CN114735650B - 基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置及其控制方法，包括壳体、甲醇重整器、甲醇溶液调配箱、甲醇燃料箱、水箱和燃料起泡器；所述甲醇重整器通过燃料起泡器与甲醇燃料箱连接，所述甲醇重整器分别与甲醇溶液调配箱和水箱连接，所述甲醇溶液调配箱分别与甲醇燃料箱和水箱连接，所述甲醇重整器包括重整器壳体、甲醇催化燃烧单元、甲醇蒸汽重整单元和冷凝单元；控制方法包括系统调试、确定工况参数、预热启动、调配甲醇溶液、制氢作业、反应水回收、制氢工况的切换、停机和控制系统完善等步骤。有益效果：本发明基于分形网络结构设计了自热型甲醇重整器，其热质输运特性能够很好的适用于甲醇重整这类体积增加的反应。

Description

基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种甲醇重整制氢装置及其控制方法，特别涉及一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置及控制方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

能源是国民经济的动力和生命线。能源发展以及合理有效利用是整个社会发展的源泉。当前，世界政治经济结构发生了深刻的调整，能源供求关系发生了深刻变化。能源和资源日益紧张，生态和环境问题日益突出，调整经济结构、提高能源效率、确保能源安全的压力进一步加大，能源发展面临一系列新问题和挑战。

从节能和生态保护的角度来看，燃料电池被视为最有前途的能源发电方法之一。然而高压氢气储存和运输过程因其高成本、低安全性，难以商业化等问题，阻碍燃料电池的广泛应用，因此使用储氢材料如甲醇等作为运输氢气的介质。与高温下由化石燃料产生的氢相比，最优选是在相对较低的温度下从含氧燃料如甲醇中制取氢。甲醇重整制氢技术是一种低成本的制氢手段，在工业上得到了广泛的应用。采用高能量密度的液态低碳甲醇作为氢载体，利用甲醇蒸汽重整技术进行现场制氢，成为移动氢源的优选方法之一。

甲醇重整制氢温度大约在220～300℃之间，在现有技术中多采用电加热方式作为反应热源，造成大量的能量损耗且启动时间过长；此外，采用自热方法如部分氧化放热、热耦合等方法加热，其启动速度非常可观，但受传统的流道如直流道、蛇形流道等的热质传递限制，使得该方法的能量损耗依然较大；同时，传统的制氢装置需要人工调配甲醇水溶液后供给至甲醇重整制氢装置中，造成人力浪费，流程冗余，不利于进一步推广。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，提供一种能够通过自动调配甲醇水比例适应不同使用场景的制氢需求，提高燃料经济性，强化甲醇重整器热质传递过程的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置及控制方法。

技术方案：一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，包括壳体、甲醇重整器、甲醇溶液调配箱、甲醇燃料箱、水箱和燃料起泡器；所述甲醇重整器、甲醇溶液调配箱、甲醇燃料箱、水箱和燃料起泡器分别位于壳体内部，所述甲醇重整器通过燃料起泡器与甲醇燃料箱连接，所述甲醇重整器分别与甲醇溶液调配箱和水箱连接，所述甲醇溶液调配箱分别与甲醇燃料箱和水箱连接，所述甲醇重整器包括重整器壳体、甲醇催化燃烧单元、甲醇蒸汽重整单元和冷凝单元；

所述甲醇催化燃烧单元和甲醇蒸汽重整单元呈背靠背叠放结构，沿重整器壳体中心轴方向安装在冷凝单元内部；

所述甲醇催化燃烧单元内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇蒸汽重整单元内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇催化燃烧单元与甲醇蒸汽重整单元内部不连通；

所述甲醇催化燃烧单元和甲醇蒸汽重整单元的出口正对冷凝单元，并且不超出冷凝单元的范围；

所述燃料起泡器与甲醇催化燃烧单元的流道入口连通；所述甲醇溶液调配箱与甲醇蒸汽重整单元的流道入口连通；

所述重整器壳体的上方设有氢气输出口，所述重整器壳体的底部设有回水口，所述回水口与水箱连通。

本发明采用自热方法对甲醇重整器进行快速加热，甲醇催化燃烧单元和甲醇蒸汽重整单元呈背靠背叠放结构，热传递效率更高；其中甲醇催化燃烧单元和甲醇蒸汽重整单元内的反应通道设置为中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道，提高甲醇催化燃烧与蒸汽重整反应间的热耦合程度，强化其热质输运过程，大幅度提升热传递效率，减少能量损耗，提升启动效率；燃料在进入分形网络流道后首先撞击避免后向四周辐射扩散，逐级呈现渐扩趋势，对甲醇重整等体积增加类反应具有较大的优势；同时设置有冷凝单元，冷凝过程中所放出的热量，可以维持甲醇重整器的内部温度；此外在壳体底部设置回水口并且连通水箱，可对反应过程中产生的冷凝水进一步回收利用。

