重整制氫反應器及其制氫方法
【專利摘要】本發明公開了重整制氫反應器及其制氫方法，在制氫時，通過在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量，在制氫時將原料水加熱成水蒸汽使其與天燃氣混合進入重整室腔體中進行重整反應產生氫氣，為燃料電池提供了穩定的氫源，本發明重整制氫反應器可隨時啟動重整制氫反應，而且反應器結構緊湊、體積小、方便移動，而且安裝簡單，其技術難度和投入成本大低。
【專利說明】重整制氫反應器及其制氫方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及小型制氫設備，特別涉及重整制氫反應器及其制氫方法。
【背景技術】
[0002]目前，氫能和燃料電池為本世紀潔凈高效的新能源技術，技術難度大、投入成本太高、以及基礎設施投入龐大，難以進入市場實際應用。而如果將氫能用作分散型燃料電池電站或小型電源，技術難度和投入將大為減少，其在民用和軍用方面有比較廣闊的應用需求。
[0003]由于質子交換膜燃料電池(PEMFC)需要純氫作為燃料，但純氫的運輸、儲存、加注技術、及設施不能滿足分散型電站，尤其是進入家庭使用的要求，因此通過現有的化石燃料的儲運附加設施，利用燃料重整制氫的方式與PEMFC聯合使用成為國際的通用方法。但是PEMFC燃料電池對重整氫氣的質量要求高，有害雜質(如CO)含量要求在ppm級，同時要求制氫系統小型化和具有高的比功率，這就成為燃料電池氫源技術中的關鍵技術難點。
[0004]直接甲醇燃料電池(DMFC)是直接利用甲醇水溶液作為燃料，具有體積小、重量輕、系統結構簡單、燃料來源豐富、價格低廉、儲存攜帶方便、安全性高等優點，在手機、筆記本電腦、攝像機等小型民用電源和軍事上的單兵攜帶電源等方面具有極大競爭優勢。但DMFC陽極未氧化完全的少量甲醇及電池工作過程中產生部分甲醛、甲酸等隨尾氣排放出來，造成環境污染。低溫下甲醇氧化的電位高，輸出電流密度較低，膜電極“三合一”組件長期置于醇水液體中，會使可靠性不斷降低，甚至會造成膜脫落。同時，燃料甲醇有穿透(CrossOver)現象，即甲醇穿透電解質膜到達陰極致使輸出功率降低的現象近期難以解決。
[0005]鑒于最近開發的DMFC的Pt-Ru電極有較強的抗甲醇和CO能力，使用重整氣時可以省去CO變換和CO凈化系統，將DMFC和甲醇重整制氫技術優勢結合起來，有可能開發出新一代高效便攜式小型燃料電池。目前，燃料電池氫源系統在小型化以及與DMFC系統一體化應用方面的研究已有了一定的進展。美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)與Battelle公司合作研制成一種可在戰場條件下使用的小型燃料電池系統，其中小型轉換器包含有蒸發器、換熱器、催化點火器、蒸汽發生器等，可以用于軍隊使用的各種不同儀器和武器裝備中。美國摩托羅拉公司宣布暫時中止面向便攜式設備的直接甲醇型燃料電池的開發，轉而致力于開發甲醇重整型小型燃料電池(RHFC)，但其尚處于研究開發的高度保密階段。
[0006]如果能研發一種小型的利用甲醇來制氫的反應器，將是國內制氫技術的一大突破，為燃料電池提供了可靠的氫源。
【發明內容】
[0007]鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供重整制氫反應器及其制氫方法，能利用天燃氣制氫，而且體積小、方便移動。
[0008]為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案:
一種重整制氫反應器，其包括:燃燒室腔體、重整室腔體、用于輸送燃料的燃料輸送管、用于輸送空氣的空氣輸送管、用于輸入原料水的輸液管、用于輸送天燃氣的天燃氣輸氣管、用于輸出氫氣的氫氣出氣管、用于加熱原料水產生水蒸汽的第一換熱器、用于輸出水蒸汽的水蒸汽輸汽管、用于將天燃氣與水蒸汽混合的混合器和用于輸送天燃氣與水蒸汽的混合氣體的混合輸氣加熱管；
所述重整室腔體位于燃燒室腔體中，所述燃燒室腔體具有用于排放燃燒尾氣的燃燒尾氣出氣管，所述輸液管通過所述第一換熱器與水蒸汽輸汽管連通，所述水蒸汽輸汽管和天燃氣輸氣管間隔纏繞于所述燃燒室腔體的上部，所述水蒸汽輸汽管的出口與天燃氣輸氣管的出口分別與所述混合器的兩個入口連通，所述混合器的出口通過所述混合輸氣加熱管與重整室腔體的入口連通，所述重整室腔體的出口連通所述氫氣出氣管；所述燃料輸送管和空氣輸送管設置于所述燃燒室腔體的上部，所述燃燒室腔體中設置有點火裝置。
