CN105706282A - 气态燃料cpox重整器和cpox重整方法 - Google Patents

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Abstract

气态燃料催化部分氧化(CPOX)重整器可包括多个或一列隔开的CPOX反应器单元(408)，各反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述透气性壁围封开放的气流通道并且所述壁的至少一部分具有在其中设置的CPOX催化剂和/或包括其结构。包含催化剂的壁结构和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区(409)，包含催化剂的壁部分是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散。CPOX反应器单元的CPOX反应区的至少外表面可包括氢气阻挡物。气态燃料CPOX重整器也可包括一个或多个点火器，以及气态可重整燃料来源。

Description

气态燃料CPOX重整器和CPOX重整方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年11月6日提交的美国临时专利申请No.61/900,543的优先权和申请日权益，其全部公开内容通过参考并入本文。
技术领域
本教导涉及气态燃料催化部分氧化重整器(重整装置，reformer)和气态可重整燃料的催化部分氧化重整以制造富含氢气的重整物的方法。
背景技术
气态或液体可重整燃料向富含氢气的包含一氧化碳的气体混合物(通常被称为“合成气体”或“合成气”的产物)的转化可根据任意这样的公知燃料重整操作例如蒸汽重整、干重整、自热重整、和催化部分氧化(CPOX)重整进行。这些燃料重整操作各自具有其与众不同的化学和要求并且各燃料重整操作以其优点和缺点相对于其它得以区别标示。
改进的燃料重整器、燃料重整器部件、和重整工艺的发展由于燃料电池(即，用于将可电化学氧化的燃料例如氢气、氢气与一氧化碳的混合物等电化学转化为电的装置)的潜力持续为相当多研究的焦点，从而对于包括主要动力设备(MPU)和辅助动力设备(APU)在内的通用应用发挥大大扩展的作用。燃料电池也可用于专业化应用例如作为用于电动车的机载发电装置，用于住宅用装置的备用电源，用于离网场所(out-of-gridlocation)中的休闲用途、户外和其它耗电装置的主电源，和用于便携式电池组的更轻质、更高功率密度、不依赖环境温度的替代品。
因为氢气的大规模的经济的生产，其分销所需要的基础设施、以及用于其存储(尤其是作为运输燃料)的实用手段普遍被认为还有长的路要走，所以很多当前的研究和开发目的在于改进作为可电化学氧化的燃料(特别是氢气与一氧化碳的混合物)的来源的燃料重整器和作为这样的燃料到电力的转化器的燃料电池组件(通常被称为燃料电池“堆”)两者，以及将燃料重整器和燃料电池集成到用于产生电能的更紧凑、可靠和有效率的装置中。
CPOX重整(或者简称为CPOX)作为将富含氢气的重整物供应至燃料电池堆(例如具有100瓦到100千瓦的标称额定功率、以及在之间的所有额定功率的那些)的方式已经引起格外关注。CPOX重整的优点之一在于，与作为需要外部热源的吸热反应的蒸汽重整和干重整形成对照，反应是放热的。
此外，CPOX反应通常比其它反应快，这容许构造能够快速启动并且对负荷(负载，load)变化快速响应的相对小的重整器。与需要处置水和蒸汽的重整器(例如，蒸汽重整器和自热重整器，其需要用于水的存储单元、用于产生蒸汽的加热单元、用于供应热以驱动吸热的重整反应的燃烧器或燃烧单元等、以及它们的相关流体路由(布线，routing)和操作-监测和控制装置)相比，CPOX重整器还往往在设计方面更简单。
然而，且如之前所认识到的(参见例如美国专利No.6,790,431和7,578,861)，在CPOX反应期间产生典型地高水平的热可具有不期望的后果，包括对重整器和/或其部件例如CPOX催化剂、催化剂载体(担体，support)、和其它结构部件的损害。这是许多目前的CPOX重整器设计的、且需要有效解决的主要缺点。
一种已知类型的CPOX重整器包括催化剂载体部件(通常被称为“催化剂单块”、“单块催化剂载体”、“单块基底”或者简称为“单块”)，其具有沉积在其上的CPOX催化剂或催化剂体系。
单块可基于以下两种常见构型进行分类：第一种构型，其特征在于呈现出基本上线性的气体流路通过其中的蜂窝状、沟槽的、金属丝网或螺旋-蜿蜒的波纹板结构的金属或陶瓷主体；和第二种构型，其特征在于呈现出曲折的气体流路通过其中的网状、或开放的孔结构的金属或陶瓷泡沫主体。在例如如下文献中公开了一种或其它常见类型的代表性单块：美国专利No.5,527,631、6,402,989、6,458,334、6,692,707、6,770,106、6,887,456、6,984,371、7,090,826、7,118,717、7,232,352、7,909,826、7,976,787、8,323,365和美国专利申请公布No.2013/0028815。
如图1A中所示，以纵截面观察的作为参见的现有技术类型的单块100包括：由浸渍或洗涂有CPOX催化剂的许多沟槽102构成的蜂窝状陶瓷主体101，用于准许气态CPOX反应混合物即气态氧化剂(典型地，空气)和可重整燃料(例如，气态燃料例如甲烷、天然气、丙烷或丁烷，或者气化的气态燃料例如汽油、煤油、喷气发动机燃料或柴油)的混合物进入的入口端103，用于富含氢气的包含一氧化碳的重整物产物(合成气)排出的出口端104，和基本上与整个单块共同延伸的CPOX反应区105。
CPOX反应区105可被认为具有被外部或外围区域107包围的内部或者中央区域106，通过内部或者中央区域106，气态CPOX反应混合物物流的相应的内部或中央部分固有地在相对高的速度V1范围内流动，通过外部或外围区域107，气态CPOX反应混合物物流的相应的外部或外围部分固有地在相对低的速度V2范围内流动。
单块典型地经历相当高的CPOX反应温度，例如，大约600℃-1,100℃。在蜂窝状单块100的情况下，与分别在CPOX反应区105的内部和外部区域106和107内流动的CPOX反应混合物物流的流动速度V1和V2的内在差异相联的这些高温往往导致单块100以及其中涉及CPOX重整的其它基本上线性流路的单块所观察到的操作缺点。
在600℃-1,100℃的CPOX反应温度下，单块100在其入口端103处辐射大量的热。即使在小心地监测和控制CPOX反应条件的情况下，也可能难以防止或抑制“闪燃”(即，辐射热区108内的CPOX气态反应混合物物流在该物流接近入口端103时的过早燃烧)的现象。在接近于入口端103的初始CPOX反应区109内发生的CPOX反应的放热从其向外辐射到辐射热区108中。此辐射热可具有足以使行进的CPOX反应混合物物流(通过箭头表示)的温度升高至其闪点的强度。CPOX反应混合物在辐射热区108内的闪燃导致不期望的热事件，使温度升高至其中可使催化剂气化或减活和/或可损害重整器结构或者使其无效的点。这些热事件还可导致在该区内燃料裂解，并且因此导致引起CPOX催化剂性能恶化的增加的焦炭(碳颗粒)形成。在所述富含氢气的重整物流出物用作燃料电池堆的燃料时，其中包含的焦炭和未重整的高级烃片段也将沉积在燃料电池的阳极表面上，导致重整物产物的降低的电的转化。
如图1A中进一步显示的，分别在CPOX反应区105的内部和外部区域106和107内的CPOX反应混合物物流的流动速度V1和V2的前述差异还对在这些区域中的CPOX反应温度范围T1和T2的差异负主要责任。因此，内部区域106内的CPOX反应混合物物流较高的速度V1导致其中的CPOX反应较高的速率以及伴随而来的较高的反应温度T1，并且相反地，外部区域107内的CPOX反应混合物物流较低的速度V2导致其中的CPOX反应较低的速率以及伴随而来的较低的反应温度T2。横跨内部和外部区域106和107的温度分布可由温度曲线110表示。CPOX反应温度T1的急剧上升，如果足够高的话，可导致对单块100的损害和甚至完全破坏。
如图1B中所示，以纵截面观察的现有技术类型泡沫单块150包括：陶瓷泡沫主体151，其特征在于互连孔的网状的或者开放的网络；和孔沟槽152，其担载通过常规或者其它已知工序例如浸渍或洗涂而沉积在其上的CPOX催化剂或催化剂体系。
所有类型的泡沫单块的一个缺点是，它们与线性流路单块例如图1A的蜂窝状单块100相比，由于较高的流动阻力而引起的其较高的压力降。较高的压力降需要较高的操作压力，并且因此需要较高的能量消耗，以满足目标流量。泡沫单块的另一固有缺点在于其中的气态反应物和反应产物的流路(如由箭头所示)的性质。这些流路的特性随机性导致单块内非常不均匀的温度分布(例如，如由温度曲线153所示)，使得由于热点引起的热冲击和/或由于冷点引起的降低的CPOX转化速率的风险增加。
所有类型的泡沫单块还非常易于闪燃，尽管是在以上讨论的线性流路单块的情况下。另外，泡沫单块倾向于具有其类型所特有的其它缺点。取决于制造已知的和常规的泡沫单块的方式，它们可具有相对脆弱的孔网络，尤其是在它们的中央区域内，或者它们可到处具有较结实的孔结构。两种类型的泡沫单块均遭受其它缺点。
在泡沫单块具有相对脆弱的核心区域的情况下，由CPOX重整器的快速热循环(将富含氢气的重整物供应至燃料电池组件的CPOX重整器的特征)导致的热冲击可随着时间流逝而使它们的结构退化(降级，degrade)至如下程度：其中就算有CPOX反应，其也以非常低效的方式进行。
在具有较坚固的孔结构的泡沫单块的情况下，这样的结构往往放大穿过其的气体流路的随机性。虽然由于热点而对孔结构的损害可为可忽略不计的或者不存在的，但是消极地影响CPOX反应的生产率的散布且飞逝的冷点的问题仍然是该类型的泡沫单块的缺点。
还将注意，即使通过严格定义的、严密控制的工艺制造时，泡沫单块也将在它们的孔结构方面且因此在它们的气体流动性质方面与通过相同工艺制造的其它泡沫单块不同。作为在它们的微观结构方面不可避免的差异的结果，通过相同的制造工艺产生的泡沫单块各自往往呈现出仅可以经验方式确定的特异性的操作特性。实际上，引入相同制造的泡沫单块的重整器将会赋予较宽范围的性能和可靠性参数或规格，以便考虑到在它们的性能方面的无法预料的变化。
因此，工业期望可解决现有技术的某些缺点的CPOX重整器的新设计和新的CPOX重整方法。
发明内容
鉴于以上，本教导提供气态燃料CPOX重整器和气态燃料的CPOX重整方法，其可解决现有技术的不足和/或缺点的一种或多种，例如，很少或者没有发生闪燃的机会或趋向、没有过高的CPOX反应温度、和/或遍及全部的其气态物流路线和气体流动部件和通道的低的背压。
在一个方面中，本教导涉及气态燃料CPOX重整器，其包括：隔开的CPOX反应器单元的阵列；和与所述气态燃料CPOX重整器的至少一个CPOX反应器单元的CPOX催化剂(例如至少一个CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的壁部分)热连通的点火器。CPOX反应器单元典型地包括具有拥有内表面和外表面的壁的伸长管(细长管，elongatetube)。如此，“气态燃料CPOX重整器”可被认为是“气态燃料多管式CPOX重整器”，其中这样的表述以及其变换在本文中可互换地使用，除非根据上下文以其它方式理解。所述CPOX反应器单元的壁围封开放的气流通道并且限定在一端接收流体流的的入口和在相反端排放流体流的出口。CPOX反应器单元可至少与在所述阵列中的相邻的CPOX反应器单元(一个或多个)热连通。所述CPOX反应器单元可让其壁(包括内表面)的至少一部分包括CPOX催化剂。所述包括CPOX催化剂的壁部分典型地是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散，同时在CPOX反应条件下保持结构稳定。
所述气态燃料CPOX重整器可包括与至少所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合(例如附着或者粘附)的氢气阻挡物。所述氢气阻挡物也可与CPOX反应器单元的壁的大部分、基本上全部或者整个外表面结合。另外，所述氢气阻挡物可与CPOX反应器单元的壁的整个的暴露的外表面结合。例如，加压流体如加压气体可为(例如，至少与所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合的)氢气阻挡物。
关于隔开的CPOX反应器单元的阵列和它们的热连通，所述CPOX反应器单元通常以近到足以使来自一个CPOX反应器单元中的CPOX反应的热引发一个或多个相邻的CPOX反应器单元中的CPOX反应的距离隔开。然而，所述CPOX反应器单元通常以远到足以允许控制所述CPOX反应器单元的、特别是在所述CPOX反应器单元的出口处的温度的距离隔开。即，隔开所述CPOX反应器单元，使得可从CPOX反应器单元发生热损失以防止对所述CPOX反应器单元的损害，以及如果存在的话，防止对可与(一个或多个)所述CPOX反应器单元的(一个或多个)出口流体连通和热连通的燃料电池堆的损害。使用这样的布置，隔开的CPOX反应器单元的阵列可提供所述阵列之中的合适热平衡并且可促进遍及或者横跨所述阵列的热均匀性。
