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一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置 Download PDF

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Abstract

一种利用甲醇水蒸气重整的低CO微型氢气产生装置，它涉及一种氢气产生装置，本发明为解决现有的制氢装置制氢效果不好且不够便携的问题，本发明包括下端板、气化层、燃烧层、两个重整层、冷却层、CO氧化层、干燥层、CO吸附层和上端板，所述下端板、气化层、两个重整层、冷却层、CO氧化层、干燥层、CO吸附层和上端板由下至上依次叠加连接，燃烧层水平设置在两个重整层之间。本发明属于微型氢气产生技术领域。本发明将甲醇水蒸气重整结构与产物气CO处理结构集成于一体，结构紧凑，体积更小，适合便携应用。

Description

一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置
技术领域
本发明涉及一种氢气产生装置，具体涉及一种利用甲醇水蒸气重整的低CO微型氢气产生装置，本发明属于微型氢气产生技术领域。
背景技术
CO，指一氧化碳的分子式，由一个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成，在通常状况下，一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体，具有可燃性，还原性和毒性。
燃料电池技术是一种高效、清洁的能源技术，其能将化学能转换为电能。其中，技术较为成熟的低温氢氧燃料电池因其结构简单、启动快、运行噪声小等优势展现出了良好的应用前景。但对于便携应用，低温氢氧烯料电池存在两方面问题。一方面，其阳极反应需要氢气，一般通过压缩储存提高能量密度，存在安全隐患；另一方面，阳极催化剂对CO容忍极小，一般大于10ppm，CO便会使之中毒失活。
现场制氢技术便是利用现用现制的方法，以规避氢气储存中的安全问题。一般通过化学反应的方式，将低碳有机物中的氢元素分离产生氢气。然而多数现场制氢过程反应温度较高，便携应用中则需要反应条件温和的制氢方法。因而目前最有应用前景的现场制氢方法便是甲醇水蒸气重整，其具有产氢效率高，原料甲醇便于运输储存等优势，同时反应温度低于绝大多数的现场制氢方法。然而该过程会伴随CO的产生，因此还需要额外的产物气体处理方法以去除CO。
富氢气体中CO的处理方法有很多，如膜分离、甲烷化、优先氧化等。但面向便携应用需要能够小型化、便于集成的热处理方法，一些涉及压力控制的方法便难以小型集成化。又由于甲醇重整产物气还存在大量CO2，在甲烷化反应过程会与CO竞争反应，不利于CO的去除。
发明内容
本发明为解决现有的制氢装置制氢效果不好以及不够便携的问题，进而提供一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置包括下端板、气化层、燃烧层、两个重整层、冷却层、CO氧化层、干燥层、CO吸附层和上端板，所述下端板、气化层、两个重整层、冷却层、CO氧化层、干燥层、CO吸附层和上端板由下至上依次叠加连接，燃烧层水平设置在两个重整层之间。
本发明的有益效果是：
1、本发明重整室和CO氧化室均采用一种“A”字型平行流场结构，相比于单蛇形流场，平行流场支持更大的气体流量，使出入口压差不至于过大；相比于一般的平行流场，“A”字型结构的流场具有更高的传质效率，尤其对于甲醇水蒸气重整，该结构可在相同条件下获得更高的甲醇转化率。
2、本发明将甲醇水蒸气重整结构与产物气CO处理结构集成于一体，结构紧凑，体积更小，适合便携应用。
3、相比于现有的氢气产生装置，本发明中所有环节的原料仅涉及甲醇水溶液和空气，输入输出简单，降低了操作难度，也使该装置更易于集成到需要低CO氢气源的供能***中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的分解示意图；
图3是气化层的结构俯视图；
图4是燃烧层的结构俯视图；
图5是重整层的结构俯视图；
图6是冷却层的结构俯视图；
图7是CO氧化层的结构俯视图；
图8是干燥层的结构俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置包括下端板1、气化层2、燃烧层3、两个重整层4、冷却层5、CO氧化层6、干燥层7、CO吸附层8和上端板9，所述下端板1、气化层2、两个重整层4、冷却层5、CO氧化层6、干燥层7、CO吸附层8和上端板9由下至上依次叠加连接，燃烧层3水平设置在两个重整层4之间。
