CN103107350B

CN103107350B - 温控型单体反应器

Info

Publication number: CN103107350B
Application number: CN201310038864.8A
Authority: CN
Inventors: 欧阳洵
Original assignee: Individual
Current assignee: Beijing Nowogen Technology Co ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103107350A

Abstract

本发明提供一种温控型单体反应器，优选由铝合金制成，也能够由不锈钢或铜制成，用于待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应。借助于本发明的温控型单体反应器，所述反应器内的反应温度能够被控制在约180℃-230℃，优选在约190℃-210℃，由此所述一氧化碳优先甲烷化反应中的二氧化碳还原反应的转化率被控制在约1%-4%，确保氢气不会被大量消耗掉，结构简单、成本低。

Description

温控型单体反应器

技术领域

本发明涉及一种温控型单体反应器，更具体地，涉及这样一种温控型单体反应器，其用于待供应至燃料电池***（例如，低温质子交换膜燃料电池***）的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应。

背景技术

已知的是，在燃料电池***的领域中，存在多种用于制备氢气的燃料类型，例如烷类（甲烷、乙烷等）、醇类（甲醇、乙醇等）、汽油、柴油等。这些燃料通常通过燃料重整反应（主要包括燃料汽化重整反应、燃料自热重整反应及燃料部分氧化重整反应三种重整方式，其中燃料汽化重整反应最为常用）来产生氢气，例如，甲醇汽化重整反应的反应式为CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂,甲烷部分氧化反应的反应式为CH₄+0.5O₂→CO+2H₂。

但是，在通过燃料重整反应制得氢气的同时，也会进行生成一氧化碳的水汽置换反应（CO₂+H₂→CO+H₂O）。由此，最终的反应气体通常会包含约65%-75%的氢气、约15%-25%的二氧化碳、约1%-5%的一氧化碳以及2%以下的甲烷。

然而，在将上述的反应气体输送到燃料电池***（尤其是，低温质子交换膜燃料电池***）之前，为了符合基本的燃料要求，通常需要通过氢气提纯方法来将一氧化碳的含量减少到百万分之十（10ppm）以下，同时确保氢气含量不会明显降低，以保证制氢效率。

一种已知的氢气提纯方法是在反应器***中进行一氧化碳优先甲烷化反应（通常采用钌为催化剂），其中，一氧化碳还原反应——即，反应A：CO+3H₂→CH₄+H₂O——为优先反应；二氧化碳还原反应——即，反应B：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O——为需抑制的反应（称为“抑制反应”）。

因此，为了抑制反应B而优先进行反应A，即，优先地进行去除CO的反应A而抑制同样消耗H2的反应B，需要将反应温度控制在一个合适的范围内，使得既能够将一氧化碳含量降低到10ppm以下，甚至更低，又能够同时确保不会因为温度过高而使氢气通过反应B被大量消耗掉。

然而，常规的反应器***通常是将多个反应器进行阶梯型串联（例如，需要通过人工焊接等方式来实现），并且通常需要采用多于一个的散热装置来对整个反应器***散热，结构过于复杂，且成本高。而且，即使采用了阶梯型串联设计，整个反应器***中在反应气体流量变化大时仍然容易出现局部过热现象，虽然常规的反应器***往往也能使反应A的转化率达到100%，但是过高的温度会导致催化剂活性下降而使反应B加剧（使反应B具有大致约5%-约40%的转化率），这造成大量的氢气被消耗掉，明显降低了制氢效率。

因此，极需一种新型的反应器来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温控型单体反应器，用于待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应，该温控型单体反应器包括：

一个壳体；

一个入口，设置在所述壳体上，以引入所述反应气体；

一个出口，设置在所述壳体上，以排出所述反应气体；

多个中空的主管路，用于放置催化剂，所述多个主管路封装在所述壳体内并与所述入口和所述出口连通，每个主管路优选在其内布置有一个或多个叠层状的铝合金叶片；

一个温度控制机构，包括：

多个散热构件，与所述多个主管路上下叠置，其中散热构件和主管路交替地堆叠，以一个在另一个上方的方式布置在所述壳体内，每个散热构件大体由一个或多个叠层状的铝合金叶片形成；

