TWI392543B - 燃料重組反應物中快速加熱之方法與裝置 - Google Patents

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Description

燃料重組反應物中快速加熱之方法與裝置
本發明係關於燃料重組反應物中快速加熱之方法及裝置。
燃料電池自化學氧化還原反應提供電，且在清潔與效率方面較其它發電形式擁有顯著優點。通常，燃料電池採用氫作為燃料及氧作為氧化劑。該發電與該反應物之消耗率通常成比例。
抑制更大範圍使用燃料電池之一顯著缺點在於缺少一普遍之氫基本結構。氫具有一相對低之容積效率(volumetric efficiency)且比目前用於多數發電系統中之碳氫化合物燃料更難儲存及運輸。克服該困難之一方法係使用重組器來將碳氫化合物轉換成可被儲存或局部用作燃料電池之饋入料的富氫氣體。
基於碳氫化合物之燃料(如天然氣、LPG、汽油及柴油)要求轉換處理以用作大多數燃料電池之燃料源。現有技術使用將一初始轉換處理與若干淨化處理組合之多步驟處理。該初始處理多數通常為蒸汽重組(SR)、自動重組(ATR)、催化部分氧化(CPOX)、非催化部分氧化(POX)或其組合。淨化處理通常包括脫硫、高溫水氣轉化、低溫水氣轉化、選擇性CO氧化或選擇性CO甲烷化之組合。其它處理包括氫選擇性膜反應器及過濾器。
除以上工作之外，仍然需要一種將碳氫化合物燃料轉化 成供燃料電池使用之富氫氣流的簡單化燃料處理系統。該問題之任何解決方法所面臨的實際障礙在於需要快速啟動該重組反應器及可用於重組處理之各種催化劑床(catalyst bed)。當需要自動重組時，亦需要將重組反應物快速預熱至其自加熱溫度且在重組過程中始終保持該等溫度。類似地，當使用蒸汽重組時，亦需要快速及可靠地產生蒸汽。
本發明解決了能夠快速啟動且在重組器運行過程中保持更穩定之溫度分佈的燃料重組器之需求。
本發明提供了一種用於在一燃料重組器中快速加熱一種或多種反應物的裝置。該裝置包括一燃燒區，其具有一封閉一燃燒室之外壁及置放於該燃燒室內之一或多種催化劑。該等一或多種催化劑為氣體燃燒及熱產生提供一穿過該燃燒室之非擴散流動通道。一熱回收區與該燃燒區流體連通，且具有一界定一熱回收室之外壁及置放於其中之至少一個熱交換元件。該燃燒區相對於該熱回收區提升，以使得受熱之燃燒氣體下移至熱回收區中。該等熱交換元件之每一個具有一用於接收燃料重組反應物的入口及一用於將經加熱之反應物引導出該熱回收區的出口。視情況，使用至少一個熱交換元件在受熱之燃燒氣體及水之間進行熱交換，以便產生用於重組器中之蒸汽。該等燃燒及熱回收區具有彼此延續以形成一較佳為圓柱形之外殼的外壁。該外殼具有小於約10英吋之內徑，其較佳小於約8英吋，且更佳小於約6英吋。
在一處理態樣中，本發明提供一種用於快速加熱一用於燃料重組器中之燃料重組反應物的方法。該方法包括以下步驟：在一預重組器中藉由一或多種燃燒催化劑來燃燒燃料與含氧氣體以在一燃燒區中產生受熱之燃燒氣體；為受熱之燃燒氣體提供一穿過該燃燒區且進入一熱回收區之非擴散流動通道；在熱回收區在該受熱之燃燒氣體與燃料重組反應物之間進行熱交換以產生一受熱反應物且將該受熱反應物引導至一底部進料重組器(bottom-fed reformer)。該燃燒區相對於熱回收區提升，以使得受熱之燃燒氣體下移至熱回收區中。將受熱之燃燒氣體快速加熱至至少約550℃之作業溫度，在該溫度下可在重組反應物與蒸汽產生之間進行足夠的熱交換。較佳地，該等受熱燃燒氣體在小於約20分鐘內達到一作業溫度，其較佳小於約15分鐘，且仍更佳小於約10分鐘。
本發明進一步提供一種用於快速啟動及最小化熱損失之整合燃料重組器。該整合裝置包括一經組態成向燃料重組器提供受熱重組反應物之預重組器，該預重組器包括一燃燒區，其具有封閉燃燒室之外壁及置放於該燃燒室中之催化劑。該催化劑為燃燒氣體及熱提供一穿過該燃燒室之非擴散流動通道。一熱回收區與燃燒區流體連通，該熱回收區具有一界定一熱回收室之外壁及置放於該熱回收室中之至少一個熱交換元件。該熱交換元件具有一用於接收燃料重組反應物之入口及一用於將受熱之反應物引導出該熱回收室之出口。詳言之，該燃燒區相對於該熱回收區提升。 將一燃料重組器連接至熱交換元件之出口以用於自該預重組器接收受熱之反應物。該預重組器較佳係一底部進料重組器。視情況，使用至少一個熱交換元件在受熱之燃燒氣體與水之間進行熱交換，以便產生用於重組器中之蒸汽。該預重組器之燃燒及熱回收區具有彼此延續以形成一外殼的外壁。該外殼具有比例為約7：1至約4：1之長度及直徑。
本發明進一步提供一種用於快速啟動之整合燃料重組裝置。該裝置包括一經組態成向燃料重組器提供受熱之重組反應物的預重組器，該預重組器包括：一外殼；一其中置放有用於產生受熱燃燒氣體之燃燒催化劑的燃燒室；及一其中置放有至少一個熱交換元件的熱回收區。該熱交換元件具有一用於接收反應物之入口及一用於將受熱之反應物引導出該熱回收區之出口。該外殼具有比例為約7：1至約4：1之長度及直徑。可將一燃料重組器連接至熱交換元件之出口以用於自該預重組器接收熱反應物。
以下將描述本發明之說明性實施例。為了達到清晰的目的，不是實際實施例之所有特徵均描述在該說明書中。當然，應瞭解，在任何該實用實施例之發展中，必須作出許多特定建構之決定以達成該開發者之特定目標，諸如符合系統相關及業務相關之限制，其將在一建構之間變化。另外，應瞭解，此種開發努力可能係複雜且費時的，儘管如此，但其將係由具有該揭示案之利益之普通熟習此項技術 者採用之例行程序。
圖1係與用於提供富氫重組產物作為燃料電池堆D之燃料之燃料重組器B整合的預重組器A的方塊圖。圖1被高度簡單化，且其意欲說明該等系統可整合至一整合燃料處理器及發電系統中的方式。模塊C係淨化階段模塊(clean-up stage module)，其中可將富氫重組產物脫硫、使其經受一轉化反應以增大氫濃度，及/或經受一用於自該重組產物流移除一氧化碳之處理或反應。可將燃料電池廢氣(陽極及/或陰極)發送至用於處理之本發明裝置之燃燒器區。
將燃燒燃料及含氧氣體組成之源引導至預重組器之燃燒器區以向燃燒反應供應燃料。將在燃燒器中生成之受熱燃燒氣體傳遞至熱交換器區中。在將水、燃料及含氧氣體之源引導至燃料重組器B之前，將其發送至熱交換器區以分別轉化成蒸汽及加熱。一用於將燃燒產物氣體自熱交換區排出之排氣線未圖示。
以下描述之預重組器及重組器可由任何能夠承受本文所描述之反應之作業條件及化學環境的材料製成，且其可包括(例如)不銹鋼、鉻鎳鐵合金、耐熱鎳鉻鐵合金、耐鹽酸鎳基合金及其類似物。儘管可採用較高之反應壓力，但是該壓力較佳為自約0至約100 psig。該反應器之作業壓力視燃料電池所需之傳輸壓力而定。對於在1至20 kW範圍中運作之燃料電池而言，自0至約100 psig之作業壓力係大體足夠的。
