燃料前处理装置还包括温度监测件；
所述温度监测件用于监测所述反应腔体内的温度。
在另一个具体的实施方案中，所述反应腔体内设置有混合进气室，所述混合进气室的一端与所述均化分配件连通，所述混合进气室的另一端用于混合输入的待反应物料。
在另一个具体的实施方案中，所述燃料前处理装置还包括混合出气腔，所述混合出气腔的一端与所述反应腔体的出口连通，用于混合所述反应腔体输出的反应生成气体。
在另一个具体的实施方案中，所述燃料前处理装置还包括启动部件；
所述启动部件用于所述反应腔体内的待反应物料的点火启动。
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。
本发明提供的燃料前处理装置，使用时，待反应物料通过均化分配器后均匀的进入反应催化件内进行反应，反应生成的反应生成气体从反应腔体的出口排出。本发明通过均化分配件均化分配待反应物料，待均化后再输入反应催化件内进行催化反应，避免了输入反应催化件内的待反应物料不均造成的温度分布不均造成的局部过热或过冷，进而造成催化剂烧结、载体破坏以及反应物转化率低等问题，本发明提高了燃料前处理装置的稳定性。
为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：
一种燃料电池系统，包括如上述中任意一项所述的燃料前处理装置。
本发明提供的燃料电池系统，由于包含上述任意一项中的燃料前处理装置，因此，燃料前处理装置所具有的有益效果均是本发明公开的燃料电池系统所包含的。
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为实施例一的燃料前处理装置的纵向剖面图；
图2为实施例一的燃料前处理装置的A-A横向截面图；
图3为实施例二的燃料前处理装置的纵向剖面图；
图4为实施例二的燃料前处理装置的B-B横向截面图；
图5为实施例二的燃料前处理装置的气体流动路径示意图；
图6为实施例二采用第二种换热翅片时燃料前处理装置的纵向剖面图；
图7为实施例二采用第二种换热翅片时燃料前处理装置的C-C横向截面图；
图8为实施例三的燃料前处理装置的纵向剖面图；
图9为实施例三的燃料前处理装置的D-D横向截面图；
图10为实施例三采用第二种预热区设计的燃料前处理装置的纵向剖面图；
图11为实施例四的燃料前处理装置的纵向剖面图；
图12为实施例四的燃料前处理装置的E-E横向截面图；
图13为实施例四的燃料前处理装置的管连接处的局部放大主视示意图；
图14为实施例四的燃料前处理装置的管连接处的局部放大俯视示意图；
图15为实施例四的燃料前处理装置的气体流动路径示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-图15，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。
本发明一方面提供了一种燃料前处理装置，以提高催化剂区域内温度分布的均匀性，避免局部过热或者过冷造成的催化剂烧结、载体破坏以及反应物转化率低等问题。
具体地，燃料前处理装置包括反应腔体、均化分配件及反应催化件，反应腔体的形状不限，可以为圆筒腔、方筒腔或者其它形状的腔体等。需要说明的是，反应腔体可以是单腔体，也可以是套设的2个或者2个以上且相互隔断设置的腔体，当反应腔体为2个或者2个以上的腔体时，可以分别在不同的腔体内进行散热反应及吸热反应，以同步进行吸热和放热的前处理反应，实现热量的就近传输和高效平衡，同时供应燃料电池发电所需的富氢燃料，从而提升供电系统的整体效率。
反应腔体具有用于输入待反应物料的入口及用于输出反应生成气体的出口。