至少一对冷却孔，彼此相对地设置在所述壳体上，分别与散热构件连通，并用于与至少一个外部的冷却***连通；

其中，所述温度控制机构将所述主管路内的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃。

上述新型的温控型单体反应器，能够有效地将反应温度控制在约180℃至约230℃之间，优选控制在约190℃-210℃，从而保持催化剂的活性，使其反应时间长，在使得一氧化碳还原反应的转化率为100%的同时，抑制二氧化碳还原反应的转化率，将其大致控制在约1%-4%，由此确保氢气不会被大量消耗掉，且结构简单、成本低。

本发明还提供一种利用上述温控型单体反应器进行待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应的方法，该方法将一氧化碳优先甲烷化反应的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃。由此，将二氧化碳还原反应的转化率控制在约1%-4%。

附图说明

参考以下附图，结合下文非限制的示例性实施方案能够更好地理解本发明，在附图中，相同的参考标号表示相同的部件或部分。应理解，这些附图是非限制性的，未必按比例绘制，且有些特征可能未示出。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施方案的温控型单体反应器的立体示意图；

图2是图1所示温控型单体反应器的正视图；

图3是图1所示温控型单体反应器中的内部结构的立体示意图，所述内部结构包括上下叠置、交替地堆叠布置的主管路和散热构件，其中主管路是中空的，或者其内可以具有叠层状的铝合金叶片；

图4是图3所示内部结构的截面图；

图5是显示温控型单体反应器中发生一氧化碳优先甲烷化反应时图3所示内部结构中的气体流向的示意图；

图6是单个主管路和由一个叠层状铝合金叶片形成的散热构件上下叠置的示意图；

图7A是根据另一实施方案的示意图，其中单个主管路和由多个叠层状铝合金叶片交错布置形成的散热构件上下叠置的示意图；

图7B是图7A的部分放大的示意图；

图8A是根据又一实施方案的示意图，其中单个主管路和由多个叠层状铝合金叶片彼此成一角度布置形成的散热构件上下叠置的示意图；

图8B是图8A的部分放大的示意图；

图9是根据本发明的再一实施方案的温控型单体反应器的立体示意图；以及

图10是图9所示温控型单体反应器的正视图。

具体实施方式

在本发明中，如无其他说明，则气体混合物中各组分的百分比含量按体积百分比计算。

在本发明中，“一氧化碳优先甲烷化反应”应理解为在包括氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水的体系（也可以还有其他的成分）中，优先实现一氧化碳还原反应，同时抑制二氧化碳还原反应的过程。因此，只要在包括氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、水的体系（也可以还有其他的成分）中，同时实现这两个目的，都应当理解为属于本发明所述的“一氧化碳优先甲烷化反应”。

本发明的温控型单体反应器优选由铝合金制成，但也可以用铜、不锈钢或其他适合的材料制成，用于待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应，该温控型单体反应器包括：

一个壳体；

一个入口，设置在所述壳体上，以引入所述反应气体；

一个出口，设置在所述壳体上，以排出所述反应气体；

一个温度控制机构，包括：

其中，所述温度控制机构将所述主管路内的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃。由此，能够将所述二氧化碳还原反应的转化率控制在约1%-4%。

在本发明中，在一氧化碳优先甲烷化反应中，一氧化碳还原反应（下文也可称为“反应A”）——即，CO+3H₂→CH₄+H₂O——为优先反应；二氧化碳还原反应（下文也可称为“反应B”）——即，CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O——为需要抑制的反应。

在本发明中，燃料重整反应主要包括燃料汽化重整反应（下文也称为“反应I”）、燃料自热重整反应（下文也称为“反应II”）及燃料部分氧化反应（下文也称为“反应III”），反应通式如下记载：

反应I：C_xH_yO_z+（2x-z）H₂O→xCO₂+(2x-z+y/2)H₂;

反应II：C_xH_yO_z+（x-z-j）H₂O+（j/2）O₂→（x）CO+(x-z-j+y/2)H₂;