圖2係本發明之一預重組器的橫截面圖。預重組器10具 有許多功能，包括生成熱以預熱重組反應物、生成用於重組反應之蒸汽及藉由氧化各種燃料電池廢氣及不具燃料電池品質之重組產物來進行處理。在意欲進行自熱重組之處特別需要重組反應物之預熱，因為該等重組器之作業溫度視饋入料條件及催化劑而定可自約550℃變化至約900℃。
預重組器10包括兩個主要組件，即線20與20'之間所示之一燃燒區，其容納外壁6內之燃燒室36；及線20'與20"之間所示之一熱回收區，其容納外壁8內之熱回收室38。
如圖說明，將燃燒室提升至熱交換室上方。吾人預計燃燒區與熱交換區不需要在相同的垂直軸上對準。然而，出於製造、成本及設計簡易之目的，該等兩個區較佳具有繞一共同軸線之垂直定向。另外，吾人相信，燃燒室位於熱交換室上方之垂直定向提供該熱交換室之一更快速且一致的加熱。
據信該預重組器之尺寸對達成預重組器之快速啟動係關鍵的，且因此對重組器之快速啟動也係關鍵的。由外壁6及8形成之外殼較佳具有比例為約7：1至約3：1之一長度及內徑，且比例更佳為約6：1至約4：1。該燃燒區之外壁6及外壁8較佳彼此延續，從而沿該等燃燒及熱交換區之長度形成一圓柱形外殼。該等兩個區無需具有相同直徑，但是此外，此種組態在一空間關鍵環境(space critical environment)中較佳使預重組器與發電系統之重組器或其它元件整合。詳言之，在較佳情況下，該外殼之長度至少約20英尺，較佳至少約30英吋，且更佳至少約40英吋。外 殼之內徑小於約10英吋，較佳小於約8英吋，更佳小於約6英吋，且仍更佳小於約5英吋。
入口32位於燃燒室36上游，含氧氣體及碳氫化合物燃料穿過該入口而引向燃燒室中。氧的形態可為空氣、富集空氣或大體純氧。該碳氫化合物燃料在周圍條件下較佳為氣相，但若其可輕易汽化則可為液態。本文所使用之術語"碳氫化合物"包括具有能夠自部分氧化或蒸汽重組反應中產生氫之具有C-H鍵的有機化合物。不排除該化合物之分子結構中除了碳及氫之外還存在其他原子。因此，用於本文所揭示之方法及裝置中之適合燃料不僅包括(但不限於)諸如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石腦油(naphtha)、汽油、柴油及其混合物之燃料，而且還諸如甲醇、乙醇、丙醇、其類似物及其混合物之醇類。該碳氫化合物燃燒燃料較佳係天然氣。
如上所示，亦可將燃料電池廢氣引向燃燒室36中以便氧化，因為其通常包含許多必須被處理且不應被排放到大氣中之成份。另外，亦可自燃料電池堆上游提供一側流(圖1未示)，以將不合規格之重組產物引導向該預重組器以同樣用於燃燒。
該預重組器視情況(但較佳地)具有用於預熱位於燃燒室36上游之燃燒氣體的構件。如圖說明，電加熱元件12設置於燃燒室上游且能夠到達至少約300℃之溫度。不同的加熱構件在此項技術中係已知的，且其可用來在線內之燃燒室中或位於入口32上游之分離模塊中有利地代替電加熱元 件12。該預重組器視情況(但是較佳地)亦將具有位於燃燒室36上游之混合構件。如圖說明，線內提供靜止混合器2以混合穿過入口32進入之氣體。或者，出於此目的可提供混合構件以作為位於該燃燒區上游之一單獨模塊。
燃燒催化劑16被放置在燃燒室36中。燃燒催化劑16應為一種熟習此項技術者所熟知的氧化催化劑。合適之氧化催化劑之實例包括貴金屬，諸如在單石、壓出物、顆粒物或其它載體上之氧化鋁修補基面塗層上之鉑、鈀、銠及/或釕。亦有使用諸如鎳或鈷之非貴金屬。諸如二氧化鈦、氧化鋯、二氧化矽及氧化鎂之其它修補基面塗層亦已揭示在引用之文獻中。在引用之文獻中亦揭示諸如鑭、鈰及鉀之許多額外材料已作為可改良氧化催化劑效能之"助催化劑"。
氧化反應對添加之氧之完全轉換而言發生得非常快且產生熱。吾人希望：不考慮燃燒催化劑之組合物，該催化劑媒介應為燃燒氣體及熱提供一非擴散流動通道以穿過該燃燒室。本文所使用之"非擴散流動通道"係指一種催化劑媒介，其具有複數個穿過該催化劑媒介的通路以使得穿過該媒介之氣體流動大體未受抑制。具體言之，該催化劑媒介應允許氣體以至少5000氣體時空速度(GHSV)直至20,000 GHSV流動通過其中。穿過該催化劑媒介之燃燒氣體之溫度及壓力將在約400℃至約650℃之間，且該壓力應約為周圍壓力。催化劑媒介較佳係獨石載體，其具有提供通過催化劑媒介之受熱燃燒產物氣體開放式流動通道的複數個開 放式渠道。吾人已發現：獨石催化劑媒介在穿過燃燒室時比穿過一填充催化劑床(packed catalyst bed)更快從而使燃燒催化劑達到更一致之溫度。
燃燒室36與熱交換室38之間的開口14提供兩室之間的流體連通。因為燃燒燃料與含氧氣體經催化劑16而燃燒，所以受熱之燃燒產物氣體被向下驅至熱交換室38中。
藉由外壁8界定熱交換室38。至少一個熱交換元件18在熱交換室38中被處理。如圖2所示，預重組器10具有位於熱交換室38內之複數個熱交換元件18a及18b。熱交換元件18a具有入口22及出口28，穿過該入口將一重組器反應物之流引入，而穿過該出口將該受熱之重組器反應物引導出該預重組器。該重組器反應物可為先前所述之碳氫化合物燃料、含氧氣體、水或其之一些組合。
圖中展示熱交換元件18b與其入口24及出口26。入口22與24及出口26與28在圖中展示為位於熱交換室38之下部分中。吾人預想，可改變出口26與28之位置以便使其接近相關重組器之入口。熱損失是重要問題，且吾人希望組態整合之預重組器及重組器以便最小化可發生在它們間之連接中的熱損失。
較佳在分離的熱交換元件中預熱兩個或兩個以上重組器反應物。根據重組器反應物之性質及所需之加熱量，熱交換元件將具有不同尺寸及組態，且因此具有適於各種重組器反應物之不同熱交換表面區域。
例如，較佳在一具有較大直徑及較短長度之盤管區中實 現氣體燃料及含氧氣體之預熱，以便最小化穿過該交換器之氣體的任何壓力損失。相反，較佳在較長長度之更狹窄之熱交換器盤管中實現過熱蒸汽之產生，在該盤管中壓力損失係較小問題，但是增大之熱傳遞係關鍵的。
吾人亦希望，熱交換元件占該熱回收室中之大百分比體積，以便提供最大量之熱回收。該熱交換元件較佳占熱回收室38體積之至少約50%，更佳占至少約60%，且更佳仍占至少約70%。如圖2中所示，熱交換元件18a及18b包括具有不同長度及直徑之盤管。僅以實例說明，元件18a用於預熱具有或不具有含氧氣體之碳氫化合物氣體，而具有較大熱交換表面區域之元件18b適用於將水轉換為蒸汽。