具体实施方式二：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的下端板1、气化层2、燃烧层3、两个重整层4、冷却层5、CO氧化层6、干燥层7、CO吸附层8和上端板9均为长、宽尺寸相同的矩形板体。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述气化层2的上表面设有气化流道201，气化层2的一侧侧壁设有重整原料进液孔202。其它组成以连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述燃烧层3的上表面设有燃烧腔301，燃烧层3长度方向的外壁设有燃料进液孔302，燃烧层3宽度方向的一侧侧壁设有助燃剂进气口303，燃烧层3宽度方向的另一侧侧壁设有燃烧室流体出口304和测温插孔305，燃烧层3的上表面设有重整层连接孔306。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式每个重整层4的的上表面设有重整流场401，重整流场401的一侧设有重整原料蒸汽进气孔402，重整流场401的另一侧设有层间连接孔403。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述该装置还包括重整层密封石墨纸404，重整层密封石墨纸404位于冷却层5的下表面和重整层4的上表面之间。
其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式所述冷却层5的上表面设有冷却流道501，冷却流道501的一端设有重整产物气体进气孔502，冷却层5的一侧侧壁设有CO氧化剂进气孔503，冷却流道501的下表面设有隔热材料504。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述CO氧化层6的上表面设有氧化反应流场601，氧化反应流场601的一侧设有重整产物气进气孔602和氧化剂进气孔603。所述重整流场401及CO氧化反应流场601均为平行流场，采用一种“A”字型的结构，所述CO选择性氧化反应催化剂主要成分为CuO/CeO2，可高选择性地将CO氧化为CO2，且在氧化剂量适宜的情况下对氢气几乎无影响。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述干燥层7的上表面设有流体通道701，流体通道701的内部填充干燥剂，流体通道701的一端设有CO氧化产物气体进气孔702。
所述干燥剂主要成分为CaCl2，可去除经过CO选择性氧化区域后的混合气体中的H2O与CH3OH。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述CO吸附层8的上表面设有流体通道801，内部填充CO吸附剂，流体通道801的一端设有吸附层进气孔802，CO吸附层8的一侧侧壁上上设有产物气体出口803；CO吸附层8的上表面与上端板9之间设有CO吸附层密封石墨纸804。所述吸附剂为CuCl基π络合CO吸附剂，可实现相对其他重整产物气体高选择性的CO吸附。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
工作原理：
所述下端板1中间镂空，以减轻装置重量，上端板9无镂空且组装时与CO吸附层间使用石墨纸密封；本发明中气化层、重整层、燃烧层材料为紫铜，其余功能层(冷却层、干燥层、CO氧化层、CO吸附层)材料为铝合金，端板采用304不锈钢材料，隔热材料采用气凝胶隔热板。
本发明所述装置工作时，温度从下到上整体呈降低趋势，燃烧层温度最高，其上下两侧温度逐渐降低；本发明中所有层均设有4个直径3mm的螺纹孔；各层按图2所示顺序堆叠，并通过4个φ3螺丝组装为如图1所示的整体。装置共包含两条流体通道，即燃烧通道与氢气产生通道。燃烧通道由燃料进液孔302开始，经过燃烧腔301，从燃烧室流体出口304排出装置；氢气产生通道从燃料进液孔202开始，经过气化流道201到达重整原料气体进气孔402，再经过一层重整流场到达两层重整层的连接孔403，经过上层重整流场，再通过重整产物气体进气孔502流经冷却流道501，到达CO氧化层，经过氧化反应流场601以及干燥流道701到达CO吸附层进气孔802，流经CO吸附流道801，最终到达产物气体出口803，排出装置外。
装置开始工作之前，先进行升温操作，将甲醇水溶液以一定流速注入燃料进液孔302，并用空气泵从助燃剂进气孔303通入空气，在铂铝燃烧催化剂作用下，燃烧区发生甲醇燃烧反应，装置中隔热材料以下部分温度快速升高，在测温插孔305处***温度传感工具(如热电偶)，监测燃烧层温度，待温度升至甲醇水蒸气重整能够大量进行的温度(约200-220℃)时，通过甲醇原料进液孔202以一定流速向装置内注入甲醇水溶液，使装置内发生甲醇水蒸气重整反应，同时用空气泵通过氧化剂进气孔503向CO氧化区通入一定流速的空气，保证CO氧化功能正常运行。
