專利名稱：一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種醇類重整制氫微反應器，尤其是一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器。
背景技術：
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，汽車已逐步融入人們的生活當中。然而，日益增多的汽車在改善人們生活的同時，也消耗著大量的石油等化石燃料，造成了嚴重的環(huán)境污染。據(jù)世界能源組織統(tǒng)計按目前需求速率增長，世界所有已探明的石油蘊藏量將在2054年左右枯竭，到時汽車靠什么動力驅動將是人類面臨的一個重大難題。因此，為了保證汽車工業(yè)、人類生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，非化石燃料驅動的新能源汽車的研發(fā)與推廣勢不可擋。我國“九五”、“十五”、“十一五”科學技術發(fā)展規(guī)劃都將新能源汽車的發(fā)展作為重要的科技攻關項目，這加速了我國對新能源汽車及其相關領域的研究與開發(fā)。新能源汽車主要包括三類純電動汽車、混合動力汽車及燃料電池汽車。純電動汽車電池能量效率較低，蓄電池還有充放電循環(huán)壽命、一次充放運行距離等技術限制尚未突破，同時，電池壽命終止時將造成環(huán)境污染，這些都限制了純電動汽車的普及；混合動力汽車仍需依賴化石燃料，同時還受到卡諾循環(huán)的限制，只能作為傳統(tǒng)內燃機汽車與電動汽車的過渡產(chǎn)品；燃料電池汽車由于其具有低排放、高效與高性能而受到了研究者的廣泛關注。尤其是氫燃料電池動力汽車，其采用氫氣作為燃料，基本實現(xiàn)了“零排放”(氫氣燃燒產(chǎn)物為水)，成為新能源汽車理想的發(fā)展方向。然而，為了實現(xiàn)氫燃料電池動力汽車的大量推廣，必須解決汽車的供氫問題。采用醇類燃料現(xiàn)場重整產(chǎn)生氫氣，為車用燃料電池提供氫能是解決上述問題的有效辦法。實現(xiàn)醇類現(xiàn)場重整制氫的核心部件為反應器。近些年來，世界各國的不少相關單位開展了對重整制氫反應機理的研究并已制造出不同的重整制氫反應器，可用于軍事、航空航天、交通等不同領域。
`[0005]中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00510033759. O)公開了一種電啟動疊板式自動熱重整器。重整器集水蒸氣重整反應和部分氧化重整反應于一體，部分氧化重整反應釋放出的能量用于水蒸氣重整反應，實現(xiàn)反應器自熱運行。同時，通過電加熱方式啟動重整器，減少重整器的啟動時間。該重整器結構緊湊，拆裝方便。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00610073173.1)公開了一種集成式微型重整制氫反應器。此反應器在集成燃燒與重整的同時，設置了燃燒尾氣換熱與重整尾氣換熱裝置，實現(xiàn)了反應器對尾氣的熱回收利用，提高了整體熱效率。這種反應器的催化燃燒反應和重整反應溫度易于控制，運行穩(wěn)定，適用于500W以下的燃料電池微型電源的氫源系統(tǒng)，具有較大的應用范圍。該反應器采用管式結構，在擴大規(guī)模方面存在局限性。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00820079472.0)公開了一種層疊式自熱微制氫反應器。該反應器集成了吸熱反應芯片和放熱反應芯片，采用半定位銷孔定位。該反應器結構簡單、緊湊，結構形式易于擴大，便于安裝。然而，在微通道芯片制造成本與效率方面存在局限性。[0008]中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00910100100. O)公開了一種微凸臺陣列結構的自熱型醇
