一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器。本发明专利技术包括顶面设有进口管的上盖板、底面设有出口管的下盖板，以及密封在上、下盖板之间自上而下依次有蒸发板、多块上重整板和下重整板；蒸发板、重整板腔内两侧对称分布入口引流腔和出口引流腔，引流腔内分布有引流柱。在上、下重整板的反应腔中均安装有矩形的反应载体板，其上表面为具有分形结构的流体通道，该分形结构初始形状为矩形且符合赛尔平斯基分形规律；相邻两块板间的安装面上均安装有柔性石墨垫。本发明专利技术能够增大反应载体板的比表面积，提高催化剂负载能力，增强重整器的传热传质效率，从而提升制氢微重整器制氢性能。

A Microreformer for Hydrogen Production with Fractal Catalyst Support

【技术实现步骤摘要】
一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器
本专利技术涉及一种醇类制氢微反应器，尤其是涉及一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器。
技术介绍
人类社会的衣食住行各个方面都与能源密切相关，然而石油、煤炭等化石燃料的日趋枯竭，加上由于化石能源燃烧产生的环境污染以及温室效应等问题正日趋严重，迫使人类不得不寻找一种高效、清洁的可再生资源。氢能作为一种理想的清洁可再生资源，具有燃烧热值高、清洁无污染等优势，有望成为化石燃料的一种理想替代能源，被广泛的应用于各种场合。在众多制氢方法中，通过制氢微反应器利用醇类现场重整制氢，是解决氢源问题的一条有效途径。中国专利技术专利(申请号200610124078.X)公开了一种用作催化剂载体的定向铜纤维烧结毡及其制造方法，制造铜纤维，并将其按照一定规律缠绕在不锈钢板凹槽中，压紧后用氧化铝粉末覆盖，随后在高温下烧结，得到孔隙率高的定向铜纤维烧结毡。但是该方法制造出的催化剂载体热导性不好，压降较大，流动和传热特性较差，不利于提高制氢效率。中国专利技术专利(申请号201210448874.4)公开了一种层叠式微凸台阵列型重整制氢微反应器，可用于中、小流量的醇类重整制氢场合。但其反应载体板上分布的微凸台结构，表面较为光滑平整，催化剂负载能力弱，催化剂易脱落，且比表面积较小，不利于制氢反应。此外，该制氢微反应器重整制氢单元入口气体的流量脉动较大，不利于反应腔内流速分布均匀。从上述分析可以得出，虽然目前针对微反应器结构和载体的设计已经得到改进，但目前的微反应器在催化剂载体负载能力、重整反应时间、载体表面参数、流动和传热特性等方面还有待研究。因此有必要设计一种催化剂负载能力强、比表面积大、延长重整反应时间、压降更低、流体流动更均匀等特点的制氢微重整器。
技术实现思路
为了进一步提高反应器催化剂负载能力，提高催化剂载体比表面积，使流体流动更均匀，延长重整反应时间，本专利技术的目的在于提供一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器，该微重整器具备催化剂负载能力强、传热传质效率更高、比表面积更大、流体流动更均匀的优势。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括顶面设有进口管的上盖板、底面设有出口管的下盖板以及密封安装在上盖板与下盖板之间自上而下依次安装的一块蒸发板和多块重整板，上盖板、蒸发板、多块重整板和下盖板中的相邻两块板之间的安装面上均安装有柔性石墨垫。每块重整板的结构均相同，单个重整板的上表面的中部开有沉腔作为重整反应腔，重整板在重整反应腔的两侧分别设有重整入口引流腔和重整出口引流腔，重整入口引流腔和重整出口引流腔之间通过重整反应腔连通，重整入口引流腔与重整出口引流腔的结构相同且对称分布在重整反应腔的两侧，重整入口引流腔和重整出口引流腔中均设有重整引流柱。重整反应腔内安装有反应载体板，反应载体板的上表面与重整入口引流腔和重整出口引流腔的内底面处于同一平面，反应载体板的上表面加工有分形微通道，分形微通道上涂覆催化剂形成具有分形结构的催化剂载体。