另外，應注意：較佳組態熱交換元件18a及18b以使得起初將重組器反應物向上引入熱交換室38中，且幾乎引入燃燒室36中。然後轉動熱交換元件且開始向下螺旋，以使得重組器反應物自該熱交換室中緩慢下降。該向下螺旋不僅提供該等反應物之更快且一致的加熱，而且已發現可最小化熱交換元件中之否則可在關閉過程中發生的濃縮。濃縮係熱交換器件中之常見問題(尤其在冷卻過程中)，且其可導致腐蝕、堵塞及其它維護問題。
在燃燒區中產生之受熱燃燒氣體充滿了熱交換室38，且其與穿過熱交換元件18a及18b之表面的重組器反應物交換熱。當重組器反應物通過該盤管時被加熱。然後分別將受熱之反應物引向出口26及28。圖2中未展示將出口26與28連接至一重組器(亦未在圖2中展示)之入口的導管或管道。 另外，該等出口之位置應緊密地接近重組器之入口，以便最小化該等兩個器件間之連接中的熱損失。用於將受熱之燃燒產物氣體自預重組器10中排出之燃燒排氣裝置30亦協同定位於熱交換室38之較低大部分上。
快速啟動燃料處理器之方法
本發明進一步提供一種用於快速啟動一包括預重組器及重組器之燃料處理器之方法。該方法包括：在一預重組器中利用燃燒催化劑燃燒燃料及含氧氣體以在燃燒區中產生受熱之燃燒氣體。
視情況，可在燃燒之前預熱燃料及/或含氧氣體。該等燃燒反應物之預熱會促進燃燒反應。預熱較佳由直接位於燃燒催化劑上游之電加熱元件完成，但亦可由此項技術中已知之其它加熱構件完成。在啟動過程中，為了開始燃料與氧氣之燃燒，加熱元件應能夠迅速達到高於約200℃之溫度，較佳高於約250℃，且更佳高於約300℃。然而，啟動後及在正常運行期間，含氫燃料與氧之間之反應發生在正常室溫下。在該等時期中，可能不需要使用加熱元件。
可在該燃燒燃料與含氧氣體燃燒之前視情況(但最佳地)將其混合。該混合較佳由一具有用於干擾通過其中之氣體流動之隔板及/或散熱片之同線靜止混合器來實現。當亦將燃燒諸如燃料電池廢氣之其它氣體時，在該等氣體進入燃燒區之前應將其與燃燒燃料及含氧氣體組合及混合。熟習此項技術者應認識到：用於混合氣體燃燒反應物之其它構件可為合適的。
受熱之燃燒產物氣體穿過該燃燒催化劑且進入一熱回收區，在該熱回收區中在受熱燃燒氣體與燃料重組器反應物之間交換熱以提供受熱之反應物。為了實現燃料處理器之快速啟動，受熱之燃燒氣體應穿過燃燒催化劑且沿一非擴散流動通道進入該熱回收區。較佳使用一單塊燃燒催化劑來提供一穿過催化劑媒介之非擴散流動通道。或者，若其它催化劑媒介可在啟動過程中提供至少約5000 GHSV且在運行過程中能夠提供高達20,000 GHSV，則可使用其它催化劑媒介。
燃燒區相對於該熱回收區提升，以使得自燃燒區至熱回收區之受熱燃燒氣體之傳遞係位移的結果。據信受熱之燃燒氣體至熱回收區之位移提供了熱回收區之更快且更一致之加熱。
在安置於熱回收區內之熱交換元件中的重組器反應物與受熱燃燒氣體之間進行熱交換。分離的熱交換元件可用於兩種或兩種以上重組器反應物，且不同尺寸及組態之熱交換元件可用於不同重組器反應物，此視每一反應物之性質及加熱要求而定。例如，吾人預計：碳氫化合物重組器燃料及含氧氣體之流可被引導穿過相同之熱交換元件，而水可被引導穿過一具有更多熱交換表面區域之分離熱交換元件以轉化成蒸汽。
燃料及含氧氣體之燃燒在下移至一熱回收區之催化劑床中產生受熱之燃燒氣體，在該熱回收區中進行熱交換以產生蒸汽並預熱重組反應物。吾人已發現：當該熱回收區中 之受熱燃燒氣體產生適當蒸汽及充分預熱之重組器反應物以促進該重組器中之自熱重組反應時，實現了一作業溫度。當該燃燒室中之溫度達到至少約500℃、較佳至少約550℃、更佳至少約600℃時觀察該作業溫度。不同於習知預重組器，可在少於約20分鐘內完成該作業溫度，較佳少於至少約15分鐘，且更佳少於至少約10分鐘。一旦在預重組器中實現作業溫度，則將蒸汽及受熱之重組器反應物引導至可能開始自熱重組之重組器中。
重組器
通常在重組過程中執行兩個不同反應。式I及II係例示性反應式，其中甲烷被視為烴：
部分氧化反應(式I)對添加之氧氣之完全轉換而言發生非常快且係的放熱(意即，產生熱)。饋入料流中之較高氧濃度有利於該部分氧化反應。
該蒸汽重組反應(式II)發生緩慢且係吸熱的(意即，消耗熱)。水蒸汽之較高濃度有利於蒸汽重組。
熟習此項技術者之一應理解且瞭解：可組合部分氧化及蒸汽重組以將來自預重組器之預熱重組器反應物轉化成含有氫及一氧化碳之合成氣體。在該等情況下，氧與碳氫及水與碳氫的比例變成特徵參數。該等比例會影響作業溫度與氫產量。視饋入料條件及催化劑而定，該重組步驟之作業溫度範圍可為約550℃至約900℃。
該重組器使用一可包含一或多種催化劑之催化劑床，該等催化劑以包含顆粒物、球狀物、壓出物、獨石及其類似物以及塗覆於散熱片或熱管表面上之修補基面塗層之任何形態存在。部分氧化催化劑對熟習該技術者而言應係熟知的，且通常由貴金屬組成，諸如在獨石、壓出物、顆粒物或其它載體上之氧化鋁修補基面塗層上之鉑、鈀、銠及/或釕。已使用諸如鎳或鈷之非貴金屬。諸如氧化鈦、氧化鋯、二氧化矽及氧化鎂之其它修補基面塗層已在此文獻中被引用。諸如鑭、鈰、及鉀之許多額外材料已在此文獻中引用作為可改良部分氧化催化劑效能之"助催化劑"。蒸汽重組催化劑對熟習此項技術者而言應係熟知的，且其可包括具有大量鈷之鎳或諸如鉑、鈀、銠、釕及/或銥之貴金屬。該催化劑可載於(例如)單個或組合之氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽、氧化鋯或鋁酸鎂上。或者，該蒸汽重組催化劑可包含藉由諸如鉀之鹼金屬促進之鎳，其較佳載於單個或組合之氧化鎂、氧化鋁、二氧化矽、氧化鋯或鋁酸鎂上。
當重組過程主要係一自熱重組過程時，在淨化過程之前將該重組產物流冷卻至約600℃至約200℃、較佳約500℃至約300℃且更佳約425℃至約375℃之溫度之冷卻步驟會最優化重組產物之溫度。根據設計規格及對恢復/再循環氣流之熱含量之需求，可藉由散熱片、熱管或熱交換器來實現該冷卻。或者，或除此之外，可藉由注入諸如燃料、空氣或水之額外饋入料組份來完成該冷卻。由於水在汽化 成蒸汽時能夠吸收大量熱，所以其為吾人所青睞。添加之組份數量視所要冷卻程度而定，且其易由熟習此項技術者決定。當吾人希望該重組過程主要為一蒸汽重組過程時，由於蒸汽重組過程之吸熱性質，所以該合成氣體之冷卻是可選擇的。