进一步的，所述点源式分形网络结构为“Y”型分形网络结构。

将点源式分形网络结构设置为“Y”形，是为了更充分的进行催化反应，进一步扩大放热效果，使甲醇重整器内部温度能够快速提升；对于甲醇蒸汽重整单元，“Y”型分形网络结构能够使蒸发反应更充分，进一步提升制氢效率。

进一步的，所述“Y”型分形网络结构的参数满足关系如下：

l_k＝l₀α^k (1)

w_k＝w₀β^k (2)

其中，l_k为分形流道第k级流道长度，l₀为分形流道第0级流道长度，w_k为分形流道第k级流道宽度，w₀为分形流道第0级流道宽度，S为流道反应面积，α、β、m为分形网络结构特征参数，其分别为长度比、宽度比以及分叉级数，其中，α为第k+1级与第k级通道长度的比值，β为第k+1级与第k级通道宽度的比值，代表分形网络生长过程中的迭代参数，m则代表了分形网络的生长规模。

通过该分形网络结构，能够将重整器外表面积减少至传统直流道或蛇形流道的1/3，极大地减少了散热面积，能够更好的保存热量，从而提高了能量利用率，此外，因分形流道独特的输运特性，使该类型重整器在100％转化率的情况下转化甲醇水溶液的能力上限是传统重整器的2-3倍，具有极大的工程应用潜力。

进一步的，所述甲醇催化燃烧单元和甲醇蒸汽重整单元为整体式圆柱体结构，所述整体式圆柱体结构沿重整器壳体中心轴方向安装在冷凝单元内部。

设置为一个整体，便于安装拆卸，同时减少热传递过程中的能量损耗，进一步提升能量利用率，加快装置启动时间。

进一步的，所述甲醇催化燃烧单元的入口与甲醇蒸汽重整单元的入口相对设置。

将入口设置为相对方向，使甲醇催化燃烧单元的高温区域与甲醇蒸汽重整单元的低温区域耦合，增大温度梯度，强化传热。

进一步的，所述冷凝单元为螺旋状挡板结构，并且安装在重整器壳体内壁上。

在甲醇重整器壳体内壁上设置螺旋状挡板结构的冷凝单元，使高温气体进一步放热，提高了能量利用率，减少能量损耗。

进一步的，所述冷凝单元的螺旋状挡板上涂覆有CO选择性氧化催化剂。

将甲醇溶液蒸发后产生的氢气和其他气体在冷凝单元进行进一步氧化，提纯重整气，去除微量CO气体，最后引向壳体出口，供给至外部负载。

进一步的，所述甲醇溶液调配箱与甲醇燃料箱之间的管路上分别设有甲醇伺服电机蠕动泵和甲醇质量流量计；所述甲醇溶液调配箱与和水箱之间的管路上分别设有伺服电机蠕动水泵和纯水质量流量计，所述甲醇溶液调配箱与甲醇蒸汽重整单元之间设有溶液伺服电机蠕动泵和溶液质量流量计。

通过在各管路加装相应的流量计，为控制甲醇燃料的输送以及甲醇溶液的调配和输送提供必要的数据采集；加装相应的蠕动泵，控制甲醇燃料、甲醇溶液、冷凝水的输送，为装置内液体循环提供充足的动力。

一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、系统调试，根据制氢量预先标定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度对应制氢量的MAP图；

步骤二、确定工况参数，根据实际制氢量的需求拟合步骤一中标定工况MAP图，获得与标定工况参数的相近点，用以执行预热过程，确定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度参数；

步骤三、预热启动，在冷启动时，以最大限度地将甲醇燃料箱中的纯甲醇以大流量高压力供给至燃料起泡器中进行空气掺混后，继而供给至甲醇催化燃烧单元内进行催化放热反应，提高甲醇重整器温度，快速达到步骤二中确定的反应温度附近，当达到步骤二中确定的反应温度后，控制纯甲醇供给至甲醇催化燃烧单元量以稳定此时的反应温度；

