專利名稱：蒸汽重整燃料處理機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及制備氫氣的燃料處理機，更特別地涉及一種由含碳原料和水制備氫氣的蒸汽重整爐。
背景技術：
純化的氫用于生產(chǎn)許多產(chǎn)品，包括金屬、食用油脂、和半導體和微電子。純化的氫還是一種用于許多能量轉換裝置的重要的燃料源。例如，燃料電池使用純化的氫和氧化劑來產(chǎn)生電勢?？梢杂酶鞣N工藝和設備來制備該燃料電池消耗的氫氣。一個這樣的工藝為蒸汽重整，其中氫氣是由含碳原料和水制得的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種從水和諸如醇或烴的含碳原料制備氫氣的蒸汽重整爐。該蒸汽重整爐包括氫產(chǎn)生區(qū)，其中含有氫氣和其它氣體的混合氣體流由水和含碳原料制得。該蒸汽重整爐包括分離區(qū)，其中混合氣體流被分離成含有至少基本為純氫的富氫流，和含有至少大部分為其它氣體的副產(chǎn)物流。在一些實施方案中，該蒸汽重整爐為垂直定向燃料處理機。在一些實施方案中，分離區(qū)包括至少一層氫選擇性膜。在一些實施方案中，蒸汽重整爐進一步包括精加工區(qū)，在其中進一步純化從分離區(qū)中產(chǎn)生的富氫流。在一些實施方案中，重整爐包括一個外部金屬或密封陶瓷殼。
附圖簡述

圖1為燃料處理系統(tǒng)的示意圖。
圖2為包括蒸汽重整爐的燃料處理系統(tǒng)的示意圖。
圖3為圖2的燃料處理系統(tǒng)，進一步包括精加工區(qū)的示意圖。
圖4為燃料電池系統(tǒng)的示意圖，該燃料電池系統(tǒng)包括一個燃料電池組和一個按照本發(fā)明的蒸汽重整爐。
圖5為按照本發(fā)明的蒸汽重整爐的剖視示意圖。
圖6為按照本發(fā)明的另一個蒸汽重整爐的剖視示意圖。
圖7為用于按照本發(fā)明的蒸汽重整爐的說明性的汽化區(qū)的剖視圖。
圖8為說明按照本發(fā)明的用于蒸汽重整爐的汽化、重整和/或純化區(qū)的示例結構的局部剖視圖。
圖9為說明按照本發(fā)明的蒸汽重整爐的重整和分離區(qū)的局部剖視圖。
圖10為說明按照本發(fā)明的其它蒸汽重整爐的重整和分離區(qū)的局部剖視圖。
圖11為按照本發(fā)明的另一個蒸汽重整爐的側視圖。
圖12為圖11的蒸汽重整爐的部件分解立體圖。
圖13為沿著圖11中直線13-13剖開的圖11的蒸汽重整爐的剖視圖。
圖14為沿著圖11中直線14-14剖開的圖11的蒸汽重整爐的剖視圖。
圖15為沿著圖14中直線15-15剖開的圖11的蒸汽重整爐的剖視圖。
圖16為按照本發(fā)明的另一個蒸汽重整爐的立體圖。
圖17為沿著圖16中直線17-17剖開的圖16的蒸汽重整爐的局部剖視圖。
圖18為沿著圖16中直線18-18剖開的圖16的蒸汽重整爐的剖視圖。
圖19為沿著圖18中直線19-19剖開的圖17的蒸汽重整爐的剖視圖。
圖20為用于蒸汽重整爐或其它燃料處理機的陶瓷殼的立體圖。
圖21為用來安放按照本發(fā)明的蒸汽重整爐的圖20的殼的剖視圖。
圖22為圖21的殼的一部分的局部剖視圖。
圖23為按照本發(fā)明的另一個陶瓷殼的剖視圖。
圖24為按照本發(fā)明的另一個陶瓷殼的立體圖。
圖25為按照本發(fā)明的另一個陶瓷殼的剖視圖。
本發(fā)明的詳細說明和最佳實施方式圖1說明了燃料處理系統(tǒng)10的示意圖。系統(tǒng)10包括燃料處理機12，其用于從原料流16來生產(chǎn)產(chǎn)物氫氣流14。如圖所示，燃料處理機10包括氫產(chǎn)生區(qū)18，其中產(chǎn)生含有氫氣和其它氣體的混合氣體流20，和分離區(qū)或分離組件22，其中該混合氣體流被分離成含有至少基本為純氫氣體的富氫流24，和含有相當大部分的其它氣體的副產(chǎn)物流26。至少相當大部分的富氫流24形成產(chǎn)物氫氣流14。副產(chǎn)物流可以用作燃料、排空、送到燃燒器中、用作加熱過的流體流、儲存為以后使用等等。
可以使用各種裝置來從各種原料流16生產(chǎn)混合氣體流20。例如，電解是一種氫生產(chǎn)工藝，其中由水制得氫氣和氧氣。其它類型的氫生產(chǎn)裝置，例如部分氧化和高溫分解，都利用由諸如醇或烴的含碳原料組成的原料流來生產(chǎn)混合氣體流。在有的其它裝置中如圖2所示，原料流16包括水30和含碳原料32。合適的含碳原料的實例包括醇和烴。合適的醇的非排它實例包括甲醇、乙醇和多元醇，例如乙二醇和丙二醇。合適的烴的實例包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油，汽油，和類似物。
氫生產(chǎn)裝置的一個實例為蒸汽重整，其中的原料流16包括水和含碳原料。在蒸汽重整工藝中，氫產(chǎn)生區(qū)18含有重整催化劑34。在這樣的實施方案中，燃料處理機12可被稱為蒸汽重整爐(如圖2中的13所示)，氫產(chǎn)生區(qū)18可被稱為重整區(qū)36，并且混合氣體流20可被稱為重整產(chǎn)物流。合適的蒸汽重整催化劑的實例包括含有銅-鋅成分的低溫變換催化劑和由Süd-Chemie公司以商品名KMA出售的含有鉻成分的催化劑，盡管其它的也可以使用。典型地存在于重整產(chǎn)物流中的其它氣體包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽和/或未反應的含碳原料。
優(yōu)選，蒸汽重整爐13用于生產(chǎn)基本上為純氫的氣體，并且甚至更優(yōu)選，該燃料處理機用于生產(chǎn)純氫氣體。為了本發(fā)明的目的，基本上為純氫的氣體純度大于90％，優(yōu)選純度大于95％，更優(yōu)選純度大于99％，并且甚至更優(yōu)選純度大于99.5％。在美國專利號為6,221,117和6,319,306的美國專利和于2001年3月8日申請、標題為“燃料處理機和系統(tǒng)及含有這些的設備”、序號為09/802,361的待審美國專利申請中公開了合適的蒸汽重整爐的實例，由于種種目的其每個實例都全部引入以供參考。
原料流16可通過任何合適的方式輸送到蒸汽重整爐13中。單個原料流16在圖2中顯示，但是，使用超過一個的流16和這些流含有相同或不同的組分都落在本發(fā)明的范圍內。當含碳原料32能與水混溶時，該原料典型地在和原料流16的水組分相同的流體導管中輸送，如圖2中所示。當含碳原料與水不能混溶或僅僅微溶于水時，這些組分典型地以單獨的流分別輸送到燃料處理機10中，如圖3中所示。
蒸汽重整爐典型地在200℃到700℃的溫度范圍內、和50psi到300psi的壓強范圍下運行，盡管在這些范圍外的溫度和壓強也在本發(fā)明的范圍內。當含碳原料為醇時，蒸汽重整反應典型地在大約200到500℃的溫度范圍內進行；并且當含碳原料為烴時，該蒸汽重整反應將應用大約在400到700℃的溫度范圍。因而，原料流16典型地在所選定的壓強下被輸送到燃料處理機中，例如在上述示例范圍內的壓強下。為了加熱蒸汽重整爐13到所選定的工作溫度，例如在上述示例范圍內的溫度，該蒸汽重整爐典型地包括或聯(lián)有加熱組件38，其用于加熱該蒸汽重整爐。加熱組件38如圖2中所示，從而用圖示表明該加熱組件可以被安在蒸汽重整爐之內、蒸汽重整爐的外部、或者兩者都有。加熱組件38可以利用任何合適的加熱機制或裝置來加熱該蒸汽重整爐到所選定的工作溫度。例如，加熱組件38可以包括電阻加熱器、燃燒器或其它燃燒單元，其產(chǎn)生加熱過的排氣流、與加熱過的流體流熱交換等。在圖2中，顯示出加熱組件38包括燃料流40，其組分和類型往往根據(jù)用來產(chǎn)生熱量的機制不同而變化。例如，當加熱組件38是燃燒器或者換句話說通過燃燒產(chǎn)生熱量時，流40包括一道燃料流，例如醇或烴，和/或諸如氫氣的可燃氣體。當加熱組件38包括電阻加熱器時，那么流40包括一個連到電力源上的電連接。在一些實施方案中，原料流16可以在高溫下輸送到蒸汽重整爐中，并從而可以提供至少一部分所需熱量。當使用燃燒器或其它燃燒室時，消耗燃料流并產(chǎn)生加熱過的排氣流。
分離區(qū)22可以利用任何合適的分離結構而把混合氣體流20分離成富氫流24和副產(chǎn)物流26。雖然在圖1和2中已經(jīng)圖示了每一道這些流的單道流，但是這也在本發(fā)明的范圍內分離區(qū)22產(chǎn)生不止一道的每一道這些流，然后它們可以在離開分離區(qū)之前或之后合并。