本發明之預重組器將與此項技術中已知之重組器或燃料處理器整合，以用於將碳氫化合物流重組或轉換成具有燃料電池品質之富氫氣流。合適之重組器包括(但不限於)以下美國專利公開案號中所描述之重組器：公佈於2002年7月4日之授予Deshpande等人之US 2002/0083646 A1；公佈於2002年7月11日之授予Deshpande之US 2002/0090326 A1；公佈於2002年7月11日之授予Deshpande之US 2002/0090328 A1；公佈於2002年7月11日之授予Deshpande之US 2002/0090327 A1；公佈於2002年7月11日之授予Krause等人之US 2002/0088740 A1；公佈於2002年7月18日之授予Krause等人之US 2002/0094310 A1；公佈於2002年10月24日之授予Stevens之US 2002/0155329 A1；公佈於2003年1月30日之授予Childress等人之US 2003/00211741 A1；及公佈於2003年1月30日之授予Krause等人之US 2003/0021742，該等公開案之揭示以引用的方式併入本文中。該等公開案揭示了可用來體現本發明之預重組器優點之許多不同組態重組器。然而，與本發明之預重組器整合之重組器較佳為一底部進料型反應器。
後重組器淨化及轉化反應
碳氫化合物流之主要雜質之一為硫，其藉由重組過程而 轉換成硫化氫。該重組器或一位於該重組器下游之模塊可較佳包括氧化鋅及/或能夠吸收及轉換硫化氫之其它材料，且可包括一載體(例如單石、壓出物、顆粒物等等)。根據以下反應式III，藉由將該硫化氫轉換成水來完成脫硫：
諸如氯化物之其它雜質亦可被移除。在自約300℃至約500℃且更佳自約375℃至約425℃之溫度下較佳執行該反應。氧化鋅係在自約25℃至約700℃之廣範圍溫度下之有效硫化氫吸收劑，且藉由適當選擇作業溫度而提供很大靈活性來最佳化處理步驟之順序。
然後可將重組產物流發送至一可選擇之混合步驟，在該步驟中將水加至該氣流中。添加之水在汽化時會降低反應物流之溫度且為水氣轉化反應供應更多水。藉由使水蒸汽及其它重組產物流組份穿過諸如陶瓷珠粒之惰性材料或有效混和及/或輔助水汽化之其他類似材料之處理核心可將其混合。
根據式IV，一種典型之水氣轉化反應將一氧化碳轉換成二氧化碳：
在此式為過程步驟，將對燃料電池而言係毒素之一氧化碳自該氣流大體移除，且將其轉換成在燃料電池中通常視為惰性氣體之二氧化碳。一氧化碳濃度較佳應降低至燃料電池可允許之含量，通常低於約50 ppm。大致而言，水氣 轉化反應根據使用之催化劑可在150℃至約600℃之溫度下發生。在該等條件下，氣流中之大多數一氧化碳被氧化成二氧化碳。
低溫轉化催化劑在約150℃至約300℃之範圍下工作，且包括(例如)氧化銅或載於諸如氧化鋯之其它過渡金屬氧化物上之銅、載於過渡金屬氧化物或耐火載體(諸如氧化矽、氧化鋁、氧化鋯等)上之鋅或貴金屬(諸如在諸如氧化矽、氧化鋁、氧化鋯及其類似物之合適載體上之鉑、錸、鈀、銠或金)。高溫轉化催化劑較佳在約300℃至約600℃之溫度下工作，且可包括諸如三氧化二鐵、三氧化二鉻之過渡金屬氧化物，且視情況包括諸如銅或矽化鐵之助催化劑。同樣包括之高溫轉化催化劑係諸如經承載之鉑、鈀及/或其它鉑族成員的經承載之貴金屬。該轉化催化劑可包括如上所述之高溫或低溫轉化催化劑的填充床，或高溫及低溫轉化催化劑兩者之組合的填充床。視情況，可將諸如熱管之元件可置放於轉化反應器之處理核心中，以控制催化劑之填充床中的反應溫度，因為較低溫度有利於將一氧化碳轉換成二氧化碳。
另外，可視情況對富氫重組產物執行選擇性氧化以將剩餘一氧化碳轉換成二氧化碳。該等反應包括：如下之一氧化碳之所要氧化(式V)及氫之吾人所不要氧化(式VI)：
在存在用於氧化一氧化碳之一或多種催化劑情況下執行 該處理，且該處理可為任何合適形態，諸如顆粒物、球狀物、獨石等等。一氧化碳之氧化催化劑係已知的，且通常包括貴金屬(例如鉑、鈀)及/或過渡金屬(例如鐵、鉻、錳),及/或貴金屬或過渡金屬之組合物，尤其係氧化物。較佳之氧化催化劑係一氧化鋁修補基面塗層上之鉑。該修補基面塗層可應用於獨石、壓出物、顆粒物或其它載體。可添加諸如鈰、鑭之額外材料以改良效能。由於一些實踐者要求高於氧化鋁催化劑上之銠的高效能，所以許多其它式已引用在該文獻中。由於釕、鈀、金及其它材料在使用中具有積極作用，所以其亦已引用在該文獻中。
一氧化碳之優先氧化在低溫下係有利的。因為兩個反應均產生熱，所以可將熱管或其它構件置放於該反應器中以移除在該處理中所產生之熱。該處理之作業溫度被較佳保持在約90℃至約150℃之範圍中。另一方面，可利用氧化處理將該一氧化碳含量降低至小於50 ppm，該含量適於在燃料電池中使用。
自燃料處理器中排出之富氫重組產物係含有二氧化碳及諸如水、惰性組份(例如氮、氬)、殘餘碳氫化合物等之其它成份的富氫氣體。該重組產物可用作燃料電池之饋入料或用於需要富氫饋入料流之其它應用。視情況，可轉送產物氣體以進一步處理，例如，移除二氧化碳、水或其它組份。
燃料電池堆及與預重組器之整合
一發電系統包括本發明之預重組器及重組器，且圖1展 示燃料電池堆，而該燃料電池組整體由D指示。燃料電池堆D包括一或多個燃料電池，其形態通常為一包括複數個可運轉地耦接在一起之燃料電池之燃料電池組。儘管其在本文中被稱作一燃料電池堆，但是其屬於本發明之範疇，即燃料電池堆D可包括僅單個燃料電池、複數個分離運轉之燃料電池或複數個分離運轉或互相連接之燃料電池堆。合適之燃料電池的實例包括質子交換膜(PEM)燃料電池及鹼性燃料電池。
淨化及轉化由重組器B產生之富氫重組產物以增大氫濃度，且接著將其輸送至燃料電池堆D。燃料電池堆D使用重組產物以產生電能、水、廢重組產物及廢氣。自燃料電池堆排放出之廢重組產物流大致含有殘餘氫及一氧化碳。當燃料電池與本發明之一預重組器整合時，將廢重組產物引向該預重組器之燃燒區。儘管其在本文中被稱作一預重組器，但是燃燒區有時被稱作陽極尾氣氧化劑(ATO)。在一些實施例中，可將自燃料電池堆(未圖示)排放出之廢氣與廢重組產物混合以提供預重組器之燃燒區所需之含氧氣體。
整合之燃料重組裝置
在本發明之另一實施例中，提供一種用於快速啟動之整合之燃料處理裝置。該整合之裝置包括一經組態成向一燃料重組器提供受熱燃料重組反應物的預重組器。該預重組器包括一燃燒區，其具有一封閉燃燒室之外壁及一置放於該燃燒室中之催化劑。該催化劑為燃燒氣體及熱進入一與 燃燒區流體連通之熱回收區的通行提供一穿過該催化劑之非擴散流動通道。熱回收區具有一界定熱回收室之外壁及置放於該熱回收室中之至少一個熱交換元件。該熱交換元件具有一用於接收重組反應物之入口及一用於將受熱之反應物引導出熱回收區之出口。該熱交換元件之入口及出口較佳位於熱回收區之外壁之較低部分上。燃燒區相對於熱回收區提升，以使得受熱燃燒氣體進入熱回收區之通行係位移的結果。燃燒區之外壁及熱回收區之外壁形成預重組器之外殼。該外殼較佳具有比例為約7：1至約4：1之長度及直徑。將一燃料重組器連接至熱交換元件之出口以用於自預重組器接收受熱之反應物。該燃料重組器較佳係底部進料型蒸汽重組器。另外，吾人預計：可將預重組器組態成自一燃料電池接收廢氣且將該廢氣與燃燒燃料及含氧氣體一起引導至燃燒區中。