例如，相邻CPOX反应器单元之间的最大距离可为那样的距离：超过该距离，则无法通过来自一个CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻的CPOX反应器单元中引发CPOX反应。换而言之，在阵列的一个(单个)CPOX反应器单元中引发CPOX反应可产生对于在所述CPOX反应器单元的阵列的每一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应而言需要的热。所述最大距离可为那样的距离：超过该距离，则在操作的稳态模式期间，CPOX反应器单元的阵列的温度下降至低于预定的最低阵列温度，例如约600℃或约650℃。
相邻CPOX反应器单元之间的最小距离可为那样的距离：低于该距离，则CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。所述预定的最高温度可为与CPOX反应器单元的出口热连通和流体连通的燃料电池堆的入口能忍受的温度，例如约875℃或900℃。
所述气态燃料CPOX重整器可包括与CPOX反应器单元的入口流体连通的气体可重整燃料来源。所述气体燃料CPOX重整器可包括单个点火器，或者可包括超过一个点火器，例如两个点火器、三个点火器或者更多个，其中另外的点火器可布置成与其它CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的壁部分热连通。
所述包括CPOX催化剂的壁部分可包括陶瓷或者可为陶瓷。所述包括CPOX催化剂的壁部分可为多孔基底，例如，包括陶瓷或多孔陶瓷的多孔基底。至少所述包括CPOX催化剂的壁部分可为或可包括钙钛矿。例如，这样的壁部分的大于约20％或大于约50％可为钙钛矿。CPOX催化剂可设置在所述壁内和/或设置在所述壁的内表面上。例如，可将CPOX催化剂或CPOX催化剂体系例如通过浸渍、洗涂、或者等同程序沉积在壁和/或壁的表面例如内表面上。CPOX催化剂还可部分地或完全地可形成所述壁，即，所述壁的结构。在某些实施方式中，在CPOX反应器单元的包含催化剂的壁部分内的CPOX催化剂的量可沿着所述壁部分的长度例如在从所述CPOX反应器单元的入口端到出口端的方向上增加，和/或可从所述壁的内表面到外表面降低。如果存在的话，CPOX催化剂的这样的梯度典型地在CPOX反应器单元的CPOX反应区中。
本教导的另一特征为用于将气态CPOX反应混合物分布至所述CPOX反应器单元的入口的歧管，即，所述歧管(或歧管室)可与所述CPOX反应器单元的入口流体连通。所述歧管包括歧管壳(housing)，其中所述歧管壳限定歧管室。所述歧管可包括设置在所述歧管室内并且延伸达所述歧管室的至少大部分长度的气态CPOX反应混合物分布器。所述气态CPOX反应混合物分布器可与输出气态CPOX反应混合物的导管流体连通。所述气态CPOX反应混合物分布器可包括与所述CPOX反应器单元的入口反向定位的一个或多个出口。所述歧管可包括与所述歧管室热连通的加热器和/或被动加热元件。所述歧管可包括空腔，其中所述歧管壳限定所述空腔。可在所述空腔内或者与空腔相邻地设置密封件。所述歧管壳典型地包括多个空腔，其中所述空腔的数量和排列与所述CPOX反应器单元的入口的数量和排列一致。所述密封件可接合所述CPOX反应器单元的入口，从而在所述歧管壳和所述入口之间提供气密密封。
在另一方面中，本教导提供气态燃料CPOX重整的方法。本教导的方法总体上包括将包括例如包括气态可重整燃料和包含氧气的气体、基本由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成、或者由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成的气态CPOX反应混合物引入到本教导的气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元的入口中；引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化以开始富含氢气的重整物的制造；和维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化。
在多种实施方式中，引入气态CPOX反应混合物包括将包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到CPOX反应器单元的入口中，其中所述CPOX反应器单元形成隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口。所述CPOX反应器单元至少可与在所述阵列中相邻的CPOX反应器单元(一个或多个)热连通。所述壁的至少一部分可包括CPOX催化剂。所述包括CPOX催化剂的壁部分可为透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物(富含氢气的)重整物从其扩散。所述包括CPOX催化剂的壁部分可在CPOX反应条件下可保持结构稳定。所述阵列中的相邻CPOX反应器单元之间的距离可如本文中所描述。
引发催化部分氧化可包括引发单个点火器以在CPOX反应器单元内开始CPOX反应，这进而可引发所述气态燃料CPOX重整器的其它CPOX反应器单元中的CPOX反应。例如，引发催化部分氧化可包括在一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应；将来自所述CPOX反应的热传递至相邻CPOX反应器单元以在其中引发CPOX反应；和使热的传递重复以在所述阵列的CPOX反应器的每一个中引发CPOX反应。
引发催化部分氧化还可包括引发超过单个点火器例如两个、三个、四个、五个或更多个点火器，以在所述气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元内开始CPOX反应。
在多种实施方式中，维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化包括在所述阵列的CPOX反应器单元之间传递热，从而使用比否则对于富含氢气的重整物的相同输出所需要的少的外部加热。所述CPOX反应器单元的阵列之间的热传递可维持预定的最低阵列温度例如约600℃或650℃。所述预定的最低阵列温度可为在遍及所述CPOX反应器单元的阵列上基本上均匀的。
在某些实施方式中，气态燃料CPOX重整的方法可包括使用进行着的CPOX反应的放热热和/或来自一些其它来源的热加热所述包含氧气的气体组分和/或加热将要进行CPOX重整的CPOX重整的气态CPOX反应混合物的气态可重整燃料。
在某些实施方式中，气态燃料CPOX重整的方法可包括将基本上均匀组成的、基本上均匀流速的、和/或基本上均匀温度的包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物分布至若干个CPOX反应器单元的一个或多个的入口。
进一步地，根据本教导，提供在启动模式中的和在稳态模式中的气态可重整燃料的CPOX重整以制造富含氢气的重整物的方法，其中所述方法总体上可包括：
a)在启动模式中：
(i)将包括包含氧气的气体和气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到多个隔开的CPOX反应器单元各自的入口中，各反应器单元包括具有气态CPOX反应混合物入口、富含氢气的重整物出口、拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且所述壁的至少一部分将CPOX催化剂设置于其中、和/或包括它的结构体，这样的包含催化剂的壁部分和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区，所述包含催化剂的壁部分是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散，同时在CPOX反应条件下保持稳定，
(ii)在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内引发所述气态CPOX反应混合物的CPOX，从而开始富含氢气的重整物的制造；和
b)在稳态模式中：
(iii)将气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中，
(iv)在维持所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应的同时在步骤(iii)之前、期间、或之后停止CPOX引发步骤(ii)，从而继续富含氢气的重整物的制造。
在多种实施方式中，此处描述的方法可包括，例如，在上述步骤(i)中，将所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比调节为与贫燃料的CPOX反应混合物相对应。在具体实施方式中，所述方法可包括，例如，在上述步骤(iii)中，将所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比调节为与富燃料的CPOX反应混合物相对应。
在一些实施方式中，所述方法可包括使用鼓风机或鼓风机系统例如一系列鼓风机单元使流体例如气体流动。所述系列中的各鼓风机单元可包括具有轴向入口和径向出口的外壳(casing)，设置在所述外壳内的叶轮，所述叶轮用于将处于第一压力的包含氧气的气体吸入所述入口和通过所述出口排出处于较高压力的包含氧气的气体，用于驱动所述叶轮的马达，和管道，该管道包含在所述系列中的至少一个鼓风机单元的出口和在所述系列中的至少一个其它鼓风机单元的入口。在某些实施方式中，所述鼓风机单元系列中的至少一个鼓风机单元可提供所述鼓风机系统的目标气体流量的60％-90％。在这样的实施方式中，所述鼓风机单元系列中的至少一个其它鼓风机单元可提供所述鼓风机系统的目标气体流量的余量。
由附图、以下描述、详述的示例性实施方式、和权利要求，将更充分地理解本教导的前述以及其它特征和优点。
附图说明
应理解以下描述的附图仅用于说明目的。附图未必是按比例的，重点通常放在说明本教导的原理上。附图绝不意图限制本教导的范围。相同的附图标记通常是指相同的部分。
图1A和1B是两种现有技术类型的催化剂单块(具体地说，分别为蜂窝状催化剂单块和泡沫催化剂单块)的纵截面图。
图2为根据本教导的气态燃料CPOX重整器的实施方式的示意性方框图。
图3A为用于操纵(管理，manage)图2的气态燃料CPOX重整器的操作的示例性控制系统的示意性方框图。
图3B为通过控制器例如图3A中所示的控制系统执行的示例性控制程序的流程图。
图4A为根据本教导的气态燃料CPOX重整器的一种实施方式的纵截面图。
图4B为图4A中所示的气态燃料CPOX重整器的横向(垂直于纵轴)截面图。
图4C为图4A中所示的气态燃料CPOX重整器的一部分的俯视截面图。
图4D为图4A-4C中所示的气态燃料CPOX重整器的点火器部件的放大的透视图。
图4E为图4A-4C中所示的气态燃料CPOX重整器的一部分歧管和相关的管式CPOX反应器单元的放大的纵截面图。
图4F和4G分别为图4E中所示的管式CPOX反应器单元之一的放大的纵截面图和横截面图。
图4H和4I为本教导的气态燃料CPOX重整器的管式CPOX反应器单元的两个其它实施方式的横截面图。
图4J和4K分别说明图4A-4C中所示的气态燃料CPOX重整器的鼓风机系统部件的透视图和俯视图。
图5呈现显示在本教导的气体燃料CPOX重整器内当所述重整器以稳态模式操作时在最大燃料(丙烷)转化能力的变化百分数下，在CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比和CPOX反应温度之间的关系的图示数据。
具体实施方式
现已发现，隔开的CPOX反应器单元的阵列可利用放热的CPOX反应以提供更有效率的重整工艺。不同于采用易于闪燃、形成局部热点和冷点、快速焦炭累积、和/或过高峰值的(spiking)CPOX反应温度的催化剂单块的已知和常规的CPOX重整器，本教导的隔开的CPOX反应器单元的阵列可减轻或消除这些缺点的一个或多个。
例如，总的CPOX重整或CPOX转化负荷在隔开的CPOX反应器单元的阵列之间的分布可简化和促进有效热平衡的维持和整个CPOX重整的控制。这样的设计可允许对于给定的能量输入，对于给定的CPOX催化剂负载量，通过降低操作温度而处理更多的气态可重整燃料。
如本文中所述的气态燃料CPOX重整器的改进的热操纵还可对在所述CPOX反应器单元的每一个内发生的CPOX反应的温度稳定化有贡献。因此，这样的改善的热操纵可在气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元之间维持适当均匀的CPOX转化性能。