反应III：C_xH_yO_z+0.5（x-z）O₂→（x）CO+(y/2)H₂。

应理解，在进行各类重整反应的同时，也会进行生成一氧化碳的水汽置换反应（下文也称为“反应IV”），即，CO₂+H₂→CO+H₂O。

应理解，用于制氢的燃料可以为烷类（例如，甲烷或乙烷）、醇类（例如，甲醇或乙醇）、汽油、柴油或其他适合的燃料。

通常，经过反应I和反应IV的反应气体包括约65%-75%的氢气、约15%-25%的二氧化碳、约1%-5%的一氧化碳以及2%以下的甲烷；经过反应II和反应IV的反应气体包括约40%-60%的氢气、约10%-20%的二氧化碳、约1%-5%的一氧化碳、2%以下的甲烷及10%-30%的氮气（由于反应II所需氧气通常取自于空气，故含有氮气）；以及，经过反应III和反应IV的反应气体包括约15%-30%的氢气、约10%-15%的二氧化碳、约1%-5%的一氧化碳、2%以下的甲烷及20%-30%的氮气（由于反应III所需氧气通常取自于空气，故含有氮气）。

可以看出，上述三种燃料重整反应的反应气体中都包含约1%-5%的一氧化碳。应理解，在反应气体输送到燃料电池***之前，一氧化碳的含量应被减少到百万分之十（10ppm）以下，甚至更低。

本发明的温控型单体反应器可用于减少一氧化碳的含量。

在本发明的一个优选实施方案中，每个叠层状的铝合金叶片的厚度为约0.1mm至2mm，且具有方形、三角形或半圆波浪形的截面形状。

在本发明的一个优选实施方案中，所述多个叠层状的铝合金叶片可以彼此对齐地水平布置、彼此交错地水平布置或者彼此成一角度地倾斜布置，优选地彼此成120°至175°，以增强流体的导热特性，同时不过度地增加冷却***的进出口压降。

在此特别指出，采用上述构造和设置的叠层状铝合金叶片具有非常好的散热效果，有助于本发明的温控型单体反应器的对反应温度的控制。

在本发明的一个优选实施方案中，所述催化剂以颗粒形式填充在所述主管路中，呈固定床状态。

在本发明的一个优选实施方案中，所述催化剂涂覆在所述主管路的内壁上，且优选具有约0.5mm至2.0mm的厚度。

在一个优选的实施例方案中，催化剂为钌催化剂，为负载型催化剂或涂层型催化剂，前者优选以固定床形式使用，按载体重量为基准，为5-20%Ru（按金属计算）/Al₂O₃或5-20%Ru（按金属计算）/SiO₂；后者以涂层形式用于反应器内壁，基于涂层总重量，钌的含量为5-20%Ru（按金属计算），涂料为钌可溶性盐的硅溶胶溶液或铝溶胶溶液，经过涂敷，附着于反应器的内壁。

在本发明的一个优选实施方案中，所述至少一个外部冷却***是风扇、鼓风机、气泵、高压空气钢瓶或其他适合的冷却***，有助于本发明的温控型单体反应器对反应温度的控制。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料重整反应为燃料汽化重整反应、燃料自热重整反应或燃料部分氧化重整反应。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电池***是低温质子交换膜燃料电池***，也可以是其他适合的燃料电池***。

现结合附图，对发明作进一步的示例性说明。总体参照图1和2，图1-2分别示出根据本发明的一个实施方案的温控型单体反应器1的立体示意图和正视图。所述温控型单体反应器1优选由铝合金制成，但也可以由铜、不锈钢或其他适合的材料制成，其用于待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应（例如，可以为燃料汽化重整反应、燃料自热重整反应或燃料部分氧化重整反应）得到的反应气体（通常包括约1-5%的一氧化碳）的一氧化碳优先甲烷化反应，该反应器包括：一个壳体2；一个入口3，设置在所述壳体2上，以引入所述反应气体；一个出口4，设置在所述壳体2上，以排出所述反应气体；多个中空的主管路6，用于放置催化剂，所述多个主管路6封装在所述壳体2内并与所述入口3和所述出口4连通；一个温度控制机构（未标记），包括：多个散热构件7，与所述多个主管路6上下叠置，其中散热构件7和主管路6交替地堆叠，以一个在另一个上方的方式布置在所述壳体2内，每个散热构件7大体由一个或多个叠层状的铝合金叶片形成；一对冷却孔5、5’（根据实际需要，也可以为多对冷却孔），彼此相对地设置在所述壳体2上，分别与散热构件7连通，并用于与至少一个外部的冷却***（未示出，根据实际需要，也可以为多个冷却***，例如可以是风扇、鼓风机、气泵、高压空气钢瓶或其他适合的冷却装置）连通；其中，所述温度控制机构将所述主管路6内的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃，由此能够将所述二氧化碳还原反应的转化率控制在约1%-4%。