在本發明之又一額外實施例中，提供一種用於快速啟動之整合之燃料處理裝置。該整合之裝置包括一經組態成向一燃料重組器提供受熱之重組反應物的預重組器。該預重組器包括：一外殼；一其中置放有燃燒催化劑以用於產生受熱燃燒氣體之燃燒室；及一其中置放有至少一個熱交換元件之熱回收區。該熱交換元件具有一用於接收反應物的入口及一用於將受熱之反應物引導出熱回收區的出口。該外殼較佳具有比例為約7：1至約4：1之長度及直徑。將燃料重組器連接至熱交換元件之出口以用於自預重組器接收受熱之反應物。另外，吾人預計：可將預重組器組態成來 自燃料電池接收廢氣且將該廢氣與燃燒燃料及含氧氣體一起引導至燃燒區中。
以上揭示之特定實施例僅僅係說明性的，因為可以具有本文教示之利益的熟習此項技術者易瞭解的不同但均等之方式來修改及實踐本發明。另外，吾人欲限制除以下申請專利範圍中所述之外的本文所示之構造或設計的細節。因此，很顯然可改變或修改以上揭示之特定實施例，且所有該等變化被視為屬於本發明之範疇及精神。因此，本文探求之保護陳述在以下申請專利範圍中。
2‧‧‧混合器
6,8‧‧‧外壁
10‧‧‧預重組器
12‧‧‧電加熱元件
14‧‧‧開口
16‧‧‧燃燒催化劑
18a,18b‧‧‧熱交換元件
22,24,32‧‧‧入口
26,28‧‧‧出口
30‧‧‧燃燒排氣裝置
36‧‧‧燃燒室
38‧‧‧熱交換室
圖1係說明本發明及一預重組器、重組器及燃料電池堆之整合的簡單方塊圖。
圖2係本發明之預重組器的橫截面視圖。
雖然本發明容許各種修改及其它替代形式，但是圖中僅以實例展示其特定實施例且本文詳細描述該等實施例。然而，應瞭解，本文特定實施例描述不意欲將本發明限制於所揭示之特定形式，而相反，其意欲覆蓋屬於由附加之專利申請範圍界定之本發明精神及範疇的所有修改、等價物及替代物。
2‧‧‧混合器
6,8‧‧‧外壁
10‧‧‧預重組器
14‧‧‧電加熱元件/開口
16‧‧‧燃燒催化劑
18a,18b‧‧‧熱交換元件
22,24,32‧‧‧入口
26,28‧‧‧出口
30‧‧‧燃燒排氣裝置
36‧‧‧燃燒室
38‧‧‧熱交換室

Claims (25)

  1. 一種用於在一燃料重組器中快速加熱反應物之裝置，該裝置包括：一燃燒區，其具有一封閉一燃燒室之外壁及一置放於該燃燒室中之催化劑，該催化劑為燃燒氣體及熱之通行提供一穿過該燃燒室之非擴散流動通道；一視情況採用之位於該燃燒室上游以用於混合二或多種燃燒反應物之混合器；視情況採用之位於該燃燒室上游以用於在接觸該催化劑之前預熱該等燃燒反應物之加熱構件；以及一與該燃燒室流體連通之熱回收區，該熱回收區具有一界定一熱回收室之外壁、置放於該熱回收室中之至少一個熱交換元件，該熱交換元件具有一用於接收重組反應物之入口及一用於將受熱之重組反應物引導出該熱回收區並進入一燃料重組器之出口；其中該燃燒區相對於該熱回收區而升高。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該加熱構件係一位於該裝置外部之熱源。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該加熱構件係一置放於該燃燒室中之熱輻射元件。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該催化劑係一單塊催化劑。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱交換元件係盤管。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱回收室具有至少兩個設置於其中之熱交換元件。
  7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該等至少兩個熱交換元件包括第一及第二熱交換元件，該第一熱交換元件具有一用於交換熱之表面區域，其比該第二熱交換元件之表面區域小。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該第二熱交換元件將水轉換成蒸汽。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該燃燒區之該外壁與該熱回收區之該外壁形成該裝置之一外殼。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中一熱交換元件之該入口及該出口位於該熱回收區之該外壁之較低部分上。
  11. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該外殼係圓柱形的。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該圓柱具有一小於約10英吋之內徑。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該圓柱具有一小於約8英吋之內徑。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中該圓柱具有一小於約6英吋之內徑。
  15. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該外殼具有一長度及一直徑，且該長度及該直徑之一比例在約7：1與4：1之間。
  16. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱交換元件之入 口與一用於接收及轉化水為蒸汽之水源流體連通。
  17. 一種用於快速啟動之整合之燃料處理裝置，該裝置包括：一預重組器，其組態成可向一燃料重組器提供一受熱之燃料重組反應物，該預重組器包括：一燃燒區，其具有一封閉一燃燒室之外壁及一置放於該燃燒室中之催化劑，該催化劑為燃燒氣體及熱之通行提供一穿過該催化劑之非擴散流動通道；一與該燃燒區流體連通之熱回收區，該熱回收區具有一界定一外壁之熱回收區，至少一個熱交換元件置放於該熱回收室中，該熱交換元件具有一用於接收一反應物之入口及一用於將一熱反應物引導出該熱回收區之出口；其中該燃燒區相對於該熱回收區而升高；以及一燃料重組器，其連接至該熱交換元件之該出口以用於自該預重組器接收一受熱反應物。
  18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該燃料重組器係一底部進料蒸汽重組器。