另外，本教导的CPOX重整器的设计可利用放热的CPOX反应并且可允许用最少数量的点火器例如单个点火器对隔开的CPOX反应器单元的阵列进行点火，由此在所述CPOX反应器单元之一中的CPOX反应的引发可可为相邻CPOX反应器单元(一个或多个)提供足够的热以在其中并且最终在所述气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元的每一个中开始CPOX重整。虽然在气态燃料CPOX重整器中单个点火器可为有利的，但是本教导思虑在所述气态燃料CPOX重整器中使用超过单个或一个点火器，因为所述阵列和CPOX反应器单元的具体尺寸、所述CPOX反应器单元和点火器的安排、以及其它因素可对CPOX重整的总体有效的引发或启动过程有贡献。不过，与相当燃料转化能力的单个CPOX反应器单元形成对比，将总的CPOX转化负荷分布在多个CPOX反应器单元之间的优点是更短的启动时间。
此外，所述多个CPOX反应器单元的隔开的排列可简化气态燃料CPOX重整器的相关系列或管线(line)的设计和制造，其中气态燃料CPOX重整器各自可在它们的燃料重整能力方面不同。例如，通过向现有设计添加标准化规格的另外的气态燃料CPOX反应器单元可以构造期望容易提高燃料重整能力的新的、气态燃料CPOX重整器设计，其中视需要有一些其他重要改变。
应理解，本文中的本教导不限于所描述的具体程序、材料、和改动并且因此可变化。还应理解，所使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的并且不意图限制本教导的范围，本教导的范围将仅由所附权利要求限制。
在整个本申请中，当组合物被描述为具有、包含、或包括特定组分时，或者当工艺被描述为具有、包含、或包括特定工艺步骤时，所思虑的是，本教导的组合物还基本上由所列举的组分组成或者由所列举的组分组成，和本教导的工艺还基本上由所列举的工艺步骤组成、或者由所列举的工艺步骤组成。
在本申请中，当一个元件或部件被认为包括在所列举的元件或部件的列表中或者选自所列举的元件或部件的列表时，应理解，所述元件或部件可为所列举的元件或部件的任一个，或者所述元件或部件可选自所列举的元件或部件的两个或更多个。进一步地，应理解，在不背离本教导的焦点和范围的情况下，本文中描述的组合物、设备、或方法的要素和/或特征可以多种方式组合，无论在本文中是明示的还是暗示的。例如，当提及具体结构时，该具体结构可在本教导的设备的各种实施方式中和/或在本教导的方法中使用。
术语“包含”、“具有”、或“含有”(包括其语法上的等同物)的使用应通常被理解为开放式和非限制性的，例如，不排除另外的未列举的要素或步骤，除非从上下文另有具体叙述或者理解。
本文中单数例如“一个(种)(a，an)”和“该(所述)”的使用包括复数(并且反之亦然)，除非另有具体叙述。
当在数量值之前使用术语“约”时，本教导也包括所述具体数量值本身，除非另有具体叙述。如本文中使用的，术语“约”指的是标称值的±10％变化，除非另有指示或暗示。
应理解，步骤的顺序或者用于进行某些动作的顺序是不重要的，只要本教导仍然是可操作的。例如，此处描述的方法可以任何合适的顺序进行，除非本文中另有指示或者明显与上下文矛盾。而且，两个或更多个步骤或动作可同时进行。
在本说明书的多个位置处，数值是以集合或以范围公开的。具体意图是，该描述包括这样的集合和范围的成员的每一个和每个单独的子组合以及这样的集合或范围的各个端点的任意组合。例如，在0-40范围内的整数具体地意图单独地公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、和40，和在1-20范围内的整数具体地意图单独公开1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、和20。
本文中提供的任意和全部实例、或示例性语言例如“如”的使用仅意图更好地阐明本教导并且不对本发明的范围加以限制，除非有声明。本说明书中没有语言应被理解为将任何未声明的要素指示为对于本教导的实践是必要的。
指示空间方位或高度的术语和表述例如“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“水平(的)”、“竖直(的)”等除非它们的上下文用法另有指示，否则在本文中应被理解为不具有结构、功能或操作意义并且仅反映附图的某些中所说明的本教导的气态燃料CPOX重整器的多种视图的任意选择的方位。
术语“陶瓷”除了其本领域公认的含义之外在本文中还应被理解为包括玻璃、玻璃-陶瓷、和陶瓷金属(即，陶瓷-金属复合物)。
表述“透气性的”在其在本文中应用于CPOX反应器单元的壁时应被理解为意味着能透过气态CPOX反应混合物和气态重整物产物(包括如下而没有限制：气态CPOX反应混合物的气态可重整燃料组分和重整物产物的氢气组分)的壁结构。
表述“液体可重整燃料”应被理解为包括在经历重整转化为富含氢气的重整物时在标准温度和压力(STP)条件下为液体的可重整的包含碳和氢的燃料，例如，甲醇、乙醇、石脑油、馏出物、汽油、煤油、喷气发动机燃料、柴油、生物柴油等。表述“液体可重整燃料”应进一步理解为包括这样的燃料，无论它们处于液态还是气态(即蒸气)。
表述“气态可重整燃料”应被理解为包括在经历重整转化为富含氢气的重整物时在STP条件下为气体的可重整的包含碳和氢的燃料，例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、二甲基醚、它们的混合物，例如天然气和液化天然气(LNG)(其主要为甲烷)、以及石油气和液化石油气(LPG)(其主要为丙烷或丁烷，但是包括主要由丙烷和丁烷组成的所有混合物)等。气态可重整燃料还包括氨，其像其它气态可重整燃料一样可作为液体存储。
表述“CPOX反应”应被理解为包括在可重整燃料向富含氢气的重整物的催化部分氧化重整或转化期间发生的反应(一种或多种)。
表述“气态CPOX反应混合物”指的是包括气态可重整燃料和包含氧气的气体(例如，空气)的混合物。如本文中使用的，气态CPOX反应混合物可包括气态可重整燃料和包含氧气的气体、基本上由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成、或者由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成。本教导的CPOX反应混合物不包括液体可重整燃料，例如气化的液体可重整燃料或气态液体可重整燃料。
表述“开放的气流通道”指的是用于使气体通过其的导管或沟槽，其中跨越所述导管或沟槽的整个截平面不存在固体(包括多孔固体或材料)，即，没有固体(包括多孔固体)的导管或沟槽。例如，在CPOX反应器单元的情况下，跨越与管式CPOX反应器单元的纵轴垂直的整个内部截平面不能存在CPOX催化剂，包括多孔催化剂例如单块。这样的结构区别于如之前讨论的用多孔催化剂例如单块堆积的通道。在可定义为管(限定中空钻孔)、或者限定圆柱形基底(沿着其纵轴穿过其的中空钻孔)的CPOX反应器单元中也可存在开放的气流通道。在这些示例性描述中，所述中空钻孔可被认为是开放的气流通道。虽然开放的气流通道通常可沿着CPOX反应器单元的纵轴延伸，但是曲折的导管或沟槽也是本教导所思虑的并且可能够具有开放的气流通道，条件是，所述曲折的导管或沟槽横跨所述CPOX反应器单元的截平面上没有固体。还应理解，开放的气流通道的截面尺度可沿着其纵轴或者沿着所述曲折的导管或沟槽变化。
本教导的气态燃料CPOX重整器的重要特征是隔开的CPOX反应器单元的阵列。CPOX反应器单元的阵列可指一个CPOX反应器单元相对于其它CPOX反应器单元(一个或多个)的有序排列或者规则安排。换而言之，所述CPOX反应器单元典型地不是无规排列或者安排的。虽然通常使用直线、正方形、和矩形构型，但是其它构型例如六边形和八边形是本教导所思虑的。
所述CPOX反应器单元的排列或安排，例如，相对于相邻CPOX反应器单元的距离和位置，可由多种因素决定，所述因素尤其包括，所述多个CPOX反应器单元的布置和构型，所述CPOX反应器单元的构造(例如其壁和CPOX催化剂)的材料，所述气态可重整燃料，所述CPOX反应器单元的操作温度，和富含氢气的重整物产物的期望用途和输出，例如，所述CPOX重整器连接或者耦接至的氢气重整物消耗装置例如燃料电池单元或系统的构造的材料。如果(相邻的)CPOX反应器单元之间的距离太大，则所述CPOX反应器单元例如对于引发相邻CPOX反应器单元中的CPOX反应而言和/或对于维持大致涵盖所述多个CPOX反应器单元的热传递区而言将不是热连接的或者具有不足的热连通。相反，如果(相邻的)CPOX反应器单元之间的距离太小，则所述CPOX反应器单元可经历过热和退化，这可导致所述气态燃料CPOX重整器发生故障。
更特别地，相邻CPOX反应器单元之间的最大距离可为那样的距离：超过该距离，无法通过由在第一个被点火的CPOX反应器单元中的初始CPOX反应(例如，通过点火器引发的初始CPOX反应)或者由操作(运行)着的CPOX反应器单元的CPOX反应产生的热在相邻CPOX反应器单元内引发CPOX反应。所述最大距离可为那样的距离：超过过该距离，在操作的稳态模式期间，所述隔开的CPOX反应器单元的阵列的温度下降至低于预定的最低阵列温度。取决于多种因素(包括本文中讨论的那些)，隔开的CPOX反应器单元的阵列在操作的稳态模式期间的所述预定的最低阵列温度可为约550℃、约575℃、约600℃、约625℃、约650℃、约675℃、约700℃、约725℃、约750℃、约775℃、约800℃、约825℃、或约850℃。
相邻CPOX反应器单元之间的最小距离可为那样的距离：低于该距离，则CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。所述预定的最高温度可为与CPOX反应器单元的出口热连通和流体连通的燃料电池堆的入口能忍受的温度，例如，所述燃料电池堆的入口的密封不退化并且保持起作用的温度。取决于多种因素(包括本文中讨论的那些)，CPOX反应器单元的预定的最高温度可为约775℃、约800℃、约825℃、约850℃、约875℃、约900℃、约925℃、约950℃、约975℃、或约1000℃。
本教导的CPOX重整器的另一特征是用于在所述CPOX反应器单元例如CPOX反应器单元的阵列内引发CPOX反应的点火器。在多种实施方式中，可使用单个点火器以在气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元的每一个内引发CPOX反应。在另外的实施方式中，可使用超过单个或者一个点火器，例如，两个点火器、三个点火器、或者超过三个点火器以在所述CPOX反应器单元内引发或开始CPOX反应。点火器的数量和安排可由多种参数决定，所述参数包括，例如，所述CPOX反应器单元的设计、结构和安排，以及气态燃料CPOX重整器的期望的效率和启动的快速性。
点火器可包括布置成接近于CPOX反应器单元的内表面、但是与CPOX反应器单元的内表面物理隔离的辐射热产生元件，其也可设置在室内。例如，点火器可将辐射热传输至与其接近的至少一个CPOX反应器单元的暴露的内表面和/或CPOX催化剂以在其中引发CPOX反应。随后，由发生在所述至少一个CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应产生的辐射热进而可在至少一个其它CPOX反应器单元内引发CPOX反应(典型地也在所述室内)，直到以这样的方式，已经在所述气态燃料CPOX重整器的所有CPOX反应器单元中引发了CPOX反应。
在一些实施方式中，氢气阻挡物可与管式CPOX反应器单元的至少包含催化剂的壁部分的外表面结合例如附着至管式CPOX反应器单元的至少的包含催化剂的壁部分的外表面，该包含催化剂的壁部分典型地限定CPOX反应区。所述氢气阻挡物可附着至CPOX反应器单元的壁的整个外表面。所述氢气阻挡物可防止或抑制从所述CPOX反应器单元损失氢气。在不存在这样的阻挡物的情况下，氢气可扩散通过和超出所述CPOX反应器单元的包含催化剂的壁部分，而不是通过其出口离开所述CPOX反应器单元。
在具体实施方式中，气态燃料CPOX重整器可包括气态可重整燃料来源。气态可重整燃料来源可包括用于存储和/或向气态燃料CPOX重整器例如CPOX反应器单元的入口输送气态可重整燃料的罐或其它容器。
因此，在多种实施方式中，气态燃料CPOX重整器可包括隔开的CPOX反应器单元的阵列；与至少一个CPOX反应器单元的CPOX催化剂热连通的点火器；和与CPOX反应器单元的入口流体连通的气态可重整燃料来源。所述CPOX反应器单元可包括具有拥有内表面和外表面的透气性陶瓷壁的伸长管例如限定中空钻孔的圆柱体，其中所述透气性陶瓷壁的至少一部分包括CPOX催化剂。所述透气性陶瓷壁可围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口。当以阵列形式时，CPOX反应器单元通常至少与所述阵列中的相邻CPOX反应器单元(一个或多个)热连通。
在一些实施方式中，气态燃料CPOX重整器可包括多个隔开的CPOX反应器单元，各CPOX反应器单元包括具有用于气态CPOX反应混合物的入口、和用于富含氢气的重整物的出口、拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道，其中所述壁的至少一部分将CPOX催化剂设置于其中、包括它的结构体或其组合，这样的包含催化剂的壁部分和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区，所述包含催化剂的壁部分是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散，同时在CPOX反应条件下保持稳定。