均化分配件安装在反应腔体内，用于均化进入反应腔体内的待反应物料，需要说明的是，均化分配件的形状及结构不限，只要满足能够实现均化进入反应腔体内的待反应物料的结构均属于本发明的保护范围。具体地，本发明公开了均化分配件为蜂窝状结构等。
反应催化件填充在反应腔体内，用于催化经过均化分配件进入反应腔体内的待反应物料反应。具体地，待反应物料包括液化气燃料及其前处理反应所需的辅助原料等。液化气燃料包括但不限于氨、丙烷、丁烷、液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)等。液化气前处理反应所需的辅助原料包括但不限于空气、氧气、水蒸气、二氧化碳及其混合物等。燃料前处理反应包括但不限于氨的分解、部分氧化重整反应，烷烃的部分氧化重整、水蒸汽重整反应，以及上述反应的组合等，可以根据需要设计多燃料混合的前处理反应，以实现不同的热效应。
部分反应的反应过程如下：
氨的分解反应(吸热反应)：2NH3→N2+3H2；
氨的部分氧化重整反应(放热反应)：4NH3+O2→2N2+2H2O+4H2；
烷烃的部分氧化重整反应(放热反应)：2CxHy+xO2→2xCO+yH2；
烷烃的水蒸气重整反应(吸热反应)：CxHy+2xH2O→xCO2+(2x+y/2)H2；
氨与烷烃的混合重整反应(吸热/放热/热中性反应):2m NH3+2nCxHy+nxO2→mN2+2nxCO+(3m+ny)H2。
氨分解反应的催化剂类型包括但不限于球状/蜂窝状/泡沫状等形状的氧化铝或氧化铈或氧化锆或氧化硅或活性炭或碳纳米管等多孔载体或金属框架结构载体担载的镍(Ni)或铁(Fe)或钴(Co)或钌(Ru)或钼(Mo)或铂(Pt)等活性金属的催化剂等。
部分氧化重整反应和水蒸汽重整反应的催化剂类型包括但不限于球状/蜂窝状/泡沫状等形状的氧化铝或氧化铈或氧化锆或氧化硅等多孔载体或金属框架结构载体担载的镍(Ni)或铁(Fe)或钴(Co)或铜(Cu)或钯(Pd)或钌(Ru)或铑(Rh)或铂(Pt)等活性金属的催化剂等。
进一步地，本发明公开了燃料前处理装置还包括启动部件，启动部件用于反应腔体内的待反应物料的点火启动。具体地，启动部件的点火端可以延伸至均化分配器内，或者，延伸至反应催化件内。
启动部件用于燃料前处理装置启动时供给初始的能量，促使启动部件所在反应区内的燃料发生燃烧放热反应，从而使得反应装置升温直至达到正常运行所需的温度。启动部件的点火方式包括但不限于脉冲点火、电火花点火、电加热点火等。
进一步地，本发明公开了燃料前处理装置还包括温度监测件，温度监测件用于监测反应腔体内的温度。
具体地，温度监测件为热电偶或者温度传感器等，个数不限，可以是1个，也可以是2个或者2个以上。
进一步地，本发明公开了反应腔体内设置有混合进气室，混合进气室的一端与均化分配件连通，混合进气室的另一端用于混合输入的待反应物料。
进一步地，燃料前处理装置还包括混合出气腔，混合出气腔的一端与反应腔体的出口连通，用于混合反应催化件输出的反应生成气体。
混合出气腔为反应催化件输出的反应生成气体进行汇总、混合的腔体，混合出气腔的上游具有一个或多个与反应腔体的出口连通的通道，混合出气腔的下游与混合产气出口相连通，用于输出反应生成气体。
进一步地，本发明公开了燃料前处理装置还包括保温层，保温层包覆在反应腔体外，且完全包覆或者部分包覆反应腔体，用于防止热量向外扩散，维持其中反应腔体内的反应区域运行所需的温度，提高对燃料前处理装置的供热效率。保温层可以是采用真空保温层或由耐高温材料制成的保温层，上述耐高温材料可以包括玻璃纤维和/或气凝胶和/或岩棉和/或硅酸铝纤维棉等。
进一步地，本发明公开了反应腔体内设置有一端连通均化分配件的夹层或者盘管，夹层或者盘管的另一端用于输入待反应物料。具体地，夹层或者盘管的一端与混合进气室连通，进而实现与均化分配件的连通。