用于分離區(qū)22的合適的分離結構為一種或多種氫可滲透膜和/或氫選擇性膜，如圖2和3中的46所示。該膜可以由在分離區(qū)22運行的工作環(huán)境和參數(shù)下適于使用的任何氫滲透性材料形成。用于膜46的合適的材料的實例包括鈀和鈀合金，并且特別包括這種金屬和金屬合金的薄膜。鈀合金已被證實特別有效，特別是具有35重量％到45重量％銅的鈀。含有大約40重量％銅的鈀銅合金已被證實特別有效，盡管在本發(fā)明的范圍內可以使用其它相關的濃度和組分。
氫選擇性膜典型地由厚度大約為0.001英寸的薄箔形成。然而，這也在本發(fā)明的范圍內該膜可以由其它氫可滲透材料和/或氫選擇性材料組成，這些材料包括除了那些上面討論到的以外的金屬和金屬合金以及非金屬材料和組合物，而且該膜的厚度可以大于或小于上面討論到的厚度。例如，可以使該膜更薄，氫流量相應增加。用來降低膜厚度的合適機制的實例包括滾軋、濺射和蝕刻。在美國專利6,152,995中公開了合適的刻蝕工藝，由于種種目的其整個公開文本都在此引入以供參考。在美國專利6,221,117、6,319,306和6,537,352中公開了各種膜、膜結構和制備它們的方法的實例，由于種種目的其整個公開文本都在此引入以供參考。
用于分離區(qū)22的合適的壓力分離工藝的另一個實例為壓力回轉吸收，如圖2中用點劃線所示的47。在壓力回轉吸附(PSA)工藝中，從含氫氣流中去除氣體雜質。PSA基于以下原理某些氣體在適當?shù)臏囟扰c壓力條件下，能比其它氣體更牢固地被吸附到吸附材料上。典型地，是雜質被吸附，并因此被從重整產(chǎn)物流20中除去。使用PSA進行氫提純之所以成功是由于普通雜質氣體(例如CO、CO2、包括CH4的烴、和N2)在吸附材料上的較強的吸附作用。氫的吸附就非常弱，因此當雜質被留在吸附材料上時，氫卻通過該吸附床。雜質氣體，例如NH3、H2S和H2O，在吸附材料上的吸附非常強，并且因此隨著其它雜質一起從流20中除去。如果該吸附材料打算再生，并且在流20中存在這些雜質，那么由于這些雜質較難解吸，所以分離區(qū)22優(yōu)選包括一種合適的設備，該設備用來在流20輸送到吸附材料之前除去這些雜質。
雜質氣體的吸附在高壓下發(fā)生。當壓強降低時，雜質從吸附材料上解吸，從而再生該吸附材料。典型地，PSA為循環(huán)過程并且為了連續(xù)操作(與批次操作相反)需要至少兩個床。可以用于吸附劑床的合適的吸附劑材料的實例為活性碳和沸石，尤其是5(5埃)沸石。該吸附材料通常為顆粒狀，并且按常規(guī)的填充床結構被放在圓柱形壓力容器中。然而，使用其它合適的吸附材料組分、外形和結構也在本發(fā)明的范圍內。
蒸汽重整爐13可以，但并不必定進一步包括精加工區(qū)48，如圖3中所示。精加工區(qū)48接收從分離區(qū)22出來的富氫流24，并通過降低其中所選組分的濃度或除去該所選組分而進一步純化該流。在圖3中，純化氫流用50表示，并且至少相當大部分的此流形成產(chǎn)物氫氣流14。例如，當流14打算用在燃料電池組中時，那么如有必要，可以從該富氫流中除去那些會損害燃料電池組的成分，例如一氧化碳和二氧化碳。至于燃料電池組，例如質子交換膜(PEM)和堿性燃料電池組，其一氧化碳的濃度優(yōu)選小于10ppm(百萬分之一)。優(yōu)選一氧化碳的濃度小于5ppm，并且甚至更優(yōu)選小于1ppm。二氧化碳的濃度可以大于一氧化碳的濃度。例如，濃度小于25％的二氧化碳是可以接受的。優(yōu)選該濃度小于10％，更優(yōu)選小于1％。特別優(yōu)選的濃度小于50ppm。此處給出的可接受的最小濃度是示例性的實例，可以應用那些此處給出的以外的濃度，并且在本發(fā)明的范圍內。例如，特定的用戶或廠商可能需要不同于此處確定的最小或最大濃度水平或范圍。
區(qū)48包括任何合適的用來除去流24中所選的成分或降低其濃度的結構。例如，當產(chǎn)物流試圖用于PEM燃料電池組或其它設備，而如果該流中含有大于確定濃度的一氧化碳或二氧化碳會損害這些電池組或設備時，包括甲烷化催化劑52會是合乎需要的。甲烷化催化劑52使一氧化碳和二氧化碳轉變?yōu)榧淄楹退?，這兩者都不會損害PEM燃料電池組。精加工區(qū)48也可以包括重整催化劑54來使得任何未反應原料轉變?yōu)闅錃?。在該實施方案中，?yōu)選重整催化劑在甲烷化催化劑的上游，以避免在甲烷化催化劑的下游再引入二氧化碳或一氧化碳。
在圖3中，顯示了蒸汽重整爐13包括殼60，其中含有上述部件。殼60，其也可稱為罩，使得蒸汽重整爐的部件可作為整體移動。其還通過提供防護套保護蒸汽重整爐的部件免受損害，而且由于燃料處理機的部件可以作為整體被加熱而降低燃料處理機的熱需要量。殼60可以，但不必定包括隔熱材料62，例如固體隔熱材料、涂層隔熱材料、和/或空氣填充、充氣、或真空腔。然而，蒸汽重整爐沒有罩或殼也在本發(fā)明的范圍內。當蒸汽重整爐13包括隔熱材料62時，該隔熱材料可以在殼的內部、在殼的外部、或內外都有。當該隔熱材料在含有上述重整、分離和/或精加工區(qū)的殼的外部時，蒸汽重整爐可以在該隔熱體的外部進一步包括外罩或夾套64，如圖3中所示的示意圖。
蒸汽重整爐13的一個或多個部件可以或者伸到該殼以外或者位于至少殼60的外面，這些也進一步在本發(fā)明的范圍內。例如，并如圖3中的虛線所示，精加工區(qū)48可以位于殼60的外面和/或氫產(chǎn)生區(qū)18的一部分(例如一張或多張重整催化劑床的部分)可以伸到該殼以外。
如圖4中所示，按照本發(fā)明的蒸汽重整爐可以用來輸送至少一部分產(chǎn)物氫氣流14到至少一個燃料電池組70，從那里產(chǎn)生電流72。在該結構中，燃料處理機和燃料電池組可被稱為燃料電池系統(tǒng)71。雖然該重整裝置已經(jīng)在圖4中以13表示，但是已經(jīng)公開、說明、和/或在此引入的任何蒸汽重整爐可以合并到燃料電池系統(tǒng)中也在本發(fā)明的范圍內。燃料電池組70用來從輸送到的產(chǎn)物氫氣流14的部分產(chǎn)生電流。在所舉例的實施方案中，顯示和描述了單個蒸汽重整爐13和單個燃料電池組70。然而，使用的這兩種部件的一種或兩種為多個的情況也在本發(fā)明的范圍內。以下也在本發(fā)明的范圍內這些部件已經(jīng)用示意圖說明，和燃料電池系統(tǒng)可以包括沒有在附圖中明確說明的附加部件，如原料泵、空氣輸送系統(tǒng)、換熱器、加熱組件、電池，功率調節(jié)模塊，和類似物。
燃料電池組70含有至少一個，而典型地為多個燃料電池74，其用來從輸送到的產(chǎn)物氫氣流14的部分產(chǎn)生電流72。燃料電池組典型地包括多個在公共端板76之間聯(lián)合的燃料電池74，其含有流體輸出/排除導管(未顯示)。合適的燃料電池的實例包括質子交換膜(PEM)燃料電池和堿性燃料電池。燃料電池組70可以接受全部的產(chǎn)物氫氣流14。流14的一些或全部可以另外，或者可選地通過合適的導管輸送，而用于另一個消耗氫的工藝、燃燒用作燃料或加熱、或者儲存起來以后使用。在圖4的虛線中，顯示了該燃料處理系統(tǒng)(或燃料電池系統(tǒng))包括可選的氫存儲裝置77，其用來儲存至少一部分的產(chǎn)物氫氣流，如用于以后輸送到燃料電池組70中、用作燃料流等等。合適的氫存儲設備的列舉實例包括加壓罐和氫化物床。
通過電池組產(chǎn)生的電流可用來滿足至少一個所連接的能量消耗設備78的能量需要或運作荷載。設備78的列舉實例包括，但不應僅限于機動車輛、娛樂或工業(yè)用車輛、船或其它航海器、工具、燈或照明組件、器具(如家用或其它器具)、家用或其它住所、辦公室、商店或營業(yè)處所、計算機、工業(yè)設備、信號或通訊設備等。設備78如圖4中所示，并且其表示用來從燃料電池系統(tǒng)獲取電流的一種或多種設備或者設備集合。
圖4中的虛線中顯示了一個可選的儲能裝置79。設備79用來儲存燃料電池組產(chǎn)生的電流的至少一部分，并有選擇地使用該儲存電流(或電勢)來滿足運作荷載，例如來自設備78、燃料處理(或燃料電池)系統(tǒng)等的運作載荷。合適的儲能裝置的實例包括電池、飛輪和電容。如上所述，設備78用來把荷載應用到燃料電池系統(tǒng)上(例如到一個或多個儲能裝置和燃料電池組上)，其中該系統(tǒng)用來提供電流以滿足該運作載荷。