類重整制氫微通道反應器。該反應器包含催化重整制氫通道和燃燒通道，重整制氫所需的熱量由燃燒通道提供，實現(xiàn)反應器的自熱運行。通過采用微凸臺陣列結構作為反應載體，進一步提高了反應器能量效率。然而，該反應器只設計了兩層微通道反應器，尚未進行反應器的層疊設計。綜上所述，現(xiàn)有的傳統(tǒng)制氫反應器體積較為龐大，燃料設備中儲存大量能量，具有很大危險性。而且，重整制氫反應受到傳熱傳質效率的限制，無法獲得最優(yōu)反應器性能。而微型層疊式制氫反應器雖然具有比表面積大，傳熱傳質效率高等優(yōu)點，但在微通道反應載體制備與設計方面仍存在問題。因此，有必要設計一種高效，低成本的重整制氫微反應器。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，該反應器采用微凸臺陣列結構金屬板作為反應載體，較微通道反應載體板具有更高的表面積體積t匕，可獲得較大的體積能量效率；通過層疊設計，提高了反應器催化劑的負載量，可有效地增加氫氣產(chǎn)率。同時，反應載體采用適合大批量生產(chǎn)的效率高、成本低的半固態(tài)微觸變成形技術加工，有效降低制造成本。與中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00910100100. O)相比，該反應器引入層疊結構，改進了流道出入口布置形式，反應器結構更加緊湊，傳熱傳質效率更高，可用于中、小功率制氫場合。 本實用新型采用的技術方案是本實用新型從上至下依次包括上蓋板組件，蒸發(fā)單元，第一加熱板，重整反應制氫部件，第二加熱板和下蓋板組件；其中I)上蓋板組件包括矩形結構的四周開有螺紋孔的上蓋板和入口不銹鋼管；入口不銹鋼管與上蓋板一側的流體進口孔相連；
2)下蓋板組件包括矩形結構的四周開有螺紋孔的下蓋板和出口不銹鋼管；出口不銹鋼管與下蓋板的流體出口孔相連，出口不銹鋼管與上蓋板的入口不銹鋼管相對應；3)蒸發(fā)單元包括兩塊結構相同的蒸發(fā)板，每塊蒸發(fā)板為內開有平行四邊形凹槽的矩形體，蒸發(fā)板的平行四邊形凹槽、上蓋板下表面、第一加熱板上表面構成了蒸發(fā)單元的蒸發(fā)腔；4)重整反應制氫部件包括3 5個結構相同的重整反應制氫單元，呈上下層疊布置；每個重整反應制氫單元包括底板、中間輔助平板、引流板和反應載體；底板斜對角兩側開有作為工質流體流通的流道孔，中間輔助平板為中間有正方形凹槽的矩形板；正方形凹槽中安裝有反應載體，引流板為中間開有與蒸發(fā)板一致的平行四邊形凹槽的矩形板，弓丨流板的平行四邊形凹槽、微凸臺陣列結構和第一加熱板下表面構成反應腔；工質流體通過底板一側遠離入口不銹鋼管的流道孔流入重整反應制氫單元的反應腔，從另一側靠近入口不銹鋼管的流道孔流出重整反應制氫單元的反應腔；第一加熱板與第二加熱板結構相同，在兩側面對角線處均開有加熱棒孔，在加熱板側面設有熱電偶，第一加熱板上表面一側開有流道孔，流道孔軸線與加熱棒孔軸線垂直，第一加熱板的流道孔與上蓋板的流體進口孔同軸布置并相通，第二加熱板上表面加工有流道孔，第二加熱板的流道孔與重整反應制氫單元的底板一側的流道孔、下蓋板一側的流體出口孔同軸布置并相通；[0017]層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器由上蓋板，兩塊蒸發(fā)板，第一加熱板，3 5個重整反應制氫單元，第二加熱板，下蓋板層疊而成。所述反應載體為上表面設有微凸臺陣列結構的矩形板；反應載體上的圓柱狀微凸臺結構一致，平行排布，橫縱方向上微凸臺數(shù)量相同。所述上蓋板、下蓋板材料為不銹鋼，反應載體材料為半固態(tài)A356鋁合金，其余板的材料為普通鋁合金。本實用新型具有的有益效果是I)該層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器采用帶微凸臺陣列結構反應載體，增大了微反應器的表面積體積比，改善了微反應器的傳熱傳質性能，從而提高了微反應器的能量效率。2)該微反應器結構緊湊、小巧，通過優(yōu)化微反應器結構尺寸，可用于小流量制氫場合。3)該層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器采用層疊形式，拆裝與催化劑負載容易；同時，通過簡單地增加重整反應制氫單元，就可提高微反應器的催化劑負載量，增加
氫氣產(chǎn)率。4)該微反應器的反應載體采用半固態(tài)微觸變成形技術加工而成，制造效率高，力口工成本低，適合大批量生產(chǎn)。本實用新型 可作為中、小型氫源應用于移動式氫燃料電池等耗氫設備。

