CN108069391B - 集成的重整器和纯化器 - Google Patents

Abstract

本文描述的某些配置包括在组合重整器和纯化器的热集成组件中的重整器，该重整器可操作用于在催化重整反应中从富氢原料中释放氢，其中氢纯化器能够有效地除去和纯化氢气。本文还描述了使用组合的重整器/纯化器的方法。

Description

集成的重整器和纯化器

技术领域

本文描述的某些配置涉及在组合重整器和纯化器的热集成组件中的重整器，重整器可操作用于在催化重整反应中从富氢原料中释放氢气，其中氢纯化器能够有效地除去和纯化氢气。本发明还公开了多腔重整组件，其可以例如包括用于供热的封闭腔燃烧器、催化剂床、甲烷化催化剂、备用加热器、点火源和氢可渗透膜纯化器。多腔重整组件还用作纯化器组件中的压缩板。

背景技术

氢可以通过许多不同的设备用作燃料源。氢通常从气体源或贮存器被引入到设备中。

发明内容

在一方面，组合的重整器和纯化器包括在一个实施例中被配置成形成多个腔的压缩构件，所述多个腔用于重整催化剂，用于利用单端腔的燃烧器或燃烧器气体，用于甲烷化催化剂，以及用于煮沸和预热进入的原料(燃料)，其中压缩构件与第二压缩构件组合在两个压缩构件之间压缩密封一个或多个氢可渗透膜。为进一步改善腔之间的传热，在某些配置中还设想提供由高导热材料制成的次级传热构件。在另一实施例中，金属块被配置成形成腔，所述腔用于重整催化剂，用于利用单端腔的燃烧器或燃烧器气体，用于甲烷化催化剂，用于煮沸和预热进入的原料(燃料)，以及用于一个或多个氢可渗透膜。在两个实施例中，热经由压缩构件或金属块在腔之间传递，从而形成紧凑的、热和机械集成的结构。本文所述的某些实施例提供了用于生产纯化氢的改进的设备，其可以例如在用于产生电力的燃料电池系统中消耗。通过利用用于燃烧器的封闭腔，该设备可以更紧凑和经济的方式制造。

在另一方面，提供了一种用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器。在某些实施例中，组合的重整器和纯化器包括催化剂，其有效地从所述富氢原料释放氢并形成富氢混合气体的催化剂；纯化器，其有效地接收所形成的富氢混合气体，并且提取包含在其中的一部分氢作为纯化氢，留下贫氢残液；燃烧器或氧化催化反应器，其被配置成氧化所述贫氢残液或所述富氢原料以向所述催化剂床供热；并且其中纯化器进一步包括定位在两个压缩板之间的至少一个氢可渗透膜，并且所述压缩板中的至少一个包括组件，所述组件包括包含所述催化剂的至少一个腔，以及有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的所述至少一个腔的至少一个腔。

在某些配置中，有效地将热从燃烧器或氧化催化反应器传递到包含催化剂的至少一个腔的至少一个腔包括所述燃烧器或氧化催化反应器的至少一部分，其中所述腔具有一个封闭端部。在其他配置中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个腔，并且所述纯化氢穿过包含所述甲烷化催化剂的至少一个腔，所述甲烷化催化剂有效地将一氧化碳转化为甲烷。在一些配置中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个具有邻近述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且所述压缩板或压缩板组件包括至少一个腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前对其进行预热。在其他情况下，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，以及热耦合到邻近所述膜的所述内表面的基本上平面的散热构件。在某些示例中，所述基本上平面的散热构件的面内热导率超过75W/m-K或超过200W/m-K。

在一些实施例中，组合的重整器和纯化器包括火花或热源，火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。在某些示例中，火花或热源至少部分地位于至少一个腔内，所述至少一个腔有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的至少一个腔。

在其他实施例中，组合的重整器和纯化器包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在所述相应的腔内。在一些情况下，组合的重整器和纯化器包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述甲烷化催化剂保持在包含所述甲烷化催化剂的至少一个腔中。

在某些示例中，组合的重整器和纯化器包括定位在所述压缩板或压缩板组件之间的至少一个压缩密封构件。在一些情况下，压缩板组件包括第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的至少第二构件，并且其中第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的所述至少第二构件接合或压缩在一起以形成整体式组件。