步骤四、调配甲醇溶液，分别通过甲醇伺服电机蠕动泵和伺服电机蠕动水泵控制甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱的比例和量，通过甲醇质量流量计和纯水质量流量计实时监测当前甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱的比例与体积，当调配的溶液体积能够维持满足氢气制取要求30s工作时间时，终止调配；

步骤五、制氢作业，按照MAP图内工况点向甲醇蒸汽重整单元供给调配后的溶液，通过质量流量计实时监测输出量，监测甲醇溶液调配箱中的溶液质量，当满足30s制氢需求时停止调配，当只够满足15s制氢需求时启动调配；

步骤六，反应水回收，根据反应参数计算得到当前过量水的质量，对反应产生的水回收至水箱内；

步骤七、制氢工况的切换，当需要切换制氢工况时，反应温度改变时回到步骤三重新进行温度控制，当制氢需求变化时，甲醇溶液调配箱不再给甲醇蒸汽重整单元供给甲醇溶液，对甲醇溶液调配箱内甲醇溶液组分进行调整后，再恢复对甲醇蒸汽重整单元的供给；

步骤八、停机，关闭甲醇和纯水的供给，并记录当前摩尔比以及，甲醇溶液调配箱内溶液质量，燃料起泡器持续给甲醇催化燃烧单元供给10s，对甲醇催化燃烧单元内部进行吹扫，待吹扫完成后关闭燃料起泡器对甲醇催化燃烧单元供给，大功率进行反应水的回收；

步骤九、控制系统完善，将上述工况运行参数采集补充至MAP图中，通过多次迭代学习控制细化工况点。

通过上述步骤即可完成从溶液调配到氢气制取的完整工作流程，其中前期工序包括步骤一的系统调试以及步骤二的工况确定；中期工序包括步骤三到步骤七的预热启动、调配甲醇溶液、制氢作业、反应水回收、制氢工况的切换；后期工序包括步骤八的停机和步骤九的控制系统完善；实现了装置快速启动以及加强能量利用率的效果，并且在中期工序中实现根据制氢需求进行工况切换，满足多工况下的工作需求；后期工序中对工况运行参数进行采集，通过多次迭代学习控制细化工况点，能够进一步提升装置的制氢效率。

进一步的，所述步骤四和步骤七中甲醇溶液的调配方法为自动调配，具体的控制方法为：

首先，选用位置模式作为伺服电机控制方式；

定义甲醇水溶液需求流量Q ml/min，伺服电机单脉冲转动角度θ，甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)的泵头转动一周能够供给流量Q_rml，则单脉冲供给流量为 定义甲醇溶液摩尔比：

脉冲数k，脉冲频率f，定义甲醇质量流量计(42)流量Q_m,ch3ohg/min，

纯水质量流量计(52)流量Q_m,h2og/min；

其次，建立甲醇溶液需求流量Q、甲醇溶液摩尔比α与纯甲醇、水流量之间的映射模型，

其约束条件为：

一、醇溶液调配速度需满足制氢装置产氢需求；

二、当改变甲醇溶液摩尔比时，能够迅速响应并调配相应比例的燃料；

分别建立甲醇溶液需求流量Q、调配水流量Q_h2o、调配甲醇流量Q_ch3oh与脉冲数k、脉冲频率f对应的体积流量MAP图，所述MAP图为多个离散点拟合而成，引入质量流量差作为控制调配系统精度的主要目标函数，其值应小于质量流量计分度值，并通过脉冲数及脉冲频率进行PID控制；

然后，通过数据采集获得外部制氢需求，通过MAP图查表获得溶液伺服电机蠕动泵(31)的脉冲数k₃₁和脉冲频率f₃₁进行控制，甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)的脉冲数及脉冲频率应为溶液伺服电机蠕动泵(31)的1.3～2倍，且根据甲醇溶液摩尔比公式α，根据调配需求对甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)分别进行脉冲数及脉冲频率的差别控制；

最后，当改变甲醇溶液摩尔比时，分别将纯甲醇、水、甲醇溶液的质量流量对运行时间进行积分并作差得Δm，为甲醇溶液调配箱(3)当前剩余溶液体积；

当确定目标甲醇溶液摩尔比时，将目标摩尔比与当前摩尔比进行对比，通过联立摩尔比公式与Δm可得当前需补充的调配原料及其质量，通过对伺服电机的脉冲数及脉冲频率控制，直至满足原料补充量后依据MAP图达到稳定工况点。