圖1是本實用新型整體結構示意圖。圖2是本實用新型上蓋板組件的平面結構示意圖。圖3是本實用新型下蓋板組件的平面結構示意圖。圖4是本實用新型蒸發(fā)單元所用的矩形體結構蒸發(fā)板平面結構示意圖。圖5是本實用新型重整反應制氫部件中底板的結構示意圖。圖6是本實用新型重整反應制氫部件中中間輔助平板的結構示意圖。圖7是本實用新型重整反應制氫部件中引流板的結構示意圖。圖8是本實用新型重整反應制氫部件中反應載體的結構示意圖。圖9是本實用新型加熱板I的結構示意圖。圖10是本實用新型加熱板2的結構示意圖。圖11為該微反應器的流體流動路徑簡圖。圖中1、上蓋板組件，2、蒸發(fā)單元，3、第一加熱板，4、重整反應制氫部件，5、第二加熱板，6、下蓋板組件,7、上蓋板,8、入口不銹鋼管,9、下蓋板，10、出口不銹鋼管，11、重整反應制氫單元，12、底板，13、中間輔助平板，14、引流板，15、反應載體，16、蒸發(fā)板。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，本實用新型從上至下依次包括上蓋板組件1，蒸發(fā)單元2，第一加熱板3，重整反應制氫部件4，第二加熱板5和下蓋板組件6 ;其中[0040]I)上蓋板組件1，如圖2所示包括矩形結構的四周開有螺紋孔的上蓋板7和入口不銹鋼管8 ;入口不銹鋼管8與上蓋板7 —側的流體進口孔相連。2)下蓋板組件6，如圖3所示包括矩形結構的四周開有螺紋孔的下蓋板9和出口不銹鋼管10 ;出口不銹鋼管10與下蓋板9的流體出口孔相連，出口不銹鋼管10與上蓋板7的入口不銹鋼管8相對應。3)蒸發(fā)單元2，如圖4所示包括兩塊結構相同的蒸發(fā)板16，每塊蒸發(fā)板為內開有平行四邊形凹槽的矩形體，蒸發(fā)板的平行四邊形凹槽、上蓋板7下表面、第一加熱板3上表面構成了蒸發(fā)單元2的蒸發(fā)腔，實現(xiàn)了工質流體如醇類燃料的蒸發(fā)與過熱。4)如圖5，圖6，圖7，圖8，圖9，圖10所示，重整反應制氫部件4 :包括3 5個結構相同的重整反應制氫單元11，呈上下層疊布置；每個重整反應制氫單元11包括底板12、中間輔助平板13、引流板14和反應載體15 ;底板12斜對角兩側開有作為工質流體流通的流道孔，對于重整制氫反應器，工質流體可為甲醇和水混合液體，中間輔助平板13為中間有正方形凹槽的矩形板；正方形凹槽中安裝有反應載體15，引流板14為中間開有與蒸發(fā)板16 一致的平行四邊形凹槽的矩形板，引流板的平行四邊形凹槽的兩側三角形部分用于引流，使工質流體較勻速的流入反應通道，進行重整制氫反應。引流板14的平行四邊形凹槽、微凸臺陣列結構和第一加熱板3下表面構成反應腔；工質流體通過底板12 —側遠離入口不銹鋼管8的流道孔流入重整反應制氫單元11的反應腔，從另一側靠近入口不銹鋼管8的流道孔流出重整反應制氫單元11的反應·腔；第一加熱板3與第二加熱板5結構相同，在兩側面對角線處均開有加熱棒孔，在加熱板側面設有熱電偶，第一加熱板3上表面一側開有流道孔，流道孔軸線與加熱棒孔軸線垂直，第一加熱板3的流道孔與上蓋板7的流體進口孔同軸布置并相通，第二加熱板5上表面加工有流道孔，第二加熱板5的流道孔與重整反應制氫單元11的底板12 —側的流道孔、下蓋板9 一側的流體出口孔同軸布置并相通。層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器由上蓋板7，兩塊蒸發(fā)板16，第一加熱板3，3 5個重整反應制氫單元11，第二加熱板5，下蓋板9層疊而成。所述反應載體15為上表面設有微凸臺陣列結構的矩形板；反應載體15上的圓柱狀微凸臺結構一致，平行排布，橫縱方向上微凸臺數(shù)量相同。所述上蓋板7、下蓋板9材料為不銹鋼，反應載體15材料為半固態(tài)A356鋁合金，其余板的材料為普通鋁合金。所述的反應載體15為上表面制造有微凸臺陣列結構的矩形板；反應載體15上的微凸臺陣列結構呈平行排布，相鄰微凸臺之間的中心間距為1.8 mm，橫縱方向上微凸臺數(shù)量相等。所有微凸臺結構均為圓柱體，直徑為I mm，高為O. 5 mm。所述的層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，上、下蓋板材料采用不銹鋼，反應載體15材料采用半固態(tài)A356鋁合金，其余板材料采用普通鋁合金。