在另一方面，用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器包括有效地从所述富氢原料释放氢并形成富氢混合气体的催化剂，其中纯化器有效地接收富氢混合气体并提取在其中的一部分氢作为纯化氢，留下贫氢残液，并且纯化器包括至少一个氢可渗透膜和定位在两个压缩板之间的至少一个压缩密封件，其中所述压缩板中的至少一个为组件，所述组件包括包含有效地从所述富氢原料释放氢并形成富氢混合气体的催化剂的至少一个腔例如第一腔，围绕燃烧器或氧化催化反应器以氧化所述贫氢残液或所述富氢原料从而向包含所述催化剂的至少一个腔供热的至少一个腔例如第二腔，以及邻近所述膜的内表面和远离所述催化剂的外表面，并且所述压缩板具有至少一个附加腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前对其进行预热。

在某些实施例中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个附加腔，并且所述纯化氢穿过包含甲烷化催化剂的至少附加腔，所述甲烷化催化剂有效地将一氧化碳转化为甲烷。在一些示例中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且基本上平面的热扩散构件热耦合到邻近所述膜的所述内表面。在其他情况下，所述基本上平面的散热构件的面内热导率优选地超过75W/m-K，并且最优选地超过200W/m-K。

在某些示例中，组合设备包括火花或热源，火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。在其他示例中，组合设备包括至少一个微粒过滤器，微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在所述相应的腔内。在一些示例中，组合设备包括至少一个微粒过滤器，微粒过滤器有效地将所述甲烷化催化剂保持在包含所述甲烷化催化剂的至少一个腔中。在某些示例中，压缩板组件包括第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的至少第二构件，并且其中第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的所述至少第二构件接合或压缩在一起以形成整体式组件。

在附加方面，用于将一定体积的富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器包括，有效地从所述富氢原料释放氢并形成富氢混合气体的催化剂，其中纯化器有效地接收富氢混合气体并提取在其中的第一体积的氢作为基本上纯化的氢，留下第二体积的贫氢残液，并且其中纯化器进一步包括至少一个氢可渗透膜；组合的重整器和纯化器容纳在包括多个腔的热集成金属组件内，其中至少一个腔包括所述催化剂，至少一个腔包括所述纯化器，并且至少一个腔包括燃烧器或氧化催化反应器，以氧化所述第二体积的贫氢残液或所述体积的富氢原料，从而为所述至少一个腔供热。

在某些示例中，至少一个腔包含甲烷化催化剂，并且将所述第一体积的所述纯化氢提供至包含甲烷化催化剂的至少一个腔，甲烷化催化剂有效地将一氧化碳转化为甲烷。在其他示例中，散热构件热耦合到热集成金属组件。在一些实施例中，在至少一个平面轴中，热导率超过75W/m-K或超过200W/m-K。在一些示例中，组合的重整器和纯化器包括火花或热源，火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。在其他示例中，组合的重整器和纯化器包括至少一个颗粒过滤器。在一些实施例中，热集成金属组件由多于一个的金属构件组成，并且其中所述多个金属构件接合或压缩在一起以形成整体式热集成组件。

在另一方面，集成的重整器和纯化器组件被配置成在输入端口接收包含氢的不纯的原料气体，所述组件被配置成在组件内从不纯的原料气体中释放氢，并且在所述组件内纯化所释放的氢，以在所述组件的输出端口处提供纯化氢。

在某些实施例中，组件包括催化剂，其有效地从所述富氢原料中释放氢并形成富氢混合气体；纯化器，其有效地接收所形成的富氢混合气体，并且提取一部分氢作为纯化氢，留下贫氢残液；燃烧器或氧化催化反应器，其被配置成氧化所述贫氢残液或所述富氢原料以向所述催化剂床供热，其中所述纯化器进一步包括定位在两个压缩板之间的至少一个氢可渗透膜，并且所述压缩板中的至少一个包括组件，所述组件包括包含所述催化剂的至少一个腔和有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的所述至少一个腔的至少一个腔。

