CN105706283B - 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法 - Google Patents

集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105706283B
CN105706283B CN201480061128.7A CN201480061128A CN105706283B CN 105706283 B CN105706283 B CN 105706283B CN 201480061128 A CN201480061128 A CN 201480061128A CN 105706283 B CN105706283 B CN 105706283B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cpox
reactor units
fuel cell
gas
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480061128.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105706283A (zh
Inventor
C.M.芬纳蒂
P.德瓦尔德
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Watt Fuel Cell Corp
Original Assignee
Watt Fuel Cell Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Watt Fuel Cell Corp filed Critical Watt Fuel Cell Corp
Publication of CN105706283A publication Critical patent/CN105706283A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105706283B publication Critical patent/CN105706283B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/007—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor in the presence of catalytically active bodies, e.g. porous plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • B01J19/2425—Tubular reactors in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/002—Nozzle-type elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/005—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes provided with baffles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/386—Catalytic partial combustion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00002—Chemical plants
    • B01J2219/00004—Scale aspects
    • B01J2219/00006—Large-scale industrial plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00054—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2219/00056—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2219/00058—Temperature measurement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00054—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2219/00056—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2219/00058—Temperature measurement
    • B01J2219/0006—Temperature measurement of the heat exchange medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00054—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2219/00056—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2219/00069—Flow rate measurement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2219/00135—Electric resistance heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00159—Controlling the temperature controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00193—Sensing a parameter
    • B01J2219/00195—Sensing a parameter of the reaction system
    • B01J2219/002—Sensing a parameter of the reaction system inside the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00211—Control algorithm comparing a sensed parameter with a pre-set value
    • B01J2219/00213—Fixed parameter value
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00222—Control algorithm taking actions
    • B01J2219/00227—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions
    • B01J2219/00229—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the reaction system
    • B01J2219/00234—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the reaction system inside the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00191—Control algorithm
    • B01J2219/00222—Control algorithm taking actions
    • B01J2219/00227—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions
    • B01J2219/00238—Control algorithm taking actions modifying the operating conditions of the heat exchange system
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1229—Ethanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

集成的气态燃料催化部分氧化(CPOX)重整器(401)和燃料电池(467)系统可包括多个隔开的CPOX反应器单元(408)、或者隔开的CPOX反应器单元(408)的阵列，各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。所述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)，所述包含催化剂的壁段是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和富含氢气的产物重整物从其扩散。所述气态燃料CPOX重整器还可包括一个或多个点火器(435)、和气态可重整燃料的来源。所述富含氢气的重整物可在与所述气态燃料CPOX重整器集成的燃料电池单元内被转化为电力。

Description

集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及 产生电力的方法
相关申请的交叉应用
本申请要求2013年11月6日提交的美国临时专利申请No.61/900,552的申请日的优先权和权益，将其全部公开内容引入本文作为参考。
技术领域
本教导涉及集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及将气态可重整燃料催化部分氧化重整以制造可在燃料电池单元内被转化为电力的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自的特点是其相对于其它而言的优点和缺点。
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力的装置)的潜力而依旧是相当多的研究的焦点，对于包括主动力设备(MPU)和辅助动力设备(APU)在内的通常应用依旧起到极大扩展的作用。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，用于在离网场所中的休闲用途、户外和其它耗电装置的主电源，和用于便携式电池组(包装)的更轻质、更高功率密度、不依赖环境温度的替代品.
由于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，因此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。
和燃料重整器的情况一样，已知且常规的燃料电池有多种类型和构型，包括磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质膜(或者质子交换膜)燃料电池(PEMFC)、和固体氧化物燃料电池(SOFC)。进一步地，在这些类型的燃料电池的每一种内存在许多变型。例如，SOFC可被分为属于三种主要的子类型之一：管式、平面型、和整体式(monolithic)，其中各子类型的许多代表是本领域中已知的。类似于燃料重整器，各不同类型和子类型的燃料电池相对于其它具有其优点和缺点。
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(例如具有从100瓦到100千瓦的任何地方的标称额定功率、以及在之间的所有额定功率的那些)的方式已经引起了特别的关注方式。CPOX重整的优点有，反应是放热的，这与蒸汽重整和干重整形成对照，蒸汽重整和干重整是需要外部热源的吸热反应。
此外，CPOX反应通常比其它重整反应快，这容许构造能够快速启动并且对担载的变化快速响应的相对小的重整器。与需要水和蒸汽的处理的重整器(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发送(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，并且如先前所认识到的(参见例如美国专利No.6,790,431和7,578,861)，在CPOX反应期间产生的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、催化剂担载体、和其它结构部件的损害。这是许多目前的CPOX重整器设计的主要缺点并且是需要有效解决方案的主要缺点。
一种已知类型的CPOX重整器包括催化剂担载体部件(通常被称为“催化剂单块”、“单块催化剂担载体”、“单块基底”或者简单地称为“单块”)，其具有沉积在其上的CPOX催化剂或催化剂体系。
单块可基于两种通常的构型分类：特征在于呈现出穿过其的基本上线性的气体流路的蜂窝状、有沟道的、金属丝网或螺旋-蜿蜒的波纹板结构的金属或陶瓷主体的第一种构型，和特征在于呈现出穿过其的曲折的气体流路的网状的、或开放的孔结构的金属或陶瓷泡沫体主体的第二种构型。在例如如下中公开了一种或另一种通常类型的代表性单块：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普通的现有技术类型的单块100包括：由浸渍(灌注)或洗涂有CPOX催化剂的许多沟道102构成的蜂窝状陶瓷主体101,用于接纳气态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(jet fuel)或柴油)的混合物的入口端103，用于排出富含氢气的包含一氧化碳的重整物产物(合成气)的出口端104，和基本上与整个单块共同延伸的CPOX反应区(zone)105。
CPOX反应区105可被认为具有被外部或外围区域(region)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的固有差异耦合(结合)的这些高温往往导致导致单块100以及其中涉及CPOX重整的其它基本上线性的流路单块的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，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)的现象也可为困难的。在接近于入口端103的初始CPOX反应区109内发生的CPOX反应的放热热(热量)从其向外辐射到辐射热区108中。该辐射热可具有足够的强度来使前进的CPOX反应混合物物流(通过箭头表示)的温度升高至其闪点。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，增加的焦炭(碳颗粒)形成，导致CPOX催化剂性能的恶化。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较高的烃片段也将沉积在燃料电池的阳极表面上，导致产物重整物向电力的降低的转化。
如图1A中进一步显示的，在CPOX反应区105分别的内部和外部区域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反应混合物物流的较高的速度V1导致其中的CPOX反应的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反应混合物物流的较低的速度V2导致其中的CPOX反应的较低的速率以及伴随而来的较低的反应温度T2。跨越内部和外部区域106和107的温度廓线(分布图)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体单块150包括：陶瓷泡沫体主体151，其特征在于互连孔的网状的或者开放的网络；和孔沟道152，其担载通过常规或者其它已知程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。
所有类型的泡沫体单块的一个缺点是与线性流动单块例如图1A的蜂窝状单块100相比由于它们更高的对流动的阻力而引起的它们的更高的压力降。更高的压力降需要更高的操作压力，并且因此更高的能量消耗，以满足目标流量。泡沫体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廓线(例如，如由温度曲线153所示)，使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。
所有类型的泡沫体单块还非常像以上讨论的线性流路单块的情况中一样易于闪燃。另外，泡沫体单块有作为它们的种类所特有的其它缺点的趋向。取决于制造已知的和常规的泡沫体单块的方式，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。两种类型的泡沫体单块均易发生其它缺点。
在具有相对脆弱的核心区域的泡沫体单块的情况下，由CPOX重整器的快速热循环(是将富含氢气的重整物供应至燃料电池组件的CPOX重整器的典型(特征))导致的热冲击可随着时间流逝而使它们的结构退化至如下程度：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体单块的情况下，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体单块的缺点。
还将注意，即使通过严格定义的、严密控制的工艺制造时，泡沫体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体单块不同。作为在它们的微观结构方面的不可避免的差异的结果，通过相同的制造工艺产生的各个泡沫体单块往往呈现出可仅以经验方式确定的特异性的操作特性。实际上，将赋予引入相同制造的泡沫体单块的重整器以较宽范围的性能和可靠性参数或规格以虑及在它们的性能方面的无法预料的变化。
另外，CPOX重整器与燃料电池的集成应当是对于提供适合于需要电力的特定应用的集成的重整器-燃料电池系统而言有效率的和有效的。
因此，工业期望可解决现有技术的缺点中的某些的集成的CPOX重整器和燃料电池系统的新设计以及与用于产生电力的燃料电池系统集成的CPOX重整的新方法。
发明内容
鉴于以上，本教导提供集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统(在本文中也称作“重整器-燃料电池系统”和相关变换)、以及将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述富含氢气的重整物电化学转化为电力的方法，该系统和方法可解决现有技术的不足和/或缺点的一个或多个。例如，本教导的集成的重整器-燃料电池系统和方法可提供：在气态燃料CPOX重整器段(section)中或者在CPOX重整操作中很少或者没有发生闪燃或“失控”热事件的机会或趋向、在气态燃料CPOX反应器或CPOX重整中没有过高的CPOX反应温度、和/或遍及气态燃料CPOX重整器段和/或作为整体的集成的重整器-燃料电池系统的全部的气态物流路线和气体流动部件和通道的所有的低的背压。
另外，本教导的气态燃料CPOX重整器和燃料电池段的设计可允许有效率的和有效的耦接(结合)到集成的重整器-燃料电池系统中。例如，CPOX反应器单元的出口的横截面可匹配燃料电池单元的入口的横截面，从而允许所述单元的直接耦接。对于包括紧凑的占用空间(footprint)和/或设计的多种应用和条件，可灵活地改变和/或修改这样的系统。
在一个方面中，本教导涉及集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统，其中所述集成的重整器-燃料电池系统包括气态燃料CPOX重整器段和燃料电池段。
所述气态燃料CPOX重整器段可包括如下的气态燃料CPOX重整器：其具有如本文中所描述的隔开的CPOX反应器单元的阵列；以及与所述气态燃料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反应器单元的包含CPOX催化剂的壁段热连通的点火器。