参见图3和4，示出了主管路6和散热构件7上下叠置、交替地堆叠布置（一个在另一个上方）的立体图和截面图。如图5所示，示出了反应气体的流向，反应气体通入温控型单体反应器1的内部，进行一氧化碳优先甲烷化反应，发生去除CO的反应A，并且由于反应温度被控制在约180℃-230℃，优选在约190℃-210℃，有效地抑制了反应B的发生，即，反应B的转化率被控制在约1%-4%，远低于常规反应器***对反应B转化率的控制（通常在约5%-40%），确保了氢气不会大量被消耗掉，保证了制氢效率。

在本发明的一个优选实施方案中，每个叠层状的铝合金叶片的厚度为约0.1mm至2mm，且具有方形、三角形或半圆波浪形的截面形状或其他适合的形状，参见图6中示出的散热构件的基本的叶片结构。

在本发明的一个优选实施方案中，参见图7A和图7B，四个叠层状的铝合金叶片8’彼此交错地水平布置，形成反应器中的散热构件；或者，参见图8A和图8B，铝合金叶片8”彼此成一角度地倾斜布置，形成反应器中的散热构件7中，优选地彼此成120°至175°，以增强导热特性。

在本发明的一个优选实施方案中，所述催化剂以颗粒形式填充在所述主管路中，成固定床状态；或者，所述催化剂涂覆在所述主管路的内壁上，且具有约0.5mm至2.0mm的厚度。

参见图9和10，分别示出根据本发明的再一实施方案的温控型单体反应器的立体示意图和正视图。不同于图1和2示出的温控型单体反应器的是，此温控型单体反应器10包括两对冷却孔50、50’和51、51’，分别与两个冷却***相连，这样的冷却效果会更好，更加有助于反应器对温度的控制。

在本发明的一个优选实施方案中，所述燃料电池***是低温质子交换膜燃料电池***。

本发明利用上述温控型单体反应器进行待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应的方法，包括将一氧化碳优先甲烷化反应的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃。由此，将二氧化碳还原反应的转化率控制在约1%-4%。

在本发明方法的一个优选实施方案中，反应在钌催化剂存在下进行。钌催化剂为负载型催化剂或涂层型催化剂，前者优选以固定床形式使用，按载体重量为基准，为5-20%Ru（按金属计算）/Al₂O₃或5-20%Ru（按金属计算）/SiO₂；后者以涂层形式用于反应器内壁，基于涂层总重量，钌的含量为5-20%Ru（按金属计算），涂料为钌可溶性盐的硅溶胶溶液或铝溶胶溶液，经过涂敷，附着于反应器的内壁。

下文将给出本发明的非限制性实施例以及采用现有反应器***的比较例，以更清楚地阐释本发明的优势。应理解，下文的实施例并不限制本发明的范围。

实施例

实施例1

提供一个温控型单体反应器，其由铝合金制成，总体结构如图1所示，具有40个中空的主管路（长-300mm；宽-150mm；高-10mm，其中主管路的壁厚为2mm）和39个散热构件（长-150mm；宽-300mm；高-5mm；其中散热构件长度和宽度的取向与主管路不同），主管路中没有布置叠层状的铝合金叶片，主管路和形成散热构件的叠层状铝合金叶片的布置结构如图6所示，其中叶片高度为5mm，叠层宽度（两个叠层之间的间隔）为3mm；与该反应器的一对冷却孔相连通的是一个风扇（型号：W1G250HH6752-BA-ENG，购自德国EBM PAPST）；催化剂采用颗粒状钌催化剂（5重量%/Al₂O₃,型号：PM0400321，购自美国安格有限公司），颗粒为1.5mm直径X1.5mm高度的圆柱体，填充在主管路内，呈固定床状态；通过甲烷汽化重整反应得到的初始的反应气体总流量为67克/分钟，该反应气体包括氢气6.2克/分钟，二氧化碳43.6克/分钟，一氧化碳1克/分钟，水16.2克/分钟，反应物温度为200摄氏度；其中，风扇送入的空气流量为577克/分钟，温度为25摄氏度；反应后的生成气体包括氢气5.67克/分钟，二氧化碳41.83克/分钟，甲烷1.2克/分钟，水18.27克/分钟，生成物温度（对应于反应温度，下同）约为200摄氏度，一氧化碳还原反应转化率100%，二氧化碳还原反应转化率4%；其中，主管路与散热构件的热交换量为185瓦。