上述步骤，通过选用位置模式作为伺服电机控制方式，建立甲醇溶液需求流量Q、甲醇溶液摩尔比α与纯甲醇、水流量之间的映射模型，并且对该模型添加约束条件，通过数据采集获得外部制氢需求，然后计算获得需补充的调配原料及其质量，通过对伺服电机的脉冲数及脉冲频率控制补充原料直至达到稳定工况，从而实现甲醇溶液的自动调配。

有益效果：

1、本发明基于分形网络结构设计了自热型甲醇重整器，其独特的热质输运特性能够很好的适用于甲醇重整这类体积增加的反应，其外表面散热面积仅为传统类型的1/3，转化甲醇水溶液的上限也高2-3倍，这代表着该类型甲醇重整器具有较高的能量利用率和制氢性能，此外，因其为分形网络结构，能够有效避免催化剂脱落而导致的流道堵塞等问题。

2、在甲醇重整器壳体内壁设计了螺旋式挡板，集成CO选择性氧化与重整气冷凝两大功能，降低CO浓度，重复利用冷凝水，提高出口氢气的品质。

3、本发明通过伺服电机蠕动泵实现系统内的甲醇溶液自动调配任务，且基于脉冲数与脉冲频率的控制策略能够使甲醇水摩尔比与体积均可得到较高精度的控制，减少人机交互过程，可离线智能运行。

4、利用迭代学习控制算法对甲醇重整器温度进行控制，细化系统温度控制跨度，从根源上减少CO的生成量。

附图说明

图1为本发明自热型甲醇重整制氢装置系统原理图；

图2为本发明自热型甲醇重整器内部结构示意图；

图3为本发明自热型甲醇重整器内部冷凝单元结构示意图；

图4为本发明自热型甲醇重整器内部甲醇蒸汽重整单元以及甲醇催化燃烧单元的结构示意图；

图5为本发明甲醇蒸汽重整单元及甲醇催化燃烧单元A-A以及B-B剖面图；。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、2和3所示，种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，包括壳体1、甲醇重整器2、甲醇溶液调配箱3、甲醇燃料箱4、水箱5和燃料起泡器6；所述甲醇重整器2、甲醇溶液调配箱3、甲醇燃料箱4、水箱5和燃料起泡器6分别位于壳体内部，所述甲醇重整器2通过燃料起泡器6与甲醇燃料箱4连接，所述甲醇重整器2分别与甲醇溶液调配箱3和水箱5连接，所述甲醇溶液调配箱3分别与甲醇燃料箱4和水箱5连接，所述甲醇重整器2包括重整器壳体21、甲醇催化燃烧单元22、甲醇蒸汽重整单元23和冷凝单元24；

所述甲醇催化燃烧单元22和甲醇蒸汽重整单元23呈背靠背叠放结构，沿重整器壳体21中心轴方向安装在冷凝单元24内部；

所述甲醇催化燃烧单元22内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇蒸汽重整单元23内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇催化燃烧单元22与甲醇蒸汽重整单元23内部不连通；

所述甲醇催化燃烧单元22和甲醇蒸汽重整单元23的出口正对冷凝单元24，并且不超出冷凝单元24的范围；

所述燃料起泡器6与甲醇催化燃烧单元22的流道入口连通；所述甲醇溶液调配箱3与甲醇蒸汽重整单元23的流道入口连通；

所述重整器壳体21的上方设有氢气输出口25，所述重整器壳体21的底部设有回水口26，所述回水口26与水箱5连通。

本发明采用自热方法对甲醇重整器进行快速加热，甲醇催化燃烧单元22和甲醇蒸汽重整单元23呈背靠背叠放结构，热传递效率更高；其中甲醇催化燃烧单元22和甲醇蒸汽重整单元23内的反应通道设置为中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道，提高甲醇催化燃烧与蒸汽重整反应间的热耦合程度，强化其热质输运过程，大幅度提升热传递效率，减少能量损耗，提升启动效率；燃料在进入分形网络流道后首先撞击避免后向四周辐射扩散，逐级呈现渐扩趋势，对甲醇重整等体积增加类反应具有较大的优势；同时设置有冷凝单元24，冷凝过程中所放出的热量，可以维持甲醇重整器2的内部温度；此外在壳体21底部设置回水口26并且连通水箱5，可对反应过程中产生的冷凝水进一步回收利用。

如图4所示，所述点源式分形网络结构为“Y”型分形网络结构。

所述“Y”型分形网络结构的参数满足关系如下：

l_k＝l₀α^k (1)

w_k＝w₀β^k (2)