所述的層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器采用柔性石墨墊與緊固螺栓相結合的方式進行密封。不同板層之間均安置有柔性石墨墊，用于微反應器的密封。上、下蓋板與入、出不銹鋼管采用氬弧焊方式連接與密封。微反應器層疊裝配后用螺栓擰緊密封。所述的層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器的反應載體15由半固態(tài)微觸變成形技術加工而成，其余部分由普通機械加工方式加工而成。反應載體15的具體加工方法如下a.制造帶有微孔陣列的模具，并將其安裝在壓機上。由于模具溫度越高，工件成形效果更好，因此，在模具中設計加熱棒孔，通過電阻加熱棒和溫控儀將模具控制在設定溫度。b.將半固態(tài)A356鋁合金制成工件坯料，在感應加熱爐內加熱到半固態(tài)溫度(大約為580°C)，然后將其移至上述模具內。c.壓機按照程序控制緩緩下壓，在坯料上成形出微凸臺陣列結構。d.通過普通的銑削等機械加工，制造出反應載體。所述的層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，采用甲醇水蒸氣重整方式制氫，在制氫反應通道中進行的水蒸氣重整過程包括三個反應，如下所示甲醇重整(SR)CH3 GH+H2 O ~^112+002. ’水汽逆變換(rffGS )C02+H24C0+H20,甲醇分解(DE)<: 3ΟΗ—所述的反應載體上負載有銅基催化劑Cu/Zn0/Al203，用于甲醇水蒸氣重整制氫。催化劑的負載方法如下反應載體在經(jīng)過成形加工、線切割過程后表面受到污染，留有污垢。為了腐蝕反應載體表面氧化層，去除污垢，同時使其表面形成一定微結構，增大反應載體的表面積，提高催化劑與反應載體的粘著力，須首先對反應載體進行催化劑負載前的預處理。具體過程為將反應載體放入濃度為20 丨％的NaOH溶液中，室溫下腐蝕2 min左右，清洗后自然晾干。在完成預處理后，開始在反應載體上負載催化劑。催化劑的涂覆主要分為兩步，第一步為在反應載體上先涂覆一層A l2O3薄層，因為反應載體為鋁合金材質，Al2O3薄層很大程度上增強了催化劑與反應載體的粘著力；第二步為催化劑的涂覆及燒結。反應載體上Al2O3薄層的涂覆實現(xiàn)Al2O3薄層的涂覆與燒結需制備鋁溶膠。采用硝酸鋁溶液和氨水混合攪拌制備鋁溶膠稱取硝酸鋁21. 3 g制成60被％的水溶液，用分液漏斗將硝酸鋁溶液緩慢滴入14. 5 ml的氨水中，并始終劇烈攪拌，持續(xù)I h。隨后繼續(xù)在恒溫30°C下攪拌2 h，得到鋁溶膠。將腐蝕過的反應載體浸入鋁溶膠中，過一段時間后垂直勻速提拉出來，去除多余液體后在室溫中干燥若干小時。此后，將干燥好的反應載體在爐中煅燒，I h升溫到400 °C并保溫2 h，隨爐冷卻。 催化劑的涂覆及燒結將銅基催化劑粉末研細，與PVA溶液按1:1比例混合均勻，制成銅基催化劑漿體(這里的PVA溶液為聚乙烯醇顆粒在80-90 1的去離子水中溶解的飽和溶液)。把銅基催化劑漿體均勻涂覆在載有Al2O3薄層的反應載體表面(這里不用去除多余液體，因為催化劑漿體相對鋁溶膠來說粘度要大得多)，在室溫中自然干燥一天。干燥后在爐中以5 °C/min的速度程序升溫至300 °C煅燒2 h后隨爐冷卻，最終在反應載體表面成功負載一層有一定附著力的催化劑。本實用新型的甲醇重整制氫反應的工作原理如下圖11為該微反應器的流體流動路徑簡圖。制氫反應開始前，向微反應器中通入保護氣氮氣，一是為了預熱通道，二是為了清除通道內的殘余空氣。氮氣的流量由質量流量計控制。接著，電阻加熱棒通電加熱微反應器，使微反應器按照5°C /min的速度程序升溫至2500C。于此同時，向微反應器中通過含H2體積分數(shù)5%的N2/H2混合氣體，對銅基催化劑進行還原。等微反應器還原完成后，將反應溫度調節(jié)至重整制氫反應溫度后，工質流體(如甲醇水的混合溶液)在注射泵等動力源的驅動下流入微反應器的蒸發(fā)單元，經(jīng)過蒸發(fā)后獲得過熱的甲醇水混合蒸氣。接著，工質氣體經(jīng)過加熱板一側的流道孔流入重整反應制氫單元并聯(lián)排布的重整反應制氫部件，進行甲醇重整制氫過程，制得的高含量氫氣通過加熱板一側的通道孔、下蓋板組 件流出微反應器。在制氫過程中，微反應器的溫度由熱電偶和溫控儀控制，工質液體的流量由流量泵或液體流量計控制，制氫過程的壓力由壓力變送器監(jiān)控。