夹层或者盘管内的空间构成了待反应物料的预热区域，预热区域位于反应腔体的外侧且将反应腔体完全或绝大部分包围，从反应腔体的侧壁获得热量预热反应物料至指定温度。夹层为多折流的夹层，采用多折流的夹层或盘管，可以有效增大换热面积。
更进一步地，本发明公开了反应腔体内设置有换热翅片，换热翅片的个数至少为2个，且沿着反应腔体的周向均布。换热翅片的设置强化了反应腔体上游和下游间的热量传输，平衡温度分布，避免出现局部热点和冷点，提升了长期使用性能。
需要说明的是，也可以设置热管等代替换热翅片，或者同时设置热管及散热翅片等。
以反应腔体内的反应为放热反应为例，在反应腔体的进气混合室处安装温度检测部件，燃料前处理装置的启动过程为：首先开启启动部件，等到温度监测部件测得的温度达到待反应物料的引燃温度时，将待反应物料与空气按照当量燃烧的比例共同通入反应腔体内，促使反应腔体内发生催化燃烧反应，此时关闭启动部件。催化燃烧反应释放出大量热量促使反应腔体快速升温，当温度监测部件测得反应腔体内的多个监测点的温度均达到起始反应温度，切换输入到反应腔体的待反应物料为稳定运行时的组分比例。当温度监测部件测得反应腔体内所有温度测点的温度均达到稳定，启动过程结束。
本发明提出的燃料前处理装置的停止过程为：停止通入待反应物料，待燃料前处理装置冷却即可。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)燃料前处理装置的反应腔体内可以同步进行吸热和放热的前处理反应，两个前处理反应均可以生成下游发电所需的富氢燃料，通过设计匹配两个反应的反应物流量和反应强度，实现整体式反应腔体内的热平衡，避免单纯放热反应的热量净损失和单纯吸热制氢反应的额外燃料消耗，实现整体效率的提升。
(2)燃料前处理装置的反应腔体壁面设计为强化换热的结构，如设置热管或换热翅片及其组合等，用以快速平衡吸、放热反应造成的反应器内的巨大温度梯度，避免出现局部高温热点和低温冷点。
(3)燃料前处理装置的反应腔体内可以适配多种不同热效应的燃料前处理反应，实现热量自维持，具有良好的燃料适应性和处理方法多样性的优点。
实施例一
如图1所示，本实施例中，燃料前处理装置100包括反应腔体101及保温层102，反应腔体101为一体化的反应器，保温层102包覆在反应腔体101外，且完全或者大部分包覆反应腔体101。反应腔体101内同步进行吸热和放热的燃料前处理反应，且均生成下游发电所需的富氢燃料，燃料前处理反应为但不局限于吸热的氨分解反应和放热的烷烃部分氧化重整反应混合的热量自维持的复合反应，具有热中性或微放热的特点。
如图2所示，反应腔体101和保温层102可以设计为同心圆筒的形式。下面按照反应物料流动的顺序进行进一步介绍。
外部输入的待反应物料(如氨、空气和烷烃等的反应混合物料)由反应腔体101的反应腔体物料入口101-1流入装置，再向下流入反应腔体物料预热区101-2(指的是设置在反应腔体101外的夹层101-3或者盘管)。
本实施例中，反应腔体物料预热区101-2为多折流的夹层形式，位于反应腔体101的外侧且将反应腔体101完全或绝大部分包围，具有较长的流动路径和较大的换热面积，待反应物料能够从高温运行的反应腔体101的侧壁获得热量预热待反应物料至所需温度。
反应腔体物料预热区101-2的下游与反应腔体入口区101-8(也就是进气混合室)直接连通，待反应物料由此进入反应腔体101的内部。反应腔体101主要包括两段：填充均化分配件的部分(位于反应腔体物料分配区101-4的那部分)和填充催化反应件的部分(位于内部催化反应区101-5的那部分)。均化分配件为导热性良好的多孔介质，待反应物料在其中被进一步预热，并通过在多孔介质的密集孔道中流动进行流速均匀化，实现均匀分配。催化反应件中填充有燃料前处理反应的催化剂，经过预热、均匀分配后的待反应物料在此催化反应产生富氢燃料，并通过反应腔体101的反应腔体出口101-6流入混合出气腔103，在其中混合均匀后，经过装置的产气出口101-9向外输出最终产物气。