在一些实施方式中，可利用从进行着的CPOX反应的放热中回收的热和/或从一个或多个其它热源中回收的热以在形成气态CPOX反应混合物之前加热包含氧气的气体和/或加热气态可重整燃料。
在多种实施方式中，用于(例如，在气态燃料CPOX重整器的操作的启动模式期间)在CPOX反应器单元的阵列内引发CPOX反应的点火器与(例如，在CPOX反应区中的)CPOX催化剂热连通。所述点火器可在接近于其的至少一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应，并且所述至少一个CPOX反应器单元内的放热热进而在所述阵列内的一个或多个其它CPOX反应器单元中引发CPOX反应。
在一些实施方式中，与所述CPOX反应器单元的入口流体连通的歧管或增压室(送气室，plenum)可配置成例如以基本上均匀的组成、以基本上均匀的温度、和/或基本上均匀的流速向POX反应器单元的入口提供更均匀分布的气态CPOX反应混合物。
在某些实施方式中，歧管可具有限定歧管室的壳或罩。歧管或歧管室可包括气体分布器例如在所述歧管室内的气体分布器。在具体实施方式中，所述气体分布器可被认为是气态燃料CPOX反应混合物分布器。所述壳或罩可由相对低成本、可容易模塑的热塑性或热固性树脂制造和/或可以在其出口和所述CPOX反应器单元的入口之间的“冷密封”连接为特征。
更特别地，歧管可与至少一个CPOX反应器单元的入口流体连通，其中所述歧管包括歧管壳。所述歧管壳可限定歧管室。所述歧管可包括一个或多个另外的部件例如气态CPOX反应混合物分布器、加热器、和包含密封件的空腔。
所述气态CPOX反应混合物分布器可设置在所述歧管室内并且延伸达所述歧管室的长度的至少大部分，在此处与气态反应物导管流体连通，并且所述气态CPOX反应混合物分布器包括与所述CPOX反应器单元的入口反向定位的一个或多个出口。即，气态CPOX反应混合物分布器可包括限定室的壳，例如封闭末端的中空管或其它结构体，其典型地长度大于其宽度和深度。所述壳可限定提供在所述壳或室的内部和所述壳的外部之间的流体连通的一个或多个出口。所述一个或多个出口可沿着所述气态CPOX反应混合物分布器的一侧或者沿着其纵轴形成线或纵向阵列(例如，在管式气态CPOX反应混合物分布器的情况下)。当布置在所述歧管室中时，所述气态CPOX反应混合物分布器的所述一个或多个出口通常是与所述CPOX反应器单元的入口反向定位的。在这样的设计中，所述CPOX反应混合物初始以远离所述CPOX反应器单元入口的方向(例如向下朝着所述歧管室的底部)引入到所述歧管室中，然后将朝着所述CPOX反应器单元的入口流动，例如向上流动至所述入口。
加热器可与所述歧管室热连通。所述加热器可为电阻加热器。所述加热器可设置在所述歧管室内。另外，所述加热器可包括被动加热元件例如与所述歧管和CPOX反应器单元的CPOX反应区热连通的至少一个热传导元件，从而将来自所述CPOX反应区和/或CPOX反应器单元的放热的热传递至所述歧管。
所述歧管壳可限定一个或多个空腔。可在所述空腔内或者邻近于所述空腔设置密封，其中所述密封可接合所述CPOX反应器单元的入口并且可提供所述歧管壳和所述入口之间的气密密封。当存在超过一个CPOX反应器单元时，所述歧管壳可包括与CPOX反应器单元相同数量的空腔，使得各CPOX反应器单元可与所述歧管室流体连通并且各空腔可包括紧闭相应的CPOX反应器单元的密封件。歧管壳的空腔可以以与所述CPOX反应器单元的入口相同的构型定尺寸和排列以提供各空腔和入口的匹配。所述密封件可为垫圈。所述歧管壳可由如下材料制造或者包括如下材料：其在所述CPOX反应器单元的操作温度下保持热和机械稳定。
在具体实施方式中，所述CPOX反应器单元的壁可包括至少两个区域，即，基本上没有CPOX催化剂并且围封相对低的操作温度的基本上没有CPOX反应的区的第一或上游区域和包括CPOX催化剂并且围封相对高的操作温度的CPOX反应区的第二或下游区域。
在多种实施方式中，以互连的一系列单独的离心鼓风机单元为特征的鼓风机系统可用于将包含氧气的气体的流引入到所述重整器中和/或可提供所述CPOX重整器内的气体流动，例如提供热传递，其可包括结构体(一个或多个)和热区(一个或多个)的加热和/或冷却。
在一些实施方式中，控制系统可适合于控制所述CPOX重整器在其启动、稳态、和/或关停模式中的操作。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括用于将气体发送(routing)至所述CPOX反应器单元的入口的导管。所述导管可包括包含氧气的气体的入口、气态可重整燃料的入口、其中将包含氧气的气体和气化的液体可重整燃料合并以提供气态CPOX反应混合物的混合区；和用于气态CPOX反应混合物的出口。所述导管可通常为U形的。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括混合器，例如，以混合包含氧气的气体和气态可重整燃料。所述混合器可为静态混合器或动态混合器，例如，描述于例如如下文献中的流体混合装置：题为“MixingReformableFuelsandanOxygen-ContainingGasand/orSteam”的共同待审的共有美国专利申请No.14/335,463，将其(包括适用于本教导的与流体混合装置以及操作其以提供CPOX反应混合物的方法有关的教导)引入本文作为参考用于所有目的。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括CPOX重整物加工单元或装置，例如，减少重整物产物的一氧化碳含量的一氧化碳除去装置。CPOX重整物加工单元或装置可包括水煤气变换转化器、优先氧化反应器、和/或用于将重整物分离成氢气物流和包含一氧化碳的物流的氢气选择性膜。
在多种实施方式中，本教导的气态燃料CPOX重整器可具有直接连接至另外装置例如燃料电池的入口(一个或多个)的CPOX反应器单元的一个或多个出口。在一些实施方式中，CPOX反应器单元的出口可与如下的歧管或类似部件或装置流体连通：其可组合来自多个CPOX反应器单元出口的流出物物流并且将这样的组合的流出物分布至另外的装置(例如燃料电池的阳极)的相等、更大或更少数量的入口。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括用于减少来自所述重整器的管式CPOX反应器单元和其它热辐射部件的热损失的热绝缘体。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括用于驱动在所述CPOX重整器内和通过所述CPOX重整器的气体流动的气流驱动器。该气流驱动器可为鼓风机或鼓风机系统。本教导的气态燃料CPOX重整器可包括燃料泵。泵例如燃料泵的实例包括计量泵、旋转泵、叶轮泵、隔膜泵、蠕动泵、正位移泵、齿轮泵、压电泵、电动泵、电渗泵和毛细泵。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括用于监测和控制一个或多个重整器操作的一个或多个传感器组件。传感器组件的实例包括流量计、热电偶、温度计、和电阻式温度探测器。本教导的气态燃料CPOX重整器还可包括用于使所述重整器在其启动、稳态、和/或关停模式中的操作自动化的控制系统。所述控制系统可包括与控制器连通的多个传感器组件。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括与所述CPOX反应器单元热连通的热传递手段。所述热传递手段可传递来自所述气态燃料CPOX重整器的操作的稳态模式期间所述CPOX反应器单元的热，例如，以将所述CPOX反应器单元的所述CPOX反应区内的温度维持在预设范围内。热传递手段可包括鼓风机，例如，以相对于所述CPOX反应器单元的暴露的外表面和/或相对于与CPOX反应器单元的暴露表面热连通的热传导组件的热辐射构件引导冷却剂物流。本教导的气态燃料CPOX重整器还可包括用于其它目的的鼓风机。例如，鼓风机可将包含氧气的气体引入到导管中和/或驱动CPOX反应器单元内的气体流动。
鼓风机可包括一系列鼓风机单元。鼓风机或者系列鼓风机单元可包括具有轴向入口和径向出口的外壳，设置在所述外壳内用于将气体例如包含氧气的气体例如空气吸入所述轴向入口中和将所述气体通过所述径向出口排出的叶轮；和用于驱动所述叶轮的马达。在某些实施方式中，所述鼓风机可吸入处于第一压力的气体并且排出处于第二(例如更高)压力的气体。鼓风机还可包括管道，其包含在所述系列中的至少一个鼓风机单元的出口和在所述系列中的至少一个其它鼓风机单元的入口。例如，鼓风机系列可包括如描述于如下中的鼓风机系统：题为“CentrifugalBlowerSystemandFuelCellIncorporatingSame”的共有美国专利申请公布No.2012/0328969，将其(包括适用于本教导的与鼓风机系统和其操作方法有关的教导)引入本文作为参考用于所有目的。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括用于向消耗电能的重整器部件和/或辅助CPOX重整器部件供以动力的电流来源。所述电流来源可包括可充电的电池和电池充电器。
在另一方面中，提供CPOX重整的方法。更特别地，本教导提供气态可重整燃料向富含氢气的重整物或产物的CPOX重整的方法。为此，在多种实施方式中，所述CPOX重整的方法包括：
a)在启动模式中：
(i)将包含氧气的气体引入到用于将气体发送至多个CPOX反应器单元各自的入口的导管中，所述导管包括用于包含氧气的气体的入口、用于气态可重整燃料的入口、以及与所述CPOX反应器单元的入口气流连通的用于气态CPOX反应混合物的出口，各CPOX反应器单元包括具有用于气态CPOX反应混合物的入口、用于富含氢气的重整物的出口、拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且所述壁的至少一部分将CPOX催化剂设置于其中和/或包括其结构体，这样的包含催化剂的壁部分和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区，所述包含催化剂的壁部分是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其中扩散，同时在CPOX反应条件下保持结构稳定，
(ii)将气态可重整燃料引入到所述导管中，该气态可重整燃料和来自步骤(i)的包含氧气的气体合并以提供气态CPOX反应混合物，
(iii)将来自步骤(ii)的气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中，和
(iv)引发在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的所述气态CPOX反应混合物的CPOX，从而开始富含氢气的重整物的制造；和
b)在稳态模式中：
(v)将包含氧气的气体引入所述导管中，
(vi)将气态可重整燃料引入到所述导管中，气态可重整燃料和来自步骤(v)的包含氧气的气体合并以提供气态CPOX反应混合物，
(vii)将来自步骤(vi)的气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中，和
(viii)在维持所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应的同时在步骤(vii)之前、期间或之后停止CPOX引发步骤(iv)，从而继续富含氢气的重整物的制造。
在一些实施方式中，所述方法可包括，将处于环境温度的或者在其引入到导管中之前处于环境温度的包含氧气的气体使用来自外部热产生来源的热进行加热。在多种实施方式中，所述方法可包括将所述包含氧气的气体从第一温度进一步加热至第二升高的温度，例如，使用从在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内发生的CPOX反应中回收的放热。
在一些实施方式中，所述方法可包括使所述气态CPOX混合物在其引入到所述CPOX反应器单元的入口中之前在组成方面更均匀，例如在组成方面基本上均匀。在多种实施方式中，所述方法可包括将基本上均匀组成的所述气态CPOX反应混合物分布至所述CPOX反应器单元的入口和/或将气态CPOX反应混合物以基本上均匀的温度分布至所述CPOX反应器单元的入口。在一些实施方式中，所述方法包括将所述气态CPOX反应混合物分布至所述CPOX反应器单元的入口，使得任意两个CPOX反应器单元内的CPOX反应混合物的流速的差异不大于约20％和/或进入任意两个CPOX反应器单元的入口的CPOX反应混合物的温度的差异不大于约10％。