集成的重整器-燃料电池系统的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(elongate tube)。因此，“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，除非由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(气体流动通道)并且限定在一个末端处的用于接收流体流的入口和在反向末端处的用于排放流体流的出口。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)的至少一段包括CPOX催化剂。所述包含CPOX催化剂的壁段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。所述包含CPOX催化剂的壁段可在CPOX反应条件下保持结构稳定。
集成的重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器可包括与至少所述包含CPOX催化剂的壁段的外表面结合(例如附着至或者粘附至其)的氢气阻挡物。所述氢气阻挡物可与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。例如，加压流体例如加压气体可为(例如，与所述包含CPOX催化剂的壁段的至少外表面结合的)氢气阻挡物。
关于所述隔开的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，所述CPOX反应器单元隔开使得可从CPOX反应器单元发生热损失以防止对所述CPOX反应器单元和如果存在的话，对可与所述CPOX反应器单元(一个或多个)的出口(一个或多个)流体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跨越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CPOX反应器单元中引发CPOX反应。换而言之，在阵列的一个(或者单个)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CPOX反应器单元的每一个中引发CPOX反应而言的必需的热。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℃。
集成系统的气态燃料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、或更多，其中另外的点火器可安置成与其它CPOX反应器单元的包含CPOX催化剂的壁段热连通。
集成的重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器还可包括与CPOX反应器单元的入口流体连通的气态可重整燃料的来源。
CPOX反应器单元的包含CPOX催化剂的壁段可包括陶瓷或者可为陶瓷。所述包含CPOX催化剂的壁段可为多孔基底，例如，包括陶瓷或多孔陶瓷的多孔基底。至少所述包括CPOX催化剂的壁段可为或可包括钙钛矿。例如，这样的壁段的大于约20重量％或大于约50重量％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、或者等效程序沉积在壁和/或壁的表面例如内表面上。CPOX催化剂还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段内的CPOX催化剂的量可沿着所述壁段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。CPOX催化剂的这样的梯度可存在于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。所述歧管可包括空穴，其中所述歧管壳限定所述空穴。可在所述空穴内或者邻近于所述空穴设置密封。所述歧管壳典型地包括多个空穴，其中所述空穴的数量和布置(排列)与所述CPOX反应器单元的入口的数量和布置一致。所述密封可接合所述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。
集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池段可包括具有阳极、阴极、和设置在其间的电解质的燃料电池(或燃料电池单元)。燃料电池单元的阳极可与CPOX反应器单元的出口流体连通。燃料电池单元的阴极可与包含氧气的气体(含氧气体，oxygen-containing gas)(的来源)流体连通。燃料电池段可包括与燃料电池单元的阳极和阴极电耦接的集流体。
集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池单元可为固体氧化物燃料电池或聚合物电解质膜(或质子交换膜)燃料电池。集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池单元可包括管式固体氧化物燃料电池例如多管式固体氧化物燃料电池。
集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池单元的阳极可与CPOX反应器单元的出口经由导管例如使富含氢气的重整物穿过其的导管流体连通。集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池单元的阴极可与包含氧气的气体(的来源)经由另一导管例如空气导管流体连通。在某些实施方式中，CPOX反应器单元的出口可直接连接至燃料电池单元的入口，其中所述燃料电池单元的所述入口与所述燃料电池单元的阳极流体连通。
集成系统的燃料电池段还可包括与燃料电池单元的出口流体连通的后燃烧器。
在另一方面中，本教导提供气态燃料CPOX重整和将富含氢气的产物重整物电化学转化为电力的方法。本教导的方法总体上包括将包括如下例如包含如下、基本上由如下组成或者由如下组成的气态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：气态可重整燃料和包含氧气的气体；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；维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化；和在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力。
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反应器单元可至少与在所述阵列中的相邻CPOX反应器单元(一个或多个)热连通。所述壁的至少一段可包括CPOX催化剂。所述包含CPOX催化剂的壁段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。所述包含CPOX催化剂的壁段在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，这进而可在所述气态燃料CPOX重整器的其它CPOX反应器单元中引发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内的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跨越所述CPOX反应器单元的阵列基本上均匀的。
在某些实施方式中，气态燃料CPOX重整和在燃料电池单元内将富含氢气的重整物转化为电力的方法可包括使用来自进行着的CPOX反应的放热热和/或来自一些其它来源例如所述燃料电池的热来加热所述包含氧气的气体组分和/或加热待进行CPOX重整的气态CPOX反应混合物的气态可重整燃料。在具体实施方式中，这样的方法可包括使用，例如，传递，燃料电池单元的放热热。
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、基本上均匀速率、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。
在多种实施方式中，在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力的方法可包括使富含氢气的重整物与燃料电池单元的阳极接触；和使包含氧气的气体例如空气与燃料电池单元的阴极接触。
进一步地，根据本教导，提供用于在启动模式中和在稳态模式中气态可重整燃料的CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法，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段将CPOX催化剂设置于其中(具有设置于其中的CPOX催化剂)和/或包括它的结构体，这样的包含催化剂的壁段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段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；
(iii)将步骤(ii)中制造的富含氢气的重整物传送至包括至少一个燃料电池单元的燃料电池，使得重整物接触所述燃料电池单元的阳极部件，同时将包含氧气的气体传送至所述燃料电池，使得所述气体接触所述燃料电池单元的阴极部件，所述重整物在所述燃料电池单元进行转化以产生电力；和
b)在稳态模式中：
(iv)将气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中，
(v)在维持所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应，从而继续富含氢气的重整物的制造的同时，在步骤(iv)之前、期间或之后停止止CPOX引发步骤(ii)，和
(vi)将步骤(v)中制造的富含氢气的重整物传送至所述至少一个燃料电池单元的阳极部件，同时将包含氧气的气体传送至所述至少一个燃料电池单元的阴极部件，所述重整物继续在所述燃料电池单元内进行转化以产生电力。
在一些实施方式中，本教导的方法可包括，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反应混合物的对应。在某些实施方式中，本教导的方法可包括，例如，在上述步骤(iv)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反应混合物的对应。
在具体实施方式中，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通过所述出口排出处于更高压力的包含氧气的气体的叶轮，用于驱动所述叶轮的马达，和将所述系列中的至少一个鼓风机单元的出口包含在所述系列中的至少一个其它鼓风机单元的入口中的管道。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额。
在一些实施方式中，所述方法可包括，例如，在上述步骤(iii)和(vi)中，使所述至少一个管式SOFC燃料电池单元的阳极部件的至少一部分与重整催化剂、用于水煤气变换反应的催化剂、和对于重整和水煤气变换反应两者均是催化活性的催化剂的至少一种接触或结合。因此，所述方法可包括在这样的催化剂的存在下使所述重整物中存在的未重整的气化的气态燃料、裂化的燃料、和/或一氧化碳重整和/或进行水煤气变换反应，这可产生额外的氢气用于电化学转化为电力。
在本教导的方法的多种实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述富含氢气的重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法包括在如本文中所述的气态燃料多管式CPOX重整器内进行CPOX反应和在如本文中所描述的和/或本领域中已知的燃料电池(段)中进行电化学转化。换而言之，本教导的方法可使用如本文中所描述的集成的气态燃料(多管式)CPOX重整器和燃料电池系统；然而，本教导思虑其它合适地设计和构造的重整器段和燃料电池段。
由以下附图、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体催化剂单块)的纵截面图。
图2为根据本教导的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的一种实施方式的示意性方框图。
图3A为用于管理图2的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统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为根据本教导的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的一种实施方式的纵截面图，其中燃料电池段包括管式固体氧化物燃料电池堆。
图4B为图4A中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器段的横向(垂直于纵轴的)截面图。
图4C为图4A中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器段的一部分的俯视截面图。
图4D为图4A-4C中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的重整器段的点火器部件的放大的透视图。
图4E为图4A-4C中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的重整器段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为总体上圆柱形的固体氧化物燃料电池单元的等轴视图，其中部分被局部地切掉以更好地说明其阳极、电解质、和阴极部件。
图4K为管式SOFC单元的一种实施方式的横截面图，该截面对应于图4H中所示的管式CPOX反应器单元的横截面。
图4L和4M分别说明图4A和5A-D中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的鼓风机系统部件的透视图和俯视图。
图5A为根据本教导的集成的重整器-燃料电池系统的另一实施方式的纵截面图，其中燃料电池段包括平面型燃料电池。
图5B为根据本教导的集成的重整器-燃料电池系统的另一实施方式的纵截面图，其中重整器段和管式SOFC段以特别紧凑的构型布置。
图5C为根据本教导的集成的重整器-燃料电池系统的另一实施方式的纵截面图，其中燃料电池段包括整体式燃料电池。
图5D为根据本教导的集成的重整器-燃料电池系统的另一实施方式的纵截面图，其中燃料电池段包括聚合物电解质膜燃料电池。
图6A呈现显示在本教导的气态燃料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)转化本领的变化的百分数下在CPOX反应混合物的氧对碳的摩尔比对CPOX反应温度之间的关系的图形数据。
图6B呈现显示根据本教导的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的去往气态燃料CPOX重整器段的燃料(丙烷)流速和燃料电池段的电流输出之间的关系的图形数据。
具体实施方式
现已发现，气态燃料CPOX反应器段可有效率地且有效地与燃料电池段集成以提供集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统。具体地，所述重整器段的设计的特征是多管式CPOX反应器单元的阵列，其中所述管式CPOX反应器单元可具有可与多管式燃料电池段的入口的横截面匹配的横截面。因此，所述重整器单元的出口可安置成与多管式燃料电池的入口直接流体连通或者直接耦接以便有效率且有效联合以提供集成的重整器-燃料电池系统。此外，这样的重整器和燃料电池的设计的兼容性可允许针对不同应用而言重整器和燃料电池的互换性，例如，对于不同气态可重整燃料为集成的重整器-燃料电池系统供以动力而言不同的催化剂负载量。
另外，重整器段可包括隔开的CPOX反应器单元的阵列，其可利用放热的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、过高尖峰的(spiking)CPOX反应温度、和/或高的背压的催化剂单块的已知且常规的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，关于所述CPOX重整器段，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，通过降低操作温度而对于给定的CPOX催化剂负载量处理更多的气态可重整燃料。
如本文中所述的气态燃料CPOX重整器的改善的热管理还可对在所述CPOX反应器单元的每一个内发生的CPOX反应的稳定化有贡献。因此，这样的改善的热管理可维持在集成的重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器的CPOX反应器单元之间合适地均匀的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者一个点火器，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重整的总体有效率的引发或启动过程有贡献。不过，与可比较的燃料转化本领的单个CPOX反应器单元形成对比，将总的CPOX转化负荷在多个CPOX反应器单元之间分布的优点是与对于单个、更大的重整器而言是典型的相比更短的启动时间。集成的重整器-燃料电池系统的重整器段的更短的启动时间转化为预期耦接的燃料电池段的更短的启动时间。
此外，所述多个CPOX反应器单元的隔开的布置可简化气态燃料CPOX重整器的相关系列或管线(line)的设计和制造，其中各个气态燃料CPOX重整器可在它们的燃料重整本领方面不同。例如，可通过向现有设计添加标准化规格的另外的气态燃料CPOX反应器单元而在如果有也很少其它显著改动的情况下构造期望容易地提高燃料重整本领的新的、气态燃料CPOX重整器设计。当与简单地设计的多管式燃料电池单元集成时，这样的气态燃料CPOX重整器和燃料电池单元可允许在集成的重整器-燃料电池系统的构造和改动方面的灵活性。
而且，在根据本教导的气态燃料CPOX重整器和/或集成的重整器-燃料电池系统的多种构型中和操作中，遍及重整器段和/或集成的重整器-燃料电池系统的流体发送部件和通道的背压可降低或者最小化。例如，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实现的。
将理解，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。还将理解，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构成或者由所列举的组分构成，和本教导的工艺还基本上由所列举的工艺步骤构成、或者由所列举的工艺步骤构成。
在本申请中，当一个元件或部件被称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(并且反过来也成立)，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”指的是离标称值±10％的变化，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，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“例如”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解释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，否则在本文中将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反应混合物和气态产物重整物(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产物重整物的氢气组分)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时进行向富含氢气的重整物的转化的在标准温度和压力(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时进行向富含氢气的重整物的转化的在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反应混合物可包括如下、基本上由如下构成、或者由如下构成：气态可重整燃料和包含氧气的气体。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者气态的液体可重整燃料。