如图1和图2所示，为加强热量传导，在反应腔体101的内表面上设计有换热翅片101-7，可以更好地将外部区域部分氧化重整反应产生的热量输入到内部区域。
如图1所示，该燃料前处理装置100中还具有多处温度监测部件，包括但不限于位于反应腔体入口位置的第一温度监测部件104、位于反应腔体催化剂内侧位置的第二温度监测部件105和位于反应腔体催化剂外侧位置的第三温度监测部件106。应用于启动阶段初始能量供应或点火使用的启动部件107布置于夹层与进气混合室连接的附近位置处，用于启动时将烷烃和空气的待反应物料引燃，从而放热实现整个装置的启动。
实施例二
如图3所示，与实施例一相同的是，该燃料前处理装置200也包括反应腔体201及保温层202，反应腔体201为一体化的反应器，保温层202包覆在反应腔体201外，且完全或者大部分包覆反应腔体201。不同的地方在于，反应腔体201包括第一子腔体和第二子腔体，第二子腔体套设在第一子腔体外，且第一子腔体和第二子腔体之间相互隔离设置。第一子腔体用于输入放热反应的待反应物料或者吸热反应的待反应物料，第二子腔体用于输入吸热反应的待反应物料或者放热反应的待反应物料。
第一子腔体和第二子腔体的个数不限，当第一子腔体的个数至少为1个，第二子腔体的个数至少为2个时，至少2个第二子腔体之间相互隔离设置，且各个第二子腔体及第一子腔体依次套设，至少1个第二子腔体套设在第一子腔体外。
当第二子腔体的个数至少为1个，第一子腔体的个数至少为2个，第一子腔体之间相互隔离设置，且第二子腔体和各个第一子腔体依次套设，至少1个第一子腔体套设在第二子腔体内。
当第一子腔体和第二子腔体的个数均至少为2个，且第一子腔体之间相互隔离设置，第二子腔体之间相互隔离设置，且第一子腔体和第二子腔体之间依次套设，至少1个第二子腔体套设在至少1个第一子腔体外。
本实施例以第一子腔体和第二子腔体的个数均为1个为例，即反应腔体201可以分为内部区域和外部区域两个部分，第一子腔体为内部区域，第二子腔体为外部区域。两个区域分别进行热效应相反的燃料前处理反应，下面以内部区域进行吸热的氨分解反应、外部区域进行放热的烷烃部分氧化重整反应为例进行介绍。
如图4所示，内部区域在外部区域中间，二者为同心圆筒的形式。下面按照待反应物料流动的顺序分别对内部区域和外部区域进行介绍。
内部区域由内部反应腔体物料入口201-1开始，外部输入的待反应物料中的氨气由此流入装置，再向下流入与内部反应腔体物料入口201-1直接连通的圆筒形的内部反应腔体入口区201-2，并在此处进行反应。
第一子腔体主要包括两段：靠近入口侧的内部反应腔体物料分配区201-3和靠近出口侧的内部催化反应区201-4。内部反应腔体物料分配区201-3中填充有均化分配件，均化分配件为导热性良好的多孔介质，待反应物料在其中被预热，并通过在多孔介质的密集孔道中流动进行流速均匀化，实现均匀分配。内部催化反应区201-4中填充有反应催化件，反应催化件中填充有氨分解催化剂，经过预热、均匀分配后的氨气在此催化分解产生氢气和氮气，并通过内部反应腔体出口201-5流入混合出气腔203。