[0009]所述的重整制氫反應器中，所述混合輸氣加熱管包括混合輸氣管和第二換熱器，所述第二換熱器的入口與所述混合器的出口連通，所述第二換熱器的出口通過混合輸氣管與所述重整室腔體的入口連通。
[0010]所述的重整制氫反應器中，所述第二換熱器纏繞于所述氫氣出氣管上。
[0011 ] 所述的重整制氫反應器中，所述第一換熱器盤繞于所述燃燒尾氣出氣管中。
[0012]所述的重整制氫反應器中，所述重整室腔體中設置有用于檢測反應溫度的反應溫度探頭；所述重整制氫反應器還設置用于調節第一換熱器和第二換熱器的加熱溫度的調節裝置，所述調節裝置連接第一換熱器和第二換熱器。
[0013]所述的重整制氫反應器中，在空氣輸送管的入口還設置有鼓風裝置。
[0014]所述的重整制氫反應器中，所述燃燒室腔體的上部設置有用于使燃料均勻分布的燃燒物料分布器。
[0015]所述的重整制氫反應器中，所述重整室腔體中設置有重整催化劑。
[0016]所述的重整制氫反應器中，在所述燃燒室腔體和重整室腔體之間設置有石棉保溫層。
[0017]一種采用上述重整制氫反應器的制氫方法，其包括如下步驟:
在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量;
在輸液管中注入原料水，經第一換熱器加熱成水蒸汽，同時在天燃氣輸氣管通入天燃氣；水蒸汽輸汽管和天燃氣輸氣管間隔纏繞于所述燃燒室腔體的上部利用燃燒室腔體溫度加熱送入混合器；
混合器輸出的水蒸汽和天燃氣的混合氣體經混合輸氣加熱管加熱后送入重整室腔體中進行重整反應，產生的氫氣經氫氣出氣管排出。
[0018]相較于現有技術，本發明提供的重整制氫反應器及其制氫方法，在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量，在制氫時將原料水加熱成水蒸汽使其與天燃氣混合進入重整室腔體中進行重整反應產生氫氣，為燃料電池提供了穩定的氫源，本發明重整制氫反應器可隨時啟動重整制氫反應，而且反應器結構緊湊、體積小、方便移動，而且安裝簡單，其技術難度和投入成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明提供的重整制氫反應器的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明提供的重整制氫反應器中各氣體和液體流向示意圖。
[0021]圖3為本發明提供的重整制氫反應器的制氫方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]本發明提供一種重整制氫反應器及其制氫方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0023]目前，小型氫源和DMFC的集成系統可以實現分散型燃料電池電站或小型電源實際應用成為現實，隨著手機、筆記本電腦、攝像機、空調、電動自行車及摩托車等小型家用電器的普及，可以與之配套且清潔高效的小型燃料電池電源系統(10-500W)需求也會增長，其中小型氫源集成系統勢必不可或缺，因此本發明的重整制氫反應器的市場前景可觀。
[0024]請參閱圖1，本發明提供的重整制氫反應器包括:燃燒室腔體10、重整室腔體20、用于輸送燃料的燃料輸送管101、用于輸送空氣的空氣輸送管102、用于輸入原料水的輸液管103、用于輸送天燃氣的天燃氣輸氣管104、用于輸出氫氣的氫氣出氣管201、用于加熱原料水產生水蒸汽的第一換熱器105、用于輸出水蒸汽的水蒸汽輸汽管106、用于將天燃氣與水蒸汽混合的混合器107和用于輸送天燃氣與水蒸汽的混合氣體的混合輸氣加熱管。
[0025]重整制氫反應器為套筒式結構，其重整室腔體20位于燃燒室腔體10中，所述燃料輸送管101和空氣輸送管102設置于所述燃燒室腔體10的上部，所述燃燒室腔體10中設置有點火裝置(圖中未標出)，所述燃燒室腔體1具有用于排放燃燒尾氣的燃燒尾氣出氣管109，所述燃料經燃料輸送管101通入燃燒室腔體10中，在燃燒室腔體10中燃燒為制氫反應提供熱量，燃燒產生的廢氣經燃燒尾氣出氣管109排出。本實施例中，所述燃料輸送管101插入空氣輸送管102中，使燃料與空氣中的氧氣充分混合。在燃燒室腔體10中，燃料及尾氣流向如圖2中的粗實箭頭所示。