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道，其中跨越所述导管或沟道的整个截面平面不存在固体(包括多孔固体或材料)，即，没有固体(包括多孔固体)的导管或沟道。例如，在CPOX反应器单元的情况下，不能跨越与管式CPOX反应器单元的纵轴垂直的整个内部截面平面存在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。在可定义为限定中空钻孔的管、或者限定沿着其纵轴穿过其的中空钻孔的圆柱形基底的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道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道没有跨越所述CPOX反应器单元的截面平面的固体。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道变化。
本教导的气态燃料CPOX重整器的重要特征是所述隔开的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)的有序布置或者规则安排。换而言之，所述CPOX反应器单元典型地不是无规安置或者安排的。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反应器单元的布置或安排，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反应器单元的安置和构型，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，和产物富含氢气的重整物的期望用途和输出，例如，所述CPOX重整器将集成例如连接或者耦接至其的燃料电池单元或系统的构造的材料。如果(相邻)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)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重整器的故障。
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℃。
在一些实施方式中，氢气阻挡物可与管式CPOX反应器单元的至少的包含催化剂的壁段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段的外表面，该包含催化剂的壁段典型地限定CPOX反应区。氢气阻挡物可附着至CPOX反应器单元的壁的大部分、基本上全部或者整个外表面。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段，而不是通过其出口离开所述CPOX反应器单元。
本教导的CPOX重整器的另一特征是用于在(例如，CPOX反应器单元的阵列的)CPOX反应器单元内引发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。
点火器可包括安置成接近于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(典型地也在所述室内的)至少一个其它CPOX反应器单元内引发CPOX反应，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的来源。所述气态可重整燃料的来源可包括用于气态可重整燃料的存储和/或向所述气态燃料CPOX重整器例如向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，集成的重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器可包括如本文中描述的隔开的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；与CPOX反应器单元的入口流体连通的气态可重整燃料的来源；如本文中描述的燃料电池单元，其中所述燃料电池单元的阳极与所述CPOX反应器单元的出口流体连通，所述燃料电池单元的阴极与包含氧气的气体流体连通；和电耦接至所述燃料电池单元的阳极和阴极的集流体。
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段包括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反应器单元通常与所述阵列中的至少的相邻CPOX反应器单元(一个或多个)热连通。
在某些实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统具有包括多个隔开的CPOX反应器单元的气态燃料CPOX重整器段，各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段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段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。
在具体实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可让其管式CPOX反应器单元的壁包括至少两个区域，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含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。
在一些实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可包括可耦接至管式、平面型、或者整体式固体氧化物燃料电池段的气态燃料CPOX重整器段。
在某些实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可包括可通过一氧化碳减少用装置或段耦接至聚合物电解质膜燃料电池段的气态燃料CPOX重整器段，其中在将所述气态燃料CPOX重整器段中制造的富含氢气的重整物引入到所述聚合物电解质膜燃料电池段中之前可在所述一氧化碳减少用装置或段中减少所述富含氢气的重整物的一氧化碳组分的水平。对于其它类型的燃料电池例如固体氧化物燃料电池(段)，也可存在这样的一氧化碳减少用装置或段。
在具体实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可让所述气态燃料CPOX重整器段的各管式CPOX反应器单元的出口直接连接至对应的管式固体氧化物燃料电池单元的入口。在多种实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX反应器和管式固体氧化物燃料电池系统可包括管式CPOX反应器单元的这样的至少一部分：其设置在对应的管式固体氧化物燃料电池单元的轴向燃料流动通道内。在一些实施方式中，所述CPOX反应器单元的出口与如下的歧管或类似部件流体连通：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去往燃料电池段(例如燃料电池单元的阳极)的相等、更大或更少数量的入口。
在一些实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可包括固体氧化物燃料电池单元的阳极部件的这样的至少一部分：其与重整催化剂、用于水煤气变换反应的催化剂、和对于重整和水煤气变换反应两者均是催化活性的催化剂的至少一种接触或者结合。即，所述催化剂可设置在阳极上、浸渍在阳极中、或者在阳极内。
在一些实施方式中，集成的气态燃料多管式CPOX重整器和燃料电池系统可包括用于朝着所述CPOX反应器单元的入口发送气体的一个或多个导管。例如，可存在一个或多个导管并且其可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、其中包含氧气的气体和气态可重整燃料可组合以提供气态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。
在一些实施方式中，从发生在所述气态燃料CPOX重整器段内的CPOX反应的放热回收的热和/或从所述燃料电池段回收的热可用于将包含氧气的气体和/或气态可重整燃料在气态CPOX反应混合物的形成之前加热，和/或在所述集成的重整器-燃料电池系统中的其它地方加热和/或维持热环境。
在多种实施方式中，集成的重整器-燃料电池系统的气态燃料CPOX重整器段可包括歧管或增压室(送气室，plenum)，其与所述CPOX反应器单元的入口流体连通。歧管可配置成提供去往CPOX反应器单元的入口的气态CPOX反应混合物的更均匀分布(例如以基本上均匀的组成、以基本上均匀的温度、和/或基本上均匀的速率(流量))。
在某些实施方式中，歧管可具有限定歧管室的壳或围壳。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。所述壳或围壳可由相对低成本、可容易模塑的热塑性或热固性树脂制造。在具体实施方式中，所述歧管可在其出口和所述CPOX反应器单元的入口之间包括“冷密封”连接。
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、和包含密封的空穴。
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)。当安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(例如向下朝着所述歧管室的底部)的方向上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反应器单元的放热热传递至所述歧管。
所述歧管壳可限定一个或多个空穴。可在所述空穴内或者邻近于所述空穴设置密封，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穴，使得各CPOX反应器单元可与所述歧管室流体连通并且各空穴可包括紧闭相应的CPOX反应器单元的密封。歧管壳的空穴可以与所述CPOX反应器单元的入口相同的构型定尺寸和布置以提供各空穴对入口的匹配。所述密封可为垫圈。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)在管式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反应器单元内引发CPOX反应。
在多种实施方式中，本教导的集成的重整器-燃料电池系统可包括鼓风机系统，其可包括互连的一系列单独的离心式鼓风机单元。用于所述气态燃料CPOX重整器段的鼓风机系统可将包含氧气的气体的流引入到所述CPOX重整器中。用于所述燃料电池段的鼓风机系统可将包含氧气的气体引入到所述燃料电池段中，例如引入至所述燃料电池单元的阴极。所述集成的重整器-燃料电池系统的鼓风机系统还可驱动所述CPOX重整器和/或所述燃料电池段内的空气流动，例如用于热传递(其可包括结构(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，所述集成的重整器-燃料电池系统可包括可适合于在所述集成的重整器-燃料电池系统的启动、稳态、和/或关停模式中控制所述集成的重整器-燃料电池系统即气态燃料CPOX重整器和燃料电池段的操作的控制系统。
本教导的气态燃料CPOX重整器可包括(例如用于混合包含氧气的气体和气态可重整燃料的)混合器。所述混合器可为静态混合器或动态混合器，例如，描述于例如如下中的流体混合装置：题为“Mixing Reformable Fuels and an Oxygen-Containing Gas and/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其教导)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重整物处理(加工)单元或装置(例如，用于减少产物重整物的一氧化碳含量)。CPOX重整物处理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。
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重整器内和通过所述重整器的气体流动的气态物流驱动器。气态物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的在其启动、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(工具)。所述热传递手段可在所述气态燃料CPOX重整器的操作的稳态模式期间传递来自所述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，以将冷却剂物流引导向所述CPOX反应器单元的暴露的外表面和/或引导向与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。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。鼓风机或者呈系列的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。鼓风机还可包括将所述系列中的至少一个鼓风机单元的出口用在所述系列中的至少一个其它鼓风机单元的入口包含的管道。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“Centrifugal Blower System and Fuel Cell IncorporatingSame”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其教导)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所述气态燃料CPOX重整器段和/或所述燃料电池段的消耗电能的部件(例如辅助CPOX重整器部件)供以动力(例如，在集成系统的操作的启动模式期间)的电流来源。所述电流来源可包括可再充电的电池和电池充电器。
此处描述的重整器段的这些和其它实施方式有利地可耦接至管式SOFC堆。在集成的重整器-燃料电池系统的一些实施方式中，可将重整催化剂、水煤气变换(WGS)反应催化剂和对于两种目的均为活性的催化剂的至少一种设置在管式SOFC单元的与富含氢气的重整物接触的段内和/或与管式SOFC单元的与富含氢气的重整物接触的段结合(例如浸渍在管式SOFC单元的与富含氢气的重整物接触的段中)。这样的催化剂的存在可催化存在于重整物中的未被消耗的可重整燃料的重整和/或可催化水煤气变换反应，由此存在于重整物中的一氧化碳被转化为额外的氢气来用于电化学转化为电力。一种这样的管式SOFC单元示于图4J和4K中。
除了至少一个燃料电池单元和集流体之外，本教导的集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池段还可包括以下任选组分(部件)的某些：重整催化剂、用于水煤气变换反应的催化剂、和对于重整和水煤气变换反应两者均是催化活性的催化剂的至少一种，其中这样的催化剂或其组合可与燃料电池单元的阳极部件的至少一部分接触；用于减少来自所述燃料电池段的热损失的热绝缘体；用于将包含氧气的气体引入至燃料电池使得所述气体接触至少一个燃料电池单元的阴极部件的气态物流驱动器；用于尾气的可燃性组分的燃烧的后燃烧器；用于从所述燃料电池段和/或其后燃烧器部件回收热并且利用所回收的热将包含氧气的气体和/或气态可重整燃料在所述气体/燃料引入到所述重整器段中之前或之后加热的热交换组件；用于监测和控制一个或多个燃料电池操作的一个或多个传感器组件；和用于使所述燃料电池段在其启动、稳态和关停模式中的操作自动化的控制系统。
本发明的集成的重整器-燃料电池系统的燃料电池段可选自任何已知且常规的燃料电池，例如先前提及的那些燃料电池类型。优选类型的燃料电池段为管式固体氧化物燃料电池(SOFC)，在非专利和专利文献中描述了其许多变型。该类型的燃料电池的优点包括高的效率、长期稳定性、燃料灵活性、和低的排放，其为与根据本教导的重整器段的前述优点极好吻合的优点。
该构型的多管式SOFC堆可容易地耦接至此处描述的集成的重整器-燃料电池系统的经适当配置的多管式CPOX重整器段。因此，例如，所述重整器段的管式CPOX反应器单元的出口可与对应的管式SOFC单元的入口对齐并且与其直接连接，使得富含氢气的重整物可从该前者直接输送到后者中，从而遍及所述集成的重整器-燃料电池系统维持低的背压。而且，在这样的实施方式中，如下可为既实用又经济的：将管式CPOX反应器单元和对应的管式SOFC单元制造为单个无缝集成的连续结构(例如采用描述于由Finnerty 等在共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2013/0056911或者Finnerty等在共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2013/0059223中描述的工艺，将所述专利申请公布的全部内容引入本文作为参考用于所有目的)。
因此，在多种实施方式中，提供可包括如下的集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统：
a)利用气态可重整燃料制造富含氢气的重整物的气态燃料CPOX重整器段，所述重整器段包括：
多个隔开的CPOX反应器单元，各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段将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段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段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；和
b)用于将在重整器段(a)中制造的富含氢气的重整物电化学转化为电力的燃料电池段，所述燃料电池段包括：
至少一个燃料电池单元，所述燃料电池单元包括阳极部件、阴极部件和设置在其间的电解质部件、用于在重整器段(a)中制造的富含氢气的重整物的配置成将所述重整物传送至所述燃料电池单元的阳极部件的入口和通道、用于包含氧气的气体的配置成将这样的气体传送至所述燃料电池单元的阴极部件的入口和通道、和用于尾气的出口，和
与所述至少一个燃料电池单元的阳极和阴极部件电耦接的至少一个集流体。
在另一方面中，提供产生电力的方法。本教导提供气态燃料CPOX重整和将富含氢气的产物重整物电化学转化为电力的方法。本教导的方法总体上包括将包括气态可重整燃料的气态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；维持气态CPOX反应混合物的催化部分氧化；和在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力。
在一些实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法包括将氢气阻挡物附着至管式反应器单元的包含催化剂的壁段的外表面。与在不存在所述氢气阻挡物的情况下将由氢气扩散通过和超出所述包含催化剂的壁段导致的相比，所述氢气阻挡物可防止或抑制氢气从所述反应器单元损失。