外部区域由外部反应腔体物料入口201-6开始，装置外输入的烷烃与空气的混合物料由此进入外部区域，此后先流入外部反应腔体物料预热区201-7。外部反应腔体物料预热区201-7的形式和工作原理与实施例一中类似，其位于外部反应腔体入口区201-8的外侧且将外部反应腔体入口区201-8完全或绝大部分包围。经过预热的混合物料横向流入环形的外部反应腔体入口区201-8，并在此处进行反应。外部反应腔体入口区201-8主要包括两段：靠近入口侧的外部反应腔体物料分配区201-9和靠近出口侧的外部催化反应区201-10。外部反应腔体物料分配区201-9中填充有均化分配件，均化分配件为导热性良好的多孔介质，混合物料在其中被预热，并通过在多孔介质的密集孔道中流动进行流速均匀化，实现均匀分配。外部催化反应区201-10中填充有反应催化件，反应催化件内填充有烷烃的部分氧化重整催化剂，经过预热、均匀分配后的混合物料在此催化氧化产生富氢合成气，并通过外部反应腔体出口201-11同样流入混合出气腔203。
如图3和图4所示，在第一子腔体和第二子腔体之间存在间壁隔绝两侧的反应墙，为加强热量传导，在反应墙靠近第二子腔体的那侧上设置有换热翅片201-12，可以更好地将外部区域部分氧化重整反应产生的热量输入到内部区域。
如图3所示，该燃料前处理装置200中还具有多处温度监测部件，包括但不限于位于外部反应腔体入口位置的第一温度监测部件204、位于内部反应腔体催化剂位置的第二温度监测部件205和位于外部反应腔体催化剂位置的第三温度监测部件206。应用于启动阶段初始能量供应或点火使用的启动部件207布置于第二子腔体的入口附近位置，用于启动时将烷烃和空气的待反应物料引燃，从而放热实现整个装置的启动。
如图5所示，该燃料前处理装置200在稳定运行时，内部区域和外部区域的反应气流分别独立运行，最终汇聚到混合出气腔203中，在其中混合后，经过装置产气出口201-13向外输出最终产物气。
此外，应当注意的是，本实施例中上述所提到的换热翅片201-12为对称设置的、长度方向平行于反应腔体201的轴向的、且呈径向辐射状的翅片，在实际应用中不同形状的翅片也应当是为在本实施例的保护范围内，包括但不限于环型翅片、针状翅片、螺旋式翅片等。换热翅片201-12的布置位置和延伸方向也可以是多样的，例如，如图6和图7所示，换热翅片201-12为螺旋式翅片形式，具体地，螺旋式翅片为沿第一子腔体外壁的等径螺旋翅片，螺旋线的中轴线与第一子腔体的轴线重合，具体设计可以是单螺旋、双螺旋或多螺旋等形式，螺旋式翅片形式可以在外部区域内形成更长的流动路径，有效提升部分氧化重整的反应效率。
实施例三
参照图8和图9，本实施例提供了的燃料前处理装置300与实施例二中的结构类似，该燃料前处理装置300也包括反应腔体301及保温层302，反应腔体301为一体化的反应器，保温层302包覆在反应腔体301外，且完全或者大部分包覆反应器，其中，内部区域由内部反应腔体物料入口301-1开始，外部输入的待反应物料中的氨气由此流入装置，再向下流入与内部反应腔体物料入口301-1直接连通的圆筒形的内部反应腔体入口区301-2，并在此处进行反应。内部反应腔体主要包括两段：靠近入口侧的内部反应腔体物料分配区301-3和靠近出口侧的内部催化反应区301-4。内部反应腔体物料分配区301-3中填充有均化分配件，均化分配件为导热性良好的多孔介质，待反应物料在其中被预热，并通过在多孔介质的密集孔道中流动进行流速均匀化，实现均匀分配。内部催化反应区301-4中填充有反应催化件，反应催化件中填充有氨分解催化剂，经过预热、均匀分配后的氨气在此催化分解产生氢气和氮气，并通过内部反应腔体出口301-5流入混合出气腔303。