[0026]所述輸液管103通過所述第一換熱器105與水蒸汽輸汽管106連通，所述水蒸汽輸汽管106和天燃氣輸氣管104間隔纏繞于所述燃燒室腔體10的上部，所述水蒸汽輸汽管106的出口與天燃氣輸氣管104的出口分別與所述混合器107的兩個入口連通，所述混合器107的出口通過所述混合輸氣加熱管與重整室腔體20的入口連通，所述重整室腔體20的出口連通所述氫氣出氣管201。
[0027]在所述輸液管103流入原料水后，經第一換熱器105加熱產生水蒸汽，同時在天燃氣輸氣管104中通入天燃氣，水蒸汽和天燃氣進入混合器107中混合，混合氣體經混合輸氣加熱管加熱成高溫氣體進入重整室腔體20中進行重整反應。由于燃料燃燒時會產生熱量，本發明將水蒸汽輸汽管106和天燃氣輸氣管104間隔纏繞于所述燃燒室腔體10的上部，將水蒸汽和天燃氣預熱后送入混合器107中，有效利用了能量，而且利于減小重整制氫反應器的體積。其中，原料水和水蒸汽的流向如圖2中的細實箭頭所示，天燃氣的氣體流向如圖2中的細虛箭頭所示，氫氣的流向如如圖2中的粗虛箭頭所示。
[0028]請繼續參閱圖1，所述混合輸氣加熱管包括混合輸氣管108和第二換熱器202，所述第二換熱器202的入口與所述混合器107的出口連通，所述第二換熱器202的出口通過混合輸氣管108與所述重整室腔體20的入口連通。混合器107輸出的混合氣體經第二換熱器202成高溫混合氣體，經混合輸氣管108送入重整室腔體20中。
[0029]為了減小重整制氫反應器的體積，及有效利用能源，所述第二換熱器202纏繞于所述氫氣出氣管201上(即第二換熱器為外置盤管狀)，通過盤繞方式可有效減小反應器的體積，而且時混合氣體加熱均勻。
[0030]為了進一步有效利用熱量，所述第一換熱器105盤繞于所述燃燒尾氣出氣管109中(即第一換熱器為內置盤管狀)，有效利用燃燒尾氣的熱量為原料水預熱。
[0031]請繼續參閱圖1，本發明提供的重整制氫反應器中，所述重整室腔體20中設置有用于檢測反應溫度的反應溫度探頭203 ;所述重整制氫反應器還設置用于調節第一換熱器105和第二換熱器202的加熱溫度的調節裝置(圖中未示出)，所述調節裝置連接第一換熱器105和第二換熱器202，通過檢測的反應溫度來調節第一換熱器105和第二換熱器202的加熱溫度，避免能源浪費。本實施例中，所述調節裝置為變阻器、開關、PLC等具有調節功能的電子器件，其調節方式和原理為現有技術，此處不作詳述。
[0032]為了使空氣能快速進入燃燒室腔體10中，為燃料提供足夠的氧氣，本實施例在空氣輸送管102的入口還設置有鼓風裝置(圖中未示出)，使足夠的氧氣進入燃燒室腔體10中，為燃料提供良好的燃燒條件。本實施例中，所述燃料也可采用來源豐富、價格低廉的天燃氣，或者部分重整尾氣。
[0033]進一步的，所述燃燒室腔體10的上部設置有用于使燃料均勻分布的燃燒物料分布器110，所述燃燒物料分布器110呈蜂窩狀，使燃料在燃燒室內均勻分布，獲得均勻分布的燃燒室溫度。
[0034]本發明采用在所述燃燒室腔體10和重整室腔體20之間設置有石棉保溫層111，可防止重整室腔體20的熱量流失。
[0035]所述重整室腔體20中設置有重整催化劑，且該重整催化劑優選為顆粒催化劑，防止輸出的氫氣中混入雜質。
[0036]本發明提供的重整制氫反應器其反應在燃燒室腔體10和重整室腔體20中進行，為了更好的理解本發明，現在各腔體中的反應方式進行說明:
其中，燃燒室腔體10主要進行燃燒反應:
CH4 (g) +3/202 (g) — CO (g) +2H20 (g)
C0+H20—C02+H2
當系統穩定運行后，燃燒的原料除用天燃氣外也可以用部份重整氣，與燃料電池系統集成后，還可以回收其陽極尾氣作為燃料氣。其主要反應為:
H2+l/202 -H2O
本發明進行燃燒的主要作用是:1、為重整系統提供能量；2、為原料水的汽化提供熱量；3、為重整反應補充能量，并且重整制氫反應器結構設置合理，有效利用了能源。
[0037]反應器主要進行化學反應為:
CH4 + H2O — 3H2 + CO-Q
CO + H2O — H2 + CO2 + Q
CH4 + 202 — 2H20 + CO2 + Q
其中，Q為熱量，從化學反應可看出，本發明的重整制氫反應器排出氣體沒有CO等有害氣體，不會污染環境。
[0038]本發明還相應提供一種重整制氫反應器的制氫方法，如圖3所示，其包括如下步驟:
S100、在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量；
