一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器

摘要

本发明公开了一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，主要用于实现微反应器在高温高压应用场合的可靠密封，以及微反应器的可拆卸、反应载体的可更换。本发明由入口燃烧蒸发模块、燃烧蒸发模块、燃烧混合腔板、燃烧反应模块A、重整反应模块A、燃烧反应模块B、出口腔板模块等组成。模块由腔板构成空间，腔板之间通过真空“面‑面”焊接的形式焊接在一起，保证了重整腔板与燃烧腔板组合在一起后的可靠密封；本发明的真空“面‑面”焊接后的结构体侧面采用密封用压板与石墨密封片以及螺栓、螺母的形式密封，保障了微反应器整体密封与微反应器的可拆卸、反应载体的可更换。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，用于保障在甲醇氧化燃烧为甲醇重整制氢反应的供热过程中微反应器内不同流路气体之间不发生串气与漏气问题，并实现自热型甲醇重整制氢微反应器的可拆卸、反应载体的可更换。

背景技术

目前氢燃料电池汽车采用的储氢罐的供氢技术方式在储氢、运氢、用氢上存在较大的安全性问题，而自热型甲醇重整制氢微反应器可在线为燃料电池供氢，解决了储氢罐的供氢方式在安全性上的技术短板。但目前甲醇重整制氢微反应器多采用金属腔板层叠式的结构形式，通过石墨片进行微反应器的密封，随着微反应器的性能放大，石墨片的使用数量增多，微反应器的气密性更加难以保障，特别在高温高压的应用场合，兼顾微反应器的气密性与可拆卸性、反应载体的可更换性是个难题。为解决上述问题，需要设计一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器。

参考文献：

[1]张伟,李世安,刘聪敏,等.车载甲醇重整微型反应器研究进展[J].现代化工,2019,39(7):29-32.

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题，提供一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，以既能保证微反应器的气密性又能兼顾微反应器的可拆卸性、反应载体的可更换性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，包括入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整蒸发腔板(10-2)、重整反应腔板A(5-1)等；其特征在于：所述的微型反应器腔板依次为入口燃烧蒸发腔板(1-2)，燃烧蒸发腔板(2-2)，燃烧混合腔板(3)，燃烧反应腔板A(4-2)，重整反应腔板A(5-1)，燃烧反应腔板B(6-1)，重整反应腔板B(18-1)，燃烧反应腔板B(6-1)，重整反应腔板C(13-1)，燃烧反应腔板C(9-1)，重整蒸发腔板(10-2)，燃烧反应腔板D(11-2)，出口腔板(12-1)；

甲醇氧化燃烧反应物与甲醇重整制氢反应物的流体流向相反，在入口燃烧蒸发腔板(1-2)上设置燃烧用甲醇入口(1-4)、燃烧用空气入口(1-3)、重整反应出口(1-8)，在出口腔板(12-1)上设置燃烧反应出口(12-6)、重整用甲醇与水入口(12-3)；入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠左，形成独立的甲醇氧化燃烧反应体系；重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)、重整蒸发腔板(10-2)的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠右，形成独立的甲醇重整制氢反应体系。

优选地，入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板B(18-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板C(9-1)燃烧反应腔板C(9-1)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧反应腔板D(11-2)燃烧反应腔板D(11-2)、出口腔板(12-1)上设置识别腔板类型的槽道，根据不同腔板的槽道特征依次按序放置，通过真空钎焊或者真空扩散焊的方式使各个腔板以“面-面”焊接的形式连接在一起。