所述的分形微通道是采用分形结构在反应载体板上分形迭代两次形成的，具体是将反应载体板的上表面作为第一层，第一层均等划分为16个一代单元格，将其中4个一代单元格下凹形成的凹槽作为分形结构，通过分形结构在第一层完成第一次分形；将剩余未下凹的12个一代单元格的上表面作为第二层，将第二层中的每个一代单元格再各自均等划分为16个二代单元格，通过分形结构在第二层中的每个一代单元格分别进行分形加工，从而完成第二次分形。所述的第二次分形的下凹深度小于第一次分形的下凹深度。重整入口引流腔与重整出口引流腔对称分布在重整反应腔的两侧，重整入口引流腔和重整出口引流腔分别开有重整入口通孔和重整出口通孔，所有重整板的重整入口通孔上下对应连通，所有重整板的重整出口通孔与下盖板的出口管上下对应连通，重整板的侧面开有用于插装加热棒的多个加热棒孔。所述蒸发板的上表面中部开有沉腔作为蒸发腔，具有蒸发引流柱的蒸发入口引流腔和具有蒸发引流柱的蒸发出口引流腔对称分布在蒸发腔的两侧，蒸发入口引流腔和蒸发出口引流腔之间通过蒸发腔连通，蒸发腔通过蒸发入口引流腔与上盖板的进口管相通，蒸发出口引流腔设有蒸发出口通孔，蒸发出口通孔与多块重整板的重整出口通孔上下相通，蒸发板的侧面开有用于插装加热棒的多个加热棒孔。所述的蒸发引流柱竖直固定在蒸发入口引流腔和蒸发出口引流腔的底面，蒸发引流柱的竖直高度与蒸发腔底面距离蒸发板上表面的高度相同。所述重整引流柱竖直固定在重整入口引流腔或重整出口引流腔的底面，重整引流柱的竖直高度与重整入口引流腔或重整出口引流腔底面距离重整板上表面的高度相同。所述的分形结构中下凹形成凹槽的4个一代单元格的具体位置为：两个一代单元格位于对角线两端的对角位置处，处于对角位置处的其中一个一代单元格分别与剩余的两个一代单元格相连形成“L”型。所述的重整入口引流腔和重整出口引流腔均为下沉式引流腔，重整入口引流腔和重整出口引流腔的下沉深度小于重整反应腔的腔体下沉深度，使得两个引流腔在与重整反应腔的相接处分别形成重整入口引流台阶和重整出口引流台阶。所述的反应载体板采用36×36×2.5mm的正方形铝合金板，分形微通道采用线切割进行机加工切除制作而成的。正方形铝合金板的上表面分形迭代次数为2且采用16等分的构建方式使得正方形铝合金板的表面符合赛尔平斯基分形规律。通过分形结构在正方形铝合金板进行两次分形得到具有多个微孔的分形微通道，微孔是指第一层和第二层的下凹所形成不同大小的方形凹槽，多个微孔之间或者连通或者独立封闭，微孔的直径即为方形凹槽边长，微孔直径处于2.25-9mm范围。通过分形得到反应载体板的比表面积为2.64，比表面积是指加工分形微通道后的反应载体板增加的表面积与反应载体板的原有上表面积之和相对于反应载体板的原有上表面积的比值，增加的表面积包括各个微孔的侧壁面积。本专利技术的制氢微重整器，通过对具有分形结构催化剂载体的设计，增大反应载体板的比表面积，提高催化剂载体薄板的负载能力，提升反应物在负载有催化剂的通道内的反应时间和反应面积，从而增大醇类转化率与提升制氢性能，同时可以有效降低反应压降，增强重整器的传热传质效率。此外，反应载体薄板的层叠装配可实现重整器的功率扩大，并可应用在氢燃料汽车等大功率的场合。本专利技术具有的有益效果是：1)本专利技术的分形结构催化剂载体的制氢微重整器，与传统的蛇形微通道和微凸台反应载体相比，具有更大的比表面积，可有效提高催化剂附着能力，使催化剂不易脱落，并增加了反应气体在微通道内的停留时间与反应面积，从而有利于提高醇类重整制氢的反应速率和醇类的转化率；2)本专利技术的分形结构催化剂载体的制氢微重整器，可以显著降低反应的压降，降低泵入反应物所需的能量，提升重整反应效率；3)本专利技术的具有分形结构催化剂载体，与多孔材料反应载体板相比，反应载体的温度分布更加均匀，且具有更小压降的优势；4)本专利技术的分布有引流柱的引流腔，可有效减小重整制氢单元入口气体的流量脉动，使反应腔内流体流速分布更加均匀，从而降低反应压降，提高制氢效率。附图说明图1是本专利技术的整体三维爆炸示意图。图2是本专利技术具有分形结构的反应载体板的三维结构示意图。图3是本专利技术反应载体板的俯视图。图4是本专利技术上盖板的三维结构示意图。图5是本专利技术蒸发板的三维结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器，其特征在于：包括顶面设有进口管(9)的上盖板(1)、底面设有出口管(6)的下盖板(7)以及密封安装在上盖板(1)与下盖板(7)之间自上而下依次安装的一块蒸发板(2)和多块重整板，上盖板(1)、蒸发板(2)、多块重整板和下盖板(7)中的相邻两块板之间的安装面上均安装有柔性石墨垫(8)；每块重整板的结构均相同，单个重整板的上表面的中部开有沉腔作为重整反应腔(20)，重整板在重整反应腔(20)的两侧分别设有重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)，重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)之间通过重整反应腔(20)连通，重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)中均设有重整引流柱(22)；重整反应腔(20)内安装有反应载体板(3)，反应载体板(3)的上表面加工有分形微通道(11)，分形微通道(11)上涂覆催化剂形成具有分形结构的催化剂载体；所述的分形微通道(11)是采用分形结构在反应载体板(3)上分形迭代两次形成的，具体是将反应载体板(3)的上表面作为第一层，第一层均等划分为16个一代单元格，将其中4个一代单元格下凹形成的凹槽作为分形结构，通过分形结构在第一层完成第一次分形；将剩余未下凹的12个一代单元格的上表面作为第二层，将第二层中的每个一代单元格再各自均等划分为16个二代单元格，通过分形结构在第二层中的每个一代单元格分别进行分形加工，从而完成第二次分形。...

【技术特征摘要】
1.一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器，其特征在于：包括顶面设有进口管(9)的上盖板(1)、底面设有出口管(6)的下盖板(7)以及密封安装在上盖板(1)与下盖板(7)之间自上而下依次安装的一块蒸发板(2)和多块重整板，上盖板(1)、蒸发板(2)、多块重整板和下盖板(7)中的相邻两块板之间的安装面上均安装有柔性石墨垫(8)；每块重整板的结构均相同，单个重整板的上表面的中部开有沉腔作为重整反应腔(20)，重整板在重整反应腔(20)的两侧分别设有重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)，重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)之间通过重整反应腔(20)连通，重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)中均设有重整引流柱(22)；重整反应腔(20)内安装有反应载体板(3)，反应载体板(3)的上表面加工有分形微通道(11)，分形微通道(11)上涂覆催化剂形成具有分形结构的催化剂载体；所述的分形微通道(11)是采用分形结构在反应载体板(3)上分形迭代两次形成的，具体是将反应载体板(3)的上表面作为第一层，第一层均等划分为16个一代单元格，将其中4个一代单元格下凹形成的凹槽作为分形结构，通过分形结构在第一层完成第一次分形；将剩余未下凹的12个一代单元格的上表面作为第二层，将第二层中的每个一代单元格再各自均等划分为16个二代单元格，通过分形结构在第二层中的每个一代单元格分别进行分形加工，从而完成第二次分形。2.根据权利要求1所述的一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器，其特征在于：重整入口引流腔(23)与重整出口引流腔(18)对称分布在重整反应腔(20)的两侧，重整入口引流腔(23)和重整出口引流腔(18)分别开有重整入口通孔(21)和重整出口通孔(17)，所有重整板的重整入口通孔(21)上下对应连通，所有重整板的重整出口通孔(17)与下盖板(7)的出口管(6)上下对应连通，重整板的侧面开有用于插装加热棒的多个加热棒孔(16)。3.根据权利要求1所述的一种具有分形结构催化剂载体的制氢微重整器，其特征在于：所述蒸发板(2)的上表面中部开有沉腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅德庆，曾伟迪，汪延成，黄林新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33