在其他实施例中，有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的至少一个腔的至少一个腔包括所述燃烧器或氧化催化反应器的至少一部分。在一些示例中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个腔，并且所述纯化氢穿过包含有效地将一氧化碳转化为甲烷的所述甲烷化催化剂的至少一个腔。在其他示例中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个具有邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且所述压缩板或压缩板组件包括至少一个腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前其进行预热。在一些实施例中，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，以及热耦合到邻近所述膜的所述内表面的基本上平面的散热构件。在附加示例中，所述基本上平面的散热构件的面内热导率优选地超过75W/m-K或超过200W/m-K。在其他配置中，组件包括火花或热源，火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。在一些示例中，火花或热源至少部分地位于至少一个腔内，所述至少一个腔有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的至少一个腔。在一些配置中，组件包括至少一个微粒过滤器，微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在所述相应的腔内。在其他配置中，组件包括定位在所述压缩板或压缩板组件之间的至少一个压缩密封构件。

在附加方面，具有用于将富氢原料转化为释放氢的催化剂的重整器包括具有包含所述催化剂的至少一个腔的金属体，以及有效地将热传递从燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的至少一个腔的至少一个腔，所述催化剂有效地从所述富氢原料释放氢并形成富氢混合气体，其中有效地传递来自燃烧器或氧化催化反应器的热的至少一个腔在一端对于气体的流动是封闭的；并且所述重整器进一步包括所述热金属主体的至少一个腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前对其进行预热。

在某些实施例中，重整器进一步包括氢纯化器，其中至少一个氢可渗透膜定位在两个压缩板之间用于产生基本上纯的氢，并且压缩板中的至少一个包括如上或本文所述的所述金属体。在其他情况下，所述压缩板中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个腔，并且所述基本上纯的氢穿过包含有效地将一氧化碳转化为甲烷的所述甲烷化催化剂的至少一个腔。在一些示例中，散热构件热耦合到所述金属体。在其他示例中，所述散热构件的热导率在至少一个平面中优选地超过75W/m-K，并且最优选地超过200W/m-K。在其他情况下，重整器可包括火花或热源，火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。在附加配置中，重整器可包括至少一个微粒过滤器，微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在所述相应的腔内。在其他情况下，如本文所述的具有甲烷化催化剂的组合的重整器和纯化器可进一步包括至少一个微粒过滤器，微粒过滤器有效地将所述甲烷化催化剂保持在包含所述甲烷化催化剂的至少一个腔中。在一些示例中，如本文所述的组合的重整器和纯化器进一步包括定位在所述压缩板之间的至少一个压缩密封构件。

本文还描述了附加方面、实施例和配置。

附图说明

从以下关于附图的详细描述中，某些说明性配置和实施例将变得更加显而易见，其中：

图1示出了包括催化剂腔、甲烷化腔、锅炉腔和备用加热器的集成的重整器和纯化器的横截面。

图2示出了包括燃烧器腔、锅炉和点火源的集成的重整器和纯化器的横截面。

图3示出了包括锅炉、催化剂和燃烧器腔的集成的重整器和纯化器的横截面。

图4详细地示出了类似于图3的横截面，其中多个部件用于形成组件。

具体实施方式

现在描述组合的重整器和纯化器的某些实施例。考虑到本公开的权益，本领域普通技术人员将认识到，所描述的实施例的替换、修改和变更在权利要求内是可能的并且由权利要求书包含。下面的某些配置是指纯化的氢。纯化的氢无需100％纯的并且可以例如包含至少大约95％或更多的氢，例如99％或更多的氢，或99.5％或更多的氢，或甚至99.9％或更多的氢。某些配置可提供期望的热导率测量，例如，基本上平面的散热构件的面内热导率优选地超过75W/m-K，并且最优选地超过200W/m-K。热导率可以使用许多测试来测量，包括，例如提交于2012年的ASTM D5470。

基于富氢原料的催化转化，随后进行氢纯化的重整器在本领域是公知的。例如，在US 6,348,278 B1中，示出了催化剂床，随后是氢纯化器，以从富氢气体中提取氢。这种氢纯化器通常利用钯合金诸如钯-铜或钯-银的膜，用于从离开催化剂床的混合富氢气体中分离氢。通常，重整器将利用燃烧器、催化剂床、纯化器和甲烷化催化剂床，燃烧器用于供热以用于预热燃料和为重整反应供热，纯化器用于分离和纯化氢，甲烷化催化剂床用于进一步纯化氢并将任何剩余的一氧化碳转化为甲烷。在一些情况下，重整器不利用纯化器，而是将稍微不纯的混合气体送到燃料电池用于发电。在这些情况下，燃料电池必须耐受微量的一氧化碳。

