一种甲醇重整制氢反应器的制作方法

本发明涉及一种制氢反应器，尤其是涉及一种甲醇重整制氢反应器。

背景技术：

研究表明，机动车以废热形式排出的能量占燃料总能量的55%-80%，因此尾气的余热回收利用对于提高燃料使用率和节约能源非常重要。面对迫切的能源危机，氢燃料电池汽车拥有十分广阔的前景。现有的燃料电池汽车，通常采用高压储氢的方式将氢气运载在车上，不仅填充困难，携带大量氢气也存在泄露和事故中爆炸的隐患。现场制氢这一方法很好解决了上述问题。综合对比获得氢的方法，甲醇重整制氢有着得天独厚的优势。甲醇重整制氢方法是甲醇在250℃-300℃，1-5mpa,水醇比1-5条件下，在催化剂cu/al2o3下发生的多组分复杂反应，主要包括：

蒸汽重整反应：

甲醇分解反应：

水汽逆变换反应：

甲醇重整制氢的方式总的来说有以下几个优势：从反应物的角度来讲：第一，甲醇的来源途径广泛，既可从传统化石能源中加工获得，又可在动植物等生物质中取得。第二，与其他制氢方法相比，甲醇重整制氢的产氢效率更高，杂质也更少。从制氢方法角度来谈：甲醇重整制氢工艺成熟，操作简单、反应安全。从设备角度来看：甲醇重整制氢反应温度低，所需压力也不高，因此对反应装置的要求不高，作为汽车上使用也更为安全。