其中，l_k为分形流道第k级流道长度，l₀为分形流道第0级流道长度，w_k为分形流道第k级流道宽度，w₀为分形流道第0级流道宽度，S为流道反应面积，α、β、m为分形网络结构特征参数，其分别为长度比、宽度比以及分叉级数，其中，α为第k+1级与第k级通道长度的比值，β为第k+1级与第k级通道宽度的比值，代表分形网络生长过程中的迭代参数，m则代表了分形网络的生长规模。

通过该分形网络结构，能够将重整器外表面积减少至传统直流道或蛇形流道的1/3，极大地减少了散热面积，能够更好的保存热量，从而提高了能量利用率，此外，因分形流道独特的输运特性，使该类型重整器在100％转化率的情况下转化甲醇水溶液的能力上限是传统重整器的2-3倍，具有极大的工程应用潜力。

如图3所示，所述甲醇催化燃烧单元22和甲醇蒸汽重整单元23为整体式圆柱体结构，所述整体式圆柱体结构沿重整器壳体21中心轴方向安装在冷凝单元24内部。

设置为一个整体，便于安装拆卸，同时减少热传递过程中的能量损耗，进一步提升能量利用率，加快装置启动时间。

如图2所示，所述甲醇催化燃烧单元22的入口与甲醇蒸汽重整单元23的入口相对设置。

将入口设置为相对方向，使甲醇催化燃烧单元22的高温区域与甲醇蒸汽重整单元23的低温区域耦合，增大温度梯度，强化传热。

如图5所示，所述冷凝单元24为螺旋状挡板结构，并且安装在重整器壳体21内壁上。

在甲醇重整器壳体21内壁上设置螺旋状挡板结构的冷凝单元24，使高温气体进一步放热，提高了能量利用率，减少能量损耗。

所述冷凝单元24的螺旋状挡板上涂覆有CO选择性氧化催化剂。

将甲醇溶液蒸发后产生的氢气和其他气体在冷凝单元进行进一步氧化，提纯重整气，去除微量CO气体，最后引向壳体出口，供给至外部负载。

如图1所示，所述甲醇溶液调配箱3与甲醇燃料箱4之间的管路上分别设有甲醇伺服电机蠕动泵41和甲醇质量流量计42；所述甲醇溶液调配箱3与和水箱5之间的管路上分别设有伺服电机蠕动水泵51和纯水质量流量计52，所述甲醇溶液调配箱3与甲醇蒸汽重整单元23之间设有溶液伺服电机蠕动泵31和溶液质量流量计32。

通过在各管路加装相应的流量计，为控制甲醇燃料的输送以及甲醇溶液的调配和输送提供必要的数据采集；加装相应的蠕动泵，控制甲醇燃料、甲醇溶液、冷凝水的输送，为装置内液体循环提供充足的动力。

一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置的控制方法，具体步骤如下：

步骤一、系统调试，根据制氢量预先标定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度对应制氢量的MAP图；

步骤二、确定工况参数，根据实际制氢量的需求拟合步骤一中标定工况MAP图，获得与标定工况参数的相近点，用以执行预热过程，确定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度参数；

步骤三、预热启动，在冷启动时，以最大限度地将甲醇燃料箱4中的纯甲醇以大流量高压力供给至燃料起泡器6中进行空气掺混后，继而供给至甲醇催化燃烧单元22内进行催化放热反应，提高甲醇重整器2温度，快速达到步骤二中确定的反应温度附近，当达到步骤二中确定的反应温度后，控制纯甲醇供给至甲醇催化燃烧单元22量以稳定此时的反应温度；

步骤四、调配甲醇溶液，分别通过甲醇伺服电机蠕动泵41和伺服电机蠕动水泵51控制甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱3的比例和量，通过甲醇质量流量计42和纯水质量流量计52实时监测当前甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱3的比例与体积，当调配的溶液体积能够维持满足氢气制取要求30s工作时间时，终止调配；

步骤五、制氢作业，按照MAP图内工况点向甲醇蒸汽重整单元23供给调配后的溶液，通过质量流量计实时监测输出量，监测甲醇溶液调配箱3中的溶液质量，当满足30s制氢需求时停止调配，当只够满足15s制氢需求时启动调配；

步骤六，反应水回收，根据反应参数计算得到当前过量水的质量，对反应产生的水回收至水箱5内；

步骤七、制氢工况的切换，当需要切换制氢工况时，反应温度改变时回到步骤三重新进行温度控制，当制氢需求变化时，甲醇溶液调配箱3不再给甲醇蒸汽重整单元23供给甲醇溶液，对甲醇溶液调配箱3内甲醇溶液组分进行调整后，再恢复对甲醇蒸汽重整单元23的供给；