优选地，入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠左；重整蒸发腔板(10-2)、重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠右。燃烧反应腔板A(4-2)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板B(6-1)的凹腔上设置两个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板C(9-1)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板D(11-2)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；1个燃烧反应腔板A(4-2)、4个燃烧反应腔板B(6-1)、1个燃烧反应腔板C(9-1)、1个燃烧反应腔板D(11-2)形成并联5个燃烧反应腔与串联2个燃烧反应腔的并串结合的性能放大形式。重整反应腔板C(13-1)的凹腔上设置两个导通孔，腔板上设置两个让位孔；重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)凹腔上设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；3个重整反应腔板C(13-1)、1个重整反应腔板A(5-1)、1个重整反应腔板B(18-1)形成并联4个重整反应腔与串联1个重整反应腔的并串结合的性能放大形式。

优选地，入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧反应腔板D(11-2)上分别设置加热棒让位盲孔，用来放置加热棒；燃烧混合腔板(3)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧反应腔板D(11-2)、出口腔板(12-1)、重整反应腔板C(13-1)、重整反应腔板B(18-1)上分别设置密封用螺栓的让位通孔；入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧反应腔板A(4-2)、出口腔板(12-1)分别设置固定热电偶的螺纹孔；以上各个腔板的侧面设置用于识别腔板类型的槽道，不同腔板设置的槽道位置不同；各个腔板的四个角边缘设置四个定位用通孔。

优选地，真空“面-面”焊接后的焊接结构体中的燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)、重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)的方形型腔通过线切割的加工方式进行二次加工，修整反应腔的尺寸精度；燃烧反应腔板A(4-2)与燃烧反应腔板挡块A(4-4)、燃烧反应腔板B(6-1)与燃烧反应腔板挡块B(6-2)、燃烧反应腔板C(9-1)与燃烧反应腔板挡块C(9-3)、燃烧反应腔板D(11-2)与燃烧反应腔板挡块D(11-3)、重整反应腔板A(5-1)与重整反应腔板挡块A(5-2)、重整反应腔板B(18-1)与重整反应腔板挡块B(18-3)、重整反应腔板C(13-1)与重整反应腔板挡块C(13-3)以氩弧焊的焊接方式连接在一起。

优选地，燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)与燃烧反应腔板D(11-2)内置负载铂催化剂的泡沫镍多孔反应载体，重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)与重整反应腔板C(13-1)内置负载钯锌催化剂的泡沫铜多孔反应载体。

优选地，入口燃烧蒸发腔板(1-2)与把手A(1-7)、出口腔板(12-1)与把手B(12-2)用螺栓的方式连接固定在一起。

本发明的有益结果是本发明提供的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，在入口燃烧蒸发腔板(1-2)上设置燃烧用甲醇入口(1-4)、燃烧用空气入口(1-3)、重整反应出口(1-8)，在出口腔板(12-1)上设置燃烧反应出口(12-6)、重整用甲醇与水入口(12-3)，甲醇氧化燃烧反应物与甲醇重整制氢反应物的流体流向相反，充分利用了甲醇氧化燃烧为甲醇重整制氢反应过程供热所剩下的余热，为液态重整甲醇蒸发为气态甲醇供热，提高了微反应器制氢反应过程的能效，同时甲醇自热重整的制氢技术实现了在线为燃料电池供氢的技术方式；入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板B(18-1)等设置识别腔板类型的槽道，实现了不同腔板的快速装配；通过真空“面-面”焊接的方式使各个腔板以“面-面”焊接在一起的形式密封在一起，燃烧反应腔板A(4-2)与燃烧反应腔板挡块A(4-4)、燃烧反应腔板B(6-1)与燃烧反应腔板挡块B(6-2)、燃烧反应腔板C(9-1)与燃烧反应腔板挡块C(9-3)等以氩弧焊的焊接方式焊接在一起，避免了微反应器内串气与漏气问题的发生，并保障了微反应器可装拆、反应载体的可更换；焊接结构体中的燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)等的方形型腔通过减材加工的方式修整反应腔的尺寸精度，实现了反应载体与微反应器间的可靠装配，保证了微反应器的反应性能；自热型甲醇重整制氢微反应器采用高比表面积的多孔金属结构载体作为反应载体，保证了微反应器具有良好的反应性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器的结构示意图；