權利要求1.一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，其特征在于從上至下依次包括上蓋板組件(I)，蒸發(fā)單元(2)，第一加熱板(3)，重整反應制氫部件(4)，第二加熱板(5)和下蓋板組件(6);其中: 1)上蓋板組件(I):包括矩形結構的四周開有螺紋孔的上蓋板(7)和入口不銹鋼管(8);入口不銹鋼管(8)與上蓋板(7) —側的流體進口孔相連； 2)下蓋板組件(6):包括矩形結構的四周開有螺紋孔的下蓋板(9)和出口不銹鋼管(10);出口不銹鋼管(10)與下蓋板(9)的流體出口孔相連，出口不銹鋼管(10)與上蓋板(7)的入口不銹鋼管(8)相對應； 3)蒸發(fā)單元(2):包括兩塊結構相同的蒸發(fā)板(16)，每塊蒸發(fā)板為內開有平行四邊形凹槽的矩形體，蒸發(fā)板的平行四邊形凹槽、上蓋板(7)下表面、第一加熱板(3)上表面構成了蒸發(fā)單元(2)的蒸發(fā)腔； 4)重整反應制氫部件(4):包括3 5個結構相同的重整反應制氫單元(11)，呈上下層疊布置；每個重整反應制氫單元(11)包括底板(12)、中間輔助平板(13)、引流板(14)和反應載體(15);底板(12)斜對角兩側開有作為工質流體流通的流道孔，中間輔助平板(13)為中間有正方形凹槽的矩形板；正方形凹槽中安裝有反應載體(15)，引流板(14)為中間開有與蒸發(fā)板(16) —致的平行四邊形凹槽的矩形板，引流板(14)的平行四邊形凹槽、微凸臺陣列結構和第一加熱板(3)下表面構成反應腔；工質流體通過底板(12) —側遠離入口不銹鋼管(8)的流道孔流入重整反應制氫單元(11)的反應腔，從另一側靠近入口不銹鋼管(8)的流道孔流出重整反應制氫單元(11)的反應腔；第一加熱板(3)與第二加熱板(5)結構相同，在兩側面對角線處均開有加熱棒孔，在加熱板側面設有熱電偶，第一加熱板(3)上表面一側開有流道孔，流道孔軸線與加熱棒孔軸線垂直，第一加熱板(3)的流道孔與上蓋板(7)的流體進口孔同軸布置并相通，第二加熱板(5)上表面加工有流道孔，第二加熱板(5)的流道孔與重整反應制氫單元(11)的底板(12) —側的流道孔、下蓋板(9) 一側的流體出口孔同軸布置并相通； 層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器由上蓋板(7)，兩塊蒸發(fā)板(16)，第一加熱板(3)，3 5個重整反應制氫單元(11)，第二加熱板(5)，下蓋板(9)層疊而成。
2.根據(jù)權利要求1所述一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，其特征在于所述反應載體(15)為上表面設有微凸臺陣列結構的矩形板；反應載體(15)上的圓柱狀微凸臺結構一致，平行排布，橫縱方向上微凸臺數(shù)量相同。
3.根據(jù)權利要求1所述一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，其特征在于所述上蓋板(7)、下蓋板(9)材料為不銹鋼，反應載體(15)材料為半固態(tài)A356鋁合金，其余板的材料為普通鋁合金。
專利摘要本實用新型公開了一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器。反應器由上蓋板、蒸發(fā)單元、第一加熱板、3~5個重整反應制氫單元、第二加熱板、下蓋板層疊而成。其中，重整制氫單元包括底板、中間輔助平板、引流板和反應載體。反應載體上負載的催化劑，用于重整制氫反應。反應器重整所需的能量由安裝有加熱棒的加熱板提供。制氫時，重整燃料(如甲醇和水)通過上蓋板的流道孔進入蒸發(fā)腔，吸熱升溫至過熱氣體后流入重整制氫單元進行重整制氫反應制得氫氣。本實用新型比表面積大，催化劑裝填、更換方便，整體結構裝配容易，規(guī)模擴大簡單，制造成本低、效率高，可用于中、小流量醇類重整制氫場合。
文檔編號C01B3/32GK202898013SQ20122059210
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權日2012年11月12日
發(fā)明者錢淼, 梅德慶, 姚喆赫, 婁心洋, 陳子辰 申請人:浙江大學