实施例2

提供一个温控型单体反应器，其由铝合金制成，总体结构如图9所示，具有30个主管路（长-500mm；宽-150mm；高-10mm；其中主管路的壁厚为2mm）和29个散热构件（长-200mm；宽-500mm；高-5mm）；每个主管路内都布置有叠层状的铝合金叶片，叶片高度为6mm，叠层宽度为4mm，叶片长度为500mm；形成散热构件的四个错位布置的叠层状铝合金叶片的布置如图7A所示，每个叶片的高度为5mm，叠层宽度为3mm，长度为50mm；与该反应器的两对冷却孔分别相连通的是两个风扇（型号：PSD17051，购自台湾建准公司）；催化剂采用钌催化剂（型号：PM0400321，购自美国安格有限公司），涂覆在主管路的内壁上，涂层厚度为0.5mm,涂料为含钌的硅溶胶，涂层内基于SiO₂重量，Ru含量为7重量%；通过乙烷汽化重整反应得到的初始的反应气体总流量为41.8克/分钟，该反应气体包括氢气3.63克/分钟，二氧化碳26.41克/分钟，一氧化碳2.77克/分钟，水9.03克/分钟，反应物温度为220摄氏度；其中，一个风扇送入的空气流量为1154克/分钟，温度为25摄氏度，另一个风扇送入的空气流量为577克/分钟，温度为25摄氏度；反应后的生成气体包括氢气2.91克/分钟，二氧化碳25.75克/分钟，甲烷1.83克/分钟，水11.35克/分钟，生成物温度约为180摄氏度，一氧化碳还原反应转化率100%，二氧化碳还原反应转化率1.5%；其中，主管路与散热构件的热交换量总体为755瓦。

实施例3

提供一个反应器***，其由不锈钢制成，总体结构如图1所示，具有40个主管路（长-600mm；宽-150mm；高-10mm；其中主管路的壁厚为2mm）和39个散热构件（长-250mm；宽-600mm；高-5mm），每个主管路内都布置有叠层状的铝合金叶片，每个叶片高度为6mm，叠层宽度为4mm，叶片长度为600mm；形成散热构件的五个叠层状铝合金叶片的布置如图8A所示，每个叶片的高度为5mm，叠层宽度为3mm，长度为50mm,彼此之间成150°布置；与该反应器的一对冷却孔相连通的是一个风扇（型号：PSD17051，购自台湾建准公司）；催化剂采用钌催化剂（型号：PM0400321，购自美国安格有限公司），涂覆在主管路的内壁上，涂层厚度为1.0mm,涂料为含钌的铝溶胶，涂层内基于Al₂O₃重量，Ru含量为10重量%；通过甲醇汽化重整反应得到的初始的反应气体的总流量为37.79克/分钟，包括氢气3.02克/分钟，二氧化碳27.51克/分钟，一氧化碳1.4克/分钟，水5.85克/分钟，反应物温度为200摄氏度；其中，风扇送入的空气流量为1100克/分钟，温度为35摄氏度；反应后的生成气体包括氢气2.56克/分钟，二氧化碳26.63克/分钟，甲烷1.12克/分钟，水7.47克/分钟，生成物温度为约190摄氏度，一氧化碳还原反应转化率100%，二氧化碳还原反应转化率2.2%；经过计算其中，主管路与散热构件的总热交换量为565瓦。