甲醇水蒸气重整反应为吸热反应，反应开始后，若不增强热源供应，重整区温度会降低，重整反应将难以维持。因此甲醇重整反应开始进行后，即依据通入甲醇原料进液孔202的甲醇水溶液的流速，以及测温工具(如热电偶)测得的温度，调整通入燃烧区燃料进液孔302甲醇水溶液的流速。若通入原料进液孔202的流体流速增大，则增大通入燃料进液孔302的流体流速，使燃烧室发生更多的甲醇燃烧反应，放出更多的热，保持重整层温度稳定在200℃以上，从而确保装置内甲醇水蒸气重整反应正常进行。
本发明所述氢气产生装置，利用甲醇水溶液和空气作为原料，实现了低CO含量的氢气产生。装置的氢气产生速率与通入装置的重整原料的流速有关；然而重整原料的流速增大时，便需要向燃烧室通入更多的甲醇水溶液以维持温度。因此在甲醇能够在装置内几乎完全转化的前提下，宜依据氢气量的具体需求调整重整原料的流速，以获得最合适的氢气产生速率，同时避免浪费，提高装置乃至装置所在***的效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，所述一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置包括下端板(1)、气化层(2)、燃烧层(3)、两个重整层(4)、冷却层(5)、CO氧化层(6)、干燥层(7)、CO吸附层(8)和上端板(9)，所述下端板(1)、气化层(2)、两个重整层(4)、冷却层(5)、CO氧化层(6)、干燥层(7)、CO吸附层(8)和上端板(9)由下至上依次叠加连接，其特征在于：燃烧层(3)水平设置在两个重整层(4)之间；所述重整层(4)和CO氧化层(6)均采用一种“A”字型平行流场结构；每个重整层(4)的上表面设有重整流场(401)，重整流场(401)的一侧设有重整原料蒸汽进气孔(402)，重整流场(401)的另一侧设有层间连接孔(403)；CO氧化层(6)的上表面设有氧化反应流场(601)，氧化反应流场(601)的一侧设有重整产物气进气孔(602)和氧化剂进气孔(603)；所述CO氧化反应催化剂的主要成分为CuO/CeO2；所述气化层(2)、重整层(4)、燃烧层(3)的材料均为紫铜。
2.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：下端板(1)、气化层(2)、燃烧层(3)、两个重整层(4)、冷却层(5)、CO氧化层(6)、干燥层(7)、CO吸附层(8)和上端板(9)均为长、宽尺寸相同的矩形板体。
3.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：所述气化层(2)的上表面设有气化流道(201)，气化层(2)的一侧侧壁设有重整原料进液孔(202)。
4.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：所述燃烧层(3)的上表面设有燃烧腔(301)，燃烧层(3)长度方向的外壁设有燃料进液孔(302)，燃烧层(3)宽度方向的一侧侧壁设有助燃剂进气口(303)，燃烧层(3)宽度方向的另一侧侧壁设有燃烧室流体出口(304)和测温插孔(305)，燃烧层(3)的上表面设有重整层连接孔(306)。
5.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：所述该装置还包括重整层密封石墨纸(404)，重整层密封石墨纸(404)位于冷却层(5)的下表面和重整层(4)的上表面之间。
6.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：冷却层(5)的上表面设有冷却流道(501)，冷却流道(501)的一端设有重整产物气体进气孔(502)，冷却层(5)的一侧侧壁设有CO氧化剂进气孔(503)，冷却流道(501)的下表面设有隔热材料(504)。
7.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：干燥层(7)的上表面设有流体通道(701)，流体通道(701)的内部填充干燥剂，流体通道(701)的一端设有CO氧化产物气体进气孔(702)。
8.根据权利要求1所述的一种利用甲醇水蒸气重整的低一氧化碳微型氢气产生装置，其特征在于：CO吸附层(8)的上表面设有流体通道(801)，内部填充CO吸附剂，流体通道(801)的一端设有吸附层进气孔(802)，CO吸附层(8)的一侧侧壁上设有产物气体出口(803)；CO吸附层(8)的上表面与上端板(9)之间设有CO吸附层密封石墨纸(804)。
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