重整反应器生成的h2和少量co2经钯膜分离得到高纯度的氢。在整个重整反应的过程中，作为反应物的甲醇和水都必须保持气态。此外，甲醇水蒸汽重整制氢为强吸热反应，外部必须提供持续的供热。汽车尾气以废热形式排出的能量占总能量的55%-80%，同时它流量充足，温度高达500℃-700℃，利用汽车尾气余热为该反应供热完全满足反应条件；同时反应生成清洁的氢气，可直接送入内燃机燃烧，既提高了燃烧效率又减少了污染物排放。目前，甲醇重整制氢反应器大部分采用了外部供热的方式，不仅使得装置结构复杂，还浪费了大量能源。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种甲醇重整制氢反应器。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于包括自下而上设置的蒸发器、重整器和净化储存器，所述蒸发器、重整器和净化储存器通过竖直的导杆串联成为一个整体的结构；所述重整器顶部设置有热流体入口和冷流体出口，重整器底部设置有热流体出口和冷流体入口；所述重整器内部设置有若干层串联的冷流体腔道和若干层并联的热流体腔道，每层冷流体腔道内均设置有重整催化剂，第一层冷流体腔道的入口与冷流体入口连通，最后层冷流体腔道的出口与冷流体出口连通；每层热流体腔道的入口均与热流体入口连通，热尾气由热流体入口进入重整器的各层热流体腔道内，每层热流体腔道的出口均与热流体出口连通；所述冷流体腔道和热流体腔道均为层状空腔的结构，且所述冷流体腔道和热流体腔道在重整器内层层交替设置；所述蒸发器用于将甲醇水混合液原料加热汽化，形成的甲醇水混合气由冷流体入口进入重整器的冷流体腔道内进行催化重整反应，生成富氢产品；所述净化储存器用于将由重整器得到的富氢产品进行氢气净化和氢气存储。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于所述重整器由第一板片、第二板片以及设置于第一板片和第二板片之间进行密封的橡胶垫片依次叠合而成，所述第一板片、橡胶垫片以及第二板片之间围合形成密封的层状空腔；第一板片正面、橡胶垫片以及第二板片背面之间形成的层状空腔为所述冷流体腔道，第一板片背面、橡胶垫片以及第二板片正面之间形成的层状空腔为所述热流体腔道；所述重整器上还包括用于使各层冷流体腔道依次连通的重整分流道、用于连通各层热流体腔道的入口的第一重整主流道以及用于连通各层热流体腔道的出口的第二重整主流道。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于第一板片的一对角对称设置有一对第一冷冲孔且另一对角分别设置有第一热冲进孔和第一热冲出孔，所述第二板片相应的一对角对称设置有一对第二冷冲孔且相应的另一对角分别设置有第二热冲进孔和第二热冲出孔；当所述第一板片和第二板片依次叠合排列时，所述第一冷冲孔和第二冷冲孔对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流通甲醇水混合气的重整分流道，所述第一热冲进孔和第二热冲进孔对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流进热尾气的第一重整主流道，所述第一热冲出孔和第二热冲出孔对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流出热尾气的第二重整主流道。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于还包括催化剂支撑板，所述重整催化剂为cuo-zno-al2o3复配物，所述重整催化剂为圆柱块状结构并成排均匀的固定在催化剂支撑板上；所述第一板片正面设置有与催化剂支撑板形状相配的板槽，催化剂支撑板配合放置在板槽内。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于第一板片的两面均设置有第一菱形槽，第一板片的一对第一冷冲孔对称设置于所述第一菱形槽较长对角线的一对角内，且所述板槽位于第一菱形槽的中心，第二板片的两面均设置有与第一菱形槽相适配的第二菱形槽；当所述第一板片和第二板片依次叠合排列时，第一板片正面、橡胶垫片以及第二板片背面之间形成的层状空腔以及第一板片背面、橡胶垫片以及第二板片正面之间形成的层状空腔均为菱形结构。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于所述蒸发器顶部设置有蒸发器尾气入口和蒸发器甲醇水蒸气出口，蒸发器底部设置有蒸发器尾气出口和蒸发器甲醇水溶液入口；所述蒸发器尾气入口上的进气管分为两路，一路与重整器底部的热流体出口管路连接，另一路与热尾气入口管路连接，且所述蒸发器尾气入口上的进气管上设置有第一电磁流量计；所述蒸发器甲醇水蒸气出口通过第二电磁流量计与重整器底部的冷流体入口管路连接。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于所述蒸发器内部设置有层层交替的热蒸汽流动腔道和原料液流动腔道，所述热蒸汽流动腔道和原料液流动腔道均为层状空腔的结构；每层热蒸汽流动腔道的入口均与蒸发器尾气入口连通，每层热蒸汽流动腔道的出口均与蒸发器尾气出口连通；每层原料液流动腔道的入口均与蒸发器甲醇水溶液入口连通，每层原料液流动腔道的出口均与蒸发器甲醇水蒸气出口连通。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于所述蒸发器是由蒸发板片、密封垫板以及设置于蒸发板片和密封垫板之间进行密封的橡胶垫片依次叠合而成，所述蒸发板片、橡胶垫片和密封垫板之间围合形成密封的层状空腔；蒸发板片正面、橡胶垫片以及密封垫板背面之间形成的层状空腔即为所述原料液流动腔道，所述蒸发板片正面设置有波纹凸块，以增加甲醇水溶液从原料液流动腔道内流动的湍流强度；蒸发板片背面、橡胶垫片以及密封垫板正面之间形成的层状空腔即为所述热蒸汽流动腔道。

所述的一种甲醇重整制氢反应器，其特征在于净化储存器的顶部和底部分别设置有氢气出口和富氢产品入口，所述富氢产品入口与重整器顶部的冷流体出口管路连接。

相对于现有技术，本发明取得的有益效果是：

1、本发明的装置主要分为蒸发器、重整器、净化储存器三个部分，三者之间既相互独立、又紧密联系。且三个部分均采用板式结构，其不同功能均由内部的不同的板片决定，这使得装置整体结构紧凑合理又便于拆装维修。本发明的蒸发器和重整器通过冷、热流体层层换热的方式，大大降低了换热时的气膜厚度以及提高了换热面积，显著提高对热尾气热量的利用率，且换热效率高。