步骤八、停机，关闭甲醇和纯水的供给，并记录当前摩尔比以及，甲醇溶液调配箱3内溶液质量，燃料起泡器6持续给甲醇催化燃烧单元22供给10s，对甲醇催化燃烧单元22内部进行吹扫，待吹扫完成后关闭燃料起泡器6对甲醇催化燃烧单元22供给，大功率进行反应水的回收；

步骤九、控制系统完善，将上述工况运行参数采集补充至MAP图中，通过多次迭代学习控制细化工况点。

通过上述步骤即可完成从溶液调配到氢气制取的完整工作流程，其中前期工序包括步骤一的系统调试以及步骤二的工况确定；中期工序包括步骤三到步骤七的预热启动、调配甲醇溶液、制氢作业、反应水回收、制氢工况的切换；后期工序包括步骤八的停机和步骤九的控制系统完善；实现了装置快速启动以及加强能量利用率的效果，并且在中期工序中实现根据制氢需求进行工况切换，满足多工况下的工作需求；后期工序中对工况运行参数进行采集，通过多次迭代学习控制细化工况点，能够进一步提升装置的制氢效率。

所述步骤四和步骤七中甲醇溶液的调配方法为自动调配，具体的控制方法为：

首先，选用位置模式作为伺服电机控制方式；

定义甲醇水溶液需求流量Q ml/min，伺服电机单脉冲转动角度θ，甲醇伺服电机蠕动泵41和伺服电机蠕动水泵51的泵头转动一周能够供给流量Q_rml，则单脉冲供给流量为定义甲醇溶液摩尔比：

脉冲数k，脉冲频率f，定义甲醇质量流量计42流量Q_m,ch3ohg/min，纯水质量流量计52流量Q_m,h2og/min；

其次，建立甲醇溶液需求流量Q、甲醇溶液摩尔比α与纯甲醇、水流量之间的映射模型，其约束条件为：

一、醇溶液调配速度需满足制氢装置产氢需求；

二、当改变甲醇溶液摩尔比时，能够迅速响应并调配相应比例的燃料；

分别建立甲醇溶液需求流量Q、调配水流量Q_h2o、调配甲醇流量Q_ch3oh与脉冲数k、脉冲频率f对应的体积流量MAP图，所述MAP图为多个离散点拟合而成，引入质量流量差作为控制调配系统精度的主要目标函数，其值应小于质量流量计分度值，并通过脉冲数及脉冲频率进行PID控制；

然后，通过数据采集获得外部制氢需求，通过MAP图查表获得溶液伺服电机蠕动泵31的脉冲数k₃₁和脉冲频率f₃₁进行控制，甲醇伺服电机蠕动泵41和伺服电机蠕动水泵51的脉冲数及脉冲频率应为溶液伺服电机蠕动泵31的1.3～2倍，且根据甲醇溶液摩尔比公式α，根据调配需求对甲醇伺服电机蠕动泵41和伺服电机蠕动水泵51分别进行脉冲数及脉冲频率的差别控制；

最后，当改变甲醇溶液摩尔比时，分别将纯甲醇、水、甲醇溶液的质量流量对运行时间进行积分并作差得Δm，为甲醇溶液调配箱3当前剩余溶液体积；

当确定目标甲醇溶液摩尔比时，将目标摩尔比与当前摩尔比进行对比，通过联立摩尔比公式与Δm可得当前需补充的调配原料及其质量，通过对伺服电机的脉冲数及脉冲频率控制，直至满足原料补充量后依据MAP图达到稳定工况点。

所述甲醇燃料箱4有包括两个出口，分别向燃料起泡器6和甲醇溶液调配箱3提供甲醇燃料，靠近燃料起泡器6一侧的电子蠕动泵将甲醇加压后送至燃料起泡器6，在甲醇燃料中掺混空气后，送至甲醇重整器2内的甲醇催化燃烧单元22进行放热反应，另一个甲醇出口将纯甲醇定时定量供给至甲醇溶液调配箱3中制备甲醇溶液；所述水箱5包含水箱出口以及水回收入口，其中，水箱出口将水经由伺服电机蠕动水泵51加压后定时定量供给至甲醇溶液调配箱3中制备甲醇溶液，所述水回收入口用于实现甲醇重整器2内冷凝水的回收再利用，冷凝水经由伺服电机蠕动水泵51加压后连接至水箱水回收入口；所述甲醇溶液调配箱3包括水入口、甲醇入口以及甲醇溶液供给出口，其中，甲醇溶液供给出口是供给至甲醇重整器2反应燃料的唯一管路，其经由溶液伺服电机蠕动泵、溶液质量流量计连接至甲醇溶液供给入口；