在某些实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法包括在其操作期间使用从CPOX的放热回收的热和/或从一个或多个外部热源例如所述燃料电池(段)回收的热以在气态CPOX反应混合物的形成之前加热包含氧气的气体和/或加热气态可重整燃料，和/或以在所述集成的重整器-燃料电池系统内的其它地方加热和/或维持热环境。
在一些实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化以产生电力的方法包括将基本上均匀组成、以基本上均匀速率和/或以基本上均匀的温度的气态CPOX反应混合物分布至若干个管式CPOX反应器单元的每一个。
在具体实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法包括(例如，使用在所述CPOX反应器单元外部设置的辐射热源)在管式CPOX反应器单元内引发CPOX，所述辐射热通过所述反应器单元的壁传导以在其CPOX反应区内引发CPOX。
在某些实施方式中，将气态可重整燃料CPOX重整以提供富含氢气的重整物和将所述重整物在管式SOFC单元内电化学转化为电力的方法包括使所述重整物中存在的未重整的气态可重整燃料、裂化的燃料、和/或一氧化碳在SOFC单元的至少一部分内经历重整和/或水煤气变换反应，从而产生额外的氢气来用于在其中电化学转化为电力。
在本教导的多种实施方式中，所述将气态可重整燃料CPOX重整以制造富含氢气的重整物和将所述重整物在燃料电池内电化学转化为电力的方法总体上可包括：
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段将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段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段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，
(ii)将气态可重整燃料引入到所述导管中，包含氧气的气体和气态可重整燃料组合以形成气态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)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
(v)将步骤(vi)中制造的富含氢气的重整物传送至包括至少一个燃料电池单元的燃料电池，使得重整物接触所述燃料电池单元的阳极部件，同时将包含氧气的气体传送至所述燃料电池，使得所述气体接触所述燃料电池单元的阴极部件，所述重整物在所述燃料电池单元进行转化以产生电力；和
b)在稳态模式中：
(vi)将包含氧气的气体引入到所述导管中，
(vii)将气态可重整燃料引入到所述导管中，包含氧气的气体和气态可重整燃料组合以形成气态CPOX反应混合物，
(viii)将来自步骤(vii)的气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中，
(ix)在维持所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX反应，从而继续富含氢气的重整物的制造的同时，在步骤(xi)之前、期间、或之后停止引发步骤(iv)，和
(x)将在步骤(ix)中制造的富含氢气的重整物传送至所述至少一个燃料电池单元的阳极部件并且同时将包含氧气的气体传送至所述至少一个燃料电池单元的阴极部件，所述重整物继续在所述燃料电池单元内进行转化以产生电力。
在一些实施方式中，所述方法可包括，例如，在步骤(viii)中，将包含氧气的气体在其引入到导管中之前使用来自外部的热产生来源的热加热至环境温度。在具体实施方式中，所述方法可包括(例如使用从发生在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内的CPOX回收的放热热)将所述包含氧气的气体从第一升高的温度进一步加热至第二升高的温度。在具体实施方式中，所述方法可包括将气态可重整燃料在其引入到导管中之前加热。
在多种实施方式中，所述方法可包括使(例如，来自步骤(iv)和(ix)之一或两者的)气态CPOX混合物在其(例如，分别地，在步骤(v)和(x))之一或两者中)引入到所述CPOX反应器单元的入口中之前的在组成方面更均匀。在某些实施方式中，所述方法可包括(例如，分别地，在步骤(v)和(x)之一或两者中)将更均匀组成的气态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反应混合物以更均匀的温度分布至所述CPOX反应器单元的入口。
在具体实施方式中，所述方法可包括将气态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％。
在一些实施方式中，所述方法可包括，例如，在步骤(vi)中，通过点火器的操作在所述CPOX反应器单元的CPOX反应区内引发气态CPOX反应混合物的CPOX，其中从所述点火器输出的辐射热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可在所述室内的至少一个其它CPOX反应器单元内引发CPOX反应，直到以这样的方式，已经在所述室内的所有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，在步骤(v)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反应混合物的对应。在具体实施方式中，所述方法可包括，例如，在步骤(xi)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反应混合物的对应。
在一些实施方式中，所述方法可包括，在所述包含氧气的气体与所述气态CPOX反应混合物合并之前使所述气态CPOX反应混合物在组成上更均匀或者将所述气态CPOX反应混合物调节为在组成上更均匀。在具体实施方式中，在所述包含氧气的气体与所述气态CPOX反应混合物的合并之后，所述方法可包括使所述合并的气体在组成上更均匀或者将所述合并的气体调节为在组成上更均匀。
在一些实施方式中，所述方法可包括使包括包含氧气的气体和气态燃料的气态CPOX反应混合物在导管内进行CPOX以制造富含氢气的重整物。
在多种实施方式中，所述方法可包括，在关停模式中，降低燃料流速(例如在步骤(xi)中)，同时维持基本上恒定的氧对碳的摩尔比。在某些实施方式中，所述方法可包括当CPOX反应器单元的CPOX反应区内的温度接近或者下降至低于会导致焦炭形成的水平时提高氧对碳的摩尔比。所述摩尔比的这样的提高可防止或抑制当CPOX催化剂减活时的焦炭形成。
以上和本文中的其它地方总体上描述了根据本教导的气态燃料CPOX重整器、燃料电池、和集成的重整器-燃料电池系统、以及CPOX重整和产生电力的方法。参照附图的以下描述对本教导的气态燃料CPOX重整器、燃料电池和集成的重整器-燃料电池系统、以及CPOX重整和电力产生工艺的这些特征和其它中的某些进行修饰并且应被理解为讨论多种和具体实施方式而不限制本发明的本质并且其可适用于以上讨论。
现在参照附图，图2说明根据本教导的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的一种实施方式。如图2中所示，集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统200包括耦接至燃料电池段228的气态燃料CPOX重整器段201。重整器段201包括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通过空气来示例)引入到导管203中，并且用于驱动这个和其它气态物流(包括气态燃料-空气混合物和富含氢气的重整物)通过所述重整器段和燃料电池段的多种通道(包括开放的气流通道)的离心式鼓风机202。导管203可包括流量计204和热电偶205。这些和类似装置可安排在气态燃料CPOX重整器段和燃料电池段内的多种位置处以如结合图3A中所示的控制系统更充分地解释的那样测量、监测和控制集成的重整器-燃料电池系统的操作。
在示例性的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统200的操作的启动模式中，通过鼓风机202引入到导管203中的处于环境温度的空气与通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从气态燃料存储罐213在相对低的压力下引入到导管203中的气态可重整燃料(在此处和本教导的其它实施方式中通过丙烷示例)组合。所述空气和丙烷在导管203的混合区218中合并。在导管203的混合区218内设置混合器例如静态混合器例如在线混合器219、和/或形成于导管203的内表面内的涡流产生用螺旋形凹槽、或者以外部方式供以动力的混合器(未示出)以提供与否则的情况相比更均匀的丙烷-空气气态CPOX反应混合物。
所述丙烷-空气混合物(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中所示的歧管部分450的管式CPOX反应器单元408呈现了其一种实施方式的详细描述。在CPOX重整器段201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。一旦已经实现稳态CPOX反应温度(例如，250℃-1,100℃)，反应变成自持的并且可停止所述点火器的操作。热电偶225安置成接近于一个或多个CPOX反应区210以监测发生在CPOX反应器单元209内的CPOX反应的温度。温度测量结果可作为被监测的参数被转发至整器控制系统226。
重整器段201还可包括电流来源例如可再充电的锂离子电池系统227，以例如在集成的重整器-燃料电池系统200的操作的启动模式期间为其电驱动部件例如鼓风机202、流量计204、流量控制阀217、点火器223提供动力并且如果需要，存储例如在稳态操作期间由燃料电池段228产生的过剩的电力用于后续使用。
如果需要，可将来自液体CPOX重整器段的产物流出物或富含氢气的重整物引入到一个或多个常规或者以其它方式知晓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使用特别易被CO中毒的催化剂的燃料电池段或燃料电池堆，例如，图5D中所示的集成的重整器-燃料电池系统560的PEM燃料电池段561时。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)，并且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，之后为PROX，以及反过来)进行CO减少。
通过使所述产物重整物穿过装备有提供将所述产物重整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产物重整物中的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减少用单元例如前述WGS转化器和/或PROX反应器组合。
燃料电池段228包括燃料电池堆229、后燃烧器或尾气燃烧器232、用于将通过歧管231均一地分布的空气引入至燃料电池堆229的阴极侧以支持其中的燃料向电力的电化学转化和引入至后燃烧器232以支持尾气在其中燃烧、和任选的用于向控制系统提供温度和压力测量输入的热电偶233和流量计234。气态CPOX重整器段201中制造的富含氢气的重整物进入燃料电池堆229并且在其中经历电化学转化为电力和作为气态流出物的副产物水(蒸汽)和二氧化碳。来自燃料电池堆229的气态流出物或尾气可包含可燃性气体(一种或多种)例如烃(一种或多种)、未被消耗的氢气、和/或其它可电化学氧化的气体(一种或多种)例如一氧化碳，其然后进入后燃烧器232，在后燃烧器232中利用由鼓风机230提供的空气发生将它们燃烧为水(蒸汽)和二氧化碳。如果需要，可将来自后燃烧器232的热的气体废气中包含的热回收并且用于加热一种或多种流体物流例如水(其可存储在被合适地隔绝的存储单元中以满足当前和/或后续对其的需求)。
图3A中所示的控制系统300可控制根据本教导的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的操作。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、和关停模式中进行管理的控制器301。所述控制器可为在处理器上运行的软件。然而，采用如下控制器在本教导的范围内：其用一个或多个数字或模拟电路、或其组合实施。
控制系统300进一步包括与控制器301连通并且适合于监测重整器段302和燃料电池段315的所选择的操作参数的多个传感器组件，例如，热电偶和相关的气态燃料压力计304、热电偶和相关的CPOX/阳极空气压力计309、CPOX重整器区热电偶314、热电偶和相关的阴极空气压力计318、燃料电池堆热电偶319、和后燃烧器热电偶320。
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/或程序化的子程序和指令序列，控制器可管理气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的操作。更特别地，如所显示的，控制器301通过如下而与集成的重整器-燃料电池系统316的期望段或部件的控制信号接收部分连通：向其发送指示具体动作的指令信号。因此，例如，响应于来自热电偶和相关的压力计304、309和318的温度和流速输入信号以及来自热电偶314、319和320的温度输入信号，控制器301可发送控制信号至燃料流量控制阀305，例如，以控制从气态燃料存储罐303通过燃料管线306去往导管307的气态燃料的流量，至离心式鼓风机308以控制进入到导管307中的空气的流量和驱动经加热的气态CPOX反应混合物在重整器段302内的和通过其的和富含氢气的重整物在燃料电池段315的阳极侧内和通过其的流动，至其开-关状态，和至电池/电池充电器系统312以管理其作用。类似地，响应于来自各种传感器组件的输入信号，控制器301可发送信号至离心式鼓风机322以控制在燃料电池段315的阴极侧内和通过其以及去往后燃烧器(在后燃烧器中空气支持尾气的可燃性组分(一种或多种)在其中燃烧)的空气的流量。
此处的传感器组件、控制信号接收装置和通信通路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，燃料流速可用任何合适的流量计监测，压力可用任何合适的压力传感或者压力调节装置监测，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)。所述通信通路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通路。
在图3A中，通信通路示意性地示为单或双向箭头。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所终止处的部件的响应动作而发送的控制信号。双向通路示意性地表示，控制器301不仅发送指令信号至集成的重整器-燃料电池系统316的相应部件以提供所确定的相应动作，而且接收来自整器段302、燃料电池段315、和机械单元例如燃料控制阀305、和鼓风机308和322的操作输入以及来自传感器组件例如热电偶/压力计304、309和318以及热电偶314、319和320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-燃料电池系统例如集成的重整器-燃料电池系统316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气体流量、CPOX反应温度的管理，以及用于集成的重整器-燃料电池系统操作的关停模式的程序的管理。
如代表本教导的进一步实施方式的图4A-4M中所示的示例性的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400和其部件的多种视图中所示，作为包含氧气的气体并且处于环境温度的空气经由离心式鼓风机系统402(图4L和4M中更详细地显示)以预设的质量流速通过重整器段401的导管404的入口403引入。将丙烷经由燃料管线441和燃料入口442引入到导管404中。丙烷和空气开始在导管404的混合区420中合并以提供气态CPOX反应混合物。可包括任何合适种类的混合器装置，例如设置在混合区420内的静态混合器和/或形成在包括混合区420的导管404的内壁内的螺旋形凹槽以提供与否则将在混合区420中形成的相比具有更大的组成均匀性的气态CPOX反应混合物。
在其穿过所述任选的静态混合器和/或与设置在第二混合区420内的螺旋形凹槽接触之后，气态CPOX反应混合物通过出口425离开导管404并且进入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分布的歧管426的气体分布器427。这样的布置或者本教导内的其它布置可提供气态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408一起适于图4E中)包括限定歧管室429的歧管壳或围壳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部分处的孔洞(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部分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洞或孔口(孔，orifice)430和进入入口431中时的路径示于图4B中。
可瞄准歧管的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、其室的容积、和所述气体分布器的尺度(包括其孔口的数量、设计和安排)。这样的因素本身又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布置、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，歧管壳可由在是CPOX重整的典型的高温下保持热和机械稳定的材料制造。在这些实施方式中，多种种类的难熔的材料，包括难熔的复合材料例如碳纤维-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、哈斯特洛伊超合金等。然而，这些和其它难熔的材料往往成本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产物重整物流出物出口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的集成的重整器-燃料电池系统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催化剂的壁段区的较低的温度(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)使得使用若干家族的热塑性和热固性树脂的任意者来制造歧管壳成为实际的和有利的。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(PAEK)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，意味不再需要外部点火来维持现在自持的CPOX反应。热绝缘体410(例如，微孔的或者基于氧化铝的难熔类型的)包围燃料电池段467和CPOX重整器段401的那些部分以减少来自于其的热损失。
图4A-4D说明本教导的其中在重整器401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中所显示的，CPOX反应器单元408布置成两个分开的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安置成接近于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以如结合图3A中所示的控制系统描述的那样监测CPOX反应区409的温度和提供重整器控制输入。所述点火器的操作导致辐射热被传递至和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的剩余CPOX反应器单元的反应区内引发CPOX。