在本教导的某些实施方式中，所述方法可包括，通过操作点火器而在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内引发所述气态CPOX反应混合物的CPOX，其中从所述点火器输出的辐射热可被传输至与其接近的至少一个CPOX反应器单元的暴露段以在其中引发CPOX反应，由发生在所述至少一个CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应产生的辐射热进而在所述室内的至少一个其它CPOX反应器单元中引发CPOX反应，直至以这样的方式，已经在所述室中的所有CPOX反应器单元中引发CPOX反应。
在多种实施方式中，所述方法可包括，例如，在上述步骤(iii)中，将所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比调节至与贫燃料的CPOX反应混合物相对应。在某些实施方式中，所述方法可包括，例如，在上述步骤(vii)中，将所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比调节至与富燃料的CPOX反应混合物相对应。
在一些实施方式中，本教导的方法包括通过包括一系列鼓风机单元的鼓风机系统提供气体流动，所述系列中的各鼓风机单元包括具有轴向入口和径向出口的外壳，设置在所述外壳内用于将处于第一压力的包含氧气的气体吸入所述入口中和将处于更高压力的包含氧气的气体通过所述出口排出的叶轮和用于驱动所述叶轮的马达，以及包含在所述系列中的至少一个鼓风机单元的出口和在所述系列中的至少一个其它鼓风机单元的入口的管道，所述系列中的至少一个鼓风机单元提供所述鼓风机系统的目标气体流量的60-90％并且所述系列中的所述至少一个其它鼓风机单元提供所述鼓风机系统的目标气体流量的余量。在多种实施方式中，所述方法可包括不超过约三(3)英寸水、在所述CPOX重整器中的背压。
在上文中以及本文中的其它地方中一般性描述了根据本教导的气态燃料CPOX重整器和CPOX重整的方法。参照附图的以下描述对本教导的气态燃料CPOX重整器和CPOX重整工艺的这些特征和其它特征中的某些进行修饰，应理解该描述说明多种实施方式和具体实施方式而不限制本发明的本质并且可适用于以上讨论。
现在参照附图，图2A说明根据本教导的气态燃料CPOX重整器的一种实施方式。如图2所示，气态燃料CPOX重整器200包括离心鼓风机202，用于将包含氧气的气体(在此处以及在本教导的其它实施方式中以空气举例说明)引入到导管203中并且用于驱动所述包含氧气的气体和其它气流(包括气态的燃料-空气混合物和富含氢气的重整物)通过所述CPOX重整器的多种通道(包括开放的气流通道)。导管203可包括流量计204和热电偶205。这些和类似装置可放置在气态燃料CPOX重整器内的多个位置处以测量、监测和控制所述气态燃料CPOX重整器的操作，如结合图3A中所示的控制系统更充分地解释的那样。
在示例性的气态燃料CPOX重整器200的操作的启动模式中，通过鼓风机202引入到导管203中的空气与气态可重整燃料(这里和在本教导的其它实施方式中以丙烷举例说明)合并，在相对低的压力下从气态燃料存储罐213经过装备有任选的热电偶215、流量计216和流量控制阀217的燃料管线214被引入到导管203中。空气和丙烷在导管203的混合区218合并。在导管203的混合区218内设置混合器例如静态混合器例如线上(管线内的，inline)混合器219、和/或在导管203的内表面内形成的产生涡流的螺旋形沟槽、或者外部供给动力的混合器(未示出)以提供与其他方式相比更均匀的丙烷-空气气态CPOX反应混合物。
所述丙烷-空气混合物(即气态CPOX反应混合物)进入歧管或增压室220，其起到将所述反应混合物更均一地分布到管式CPOX反应器单元209中的作用，在此处结合图4E所示的歧管部分450的管式CPOX反应器单元408详细描述其中的一个实施方式。在CPOX重整器200的操作的启动模式中，点火器223引发管式CPOX反应器单元209的CPOX反应区210内的气态CPOX反应混合物的CPOX反应，从而开始富含氢气的重整物的制造。一旦已经达到稳态的CPOX反应温度(例如250℃-1,100℃)，反应变成自持的(自给自足的，self-sustaining)并且可停止所述点火器的操作。邻近一个或多个CPOX反应区210设置热电偶225以监测发生在CPOX反应器单元209内的CPOX反应的温度，温度测量结果作为所监测的参数被传达至重整器控制系统226。
重整器200还可包括电流来源例如可充电的锂离子电池系统227，以为其电驱动部件例如鼓风机202、流量计204和216、流量控制阀217和点火器223提供动力。
如果需要，可将来自气态CPOX重整器的产物流出物例如富含氢气的重整物引入到一个或多个常规的或者以其它方式已知的一氧化碳除去装置中以降低其一氧化碳(CO)含量，例如，当要将所述产物流出物作为燃料引入至利用特别易被CO中毒的催化剂的燃料电池堆例如聚合物电解质膜燃料电池时。如图2所示，一氧化碳除去装置228可与CPOX反应器单元209的出口直接流体连通。因此，例如，可将所述产物流出物引入到水煤气变换(WGS)转化器中，在其中CO被转化为二氧化碳(CO2)，而同时产生额外的氢气，或者可将所述产物流出物引入到其中使CO经历向CO2的优先氧化(PROX)的反应器中。也可采用这些工艺的组合(例如WGS继之以PROX，且反之亦然)进行CO的降低。
通过使所述重整物产物穿过装备有提供将所述重整物产物分离为氢气物流和包含CO的副产物物流的氢气选择性膜的已知的或常规的清除单元或装置而降低所述重整物产物中的CO的水平也在本教导的范围内。该种类的单元/装置也可与一种或多种其它CO降低用单元例如前述WGS转化器和/或PROX反应器组合。
为了控制根据本教导的气态燃料CPOX重整器的操作，提供图3A中所示的控制系统300。如图3A中所示，控制系统300包括用于对气态燃料CPOX重整器302在其操作的启动、稳态、和关停模式中进行操纵的控制器301。所述控制器可为在处理器上运行的软件。然而，采用以一个或多个数字或模拟电路、或其组合执行的控制器也在本教导的范围内。
控制系统300进一步包括与控制器301连通并且适合于监测CPOX重整器302的所选择的操作参数的多个传感器组件，例如热电偶和相关的燃料压力计304、热电偶和相关的空气压力计309、重整器热电偶314。
响应于来自所述传感器组件的输入信号、来自用户输入装置的用户指令和/或所编程的子程序和指令序列，控制器可操纵气态燃料CPOX重整器的操作。更特别地，控制器可通过向其发送指示具体动作的指令信号而与气态燃料CPOX重整器期望的段或部件的控制信号接收部分通信。因此，例如，响应于来自热电偶和相关的压力计304和309的流速输入信号和/或来自重整器热电偶314的温度输入信号，例如，控制器301可发送控制信号至燃料流量控制阀305以控制通过燃料管线306去往导管307的燃料流、至离心鼓风机308以控制进入导管307中的空气流和驱动气态CPOX反应混合物在CPOX重整器302内和通过CPOX重整器302的流动、至点火器311以控制其开-关状态、和至电池/电池充电器系统312以操纵其功能。
本文的传感器组件、控制信号-接收装置和通信路径可为任何合适的构造和本领域中知晓的那些。所述传感器组件可包括对于被监测的操作参数而言任何合适的传感器装置。例如，可用任何合适的流量计监测燃料流速，可用任何合适的压力传感或者压力调节装置监测压力，等等。所述传感器组件还可，但是不一定，包括与所述控制器连通的变换器(换能器，transducer)。所述通信路径通常是有线的电信号，但是也可采用任何其它合适形式的通信路径。
在图3A中，通信路径示意性地示为单向或双向箭头。在控制器301处终止的箭头示意性地表示输入信号例如测量的流速或测量的温度的值。从控制器301延伸的箭头示意性地表示为了指示来自该箭头终止处的部件的响应动作而发送的控制信号。双向路径示意性地表示，控制器301不仅发送指令信号至CPOX重整器302的相应部件以提供确定的响应动作，而且接收来自CPOX重整器302和机械单元例如燃料控制阀305和鼓风机308的操作输入以及来自传感器组件例如压力计304和309及热电偶314的测量输入。
图3B呈现可由控制系统的控制器执行以使气态燃料CPOX重整器的操作自动化的示例性控制程序的流程图。所述流程图可由控制器以固定的间隔例如每10毫秒左右执行。图3B中所示的控制逻辑执行若干功能，包括在操作的启动和稳态模式中的气流和CPOX反应温度的操纵以及用于重整器操作的关停模式的步骤的操纵。
如代表本教导的进一步的实施方式的图4A-4K中所示的示例性的气态燃料CPOX重整器400和其部件的多个视图中所示的，将典型地在环境温度下的作为包含氧气的气体的空气经由离心鼓风机系统402(图4J和4K中更详细地显示)以预设的质量流速通过导管404的入口403引入。丙烷经由燃料管线441和燃料入口442引入导管404中。丙烷和空气开始在导管404的混合区420合并以提供气态CPOX反应混合物。可包括在导管404的混合区420内和/或螺旋形沟槽内壁表面内设置的任何合适类型的混合器例如静态混合器以提供与其他方式相比在混合物420中形成的组成均匀性更大的气态CPOX反应混合物。
在其通过任选的静态混合器和/或与在混合区420内设置的螺旋形沟槽接触之后，气态CPOX反应混合物通过出口425离开主导管404并且进入歧管426的气体分布器427，其配置成提供去往管式CPOX反应器单元408的和在管式CPOX反应器单元408内的反应混合物的更均匀的分布。这样的排列或者本教导内的其它排列可提供气态CPOX反应混合物的如下分布：其中任意两个CPOX反应器单元内的气态CPOX反应混合物的流速的差异不大于约20％，例如不大于约10％或者不大于约5％。
回到图4A，歧管426(其一部分的放大的纵截面图与相关的管式CPOX反应器单元408一起示于图4E中)包括限定歧管室429的歧管壳或罩428，在歧管室429内的气态CPOX反应混合物(气体)分布器427连接至导管404的出口425。通过出口425离开导管404的气态CPOX反应混合物进入气体分布器427，之后向外穿过位于所述气体分布器的底部或下部处的孔洞(aperature)(例如，孔(hole)或缝)430，所述气体然后围绕所述分布器的外表面流动至其顶部或上部并且从那里进入管式CPOX反应器单元408的入口431中。所述气态CPOX反应混合物在其穿过孔口(orifice)430和进入入口431中时的路径示于图4B中。
可影响歧管设计的优化以实现其促进去往CPOX反应器单元的气态CPOX反应混合物的更均匀分布的功能的一些具体因素包括其壳的构型、其室的体积、和所述气体分布器的尺度，包括其孔口的数量、设计和位置。这样的因素进而取决于如导管内气态CPOX反应混合物的目标流速、CPOX反应器单元的数量和排列、CPOX反应器单元的入口的形状和尺度、和类似考虑因素这样的重整器设计和操作因素。用于根据本教导的具体的气态燃料CPOX重整器的最优燃料-空气分布性能的歧管可由本领域技术人员采用惯常的试验方法而容易地构造。
当CPOX反应器单元的CPOX反应区基本上与所述反应器单元的长度共同延伸时，歧管壳可由在CPOX重整的典型高温下保持热和机械稳定的材料制造。在这些实施方式中，多种种类的耐高温材料，包括耐高温的复合材料例如碳纤维-增强的和/或玻璃纤维-增强的陶瓷适合用于制造所述歧管壳。合适的构造材料包括致密的陶瓷例如多种已知类型的氧化铝、重结晶氧化铝、铝硅酸盐、氮化硼、玻璃-陶瓷、氧化镁、磷酸锆等，金属例如基于镍-铬的超合金、哈斯特洛依超合金(Hastelloysuperalloy)等。然而，这些和其它耐高温的材料往往在成本方面相对高并且对于加工而言也可为挑战性的，尤其是在制造具有相对复杂构型的制品的情况下。
如示于图4F中的CPOX反应器单元408的放大的、示例性的纵截面图中所示，CPOX反应器单元408的透气性壁451可沿着其长度划分为：在其燃料-空气混合物入口431处开始的第一或上游区域452，其基本上没有CPOX催化剂；和在第一区域452的末端处开始并且在所述反应器单元的重整物产物流出物出口454处或者附近结束的第二或下游区域453，其包含催化有效量的CPOX催化剂464。在图4A的CPOX重整器400的稳态操作期间，CPOX反应器单元的该实施方式很大程度上将热的CPOX反应区409局限于它们的第二区域453，让其基本上没有CPOX催化剂的第一区域452保持在(例如，在从环境到最高达约350℃的区域中的)明显较低的温度下，特别是在CPOX反应器单元408的燃料-空气混合物入口431和歧管壳428的接合点处。
没有CPOX催化剂的壁部分区的较低的温度(该温度低于许多热塑性树脂的熔融温度并且低于许多热固性树脂的热降解温度)使得将若干热塑性和热固性树脂家族的任意者用于歧管壳的制造成为实际可行和有利的。可用于制造歧管壳的热塑性和热固性树脂的具体类型包括聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳基醚酮(PAEKs)例如聚醚醚酮(PEEK)、酚醛树脂等。这些和其它热稳定树脂除了它们相对低的材料成本之外还具有如下的附加优点：能采用低成本制造程序例如挤出模塑、真空模塑、注射模塑、反应注射模塑、旋转模塑等容易地成型为复杂形状并且因此很好地适合于制造具有相对复杂的几何结构的歧管壳。