2、本装置采用甲醇和水作为重整制氢的原料，甲醇具有能量密度高，容易生产、储存和运输等优势。

3、本装置重整器和蒸发器可对汽车热尾气的热量进行回收利用，大大节约了能源。本装置重整器中催化剂布置方式有利于重整反应的进行，模块化的催化剂（将催化剂设置成圆柱块状，并成排均匀的固定设置在催化剂支撑板上）布置方式有利于进行维护和更新。

附图说明

图1为本发明甲醇重整制氢反应器的整体结构示意图；

图2为第一板片的正面结构示意图；

图3为第一板片的背面结构示意图；

图4为重整催化剂设置在催化剂支撑板上的结构示意图；

图5为第二板片的正面结构示意图；

图6为蒸发板片的正面结构示意图；

图7为重整器内冷、热流体的流动路线示意图；

图中：1-蒸发器，11-蒸发器尾气入口，12-蒸发器甲醇水蒸气出口，13-蒸发器尾气出口，14-蒸发器甲醇水溶液入口，15-蒸发板片，15a-波纹凸块，16-密封垫板，2-重整器，21-热流体入口，22-热流体出口，23-冷流体入口，24-冷流体出口，25-第一板片，25a-第一冷冲孔，25b-第一热冲进孔，25c-第一热冲出孔，25d-板槽，25e-第一菱形槽，26-第二板片，26a-第二冷冲孔，26b-第二热冲进孔，26c-第二热冲出孔，26e-第二菱形槽，3-净化储存器，31-氢气出口，32-富氢产品入口，4-催化剂支撑板，5-热尾气入口，6-第一电磁流量计，7-第二电磁流量计，8-压紧板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：对照图1~7

一种甲醇重整制氢反应器，包括自下而上设置的蒸发器1、重整器2和净化储存器3，位于本发明结构两侧的导杆将蒸发器1、重整器2和净化储存器3串联成为一个整体。蒸发器1用于将甲醇水混合液原料加热汽化，形成的甲醇水混合气进入重整器2内进行催化重整反应，生成富氢产品；所述净化储存器3用于将由重整器2得到的富氢产品进行氢气净化和氢气存储（所述净化储存器3采用现有技术常规的净化氢气及储存氢气的装置，其为板式结构且内部分为4个区域，最下方的区域为钯膜分离区，只有氢气可从中穿过，起到氢气净化地作用；剩余3块区域内部布置有多孔储氢材料，可供氢气储存及释放）。

重整器2顶部设置有热流体入口21和冷流体出口24，重整器2底部设置有热流体出口22和冷流体入口23。

蒸发器1顶部设置有蒸发器尾气入口11和蒸发器甲醇水蒸气出口12，蒸发器1底部设置有蒸发器尾气出口13和蒸发器甲醇水溶液入口14；所述蒸发器尾气入口11上的进气管分为两路，一路与重整器2底部的热流体出口22管路连接，另一路与热尾气入口5管路连接，且所述蒸发器尾气入口11上的进气管上设置有第一电磁流量计6；所述蒸发器甲醇水蒸气出口12通过第二电磁流量计7与重整器2底部的冷流体入口23管路连接。

净化储存器3的顶部和底部分别设置有氢气出口31和富氢产品入口32，所述富氢产品入口32与重整器2顶部的冷流体出口24管路连接。

重整器2和蒸发器1均为板式结构，以汽车热尾气为热源，分别对重整器2和蒸发器1进行加热。

重整器2内部设置有若干层串联的冷流体腔道和若干层并联的热流体腔道，每层冷流体腔道内均设置有重整催化剂，第一层冷流体腔道的入口与冷流体入口23连通，最后层冷流体腔道的出口与冷流体出口24连通，由此甲醇水混合气经冷流体入口23流入到重整器2的冷流体腔道内，在重整催化剂的作用下进行催化重整反应，反应生成的富氢产品最终由冷流体出口24流出，然后进入净化储存器3内进行氢气净化和氢气存储。每层热流体腔道的入口均与热流体入口21连通，每层热流体腔道的出口均与热流体出口22连通，即由热流体入口21通入汽车热尾气作为热源，汽车热尾气均匀的进入重整器2的各层热流体腔道内，对重整器2进行加热。所述冷流体腔道和热流体腔道均为层状空腔的结构，且所述冷流体腔道和热流体腔道在重整器2内层层交替设置，由此甲醇水混合气和汽车热尾气在重整器2内进行层层换热，大大提高了汽车热尾气的能量利用率，其次汽车热尾气均匀分为若干个支流进入到重整器2的若干层并联的热流体腔道内，由此每个热流体腔道内加热的温度均匀，避免热尾气经过较长的换热路程后温度逐层降低，从而造成重整反应温度不均匀的问题（若热流体腔道是层层串联，那么热尾气从第一层热流体腔道到最后层热流体腔道流动过程中，热尾气的温度是逐层降低的）。甲醇水混合气依次通过重整器2的若干层串联的冷流体腔道，确保重整反应原料在重整器2内有充足的停留时间，使重整反应更为充分。通过本发明的结构，甲醇水以近乎平推流的方式在重整器2的若干层串联的冷流体腔道内流动。对照图7中，c→b路线为甲醇水混合气在重整器2内的冷流体腔道内的流动路线，a→d路线为汽车热尾气在重整器2内的热流体腔道内的流动路线。

重整器2内部设置有层层交替的冷流体腔道和热流体腔道的结构，重整器2可以采用以下形成的结构：重整器2是由第一板片25、第二板片26以及设置于第一板片25和第二板片26之间进行密封的橡胶垫片依次叠合而成，所述第一板片25、橡胶垫片以及第二板片26之间围合形成密封的层状空腔，橡胶垫片构成所述层状空腔的侧壁，所以层状空腔的厚度即为橡胶垫片的厚度（可以在橡胶垫片两面均设置粘结胶，通过粘结胶使第一板片25与橡胶垫片之间以及第二板片26与橡胶垫片之间均进行黏贴密封）。第一板片25正面、橡胶垫片以及第二板片26背面之间形成的层状空腔为所述冷流体腔道，第一板片25背面、橡胶垫片以及第二板片26正面之间形成的层状空腔为所述热流体腔道；所述重整器2上还包括用于使各层冷流体腔道依次连通的重整分流道、用于连通各层热流体腔道的入口的第一重整主流道以及用于连通各层热流体腔道的出口的第二重整主流道。

重整器2上设置重整分流道、第一重整主流道以及第二重整主流道的方式可以是：在第一板片25、橡胶垫片以及第二板片26依次叠合而成的整体结构上穿设几条管道，在穿设的管道上适当开孔，使重整器2内的若干层冷流体腔道依次串联且热流体腔道依次并联。例如：一条管道垂直穿过重整器2的整体结构，且所述管道上端开口与热流体入口21进行对接、所述管道下端开口进行封堵，所述管道位于每层热流体腔道内的部分均进行适当开孔，此管道由此形成上述的第一重整主流道。

重整器2上设置重整分流道、第一重整主流道以及第二重整主流道的方式也可以是：第一板片25和第二板片26的四角均开设有冲孔，第一板片25的一对角对称设置一对第一冷冲孔25a且另一对角分别设置有第一热冲进孔25b和第一热冲出孔25c，所述第二板片26相应的一对角对称设置一对第二冷冲孔26a且相应的另一对角分别设置有第二热冲进孔26b和第二热冲出孔26c；当所述第一板片25和第二板片26依次叠合排列时，所述第一冷冲孔25a和第二冷冲孔26a对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流通甲醇水混合气的重整分流道（重整分流道的具体形成方式为：第一冷冲孔25a和第二冷冲孔26a通过橡胶垫片围合形成管状通道，管状通道的侧壁为橡胶垫片且管状通道的两端开口分别为第一冷冲孔25a和第二冷冲孔26a。在热流体腔道部分时，所述管状通道的侧部均不进行开孔；在冷流体腔道部分时，所述管状通道的侧部适当开孔，且当管状通道的侧部开孔与冷流体腔道的入口连通时，管状通道的上端开口进行封堵；当管状通道的侧部开孔与冷流体腔道的出口连通时，管状通道的下端开口进行封堵。由此对照图1和图7，甲醇水混合气在重整器2内呈z字形走向的盘桓向上流动）。所述第一热冲进孔25b和第二热冲进孔26b对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流进热尾气的第一重整主流道，所述第一热冲出孔25c和第二热冲出孔26c对齐并通过橡胶垫片围合形成用于流出热尾气的第二重整主流道。