  19. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該預重組器組態成可自一燃料電池接收一廢氣且將該廢氣引導至該燃燒區。
  20. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該燃燒區之該外壁與該熱回收區之該外壁形成該預重組器之一外殼。
  21. 如申請專利範圍第20項之裝置，其中該外殼具有一長度 及一直徑，且該長度及直徑之一比例在約7：1與4：1之間。
  22. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中一熱交換元件之該入口及該出口位於該熱回收區之該外壁之較低部分上。
  23. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中該熱交換元件之入口與一用於接收及轉化水為蒸汽之水源流體連通。
  24. 一種用於快速啟動之整合的燃料處理裝置，該裝置包括：一組態成可向一燃料重組器提供一受熱重組反應物的預重組器，該預重組器包括一外殼、一其中置放有一燃燒催化劑以用於產生受熱燃燒氣體之燃燒室及一其中置放有至少一個熱交換元件之熱回收區，該熱交換元件具有一用於接收一反應物之入口及一用於將一受熱反應物引導出該熱回收區之出口；該外殼具有一長度及一直徑，且該長度及直徑之一比例在約7：1與4：1之間；以及一燃料重組器，其連接至該熱交換元件之該出口以用於自該預重組器接收一受熱反應物。
  25. 如申請專利範圍第24項之裝置，其中該熱交換元件之入口與一用於接收及轉化水為蒸汽之水源流體連通。
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Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6010289A (en) * 1996-04-10 2000-01-04 Permanent Technologies, Inc. Locking nut, bolt and clip systems and assemblies
US9113577B2 (en) * 2001-11-27 2015-08-18 Thermotek, Inc. Method and system for automotive battery cooling
US7082753B2 (en) * 2001-12-03 2006-08-01 Catalytica Energy Systems, Inc. System and methods for improved emission control of internal combustion engines using pulsed fuel flow
JP5002885B2 (ja) * 2004-04-26 2012-08-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101127688B1 (ko) * 2004-12-07 2012-03-23 에스케이이노베이션 주식회사 원통형 소형 개질 장치
US8177545B2 (en) * 2004-12-17 2012-05-15 Texaco Inc. Method for operating a combustor having a catalyst bed
DE102004062152A1 (de) * 2004-12-23 2006-07-13 Bayerische Motoren Werke Ag System aus einer Brennstoffzelle und einer Brennkraftmaschine
US20090038701A1 (en) * 2006-01-17 2009-02-12 Baxter International Inc. Device, system and method for mixing
WO2007137271A1 (en) * 2006-05-22 2007-11-29 University Of Notre Dame Du Lac Catalysts for hydrogen production
US7966830B2 (en) * 2006-06-29 2011-06-28 The Boeing Company Fuel cell/combustor systems and methods for aircraft and other applications
US7578669B2 (en) * 2006-12-14 2009-08-25 Texaco Inc. Hybrid combustor for fuel processing applications
US7832364B2 (en) * 2006-12-14 2010-11-16 Texaco Inc. Heat transfer unit for steam generation and gas preheating
US20080141584A1 (en) * 2006-12-14 2008-06-19 Texaco Inc. Methods for Using a Catalyst Preburner in Fuel Processing Applications
US20090246578A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-01 Clearedge Power, Inc. Thermal management in a fuel cell system
JP5576863B2 (ja) * 2008-07-02 2014-08-20 パワーセル スウェーデン アーベー 炭化水素燃料を水素リッチガスに転化するための改質反応器及び方法
CN105293435A (zh) * 2008-07-02 2016-02-03 瑞典电池公司 将烃类燃料转化为富氢气体的方法
JP2011088779A (ja) * 2009-10-22 2011-05-06 Jx Nippon Oil & Energy Corp 水素製造装置および燃料電池システム
US8673510B2 (en) * 2010-10-11 2014-03-18 Dcns Sa Systems and methods for maintaining hydrogen-selective membranes during periods of inactivity