原料流16典型地通過合適的原料流輸送系統(tǒng)輸送到蒸汽重整爐中，如圖4中的17所示的示意圖。輸送系統(tǒng)17包括任何合適的把原料流輸送到蒸汽重整爐13中的裝置、設備、或其組合。例如，輸送系統(tǒng)可以包括一種或多種泵，從一種或多種給料來輸送組分流16。另外或可選地，系統(tǒng)17可以包括閥門組件來調節(jié)來自加壓給料的組分流。給料可以安在燃料處理系統(tǒng)的外部，或者可以安在該系統(tǒng)之中或附近。
圖5中，顯示了按照本發(fā)明的蒸汽重整爐的剖視示意圖并整體上以100表示。重整裝置100具有和已結合圖2進行說明并描述過的重整裝置相同的部件。這也在本發(fā)明的范圍內重整裝置100用于任何在此描述、說明和/或引入的燃料處理或燃料電池系統(tǒng)，和重整裝置100包括任何在此描述、說明和/或引入的元件、子元件及變體。類似地，在此描述、說明和/或引入的其它重整裝置還可以包括相應于重整裝置100描述、說明和/或引入過的元件。
正如所示，重整裝置100包括位于中心的加熱組件38。在所列舉的實施方案中，加熱組件38包括點火區(qū)102，在其中引燃燃料流40，典型地與氣流104一起燃燒。在圖5中還顯示了點火源106，例如一個或多個火花塞、熱線點火塞、燃燒催化劑、點火焰或其它用于燃料流40的點火的合適的裝置或設備。正如所示，加熱組件位于蒸汽重整爐的加熱室108之中，通過加熱組件而產(chǎn)生的熱量從加熱室中被傳遞到蒸汽重整爐100的其它部件。在重整裝置100的實施方案中，其中加熱組件包括燃燒器或其它燃燒源，加熱室可被稱為燃燒區(qū)。如圖6中所示的示意圖，被加熱過的排出氣體從點火區(qū)102中產(chǎn)生和/或逸出，進入到燃燒室108中。
在圖5的說明性實施方案中，加熱組件在加熱室的中心安置，并且完全、或基本上完全被包含在該室之內。然而，這也在本發(fā)明的范圍內加熱組件或者位于該蒸汽重整爐之內或者與之連接，如在圖2和3中所論述和說明的，和如圖6所示，點火區(qū)基本位于該區(qū)域的外部，而通過隨后描述的汽化區(qū)110連接。在這些示例性位置之間的結構也在本發(fā)明的范圍內，例如一部分在汽化區(qū)之內、一部分在汽化區(qū)之外的加熱組件。
如上所述，對于蒸汽重整燃料處理機，原料流16包括水和至少一種醇和烴。該原料流在輸送到重整區(qū)36之前，應該至少基本上、并優(yōu)選完全氣化。當原料流16在輸送到重整裝置13的工作參數(shù)下為氣體時，那么該原料流可以直接輸送到該重整區(qū)，如圖5中的虛線所示。然而，即便使用氣體原料流16，在該流輸送到重整區(qū)之前，把該流加熱到至少所選定的重整溫度是優(yōu)選的。例如，該原料流可以在輸送到重整區(qū)36之前穿過燃燒區(qū)108，或者另外穿過或圍繞重整裝置100而被加熱。在許多實施方案中，由于蒸汽重整反應的吸熱性質，所以把該原料流加熱到高于所選定的重整溫度是優(yōu)選的。
在許多實施方案中，原料流16以至少基本上為液相的形態(tài)輸送到蒸汽重整爐。如上所述，流16的不互溶的組分，如水和不能與水混溶的含碳原料32(即大多數(shù)的烴)，可以在汽化之前以單獨的流分別輸送。能混溶的原料流組分，如水和醇或其它水溶性含碳原料，將典型地以同一個流輸送。在那些當原料流16輸送到蒸汽重整爐時至少基本上為液相的實施方案中，該原料流在輸送到重整區(qū)36之前在該蒸汽重整爐的汽化區(qū)110中汽化。在所列舉的實施方案中，該汽化區(qū)在加熱組件周圍延伸。雖然顯示了同心安置并在徑向與加熱組件38間隔，但是汽化區(qū)另外位于該重整裝置的內部或甚至外部也在本發(fā)明的范圍內。類似地，汽化區(qū)110可以與該加熱組件接觸到或者相對于該加熱組件非同心地安置。
合適的汽化區(qū)110的列舉實例如圖7所示。正如所示，該汽化區(qū)包括蛇行導管112，其可由在汽化區(qū)中所經(jīng)受的工作參數(shù)下化學穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的任何合適的材料形成。合適的材料的實例為抗氧化材料，如哈斯特洛伊鎳基耐蝕耐熱合金(Hastelloy)、因科洛依合金(Incoloy)和哈氏鈷鉻鎢合金(Haynes alloys)。原料流16在該導管的入口114被引入，該入口例如可以位于蒸汽重整爐100的外部或者可以從外部達到，并在汽化區(qū)的出口116作為汽化原料流16’離開該汽化區(qū)。正如所述，汽化原料流16，輸送到重整區(qū)36，其典型地具有一個或多個入口管，隨后將更詳細地論述。因此，圖7用實線表明汽化區(qū)可以具有相對于該重整裝置的中心軸140測量的、緊鄰入口114的出口116；并用虛線表明區(qū)110可以包括相對于中心軸遠離入口114的出口116’。很清楚這些部件的最理想的位置傾向于變化，例如因汽化原料流相對于進入重整區(qū)的入口的理想的位置不同而變化。類似地，該重整裝置可被裝配成如上所述的入口和出口的相對位置，以相反或其它方式定位而不背離本發(fā)明的范圍。
如上所述，加熱組件38可以包括燃燒器，如圖6中的虛線118所示。正如在此處使用的，“燃燒器”的意思泛指利用燃料流來產(chǎn)生熱量的設備。在這樣的實施方案中，該燃燒器產(chǎn)生加熱過的排氣流120。由于重整裝置13的尺寸常常相對緊湊，因此燃料流40的燃燒常常在區(qū)102中引發(fā)并在燃燒室108中繼續(xù)。在這樣的實施方案中，遠離點火區(qū)102的燃燒區(qū)及燃燒區(qū)附近的區(qū)常常是最熱的。在圖6中，顯示出重整裝置100包括在分離區(qū)22末端的熱量偏轉的或隔熱的結構124，以減少傳到該分離區(qū)中的熱量。換句話說，可以在燃燒區(qū)和分離區(qū)之間安置隔熱層或隔熱罩以減少加熱組件加熱分離區(qū)的程度。該材料或形成結構124的材料優(yōu)選選擇那些在燃燒區(qū)108中所經(jīng)受的工作參數(shù)下熱穩(wěn)定的，并且能夠充分地隔離分離組件以保持該分離組件的溫度等于或低于選定溫度閾值，或者能夠相對于緊鄰該分離組件的燃燒區(qū)中的溫度保持在選定的溫差下。合適的材料的實例包括不銹鋼，例如SS 304、SS 316、FeCrAlY和上述抗氧化合金。分離區(qū)22的閾值溫度至少會隨區(qū)22中使用的分離結構的類型而改變。例如，當在分離區(qū)22中使用鈀銅氫選擇性膜時，優(yōu)選該膜不被加熱到超過大約450℃，或者在一些實施方案中不超過400℃，在連續(xù)的周期下，如數(shù)小時或幾天。
在重整裝置100的實施方案中，其中使用加熱過的燃燒排氣流來加熱汽化區(qū)到所選定的工作溫度或溫度范圍，在該燃燒區(qū)之內的溫度分布通常不均勻。反而，該溫度在該區(qū)域之內傾向于改變，如上所述。為了減少在燃燒區(qū)和/或汽化區(qū)之內，“熱點”或局部高溫區(qū)域的出現(xiàn)和/或嚴重程度，重整裝置100可以，但不必定包括散熱器或熱量擴散結構130。當熱量從燃燒區(qū)108傳遞到汽化區(qū)110時，結構130用來降低和/或驅散這些熱點。散熱器130的列舉實例如圖6中所示和如圖7和8中的不完全視圖所示。散熱器130用來使汽化導管112具有比沒有該散熱器的情況下更均勻的溫度分布。由于該散熱器傳導和輻射熱量，所以隨著較熱區(qū)域的熱量被分配到該散熱器和包圍結構的周圍區(qū)域，熱點的溫度將趨于降低。用作散熱器130的合適的材料的實例為FeCrAlY或上述其它抗氧化合金中的一種。
在包括散熱器130的重整裝置100的實施方案中，該散熱器的合適的位置通常在汽化區(qū)和加熱組件之間，如圖6-8中的實線所示。該散熱器典型地如果不完全延伸包圍的話，至少大體上延伸包圍該汽化區(qū)和/或加熱組件。散熱器130的另一個合適的位置為該散熱器包圍氫產(chǎn)生區(qū)，如圖6-8中的虛線所示。這也在本發(fā)明的范圍內例如以重疊、間隔分離和/或同心結構，包括圖6-8中所示的兩個示例的散熱器位置，使用一個或多個散熱器。圖6-8中所示的示例結構中，多個重整催化劑床可描述為集體定義內部和外部周邊，其中散熱器延伸至少大體上包圍該多個重整催化劑床的內部和/或外部周邊中的至少一個。散熱器130應由燃燒排氣可以通過的材料形成。合適材料的實例包括紡織或其它金屬網(wǎng)或金屬纖維結構、多孔金屬網(wǎng)和穿孔金屬板材料。所使用的材料應該具有足夠的厚度或耐用性，以致當暴露于重整裝置100中的工作參數(shù)下時，它們不會氧化或者另外不利地反應。作為列舉實例，20-60目范圍內的金屬網(wǎng)已被證實有效，其中40目的范圍內的網(wǎng)孔是優(yōu)選的。如果該網(wǎng)孔太小，那么形成該材料的網(wǎng)線趨于氧化和/或不具有足夠的導熱值來有效地分散所產(chǎn)生的熱量。