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，包括壳体(1)、甲醇重整器(2)、甲醇溶液调配箱(3)、甲醇燃料箱(4)、水箱(5)和燃料起泡器(6)；所述甲醇重整器(2)、甲醇溶液调配箱(3)、甲醇燃料箱(4)、水箱(5)和燃料起泡器(6)分别位于壳体内部，所述甲醇重整器(2)通过燃料起泡器(6)与甲醇燃料箱(4)连接，所述甲醇重整器(2)分别与甲醇溶液调配箱(3)和水箱(5)连接，所述甲醇溶液调配箱(3)分别与甲醇燃料箱(4)和水箱(5)连接，其特征在于：所述甲醇重整器(2)包括重整器壳体(21)、甲醇催化燃烧单元(22)、甲醇蒸汽重整单元(23)和冷凝单元(24)；

所述甲醇催化燃烧单元(22)和甲醇蒸汽重整单元(23)呈背靠背叠放结构，沿重整器壳体(21)中心轴方向安装在冷凝单元(24)内部；

所述甲醇催化燃烧单元(22)内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇蒸汽重整单元(23)内部设有中心轴向径向方向发散的点源式分形网络结构流道；所述甲醇催化燃烧单元(22)与甲醇蒸汽重整单元(23)内部不连通；

所述甲醇催化燃烧单元(22)和甲醇蒸汽重整单元(23)的出口正对冷凝单元(24)，并且不超出冷凝单元(24)的范围；

所述燃料起泡器(6)与甲醇催化燃烧单元(22)的流道入口连通；所述甲醇溶液调配箱(3)与甲醇蒸汽重整单元(23)的流道入口连通；

所述重整器壳体(21)的上方设有氢气输出口(25)，所述重整器壳体(21)的底部设有回水口(26)，所述回水口(26)与水箱(5)连通；

所述点源式分形网络结构为“Y”型分形网络结构；

所述“Y”型分形网络结构的参数满足关系如下：

l_k＝l₀α^k (1)

w_k＝w₀β^k (2)

其中，l_k为分形流道第k级流道长度，l₀为分形流道第0级流道长度，w_k为分形流道第k级流道宽度，w₀为分形流道第0级流道宽度，S为流道反应面积，α、β、m为分形网络结构特征参数，其分别为长度比、宽度比以及分叉级数，其中，α为第k+1级与第k级通道长度的比值，β为第k+1级与第k级通道宽度的比值，代表分形网络生长过程中的迭代参数，m则代表了分形网络的生长规模。

2.根据权利要求1所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，其特征在于：所述甲醇催化燃烧单元(22)和甲醇蒸汽重整单元(23)为整体式圆柱体结构，所述整体式圆柱体结构沿重整器壳体(21)中心轴方向安装在冷凝单元(24)内部。

3.根据权利要求1或2所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，其特征在于：所述甲醇催化燃烧单元(22)的入口与甲醇蒸汽重整单元(23)的入口相对设置。

4.根据权利要求1所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，其特征在于：所述冷凝单元(24)为螺旋状挡板结构，并且安装在重整器壳体(21)内壁上。

5.根据权利要求4所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，其特征在于：所述冷凝单元(24)的螺旋状挡板上涂覆有CO选择性氧化催化剂。

6.根据权利要求1所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置，其特征在于：所述甲醇溶液调配箱(3)与甲醇燃料箱(4)之间的管路上分别设有甲醇伺服电机蠕动泵(41)和甲醇质量流量计(42)；所述甲醇溶液调配箱(3)与和水箱(5)之间的管路上分别设有伺服电机蠕动水泵(51)和纯水质量流量计(52)，所述甲醇溶液调配箱(3)与甲醇蒸汽重整单元(23)之间设有溶液伺服电机蠕动泵(31)和溶液质量流量计(32)。

7.根据权利要求6所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、系统调试，根据制氢量预先标定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度对应制氢量的MAP图；

步骤二、确定工况参数，根据实际制氢量的需求拟合步骤一中标定工况MAP图，获得与标定工况参数的相近点，用以执行预热过程，确定甲醇水摩尔比、甲醇水体积以及反应温度参数；