提供避免与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相对于其中各CPOX反应器单元具有其自己的物理地附着或集成的点火器的CPOX点火器系统提供若干优点。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它的在没有对它为其一部分的CPOX反应器单元的损害和/或对所述阵列中的其它反应器单元的干扰的情况下的除去和更换可为困难的。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安置的单个(或几个)点火器可允许可允许从CPOX重整器段容易且简单地辨认和抽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，使点火器435和热电偶440的位置(在室436的一侧)相对于点火器435和热电偶440的位置(在所述室的另一侧)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。已经观察到这样的布置导致在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安置的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4A、4C和4D中所示(并且在图4B中存在但是未标记的)室436可包含可作为如本文中讨论的氢气阻挡物的加压流体例如加压气体。室436可为气密室。如所描绘的，室436通常设置成：在所述室中包括CPOX反应器单元408各自的CPOX反应区(例如透气性壁的包括CPOX催化剂的段)；以及包括点火器435和热电偶440。如所显示的，虽然所述室包括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，如所示的那样在所述室的内部的上方和下方)横穿或者延伸通过所述壁。加压流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流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提供充足的流体压力用于足够的氢气阻挡物。
参照图4E，图4A和4B中所示的重整器段401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内的空穴458内且通过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并且之后，例如，进入构成如本文中更充分地描述的燃料电池段的燃料电池堆的管式SOFC单元。如所显示的，CPOX反应器单元408座落于热传导元件434上方，热传导元件434可为包括从所述气体分布器通向所述CPOX反应器单元的入口的孔口的孔(orifice)板。所述孔板可为与所述歧管壳在物理上相同的结构或者可为如所显示的那样附着至或者密封至所述歧管壳的单独的结构。
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，其担载于如下的结构体内和/或包括如下的结构体：透气性壁451的至少的与第二区域453和CPOX反应区409对应的段。如所示的，为了防止或抑制产物氢气通过透气性壁451而损失，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重整器的操作的特性)有贡献的结构特征。在根据本教导的气态燃料CPOX重整器和/或集成的重整器-燃料电池系统的操作中，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反应器单元的长度的与其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是CPOX反应的典型的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)和金属并且因此其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的与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。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微米和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(例如至少所述包含CPOX催化剂的壁段)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的来源(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、长度和厚度将由尤其是如下决定：CPOX重整器的氢气产生本领，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必须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，对于所述气态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。相形之下，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处理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。
管式CPOX反应器单元的CPOX反应区的催化活性的壁结构可由其制造的材料为使得这样的壁结构能够在作为CPOX反应的特征的高温和氧化性环境下保持稳定的那些。可使用常规的和以其它方式知晓的难熔的金属、难熔的陶瓷、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CPOX催化剂的部分或者甚至全部。
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催化剂的壁段可由钙钛矿制成或者可包括钙钛矿。例如，这样的壁段的大于约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。这样的壁段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。
有用的难熔的金属中有钛、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。难熔的陶瓷由于如下而是用于所述催化活性的壁结构的构造的一类材料：与对于该目的也是有用的许多难熔的金属和金属合金相比，它们相对低的成本。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)的合适的难熔的陶瓷包括，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本领将是其各个CPOX反应器单元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那样的距离：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担载体特别是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就在该区内维持恒定的CPOX反应温度而言可为有帮助的。
可在本文中使用的许多已知的和常规的CPOX催化剂中有被公开例如于如下中的金属、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(包括其中的多个种类)：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，但是由于如下，它们通常比其它已知类型的CPOX催化剂用得少：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。
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”为具有非常不同尺寸的阳离子，且“X”为与两种阳离子都结合的阴离子(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部位改性通常影响它们的热稳定性，而B部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部处掺杂而定制改性(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作为CPOX重整的特征的高温下对硫的优异的容忍性。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含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，虽然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401的描述所解释的，在CPOX重整器401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由Finnerty等在共同待审的、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)中所公开的SOFC燃料电池组件的和燃料电池装置中那样与类似地配置的管式固体氧化物燃料电池(SOFC)单元接合或者配对。
作为CPOX反应器单元与管式燃料电池单元的直接连接的替代或者与CPOX反应器单元与管式燃料电池单元的直接连接组合，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组合。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。
图4A的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400包括以由多个单独的管式SOFC单元469(分别在图4J和4K中以放大的细节示出了其两个实施方式470和471)构成的SOFC堆468为特征的燃料电池段467。如果需要，可将所述管式SOFC单元制成在数量和/或截面构型方面与(如所示的)它们可直接结合的重整器段401的CPOX重整器单元408对应。所描绘的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统还包括用于离开SOFC堆468的废气或尾气的燃烧的催化剂后燃烧器472；用于驱动空气经由歧管474和通道475流动至SOFC单元469的阴极侧以及流动至后燃烧器472以支持在其中的燃烧的离心式鼓风机系统473(与重整器段401的离心式鼓风机系统402如果不是在尺寸和/或容量方面的话也在构造方面相同或类似)；用于分别监测SOFC堆468和后燃烧器472的温度的热电偶476和477；后燃烧器气体点火器478；燃烧废气端口481；以及与管式SOFC单元469的阴极和阳极部件电接触的集流体479。
如图4J中所示，管式SOFC单元470具有总体上伸长的圆柱形构型。SOFC单元470的切掉部分揭示其壁结构由如下构成：产生电子的内部阳极层482、消耗电子的外部阴极层483、和传导离子但是防止电子通过的中间电解质层484。
在操作中，从重整器段进入SOFC堆的重整物的氢气以及任何其它可电化学氧化的组分(一种或多种)在管式SOFC单元的阳极层内与氧阴离子组合以产生水和/或二氧化碳和电子。在所述阳极层内产生的电子迁移通过外部负载并且回到阴极层，在所述阴极层处氧气与所述电子组合以提供氧阴离子，所述氧阴离子选择性地穿过电解质层和阳极层。在SOFC燃料电池堆的管式SOFC单元发生的电化学过程在根本上与发生在其它类型/构型的燃料电池、特别是图5A-5D中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统的实施方式的燃料电池段内的那些相同。
如图4J和4K中所示，管式SOFC单元470的阳极层482的至少一部分可包括或者否则与如下的一种或多种催化剂485接触：其对于重整(例如，CPOX重整、蒸汽重整、和/或自热重整)、对于水煤气变换反应、或者对于催化重整和水煤气变换反应两者是催化活性的。催化剂的提供容许可存在于来自重整器段的重整物中的未消耗的气态燃料、裂化的燃料和/或一氧化碳的利用，从而提供额外的氢气来用于在管式SOFC单元内转化为电力。合适的催化剂包括以上列出的CPOX催化剂。这些催化剂的许多对于蒸汽重整、自热重整和水煤气变换反应也是催化活性的。这样的催化剂遍及在CPOX期间遇到的反应温度(例如，250℃-900℃)的整个范围并且因此在是与管式SOFC单元的阳极部件接触的气态燃料CPOX重整物的典型的高温下的热稳定性使得它们良好地适合用于充当催化剂。由于水(蒸汽)存在于进入所述管式SOFC单元的重整物中并且还作为发生在所述SOFC单元内的电化学反应的副产物产生，因此，采用对于重整反应和水煤气变换反应两者有活性的催化剂是特别有利的。
所选择的催化剂可采用任何合适的常规或者以其它方式知晓的技术例如浸渍、涂覆、成层等而引入所述管式SOFC单元的阳极部件的表面内(例如浸渍在所述管式SOFC单元的阳极部件的表面上)和/或在所述管式SOFC单元的阳极部件的表面上。所述阳极部件的长度的最高达约80％可包含或包括一种或多种催化剂，其中基于所述阳极部件的重量的1-10重量％的金属负载量是通常优选的。
将CPOX反应器单元和管式SOFC单元作为如下的单个连续的管式主体提供在本教导的范围内：其中根据需要布置所述主体的组成、结构和尺度性质以提供其有区别的重整器和燃料电池段。制造这样的管式重整器-燃料电池主体的特别有利的工艺公开于Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2013/0056911以及Finnerty等的共同待审的、共同转让的美国专利申请公布No.2013/0059223中，其全部内容引入本文作为参考用于所有目的。
提供例如根据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)的教导的用于管式SOFC堆的集流体部件也在本教导的范围内。如其中所描述的，所述集流体部件以及它们所电连接至的管式SOFC堆是以抵抗在所述堆的操作期间所述集流体部件最终从它们的相关电极脱离或者分离(其出现随着时间流逝往往导致显著的欧姆损耗)的趋向这样的方式设计和布置的。
美国专利申请公布No.2013/0230787中描述的集流体/燃料电池堆组件中采用的管式SOFC单元的一种实施方式具有，对于其至少一部分而言，如对于图4K的SOFC单元471显示的总体上双叶截面。当设计本教导的燃料电池段时，采用具有图4K中所示截面的管式SOFC单元和相应地配置的CPOX反应器单元(例如，如图4H中所示)可为有利的。可简化这两种单元的耦接并且可最小化或者减少从管式CPOX反应器单元到和通过所述SOFC单元的气体流动的样式的任何瓦解。
图4L和4M中更详细地显示的、CPOX气态燃料重整器401的离心式鼓风机系统402和燃料电池段467的离心式鼓风机系统473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(其全部内容引入本文作为参考用于所有目的)中。其优点之一是，这些离心式鼓风机系统可在不诉诸于相对高功耗的鼓风机的情况下如其中所解释的具有可比较的空气流量的单级离心式鼓风机(多个)不能提供的、响应于对产物富含氢气的重整物的需求的变化而在引入到导管中的空气的体积方面和/或在它们分别的重整器方面和燃料电池段内被驱动的气体的流速进行快速调节的能力。
单级离心式鼓风机(多个)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重整器或集成的重整器-燃料电池系统的操作的具体模式的目标气体流量要求，用于满足这些要求的鼓风机的最优性能可涉及采用具有以相对高的rpm(例如约20,000rpm和更高)驱动的相对小尺寸的叶轮的鼓风机、或者具有以相对低的rpm(例如，低于约20,000rpm和更通常地，低于约10,000rpm)驱动的相对大尺寸的叶轮的鼓风机。第一种布置，即，具有以相对高的rpm驱动的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，具有以相对低的rpm驱动的相对大的叶轮的单级鼓风机可由于大的叶轮更大的惯性而使得鼓风机输出的控制和微调更困难。
为了防止重整器段和燃料电池段的目标压力和气体流量要求超限(overshoot)，具有相对高惯性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量时必然受到过阻尼。该过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于变化的并且经常是快速变化的气体流量要求方面是缓慢的。具有相对高惯性叶轮的单级离心式鼓风机的该特征性地缓慢的响应可需要更复杂的控制系统以令人满意地响应于在气体流量需求方面的波动。
利用离心式鼓风机系统驱动集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统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：低惯性叶轮(由于控制)以及低驱动马达rpm和功率消耗。将如本文中所描述的互连的一系列鼓风机例如离心式鼓风机系统中的一个或多个鼓风机单元控制成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。将向集成的CPOX重整器-燃料电池系统中提供目标气体流量和压力的任务在至少两个如通过两级离心式鼓风机系统402和473示例的集成的即互连的离心式鼓风机之间分流(分摊)的结果导致与用单级离心式鼓风机单元所可能的相比，以更少的时间和以更高的精度达到这样的流量和压力。另外，功率消耗和噪声水平在离心式鼓风机系统中可为低的，因为鼓风机叶轮无需高的rpm来用于它们的操作。
如图4L和4M中所示，离心式鼓风机系统402(其描述适用于离心式鼓风机系统473)包括：第一级离心式鼓风机单元486，其通过管道488连接至第二级离心式鼓风机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4L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。第二级鼓风机单元进一步包括径向出口498和出口气体物流壳499，其排出端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401的导管404)的一端。
图4L和4M中的箭头表示通过构成离心式鼓风机系统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4L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不是与它们各自的出口平行，而是与其成相同的角度。通过将管道488的几何结构布置成将通过出口491排出的环境空气物流以所述物流保持近似地平行于所述管道的内壁这样的方式接收，防止或减少否则在所述物流撞击这些壁时将发生的湍流可为可能的。湍流可有利地被最少化或者避免以将作为离心式鼓风机系统中的背压来源的它减少或消除。出于该相同的原因，将气体物流壳499的角度布置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。相对于其气体物流的轨迹以及气体物流壳的偏斜角度而言管道的内壁的最优几何结构可采用惯常的实验针对给定的离心式鼓风机系统容易地确定。在离心式鼓风机系统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。
