一种自热式制氢装置的制作方法

本发明涉及制氢设备技术领域，具体涉及一种自热式制氢装置。

背景技术：

氢能是清洁的二次能源。近年来，随着氢能应用技术发展逐渐成熟，以及全球应对气候变化压力的持续增大，氢能产业的发展在世界各国备受关注，美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。而且“氢能与燃料电池技术创新”位列国家在能源技术革命创新行动计划当中，标志着氢能产业已被纳入中国国家能源战略。

甲醇水制氢机作为一种便携式可移动式制氢设备得到广泛应用。其原理为甲醇水燃料的吸热气化与重整产氢反应，氢气的提纯过程。甲醇水燃料经过加压和吸热气化后，进入催化剂进行重整反应(强吸热反应)，进而获得富含杂质的氢气。氢气经过提纯器之后产生高纯度的氢气(纯化转化成纯度达到99.99％的高纯度的氢气(h2)，且co含量≤1ppm)。在气化和重整反应过程中需要的热量由提纯剩下的尾气提供。氢气经过一系列的控制阀门后，进入电堆发生电化学反应，生成电能。

其反应机理如下：

ch3oh(g)→co+2h2，δ＝-90.64kj/mol，

co+h2o(g)→co2+h2，δ＝-41.00kj/mol。

其中的本反应为强吸热反应，需持续供给热量以维持反应进行，常规的操作方式是电加热或者燃料直燃加热加热的方式。电加热一般利用氢燃料电池产生的电量供给加热，此方式会降低甲醇制氢发电的效率，且直接使用加热带、加热棒等电加热方式易产生过热点，过热点会导致积碳反应的产生，同时影响催化剂本身的寿命。若采用燃料直燃的方式，在一定程度上避免了电能的损失，但是极易产生过热点，影响反应进行并降低催化剂寿命。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种自热式制氢装置，无需外加热源，具有导热迅速，加热均匀，热损失少等优点，提高了制氢反应的效率，降低能耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自热式制氢装置，包括甲醇水蒸发盘管、出气管、保温箱和制氢反应器，保温箱包括箱体以及包覆在箱体外壁上的保温材料；制氢反应器设在保温箱内，制氢反应器设有进气口和出气口，制氢反应器的进气口与甲醇水蒸发盘管的一端连接，制氢反应器的出气口与出气管的一端连接，甲醇水蒸发盘管和出气管的另一端延伸至保温箱外；制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管外包覆有金属导热层，保温箱内设有催化燃烧室，催化燃烧室设有燃气进口和烟气出口，催化燃烧室通过金属导热层与制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管相隔开并传递热量。

由上可知，本发明工作原理如下：燃气和空气经燃气进口进入催化燃烧室燃烧产热，为甲醇水汽化和制氢提供热量，烟气由烟气出口排出，催化燃烧室产生的热量通过金属导热层传递给制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管；甲醇水由甲醇水蒸发盘管输入制氢反应器内，甲醇水在甲醇水蒸发盘管中吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入制氢反应器，在催化剂的作用下甲醇水吸热裂解为氢气、二氧化碳与少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物一氧化碳和甲烷，上述混合气体通过出气管排出并进入后续提纯工段，保温材料包覆整个箱体防止热能散失。

综上可知，本发明催化燃烧室产生的热量通过金属导热层传递给制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管，可高效及时地将热能传递至制氢反应器，金属导热层的全包覆设计和高热导率保证无过热点和过冷点，加热均匀，提高了制氢反应的效率，以实现反应平稳进行，降低过热过冷对催化剂颗粒的热冲击作用；甲醇水在蒸发盘管吸热汽化的同时被预热至合适的反应温度，甲醇水蒸汽进入制氢反应器即可发生甲醇裂解反应，减少散热损失，提高热利用率，同时将甲醇水气化和制氢反应器集合在同一保温箱内，也可提高设备的空间利用率，减小设备体积。

作为本发明的一种改进，所述制氢反应器为列管式反应器或薄层反应器。

作为本发明的一种改进，所述制氢反应器内在进气口和出气口处均设有缓冲室。

作为本发明的一种改进，所述甲醇水蒸发盘管包括上甲醇水蒸发盘管和下甲醇水蒸发盘管，所述制氢反应器设在保温箱的中部，上甲醇水蒸发盘管设在制氢反应器上方，下甲醇水蒸发盘管设在制氢反应器下方，所述保温箱在上甲醇水蒸发盘管的上方设有上催化燃烧室、在下甲醇水蒸发盘管的下方设有下催化燃烧室。

作为本发明的一种改进，所述催化燃烧室的燃气进口处连接有进气管，进气管上设有点火器。

进一步地，所述金属导热层为铝质金属导热层或铜质金属导热层。

进一步地，所述甲醇水蒸发盘管为蛇形盘管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明催化燃烧室产生的热量通过金属导热层传递给制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管，可高效及时地将热能传递至制氢反应器，金属导热层的全包覆设计和高热导率保证无过热点和过冷点，加热均匀，提高了制氢反应的效率，以实现反应平稳进行，降低过热过冷对催化剂颗粒的热冲击作用；