回到图4A，气态CPOX反应混合物从歧管426进入CPOX反应器单元408的入口431并且进入到CPOX反应区409中，在CPOX反应区409中所述反应混合物经历气相CPOX反应以产生富含氢气的、包含一氧化碳的重整物。在启动模式中，一个或多个点火器435引发CPOX。在CPOX变成自持的之后，例如，当所述反应区的温度达到约250℃-约1100℃时，可将所述点火器关掉，因为不再需要外部点火来维持现在自持的CPOX反应。例如微孔的或基于氧化铝的难熔型热绝缘体410围绕CPOX重整器的那些部分以减少来自这些部件的热损失。
图4A-4D说明本教导的其中在重整器400的操作的启动模式期间使用两个点火器435(每个阵列一个)在室中的CPOX反应器单元408的CPOX反应区409内引发CPOX反应的一种实施方式。如图4C和4D所示，CPOX反应器单元408排列成两个分开的2x7阵列，并且各阵列设置在室436内。阵列的周界标明室436的开放空间438和热绝缘体410之间的边界。CPOX反应器单元408的与它们的CPOX反应区409的至少一部分对应的壁的外表面437暴露在开放空间438内。如果存在氢气阻挡物，则所述氢气阻挡物可为CPOX反应器单元的暴露的外表面。在室436的反向末端处设置电阻型的点火器435(例如，额定为10-80瓦或更大)，其中将辐射热产生元件439布置成接近于CPOX反应器单元408的外表面437，但是与其物理隔离。在室436的与点火器435反向的末端处设置热电偶440以监测CPOX反应区409的温度和提供重整器控制输入，如结合图3A中所示的控制系统描述的那样。所述点火器的操作导致辐射热被传递至并通过一个或多个附近的CPOX反应器单元的壁，由此在这样的反应器单元(一个或多个)的CPOX反应区内引发CPOX。从这些附近的CPOX反应器单元的CPOX反应区(一个或多个)发射的热辐射然后可如图4C中的波浪箭头所示那样在所述阵列内剩余CPOX反应器单元的反应区内引发CPOX。
避免与CPOX反应器单元直接接触的单个、或两个、或者至多几个点火器提供超出其中CPOX反应器单元各自具有其自己的物理附着或集成的点火器的CPOX点火器系统的若干优点。虽然使用后一点火系统是本教导所思虑到的，但是无效的点火器的辨认可为成问题的，并且可能难以在不损害一部分CPOX反应器单元和/或不干扰所述阵列中的其它反应器单元的情况下将其除去和进行更换。因此，在CPOX反应器单元的阵列或者多个CPOX反应器单元内适当地布置的单个(或几个)点火器可允许从CPOX重整器容易且简单地辨认和取出有故障或有缺陷的点火器并且将其更换为有效的点火器。
如图4C和4D中所示，当使用两个点火器(每个点火器对CPOX反应器单元的2x7阵列进行点火)时，使在室436的一侧的点火器435和热电偶440的位置相对于在所述室的另一侧的点火器435和热电偶440的位置反向可为有利的，特别是当在所述两个室之间存在显著的热连通时。已经观察到这样的排列导致在CPOX反应器单元的各分开的阵列的CPOX反应区内的CPOX的更快速的引发。然而，应理解，在室内的适当地定尺度和布置的CPOX反应器单元的情况下，可使用单个点火器来在所述室内的CPOX反应器单元的CPOX反应区内引发CPOX。
图4B、4C和4D中所示的室436(同样存在但是在图4A中没有标注)可包含加压流体例如加压气体，其可充当如下文讨论的氢气阻挡物。室436可为气密室。如所描绘的，通常定位室436以在该室中包括CPOX反应器单元408各自的CPOX反应区(例如，包括CPOX催化剂的透气性壁部分)。如所示的，尽管所述室包括所述CPOX反应区的一些，但是所述室的一个或多个壁可充当氢气阻挡物，其中所述CPOX反应器单元例如如所示的在所述室的内部的上方和下方横越或延伸通过所述壁。加压流体体导管例如加压气体导管(未示出)可提供所述室的内部和加压或压缩液体(例如压缩空气)的来源之间的可操作的流体连通。可使用合适的阀和压力传感器组件控制所述室的加压以为足够的氢气阻挡物提供充足的流体压力。
回到图4E，图4A和4B中所示的重整器400的歧管426的放大的歧管部分450包括上部壳结构455、下部壳结构456、歧管室429、气态CPOX反应混合物(气体)分布器427以及与管式CPOX反应器单元408的入口431流体连通例如气流连通的气体分布器出口430。管式CPOX反应器单元408的入口端457牢固地座落于形成于上部壳结构455内的空腔458中并且通过O-环垫圈459与其以气密关系接合。气态CPOX反应混合物流动通过气体分布器427的出口430，通过管式CPOX反应器单元408的入口431并且进入到CPOX反应区409中，在CPOX反应区409中所述气态CPOX反应混合物经历向富含氢气的、包含一氧化碳的流出物重整物的气相CPOX转化，所述重整物在所述反应器单元的出口端460处通过相关的出口454离开所述反应器单元。
如图4F和4G中进一步显示的，各管式CPOX反应器单元408的透气性壁451包括内表面461；外表面462；由透气性壁451围封的开放的气流通道463，其一部分构成CPOX反应区409；和催化有效量的CPOX催化剂464，其担载于和/或包括透气性壁451至少与第二区域453和CPOX反应区409对应部分的结构体。如所示的，为了防止或抑制通过透气性壁451的产物氢气的损失，氢气阻挡物465附着至透气性壁451的外表面462。
开放的气流通道可允许气态CPOX反应混合物和包含氢气的重整物在其中基本上不受阻碍地流动，这是本教导的CPOX反应器单元的对低的背压(其为本教导的气态燃料CPOX重整器的操作特性)有贡献的结构特征。在根据本教导的气态燃料CPOX重整器的操作中，不超过约3英寸的水(0.0075巴)、例如不超过约2英寸的水、或者不超过约1英寸的水的背压是可容易实现的。
如本文中之前提及的，为了防止或抑制氢气经由扩散通过和超出形成CPOX反应器单元的透气性壁而损失，在CPOX反应器单元的一些实施方式中，至少对于所述CPOX反应器单元的长度上与其CPOX反应区对应的那部分，将氢气阻挡物与所述透气性壁的外部或外表面结合，例如附着至或者粘附至所述透气性壁的外部或外表面。能够充当有效的氢气阻挡物的材料应当是在CPOX反应的典型高温下热稳定的并且应当足够致密以防止或者阻止重整物气体特别是氢气渗透或者扩散通过其。
已知满足这些要求的多种陶瓷材料(包括玻璃和玻璃-陶瓷)和金属并且其因此适合于提供氢气阻挡物。用于氢气阻挡物的具体材料包括，例如，铝、镍、钼、锡、铬、氧化铝、重结晶氧化铝、铝化物、铝硅酸盐、二氧化钛、碳化钛、氮化钛、氮化硼、氧化镁、氧化铬、磷酸锆、二氧化铈、氧化锆、莫来石等、其混合物以及其层状组合。
当构成氢气阻挡物的材料的性质允许时，所述氢气阻挡物可作为预先形成的层、箔、薄膜或膜施加至CPOX反应器单元壁的外表面的至少与CPOX反应区对应的那部分。所述氢气阻挡物可用耐高温粘结剂粘合至所述壁。可替代地，可通过采用任何合适的沉积方法，例如，常规或者以其它方式知晓的陶瓷-涂覆和金属-涂覆技术(例如喷涂、粉末涂覆、刷涂、浸渍、流延、共挤出、金属化等)的任意者，以及它们的许多变型的任意者在外表面上形成氢气阻挡物。氢气阻挡物的厚度的合适范围将主要取决于所选择的阻挡物材料的氢气渗透性特性以及围封CPOX反应区的壁的气体渗透性特性，这样的厚度由本领域技术人员确定。对于许多阻挡物材料和反应器壁结构，氢气阻挡物的厚度可从约2微米到约15微米，例如，在约5微米到约12微米之间变化。
另外，氢气阻挡物可为与CPOX反应器单元的透气性壁(例如至少所述包括CPOX催化剂的壁部分)的外表面结合的加压流体例如加压气体。在足够压力的情况下，在CPOX反应器单元外部的加压流体可产生防止氢气通过形成CPOX反应器单元的透气性壁而损失的阻挡物。加压流体典型地为加压气体例如惰性气体(例如，氮气)和/或空气。使用加压空气作为氢气阻挡物具有如下的另外的优点：氧气从CPOX反应器单元的外部扩散至内部，该扩散的氧气可调节将要和/或正被重整的气态CPOX反应混合物的O:C比；特别是当在CPOX反应区周围使用和存在这样的氢气阻挡物时。
在某些实施方式中，所述CPOX反应器单元除了其入口和出口之外都可位于气密室中，从而允许在CPOX反应器单元外部的环境中的流体例如气体的加压，该加压气体可产生与CPOX反应器单元的外表面结合的氢气阻挡物。在具体实施方式中，由于直到CPOX反应区才在CPOX反应器单元中产生氢气，因此仅有所述CPOX反应器单元的CPOX反应区被围封在被流体例如空气加压的气密室中。在其中CPOX反应区未延伸至CPOX反应器单元的出口的实施方式中，可将CPOX反应区的开头部分到出口围封在气密室中以允许使用加压气体作为氢气阻挡物。在一些设计中，如本文中描述的室可涵盖CPOX反应区的一部分，同时可存在涵盖CPOX反应区的剩余部分的另一形式的氢气阻挡物。
在其中使用室例如气密室的实施方式中，可使用与所述室的内部流体连通的导管以用流体对所述室进行加压。例如，加压流体或气体导管可提供所述(气密)室的内部和加压或压缩流体来源(例如压缩气体例如压缩空气的容器)之间的可操作的流体连通。
如本领域技术人员将认识和领会的，CPOX反应器单元的截面构型、数量和尺度，以及从它们的几何中心或者质心测量的它们彼此隔开的距离将取决于具体的气态燃料CPOX反应器的操作和机械性能规格而产生。在基本上均匀的环形截面的CPOX反应器单元例如图4C、4F和4G中所示的CPOX反应器单元408的情况下，这样的CPOX反应器单元的数量、它们的长度、它们的内径和外径(限定它们的透气性壁的厚度)以及附着至所述透气性壁的外表面的氢气阻挡物的位置、长度和厚度将尤其由如下决定：CPOX重整器的氢气产生能力，其本身又是包括如下的若干因素的函数：类型、量(透气性壁内的CPOX催化剂的负载量和分布)、壁的多孔结构的特性、影响所述壁的气体渗透性(并且因此影响CPOX反应)的特性例如孔体积(孔径的函数)、孔的主要类型(主要是开放的(即网状的)还是主要是封闭的(即非网状的))、和孔形状(球形的或不规则的)、CPOX反应混合物的体积流速、CPOX温度、背压等。
具体的气态燃料CPOX重整器的期望的机械性能特性将在相当大程度上取决于如如下的这样的因素：用于构造所述CPOX反应器单元的材料的热和机械性质、所述CPOX反应器单元的壁的透气性结构的孔的体积和形态、所述反应器单元的尺度特别是壁厚、和相关因素。
为了使气态燃料CPOX重整器合适地运行，管式CPOX反应器单元的围封气相CPOX反应区的催化活性的壁结构的气体渗透性性质应当例如容许所述气态可重整燃料自由地进入和扩散通过这样的壁结构，从而不仅与表面CPOX催化剂而且也与内部的CPOX催化剂(如果存在的话)进行有效接触。应注意，对于气化的可重整燃料具有有限的气体渗透性的CPOX反应器单元壁结构可为传质受限的，从而显著地阻碍所述气态可重整燃料向富含氢气的重整物的CPOX转化。相比之下，合适气体渗透性的催化活性的反应器壁结构促进所述气态可重整燃料的CPOX的转化以及对于期望组成的富含氢气的重整物的选择性。
通过本教导来指引和采用已知的和常规的试验程序，本领域技术人员可容易地构造具有对于所要加工的具体的气态可重整燃料呈现出最优的气体渗透性性质的催化活性的壁结构的CPOX反应器单元。
可制造管式CPOX反应器单元的CPOX反应区的催化活性的壁结构的材料为使得这样的壁结构能够在CPOX反应的高温和氧化性环境特征下保持稳定的那些。可使用常规的和其它方式知晓的耐高温的金属、耐高温的陶瓷、及其组合来构造CPOX反应区的催化活性的壁结构。这些材料的一些例如钙钛矿还可具有对于部分氧化的催化活性并且因此不仅对于CPOX反应区的催化活性的壁结构的制造而言可为有用的，而且可为这样的结构供应部分或者甚至全部的CPOX催化剂。
在一些实施方式中，CPOX反应器单元的至少的CPOX反应区的或者包括CPOX催化剂的壁部分可由钙钛矿制成或者可包括钙钛矿。例如，这样的壁部分的大于约20％、大于约30％、大于约40％、大于约50％、大于约60％、大于约70％、大于约80％、或大于约90％重量可为钙钛矿。这样的壁部分可完全由钙钛矿制成，或者CPOX反应器单元的整个壁可由钙钛矿制成或者可包括此处描述的百分数的钙钛矿。所述壁的至少与CPOX反应区对应的段的材料的余下部分可包括选自如下的至少一种组分：不同于钙钛矿的CPOX催化剂、耐高温粘合剂、陶瓷和金属。
所述钙钛矿可为选自如下的至少一种成员：LaNiO3、LaCoO3、LaCrO3、LaFeO3和LaMnO3。钙钛矿可包括锰酸锶镧、铁酸锶镧、铁酸钴锶镧、锰酸钙镧、铬酸锶镧、镓锰酸锶镧、及其组合。当作为催化剂存在时，所述钙钛矿可为：La1-xCexFe2O3、LaCr1-yRuyO3、La1-xSrxAl1-yRuyO3、和La1-xSrxFe2O，包括其组合，其中x和y为范围0.01-0.5的数。另外，在本教导的实践中可使用其它适当地经过渡金属掺杂的钙钛矿。