本发明的结构还包括催化剂支撑板4，对照图4，所述重整催化剂为cuo-zno-al2o3复配物，所述重整催化剂为圆柱块状结构并成排均匀的固定在催化剂支撑板4上；所述第一板片25正面设置有与催化剂支撑板4形状相配的板槽25d，催化剂支撑板4配合放置在板槽25d内。重整催化剂的排列方式也构成了反应物流道，甲醇水蒸气混合物流经时，与圆柱块状催化剂充分接触，按照既定规律进行流动完成催化重整反应。

为了增强甲醇水蒸气混合物在重整器2的冷流体腔道内的流通效果，采用以下改进方式：第一板片25的两面均设置有第一菱形槽25e，第一板片25的一对第一冷冲孔25a对称设置于所述第一菱形槽25e较长对角线的一对角内，且所述板槽25d位于第一菱形槽25e的中心，第二板片26的两面均设置有与第一菱形槽25e相适配的第二菱形槽26e；当所述第一板片25和第二板片26依次叠合排列时，第一板片25正面、橡胶垫片和第二板片26背面之间形成的层状空腔以及第一板片25背面、橡胶垫片和第二板片26正面之间形成的层状空腔均为菱形结构。由此，甲醇水蒸气混合物在冷流体腔道内流动时，会沿着第一菱形槽25e较长对角线的方向流动，反应物原料不易在冷流体腔道内形成死角，形成定向流动路线。

所述蒸发器1内部设置有层层交替的热蒸汽流动腔道和原料液流动腔道，所述热蒸汽流动腔道和原料液流动腔道均为层状空腔的结构；每层热蒸汽流动腔道的入口均与蒸发器尾气入口11连通，每层热蒸汽流动腔道的出口均与蒸发器尾气出口13连通；每层原料液流动腔道的入口均与蒸发器甲醇水溶液入口14连通，每层原料液流动腔道的出口均与蒸发器甲醇水蒸气出口12连通。

所述蒸发器1可以采用以下具体结构：蒸发器1是由蒸发板片15、密封垫板16以及设置于蒸发板片15和密封垫板16之间进行密封的橡胶垫片依次叠合而成，所述蒸发板片15、橡胶垫片和密封垫板16之间围合形成密封的层状空腔；蒸发板片15正面、橡胶垫片以及密封垫板16背面之间形成的层状空腔即为所述原料液流动腔道，所述蒸发板片15正面设置有波纹凸块15a，以增加甲醇水溶液从原料液流动腔道内流动的湍流强度，甲醇水溶液在较强的湍流强度下容易相变成气态；蒸发板片15背面、橡胶垫片以及密封垫板16正面之间形成的层状空腔即为所述热蒸汽流动腔道。所述每层热蒸汽流动腔道的入口均与蒸发器尾气入口11连通的方式可以是：在蒸发器1上穿设一条管道，所述管道垂直穿过蒸发器1的整体结构，管道的上端开口与蒸发器尾气入口11进行对接，管道的下端开口进行封堵，所述管道位于每层热蒸汽流动腔道内的部分均进行侧部开口，由此热蒸汽通过所述管道均匀的进入每层热蒸汽流动腔道。

本发明的蒸发器1和重整器2均可通过压紧板8进行压紧固定，两块压紧板8分别设置于蒸发器1或重整器2的上下两端，压紧板8上设有螺孔，通过螺栓将蒸发器1或重整器2的上下两端的压紧板8进行压紧固定，使得蒸发器1或重整器2有更好的整体稳定性。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。