甲醇水在蒸发盘管吸热汽化的同时被预热至合适的反应温度，甲醇水蒸汽进入制氢反应器即可发生甲醇裂解反应，减少散热损失，提高热利用率，同时将甲醇水气化和制氢反应器集合在同一保温箱内，也可提高设备的空间利用率，减小设备体积；

本发明产生氢气、二氧化碳与少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物一氧化碳和甲烷，上述混合气体源可以作为催化燃烧室的燃气，既解决了驰放废气内有毒的一氧化碳、甲醇蒸汽的排放问题，又提高了原料的利用率，实现原料利用率最大化最优化，本系统无需外置电源即可独立工作，提高了设备的适用性。

附图说明

图1为本发明自热式制氢装置的截面图；

图2为本发明自热式制氢装置甲醇水蒸发盘管的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例

请参考图1和图2，一种自热式制氢装置，包括甲醇水蒸发盘管、出气管40、保温箱10和制氢反应器30，保温箱10包括箱体11以及包覆在箱体11外壁上的保温材料12；制氢反应器30设在保温箱10内，制氢反应器30设有进气口和出气口，制氢反应器30的进气口与甲醇水蒸发盘管的一端连接，制氢反应器30的出气口与出气管40的一端连接，甲醇水蒸发盘管和出气管40的另一端延伸至保温箱10外；制氢反应器30、甲醇水蒸发盘管和出气管40外包覆有金属导热层60，保温箱10内设有催化燃烧室，催化燃烧室设有燃气进口53和烟气出口54，催化燃烧室通过金属导热层60与制氢反应器30、甲醇水蒸发盘管和出气管40相隔开并传递热量。

由上可知，本发明工作原理如下：燃气和空气经燃气进口进入催化燃烧室燃烧产热，为甲醇水汽化和制氢提供热量，烟气由烟气出口排出，催化燃烧室产生的热量通过金属导热层传递给制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管；甲醇水由甲醇水蒸发盘管输入制氢反应器内，甲醇水在甲醇水蒸发盘管中吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入制氢反应器，在催化剂的作用下甲醇水吸热裂解为氢气、二氧化碳与少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物一氧化碳和甲烷，上述混合气体通过出气管排出并进入后续提纯工段，保温材料包覆整个箱体防止热能散失。

综上可知，本发明催化燃烧室产生的热量通过金属导热层传递给制氢反应器、甲醇水蒸发盘管和出气管，可高效及时地将热能传递至制氢反应器，金属导热层的全包覆设计和高热导率保证无过热点和过冷点，加热均匀，提高了制氢反应的效率，以实现反应平稳进行，降低过热过冷对催化剂颗粒的热冲击作用；甲醇水在蒸发盘管吸热汽化的同时被预热至合适的反应温度，甲醇水蒸汽进入制氢反应器即可发生甲醇裂解反应，减少散热损失，提高热利用率，同时将甲醇水气化和制氢反应器集合在同一保温箱内，也可提高设备的空间利用率，减小设备体积。

另外，本发明产生氢气、二氧化碳与少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物一氧化碳和甲烷，上述混合气体源可以作为催化燃烧室的燃气，既解决了驰放废气内有毒的一氧化碳、甲醇蒸汽的排放问题，又提高了原料的利用率，实现原料利用率最大化最优化，本系统无需外置电源即可独立工作，提高了设备的适用性。

另外，所述制氢反应器30为列管式反应器或薄层反应器，在本实施例中，制氢反应器优选为列管式反应器。

在本实施例中，所述制氢反应器30内在进气口和出气口处均设有缓冲室31。缓冲室可以使在制氢反应器内的甲醇水蒸汽裂解反应更加充分。

在本实施例中，所述甲醇水蒸发盘管包括上甲醇水蒸发盘管21和下甲醇水蒸发盘管22，所述制氢反应器30设在保温箱10的中部，上甲醇水蒸发盘管21设在制氢反应器30上方，下甲醇水蒸发盘管22设在制氢反应器30下方，所述保温箱10在上甲醇水蒸发盘管21的上方设有上催化燃烧室51、在下甲醇水蒸发盘管22的下方设有下催化燃烧室52。设有上甲醇水蒸发盘管和下甲醇水蒸发盘管可以提高甲醇水蒸发效率，另外设有上催化燃烧室和下催化燃烧室提高了制氢反应器受热均衡性，提高反应效果。

在本实施例中，所述催化燃烧室的燃气进口53处连接有进气管70，进气管70上设有点火器80。点火器用于对进入催化燃烧室的燃气进行点火，方便实用。

在本实施例中，所述金属导热层60为铝质金属导热层或铜质金属导热层，优选为铜质金属导热层，铜材料对比铜材料具有更高的热导率。

在本实施例中，所述甲醇水蒸发盘管为蛇形盘管。蛇形盘管有利于保温箱内空间的排布，而且不会降低甲醇水的蒸发效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。