外部区域由外部反应腔体物料入口301-6开始，装置外输入的烷烃与空气的混合物料由此进入外部区域，此后先流入外部反应腔体物料预热区301-7。外部反应腔体物料预热区301-7的形式和工作原理与实施例一中类似，其位于外部反应腔体入口区301-8的外侧且将外部反应腔体入口区301-8完全或绝大部分包围。经过预热的混合物料横向流入环形的外部反应腔体入口区301-8，并在此处进行反应。外部反应腔体入口区301-8主要包括两段：靠近入口侧的外部反应腔体物料分配区301-9和靠近出口侧的外部催化反应区301-10。外部反应腔体物料分配区301-9中填充有均化分配件，均化分配件为导热性良好的多孔介质，混合物料在其中被预热，并通过在多孔介质的密集孔道中流动进行流速均匀化，实现均匀分配。外部催化反应区301-10中填充有反应催化件，反应催化件内填充有烷烃的部分氧化重整催化剂，经过预热、均匀分配后的混合物料在此催化氧化产生富氢合成气，并通过外部反应腔体出口301-11同样流入混合出气腔303,并从产气出口301-13输出。
如图8所示，该燃料前处理装置中还具有多处温度监测部件，包括但不限于位于外部反应腔体入口位置的第一温度监测部件304、位于内部反应腔体催化剂位置的第二温度监测部件305和位于外部反应腔体催化剂位置的第三温度监测部件306。应用于启动阶段初始能量供应或点火使用的启动部件307布置于第二子腔体的入口附近位置，用于启动时将烷烃和空气的混合物料引燃，从而放热实现整个装置的启动。
不同之处在于，第一子腔体的外壁和第二子腔体的内壁形成导热腔308，导热腔308在隔绝两侧的第一子腔体和第二子腔体的同时，还起到传导热量、平衡上下游的温度分布的作用。为加强内外间热量传导，换热翅片301-12设置在第二子腔体的内壁上，且向第二子腔体的外壁延伸。
具体地，导热腔308为一种以液态有机物或液态金属(钠Na、钾K或二者的合金等)为工作介质，利用封闭在导热腔308内的工作介质反复进行相变过程实现传递热量的一种导热性极好的传热器件。工作时，在高温区域中的液体吸热蒸发形成蒸汽，蒸汽在压力的作用下向温度较低的区域流动，到达冷端后放热冷凝为液体，进入高温区域，并再次受热汽化，如此循环往复。
需要说明的是，本实施例及上述实施例中所提到的反应腔体物料预热区为夹层折流形式，实际使用时也可以采用如图10中所示的螺旋盘管309形式或其他换热结构形式的外部反应腔体物料预热区301-7。螺旋盘管中未反应的反应物料与反应腔体内流动方向相反，即为“逆流”换热模式，可以更有效的吸收热量，预热混合物料，有利于部分氧化重整反应的进行。
实施例四
参照图11-图14，本实施例提供了一种吸放热耦合的燃料前处理装置400，与实施例三类似，该燃料前处理装置400也包括反应腔体401及保温层402，反应腔体401为一体化的反应器，保温层402包覆在反应腔体401外，且完全或者大部分包覆反应器。燃料前处理装置中还具有多处温度监测部件，包括但不限于位于外部反应腔体入口位置的第一温度监测部件405、位于内部反应腔体催化剂位置的第二温度监测部件406和位于外部反应腔体催化剂位置的第三温度监测部件407。应用于启动阶段初始能量供应或点火使用的启动部件408布置于第二子腔体的入口附近位置，用于启动时将烷烃和空气的混合物料引燃，从而放热实现整个装置的启动。
不同之处在于，反应腔体401内设置有至少2组反应管组，每组反应管组包括内部反应管和包覆在内部反应管外的外部反应层，每个内部反应管的进气端及每个外部反应层的进气端均分别安装有均化分配件。内部反应管和外部反应层中，一者用于放热反应，另一者用于吸热反应。以外部反应层为放热反应，内部反应管为吸热反应为例。反应管组沿着反应腔体的轴线环形均布在反应腔体内，反应管组沿着远离反应腔体的轴线的方向分层设置在反应腔体内。即该一体化的反应器包含多个反应管组集成的阵列式催化反应区域，如图11所示。在此基础上，为了适应本实施例中的反应管组的阵列，待反应物料由内部反应腔体物料入口401-1进入内部反应腔体入口区，本实施例中内部反应腔体入口区401-2还起到了分气歧管的作用。与此同时，实施例二中的整块或一体化的内部反应腔体物料分配区401-3在本实施例中以小块的形式，分散布置于每个反应管组的入口处，来实现流速均匀化。内部催化反应区401-4同样以分散形式存在于每个内部反应管内，其中填充的氨分解催化剂分别处理流入各个内部反应管中的待反应物料，并通过内部反应腔体出口401-5流入混合出气腔403。