比较例1

提供一个常规的反应器***，其包括采用不锈钢制成的管壳式热交换器（型号为8H25，购自上海市欧德克流体处理设备有限公司；其中壳直径：120mm，壳高：600mm；管直径6mm；管数量：15）作为一氧化碳优先甲烷化反应器；反应器内部采用颗粒状的钌催化剂（5重量%/Al₂O₃,型号：PM0400321，购自美国安格有限公司），颗粒为1.5mm直径X1.5mm高度的圆柱体，填充为固定床状态；与反应器相连通的是一个风扇（型号：W1G250HH6752-BA-ENG，购自德国EBM PAPST）；通过甲烷汽化重整反应得到的初始的反应气体的总流量为67克/分钟，包括氢气6.2克/分钟，二氧化碳43.6克/分钟，一氧化碳1克/分钟，水16.2克/分钟，反应物温度为200摄氏度；其中，风扇送入的空气流量为577克/分钟，温度为25摄氏度；反应后的生成气体包括氢气2.95克/分钟，二氧化碳27.01克/分钟，甲烷6.6克/分钟，水30.4克/分钟，生成物温度为380摄氏度，一氧化碳还原反应转化率100%，二氧化碳还原反应转化率38%；其中，反应通道与散热通道的热交换量为755瓦。

比较例2

提供一个常规的反应器***，其包括采用两个不锈钢管壳式热交换器作为一氧化碳优先甲烷化反应器；即，一个前置甲烷化反应器（型号为8H15，购自上海市欧德克流体处理设备有限公司；其中壳直径：120mm，壳高：300mm；管直径6mm，管数量：15）和一个后置甲烷化反应器（型号为8H15，购自上海市欧德克流体处理设备有限公司；其中壳直径：120mm，壳高：200mm；管直径6mm，管数量：15）；与该反应器相连通的是两个风扇（型号：PSD17051，购自台湾建准公司）；反应器内部采用颗粒状钌催化剂（7重量%/SiO₂,型号：PM0400321，购自美国安格有限公司），颗粒为1.5mm直径X1.5mm高度的圆柱体，填充为固定床状态；通过乙烷汽化重整反应得到的初始的反应气体的总流量为41.8克/分钟，包括氢气3.63克/分钟，二氧化碳26.41克/分钟，一氧化碳2.77克/分钟，水9.03克/分钟，反应物温度为220摄氏度；其中，一个风扇送入的空气流量为1154克/分钟，温度为25摄氏度，另一个风扇送入的空气流量为577克/分钟，温度为25摄氏度；反应后的生成气体包括氢气2.50克/分钟，二氧化碳23.53克/分钟，甲烷2.64克/分钟，水13.17克/分钟，生成物温度为240摄氏度，一氧化碳还原反应转化率100%，二氧化碳还原反应转化率10%；其中，反应通道与散热通道的热交换量总体为544瓦。

为了更清楚地阐释本发明的优势，下表1中列举出上述实施例和比较例中的关于氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、反应温度、反应A和反应B的转化率的相关数据：

表1关于上述实施例和比较例的相关数据

注：表1中总流量、H₂流量、CO流量、CO₂流量和CH₄流量的单位为g/min。

可以看出，本发明的温控型单体反应器能够将反应温度控制在约180℃-230℃之间，优选控制在约190℃-210℃之间，在保证反应A转化率为100%的同时，有效地抑制了反应B的进行，即，将反应B的转化率控制在约1%-4%，防止消耗掉大量氢气。

然而，常规的反应器***虽然使反应A的转化率为100%，但是由于低散热效率和内部结构的限制，会导致反应温度过高，催化剂活性下降，从而使反应B的转化率大大提高（例如，转化率为约10%，甚至高达约38%），这使得大量的氢气被消耗掉，而且即使采用多个不锈钢反应器和多个冷却散热***，也不能很有效地控制反应B的转化率，而且这种布置还增加了***的复杂程度，导致成本增加。

因此，本发明的温控型单体反应器总体上提高了制氢效率。例如，关于实施例1与比较例1，在初始反应气体中各物质含量相同的情况下，分别将其通入本发明的温控型单体反应器和常规反应器***中进行一氧化碳优先甲烷化反应后，实施例1中反应B的转化率为4%，氢气流量变为5.8g/min，比对比例1中的氢气流量提高了约1倍（对比例1中反应B的转化率高达38%，氢气流量为2.95g/min）；实施例2与比较例2相比，氢气流量也提高了约15%。

