[發明專利]用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應器

無效

• 申請號: 201410382433.8
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104157889A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 李聰;高顏;任洪娟
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/06;C01B3/32
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

技術領域

本發明涉及反應器，尤其涉及一種用于燃料電池汽車的甲醇水蒸氣重整制氫反應器。

背景技術

汽車工業是世界上僅次于石油化工的第二大產業，目前，幾乎所有的汽車都以汽油、柴油為燃料，不僅消耗了大量的石油資源，而且汽車尾氣中所含的氮氧化物、碳氫化物、一氧化碳等造成了大氣的嚴重污染。為了保持國民經濟的可持續發展，保護人類居住環境和保障能源供給，世界各國政府紛紛投入大量的人力、物力尋求解決這些問題的各種途徑。燃料電池是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料和氧化劑的化學能轉變為電能的高效發電裝置，其工作過程不受卡諾循環限制，轉換效率高，幾乎沒有污染物排放。以燃料電池為動力的燃料電池電動汽車既可以保護環境又可以緩解能源短缺和調整能源結構，已成為未來汽車發展的重要趨勢之一，是當今世界能源和交通領域開發的熱點。

燃料電池按電解質分類可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等五類。而汽車用燃料電池的要求為：能夠在常溫下工作，電流密度高，免維護性好，耐振性與耐沖擊性好，能夠從低負荷到高負荷進行高效率運轉。質子交換膜燃料電池(PEMFC)能夠滿足這些性能要求，因此成為發展最快也最成熟的車用燃料電池。基于PEMFC的燃料電池汽車需要氫氣作為燃料，自從燃料電池誕生起，氫源問題與燃料電池本身是同樣重要的核心技術，而氫源的研究開發已成為燃料電池汽車從演示走向商業化的重要步驟。

PEMFC燃料電池汽車氫的來源主要有兩類，分別為隨車攜帶純氫和車載制氫。

隨車攜帶氫氣的儲存方法可分為物理方法和化學方法。物理方法儲氫指的是利用改變溫度和壓力使氫液化、氣化或吸附、脫附，從而達到儲存氫的目的。如：深冷液化儲氫，高壓壓縮儲氫，活性碳吸附儲氫。化學方法儲氫指的是用氫和儲氫物質在一定條件下反應，將氫儲存起來，改變條件后，又可以釋放出氫，從而達到儲氫的目的。如：金屬氫化物儲氫，有機液態氫化物儲氫，無機物儲氫等。

車載制氫是指碳氫燃料(石油、天然氣、甲醇、甲烷，液化石油氣和二甲醚等)在重整器內催化劑的作用下發生化學反應，轉化為含氫氣的混合氣體，混合氣體經過凈化器提純后作為燃料電池汽車的氫源。

由于氫密度小，易氣化、著火、爆炸，故在氫的儲存、運輸及使用方面帶來一些不便；氫燃料“逃逸率”高，即使用真空密封燃料箱，也以每24小時2％的速率“逃逸”，而汽油一般是每月才1％；加注氫燃料既費時，又有危險性。化石燃料重整制氫具有能量密度高、能量轉化效率高，容易運輸、補充和儲存，在經濟性、安全性等方面也有很明顯的優勢，是最現實的燃料電池氫源技術，成為研究的熱點。

1997年，Daimler?Benz公司宣布研制了第一臺用甲醇重整提供氫氣的燃料電池電動汽車，該汽車的性能與常規的汽車相當，用40L甲醇可以行駛400km。美國、日本、德國、加拿大等國都投入了大量的財力和物力開展這方面的研究，并已取得了一定的進展，而我國這方面的研究剛剛起步，目前主要是開展以純氫為燃料的燃料電池汽車的研究，而車載碳氫燃料重整制氫技術研究較少，因此開展車載燃料電池重整制氫系統的研究，開發出高性能的車載重整制氫裝置具有重要理論意義和使用價值。

燃料電池重整制氫系統主要由原料供應裝置、預熱混合器、重整制氫反應器和氣體凈化器組成。重整制氫反應是流體在固體催化劑上的反應，所以一般選擇固定床反應器作為燃料重整制氫反應器。研究得比較成熟的是管式反應器。管式反應器一般依賴熱傳導和對流分配熱量，其優點是：結構簡單，加工方便；流速和溫度的操作范圍寬，運行時間長；催化劑不易磨損，即使在催化劑催化活性下降時也能長時間工作；成本低，容易添加或更新催化劑。其不足之處是熱傳遞性能較差，體積一般不易減小，而且反應器填充床中可能會產生催化劑有效利用系數較低、產氫熱效率(生成氫氣低熱值/消耗燃料的低熱值)不太理想等問題。

甲醇重整制氫是工業制氫的重要方法之一，甲醇作為重整燃料具有雜質含量低(特別是硫含量低)、無需精制、制氫條件溫和(反應溫度低于300℃)，工藝流程簡單等特點。而且作為液體燃料，可利用現存的汽車燃料儲運設施。其缺點是甲醇具有一定的毒性和腐蝕性，會對人體和環境造成損害，對重整裝置的防腐要求高。

因為甲醇水蒸氣重整為強吸熱反應，需要系統外部提供熱源。目前的甲醇水蒸氣重整制氫反應器普遍存在系統能耗大，系統響應速度慢、加熱不均勻，反應器內存在“熱點”與“冷點”問題。