图2是一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器的爆炸图；

图3是入口燃烧蒸发模块的结构示意图；

图4是燃烧蒸发模块的结构示意图；

图5是燃烧反应模块A的结构示意图；

图6是重整反应模块A的结构示意图；

图7是燃烧反应模块B的结构示意图；

图8是燃烧反应模块C的结构示意图；

图9是重整蒸发模块的结构示意图；

图10是燃烧反应模块D的结构示意图；

图11是出口腔板模块的结构示意图；

图12是重整反应模块C的结构示意图；

图13是重整反应模块B的结构示意图。

附图标记说明：1.入口燃烧蒸发模块；1-1.加热棒A；1-2.入口燃烧蒸发腔板；1-3.燃烧用空气入口；1-4.燃烧用甲醇入口；1-5.M10螺栓A；1-6.热电偶A；1-7.把手A；1-8.重整反应出口；2.燃烧蒸发模块；2-1.加热棒B；2-2.燃烧蒸发腔板；3.燃烧混合腔板；4.燃烧反应模块A；4-1.热电偶B；4-2.燃烧反应腔板A；4-3.燃烧反应载体A；4-4.燃烧反应腔板挡块A；5.重整反应模块A；5-1.重整反应腔板A；5-2.重整反应腔板挡块A；5-3.重整反应载体A；6.燃烧反应模块B；6-1.燃烧反应腔板B；6-2.燃烧反应腔板挡块B；6-3.燃烧反应载体B；7.石墨密封片；8.密封用压板；9.燃烧反应模块C；9-1.燃烧反应腔板C；9-2.燃烧反应载体C；9-3.燃烧反应腔板挡块C；10.重整蒸发模块；10-1.加热棒C；10-2.重整蒸发腔板；11.燃烧反应模块D；11-1.加热棒D；11-2.燃烧反应腔板D；11-3.燃烧反应腔板挡块D；11-4.燃烧发应载体D；12.出口腔板模块；12-1.出口腔板；12-2.把手B；12-3.重整用甲醇与水入口；12-4.M10螺栓B；12-5.热电偶C；12-6.燃烧反应出口；13.重整反应模块C；13-1.重整反应腔板C；13-2.重整反应载体C；13-3.重整反应腔板挡块C14.M10螺母C；15.M10螺栓C；16.M8螺母；17.M8螺栓；18.重整反应模块B；18-1.重整反应腔板B；18-2.重整反应载体B；18-3.重整反应腔板挡块B；19.定位柱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的是实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1～2所示，本发明的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器，主要由入口燃烧蒸发模块(1)、燃烧蒸发模块(2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应模块A(4)、重整反应模块A(5)、燃烧反应模块B(6)、出口腔板模块(12)等组成；腔板依序为：入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板B(18-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧反应腔板D(11-2)、出口腔板(12-1)；

包括入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧用空气入口(1-3)、燃烧用甲醇入口(1-4)、重整反应出口(1-8)、把手A(1-7)、出口腔板(12-1)、燃烧反应出口(12-6)、重整用甲醇与水入口(12-3)、燃烧蒸发腔板(2-2)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、热电偶A(1-6)、加热棒A(1-1)、石墨密封片(7)、密封用压板(8)等。

甲醇氧化燃烧反应的反应体系包括入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)，上述腔板的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠左；甲醇重整制氢反应的反应流体包括重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)、重整蒸发腔板(10-2)，上述的凹腔上设置斜腔，斜腔方向靠右。实现了甲醇氧化燃烧反应的反应流体与甲醇重整制氢反应的反应流体的错流，避免了串气问题的发生。燃烧反应腔板A(4-2)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板B(6-1)的凹腔上设置两个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板C(9-1)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；燃烧反应腔板D(11-2)设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；1个燃烧反应腔板A(4-2)、4个燃烧反应腔板B(6-1)、1个燃烧反应腔板C(9-1)、1个燃烧反应腔板D(11-2)形成并联5个燃烧反应腔与串联2个燃烧反应腔的并串结合的性能放大形式，保障了甲醇氧化燃烧反应的性能。重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)凹腔上设置一个导通孔，腔板上设置两个让位孔；3个重整反应腔板C(13-1)、1个重整反应腔板A(5-1)、1个重整反应腔板B(18-1)形成并联4个重整反应腔与串联1个重整反应腔的并串结合的性能放大形式，保障了甲醇重整制氢反应的性能。