繼續(xù)論述圖5中所示的列舉實例，汽化原料流從汽化區(qū)110輸送到重整區(qū)36，其中混合氣體流20由原料流制得。在該說明性實施方案中，該重整區(qū)可以被描述為延伸包圍加熱組件38、燃燒室108和/或汽化區(qū)110。雖然在圖5和6中說明了重整區(qū)同心地圍繞汽化區(qū)110，但是重整區(qū)的形狀和相對位置可以改變也在本發(fā)明的范圍內。
重整產(chǎn)物流20從重整區(qū)36輸送到分離區(qū)22，如圖5中所示。正如所述，分離區(qū)22把包含氫氣和其它氣體的重整產(chǎn)物流分離為包含至少基本上為氫氣的富氫流24和包含至少大部分為其它氣體的副產(chǎn)物流26。在圖5和6中，顯示分離區(qū)22包括如圖所示的氫選擇性膜46。使用多于一層的膜46也在本發(fā)明的范圍內。合適的氫選擇性膜的實例正如上面描述和引入的。在美國專利6,221,117和6,319,306和美國專利申請10/086,680中公開了分離區(qū)22的合適結構的實例，由于種種目的其整個公開文本都在此引入以供參考。正如所述，使用其它分離結構和裝置也在本發(fā)明的范圍內。
正如所述，按照本發(fā)明的蒸汽重整爐可以還包括精加工區(qū)48，其中富氫流24進一步被純化。包括精加工區(qū)的重整裝置100的實例如圖6所示。在這個列舉實例中，精加工區(qū)48位于重整區(qū)36、汽化區(qū)110和/或燃燒室108的外部或徑向朝外。
在圖8中，顯示了汽化區(qū)110、重整區(qū)36，和精加工區(qū)48的合適結構的列舉實例的剖視示意圖。在圖8的右下部分，圖示該區(qū)域為明顯的同心環(huán)。其位于從該重整裝置的中心軸140徑向朝外。本發(fā)明并不要求精確的或完全的對稱。然而，已證實所圖示的結構運行良好，因為這些區(qū)域被有效地定位而使它們相互聯(lián)系并從加熱組件獲得足夠的而不是過多的熱量。雖然這也在本發(fā)明的范圍內，但是各個區(qū)域典型地不延伸為包圍加熱室或燃燒區(qū)108的固定邊界。作為替代，這些區(qū)域典型地包括一個或多個管道，其中流動著該流體流，并且在可應用的地方放置催化劑。正如在此處使用的，“管道”的意思泛指具有入口和出口、流體可以在其中流過的導管。該導管的截面結構和縱向結構可以具有任何合適的形狀，并因此可以不同于那些在此處說明的，這并不背離本發(fā)明的范圍。典型地，該管道至少部分彼此分離地分布。
在圖8的左下部分中，重整區(qū)整體上以36’表示，精加工區(qū)整體上以48’表示，和汽化區(qū)整體上以110’表示。重整區(qū)36’包括多個含有重整催化劑34的重整爐管142。重整區(qū)36’還可被描述為包括多個含有重整催化劑34的重整催化劑床(142)。精加工區(qū)48’包括多個精加工管道144，其含有甲烷化催化劑52，重整催化劑54，或其它整體上以146表示的合適的過濾或提純結構。汽化區(qū)110’包括多個管道，原料流在這些管道中流過并汽化。該圖左下部分還圖示了包括燃燒區(qū)108和至少一個散熱器130的重整裝置的另一個實例。該區(qū)域的相對大小可以改變，并與所圖示的徑向結構不符合，這仍然在本發(fā)明的范圍內。為了圖示這點，在左下部分中顯示精加工管道144’通常與重整爐管142徑向排列。此外，該管道的數(shù)量和相對大小改變也在本發(fā)明的范圍內。為了圖示這點，圖8中該重整裝置的上部圖示了具有和左下部分相比管道數(shù)量不同的重整區(qū)36”和精加工區(qū)48”。該圖上部還圖示了汽化區(qū)110”，其圖示為整體延伸成圓周狀包圍燃燒區(qū)、或者開口寬闊的汽化區(qū)的管道，其還可以被描述為具有緊貼重整區(qū)的外壁、和從外壁徑向向內間隔的內壁、并包圍燃燒區(qū)的的導管。
具有多個間隔開的管道的區(qū)域的好處是加熱過的流體流，例如燃燒排出氣體，可以圍繞該管道流動，并且更容易地到達并因此加熱從該燃燒區(qū)徑向向外的重整裝置的區(qū)域。為了分配通過特定區(qū)域的管道的流體流，重整裝置100典型地包括一個或多個分配歧管，其用來接收諸如汽化原料流16’的流體流，并且把該流分配到諸如重整爐管142的相應的管道。該重整裝置可以另外或可選地包括一個或多個收集歧管，其用來接收多個類似或同樣的流體流，例如從重整爐管142中接收重整產(chǎn)物流或混合氣體流，并且把這些單獨的流合并成為一個或多個出口流，例如用來輸送到分離區(qū)22中。
在圖9和10中，顯示了重整裝置100的實例包括與重整區(qū)36和相應的重整爐管142聯(lián)系的分配和收集歧管150和152。該分配歧管接收重整原料流并把該原料流分配到重整爐管(或重整催化劑床)，例如通過把該原料流輸送到該管道(或重整催化劑床)的一端、端區(qū)域或其它輸入?yún)^(qū)域。正如所述，在該管道中產(chǎn)生含有氫氣和其它氣體的重整產(chǎn)物(或混合氣體)流。該收集歧管從重整爐管(或重整催化劑床)中接收重整產(chǎn)物(或混合氣體)流，例如從其一端、端區(qū)域或其它輸出區(qū)域。為了簡化這些附圖，已粗略地表示重整爐管。該重整爐管典型地，但并不一定彼此徑向間隔分開，以使加熱過的流體流可以在相鄰的重整爐管之間通過。類似地，僅僅粗略地圖示分離區(qū)22，并且膜或其它分離結構、富氫流24和副產(chǎn)物流26的出口并沒有在每一個實施方案中顯示。
在圖9的左側，顯示了具有分配歧管150的重整裝置100，該分配歧管150接收汽化原料流16′，并通過分配導管154把該原料流分配到多個重整爐管142，該分配導管貫穿該歧管、并與重整爐管流體相連。還顯示了收集歧管152包括收集導管156，其與重整爐管流體相連并因此用來接收離開重整爐管的重整產(chǎn)物流20。該收集導管156更進一步地與分離區(qū)22流體相連以致富氫流可以從該收集導管流到分離區(qū)中。正如所示，收集導管156可以通過內部連接導管(158)或外部連接導管(160)連接到分離區(qū)22上。
在圖9的左側所描述的說明性實施方案中，該分配歧管位于通常遠離分離組件的重整爐管的末端。然而，為了表明這種結構并不必須，圖9的右側所顯示的重整裝置100的實施方案包括位于緊鄰分離組件的重整爐管的末端的分配歧管150。在這樣的結構中，其中該重整產(chǎn)物或富氫流20被收集在位于遠離分離組件的重整爐管的末端的收集歧管152中，流20通過連接導管被輸送到該分離組件，連接導管如圖所示在該重整區(qū)的外部。當對于特定的實施方案，必須選擇連接導管為內部導管或外部導管時，會考慮幾個競爭因素。內部導管有助于生產(chǎn)或至少允許較小的或更緊湊的重整裝置。然而，內部導管往往更難以接觸到。因此，當預計該導管可能需要被周期性接觸到時，或比很少的標準要多時，那么由于外部導管更容易接觸到，可以優(yōu)選外部導管。用另一種方式描述，外部導管通常增加重整裝置的總尺寸，但更容易被接觸到。例如，外部導管可以包括可拆卸附件，其允許該導管和任何共生結構十分容易地從該重整裝置剩下的部分脫離，并隨后再連接上去。內部導管158可以另外或可選地被描述為集成導管，其不容易從該重整裝置的相應部分分離或除去，而外部導管有助于從該重整裝置的相應部分有選擇地除去或分離。
在圖9中，重整區(qū)36中通常平行、徑向間隔的每根管道中都含有重整催化劑。然而，使用這些管道中的至少一根作為內部連接導管158也在本發(fā)明的范圍內。表示這樣的結構的蒸汽重整爐100的實例如圖10所示。例如，在圖10的左側，原料流16’被輸送到內部連接導管158’。該流通常朝著分離區(qū)的方向移動到分配歧管152，在那兒該流被分配并通常朝著遠離分離區(qū)22的方向流動到多個重整爐管142中。在重整爐管中產(chǎn)生的混合氣體或重整產(chǎn)物流20被收集在遠離分離區(qū)22的收集歧管152中，然后通過另一根內部連接導管158”輸送到該分離區(qū)。在圖10的右側提供了另一個實例，其中原料流16’進入遠離分離區(qū)22的內部連接導管158’并朝著該分離區(qū)的方向流動到分配歧管150。然后該流通常在重整爐管142中朝著遠離該分離組件的方向流動，而且混合氣體流20被收集到遠離分離區(qū)22的收集歧管152中。該混合氣體流然后通過外部連接導管160流向分離區(qū)。