S200、在輸液管中注入原料水，經第一換熱器加熱成水蒸汽，同時在天燃氣輸氣管通入天燃氣；水蒸汽輸汽管和天燃氣輸氣管間隔纏繞于所述燃燒室腔體的上部利用燃燒室腔體溫度加熱送入混合器；
S300、混合器輸出的水蒸汽和天燃氣的混合氣體經混合輸氣加熱管加熱后送入重整室腔體中進行重整反應，產生的氫氣經氫氣出氣管排出。具體如上述實施例所述。
[0039]綜上所述，本發明提供的重整制氫反應器及其制氫方法，在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量，在制氫時，將原料水加熱成水蒸汽使其與天燃氣混合進行重整室腔體混合產生氫氣，為燃料電池提供了穩定的氫源，本發明重整制氫反應器可隨時啟動重整制氫反應，而且反應器結構緊湊、體積小、方便移動，而且安裝簡單，其技術難度和投入成本低。而且反應溫度易于控制，熱能利用率高，適用于100-1500W的燃料電池小型電源的氫源系統。
[0040]可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種重整制氫反應器，其特征在于，包括:燃燒室腔體、重整室腔體、用于輸送燃料的燃料輸送管、用于輸送空氣的空氣輸送管、用于輸入原料水的輸液管、用于輸送天燃氣的天燃氣輸氣管、用于輸出氫氣的氫氣出氣管、用于加熱原料水產生水蒸汽的第一換熱器、用于輸出水蒸汽的水蒸汽輸汽管、用于將天燃氣與水蒸汽混合的混合器和用于輸送天燃氣與水蒸汽的混合氣體的混合輸氣加熱管； 所述重整室腔體位于燃燒室腔體中，所述燃燒室腔體具有用于排放燃燒尾氣的燃燒尾氣出氣管，所述輸液管通過所述第一換熱器與水蒸汽輸汽管連通，所述水蒸汽輸汽管和天燃氣輸氣管間隔纏繞于所述燃燒室腔體的上部，所述水蒸汽輸汽管的出口與天燃氣輸氣管的出口分別與所述混合器的兩個入口連通，所述混合器的出口通過所述混合輸氣加熱管與重整室腔體的入口連通，所述重整室腔體的出口連通所述氫氣出氣管；所述燃料輸送管和空氣輸送管設置于所述燃燒室腔體的上部，所述燃燒室腔體中設置有點火裝置。
2.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述混合輸氣加熱管包括混合輸氣管和第二換熱器，所述第二換熱器的入口與所述混合器的出口連通，所述第二換熱器的出口通過混合輸氣管與所述重整室腔體的入口連通。
3.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述第二換熱器纏繞于所述氫氣出氣管上。
4.根據權利要求3所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述第一換熱器盤繞于所述燃燒尾氣出氣管中。
5.根據權利要求4所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述重整室腔體中設置有用于檢測反應溫度的反應溫度探頭；所述重整制氫反應器還設置用于調節第一換熱器和第二換熱器的加熱溫度的調節裝置，所述調節裝置連接第一換熱器和第二換熱器。
6.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，在空氣輸送管的入口還設置有鼓風裝置。
7.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述燃燒室腔體的上部設置有用于使燃料均勻分布的燃燒物料分布器。
8.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，所述重整室腔體中設置有重整催化劑。
9.根據權利要求1所述的重整制氫反應器，其特征在于，在所述燃燒室腔體和重整室腔體之間設置有石棉保溫層。
10.一種采用權利要求1所述重整制氫反應器的制氫方法，其特征在于，包括如下步驟: 在燃燒室腔體中通入燃料和空氣，使燃料在燃燒室腔體中燃燒提供制氫反應所需熱量; 在輸液管中注入原料水，經第一換熱器加熱成水蒸汽，同時在天燃氣輸氣管通入天燃氣；水蒸汽輸汽管和天燃氣輸氣管間隔纏繞于所述燃燒室腔體的上部利用燃燒室腔體溫度加熱送入混合器； 混合器輸出的水蒸汽和天燃氣的混合氣體經混合輸氣加熱管加熱后送入重整室腔體中進行重整反應，產生的氫氣經氫氣出氣管排出。
【文檔編號】C01B3/32GK104229734SQ201410445109
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】黎德明, 倪政 申請人:深圳北純能源科技有限公司