已经进行了一些尝试来构建紧凑型重整器，特别是对于非常小的应用。Kim等人在US 2007/0087235 A1中公开了一种微多层薄膜氢燃料电池系统，其包括具有重整催化剂的板和用于沸腾/预热燃料的板，以及用于燃烧燃料的板。在组件的中心存在用于发电的高温的、耐受CO的燃料电池，如所公开的，其必须在150℃至250℃的范围内操作。虽然这提供了紧凑型系统，但它将系统中的燃料类型和反应温度限制到排除使用钯基氢纯化膜的范围，并且需要使用特定类型的燃料电池。

这些缺点部分地由C.Krueger在US 7,182,917B2中解决，其中公开了一种用于在成对的交替连接的高压反应器室和低压反应器室的叠堆或阵列中生成纯氢的反应器/纯化器。在该发明中，在每个高压反应室的高压反应室内，洗涂有蒸汽重整催化剂的气体多孔湍流促进筛结构夹在平面的氢选择性钯合金膜与平面的不透气导热金属板之间；并且每个高压室中的催化剂涂覆的结构与大约200℃至650℃之间的蒸汽和烃燃料反应，以在等温温度范围内在每个高压反应器室中产生氢和碳氧化物，同时使纯氢从中通过膜渗透到对应的连接的低压反应器室中。

在US 6,033,634中，M.Koga公开了一种多部件板式反应器，其中重整反应发生在由具有周边密封件的波纹金属片形成的腔中，其中在催化剂旁边具有氢可渗透膜以纯化氢，并且来自单独燃烧器的加热气体从另一侧向波纹金属板提供热(图6)。因此，通过波纹板发生传热。未示出或讨论用于组件的压缩装置。如本领域技术人员可以理解的，M.Koga的布置具有局限性，即靠近松散重整催化剂的膜的接近可引起膜的穿孔或磨损，以及在催化剂床/膜腔处的重整入口与出口之间的宽的温度变化。进一步地，将催化剂装载到所示腔中可以证明是相当困难的。

在US 9,017,436 B2中，Chen等人公开了一种具有用于放置催化剂、燃烧器和用于产生氢的加热器的各种腔的导热整体块。该公开具体描述了用于燃烧的管道，所述管道延伸通过整体块。不太具体地，该公开一般性地提及将氢产生组件和与整体块流体连通的外部氢纯化器组合，或者可选地包括作为氢产生组件的一部分的氢纯化器。然而，未公开用于以密封方式将纯化器机械地和热地集成到氢产生组件中的装置。此外，该公开示出如同延伸通过整体块的具有入口和出口的燃烧传热管道，在一些情况下，在形成紧凑型燃料处理系统中，这可以是不期望的，因为在整体块中形成用作入口和出口两者的单个封闭开口是优选的。因此，本领域的改进需要提供纯化器和整体块与压缩密封装置的有效组合，以及消除延伸通过整体块的燃烧管道。

虽然上述公开为本领域提供了一些改进，但仍然需要在单个机械和热集成的重整器和纯化器中将放热反应(燃烧器或催化氧化反应器)的功能与吸热重整反应和膜纯化器组合。

现在参考图1，具有压缩板组件50的组合的重整器和纯化器1被配置成通过进入通道15a将富氢原料15接收到锅炉腔11中。富氢原料15可以升高的压力供应，优选地至少以5Bar表压，并且最优选以10Bar表压或高于10Bar表压。富氢原料15可由可以重整以释放气态氢的任何组分组成，诸如，甲醇和水的混合物。富氢原料诸如氨无需添加水用于重整步骤，并且可用于本发明。锅炉腔11在一侧由在另一侧的锅炉板13和压缩板2限定边界。锅炉板13和压缩板2以密封方式接合在一起，如周边焊缝14所示。可以利用用于以密封方式紧固锅炉板13和压缩板2的其他装置，诸如用钎焊、焊接、具有压缩垫圈的螺栓等。富氢原料15在锅炉腔11中加热，产生加热的富氢原料15b，加热的富氢原料15b行进通过催化剂腔入口通道6a，到达催化剂腔6。催化剂腔6可包括重整催化剂17，以及重整催化剂入口筛16和重整催化剂出口筛18，重整催化剂入口筛16和重整催化剂出口筛18用作微粒过滤器以将重整催化剂17保持在催化剂腔6中。重整催化剂17从加热的富氢原料15b中释放氢，从而形成富氢混合气19，富氢混合气19通过催化剂腔出口通道6b离开催化剂腔6。虽然被示为颗粒型催化剂，但是在该配置的范围内，重整催化剂17也可以为催化剂腔6的壁上的催化剂涂层(未示出)；在两种情况下，催化剂腔6均将包括重整催化剂17。