在圖9和10中，顯示了歧管150和1 52形成環(huán)狀，該環(huán)狀限制中心開口162。然而，該歧管不限定中心開口的情況也在本發(fā)明的范圍內。例如，緊鄰分離組件22的歧管可以包括隔熱罩124，如圖10中所示。典型地歧管的開口162遠離分離區(qū)22，加熱組件或燃燒區(qū)的至少一部分在其中穿過。然而，兩根歧管都為不限定中心開口162的固態(tài)結構也在本發(fā)明的范圍內。
在混合氣體流20被輸送到分離組件之前、用來從該流中除去諸如重整催化劑碎片的微粒的過濾組件如圖9和10中164的虛線所示?？梢允褂萌魏魏线m的過濾介質166。實例包括燒結金屬管或其它結構、多孔陶瓷材料、紡織或非紡織金屬網(wǎng)或篩，和類似物。該過濾介質應該選擇那些暴露在導管160的工作參數(shù)下時、和對混合氣體流熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定的。雖然孔隙直徑(或顆粒截止)為2-5微米的過濾介質166已被證實有效，但是使用其它等級的介質和形成沒有過濾組件的重整裝置100也在本發(fā)明的范圍內。
此處所描述和圖示的重整裝置可以定位在各種運行方向，包括水平取向，其中重整爐管通常沿著平行于水平地面的方向，并且通常橫切于重力作用在該重整裝置上的方向；和垂直取向，其中重整爐管通常沿著橫切于水平地面的方向，并且平行于重力作用在該重整裝置上的方向。雖然這兩個方向都在本發(fā)明的范圍內，但是在一些實施方案中可以優(yōu)選垂直取向，由于該重整裝置往往對于中心的燃燒器和燃燒室的產(chǎn)生的熱量具有熱對稱性和/或關于重力對稱。正如進一步的變化范圍，在垂直定位的重整裝置中，該重整裝置可以如此配置以致汽化原料流通常向上(抵抗重力)或向下(隨著重力)流動。使汽化原料流通常向上流動的好處是往往導致該重整爐管中溝流的減少。當催化劑管中存在溝流時，通過該管的氣體流動產(chǎn)生不含催化劑的通道，并且流過這些通道的氣體進行反應或充分反應的可能性較小，這和在更緊湊的、不出現(xiàn)溝流的管中一樣。
運行中，重整區(qū)36典型地被加熱到大約200-800℃范圍內的工作溫度(例如，在該重整爐管的中心軸處測量)。當含碳原料為甲醇時，重整溫度往往在200-400℃的范圍內，優(yōu)選在大約350-400℃的范圍內，更優(yōu)選在375-400℃的范圍內。典型地，汽化原料流在至少50psi并小于300psi的壓強下被輸送到重整區(qū)。在實驗中，100-200psi的壓強被證實是有效的。對于甲醇重整裝置，汽化原料流典型地被加熱到高于所選定的重整溫度，并優(yōu)選比所選定的重整溫度高至少50或100℃。該汽化原料流的溫度典型地不被加熱到超過所選定的重整溫度300℃以上，并且對于接收含有烴和/或其它醇的原料流的重整裝置，優(yōu)選該原料流不過熱。為了例示說明而不是限制，已給出了如上所述的工作參數(shù)，因此不應被認為是在本發(fā)明的范圍內可接受的工作參數(shù)的排他列舉或范圍。
按照本發(fā)明構成的另一個蒸汽重整爐(蒸汽重整燃料處理機)整體地如圖11-15中的200所示。這也在本發(fā)明的范圍內重整裝置200用于任何在此描述、說明和/或引入的燃料處理或燃料電池系統(tǒng)中，和重整裝置200包括任何在此描述、說明和/或引入的元件、子元件及變化。為了簡潔，與前面描述過的元件相同的200的元件將不再一次描述，但是，在重整裝置200中出現(xiàn)的這些元件具有任何前面描述、圖示和/或引入過的子元件和變化也在本發(fā)明的范圍內。類似地，在此描述、說明和/或引入的另一個重整裝置和燃料處理機還可以包括相對于重整裝置200描述和/或圖示過的元件。
或許在圖14和15中能最好地看出，重整裝置200在結構上類似于圖10右側所示的重整裝置100。對于圖11-15，可以看出原料流16被輸送到汽化導管的入口114，或限定汽化區(qū)110的盤管112中。汽化原料流16’流過內部連接導管158到緊鄰分離區(qū)22的分配歧管150中。該汽化原料流通過分配導管154被分配到重整區(qū)36中，其包括多個徑向間隔分開的、含有重整催化劑34的重整爐管142。在圖11-15中，重整裝置包括隔熱層或隔熱屏形式的散熱器202，其延伸包圍重整區(qū)36。當層202被加熱組件38加熱，例如被燃燒排出氣體加熱時，該層把熱量輻射回到重整裝置的重整爐管和關聯(lián)的部件，從而回收一些熱量，否則其已從該重整裝置消散掉了。雖然層202并不必須，但是其典型地減少把該重整裝置保持在所選定的工作溫度所需要的熱量。層202典型地不形成包圍該重整區(qū)的流體密封體。相反，其常常由排出氣體可以流過的、多孔、網(wǎng)孔、或者其它空氣滲透性材料組成。
在重整爐管中產(chǎn)生的重整產(chǎn)物流20在遠離分離區(qū)22的收集歧管152中收集，然后通過可選地含有過濾組件164的外部連接導管160輸送到分離區(qū)22中。在所列舉的實施方案中，分離區(qū)包括外殼208，該外殼限定內部區(qū)間214，而該內部區(qū)間含有至少一層氫選擇性膜46或其它合適的分離結構。外殼208優(yōu)選為液體密封室，并如圖所示包括殼210和一對端板212?；蛟S在圖11和12中能最好地看出，重整裝置200包括凸邊組件216，其用來將分離區(qū)和重整區(qū)連在一起。在所列舉的實施方案中，該凸邊組件包括多個徑向間隔分開的部件218；然而，該凸邊組件延伸至完全包圍分離和重整區(qū)的情況也在本發(fā)明的范圍內。正如另外或可選的變化，該分離和重整區(qū)可以以其它方式確保連在一起，例如通過諸如焊接的固定連接裝置，或通過諸如螺紋互連或者可拆卸的皮帶或帶子的選擇性可拆卸裝置。作為更進一步的變化，該凸邊組件可以被焊接到該分離和重整區(qū)的一個或兩個上。
回到圖14，可見副產(chǎn)物流26通過例如外殼208中的內部連接導管158被輸送到副產(chǎn)物導管220。導管220可以與燃燒器流體相連，該燃燒器包括加熱組件38、排氣孔、存儲裝置和/或用來消耗副產(chǎn)物流的設備。如圖15所示，其它的內部連接導管把富氫流24輸送到精加工區(qū)48，正如所示其包括一對精加工管道144，并且在其中產(chǎn)生產(chǎn)物氫氣流14。與許多前面描述過的實施方案相似，重整裝置200包括加熱組件38，其圖示為至少部分地延伸在底板或底座222之下，并且其與燃燒區(qū)或加熱室108連接?；蛟S在圖13中能最好地看出，底座222也可用作，或提供支撐物，來支撐精加工管道144和外部連接導管160。重整裝置200可選地不具有底板222和/或具有不提供這種支撐作用的底板也在本發(fā)明的范圍內。
在圖14和15中，顯示了用于汽化導管112、隔熱罩124和散熱器130的合適結構的其它列舉實例。至少在圖14和15中還顯示了各種附件224，其為選擇性可拆卸的，以便于拆開蒸汽重整爐的各個部件，例如為了清洗、維修、替換、接觸到內部部件等目的。雖然在圖11-15中已經(jīng)顯示了螺紋附件，但是使用任何其它合適的選擇性可拆卸附件也在本發(fā)明的范圍內。這也在本發(fā)明的范圍內如果不是全部附件，那么一些附件可以被除去，這種情況下相應的部件往往被永久不動地固定在一起，例如通過焊接或使與彼此結合形成一個整體。
在特定的重整裝置中使用的重整催化劑的量將會變化，例如取決于該重整裝置接受重整催化劑的容量，以及取決于該催化劑的成分和結構和原料流16和/或產(chǎn)物氫氣流14的所需流速。為了例證說明，考慮一個重整裝置200的實施方案，該重整裝置具有直徑大約6英寸、高度(從底板222測量到分離區(qū)22的頂部)大約10英寸。在這樣的實施方案中，直徑大約5/8-3/4英寸的重整爐管已被證實是有效的，在該重整爐管中總共含有大約600克的重整催化劑34。當原料流16含有甲醇和水并在10毫升/分鐘-70毫升/分鐘的進料速度下輸送時，該重整裝置產(chǎn)生速度在2升/分鐘-55升/分鐘范圍內的產(chǎn)物氫氣流14。
相應地，上述實例表明重整裝置200具有相對緊湊的設計。較不緊湊的實施方案、以及比例增大或縮小以致產(chǎn)生較大或較小流速的產(chǎn)物氫氣流14的實施方案也在本發(fā)明的范圍內。類似地，重整爐管的尺寸和/或重整催化劑的量的改變也將影響重整裝置200的尺寸和/或容量。