有用的耐高温的金属中有钛、钒、铬、锆、钼、铑、钨、镍、铁等、它们与彼此的和/或与其它金属和/或金属合金等的组合。耐高温的陶瓷由于与也用于该目的的许多耐高温的金属和金属合金相比具有相对低的成本，是用于所述催化活性的壁结构的构造的一类材料。可采用已知的和常规的孔形成程序将这样的陶瓷形成为完全可再现的孔类型的管式透气性的结构的比较容易性以及陶瓷的通常高度令人满意的结构/机械性质(包括热膨胀系数和热冲击性能)以及耐化学退化性使得它们是有吸引力的材料。用于构造CPOX反应区(其如前所述，可包括CPOX反应器单元的整个壁结构)的合适的耐高温的陶瓷包括，例如，钙钛矿，尖晶石，氧化镁，二氧化铈，稳定化的二氧化铈，二氧化硅，二氧化钛，氧化锆，稳定化的氧化锆例如氧化铝-稳定化的氧化锆、氧化钙-稳定化的氧化锆、二氧化铈-稳定化的氧化锆、氧化镁-稳定化的氧化锆、氧化镧-稳定化的氧化锆和氧化钇-稳定化的氧化锆，氧化锆稳定化的氧化铝，烧绿石，钙铁石，磷酸锆，碳化硅，钇铝石榴石，氧化铝，α-氧化铝，γ-氧化铝，β-氧化铝，硅酸铝，堇青石，MgAl2O4等，其每一种公开于美国专利No.6,402,989和7,070,752(其全部内容引入本文作为参考)中；以及，稀土铝酸盐和稀土镓酸盐，其每一种公开于美国专利No.7,001,867和7,888,278(其全部内容引入本文作为参考)中。
通常，给定设计的CPOX重整器的全部或总的燃料转化能力将是所述CPOX反应器单元各自的燃料转化能力之和。相邻CPOX反应器单元之间的最小距离将使得，在所述重整器的操作的稳态模式中，所述反应器单元的温度不超过预定的、或预设的最大值，并且相邻CPOX反应器单元之间的最大距离为如下距离：超过该距离，在所述气态燃料CPOX重整器的操作的启动模式期间在一个或多个反应器单元内无法引发CPOX反应，或者一个或多个CPOX反应器单元内的温度下降至低于用于所述重整器的操作的稳态模式的预定的、或预设的最小值。相邻CPOX反应器单元之间的最小和最大距离可采用惯常的试验方法针对给定的重整器段的设计而容易地确定。
本教导思虑使用任何迄今已知的和常规的CPOX催化剂(包括催化剂体系)、将催化剂引入到多孔基底或载体特别是CPOX反应器单元的透气性壁内的方法、以及催化剂分布的样式(包括，但不限于，被局限于壁的特定段的催化剂、沿着反应器单元的长度增加和/或从壁的内表面到其外表面降低的催化剂负载量、沿着反应器单元的长度而在组成方面变化的CPOX催化剂、以及类似变型)。因此，例如，使CPOX反应器单元的壁内的催化剂负载量从CPOX反应区的起点到其终点或者终点附近增加可以有助于在该区内维持恒定的CPOX反应温度。
可在本文中使用的许多已知的和常规的CPOX催化剂中有这样的金属、金属合金、金属氧化物、混合金属氧化物、钙钛矿、烧绿石、它们的混合物和组合：其(包括每一种)被公开例如于如下文献中：美国专利No.5,149,156；5,447,705；6,379,586；6,402,989；6,458,334；6,488,907；6,702,960；6,726,853；6,878,667；7,070,752；7,090,826；7,328,691；7,585,810；7,888,278；8,062,800；和8,241,600，其全部内容引入本文作为参考。
虽然许多高度活性的包含贵金属的CPOX催化剂是已知的并且因此在本文中可为有用的，但是由于它们高的成本、它们在高温下烧结并且因此经历催化活性降低的趋向、以及它们被硫中毒的倾向，它们通常比其它已知类型的CPOX催化剂用得少。
钙钛矿催化剂是在本教导中有用的一类CPOX催化剂，因为它们还适合于构造CPOX反应器单元的催化活性的壁结构。钙钛矿催化剂特征在于结构ABX3，其中“A”和“B”为尺寸非常不同的阳离子，且“X”为与两种阳离子结合的阴离子(通常为氧)。合适的钙钛矿CPOX催化剂的实例包括LaNiO3、LaCoO3、LaCrO3、LaFeO3和LaMnO3。
钙钛矿的A位改性通常影响它们的热稳定性，而B位改性通常影响它们的催化活性。钙钛矿可针对具体的CPOX反应条件通过在它们的A和/或B位处掺杂而定制改性(tailor-modified)。掺杂导致活性掺杂剂在钙钛矿晶格内的原子水平的分散，从而抑制它们的催化性能的退化。钙钛矿还可呈现出在CPOX重整的高温特征下对硫的优异的耐受性。作为CPOX催化剂有用的掺杂的钙钛矿的实例包括La1-xCexFeO3、LaCr1-yRuyO3,La1-xSrxAl1-yRuyO3和La1-xSrxFeO3，其中取决于掺杂剂的溶解度极限和成本，x和y为0.05-0.5例如0.05-0.2的数。
如之前结合图4F讨论的，CPOX反应器单元可包括第一上游区域，所述第一上游区域基本上没有CPOX催化剂并且可从其入口端延伸至包括CPOX催化剂的第二下游区域。所述第二下游区域典型地从所述第一区域的末端延伸至其重整物流出物出口，但在所述出口附近的催化剂的量可下降。相对于CPOX反应器单元的整个长度，这些区域的长度可显著变化。因此，例如，第一区域可延伸达CPOX反应器单元的长度的约20％-约60％、例如约30％-约40％或约50％，并且所述第二区域延伸达所述CPOX反应器单元的长度的剩余部分。如结合图4A的CPOX重整器400的描述所解释的，在CPOX反应器单元400的稳态操作期间，第一区域452保持在与第二区域453(对应于CPOX反应区409)相比明显更低的温度下，从而允许图4A的歧管426的歧管壳428由许多种低成本、可容易模塑的热塑性或热塑性树脂的任意者制造。
CPOX反应器单元408除了图4G中所示的环形截面之外还可采取其它截面构型例如示于图4H和4I中的那些。图4H说明具有交替的凹面-凸面或双叶截面的CPOX反应器单元。具有这样的截面构型的CPOX反应器单元可为尤其有利的，其中它们的出口段将如在Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2013/0230787(其全部内容引入本文作为参考用于所有目的)的SOFC燃料电池组件中那样与类似配置的管式固体氧化物燃料电池(SOFC)单元接合或者配对。
可替代地或者结合有CPOX反应器单元与管式燃料电池单元的直接连接，多管式CPOX重整器的两个或更多个CPOX反应器单元的出口可与彼此(以及与CPOX反应器单元的另外的出口)流体连通并且来自所述出口的富含氢气的重整物可在引入到燃料电池中之前合并。例如，来自两个或更多个CPOX反应器单元的富含氢气的重整物流出物可在歧管或类似装置和/或一个或多个导管中组合，然后引入到燃料电池(其可为多管式燃料电池或者单个燃料电池单元)中。因此，本教导的CPOX重整器取决于其最终用途可适合于多种应用，例如向单个或多管式燃料电池单元提供富含氢气的重整物。
更详细地示于图4J和4K中的气态CPOX重整器400的离心鼓风机系统402公开于DeWald等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2012/0328969中，其全部内容引入本文作为参考用于所有目的。其优点之一是，离心鼓风机系统可在如下方面具有快速调节的能力而无需求助于相对高功耗的鼓风机：响应产物富含氢气的重整物的需求变化而引入到导管中的空气的体积和/或去往CPOX反应器单元的气态燃料-空气混合物的流速，这是具有相当空气流通能力(流量，flowcapacity)的单级离心鼓风机不能提供的。
单级离心鼓风机例如用于为已知的和常规的重整器的操作提供气体流动的那些需要在马达每分钟转数(rpm)的整个范围的合适控制以满足波动的气体流量需求。取决于对CPOX重整器的具体操作模式的目标气体流量要求，用于满足这些要求的单级鼓风机的最优性能可涉及采用以相对高的rpm(例如约20,000rpm和更高)驱动的具有相对小尺寸的叶轮的鼓风机、或者以相对低的rpm(例如，低于约20,000rpm和更通常地，低于约10,000rpm)驱动的具有相对大尺寸的叶轮的鼓风机。第一种布置，即，以相对高的rpm驱动的具有相对小的叶轮的单级鼓风机需要更强劲和专业化的马达，这必然为了其操作而引起相应更大量的电功率。第二种布置，即，以相对低的rpm驱动的具有相对大的叶轮的单级鼓风机可由于大叶轮较大的惯性而使得鼓风机输出的控制和微调更困难。
为了防止气态燃料CPOX重整器的目标压力和气体流量要求超限(overshoot)，具有相对高惯性的叶轮的单级鼓风机在调节所述鼓风机以达到其期望范围的气体压力和流通能力时必然超阻尼。该超阻尼抵消所述叶轮的相对高的惯性的作用将导致所述鼓风机在响应变化并且常常快速改变气体流量要求方面是缓慢的。具有相对高惯性的叶轮的单级离心鼓风机的该特征性地缓慢的响应可能要求更复杂的控制系统以便令人满意地响应于在气体流量需求方面的波动。
利用离心鼓风机系统驱动CPOX重整器内的气体流动可使得所述系统能够受益于如下两者来快速满足目标气体流量和压力要求：用于控制的低惯性叶轮以及低驱动马达rpm，和功率消耗。控制互连的一系列鼓风机例如离心鼓风机系统中的一个或多个鼓风机单元以提供目标气体压力和气体流量的主要部分例如目标气体压力和气体流量的约60％-约90％可使得目标气体压力和气体流量的剩余部分能够由所述系统中的一个或多个其它鼓风机单元来提供。将为CPOX重整器提供目标气体流量和压力的任务在至少两个集成的、即互连的离心鼓风机(如在两级离心鼓风机系统中那样)之间分摊的结果导致可以用相比单级离心鼓风机单元更少的时间和更高的精度达到这样的流量和压力。另外，在离心鼓风机系统中功率消耗和噪声水平可为低的，因为鼓风机叶轮无需高的rpm来用于它们的操作。
如图4J和4K中所示，离心鼓风机系统402包括：第一级离心鼓风机单元486，其通过管道488连接至第二级离心鼓风机487。第一级鼓风机单元486包括具有轴向入口490和径向出口491的外壳489、设置在外壳489内用于将处于第一压力的环境空气吸入轴向入口490中并且将处于较高的第二压力的空气通过径向出口491排出的叶轮492、和用于驱动叶轮492的电动马达493。第二级鼓风机单元487包括外壳494以及如由图4J中的管道488的剖面所示，设置在外壳494内并且通过电动马达496驱动的叶轮495，以及用于接收从第一级鼓风机单元486的出口491排出的气体的轴向入口497。第二级鼓风机单元487进一步包括径向出口498和出口气体物流壳499，其排出端484如由虚线所示可连接至导管(例如，图4A的气态燃料CPOX重整器400的导管404)的一端。
图4J和4K中的箭头表示通过构成离心鼓风机系统402的系列鼓风机的各鼓风机单元的径向出口的环境空气的大体方向。如所显示的，例如，在图4J中，通过第一级鼓风机单元486的出口491排出的环境空气物流的轨迹和通过第二级鼓风机单元487的出口498排出的环境空气物流的轨迹与它们各自的出口并不平行，而是与其成相同的角度。通过将管道488的几何结构布置成接收通过出口491排出的环境空气物流，其方式使得所述物流与所述管道的内壁保持近似平行，可防止或减少其他方式会发生的在所述物流撞击这些壁时产生的湍流。湍流可有利地被最少化或者避免，从而减少或消除作为离心鼓风机系统中背压的来源。出于该相同的原因，将气体物流壳499的角度安排成使得其内壁近似地平行于通过第二级鼓风机单元487的出口498排出的环境空气的轨迹可为有利的。对于给定的离心鼓风机系统，相对于其气体物流的轨迹以及气体物流壳的偏斜角度，管道内壁的最优几何结构可采用惯常的实验容易地确定。在离心鼓风机系统402中，管道488的内部或者导向表面以及气体物流壳499的内部或者导向表面可相对于出口491和498以约12°-约20°例如约14°-约18°的角度α倾斜。
图5呈现了展现丙烷-空气CPOX反应混合物的氧(O)对碳(C)的摩尔比和CPOX反应温度之间的关系的图示数据。如该数据显示，当CPOX反应混合物的O对C的摩尔比逐渐降低时，即，当将反应混合物从相对贫碳的反应混合物调节为相对富碳的反应混合物时，CPOX反应温度下降。这些数据对于根据本教导的气态燃料CPOX重整器的最优化操作有着若干暗示。
为了促进CPOX催化剂的加热，以及因此促进气相CPOX反应的开始，在重整器的操作的启动模式期间可使用具有较高的O对C的摩尔比的气态CPOX反应混合物(即，贫燃料的反应混合物)。与贫燃料的CPOX反应混合物相关的较高的操作温度可促进CPOX催化剂温度的较快速的升高以及减少到达稳态操作的时间。另外，贫燃料比率倾向于在CPOX催化剂已经达到其最优温度并且变成充分活化之前帮助抑制焦炭形成。一旦CPOX催化剂已经达到约650℃和更高的温度，就可随着增加燃料流量而降低O对C的摩尔比。降低O对C的摩尔比使催化剂温度下降并且可使得能够加工更多的燃料，而不失去CPOX反应器单元的并且进而是燃料气化器单元的热控制。对于关停操作可采取相反的动作，即，在维持的O对C的摩尔比下降低燃料流量。随着CPOX反应器单元的CPOX反应区的温度开始接近或者下降至低于导致焦炭形成的温度例如低于约650℃，可提高O对C的摩尔比以防止或者最少化随着CPOX催化剂减活而结焦。典型地，当CPOX反应混合物的温度下降至低于约500℃时，可将CPOX重整器关停。在燃料流已经停止之后，可使包含氧气的气体流持续至多约15-20秒左右。这样的关停程序可容许从重整器中移出燃料，该燃料可包含于导管或在燃料控制阀和燃料引入到导管的场所之间的燃料管线段内。此控制特性可受多种重整器部件影响，包括在具体重整器设计中使用的特定输送系统和控制器单元部件。
可在操作期间控制燃料-空气CPOX反应混合物的O对C的摩尔比以适合其输出的热状态，在此条件下改变O对C的摩尔比可导致重整物的品质和/或组成的变化。随着CPOX温度增加至高于约650℃，从贫燃料改变到富燃料时存在O对C的摩尔比范围。不同的CPOX催化剂可影响操作窗口和CPOX温度。另外，不同的燃料(气态或液态)可改变CPOX温度，这取决于重整反应的效率。