在图1中，纯化器49包括氢渗透板27、残液流板28、氢压缩垫圈23、残液压缩垫圈24和氢可渗透膜22。纯化器49可使用被示为周边螺栓4a和4b的周边螺栓以压缩密封方式保持在压缩板2和下压缩板3之间。周边螺栓4a和4b拧入压缩板2中，压缩板2可以形成有一体螺纹2a。在其他实施例(未示出)中，周边螺栓4a和4b可以完全延伸通过压缩板2，并且可以另选地利用螺母来供应压缩力。上纯化器密封垫圈26可操作用于使甲烷化器入口通道5a和催化剂腔出口通道6b与纯化器49以及渗透氢21密封，并且可由各种材料形成，包括例如蛭石或膨胀石墨。上纯化器密封垫圈26可有利地由具有高面内热导率的膨胀石墨形成，膨胀石墨然后可以用作压缩板2的散热器。在该实施例中，纯化器密封垫圈26由膨胀石墨形成，并且相对厚。如果需要，下纯化器垫圈25也可以用作散热器。虽然未示出，但可以利用多个氢可渗透膜22。利用处于堆叠布置的单个和多个膜的各种纯化器组件在本领域中是公知的。因此，纯化器49的描述仅是说明性的，并且附图中所示的具体布置并非暗含对本文所述的纯化器的任何限制。

如图1进一步所示，纯化器49被配置成接收富氢混合气体19，并且氢渗透通过氢可渗透膜22，作为渗透氢21。各种氢可渗透膜材料在本领域是公知的，并且可由例如钯合金箔组成。富氢混合气体19在失去渗透氢21之后变成贫氢残液20。渗透氢21通过甲烷化器入口通道5a离开纯化器49进入甲烷化器腔5。贫氢残液20通过残液出口通道3a离开纯化器49，并且随后通过残液出口28离开组合的重整器和纯化器1。存在于甲烷化器腔5中的甲烷化催化剂9受到甲烷化催化剂入口筛8和甲烷化催化剂出口筛7限制，甲烷化催化剂入口筛8和甲烷化催化剂出口筛7用作微粒过滤器并将甲烷化催化剂9保持在甲烷化器腔5中。渗透氢21穿过甲烷化器腔5中的甲烷化催化剂9，从而形成纯化的氢21b，渗透氢21行进通过甲烷化器出口通道5b，并在纯化氢出口10处离开组合的重整器和纯化器1。

在一些应用中，在待机模式中，可期望将组合的重整器和纯化器1维持在加热状态，使得到重整器和纯化器1的大约250℃与600℃之间的期望操作(产生氢)温度的预热时间可最小化或消除。优选的操作温度高度取决于用于氢可渗透膜22的膜材料的类型，富氢原料15(甲醇/水、氨、天然气/水等)的成分，以及重整催化剂17的成分(Cu/ZnO、Pt等)。为在待机模式下供热，图1示出了位于加热器腔29中的电加热器30。

现在参考图2，其以稍微不同的横截面示出与图1所示的压缩板组件50相同的组合的重整器和纯化器1。锅炉腔11在一侧由在另一侧的锅炉板13和压缩板2限定界限。锅炉板13和压缩板2以密封方式接合在一起，如周边焊缝14所示。

在图2中，纯化器49包括氢渗透板27、残液流板28、氢压缩垫圈23、残液压缩垫圈24和氢可渗透膜22。纯化器49使用被示为周边螺栓4a和4b的周边螺栓以及纯化器密封垫圈26和下纯化器垫圈以压缩密封方式保持在压缩板2和下压缩板3之间。纯化器49被配置成接收富氢混合气体19，并且氢渗透通过氢可渗透膜22作为渗透氢21。富氢混合气体19在失去渗透氢21之后变成贫氢残液20。