作为本教导另外的实施方式，图5A的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统500、图5B的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统520、图5C的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统540和图5D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统560包括图4A-4D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400的大部分元件和特征并且以与图4A-4D的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统400基本上相同的方式操作并且因此将仅在它们与后者的差异的某些的方面进行描述。
在图5A中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统500中，平面型燃料电池段501包括离心式鼓风机系统502，其将空气既引入至所述燃料电池的阴极侧又引入至后燃烧器503以支持废气在其中的燃烧。离心式鼓风机系统504将空气引入到气态燃料CPOX重整器段506的导管505中，所述空气在下游与气态可重整燃料例如丙烷组合以提供气态CPOX反应混合物。所述气态CPOX反应混合物然后可在CPOX反应器单元507内进行向富含氢气的重整物的转化，所述富含氢气的重整物随后流动至所述燃料电池的阳极(流体)侧。在其结构的以及其操作模式中的其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统500很像图4A的集成的重整器-燃料电池系统400的。
图5B中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统520由于将各管式CPOX反应器单元523的长度的一部分设置在对应的封闭末端的管式SOFC单元524内而有具其重整器段521和燃料电池段522的尤其紧凑的构型，这样的布置呈现出在所述CPOX反应器单元的外表面和所述SOFC单元的内部或阳极表面之间的气流通道525。从所述CPOX反应器单元流出的富含氢气的重整物进入通道525，在通道525中其接触所述管式SOFC单元的阳极表面。在其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统520的结构和操作与图5A的系统500的类似。
图5C中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统540包括耦接至重整器段542的整体式燃料电池段541，其与图4A的系统400的类似。集成的重整器-燃料电池系统540的操作与图5A的系统500的类似。
图5D中所示的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统560包括PEM型燃料电池段561和重整器段562，其中将在重整器段中制造的富含氢气的重整物的一氧化碳含量通过一氧化碳减少用或类似装置563减少至有益于所述燃料电池的可靠操作的水平例如减少至低到足以避免PEM催化剂的任何可感知的中毒的水平。在其它方面中，集成的重整器-燃料电池系统560的操作与图4A的系统400的类似。
图6A呈现展现丙烷-空气CPOX反应混合物的氧(O)对碳(C)摩尔比和CPOX反应温度之间的关系的图形数据。如该数据显示，当CPOX反应混合物的O对C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催化剂的快速加热以及因此，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的到稳态操作的时间。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摩尔比。O对C摩尔比降低使催化剂温度下降并且可使得能够处理更多的燃料，而不失去CPOX反应器单元的热控制。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的流继续最高达约15-20秒左右。这样的关停程序可容许将可包含于导管或者在燃料控制阀和将燃料引入到导管中的场所之间的燃料管线段内的燃料从所述重整器除去。该控制特性可被多种重整器部件(包括在具体重整器设计中使用的特定的控制器单元部件)所影响。
在理解改变O对C摩尔比可导致重整物的品质和/或组成的变化的情况下，可在操作期间控制燃料-空气CPOX反应混合物的O对C摩尔比以定制其输出热条件。当CPOX温度增加至高于约650℃时，存在从贫燃料偏移到富燃料的O对C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，不同的气态燃料可改变CPOX温度，这取决于重整反应的效率。
图6B呈现显示去往根据本教导的集成的CPOX重整器-燃料电池系统的去往重整器段的丙烷燃料流量(mL/分钟)和来自所述集成系统的燃料电池段的电流输出(安培)的关系的图形数据。
本领域技术人员在考虑本文中所述的集成的气态燃料CPOX重整器-燃料电池系统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气态可重整燃料转化和电功率输出本领、结构特性、和机械性质的具体的集成的CPOX重整器-燃料电池系统的设计。
本教导涵盖以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被认为是说明性的而不是对本文中描述的教导进行限制。本发明的范围因此由所附权利要求而不是前述描述所指示，并且进入到权利要求的等同的含义和范围内的所有变化都意图被包含在其中。

Claims (13)

1.集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统，所述集成系统包括：
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，所述开放的气流通道为从所述CPOX反应器单元的入口延伸到出口的中空钻孔，
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，和
如下的至少一种的CPOX催化剂：(i)设置在所述透气性壁的至少一段的结构体内和(ii)形成所述透气性壁的至少一段的结构体，
与至少一个CPOX反应器单元的CPOX催化剂热连通的点火器；
包括阳极、阴极、和设置在其间的电解质的燃料电池单元，其中所述阳极与所述CPOX反应器单元的出口流体连通并且所述阴极与包含氧气的气体流体连通；和
与所述燃料电池单元的阳极和阴极电耦接的集流体。
2.权利要求1的集成系统，其进一步包括与CPOX反应器单元的至少所述包含CPOX催化剂的壁段的外表面结合的氢气阻挡物。
3.权利要求1或2的集成系统，其中相邻CPOX反应器单元之间的最大距离为那样的距离：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CPOX反应器单元中引发CPOX反应和/或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；并且相邻CPOX反应器单元之间的最小距离为那样的距离：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。
4.权利要求3的集成系统，其中所述预定的最高温度为与CPOX反应器单元的出口热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2的集成系统，其中所述氢气阻挡物包括加压流体。
6.权利要求1或2任一项的集成系统，其包括超过一个点火器，其中各点火器安置成与至少一个CPOX反应器单元的CPOX催化剂热连通。
7.权利要求1、2或4任一项的集成系统，其中所述燃料电池包括管式固体氧化物燃料电池单元的阵列并且CPOX反应器单元的出口直接连接至所述燃料电池单元的入口，其中所述燃料电池单元的入口与所述燃料电池单元的阳极流体连通。
8.权利要求1、2或4任一项的集成系统，其包括与燃料电池单元的出口流体连通的后燃烧器。
9.采用权利要求1的集成的气态燃料CPOX重整器和燃料电池系统将气态可重整燃料CPOX重整为富含氢气的重整物和将富含氢气的重整物电化学转化为电力的方法，所述方法包括：
将包括气态可重整燃料的气态CPOX反应混合物引入到所述CPOX反应器单元的入口中；
通过点火器在至少一个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；
维持所述至少一个CPOX反应器单元中的气态CPOX反应混合物的催化部分氧化，所述至少一个CPOX反应器单元的透气性的包含CPOX催化剂的壁段容许气态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
在燃料电池单元内将所述富含氢气的重整物转化为电力。
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含CPOX催化剂的壁段的外表面结合。
11.权利要求9或10的方法，其中相邻CPOX反应器单元之间的最大距离为那样的距离：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CPOX反应器单元之间的最小距离为那样的距离：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。
12.权利要求9或10任一项的方法，其中引发CPOX包括：
在一个CPOX反应器单元中引发CPOX反应；和
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。
13.权利要求9或10任一项的方法，其中引发CPOX包括引发超过单个点火器以在所述CPOX反应器单元的每一个中引发气态CPOX反应混合物的CPOX，
其中点火器的数量小于CPOX反应器单元的数量。
CN201480061128.7A 2013-11-06 2014-11-06 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法 Active CN105706283B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361900552P 2013-11-06 2013-11-06
US61/900,552 2013-11-06
PCT/US2014/064252 WO2015069842A2 (en) 2013-11-06 2014-11-06 Integrated gaseous fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105706283A CN105706283A (zh) 2016-06-22
CN105706283B true CN105706283B (zh) 2018-11-06

Family

ID=51982784

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480061128.7A Active CN105706283B (zh) 2013-11-06 2014-11-06 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9627701B2 (zh)
EP (1) EP3065857B1 (zh)
JP (1) JP6549601B2 (zh)
KR (1) KR101891544B1 (zh)
CN (1) CN105706283B (zh)
AU (1) AU2014346747B2 (zh)
CA (1) CA2929886C (zh)
MX (2) MX2016004622A (zh)
WO (1) WO2015069842A2 (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3065854A2 (en) * 2013-11-06 2016-09-14 Watt Fuel Cell Corp. Reformer with perovskite as structural component thereof
US20150171458A1 (en) * 2013-12-18 2015-06-18 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd. Fuel cell module, fuel cell, manufacturing method of fuel cell module, and method for supplying oxidant to fuel cell module
CN107534170A (zh) * 2015-04-21 2018-01-02 埃克森美孚研究工程公司 用于多个燃料电池堆的壳体
KR101679971B1 (ko) * 2015-05-14 2016-11-25 현대자동차주식회사 연료전지시스템의 공기공급계 고장진단장치 및 그 고장진단방법
WO2017069791A1 (en) * 2015-10-20 2017-04-27 Protonex Technology Corporation Improved cpox fuel peformer and sofc system
US10340534B2 (en) * 2016-11-02 2019-07-02 Lg Fuel Cell Systems Inc. Revised fuel cell cycle for in block reforming fuel cells
US10651487B2 (en) 2017-11-20 2020-05-12 Industrial Technology Research Institute Modular apparatus of fuel cell system
CN109962261A (zh) * 2017-12-14 2019-07-02 中国科学院大连化学物理研究所 一种固体氧化物燃料电池发电系统
JP7340532B2 (ja) * 2018-02-28 2023-09-07 アップスタート パワー インク Ｃｐｏｘ原子炉制御システムおよび方法
US11958047B2 (en) 2018-06-29 2024-04-16 Shell Usa, Inc. Electrically heated reactor and a process for gas conversions using said reactor
WO2020047036A1 (en) 2018-08-29 2020-03-05 Watt Fuel Cell Corp. Thermally insulated housing for a heat-producing, heat-radiating device
EP3844832A4 (en) 2018-08-30 2022-07-06 Watt Fuel Cell Corp. CONTAINER FOR A REFORMING DEVICE AND A FUEL CELL SYSTEM
CN111969229B (zh) * 2019-01-07 2021-08-31 中氢新能技术有限公司 一种甲醇燃料电池的排气阀角度的控制系统
CN109840593B (zh) * 2019-01-28 2023-09-05 华中科技大学鄂州工业技术研究院 诊断固体氧化物燃料电池系统故障的方法及设备
CN110364755B (zh) * 2019-07-23 2022-01-18 山西中谱能源科技有限公司 化学链部分氧化重整变换直接耦合燃料电池发电系统
JP7320321B2 (ja) * 2019-08-29 2023-08-03 ワット・フューエル・セル・コーポレイション ガス相発熱反応開始用点火器付き多管状化学反応器
KR102435378B1 (ko) * 2020-08-21 2022-08-22 조선대학교산학협력단 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템
CN112892460B (zh) * 2020-12-25 2022-02-01 宁波申江科技股份有限公司 一种自供热的甲醇重整制氢反应器
US20240093942A1 (en) * 2021-02-10 2024-03-21 Shell Oil Company An electrically heated apparatus
WO2023196048A1 (en) 2022-04-05 2023-10-12 Watt Fuel Cell Corp. Airflow control housing
WO2023219664A1 (en) 2022-05-11 2023-11-16 Watt Fuel Cell Corp. Blower and air filter assembly
WO2023219665A1 (en) 2022-05-11 2023-11-16 Watt Fuel Cell Corp. Blower filter assembly
CN115057411B (zh) * 2022-08-04 2022-11-08 江苏铧德氢能源科技有限公司 一种制氢装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1655865A (zh) * 2002-05-24 2005-08-17 Bp北美公司 包含氧传输膜和催化剂的膜体系

Family Cites Families (200)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2945077A (en) 1955-12-01 1960-07-12 Phillips Petroleum Co Process and apparatus for pressure and temperature control system
US3518284A (en) 1967-02-20 1970-06-30 Shell Oil Co Partial oxidation of organic compounds
US3560167A (en) 1968-12-18 1971-02-02 Air Prod & Chem Upflow catalytic reactor for fluid hydrocarbons
GB1314984A (en) 1969-08-21 1973-04-26 Chemical Construction Corp Process for recovering and using waste heat in the steam reforming
US4588659A (en) 1984-12-11 1986-05-13 Energy Research Corporation Fuel vaporizer
GB2177318B (en) 1985-07-02 1989-01-18 Shell Int Research Catalytic conversion of gas or liquid in a multitube reactor
GB8721964D0 (en) 1987-09-18 1987-10-28 Shell Int Research Multitube reactor
US5149516A (en) 1990-10-15 1992-09-22 Mobil Oil Corp. Partial oxidation of methane over perovskite catalyst
DE9116447U1 (zh) 1991-03-16 1992-10-08 Kiekert Gmbh & Co Kg, 5628 Heiligenhaus, De
JPH05186203A (ja) * 1992-01-07 1993-07-27 Toshiba Corp 水蒸気改質用触媒エレメント
FR2696109B1 (fr) 1992-09-28 1994-11-04 Inst Francais Du Petrole Catalyseur d'oxydation et procédé d'oxydation partielle du méthane.