此外，由于本发明***中的温控型单体反应器充分利用铝合金材料的高热导系数和有效的散热结构来实现高效的温度控制，消除局部过热现象，将反应温度控制在约180℃-230℃之间，优选控制在约190℃-210℃之间，保证了催化剂的活性不会受到过高温度的影响，反应时间长，使本发明的温控型单体反应器能够更有效地保持工作效率。另外，本发明的温控型单体反应器结构简单，使制造成本降低。

应理解，本发明并不局限于以上所述实施方案和实施例。在不偏离本发明的实质精神的情况下，任何对于本发明的改进、变型或修改，都旨在被包括在本发明所附的权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种温控型单体反应器，用于待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应，其特征在于，该温控型单体反应器包括：

一个壳体；

一个入口，设置在所述壳体上，以引入所述反应气体；

一个出口，设置在所述壳体上，以排出所述反应气体；

多个中空的主管路，用于放置催化剂，所述多个主管路封装在所述壳体内并与所述入口和所述出口连通，每个主管路在其内布置有一个或多个叠层状的铝合金叶片；

一个温度控制机构，包括：

多个散热构件，与所述多个主管路上下叠置，其中散热构件

和主管路交替地堆叠，以一个在另一个上方的方式布置在所述壳

体内部，每个散热构件由一个或多个叠层状的铝合金叶片形成；

其中，所述温度控制机构将所述主管路内的反应温度控制在180℃-230℃；

其中，所述多个叠层状的铝合金叶片彼此对齐地水平布置、交错地水平布置或者彼此成一角度地倾斜布置。

2.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，主管路内放置或设置的催化剂为钌催化剂，该钌催化剂为负载型催化剂或涂层型催化剂。

3.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，每个叠层状的铝合金叶片的厚度为0.1mm至2mm，且具有方形、三角形或半圆波浪形的截面形状。

4.权利要求1或2的温控型单体反应器，其特征在于，所述催化剂以颗粒形式填充在所述主管路中。

5.权利要求1或2的温控型单体反应器，其特征在于，所述催化剂涂覆在所述主管路的内壁上。

6.权利要求5的温控型单体反应器，其特征在于，涂覆在所述主管路的内壁上的催化剂具有0.5mm至2.0mm的厚度。

7.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，所述燃料重整反应为燃料汽化重整反应、燃料自热重整反应或燃料部分氧化重整反应。

8.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，所述温控型单体反应器由铝合金制成，但也可由不锈钢或铜制成。

9.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，所述燃料电池***为低温质子交换膜燃料电池***。

10.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，所述温度控制机构将所述主管路内的反应温度控制在190℃-210℃。

11.权利要求2的温控型单体反应器，其特征在于，所述负载型催化剂以固定床形式使用，按载体重量为基准，为按金属计算的5-20％Ru/Al₂O₃或按金属计算的5-20％Ru/SiO₂；所述涂层型催化剂以涂层形式用于反应器内壁，基于涂层总重量，钌的含量为按金属计算的5-20％Ru，涂料为钌可溶性盐的硅溶胶溶液或铝溶胶溶液，经过涂敷，附着于反应器主管路的内壁。

12.权利要求1的温控型单体反应器，其特征在于，所述多个叠层状的铝合金叶片彼此成120°至175°地倾斜布置。

13.一种利用权利要求1-12中任一项的温控型单体反应器进行待供应至燃料电池***的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应的方法，其特征在于，将一氧化碳优先甲烷化反应的反应温度控制在180℃-230℃。

14.权利要求13的方法，其中采用钌催化剂，该钌催化剂为负载型催化剂或涂层型催化剂。

15.权利要求13的方法，其中将一氧化碳优先甲烷化反应的反应温度控制在190℃-210℃。

16.权利要求14的方法，其中所述负载型催化剂以固定床形式使用，按载体重量为基准，为按金属计算的5-20％Ru/Al₂O₃或按金属计算的5-20％Ru/SiO₂；所述涂层型催化剂以涂层形式用于反应器内壁，基于涂层总重量，钌的含量为按金属计算的5-20％Ru，涂料为钌可溶性盐的硅溶胶溶液或铝溶胶溶液，经过涂敷，附着于反应器主管路的内壁。