压缩板2包括本质上封闭的燃烧器腔33，燃烧器腔33向压缩板2供热。虽然不局限于任何特定的布置，但在图2中，燃烧器腔33为环形，并且在燃烧器腔33的中心处包括燃烧器输送管39，燃烧器输送管39被氧化催化剂34包围。氧化催化剂34在两侧由氧化催化剂入口筛32和氧化催化剂出口筛35限定界限，如果氧化催化剂34为松散的基于颗粒的材料，则氧化催化剂入口筛32和氧化催化剂出口筛35可用作颗粒过滤器，以及用于将氧化催化剂34保持在其期望的位置。例如，氧化催化剂34可由在合适载体上的铂组成。虽然被公开为颗粒型催化剂，但在本文所描述的技术的范围内，利用氧化催化剂34作为燃烧器腔33或输送管39的壁上的催化剂涂层(未示出)。

在某些实施例中，将燃料和氧化剂混合物37供应到输送管39，并且燃料和氧化剂混合物沿输送管39向下行进，直到到达输送管39的端部，此时燃料和氧化剂混合物37反向并行进到氧化催化剂34，在氧化催化剂34中可发生放热反应。在一些情况下，可以在到达氧化催化剂34之前发生或维持火焰燃烧。燃料和氧化剂混合物37可由贫氢残液20和空气或富氢原料15和空气组成，后者可用于在从冷起动的预热期间供热。还可以包括具有加热顶端31的点火器38，以提供足够的热来引发火焰燃烧或辅助氧化催化剂34的催化起燃，点火器38以气密方式突出到封闭的燃烧器腔33中。在将热传递到压缩板2之后，燃烧器排气36a在燃烧器排气出口36b处离开组合的重整器和纯化器1。

现在参考图3，图3示出垂直于图1和图2所示的组合的重整器和纯化器1的表示的剖视图。在图3中，锅炉腔11在一侧由锅炉板13限定界限，在另一侧由压缩板2限定界限。锅炉板13和压缩板2以密封方式接合在一起，如周边焊缝14所示。

纯化器49包括氢渗透板27、残液流板28、氢压缩垫圈23、残液压缩垫圈24和氢可渗透膜22。所示氢渗透板27具有渗透物通道27a，其允许氢可渗透膜22的机械支撑，因为渗透氢21将处于比富氢混合气体19更低的压力下。纯化器49使用被示为周边螺栓40a和40b的周边螺栓以压缩密封方式保持在压缩板2和下压缩板3之间。上纯化器密封垫圈26用于使甲烷化器入口通道5a(图1)和催化剂腔出口通道6b(图1)与纯化器49以及渗透氢21密封。如果需要，上纯化器密封垫圈26和下纯化器垫圈25也可用作散热器。

压缩板2包括封闭的燃烧器腔33，燃烧器腔33向压缩板2供热，压缩板2继而向锅炉腔11和催化剂腔6供热，催化剂腔6包括重整催化剂17。燃烧器腔33为环形，并且在燃烧器腔33的中心处包括燃烧器输送管39，燃烧器输送管39被氧化催化剂34包围。

图4示出压缩板组件50的另选布置。与图1至图3所示的布置相比，该另选布置可以是期望的，因为其可以例如更容易形成和/或组装如图4所示的零件。压缩板2和次级板44使用压缩螺钉43a和43b与压缩板密封垫圈42压缩在一起，压缩螺钉43a和43b分别在螺纹孔2c和2d处拧入压缩板2中，并且压缩板2具有螺纹孔2a、2b、2c和2d。锅炉腔11由锅炉板13和次级板44的顶表面形成。锅炉板13和次级板44以密封方式接合在一起，如周边焊缝14所示。压缩板2与次级板44组合用于限定燃烧器腔33，燃烧器腔33向压缩板2和次级板44供热，压缩板2和次级板44继而向锅炉腔11和催化剂腔6供热，催化剂腔6包括重整催化剂17。燃烧器腔33为环形的和封闭的，并且在燃烧器腔33的中心处包括燃烧器输送管39，燃烧器输送管39被氧化催化剂34包围。燃料和氧化剂混合物37处于燃烧器输送管39的中心。图4所示的压缩板组件50在功能上等同于图1至图3所示压缩板组件50。

如本文所述，组合的催化剂床和纯化器的某些配置提供了期望的属性，包括但不限于将重整和纯化的功能热地和机械地集成到更紧凑和有效的系统中。

Claims (18)