按照本發(fā)明構成的另一個蒸汽重整爐整體地如圖16-19中的300所示。這也在本發(fā)明的范圍內重整裝置300可以用于任何在此描述、說明和/或引入的燃料處理或燃料電池系統(tǒng)，和重整裝置300可以包括任何在此描述、說明和/或引入的元件、子元件及變化。為了簡潔，與前面描述過的元件相同的重整裝置300的元件將不再贅述，但是，在重整裝置300中出現(xiàn)的這些元件具有任何前面描述、圖示和/或引入過的子元件及其變化也在本發(fā)明的范圍內。類似地，在此描述、說明和/或引入的另一個重整裝置和燃料處理機還可以包括相對于重整裝置300描述和/或圖示過的元件。
重整裝置300包括殼或罩302，其具有外表面或外部表面304并且其形成隔離結構306的一部分，該隔離結構306用來降低表面304相對于重整區(qū)36的溫度，并優(yōu)選保持表面304的溫度在50℃或更低?；蛟S在圖17-19中能最好地看出，結構306包括至少一個內殼308，其從至少外表面間隔分開，從而限定出在它們之間延伸的通道310。在所列舉的實施方案中，該隔離結構包括一對間隔分開的層或內殼308’和308”，其分別限定出通道310’和310”。通道310可以密封，也可以包括至少一個入口和出口，諸如空氣的流體312可以在其中流動。例如，為了例證說明，在圖19中，顯示了通道310’為一條中空通道，其與至少一個入口314和至少一個出口316流體相連，這使得空氣可以通過該通道被抽出以冷卻該重整裝置的外表面304。例如，該重整裝置可以包括冷卻組件和/或與冷卻組件流體相連，該冷卻組件用來推動冷卻流體流通過該通道。合適的冷卻組件的示例性的、非排他的實例為風扇、鼓風機、壓縮機或其它用來通過該通道鼓吹或抽取空氣流的空氣輸送組件。
在該說明性實施方案中，出口316通常從該重整裝置的中心軸徑向向外延伸。然而，這也在本發(fā)明的范圍內出口316可以位于和/或定位在殼302或隨后描述的底盤320上的其它地方，如圖19中的虛線所示?；蛟S在圖17中能最好地看出，底盤320可以包括通往通道的額外的入口314。在其加熱組件產(chǎn)生加熱過的排氣流120的重整裝置300的實施方案中，該流可以與通過入口314引入的空氣流混合而在該流從該重整裝置中逸出之前冷卻該加熱過的排氣流。替代地，在一些實施方案中，不經(jīng)特地冷卻該流而除去該加熱過的排氣流也許是可取的，這樣為了利用該流在該重整裝置外部進行額外的熱交換。
通過該通道抽取空氣的裝置的實例為風扇，其或者通過入口314把空氣吹到通道310’中，或者通過出口316把空氣從通道310’抽出。另一個實例為鼓風機或推動空氣通過該通道的壓縮空氣源。另外或可選地，該通道的至少一個可以至少部分地用諸如殼層保溫層、泡沫隔熱材料、硬質陶瓷隔熱材料，和類似物的固體隔熱材料填充。為了例證說明，固體隔熱材料如圖18-19中的通道310”中的點劃線318所示。該殼的數(shù)量和相對尺寸改變也在本發(fā)明的范圍內。在具有如上所述的尺寸的實施方案中，具有圖示相對尺寸的隔離結構產(chǎn)生直徑大約為11英寸的外殼。
圖17-19中還顯示了固定有殼302的底盤320。這也在本發(fā)明的范圍內該殼可以不動地固定到該底盤上，意思是被焊接或者被以其它方式固定以致該底盤和殼相互之間不能容易地分離和重新連接。然而，殼302典型地被可拆卸地固定到底盤320上，例如通過固定器326，該固定器可以采取任何合適的形式。在該圖示實例中，該固定器包括螺桿、扣針、螺栓或其它可插入部件328，其選擇性地穿過殼302并進入到接收器330中而把該殼連接到底盤上。
如上所述，按照本發(fā)明的重整裝置可以在包括垂直方位的各種工作方位下被定位使用。正如在此處還論述并圖示的，至少該重整裝置的一些部件可以穿過該底盤并背朝該重整區(qū)凸出。在垂直定位的重整裝置中，這些部件可以被描述為延伸到底盤320下面。相應地，在這樣的實施方案中，重整裝置300包括支架或其它合適的支承結構322也許是可取的。在圖18和19中，顯示了支架322包括多個支柱324，但是可以使用任何合適的支承結構。類似地，在該重整裝置的水平定位的實施方案中，或者在部件不延伸到底盤320下面的實施方案中，該支架可以省略。
在圖18和19中，可見重整裝置300包括催化轉化器338，其用來從該加熱組件的加熱過的排氣流120中減少諸如一氧化碳的燃燒副產(chǎn)物。雖然重整裝置300沒有轉化器338也在本發(fā)明的范圍內，但是當重整裝置用于封閉或者室內環(huán)境中、或者用于諸如許多工業(yè)環(huán)境的、受排放標準限制的環(huán)境中時，可能需要轉化器338。這也在本發(fā)明的范圍內使用任何其它合適形式的排氣過濾器來代替轉化器338，和正如所述，重整裝置可以沒有轉化器338或排氣過濾器。
圖18和19中還顯示了可選的蒸發(fā)器340，其用來汽化排氣流120中的任何殘留的液體-水份組分。在許多實施方案中，蒸發(fā)器340并不是必需的。然而，在一些實施方案中，將額外的流體流與在重整區(qū)36外部的排氣流120混合，以降低所得流的溫度。舉例來說，可以將來自燃料電池組的陰極排氣與流120混合。該排氣流的水蒸汽氣壓超過該流的飽和點。相應地，其含有液態(tài)水和水蒸汽的混合物。為了防止水冷凝或者沉積在該重整裝置中，如在分離區(qū)22中，可以使用蒸發(fā)器340。
按照本發(fā)明的重整裝置常常與控制器相連，該控制器控制該重整裝置的運行，使得如果該重整裝置不在預定閾值下運行時，關閉或者控制該重整裝置的運行。在美國專利6,383,670中公開了一種用于蒸汽重整燃料處理機的合適的控制器的實例，由于種種目的其整個公開文本都在此引入以供參考。相應地，該重整裝置可以包括各種傳感器342，如溫度傳感器、壓力傳感器、流量計，和類似物.，其中幾個列舉實例在圖18和19中顯示。
用于在高溫下運行的燃料處理機，例如此處公開的蒸汽重整燃料處理機的合適的殼或罩的另一個實例在圖20-21中顯示，并整體上以400表示。殼400包括主體402，其由陶瓷材料組成，并優(yōu)選由耐熔的陶瓷材料404組成。耐熔的陶瓷材料為由機械地聯(lián)鎖的纖維制成的多孔材料，該纖維由諸如氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯等的材料組成。耐熔陶瓷材料的優(yōu)點為它們與多層金屬罩相比輕而便宜。耐熔陶瓷材料還具有低熱導率，因此適合不通過該殼從重整裝置或其排出氣體傳導出熱量?？紤]到，例如，加熱到大約500℃的重整裝置典型地不僅需要多層的金屬罩，而且需要冷卻系統(tǒng)(例如加壓氣流或其它流體)來保持該罩的外表面低于所要求的溫度，如低于50℃。雖然有效，但是這種金屬罩對于生產(chǎn)往往沉重而且昂貴，除此之外還有額外的冷卻需要。
然而，不同于金屬罩，耐熔陶瓷材料往往是多孔的，因此排出氣體能從重整裝置或其它燃料處理機中滲透出去。相應地，當放于殼中的重整裝置或其它燃料處理機放出燃燒或其它排出氣體時，該殼應該包括涂層406，其不能滲透該重整裝置(或其它燃料處理機)產(chǎn)生的排出氣體。涂層406被應用于該殼的內表面和外表面中的至少一個，如圖20和21中的虛線所示。
如圖21所示，殼400包括內表面和外表面408和410，其中該內表面限定一個里面安放燃料處理機的內部區(qū)間412。雖然在圖21中顯示的說明性實施方案中，顯示了重整裝置300被安放在該殼中，但是殼400調整大小或者適于安放任何所公開、圖示和/或在此引入的蒸汽重整爐和其它燃料處理機的情況也在本發(fā)明的范圍內。在圖21中，確定區(qū)間412的尺寸以限定包圍該重整裝置的空氣邊界或氣穴。然而，正如此處更詳細地論述，該殼為了與安放在該殼之內的特定的重整裝置或其它燃料處理機的更特殊的形狀相適應而調整大小的情況也在本發(fā)明的范圍內。