DE102011014217A1 (de) * 2011-03-17 2012-09-20 Thyssenkrupp Uhde Gmbh Verfahren zur Inbetriebnahme autothermer Reformierungsreaktoren
DE102011107669B4 (de) * 2011-07-12 2022-02-10 Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG Kraftstoffbehandlungsvorrichtung
US8745974B2 (en) * 2012-01-31 2014-06-10 Caterpillar Inc. Exhaust system
CN104112866B (zh) * 2013-04-19 2016-12-28 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种燃料电池系统用的燃烧重整预混一体化装置
CN104112867B (zh) * 2013-04-19 2016-07-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种sofc系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置及发电系统
SE539758C2 (en) 2014-12-04 2017-11-21 Powercell Sweden Ab Catalytic burner arrangement
US10364985B2 (en) * 2016-12-12 2019-07-30 Olen Creative Group, LLC. Bio-fuel furnace
EP3580801B1 (de) * 2017-02-09 2021-01-27 AVL List GmbH Startbrenner für ein brennstoffzellensystem
AT520612B1 (de) * 2017-10-22 2020-04-15 Avl List Gmbh Brenner für ein Brennstoffzellensystem mit zwei Reaktionskammern
TWI658639B (zh) * 2017-11-20 2019-05-01 財團法人工業技術研究院 燃料電池系統的模組化設備
CN108592059A (zh) * 2018-07-25 2018-09-28 上海兰宝环保科技有限公司 一种有机废气催化燃烧装置
CN111378513B (zh) * 2018-12-28 2021-04-06 中国石油化工股份有限公司 一种生物质处理用助剂及生物质气化处理方法
US11618676B2 (en) 2020-10-23 2023-04-04 H2 Powertech, Llc Systems and methods for increasing the hydrogen permeance of hydrogen-separation membranes in situ

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547368A (en) * 1993-03-01 1996-08-20 Air Products And Chemicals, Inc. Process and device for combustion-enhanced atomization and vaporization of liquid fuels
US5584178A (en) * 1994-06-14 1996-12-17 Southwest Research Institute Exhaust gas combustor
US6077620A (en) * 1997-11-26 2000-06-20 General Motors Corporation Fuel cell system with combustor-heated reformer
US6257868B1 (en) * 1996-11-13 2001-07-10 Franz Durst Method and device for the combustion of liquid fuel

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2614670A1 (de) 1976-04-05 1977-10-13 Siemens Ag Gasgenerator zur katalytischen umsetzung von zu verdampfendem fluessigem, kohlenwasserstoffhaltigen brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen gas bei erhoehter temperatur in ein brenngas, insbesondere zur speisung von brennkraftmaschinen
US4522894A (en) 1982-09-30 1985-06-11 Engelhard Corporation Fuel cell electric power production
US4844837A (en) 1982-09-30 1989-07-04 Engelhard Corporation Catalytic partial oxidation process
US4909808A (en) * 1987-10-14 1990-03-20 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Steam reformer with catalytic combustor
GB2212256B (en) * 1987-11-12 1992-04-22 James Gray Improvements in and relating to heat exchangers
US6232005B1 (en) * 1997-11-20 2001-05-15 General Motors Corporation Fuel cell system combustor