1.一种用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，包括：

催化剂，其有效地从所述富氢原料中释放氢并形成富氢混合气体；

纯化器，其有效地接收所形成的富氢混合气体并且提取其中包含的一部分所述氢作为纯化氢，留下贫氢残液；

燃烧器或氧化催化反应器，其被配置成氧化所述贫氢残液或所述富氢原料以向所述催化剂床供热；

其中，所述纯化器进一步包括定位在两个压缩板之间的至少一个氢可渗透膜，并且所述压缩板中的至少一个包括组件，所述组件包括包含所述催化剂的至少一个腔和有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的所述至少一个腔的至少一个腔，有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的所述至少一个腔的所述至少一个腔在一端对于气体的流动是封闭的，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个腔，并且纯化氢穿过包含所述甲烷化催化剂的所述至少一个腔，所述甲烷化催化剂有效地将一氧化碳转化为甲烷，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个具有邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且所述压缩板或压缩板组件包括至少一个腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前对其进行预热，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，以及热耦合到邻近所述膜的所述内表面的基本上平面的散热构件，所述基本上平面的散热构件的面内热导率超过75W/m-K，燃烧器腔为环形的和封闭。

2.根据权利要求1所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，所述基本上平面的散热构件的面内热导率超过200W/m-K。

3.根据权利要求1所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括火花或热源，所述火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。

4.根据权利要求3所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，所述火花或热源至少部分地位于所述至少一个腔内，所述至少一个腔有效地将热从所述燃烧器或氧化催化反应器传递到包含所述催化剂的所述至少一个腔。

5.根据权利要求1所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在相应的所述腔内。

6.根据权利要求1所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述甲烷化催化剂保持在包含所述甲烷化催化剂的所述至少一个腔中。

7.根据权利要求1所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合的重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括位于所述压缩板或压缩板组件之间的至少一个压缩密封构件。

8.一种压缩板组件，其特征在于，其用于根据权利要求1所述的将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其中所述压缩板组件包括第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的至少第二构件，并且其中所述第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的所述至少第二构件接合或压缩在一起以形成整体式组件。

9.一种用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其包括有效地从所述富氢原料中释放氢并形成富氢混合气体的催化剂，其中所述纯化器有效地接收所述富氢混合气体，并提取在其中的一部分所述氢作为纯化氢，留下贫氢残液，并且所述纯化器包括至少一个氢可渗透膜和位于两个压缩板之间的至少一个压缩密封件，其中所述压缩板中的至少一个为包括以下各项的组件：

至少一个第一腔，其包括有效地从所述富氢原料中释放氢并形成富氢混合气体的催化剂；

至少一个第二腔，其围绕燃烧器或氧化催化反应器，以氧化所述贫氢残液或所述富氢原料，从而向包含所述催化剂的所述至少一个第一腔供热，所述第二腔在一端对于气体的流动封闭；以及

邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且所述压缩板具有至少一个腔、内表面或外表面，以有效地在所述富氢原料被输送到所述催化剂床之前对其进行预热。

10.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括包含甲烷化催化剂的至少一个腔，并且所述纯化氢穿过所述至少一个第四腔，所述第四腔包含有效地将一氧化碳转化为甲烷的甲烷化催化剂。

11.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述压缩板或压缩板组件中的至少一个包括邻近所述膜的内表面和远离所述膜的外表面，并且基本上平面的散热构件热耦合到邻近所述膜的所述内表面。

12.根据权利要求11所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述基本上平面的散热构件的面内热导率超过75W/mK。

13.根据权利要求12所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述基本上平面的散热构件的面内热导率超过200W/mK。

14.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括火花或热源，所述火花或热源有效地引发提供给所述燃烧器或氧化催化反应器的燃料和氧化剂的氧化。

15.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述催化剂或氧化催化反应器保持在相应的所述腔内。

16.根据权利要求10所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，进一步包括至少一个微粒过滤器，所述微粒过滤器有效地将所述甲烷化催化剂保持在包含所述甲烷化催化剂的至少一个腔中。

17.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述压缩板组件包括第一压缩板和限定或具有所述腔中的至少一个的至少第二构件，并且其中所述第一压缩板和所述限定或具有所述腔中的至少一个的所述至少第二构件接合或压缩在一起以形成一个整体式组件。

18.根据权利要求9所述的用于将富氢原料转化为纯化氢的组合重整器和纯化器，其特征在于，所述组件由多于一个金属构件组成，并且其中多个所述金属构件接合或压缩在一起以形成整体式、热集成组件。

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