JP3512186B2 (ja) 1993-03-19 2004-03-29 イー・アイ・デユポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 化学処理及び製造のための一体構造及び方法、並びにその使用方法及び製造方法
US5648582A (en) 1993-08-20 1997-07-15 Regents Of The University Of Minnesota Stable, ultra-low residence time partial oxidation
TW299345B (zh) 1994-02-18 1997-03-01 Westinghouse Electric Corp
CA2144201C (en) 1994-03-17 1999-05-25 Charles A. Maher, Jr. Electronic control system for a heating apparatus
JPH0812303A (ja) * 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
US5573737A (en) 1994-09-27 1996-11-12 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Functionally gradient material for membrane reactors to convert methane gas into value-added products
US6245303B1 (en) 1998-01-14 2001-06-12 Arthur D. Little, Inc. Reactor for producing hydrogen from hydrocarbon fuels
US6033793A (en) 1996-11-01 2000-03-07 Hydrogen Burner Technology, Inc. Integrated power module
US5846641A (en) * 1997-03-20 1998-12-08 Exxon Research And Engineering Company Multi-layer membrane composites and their use in hydrocarbon partical oxidation
US5980840A (en) * 1997-04-25 1999-11-09 Bp Amoco Corporation Autothermic reactor and process using oxygen ion--conducting dense ceramic membrane
JPH1179703A (ja) 1997-09-04 1999-03-23 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用改質装置
GB9720353D0 (en) 1997-09-25 1997-11-26 Johnson Matthey Plc Hydrogen purification
AU730602B2 (en) 1997-10-01 2001-03-08 Acumentrics Corporation Integrated solid oxide fuel cell and reformer
AR017317A1 (es) 1997-10-14 2001-09-05 Shell Int Research Proceso de oxidacion parcial catalitica, un metodo y disposicion para generar energia electrica por medio de dicho proceso, y medio de transporteprovisto con dicha disposicion
JPH11130405A (ja) 1997-10-28 1999-05-18 Ngk Insulators Ltd 改質反応装置、触媒装置、それらに用いる発熱・触媒体、及び改質反応装置の運転方法
JPH11139802A (ja) 1997-11-04 1999-05-25 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用改質装置
DE19806810A1 (de) 1998-02-18 1999-08-19 Deggendorfer Werft Eisenbau Röhrenreaktor für katalytische Reaktionen
JP2000007301A (ja) 1998-06-29 2000-01-11 Ngk Insulators Ltd 改質反応装置
CN1307539A (zh) 1998-06-30 2001-08-08 国际壳牌研究有限公司 采用两种催化活性金属的催化部分氧化
US6379586B1 (en) 1998-10-20 2002-04-30 The Boc Group, Inc. Hydrocarbon partial oxidation process
US6296814B1 (en) 1998-11-10 2001-10-02 International Fuel Cells, L.L.C. Hydrocarbon fuel gas reformer assembly for a fuel cell power plant
DE10007303B4 (de) 1999-02-23 2008-11-27 Witte-Velbert Gmbh & Co. Kg Befestigungsvorrichtung für Sitze, Sitzbänke oder dergleichen am Boden eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen
JP2000247603A (ja) 1999-03-03 2000-09-12 Toyota Motor Corp 炭化水素系燃料の改質器
JP4355047B2 (ja) 1999-04-05 2009-10-28 石油資源開発株式会社 リホーミング用触媒およびこれを用いた合成ガスの製法
US6641625B1 (en) 1999-05-03 2003-11-04 Nuvera Fuel Cells, Inc. Integrated hydrocarbon reforming system and controls
JP3508094B2 (ja) 1999-06-15 2004-03-22 本田技研工業株式会社 燃料電池システムにおける液体燃料の蒸発制御方法
US6488907B1 (en) 1999-07-30 2002-12-03 Conoco Inc. Catalytic partial oxidation processes and catalysts with diffusion barrier coating
US6402989B1 (en) 1999-07-30 2002-06-11 Conoco Inc. Catalytic partial oxidation process and promoted nickel based catalysts supported on magnesium oxide
US6488838B1 (en) 1999-08-17 2002-12-03 Battelle Memorial Institute Chemical reactor and method for gas phase reactant catalytic reactions
US6383670B1 (en) 1999-10-06 2002-05-07 Idatech, Llc System and method for controlling the operation of a fuel processing system
US6497970B1 (en) 1999-10-15 2002-12-24 General Motors Corporation Controlled air injection for a fuel cell system
US6409940B1 (en) 1999-10-18 2002-06-25 Conoco Inc. Nickel-rhodium based catalysts and process for preparing synthesis gas
CA2317992A1 (en) 1999-11-08 2001-05-08 General Motors Corporation Down-sized water-gas-shift reactor
KR100758942B1 (ko) 1999-12-28 2007-09-14 다이킨 고교 가부시키가이샤 부분산화 개질장치
US6465118B1 (en) 2000-01-03 2002-10-15 Idatech, Llc System and method for recovering thermal energy from a fuel processing system
US6458334B1 (en) 2000-03-02 2002-10-01 The Boc Group, Inc. Catalytic partial oxidation of hydrocarbons
JP3678118B2 (ja) 2000-06-01 2005-08-03 日産自動車株式会社 燃料改質システム
US6869456B2 (en) 2000-06-27 2005-03-22 Delphi Technologies, Inc. Method for starting a fast light-off catalytic fuel reformer
US6887436B1 (en) 2000-06-27 2005-05-03 Delphi Technologies, Inc. Fast light-off catalytic reformer
WO2002005363A2 (en) 2000-07-10 2002-01-17 Global Thermoelectric Inc. Integrated module for solid oxide fuel cell systems
US6521204B1 (en) 2000-07-27 2003-02-18 General Motors Corporation Method for operating a combination partial oxidation and steam reforming fuel processor
US7048897B1 (en) 2000-08-28 2006-05-23 Motorola, Inc. Hydrogen generator utilizing ceramic technology
DE10046692C2 (de) 2000-09-21 2003-09-18 Ballard Power Systems Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit
JP3874334B2 (ja) 2000-10-13 2007-01-31 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4728475B2 (ja) 2000-11-06 2011-07-20 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4130302B2 (ja) 2000-12-22 2008-08-06 本田技研工業株式会社 燃料電池用燃料ガス生成装置
JP2002220202A (ja) * 2001-01-23 2002-08-09 Kansai Coke & Chem Co Ltd 水素の製造法
US7294421B2 (en) 2001-02-07 2007-11-13 Delphi Technologies, Inc. Solid oxide auxiliary power unit reformate control
US6656623B2 (en) 2001-02-15 2003-12-02 Siemens Westinghouse Power Corporation Low-cost atmospheric SOFC power generation system
US7192458B1 (en) 2001-03-22 2007-03-20 Hyradix Incorporated Process, control system and apparatus for the distribution of air in a fuel cell/fuel processor system
US6833126B2 (en) * 2001-03-30 2004-12-21 Industries Co., Ltd. Method and apparatus for reforming fuel
KR100908867B1 (ko) 2001-04-26 2009-07-22 텍사코 디벨롭먼트 코포레이션 단일 챔버 콤팩트 연료 처리장치
US20020160239A1 (en) 2001-04-27 2002-10-31 Plug Power Inc. Integrated high temperature PEM fuel cell system
US20020179887A1 (en) 2001-05-01 2002-12-05 Yongxian Zeng Supported perovskite-type oxides and methods for preparation thereof
JP4713758B2 (ja) 2001-05-01 2011-06-29 本田技研工業株式会社 燃料電池発電システム及びその運転方法
JP4045755B2 (ja) 2001-05-23 2008-02-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム
DE60210483T2 (de) * 2001-06-04 2007-05-03 Acumentrics Corp., Westwood Horizontal angeordnete, rohrförmige festoxidbrennstoffzellensysteme, und verfahren
JP2003081603A (ja) 2001-07-04 2003-03-19 Hitachi Ltd 水素製造装置及びそれを用いた発電システム
US6872379B2 (en) 2001-08-15 2005-03-29 Sulzer Hexis Ag Method for the reformation of fuels, in particular heating oil
US20030054215A1 (en) 2001-09-20 2003-03-20 Honeywell International, Inc. Compact integrated solid oxide fuel cell system
US6635372B2 (en) 2001-10-01 2003-10-21 General Motors Corporation Method of delivering fuel and air to a fuel cell system
US6887456B2 (en) 2001-10-05 2005-05-03 Conocophillips Company Catalyst system for enhanced flow syngas production
JP3826770B2 (ja) 2001-11-16 2006-09-27 日産自動車株式会社 燃料改質システム
JP2003160301A (ja) 2001-11-22 2003-06-03 Mitsubishi Electric Corp 改質器
KR100596191B1 (ko) 2002-03-15 2006-07-06 마츠시다 덴코 가부시키가이샤 개질장치 및 그 운전방법
KR100525668B1 (ko) 2002-03-26 2005-11-02 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 연료 전지 시스템
JP2003306307A (ja) 2002-04-09 2003-10-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置
US6833536B2 (en) 2002-05-22 2004-12-21 Applera Corporation Non-contact radiant heating and temperature sensing device for a chemical reaction chamber
JP4178830B2 (ja) 2002-05-08 2008-11-12 日産自動車株式会社 燃料改質システム
US7001867B2 (en) 2002-05-21 2006-02-21 Conocophillips Company Rare earth aluminates and gallates supported rhodium catalysts for catalytic partial oxidation of hydrocarbons
US6881508B2 (en) 2002-05-30 2005-04-19 Plug Power, Inc. Apparatus and method for controlling a fuel cell system
US7037349B2 (en) 2002-06-24 2006-05-02 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for fuel/air preparation in a fuel cell
US20030234455A1 (en) 2002-06-24 2003-12-25 Mieney Harry R. Non-contacting fuel vaporizer
US6921596B2 (en) 2002-06-24 2005-07-26 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell system having an integrated reformer and waste energy recovery system
US7490580B2 (en) 2002-07-11 2009-02-17 Honda Motor Co., Ltd. Vaporizer that vaporizes a liquid to generate vapor
DE10231883B4 (de) 2002-07-12 2008-01-17 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Verdampferanordnung, insbesondere zur Erzeugung eines in einem Reformer zur Wasserstoffgewinnung zersetzbaren Kohlenwasserstoff/Mischmaterial-Gemisches
US6790431B2 (en) 2002-07-16 2004-09-14 Conocophillips Company Reactor for temperature moderation
US7097787B2 (en) 2002-07-19 2006-08-29 Conocophillips Company Utilization of micro-channel gas distributor to distribute unreacted feed gas into reactors
US20040077496A1 (en) 2002-07-26 2004-04-22 Shizhong Zhao Catalyst
US7118717B2 (en) 2002-09-06 2006-10-10 Engelhard Corporation Simplified article for carbon monoxide removal
US7232352B2 (en) 2002-09-10 2007-06-19 Deborah Kutny Splaine Paddle hand grips and method for making and using same
US7404936B2 (en) 2002-10-22 2008-07-29 Velocys Catalysts, in microchannel apparatus, and reactions using same
AU2003286894A1 (en) 2002-11-05 2004-06-07 Millennium Cell, Inc. Hydrogen generator
US7888278B2 (en) 2002-11-11 2011-02-15 Conocophillips Company Stabilized alumina supports, catalysts made therefrom, and their use in partial oxidation
US7090826B2 (en) 2002-12-23 2006-08-15 The Boc Group, Inc. Monolith based catalytic partial oxidation process for syngas production
FR2850372B1 (fr) 2003-01-23 2006-06-09 Inst Francais Du Petrole Nouveau reacteur d'oxydation partielle
US20040144030A1 (en) 2003-01-23 2004-07-29 Smaling Rudolf M. Torch ignited partial oxidation fuel reformer and method of operating the same
JP4369685B2 (ja) * 2003-02-25 2009-11-25 京セラ株式会社 燃料電池の運転方法
JP3873171B2 (ja) 2003-03-25 2007-01-24 カシオ計算機株式会社 改質装置及び発電システム
DE10317451A1 (de) 2003-04-16 2004-11-18 Degussa Ag Reaktor für heterogen katalysierte Reaktionen
JP2004342413A (ja) 2003-05-14 2004-12-02 Toshiba Corp 燃料電池システム
US20050028445A1 (en) 2003-07-31 2005-02-10 Subir Roychoudhury Method and system for catalytic gasification of liquid fuels
US6998187B2 (en) 2003-08-07 2006-02-14 Nanodynamics, Inc. Solid oxide fuel cells with novel internal geometry
ITMI20031739A1 (it) 2003-09-11 2005-03-12 Enitecnologie Spa Procedimento di ossidazione parziale catalitica per
KR100558970B1 (ko) 2003-09-26 2006-03-10 한국에너지기술연구원 자체 기동 기능이 있는 콤팩트형 부분산화반응 공정
US20050081444A1 (en) * 2003-10-17 2005-04-21 General Electric Company Catalytic partial oxidation processor with heat exchanger for converting hydrocarbon fuels to syngas for use in fuel cells and method
US7285247B2 (en) 2003-10-24 2007-10-23 Arvin Technologies, Inc. Apparatus and method for operating a fuel reformer so as to purge soot therefrom
UA83400C2 (uk) 2003-12-02 2008-07-10 Нанодайнемікс, Інк. Твердооксидні паливні елементи з керметним електролітом та спосіб їх одержання
DE10359205B4 (de) 2003-12-17 2007-09-06 Webasto Ag Reformer und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat
CN1636860B (zh) 2003-12-26 2011-04-20 松下电器产业株式会社 氢生成装置和使用该装置的燃料电池系统
