一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中蒸发单元含有空气进管、加热棒、热电偶和蒸发体，其保证燃料的正常汽化；催化反应单元含有反应筒、催化剂载体、加热环和热电偶，其保证燃料催化反应的正常进行；混合与热交换单元内设有反应产物流动通道、液态燃料混合封闭空间，其实现燃料的混合及预热；液气分离单元内设有集液腔和排液孔，用于液态与气态反应产物的分离。本发明专利技术具有集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的特点，并且具有提高反应系统热利用率的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器
本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器。
技术介绍
燃料电池作为直接将化学能转换为电能的发电装置，具有高能量转换效率、零排放、低噪音等特点。质子交换膜燃料电池因其工作温度低、启动迅速、工作电流高、比功率比能量密度大、无腐蚀、零噪音、零污染、寿命长等优点，成为了移动式电源的最佳选择。目前燃料电池一般采用直接储氢的方式，但直接储氢存在能量密度低、体积庞大、储存运输危险等问题，严重限制了燃料电池的发展。现场制氢被认为可以有效解决直接储氢问题的方式之一，即采用高能量密度的液态碳氢化合物通过反应系统现场产生氢气供给燃料电池使用。目前，制氢方法呈现多样化的格局，将碳氢化合物重整制备氢气是该领域的研究热点。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，水蒸气重整法能够得到较高纯度的氢气，但是该反应为吸热反应，需要外部热源且热效率低。部分氧化重整法是放热反应，能够在较低温度进行反应，但氢气的纯度相对较低。自热重整法是把水蒸气重整和部分氧化重整结合在一起，可以实现反应启动后不需要外部供热即可获得较高纯度的氢气，因此自热重整反应制氢是一个研究热点。由于碳氢化合物自热重整反应包括混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离等过程，目前大部分的重整制氢反应器各个功能模块是独立的，导致整个反应系统体积庞大，并且反应过程热量损失严重。本专利技术针对这个问题，提出一种集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的碳氢化合物自热重整制氢反应器，结构紧凑的同时还提高了反应系统的热利用率。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，本专利技术集混合、蒸发、催化反应、热交换及液气分离功能于一体。本专利技术采用如下技术方案：一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中：所述蒸发单元包括空气进管、加热棒及蒸发体，所述加热棒设置在蒸发体内，所述蒸发体设有预热液态燃料进口、空气与预热燃料混合通道和混合气态燃料出口，所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，所述预热液态燃料进口、燃料蒸发微通道、空气与预热燃料混合通道及混合气态燃料出口依次连通形成燃料混合蒸发流动通道；所述催化反应单元包括反应筒、催化剂载体及加热环，所述反应筒内设有反应腔，反应腔的外侧设置加热环，反应腔内的底部设置催化剂载体，反应筒的一侧设有预热液态燃料运输通道，并与预热液态燃料进口连通，所述反应筒的顶部设有混合气态燃料进口并与蒸发单元的混合气态燃料出口连通，所述反应筒的底部设置开有高温反应产物出口的反应筒下板；所述混合与热交换单元包括换热套筒，所述换热套筒两端设置换热上板及换热下板，所述换热套筒内设置由多根导流管构成的反应产物流动通道，所述换热上板设有混合液态燃料出口及反应产物流动通道的进口，所述反应产物流通通道的进口与催化反应单元的高温反应产物出口连通，所述混合液态燃料出口与催化反应单元的预热液态燃料运输通道连通，所述换热下板设置反应产物流通通道出口，所述换热套筒的两侧设置碳氢化合物进口和水的进口，所述换热套筒和导流管之间的空间构成碳氢化合物和水的混合空间；所述液气分离单元包括冷却反应产物出口、集液腔和外腔，所述集液腔和外腔分别与混合与热交换单元对应的反应产物流通通道连通，所述集液腔设有排液孔，用于分离出来的液态产物流出，所述冷却反应产物出口与外腔连通。所述蒸发体及反应筒内均设有热电偶。所述蒸发体上端设置蒸发上板，所述蒸发上板和蒸发体之间设置蒸发体上垫片用于密封，所述蒸发体和催化反应单元之间设置蒸发体下垫片用于密封，所述混合气态燃料出口设置在蒸发体下垫片的中心位置。所述燃料蒸发微通道包括环形微通道及直微通道。所述混合气态燃料进口及高温反应产物出口具有锥形开口。所述反应产物流动通道由以换热套筒中心向外布置的导流管构成，所述导流管竖向放置，位于换热套筒中心的导流管为一根，其顶部与反应产物流动通道的进口连通，其它导流管以位于热套筒中心的导流管为对称，向两侧均匀排列，导流管之间首尾连通，最后一组导流管与反应产物流动通道出口连通。所述换热上板设有一个环形凹槽，所述换热下板设有圆形凹槽。所述蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元均设有法兰结构。优选的，导流管分为三组，设置中心的导流管为第一组，沿着中心一侧向外分别为第二组及第三组，所述第一组的下端通过换热下板的圆形凹槽与第二组的下端连通，所述第二组的上端通过换热上板的环形凹槽与第三组上端连通。优选的，集液腔与第一组及第二组导流管的下端连通，外腔与第三组导流管下端连通。本专利技术的工作过程为：混合与热交换单元中的液态碳氢化合物燃料A与水B在混合与热交换单元内混合，并且进一步通过与气态反应产物D进行热交换使得混合液态燃料A和B预热，预热后的混合液态燃料A和B流入蒸发单元内，加热棒加热使得预热混合液态燃料A和B汽化，并且与空气C混合，所得混合气态燃料A、B和C最后流入催化反应单元内；加热环把催化反应单元加热到预设的反应温度，此时催化反应单元内的混合气态燃料A、B和C在温度和催化剂的共同作用下发生自热重整制氢反应产生氢气和少量副产物，当自热重整反应进行时停止加热环的供热，所得的气态反应产物D流入混合与热交换单元内；混合与热交换单元内气态反应产物D与混合液态燃料A和B进行热交换，热交换后的气态反应产物D流入液气分离单元，部分反应产物遇冷后液化流入液气分离单元的集液腔内，气态反应产物D最终通过液气分离单元外腔，最后经冷却反应产物出口排出。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术自热重整制氢产生纯度高杂质少的氢气，现场产生现场使用，浓度不会达到爆炸极限，有较好的安全性，解决了氢气储存问题。(2)本专利技术回收反应产物余热以进行燃料的预热，对液态燃料升温的同时冷却了反应产物，提高反应系统的热利用率。(3)整个自热重整制氢反应器体积紧凑，集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体，并且可根据需求增加或减少各单元的数量，能够适应规模扩大与缩小。附图说明图1是本专利技术一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器的结构示意图；图2是本专利技术实施例中混合与热交换单元的结构示意图；图3是本专利技术实施例中混合与热交换单元换热上板的俯视图；图4是本专利技术实施例中混合与热交换单元换热下板的仰视图；图5是本专利技术实施例中蒸发单元的结构示意图；图6是本专利技术实施例中蒸发单元蒸发体的俯视图；图7是本专利技术实施例中蒸发单元蒸发体的仰视图；图8是本专利技术实施例中催化反应单元的结构示意图；图9是本专利技术实施例中催化反应单元反应筒的俯视图；图10是本专利技术实施例中液气分离单元的俯视图。具体实施方式下面结合实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中：/n所述蒸发单元包括空气进管、加热棒及蒸发体，所述加热棒设置在蒸发体内，所述蒸发体设有预热液态燃料进口、空气与预热燃料混合通道和混合气态燃料出口，所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，所述预热液态燃料进口、燃料蒸发微通道、空气与预热燃料混合通道及混合气态燃料出口依次连通形成燃料混合蒸发流动通道；/n所述催化反应单元包括反应筒、催化剂载体及加热环，所述反应筒内设有反应腔，反应腔的外侧设置加热环，反应腔内的底部设置催化剂载体，反应筒的一侧设有预热液态燃料运输通道，并与预热液态燃料进口连通，所述反应筒的顶部设有混合气态燃料进口并与蒸发单元的混合气态燃料出口连通，所述反应筒的底部设置开有高温反应产物出口的反应筒下板；/n所述混合与热交换单元包括换热套筒，所述换热套筒两端设置换热上板及换热下板，所述换热套筒内设置由多根导流管构成的反应产物流动通道，所述换热上板设有混合液态燃料出口及反应产物流动通道的进口，所述反应产物流通通道的进口与催化反应单元的高温反应产物出口连通，所述混合液态燃料出口与催化反应单元的预热液态燃料运输通道连通，所述换热下板设置反应产物流通通道出口，所述换热套筒的两侧设置碳氢化合物进口和水的进口，所述换热套筒和导流管之间的空间构成碳氢化合物和水的混合空间；/n所述液气分离单元包括冷却反应产物出口、集液腔和外腔，所述集液腔和外腔分别与混合与热交换单元对应的反应产物流通通道连通，所述集液腔设有排液孔，用于分离出来的液态产物流出，所述冷却反应产物出口与外腔连通。/n...

【技术特征摘要】
1.一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中：
所述蒸发单元包括空气进管、加热棒及蒸发体，所述加热棒设置在蒸发体内，所述蒸发体设有预热液态燃料进口、空气与预热燃料混合通道和混合气态燃料出口，所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，所述预热液态燃料进口、燃料蒸发微通道、空气与预热燃料混合通道及混合气态燃料出口依次连通形成燃料混合蒸发流动通道；
所述催化反应单元包括反应筒、催化剂载体及加热环，所述反应筒内设有反应腔，反应腔的外侧设置加热环，反应腔内的底部设置催化剂载体，反应筒的一侧设有预热液态燃料运输通道，并与预热液态燃料进口连通，所述反应筒的顶部设有混合气态燃料进口并与蒸发单元的混合气态燃料出口连通，所述反应筒的底部设置开有高温反应产物出口的反应筒下板；
所述混合与热交换单元包括换热套筒，所述换热套筒两端设置换热上板及换热下板，所述换热套筒内设置由多根导流管构成的反应产物流动通道，所述换热上板设有混合液态燃料出口及反应产物流动通道的进口，所述反应产物流通通道的进口与催化反应单元的高温反应产物出口连通，所述混合液态燃料出口与催化反应单元的预热液态燃料运输通道连通，所述换热下板设置反应产物流通通道出口，所述换热套筒的两侧设置碳氢化合物进口和水的进口，所述换热套筒和导流管之间的空间构成碳氢化合物和水的混合空间；
所述液气分离单元包括冷却反应产物出口、集液腔和外腔，所述集液腔和外腔分别与混合与热交换单元对应的反应产物流通通道连通，所述集液腔设有排液孔，用于分离出来的液态产物流出，所述冷却反应产物出口与外腔连通。


2.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述蒸发体及反应筒内均设有热电偶。


3.根据权利要求1所述的碳氢化...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘敏强，胡浩忠，史翊翔，李爽，
申请(专利权)人：华南理工大学，清华大学，清华大学山西清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44