[发明专利]用于燃料电池汽车的甲醇水蒸气重整制氢反应器

说明书

技术领域

本发明涉及反应器，尤其涉及一种用于燃料电池汽车的甲醇水蒸气重整制氢反应器。

背景技术

汽车工业是世界上仅次于石油化工的第二大产业，目前，几乎所有的汽车都以汽油、柴油为燃料，不仅消耗了大量的石油资源，而且汽车尾气中所含的氮氧化物、碳氢化物、一氧化碳等造成了大气的严重污染。为了保持国民经济的可持续发展，保护人类居住环境和保障能源供给，世界各国政府纷纷投入大量的人力、物力寻求解决这些问题的各种途径。燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的高效发电装置，其工作过程不受卡诺循环限制，转换效率高，几乎没有污染物排放。以燃料电池为动力的燃料电池电动汽车既可以保护环境又可以缓解能源短缺和调整能源结构，已成为未来汽车发展的重要趋势之一，是当今世界能源和交通领域开发的热点。

燃料电池按电解质分类可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等五类。而汽车用燃料电池的要求为：能够在常温下工作，电流密度高，免维护性好，耐振性与耐冲击性好，能够从低负荷到高负荷进行高效率运转。质子交换膜燃料电池(PEMFC)能够满足这些性能要求，因此成为发展最快也最成熟的车用燃料电池。基于PEMFC的燃料电池汽车需要氢气作为燃料，自从燃料电池诞生起，氢源问题与燃料电池本身是同样重要的核心技术，而氢源的研究开发已成为燃料电池汽车从演示走向商业化的重要步骤。

PEMFC燃料电池汽车氢的来源主要有两类，分别为随车携带纯氢和车载制氢。

随车携带氢气的储存方法可分为物理方法和化学方法。物理方法储氢指的是利用改变温度和压力使氢液化、气化或吸附、脱附，从而达到储存氢的目的。如：深冷液化储氢，高压压缩储氢，活性碳吸附储氢。化学方法储氢指的是用氢和储氢物质在一定条件下反应，将氢储存起来，改变条件后，又可以释放出氢，从而达到储氢的目的。如：金属氢化物储氢，有机液态氢化物储氢，无机物储氢等。

车载制氢是指碳氢燃料(石油、天然气、甲醇、甲烷，液化石油气和二甲醚等)在重整器内催化剂的作用下发生化学反应，转化为含氢气的混合气体，混合气体经过净化器提纯后作为燃料电池汽车的氢源。

由于氢密度小，易气化、着火、爆炸，故在氢的储存、运输及使用方面带来一些不便；氢燃料“逃逸率”高，即使用真空密封燃料箱，也以每24小时2％的速率“逃逸”，而汽油一般是每月才1％；加注氢燃料既费时，又有危险性。化石燃料重整制氢具有能量密度高、能量转化效率高，容易运输、补充和储存，在经济性、安全性等方面也有很明显的优势，是最现实的燃料电池氢源技术，成为研究的热点。

1997年，Daimler Benz公司宣布研制了第一台用甲醇重整提供氢气的燃料电池电动汽车，该汽车的性能与常规的汽车相当，用40L甲醇可以行驶400km。美国、日本、德国、加拿大等国都投入了大量的财力和物力开展这方面的研究，并已取得了一定的进展，而我国这方面的研究刚刚起步，目前主要是开展以纯氢为燃料的燃料电池汽车的研究，而车载碳氢燃料重整制氢技术研究较少，因此开展车载燃料电池重整制氢系统的研究，开发出高性能的车载重整制氢装置具有重要理论意义和使用价值。

燃料电池重整制氢系统主要由原料供应装置、预热混合器、重整制氢反应器和气体净化器组成。重整制氢反应是流体在固体催化剂上的反应，所以一般选择固定床反应器作为燃料重整制氢反应器。研究得比较成熟的是管式反应器。管式反应器一般依赖热传导和对流分配热量，其优点是：结构简单，加工方便；流速和温度的操作范围宽，运行时间长；催化剂不易磨损，即使在催化剂催化活性下降时也能长时间工作；成本低，容易添加或更新催化剂。其不足之处是热传递性能较差，体积一般不易减小，而且反应器填充床中可能会产生催化剂有效利用系数较低、产氢热效率(生成氢气低热值/消耗燃料的低热值)不太理想等问题。

甲醇重整制氢是工业制氢的重要方法之一，甲醇作为重整燃料具有杂质含量低(特别是硫含量低)、无需精制、制氢条件温和(反应温度低于300℃)，工艺流程简单等特点。而且作为液体燃料，可利用现存的汽车燃料储运设施。其缺点是甲醇具有一定的毒性和腐蚀性，会对人体和环境造成损害，对重整装置的防腐要求高。

因为甲醇水蒸气重整为强吸热反应，需要系统外部提供热源。目前的甲醇水蒸气重整制氢反应器普遍存在系统能耗大，系统响应速度慢、加热不均匀，反应器内存在“热点”与“冷点”问题。