本领域技术人员在考虑本文中所述的气态燃料CPOX重整器的多种实施方式以及其操作原理的情况下，通过采用惯常的实验程序可根据本教导容易地优化期望的液体可重整燃料转化能力的特定CPOX重整器的设计、结构特性、和机械性质。
本教导涵盖其它具体形式的实施方式而不背离其精神或本质特性。因此，前述实施方式在所有方面均应认为是说明性的而不是限制本文描述的教导。因此本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述所指示，并且在权利要求的等同含义和范围内的所有变化都意图包含在其中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.气态燃料CPOX重整器，包括：
隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的透气性壁的伸长管，所述透气性壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口，
其中CPOX反应器单元至少与所述阵列中相邻的CPOX反应器单元热连通，
所述透气性壁的至少一部分包括CPOX催化剂，和
点火器，其与至少一个CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的透气性壁的至少一部分热连通。
2.权利要求1的气态燃料CPOX重整器，其中氢气阻挡物与CPOX反应器单元的至少所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合。
3.权利要求1或2的气态燃料CPOX重整器，其中相邻的CPOX反应器单元之间的最大距离为如下距离：超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻的CPOX反应器单元中引发CPOX反应，和/或在操作的稳态模式期间，隔开的CPOX反应器单元的阵列的温度下降至低于预定的最低阵列温度；相邻的CPOX反应器单元之间的最小距离为如下距离：低于该距离，CPOX反应器出口处的温度大于预定的最高温度。
4.权利要求1-3中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述预定的最高温度是与CPOX反应器单元的出口热连通和流体连通的燃料电池堆的入口能忍受的温度。
5.权利要求1-4中任一项的气态燃料CPOX重整器，包括多于一个点火器，其中各点火器布置成与至少一个CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的透气性壁的至少一部分热连通。
6.权利要求1-5中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述CPOX催化剂设置在所述CPOX反应器单元的壁内、设置在所述CPOX反应器单元的壁的内表面上、部分地或者完全地形成所述CPOX反应器单元的壁的结构、和其组合。
7.权利要求1-6中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述包括CPOX催化剂的壁部分包括陶瓷。
8.权利要求2-7中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述氢气阻挡物包括加压流体。
9.使用权利要求1的气态燃料CPOX重整器将气态可重整燃料CPOX重整为富含氢气的重整物的方法，该方法包括：
将包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到所述重整器的CPOX反应器单元的入口中，
在至少一个CPOX反应器单元中引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化以开始富含氢气的重整物的制造，所述至少一个CPOX反应器单元的透气性的包括CPOX催化剂的壁部分容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和富含氢气的重整物产物从其扩散；和
维持在所述至少一个CPOX反应器单元中的所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化。
10.权利要求9的方法，其中氢气阻挡物与CPOX反应器单元的至少所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合。
11.权利要求9或10的方法，其中在引发催化部分氧化的步骤中，所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比对应于贫燃料的CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比，并且在维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化的步骤中，所述气态CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比对应于富燃料的CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比。
12.权利要求9-11中任一项的方法，其中相邻的CPOX反应器单元之间的最大距离为如下距离：超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻的CPOX反应器单元中引发CPOX反应，和/或在操作的稳态模式期间，CPOX反应器单元的温度下降至低于预定的最低阵列温度；并且相邻的CPOX反应器单元之间的最小距离为如下距离：低于该距离，CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。
13.权利要求9-12中任一项的方法，其中引发催化部分氧化包括：
在至少一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应；和
将来自所述至少一个CPOX反应器单元中的CPOX反应的热传递至至少一个另外的CPOX反应器单元以在其中引发CPOX反应。
14.权利要求9-13中任一项的方法，其中引发所述CPOX反应包括引发超过单个点火器以在所述CPOX反应器单元各自中引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化，其中所述点火器的数量少于CPOX反应器单元的数量。
15.权利要求9-14中任一项的方法，包括在所述气态燃料CPOX重整器的运行期间改变所述气态CPOX反应混合物的氧对碳之比。

Claims (20)

1.气态燃料CPOX重整器，包括：
隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的透气性壁的伸长管，所述透气性壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口，
其中CPOX反应器单元至少与所述阵列中相邻的CPOX反应器单元热连通，
所述透气性壁的至少一部分包括CPOX催化剂，和
与CPOX反应器单元的至少所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合的氢气阻挡物；和
点火器，其与至少一个CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的透气性壁的至少一部分热连通。
2.权利要求1的气态燃料CPOX重整器，其中相邻的CPOX反应器单元之间的最大距离为如下距离：超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻的CPOX反应器单元中引发CPOX反应，和/或在操作的稳态模式期间，隔开的CPOX反应器单元的阵列的温度下降至低于预定的最低阵列温度；相邻的CPOX反应器单元之间的最小距离为如下距离：低于该距离，CPOX反应器出口处的温度大于预定的最高温度。
3.权利要求2的气态燃料CPOX重整器，其中所述预定的最高温度是与CPOX反应器单元的出口热连通和流体连通的燃料电池堆的入口能忍受的温度。
4.权利要求2或3的气态燃料CPOX重整器，其中所述预定的最高温度为约900℃。
5.权利要求2-4中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述预定的最低阵列温度为约600℃。
6.权利要求1-5中任一项的气态燃料CPOX重整器，包括与至少一个CPOX反应器单元的入口流体连通的气态可重整燃料来源。
7.权利要求1-6中任一项的气态燃料CPOX重整器，包括多于一个点火器，其中各点火器布置成与至少一个CPOX反应器单元的包括CPOX催化剂的透气性壁的至少一部分热连通。
8.权利要求1-7中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述CPOX催化剂设置在所述CPOX反应器单元的壁内、设置在所述CPOX反应器单元的壁的内表面上、部分地或者完全地形成所述CPOX反应器单元的壁的结构、和其组合。
9.权利要求1-8中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述包括CPOX催化剂的壁部分包括陶瓷。
10.权利要求1-9中任一项的气态燃料CPOX重整器，其中所述氢气阻挡物包括加压空气。
11.将气态可重整燃料CPOX重整为富含氢气的重整物的方法，该方法包括：
将包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到CPOX反应器单元的入口中，其中所述CPOX反应器单元形成隔开的CPOX反应器单元的阵列，各CPOX反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且限定所述CPOX反应器单元的入口和出口，
其中CPOX反应器单元至少与所述阵列中的相邻CPOX反应器单元热连通，
所述壁的至少一部分包括CPOX催化剂，
所述包括CPOX催化剂的壁部分是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和产物富含氢气的重整物从其扩散，和
与CPOX反应器单元的至少所述包括CPOX催化剂的壁部分的外表面结合的氢气阻挡物；
在至少一个CPOX反应器单元中引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化以开始富含氢气的重整物的制造；和
维持在所述至少一个CPOX反应器单元中的所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化。
12.权利要求11的方法，其中相邻的CPOX反应器单元之间的最大距离为如下距离：超过该距离，无法通过来自运行着的CPOX反应器单元中的CPOX反应的热在相邻的CPOX反应器单元中引发CPOX反应，和/或在操作的稳态模式期间，CPOX反应器单元的温度下降至低于预定的最低阵列温度；并且相邻的CPOX反应器单元之间的最小距离为如下距离：低于该距离，CPOX反应器单元的出口处的温度大于预定的最高温度。
13.权利要求11或12的方法，其中引发催化部分氧化包括：
在一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应；
将来自所述CPOX反应的热传递至相邻的CPOX反应器单元以在其中引发CPOX反应；和
反复传递所述热以在所述阵列的CPOX反应器各自中引发CPOX反应。
14.权利要求11-13中任一项的方法，其中引发催化部分氧化包括引发超过单个点火器以在所述CPOX反应器单元各自中引发所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化。
15.权利要求11-14中任一项的方法，其中维持所述气态CPOX反应混合物的催化部分氧化包括在所述CPOX反应器单元之间传递热以维持预定的最低阵列温度。
16.权利要求15的方法，其中所述预定的最低阵列温度在整个CPOX反应器单元的阵列上是基本上均匀的。
17.权利要求11-16中任一项的方法，包括在所述气态燃料CPOX重整器的运行期间改变所述气态CPOX反应混合物的氧(O)对碳(C)之比。
18.权利要求11-17中任一项的方法，其中所述气态CPOX反应混合物基本上由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成。
19.权利要求11-17中任一项的方法，其中所述气态CPOX反应混合物由气态可重整燃料和包含氧气的气体组成。
20.权利要求11-17中任一项的方法，其中所述气态CPOX反应混合物不包括气化的液体可重整燃料。
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