US6254807B1 (en) 1998-01-12 2001-07-03 Regents Of The University Of Minnesota Control of H2 and CO produced in partial oxidation process
US6348278B1 (en) 1998-06-09 2002-02-19 Mobil Oil Corporation Method and system for supplying hydrogen for use in fuel cells
DE60022182T2 (de) 1999-05-03 2006-06-14 Nuvera Fuel Cells Autothermen dampfreformierungsystem mit integrierten shift betten , reaktor für präferentielle oxidation ,hilfsreaktor und systemsteuerungen
US6190623B1 (en) 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
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
US6835354B2 (en) 2000-04-05 2004-12-28 Hyradix, Inc. Integrated reactor
JP4310881B2 (ja) * 2000-04-12 2009-08-12 トヨタ自動車株式会社 燃焼加熱装置およびこれを備える燃料改質装置並びに燃料電池システム
US6497856B1 (en) 2000-08-21 2002-12-24 H2Gen Innovations, Inc. System for hydrogen generation through steam reforming of hydrocarbons and integrated chemical reactor for hydrogen production from hydrocarbons
US6521204B1 (en) 2000-07-27 2003-02-18 General Motors Corporation Method for operating a combination partial oxidation and steam reforming fuel processor
DE10148620B4 (de) * 2000-10-06 2009-04-23 Denso Corp., Kariya-shi Wasserstoffversorgungsvorrichtung
WO2002045836A1 (en) 2000-12-05 2002-06-13 Texaco Development Corporation Conversion of hydrocarbon fuel to hydrogen rich gas for feeding a fuel cell
WO2002047464A2 (en) 2000-12-12 2002-06-20 Texaco Development Corporation Nested compact fuel processor for producing hydrogen rich gas
EP1350071B1 (en) 2000-12-13 2013-04-03 Texaco Development Corporation Single chamber compact fuel processor
KR100952343B1 (ko) 2001-04-18 2010-04-13 텍사코 디벨롭먼트 코포레이션 탄화수소 연료 처리 방법 및 장치, 연료 전지 조작 방법
BR0209160A (pt) 2001-04-26 2004-08-03 Texaco Development Corp Processador de combustìvel compacto
JP3693291B2 (ja) 2001-05-15 2005-09-07 本田技研工業株式会社 原燃料蒸発装置、原燃料蒸発方法及び原燃料蒸発装置を備えた燃料電池システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547368A (en) * 1993-03-01 1996-08-20 Air Products And Chemicals, Inc. Process and device for combustion-enhanced atomization and vaporization of liquid fuels
US5584178A (en) * 1994-06-14 1996-12-17 Southwest Research Institute Exhaust gas combustor
US6257868B1 (en) * 1996-11-13 2001-07-10 Franz Durst Method and device for the combustion of liquid fuel
US6077620A (en) * 1997-11-26 2000-06-20 General Motors Corporation Fuel cell system with combustor-heated reformer

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NO20055174L (no) 2006-01-03
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US20040194384A1 (en) 2004-10-07
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WO2004090075A2 (en) 2004-10-21
BRPI0409144A (pt) 2006-03-28
AU2004227329A1 (en) 2004-10-21
CN1791663A (zh) 2006-06-21

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