步骤三、预热启动，在冷启动时，以最大限度地将甲醇燃料箱(4)中的纯甲醇以大流量高压力供给至燃料起泡器(6)中进行空气掺混后，继而供给至甲醇催化燃烧单元(22)内进行催化放热反应，提高甲醇重整器(2)温度，快速达到步骤二中确定的反应温度附近，当达到步骤二中确定的反应温度后，控制纯甲醇供给至甲醇催化燃烧单元(22)量以稳定此时的反应温度；

步骤四、调配甲醇溶液，分别通过甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)控制甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱(3)的比例和量，通过甲醇质量流量计(42)和纯水质量流量计(52)实时监测当前甲醇和纯水进入甲醇溶液调配箱(3)的比例与体积，当调配的溶液体积能够维持满足氢气制取要求30s工作时间时，终止调配；

步骤五、制氢作业，按照MAP图内工况点向甲醇蒸汽重整单元(23)供给调配后的溶液，通过质量流量计实时监测输出量，监测甲醇溶液调配箱(3)中的溶液质量，当满足30s制氢需求时停止调配，当只够满足15s制氢需求时启动调配；

步骤六，反应水回收，根据反应参数计算得到当前过量水的质量，对反应产生的水回收至水箱(5)内；

步骤七、制氢工况的切换，当需要切换制氢工况时，反应温度改变时回到步骤三重新进行温度控制，当制氢需求变化时，甲醇溶液调配箱(3)不再给甲醇蒸汽重整单元(23)供给甲醇溶液，对甲醇溶液调配箱(3)内甲醇溶液组分进行调整后，再恢复对甲醇蒸汽重整单元(23)的供给；

步骤八、停机，关闭甲醇和纯水的供给，并记录当前摩尔比以及，甲醇溶液调配箱(3)内溶液质量，燃料起泡器(6)持续给甲醇催化燃烧单元(22)供给10s，对甲醇催化燃烧单元(22)内部进行吹扫，待吹扫完成后关闭燃料起泡器(6)对甲醇催化燃烧单元(22)供给，大功率进行反应水的回收；

步骤九、控制系统完善，将上述工况运行参数采集补充至MAP图中，通过多次迭代学习控制细化工况点。

8.根据权利要求7所述的基于分形结构的自热型甲醇重整制氢装置的控制方法，其特征在于，所述步骤四和步骤七中甲醇溶液的调配方法为自动调配，具体的控制方法为：

首先，选用位置模式作为伺服电机控制方式；

定义甲醇水溶液需求流量Q ml/min，伺服电机单脉冲转动角度θ，甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)的泵头转动一周能够供给流量Q_rml，则单脉冲供给流量为ml，定义甲醇溶液摩尔比：

脉冲数k，脉冲频率f，定义甲醇质量流量计(42)流量Q_m,ch3ohg/min，

纯水质量流量计(52)流量Q_m,h2o g/min；

其次，建立甲醇溶液需求流量Q、甲醇溶液摩尔比α与纯甲醇、水流量之间的映射模型，

其约束条件为：

一、醇溶液调配速度需满足制氢装置产氢需求；

二、当改变甲醇溶液摩尔比时，能够迅速响应并调配相应比例的燃料；

分别建立甲醇溶液需求流量Q、调配水流量Q_h2o、调配甲醇流量Q_ch3oh与脉冲数k、脉冲频率f对应的体积流量MAP图，所述MAP图为多个离散点拟合而成，引入质量流量差作为控制调配系统精度的主要目标函数，其值应小于质量流量计分度值，并通过脉冲数及脉冲频率进行PID控制；

然后，通过数据采集获得外部制氢需求，通过MAP图查表获得溶液伺服电机蠕动泵(31)的脉冲数k₃₁和脉冲频率f₃₁进行控制，甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)的脉冲数及脉冲频率应为溶液伺服电机蠕动泵(31)的1.3～2倍，且根据甲醇溶液摩尔比公式α，根据调配需求对甲醇伺服电机蠕动泵(41)和伺服电机蠕动水泵(51)分别进行脉冲数及脉冲频率的差别控制；

最后，当改变甲醇溶液摩尔比时，分别将纯甲醇、水、甲醇溶液的质量流量对运行时间进行积分并作差得Δm，为甲醇溶液调配箱(3)当前剩余溶液体积；

当确定目标甲醇溶液摩尔比时，将目标摩尔比与当前摩尔比进行对比，通过联立摩尔比公式与Δm可得当前需补充的调配原料及其质量，通过对伺服电机的脉冲数及脉冲频率控制，直至满足原料补充量后依据MAP图达到稳定工况点。