涂層406選擇為從重整裝置中產(chǎn)生或者放出的排出氣體不能滲透的。此外，涂層406應該選擇為當處于在蒸汽重整爐(或其它燃料處理機)的使用過程中遭受的工作溫度下和工作環(huán)境中時熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定的。例如，該殼的外表面優(yōu)選不會超過100℃，更優(yōu)選不會超過70℃，或甚至50℃。該殼的內表面可能暴露于較高的溫度，例如至少200℃的溫度，和常常在400℃-1000℃范圍內或更高的溫度。在該殼中遭受的特定的溫度往往隨著這些因素而變化，例如在該殼中所提供的、如通過冷卻流體而進行冷卻的程度(如果有的話)、重整裝置的工作溫度、發(fā)生在重整裝置中的熱交換等。例如，在用于蒸汽重整燃料處理機上使用的殼的外表面的涂層的范圍內，高溫有機硅涂層已被證實是有效的。由室溫硫化硅橡膠形成的涂層406也被證實是有效的。由于在該多孔耐熔陶瓷材料的表面的一面或兩面上用對于從重整裝置出來的排出氣體不能滲透的涂層進行涂覆，所以該涂層覆蓋的殼為重整裝置或其它燃料處理機提供了一個廢氣不能滲透的外殼。正如此處更詳細的論述，該涂層涂覆的殼的不滲透性，聯(lián)同該耐熔陶瓷材料的低熱導率，使得該殼可以容納來自重整裝置及其排出氣體的熱量，并可以把該熱量傳送或引導到所需的輸出處。
涂層406可以通過任何合適的裝置，例如噴射、涂抹、浸漬等，被應用到該陶瓷材料上。該涂層的厚度和層(涂層)數(shù)可以在本發(fā)明的范圍內改變，并可能趨向于受這些因素的影響如涂層可以使用的預期溫度、加工形成該殼的陶瓷材料的成分和厚度、被涂層涂覆的表面(或其部分)等。實驗中，大約0.5-6毫米范圍內的涂層厚度已被證實對于提供不透氣的陶瓷殼是有效的，但是使用更厚和更薄的涂層406也在本發(fā)明的范圍內。使用多于一層的涂層和/或多于一種組成的涂層也在本發(fā)明的范圍內。當在重疊結構中使用具有不同組成的涂層時，這些涂層應該選擇那些相互或者為惰性的，或者為有利的反應性的。換句話說，在涂層之間的任何相互作用應該優(yōu)選不抑制或者不降低該殼的氣體不滲透性。具有不同組成的涂層也可以應用到該殼的同一表面的不同區(qū)域和/或不同表面上。
在圖22中顯示了許多上述選擇的圖形的、有點簡略的示意圖。正如所示，在該殼的第一(如內或外)表面上以實線顯示了單層涂層414。相同的涂層414在該殼的相反表面上顯示，并以虛線圖示描述而表明該殼可以僅有一面被涂覆，或者該殼的兩面都被相同的涂層涂覆。在416，顯示了涂層相同的兩層相互重疊的層以圖示表明可以應用多于一層的所選的涂層。在418和420，顯示了具有不同組成的兩層相互重疊的涂層以圖示表明可以使用多于一種組成的涂層。
殼400的主體402可以通過任何用于形成耐熔陶瓷材料制品的合適方法而成形加工。一種已被證實有效的工藝為真空成型工藝。在真空成形工藝中，把穿孔模具放入到形成該主體的陶瓷材料404的漿料中。真空位于該模具之內，并用真空通過該模具中的穿孔來從該漿料中抽取水汽。當這發(fā)生時，該漿料中的陶瓷纖維就堆積在該模具的外表面上。在該模具上堆積了所需厚度的纖維之后，將該模具從漿料中移走，然后從該模具上取下所制得的制品并進行干燥或者固化。在成型之后，如有必要，該陶瓷制品可以被切削、鉆孔、切割或者其它機械加工成所需的成品形狀。雖然可以使用真空成型工藝來制得標準化的形狀，例如板狀和圓柱狀，但是這還有利于用來制造更復雜的形狀，例如被更復雜的模具和/或該工藝的最終機械加工所限定的形狀。
如圖21中有點簡略地所示，殼400包圍重整裝置300除了一側以外的全部，其中在圖21中該重整裝置的底面不被該殼包圍。該重整裝置或其它燃料處理機的至少一部分延伸到殼400限定的區(qū)間412之外的情況也在本發(fā)明的范圍內。這如圖21中的虛線所示。殼400完全包圍該重整裝置也在本發(fā)明的范圍內；但是，這個結構需要該殼由至少兩個陶瓷材料部件組成，這兩個陶瓷材料部件在將重整裝置安放到其限定的區(qū)間412中之后被固定在一起。這也在本發(fā)明的范圍內殼400僅僅部分地包圍該重整裝置，例如延伸包圍該重整裝置的周邊(但不包圍頂部或底部)、延伸包圍周邊(但包圍該重整裝置的頂部和/或底部的至少一個的僅僅一部分)、除了通過其可以接觸到該重整裝置的開口之外基本上完全包圍該重整裝置，等等。當該殼限定開口時，例如在圖21中的430所示，為了該重整裝置從該殼的區(qū)間中有選擇地移出和替換，該開口可以充分地大。
該殼可以包括多于一個的開口，例如包括一個太小而使得該重整裝置(或其它燃料處理機)不能通過其而從該區(qū)間中移出的開口，但是其對于該重整裝置被用戶接觸到，例如維護、校正、操作和/或修理來說足夠大。這種開口如圖21中的虛線432所示。作為進一步的變化，該殼可以包括一個或多個限定該區(qū)間出口或入口的開口。該入口可以用來把流體輸送到該區(qū)間內，例如用于冷卻該區(qū)間內部和/或用于輸送到該重整裝置中，以及用于到該重整裝置或區(qū)間的通訊連接。例如，該通訊連接裝置可以通過該區(qū)間內(包括在該重整裝置之內)的各種傳感器和/或流動控制裝置從該殼的外部建立通信聯(lián)絡。該出口可以用來從該重整裝置和/或從該區(qū)間中排空流體。這種開口的列舉實例如圖21中的虛線434所示。
該殼中的開口典型地包括與之伴生的蓋子或導管，以使在該區(qū)間之內的熱量不能自由地離開該殼而散發(fā)到環(huán)境中去。例如，該區(qū)間內氣體的排出孔的開口可以設計為與接收這些熱的排出氣體的排空導管連在一起。作為另一個實例，開口設計成能提供到達該區(qū)間的選擇性通路，例如用于該重整裝置的移出或操作，該開口可以包括設計成能相對于該開口選擇性并重復地拆卸和置換的蓋子。該蓋子可以由任何合適的材料形成，包括耐熔的或其它陶瓷材料、隔熱和/或金屬材料。作為另一個實例，用來建立通訊連接和/或接收流體流導管的開口可以包括密封材料以防止該區(qū)間內的氣體通過該開口從通訊連接或流導管的周圍離開該區(qū)間。
在圖23中，為了圖示，顯示了可以與耐熔陶瓷殼400一起使用的開口的各種列舉實例。然而，正如所述，開口的數(shù)量和類型(和/或連帶的蓋子/塞子/密封物)可以在本發(fā)明的范圍內改變。在438，顯示了為重整裝置提供300的底座的蓋板，并且該殼通過合適的連接裝置440被固定到上面。替代地，可以用金屬板438將重整裝置300(或任何其它燃料處理機)固定到該殼上，該金屬板438被固定到該重整裝置和/或殼上以把該重整裝置包圍在該區(qū)間內。合適的連接裝置440的實例包括永久連接裝置442和可拆卸連接裝置444。“永久連接裝置”意思指諸如粘合446和焊接448的如果不破壞至少該連接裝置就不能解除的裝置?！翱刹鹦哆B接裝置”意思指設計成能重復地固定和解除而不破壞該連接裝置的螺栓、夾具、和其它機械固定器450。還在圖23中顯示了進入端口尺寸的開口432的列舉實例，該開口包括蓋子452、開口434和可選的密封材料456，其中開口434與流體流導管454(例如用于把流體輸送到該區(qū)間和/或該重整裝置或其它燃料處理機中，或者從其中移出)流體相連。此處描述的蓋子(和蓋板)可由任何合適的材料形成，如金屬或陶瓷材料。
在圖23中，相對于重整裝置300，殼400的相對尺寸不同于圖21，從而圖示表明相對于容納在該殼中的重整裝置或其它燃料處理機，該殼的相對尺寸可以在本發(fā)明的范圍內改變。相應地，該殼可以具體確定尺寸以容納特定的燃料處理機，例如該殼通常被模塑為與燃料處理機一致的尺寸，或者該殼可以確定尺寸以限定一個足夠大的、其中能容納各種大小和/或尺寸的燃料處理機的區(qū)間。
殼400的陶瓷主體402可以成形加工為整體結構，或者可以由兩個或更多等分或其它分割的部件組成，它們通過合適的連接裝置440而固定在一起。這如圖23中所示，其中整體的陶瓷殼以實線表示，由多個分別成形的陶瓷材料部件460組成的殼400以虛線表示。當殼400由多于一個的陶瓷部件組成時，這些部件可以采取各種形狀，例如每個部件形成最終的殼的一半，一個部件尺寸確定為包圍該重整裝置的側面和至少另一個部件尺寸確定為包圍該重整裝置的末端，等等。
在圖24中，顯示了殼400的一個實例，該殼包括一個開口434，與一個用來過濾穿過該殼的氣體的催化轉化器338或其它合適的過濾器。轉化器338被可拆卸地或永久地固定在該殼上的情況也在本發(fā)明的范圍內。該轉化器與重整裝置或其它燃料處理機連在一起而不被固定到該殼上的情況也在本發(fā)明的范圍內。當該轉化器被可拆卸地或永久地固定到該殼上時，該殼被模塑或者成型以限定一個底座462也許是合乎需要的。在圖25中，顯示了由至少兩個分開的陶瓷材料部件組成的殼的實例，這些部件包括一個陶瓷排出孔464，其被固定到該殼的主體上，并保持轉化器338在該殼之內。在圖24和25中，顯示了開口434分別伸出該殼的側面和上表面，圖示表明如果存在于該殼的特定的實施方案中，這些開口可以從該殼上的各個位置伸出。開口伸出與該殼連在一起的底板或蓋板也在本發(fā)明的范圍內。