US20050142049A1 (en) 2003-12-31 2005-06-30 Amsden Jeffrey M. Multi-tubular reactors with monolithic catalysts
JP4464692B2 (ja) 2004-01-19 2010-05-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US7422810B2 (en) 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
US7517372B2 (en) * 2004-02-26 2009-04-14 General Motors Corporation Integrated fuel processor subsystem with quasi-autothermal reforming
KR100570754B1 (ko) 2004-02-26 2006-04-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
DE102004010014B4 (de) 2004-03-01 2011-01-05 Enerday Gmbh Reformer und Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat
US8277524B2 (en) 2004-03-16 2012-10-02 Delphi Technologies, Inc. Reformer start-up strategy for use in a solid oxide fuel cell control system
US7364812B2 (en) 2004-03-19 2008-04-29 Pittsburgh Electric Engines, Inc. Multi-function solid oxide fuel cell bundle and method of making the same
KR100589408B1 (ko) 2004-04-29 2006-06-14 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템
US7335432B2 (en) 2004-04-30 2008-02-26 Motorola, Inc. Solid oxide fuel cell portable power source
US7415312B2 (en) 2004-05-25 2008-08-19 Barnett Jr James R Process module tuning
KR101126201B1 (ko) 2004-06-23 2012-03-28 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100627334B1 (ko) 2004-06-29 2006-09-25 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
US7261751B2 (en) * 2004-08-06 2007-08-28 Conocophillips Company Synthesis gas process comprising partial oxidation using controlled and optimized temperature profile
US7585810B2 (en) 2004-09-01 2009-09-08 Umicore Ag & Co. Kg Method for partial oxidation of hydrocarbons, catalyst member therefor and method of manufacture
US20060051634A1 (en) 2004-09-09 2006-03-09 Genesis Fueltech, Inc. Power controller for fuel cell
CN101023024A (zh) 2004-09-20 2007-08-22 国际壳牌研究有限公司 液态烃质燃料的催化部分氧化方法
ITMI20041860A1 (it) 2004-09-30 2004-12-30 Eni Spa Apparecchiatura per nebulizzare una corrente liquida con una corrente disperdente gassosa e miscelare il prodotto nebulizzato con un'ulteriore corrente gassosa adatta in apparecchiature per effettuare ossidazioni parziali catalitiche e relativo proce
US7416760B2 (en) * 2004-11-30 2008-08-26 Corning Incorporated Method of making a fuel cell device assembly and frame
US8062991B2 (en) 2004-12-22 2011-11-22 General Electric Company Catalyst system and method for the reduction of NOx
JP4767543B2 (ja) 2005-01-07 2011-09-07 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 固体酸化物形燃料電池システムの起動方法
JP5100008B2 (ja) 2005-01-18 2012-12-19 セイコーインスツル株式会社 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
WO2006080187A1 (ja) * 2005-01-31 2006-08-03 Isuzu Motors Limited 排気ガス浄化装置の昇温方法及び排気ガス浄化システム
US7514387B2 (en) 2005-02-15 2009-04-07 Umicore Ag & Co. Kg Reformer and method of making the same
US7947407B2 (en) 2005-04-27 2011-05-24 Lilliputian Systems, Inc. Fuel cell apparatus having a small package size
JP4726200B2 (ja) 2005-05-23 2011-07-20 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
WO2006127889A2 (en) * 2005-05-25 2006-11-30 Velocys Inc. Support for use in microchannel processing
KR100669393B1 (ko) 2005-07-22 2007-01-16 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템용 개질기 촉매, 그를 포함하는 연료 전지시스템용 개질기 및 연료 전지 시스템
US7858214B2 (en) 2005-09-21 2010-12-28 Delphi Technologies, Inc. Method and apparatus for light internal reforming in a solid oxide fuel cell system
JP4551852B2 (ja) 2005-09-28 2010-09-29 株式会社クボタ 多気筒エンジン
US20070104641A1 (en) 2005-11-08 2007-05-10 Ahmed M M Method of controlling oxygen addition to a steam methane reformer
US7691160B2 (en) * 2005-11-17 2010-04-06 Delphi Technologies, Inc. Fuel reformer and methods for using the same
US8696771B2 (en) * 2005-12-16 2014-04-15 Battelle Memorial Institute Compact integrated combustion reactors, systems and methods of conducting integrated combustion reactions
JP4839821B2 (ja) 2005-12-19 2011-12-21 カシオ計算機株式会社 電源システム、電源システムの制御装置及び電源システムの制御方法
US20070183949A1 (en) 2006-02-08 2007-08-09 Fischer Bernhard A Hydrocarbon reformer system including a pleated static mixer
JP2007260618A (ja) * 2006-03-29 2007-10-11 Toyota Motor Corp 排ガス浄化触媒及び排ガス浄化装置
JP5154030B2 (ja) 2006-05-18 2013-02-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
DE102006025664B4 (de) 2006-06-01 2018-03-08 Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases
US20070292342A1 (en) * 2006-06-19 2007-12-20 John William Hemmings Synthesis gas production method and reactor
US7686856B2 (en) 2006-06-19 2010-03-30 Praxair Technology, Inc. Method and apparatus for producing synthesis gas
JP4805735B2 (ja) * 2006-06-29 2011-11-02 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池
US20080187797A1 (en) 2006-07-10 2008-08-07 Protonex Technology Corporation Fuel processor for fuel cell systems
US20080169449A1 (en) 2006-09-08 2008-07-17 Eltron Research Inc. Catalytic membrane reactor and method for production of synthesis gas
EP2059475A1 (en) 2006-10-31 2009-05-20 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for the production of hydrogen
US7736399B2 (en) 2006-11-07 2010-06-15 Delphi Technologies, Inc. Electrically-heated metal vaporizer for fuel/air preparation in a hydrocarbon reformer assembly
US20080138273A1 (en) 2006-12-11 2008-06-12 Yi Jiang Wall flow reactor for hydrogen production
US20080152970A1 (en) 2006-12-22 2008-06-26 Rush Kenneth M Minimizing coke formation in a reformer
JP5064830B2 (ja) 2007-02-16 2012-10-31 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 改質器システム、燃料電池システム、及びその運転方法
US8557460B2 (en) 2007-04-13 2013-10-15 Cool Flame Technologies As Hydrogen system and method for starting up a hydrogen system
US8323365B2 (en) 2007-05-22 2012-12-04 Praxair Technology, Inc. Dual mode reactor SMR integration
JP2008296141A (ja) * 2007-05-31 2008-12-11 Ngk Insulators Ltd ハニカムフィルタ
US7846599B2 (en) 2007-06-04 2010-12-07 Bloom Energy Corporation Method for high temperature fuel cell system start up and shutdown
US8920997B2 (en) 2007-07-26 2014-12-30 Bloom Energy Corporation Hybrid fuel heat exchanger—pre-reformer in SOFC systems
US20120164547A1 (en) 2007-07-26 2012-06-28 Bloom Energy Corporation CPOX Reactor Design for Liquid Fuel and Liquid Water
JP5214190B2 (ja) 2007-08-01 2013-06-19 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
KR100971745B1 (ko) 2007-10-30 2010-07-21 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 운전방법
ITMI20072228A1 (it) 2007-11-23 2009-05-24 Eni Spa Procedimento per produrre gas di sintesi e idrogeno a partire da idrocarburi liquidi e gassosi
CN101990457A (zh) 2007-12-18 2011-03-23 陶氏技术投资有限公司 管式反应器
JP4882997B2 (ja) * 2007-12-19 2012-02-22 Ｔｄｋ株式会社 燃料改質モジュール及び水素発生装置
KR100971743B1 (ko) 2007-12-27 2010-07-21 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템용 개질기
US8337757B2 (en) 2008-02-07 2012-12-25 Precision Combustion, Inc. Reactor control method
WO2009105191A2 (en) 2008-02-19 2009-08-27 Bloom Energy Corporation Fuel cell system containing anode tail gas oxidizer and hybrid heat exchanger/reformer
US20090252661A1 (en) * 2008-04-07 2009-10-08 Subir Roychoudhury Fuel reformer
US8133463B1 (en) 2008-04-14 2012-03-13 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Pyrochlore-type catalysts for the reforming of hydrocarbon fuels
JP2009266541A (ja) 2008-04-24 2009-11-12 Nippon Oil Corp 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池システムの運転方法
JP2009292706A (ja) * 2008-06-09 2009-12-17 Tdk Corp 燃料改質モジュール及びその運転方法
US7976787B2 (en) 2008-08-20 2011-07-12 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell reformer
JP5227706B2 (ja) 2008-09-08 2013-07-03 本田技研工業株式会社 改質装置
TW201011966A (en) 2008-09-11 2010-03-16 Tatung Co Fuel cell system and operating method thereof
US8304122B2 (en) 2009-02-06 2012-11-06 Protonex Technology Corporation Solid oxide fuel cell systems with hot zones having improved reactant distribution
JP2010186675A (ja) * 2009-02-13 2010-08-26 Toto Ltd 燃料電池モジュール
US8557451B2 (en) 2009-04-10 2013-10-15 Protonex Technology Corporation Fuel processor for fuel cell systems
WO2010135632A2 (en) 2009-05-22 2010-11-25 Battelle Memorial Institute Integrated fuel processor and fuel cell system control method
US8617763B2 (en) * 2009-08-12 2013-12-31 Bloom Energy Corporation Internal reforming anode for solid oxide fuel cells
GB201000160D0 (en) * 2010-01-07 2010-02-24 Gas2 Ltd Apparatus for adiabatic methane conversion
US20110189578A1 (en) 2010-02-01 2011-08-04 Adaptive Materials, Inc. Fuel cell system including a resilient manifold interconnecting member
EP2556552B1 (en) * 2010-04-09 2019-03-13 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System having high-temperature fuel cells
DE102010042034A1 (de) 2010-10-06 2012-04-12 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
US20110269032A1 (en) 2010-12-10 2011-11-03 Delphi Technologies, Inc. Combustor for a fuel cell system
US8257669B2 (en) 2010-12-22 2012-09-04 Delphi Technologies, Inc. Multi-tube chemical reactor with tessellated heat transfer fins
NL2006245C2 (en) * 2011-02-18 2012-08-21 Stichting Energie MEMBRANE REACTOR AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF A GASEOUS PRODUCT WITH SUCH REACTOR.
GB201105571D0 (en) * 2011-04-01 2011-05-18 Gas2 Ltd High pressure gas to liquid process
US9017893B2 (en) 2011-06-24 2015-04-28 Watt Fuel Cell Corp. Fuel cell system with centrifugal blower system for providing a flow of gaseous medium thereto
US9452548B2 (en) 2011-09-01 2016-09-27 Watt Fuel Cell Corp. Process for producing tubular ceramic structures
US8652707B2 (en) 2011-09-01 2014-02-18 Watt Fuel Cell Corp. Process for producing tubular ceramic structures of non-circular cross section
JP5731357B2 (ja) * 2011-11-09 2015-06-10 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 固体酸化物形燃料電池システム及びその起動制御方法
DE102011088483A1 (de) 2011-12-14 2013-06-20 BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Haushaltsgerät und Verfahren
EP2607301A1 (de) * 2011-12-20 2013-06-26 Karl-Heinz Tetzlaff Vorrichtung und Verfahren zur Erdgasreformierung
US9774055B2 (en) * 2012-03-01 2017-09-26 Watt Fuel Cell Corp. Tubular solid oxide fuel cell assembly and fuel cell device incorporating same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1655865A (zh) * 2002-05-24 2005-08-17 Bp北美公司 包含氧传输膜和催化剂的膜体系

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017501556A (ja) 2017-01-12
KR20160082510A (ko) 2016-07-08
AU2014346747B2 (en) 2017-02-09
MX2019002416A (es) 2019-08-21
MX2016004622A (es) 2016-08-01
WO2015069842A4 (en) 2015-10-22
AU2014346747A1 (en) 2016-03-24
EP3065857B1 (en) 2022-06-08
CA2929886C (en) 2019-03-05
US20150125771A1 (en) 2015-05-07
CN105706283A (zh) 2016-06-22
JP6549601B2 (ja) 2019-07-24
US9627701B2 (en) 2017-04-18
KR101891544B1 (ko) 2018-08-24
EP3065857A2 (en) 2016-09-14
WO2015069842A3 (en) 2015-08-20
WO2015069842A2 (en) 2015-05-14
CA2929886A1 (en) 2015-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105706283B (zh) 集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
CN105705227B (zh) 液体燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法
CN105705226B (zh) 液体燃料催化部分氧化重整器和催化部分氧化重整方法
CN105706282B (zh) 气态燃料cpox重整器和cpox重整方法
US11254568B2 (en) Liquid fuel CPOX reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant