[发明专利]温控型单体反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种温控型单体反应器，更具体地，涉及这样一种温控型单体反应器，其用于待供应至燃料电池系统（例如，低温质子交换膜燃料电池系统）的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应。

背景技术

已知的是，在燃料电池系统的领域中，存在多种用于制备氢气的燃料类型，例如烷类（甲烷、乙烷等）、醇类（甲醇、乙醇等）、汽油、柴油等。这些燃料通常通过燃料重整反应（主要包括燃料汽化重整反应、燃料自热重整反应及燃料部分氧化重整反应三种重整方式，其中燃料汽化重整反应最为常用）来产生氢气，例如，甲醇汽化重整反应的反应式为CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂,甲烷部分氧化反应的反应式为CH₄+0.5O₂→CO+2H₂。

但是，在通过燃料重整反应制得氢气的同时，也会进行生成一氧化碳的水汽置换反应（CO₂+H₂→CO+H₂O）。由此，最终的反应气体通常会包含约65%-75%的氢气、约15%-25%的二氧化碳、约1%-5%的一氧化碳以及2%以下的甲烷。

然而，在将上述的反应气体输送到燃料电池系统（尤其是，低温质子交换膜燃料电池系统）之前，为了符合基本的燃料要求，通常需要通过氢气提纯方法来将一氧化碳的含量减少到百万分之十（10ppm）以下，同时确保氢气含量不会明显降低，以保证制氢效率。

一种已知的氢气提纯方法是在反应器系统中进行一氧化碳优先甲烷化反应（通常采用钌为催化剂），其中，一氧化碳还原反应——即，反应A：CO+3H₂→CH₄+H₂O——为优先反应；二氧化碳还原反应——即，反应B：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O——为需抑制的反应（称为“抑制反应”）。

因此，为了抑制反应B而优先进行反应A，即，优先地进行去除CO的反应A而抑制同样消耗H2的反应B，需要将反应温度控制在一个合适的范围内，使得既能够将一氧化碳含量降低到10ppm以下，甚至更低，又能够同时确保不会因为温度过高而使氢气通过反应B被大量消耗掉。

然而，常规的反应器系统通常是将多个反应器进行阶梯型串联（例如，需要通过人工焊接等方式来实现），并且通常需要采用多于一个的散热装置来对整个反应器系统散热，结构过于复杂，且成本高。而且，即使采用了阶梯型串联设计，整个反应器系统中在反应气体流量变化大时仍然容易出现局部过热现象，虽然常规的反应器系统往往也能使反应A的转化率达到100%，但是过高的温度会导致催化剂活性下降而使反应B加剧（使反应B具有大致约5%-约40%的转化率），这造成大量的氢气被消耗掉，明显降低了制氢效率。

因此，极需一种新型的反应器来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种温控型单体反应器，用于待供应至燃料电池系统的、通过燃料重整反应得到的反应气体的一氧化碳优先甲烷化反应，该温控型单体反应器包括：

一个壳体；

一个入口，设置在所述壳体上，以引入所述反应气体；

一个出口，设置在所述壳体上，以排出所述反应气体；

多个中空的主管路，用于放置催化剂，所述多个主管路封装在所述壳体内并与所述入口和所述出口连通，每个主管路优选在其内布置有一个或多个叠层状的铝合金叶片；

一个温度控制机构，包括：

多个散热构件，与所述多个主管路上下叠置，其中散热构件和主管路交替地堆叠，以一个在另一个上方的方式布置在所述壳体内，每个散热构件大体由一个或多个叠层状的铝合金叶片形成；

至少一对冷却孔，彼此相对地设置在所述壳体上，分别与散热构件连通，并用于与至少一个外部的冷却系统连通；

其中，所述温度控制机构将所述主管路内的反应温度控制在约180℃-230℃，优选控制在约190℃-210℃。

上述新型的温控型单体反应器，能够有效地将反应温度控制在约180℃至约230℃之间，优选控制在约190℃-210℃，从而保持催化剂的活性，使其反应时间长，在使得一氧化碳还原反应的转化率为100%的同时，抑制二氧化碳还原反应的转化率，将其大致控制在约1%-4%，由此确保氢气不会被大量消耗掉，且结构简单、成本低。