如图1-13所示，本发明的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器的入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板B(18-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板D(11-2)、重整蒸发腔板(10-2)、出口腔板(12-1)设置识别腔板类型的槽道，用于实现不同腔板的快速按序装配；按入口燃烧蒸发腔板(1-2)、燃烧蒸发腔板(2-2)、燃烧混合腔板(3)、燃烧反应腔板A(4-2)、重整反应腔板A(5-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板B(18-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板B(6-1)、重整反应腔板C(13-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、重整蒸发腔板(10-2)、燃烧反应腔板D(11-2)、出口腔板(12-1)的顺序形成真空“面-面”焊接单元；将真空“面-面”焊接单元通过真空扩散焊的方式以“面-面”焊接的形式焊接密封在一起，保障了自热型甲醇重整制氢微反应器内不发生串气与漏气的问题。

如图1-13所示，本发明的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器真空扩散焊在一起的燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)、重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)的方形型腔通过线切割的加工方式进行二次加工，修整反应腔的尺寸精度；燃烧反应腔板A(4-2)与燃烧反应腔板挡块A(4-4)、燃烧反应腔板B(6-1)与燃烧反应腔板挡块B(6-2)、燃烧反应腔板C(9-1)与燃烧反应腔板挡块(9-3)、燃烧反应腔板D(11-2)与燃烧反应腔板挡块D(11-3)、重整反应腔板A(5-1)与重整反应腔板挡块A(5-2)、重整反应腔板B(18-1)与重整反应腔板挡块B(18-3)、重整反应腔板C(13-1)与重整反应腔板挡块C(13-3)以氩弧焊的焊接方式连接在一起；负载铂催化剂的具有高比表面积的泡沫镍置入燃烧反应腔板A(4-2)、燃烧反应腔板B(6-1)、燃烧反应腔板C(9-1)、燃烧反应腔板D(11-2)，负载钯锌催化剂的具有高比表面积的泡沫铜置入重整反应腔板A(5-1)、重整反应腔板B(18-1)、重整反应腔板C(13-1)；利用M10螺母C(14)、M10螺栓C(15)、M8螺母(16)、M8螺栓(17)、石墨密封片(7)、密封用压板(8)与真空“面-面”焊接单元组装在一起，在螺栓的拧紧力下实现真空“面-面”焊接单元侧面的密封，保证了自热型甲醇重整制氢微反应器不发生串气与漏气的问题，同时保证微反应器的可拆卸、反应载体的可更换。

如图1-2、3-5、8-11所示，本发明的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器的入口燃烧蒸发模块(1)、燃烧蒸发模块(2)、重整蒸发模块(10)、燃烧反应模块D(11)上分别设置加热棒A(1-1)、加热棒B(2-1)、加热棒C(10-1)、加热棒D(11-1)用来甲醇氧化燃烧反应前自热型甲醇重整制氢微反应器的预热，入口燃烧蒸发模块(1)、燃烧反应模块A(4)、燃烧反应模块D(11)分别设置热电偶A(1-6)、热电偶B(4-1)、热电偶C(12-5)用于监测自热型甲醇重整制氢微反应器的温度与供热。

如图3、11所示，本发明的一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器的入口燃烧蒸发模块(1)与出口腔板模块12分别设置把手A(1-7)与把手B(12-2)，方便实现自热型甲醇重整制氢微反应器的搬运。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。