外部区域的外部反应腔体物料入口401-6、外部反应腔体物料预热区401-7、外部反应腔体入口区401-8和外部反应腔体物料分配区401-9的结构、功能、运行方式等均与实施例三类似，不做赘述。在外部反应腔体物料分配区401-9中充分预热和均匀分配后的混合物料，通过比内部反应管直径稍大的圆环形通道401-13(如图13和图14所示)进入内部反应管中的管外侧区域，在内部反应管的外表面的薄层状的多孔介质(即外部反应层)外部催化反应区401-10发生催化氧化产生富氢合成气，进一步的通过外部反应腔体出口401-11同样流入混合出气腔403，并从产气出口401-12输出最终产气。
如图11和图12所示，燃料前处理装置还包括热管404，热管404的个数至少为2个，且沿着反应腔体401的轴线环形均布在反应腔体401内。即实施例三中环型的整体式导热腔也被更改为本实施例中的多个热管404，以适应分散布置的管式催化反应单元阵列的换热和上下游温度均匀化的需求。
热管404沿着远离反应腔体401的轴线的方向分层设置在反应腔体401内，且热管404组成的热管404层分别设置在相邻反应管组成的反应管层之间。如图12所示，本实施例涉及的反应腔体401位于保温层402内部，二者为同心圆筒的形式。反应腔体401内设计了2层中心对称布置的、共计7个反应管组，根据需要可以设置为更多层以及更多数量催化反应单元的布置方式。本实施例中，一层管式结构的热管404和一层外部反应腔体出口401-11也按中心对称的形式分布在反应腔体401内，根据需要也可以设置为更多层以及更多数量反应管组的布置方式。
如图15所示，该燃料前处理装置400在稳定运行时，外侧气流路径和内侧气流路径分别在内部反应管的管外和管内，最终汇聚到混合出气腔403中，在其中混合后，经过装置产气出口向外输出最终产物气。
在实施例二的基础上，将整体式双层结构的内外催化反应腔体401改进为出气管组，减小了催化反应区域的尺寸，可以有效减小内部反应和外部反应之间所需的传热距离，进而降低传热热阻，更好地将管外催化剂中反应产生的热量及时就地传递给管内催化剂吸热反应，提升整体的传热效率。
实施例五
参照实施例一到实施例四，本实施例提供了一种吸放热耦合的燃料前处理装置。该装置在实际运行时，可以根据不同条件采用多种吸放热耦合的反应组合，而不限于上文论述的四个实施例均采用的“烷烃部分氧化重整反应-氨气分解反应”的反应组合，此处再列举部分反应组合，包括：“烷烃部分氧化重整反应-烷烃水蒸气重整反应”；“氨气部分氧化重整反应-氨气分解反应”；“氨气部分氧化重整反应-烷烃水蒸汽重整反应”；“氨气部分氧化重整反应-氨与烷烃的混合重整反应(吸热)”；“烷烃部分氧化重整反应-氨与烷烃的混合重整反应(吸热)”；“氨与烷烃的混合重整反应(放热)-氨与烷烃的混合重整反应(吸热)”等。
以及，通过调整入口反应物料的组分可以实现单个反应腔体内的反应自身维持在热平衡或者微放热条件下，即“自热反应”，包括的反应形式如下：
烷烃自热反应：x1CmHn+x2H2O+x3O2→y1CO+y2H2+y3CO2；
氨气自热反应：x1NH3+x2O2→y1N2+y2H2+y3H2O；
烷烃&氨气自热反应：x1NH3+x2CmHn+x3O2+x4H2O→y1N2+y2CO+y3CO2+y4H2+y5H2O。
针对上述“自热反应”，本申请提出的燃料前处理装置的两个反应腔体室可以进行两种或者同种“自热反应”。
