專利名稱：一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制氫反應(yīng)器，尤其是涉及一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是目前發(fā)展最快也最成熟的車用燃料電池?；?PEMFC的燃料電池汽車需要?dú)錃庾鳛槿剂?。由于氫密度小，易氣化、著火、爆炸，故在氫的?chǔ) 存、運(yùn)輸及使用方面帶來(lái)一些不便；氫燃料“逃逸率”高，即使用真空密封燃料箱，也以每24 小時(shí)2%的速率“逃逸”，而汽油一般是每月才1%;加注氫燃料既費(fèi)時(shí)，又有危險(xiǎn)性。車載制 氫是指碳?xì)淙剂?石油、天然氣、甲醇、甲烷，液化石油氣和二甲醚等)在重整器內(nèi)催化劑的 作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含氫氣的混合氣體，混合氣體經(jīng)過(guò)凈化器提純后作為燃料電 池汽車的氫源。二甲醚重整制氫具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高，容易運(yùn)輸、補(bǔ)充和儲(chǔ)存， 在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面也有很明顯的優(yōu)勢(shì)，是最現(xiàn)實(shí)的燃料電池氫源技術(shù)，成為研究的熱 點(diǎn)o重整制氫反應(yīng)器的產(chǎn)氫速度應(yīng)該滿足車輛加速，怠速及正常行駛時(shí)燃料電池的 動(dòng)力輸出的要求?，F(xiàn)有的反應(yīng)器沒有考慮車輛的工況參數(shù)對(duì)重整器的要求。公開專利號(hào) CN1629065,設(shè)計(jì)一種微通道板翅式水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，主體部分為微通道板翅結(jié)構(gòu)， 其有兩個(gè)燃燒腔，一個(gè)重整腔和兩個(gè)氣化腔，腔與腔之間均有導(dǎo)熱板相隔；兩個(gè)燃燒腔中間 夾一個(gè)重整腔，兩個(gè)燃燒腔的另一側(cè)各有一個(gè)汽化腔，富氫氣體和空氣在燃燒腔發(fā)生催化 燃燒反應(yīng)，放出大量熱，熱量大部分通過(guò)導(dǎo)熱板傳遞給重整腔和兩個(gè)汽化腔；原料液先進(jìn)入 制氫反應(yīng)器的兩個(gè)汽化腔，氣化后進(jìn)入重整腔，最終在重整腔中被重整制得符合要求的氫 氣混合氣。公開專利號(hào)CN1616343 —種可拆卸的板式重整制氫反應(yīng)器，由多個(gè)不同腔組合 而成，其中重整腔于整個(gè)反應(yīng)器中間，其兩側(cè)分別為一個(gè)板式的燃燒腔；燃燒腔和重整腔 的側(cè)面分別開有裝填催化劑的小孔，燃燒腔的另一側(cè)面還有用于使氫氣分布均勻的氣體分 布器；燃燒腔的各另一側(cè)分別為一個(gè)熱交換腔；熱交換腔的各另一側(cè)分別為一個(gè)汽化腔； 汽化腔的各另一側(cè)為反應(yīng)器蓋板；兩個(gè)蓋板上設(shè)有反應(yīng)物入口、反應(yīng)產(chǎn)物出口和燃燒產(chǎn)物 出口 ；燃燒腔和重整腔的出口高溫氣體分別進(jìn)入兩個(gè)熱交換腔，在腔內(nèi)通過(guò)傳熱板把熱量 傳遞給兩個(gè)氣化腔，從而降低了自身的溫度，同時(shí)又氣化了要進(jìn)入重整腔的液體原料。上述 重整器沒有考慮車輛行駛中的工況參數(shù)對(duì)重整器產(chǎn)氫速率的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積 小、能耗低的車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器包括旋轉(zhuǎn)隔板、重整 器、凈化器和換熱器，所述的旋轉(zhuǎn)隔板、重整器、凈化器與換熱器組合在一起，凈化器設(shè)置在 換熱器內(nèi)，重整器的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔板與進(jìn)氣口連接，重整器的另一端通過(guò)隔板與換熱器分開，并與凈化器的前端連接，凈化器的后端與換熱器一端上的重整混合氣出口連接，汽化 后的水蒸氣與二甲醚及空氣經(jīng)混合并預(yù)熱，導(dǎo)入至重整器進(jìn)行催化重整反應(yīng)，重整后的氣 體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入凈化器進(jìn)行水煤氣置換反應(yīng)，凈化后的氣體由重整混合氣出口排 出，再經(jīng)冷卻后進(jìn)入燃料電池堆。所述的重整器為管狀。所述的催化重整反應(yīng)使用的催化劑包括Pt/Al203或Cu/A1203。所述的凈化器為管狀。所述的換熱器上方設(shè)置有冷卻水出口，下方設(shè)置有冷卻水進(jìn)口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本裝置中重整器、凈化器與換熱器組合在一起，可以減少重整系統(tǒng)的體積，結(jié) 構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量輕；(2)采用二甲醚作為重整燃料，二甲醚重整制氫具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率 高，容易運(yùn)輸、補(bǔ)充和儲(chǔ)存，在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面也有很明顯的優(yōu)勢(shì)；(3)滿足車輛行駛中的工況參數(shù)對(duì)重整器產(chǎn)氫速率的要求，當(dāng)車輛處于低負(fù)荷或 者怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中間隔板，這樣只有部分重整腔工作，其余重整腔停止工作。


圖1為重整制氫系統(tǒng)流程圖；圖2為組合反應(yīng)器的軸向剖面圖；圖3為組合反應(yīng)器的徑向剖面圖。圖中1為進(jìn)氣口、2為旋轉(zhuǎn)隔板、3為重整器、4為凈化器、5為冷卻水出口、6為冷卻 水入口、7為換熱器、8為重整混合氣出口，9為隔板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1如圖2-3所示，一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括旋轉(zhuǎn)隔板2、重 整器3、凈化器4和換熱器7，旋轉(zhuǎn)隔板2、重整器3、凈化器4和換熱器7組合在一起，凈化 器4設(shè)置在換熱器7內(nèi)，重整器3的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔板2與進(jìn)氣口 1相連接，重整器3的另 一端通過(guò)隔板9與換熱器7分開，并與凈化器4的前端連接，凈化器4的另一端與換熱器7 一端上的重整混合器出口 8連接，換熱器7的上方設(shè)置有冷卻水出口 5，下方設(shè)置有冷卻水 入口 6，通過(guò)控制冷卻水的流量來(lái)控制換熱器內(nèi)氣體的溫度。采用上述反應(yīng)器將二甲醚、空氣與水蒸氣重整制氫用作車載燃料電池的原料，二 甲醚自熱重整制氫系統(tǒng)流程如圖1所示，包括蒸發(fā)器(HEATER1)、混合器(MIX-1)、預(yù)熱器 (HEATER2)、反應(yīng)器和換熱器(HEATX2)，該反應(yīng)器包括重整器(PFR_1)3、凈化器(PFR_2)4、 換熱器(HEATX1)7。水(H20-A1)在蒸發(fā)器(HEATER1)中汽化，汽化后的水蒸氣(H20_A2) 經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入混合器(MIX-1)，與二甲醚、空氣(DME2)在混合器(MIX-1)內(nèi)混合后， 混合氣體進(jìn)入預(yù)熱器(HEATER2)預(yù)熱。預(yù)熱后的混合氣體在重整器(PFR_1)3內(nèi)催化劑的 作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)。重整后的高溫富氫氣體在換熱器(HEATX1)7內(nèi)冷卻，再進(jìn)入PFR-2)4發(fā)生水煤氣置換反應(yīng)以降低CO含量。從凈化器出來(lái)的混合氣體在換熱 器(HEATX2)內(nèi)冷卻后，進(jìn)入燃料電池堆。將重整器(PTR-1)3、凈化器(PTR_2)4與換熱器 (HEATX1) 7組合在一起，可以減少重整系統(tǒng)的體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。汽化后的水蒸氣經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入混合器，與二甲醚和空氣在混合器內(nèi)混合后進(jìn) 入預(yù)熱器預(yù)熱，利用旋轉(zhuǎn)隔板2將6個(gè)重整器3分成上下兩層，上下兩層重整器可單獨(dú)工作 或者同時(shí)工作。當(dāng)汽車處于低負(fù)荷或者怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氫氣需求量較小，只需要部分重整器工 作，控制產(chǎn)氫速率，進(jìn)而改變?nèi)剂想姵氐妮敵龉β省ｎA(yù)熱后的混合氣體經(jīng)上面的一個(gè)進(jìn)氣口 1，如圖2和圖3所示，進(jìn)入在上層的3個(gè)重整器3內(nèi)，混合氣體在Cu/A1203的作用下發(fā)生催 化重整反應(yīng)，重整后的高溫富氫氣體在換熱器7內(nèi)換熱，再進(jìn)入凈化器4發(fā)生水煤氣置換反 應(yīng)以降低混合氣中一氧化碳的含量，從凈化器4出來(lái)的混合氣體經(jīng)重整混合氣出口 8導(dǎo)出， 再冷卻后，進(jìn)入燃料電池堆。實(shí)施例2參見圖2，一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括旋轉(zhuǎn)隔板2、重整器 3、凈化器4和換熱器7，旋轉(zhuǎn)隔板2、重整器3、凈化器4和換熱器7組合在一起，凈化器4設(shè) 置在換熱器7內(nèi)，重整器3的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔板2與進(jìn)氣口 1相連接，重整器3的另一端通 過(guò)隔板9與換熱器7分開，并與凈化器4的前端連接，凈化器4的另一端與換熱器7 —端上 的重整混合器出口 8連接，換熱器7的上方設(shè)置有冷卻水出口 5，下方設(shè)置有冷卻水入口 6， 通過(guò)控制冷卻水的流量來(lái)控制換熱器內(nèi)氣體的溫度。汽化后的水蒸氣與二甲醚、空氣經(jīng)混 合并預(yù)熱，導(dǎo)入至重整器3進(jìn)行催化重整，重整后的氣體經(jīng)換熱器7冷卻后進(jìn)入凈化器4進(jìn) 行水煤氣置換反應(yīng)，凈化后的氣體由重整混合氣出口 8排出，再經(jīng)冷卻后進(jìn)入燃料電池堆。汽化后的水蒸氣經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入混合器，與二甲醚、空氣在混合器內(nèi)混合后進(jìn) 入預(yù)熱器預(yù)熱，利用旋轉(zhuǎn)隔板2將6個(gè)重整器3分成上下兩層。當(dāng)汽車處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上 下兩層的6個(gè)重整器3全部工作，產(chǎn)氫速率可以達(dá)到2. 4mol/min,可提供5kW燃料電池額定 功率下運(yùn)行時(shí)所需氫氣。預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)兩個(gè)進(jìn)氣口 1進(jìn)入全部的6個(gè)重整器3內(nèi)， 在Pt/Al203的作用下進(jìn)行催化重整反應(yīng)，重整后的高溫富氫氣體在換熱器7內(nèi)換熱，再進(jìn)入 凈化器4進(jìn)行水煤氣置換反應(yīng)以降低混合氣中一氧化碳的含量，從凈化器4出來(lái)的混合氣 體經(jīng)重整混合氣出口 8導(dǎo)出，再冷卻后，進(jìn)入燃料電池堆。
權(quán)利要求
一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，該反應(yīng)器包括旋轉(zhuǎn)隔板、重整器、凈化器和換熱器，所述的旋轉(zhuǎn)隔板、重整器、凈化器與換熱器組合在一起，凈化器設(shè)置在換熱器內(nèi)，重整器的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔板與進(jìn)氣口連接，重整器的另一端通過(guò)隔板與換熱器分開，并與凈化器的前端連接，凈化器的后端與換熱器一端上的重整混合氣出口連接，汽化后的水蒸氣與二甲醚及空氣經(jīng)混合并預(yù)熱，導(dǎo)入至重整器進(jìn)行催化重整反應(yīng)，重整后的氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入凈化器進(jìn)行水煤氣置換反應(yīng)，凈化后的氣體由重整混合氣出口排出，再經(jīng)冷卻后進(jìn)入燃料電池堆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，所述的重 整器為管狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，所述的催 化重整反應(yīng)使用的催化劑包括PVAIxO3或CU/A1203。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，所述的凈 化器為管狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，其特征在于，所述的換 熱器上方設(shè)置有冷卻水出口，下方設(shè)置有冷卻水進(jìn)口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車載燃料電池重整制氫反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括組合在一起的旋轉(zhuǎn)隔板、重整器、凈化器和換熱器，凈化器設(shè)置在換熱器內(nèi)，重整器的一端通過(guò)旋轉(zhuǎn)隔板與進(jìn)氣口相連接，另一端通過(guò)隔板與換熱器分開，并與凈化器的前端連接，凈化器的后端與重整混合氣出口連接，汽化后的水蒸氣與二甲醚及空氣混合并預(yù)熱后，導(dǎo)入重整器進(jìn)行催化重整，重整后的氣體經(jīng)換熱器冷卻后進(jìn)入凈化器進(jìn)行水煤氣置換反應(yīng)，降低混合氣中一氧化碳的含量，再經(jīng)冷卻進(jìn)入燃料電池堆。本發(fā)明中重整器、凈化器與換熱器組合在一起，減少了重整系統(tǒng)的體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量輕；采用二甲醚自熱重整技術(shù)，能量轉(zhuǎn)化效率高；滿足了車輛行駛中的工況參數(shù)對(duì)重整器產(chǎn)氫速率的要求。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101891148SQ20091005156
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者任紅娟, 李聰, 錢宇彬, 馬其華 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)