此外，内部反应腔体和外部反应腔体具备互换性，“内部放热-外部吸热”和“外部放热-内部吸热”的形式均在本发明的保护范围内。
本发明另一方面提供了一种燃料电池系统，包括如上述中任意一项实施例中的燃料前处理装置。
本发明提供的燃料电池系统，由于包含上述任意一项实施例中的燃料前处理装置，因此，燃料前处理装置所具有的有益效果均是本发明公开的燃料电池所包含的。
需要说明的是，本文中的均化是指混合均匀。
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。
Claims (12)
1.一种燃料前处理装置，其特征在于，包括：
反应腔体；
用于均化进入所述反应腔体内的待反应物料的均化分配件，所述均化分配件安装在所述反应腔体内；
用于催化经过所述均化分配件均化后的待反应物料反应的反应催化件，所述反应催化件填充在所述反应腔体内；
所述反应腔体内设置有至少2组反应管组；
每组反应管组包括内部反应管和包覆在所述内部反应管外的外部反应层，每个所述内部反应管的进气端及每个所述外部反应层的进气端均分别安装有均化分配件；
所述内部反应管和所述外部反应层中，一者用于放热反应，另一者用于吸热反应。
2.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，所述反应管组沿着所述反应腔体的轴线环形均布在所述反应腔体内。
3.根据权利要求2所述的燃料前处理装置，其特征在于，所述反应管组沿着远离所述反应腔体的轴线的方向分层设置在所述反应腔体内。
4.根据权利要求3所述的燃料前处理装置，其特征在于，还包括热管；
所述热管的个数至少为2个，且沿着所述反应腔体的轴线环形均布在所述反应腔体内。
5.根据权利要求4所述的燃料前处理装置，其特征在于，所述热管沿着远离所述反应腔体的轴线的方向分层设置在所述反应腔体内，且所述热管组成的热管层分别设置在相邻反应管组成的反应管层之间。
6.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，还包括保温层；
所述保温层包覆在所述反应腔体外，且完全包覆或者部分包覆所述反应腔体。
7.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，所述反应腔体内设置有一端连通所述均化分配件的夹层或者盘管，所述夹层或者所述盘管的另一端用于输入待反应物料；
所述夹层为单夹层或者多折流的夹层。
8.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，还包括温度监测件；
所述温度监测件用于监测所述反应腔体内的温度。
9.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，所述反应腔体内设置有混合进气室，所述混合进气室的一端与所述均化分配件连通，所述混合进气室的另一端用于混合输入的待反应物料。
10.根据权利要求1所述的燃料前处理装置，其特征在于，还包括混合出气腔，所述混合出气腔的一端与所述反应腔体的出口连通，用于混合所述反应腔体输出的反应生成气体。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的燃料前处理装置，其特征在于，还包括启动部件；
所述启动部件用于所述反应腔体内的待反应物料的点火启动。
12.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-11中任意一项所述的燃料前处理装置。
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