工業(yè)實用性按照本發(fā)明的蒸汽重整爐和其它燃料處理機適用于燃料處理、燃料電池和其它生產(chǎn)氫氣的工業(yè)，并且就燃料電池系統(tǒng)來說，氫氣被燃料電池組消耗而產(chǎn)生電流。
相信以上闡明的本發(fā)明包含了多個具有獨立效用的獨特的發(fā)明。雖然這些發(fā)明中的每一個都已經(jīng)以其優(yōu)選的形式被公開了，因為可能存在許多變化，在此處公開并圖示的特定的實施方案不能被認為具有限定意義。本發(fā)明的內容包括所有新穎的和非顯而易見的組合，和各種此處公開的元件、技術特征、功能和/或性能的再組合。類似地，在權利要求書敘述“一個”或“第一個”元件或其等效描述的地方，這種權利要求書應該被理解為包括一個或多個這種元件的結合，既不要求也不排除兩個或更多的這種元件。
相信以下權利要求書特別地指明了某些組合和再組合，這些組合和再組合涉及已公開的發(fā)明中的一個、并且是新穎和非顯而易見的。在技術特征、功能、元件和/或性能的其它組合和再組合中體現(xiàn)的發(fā)明可以通過在本申請或相關申請中、本權利要求書的修正或新權利要求書的遞交而要求權利。這種修正的或新的權利要求書，不管它們涉及不同的發(fā)明還是涉及相同的發(fā)明，也不管相對于原始權利要求書保護范圍不同、更寬、更窄或者相同，都被認為被包括在本公開文本的發(fā)明的內容里。
權利要求
1.一種蒸汽重整燃料處理機，其包含一個包括點火區(qū)的加熱組件，其用來把加熱過的排氣流引入到燃燒區(qū)中，其中該燃燒區(qū)包括一個通常緊鄰該點火區(qū)的第一部分和一個遠離該點火區(qū)的第二部分；一個汽化區(qū)，其用來接收一個包括水和至少一種含碳原料的重整原料流并由此形成一個汽化原料流，其中該汽化區(qū)在該燃燒區(qū)內部延伸和/或延伸包圍該燃燒區(qū)；一個含有多個垂直定位的重整催化劑床的重整區(qū)，其中每個重整催化劑床包括一個輸入?yún)^(qū)域和一個輸出區(qū)域，該輸入?yún)^(qū)域用來接收該汽化原料流并由此產(chǎn)生包含氫氣和其它氣體的重整產(chǎn)物流，該輸出區(qū)域用來排出該重整產(chǎn)物流，其中該多個重整催化劑床相對于該燃燒區(qū)通常對稱并且徑向地間隔，限定出一條通常至少平行于該多個重整催化劑床延伸的軸，并且從該汽化區(qū)相對于該軸徑向向外延伸；一根分配歧管，其用來接收該重整原料流并把該重整原料流分配到該重整催化劑床的輸入?yún)^(qū)域；一根收集歧管，其用來從該重整催化劑床的輸出區(qū)域接收該重整產(chǎn)物流，其中該收集歧管與分離區(qū)流體相連；一個分離區(qū)，其緊鄰該燃燒區(qū)的第二部分并用來接收該重整產(chǎn)物流并產(chǎn)生一個含有至少基本上為純氫氣體的富氫流和一個含有至少大部分為其它氣體的副產(chǎn)物流，其中該分離區(qū)包括一個含有至少一層氫選擇性膜的外殼，并且該重整產(chǎn)物流被引入到其中，同時由穿過該至少一層氫選擇性膜的重整產(chǎn)物流的一部分形成該富氫流，并由沒有穿過該至少一層氫選擇性膜的重整產(chǎn)物流的一部分形成該副產(chǎn)物流，其中該至少一層氫選擇性膜通常沿著該通常平行于該多個重整催化劑床的軸的橫切方向延伸；和至少一個甲烷化催化劑床，其含有甲烷化催化劑，并用來接收該富氫流和減小該富氫流中存在的任何一氧化碳的濃度。
2.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該分配和收集歧管中的至少一個為限定出一個中心開口的環(huán)形歧管，通過該中心開口該加熱組件的一部分伸出和/或該加熱過的排氣流在其中流動。
3.如權利要求2所述的燃料處理機，其中該分配和收集歧管兩者都為限定出一個中心開口的環(huán)形歧管，通過該中心開口該加熱組件的一部分伸出和/或該加熱過的排氣流在其中流動。
4.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該分配歧管緊鄰該加熱組件的點火區(qū)，并且該收集歧管相對于分配歧管遠離該加熱組件的點火區(qū)，并且進一步，其中該分配歧管用來輸送該汽化原料流到該多個重整催化劑床，以使該汽化原料流通常朝著該點火區(qū)的方向流過該多個重整催化劑床。
5.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該多個重整催化劑床集體限定一個內部周邊和一個外部周邊，并且進一步，其中該燃料處理機包括至少一種熱擴散結構，其至少大體上延伸包圍該多個重整催化劑床的內部和外部周邊中的至少一個。
6.如權利要求5所述的燃料處理機，其中該熱擴散結構由加熱過的排氣流能滲透過并且抗氧化的導熱材料組成。
7.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該燃料處理機進一步包括一個熱量偏轉結構，其通常在該燃燒區(qū)的第二部分和含有至少一層氫選擇性膜的外殼之間延伸。
8.如權利要求1所述的燃料處理機，其中至少一個甲烷化催化劑床通常平行于該多個重整催化劑床延伸。
9.如權利要求8所述的燃料處理機，其中該至少一個甲烷化催化劑床相對于該軸從該多個重整催化劑床徑向向外放置。
10.如權利要求8所述的燃料處理機，其中該至少一個甲烷化催化劑床相對于該軸與該多個重整催化劑床同心放置。
11.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該燃料處理機進一步包括至少一根流體傳遞導管，其通常相對于該軸平行于該多個重整催化劑床延伸并與之同心。
12.如權利要求1所述的燃料處理機，其中該燃料處理機進一步包括至少一個過濾組件，其在該收集歧管和包含至少一層氫選擇性膜的外殼之間延伸。
13.如權利要求1所述的燃料處理機，進一步包括一個限定一個區(qū)間的殼，該區(qū)間中至少包圍重整區(qū)、至少相當大部分的燃燒區(qū)和外殼。
14.如權利要求13所述的燃料處理機，其中該殼由多個間隔分離的金屬層組成，這些金屬層被隔離結構分開。
15.如權利要求14所述的燃料處理機，其中該隔離結構包括至少一個具有一個入口和一個出口的孔道，并且進一步，其中該燃料處理機與冷卻組件流體相連，該冷卻組件用來推動冷卻流體流通過該至少一個孔道。
16.如權利要求13所述的燃料處理機，其中該殼包括一個由耐高溫陶瓷材料形成的主體，其中該主體包括一個內表面和一個外表面，并且進一步，其中該內表面和外表面中的至少一個包括一層該加熱過的排氣流不能透過的涂層。
17.如權利要求16所述的燃料處理機，其中接觸到該主體的內表面的加熱過的排氣流具有至少400℃的溫度，并且進一步，其中該殼用來防止該主體的外表面被該加熱過的排氣流加熱到60℃以上的溫度。
18.如權利要求13所述的燃料處理機，其中該殼包括至少一個出口，加熱過的排氣流通過該出口從該殼中排出。
19.如權利要求18所述的燃料處理機，進一步包括一個排氣過濾器，加熱過的排氣流在從該殼中被排出之前通過該排氣過濾器。
20.如權利要求19所述的燃料處理機，其中該排氣過濾器包括一個催化轉化器。
21.如權利要求19所述的燃料處理機，其中該排氣過濾器與至少一個出口連在一起，加熱過的排氣流通過該出口從該殼中排出。
22.如權利要求13所述的燃料處理機，進一步包括一個底盤，在該底盤上安裝該殼并且從該底盤伸出的多個支撐物把該底盤和該殼在一個表面上撐起。
23.如權利要求1所述的燃料處理機，與至少一個用來接收至少一部分產(chǎn)物氫氣流的氫存儲裝置結合。
24.如權利要求1所述的燃料處理機，與一個燃料電池組結合，該燃料電池組用來接收至少一部分富氫流和氧化劑從而產(chǎn)生電流。
25.一種蒸汽重整燃料處理機，其包含一個底盤，其包括一個用于燃燒器組件的底座；一個隔熱殼，其安裝在該底盤上并與該底盤一起限定一個內部區(qū)間；一個包括點火區(qū)的燃燒器組件，其用來把加熱過的排氣流引入到一個通常在該殼中心安置的燃燒區(qū)中，其中該燃燒區(qū)包括一個通常緊鄰該點火區(qū)的第一部分和一個遠離該點火區(qū)的第二部分；一個汽化區(qū)，其用來接收一個包括水和至少一種含碳原料的重整原料流并由此形成一個汽化原料流，其中該汽化區(qū)徑向延伸包圍該燃燒區(qū)；一個含有多個垂直定位的重整催化劑床的重整區(qū)，其中每個重整催化劑床包括一個輸入?yún)^(qū)域和一個輸出區(qū)域，該輸入?yún)^(qū)域用來接收該汽化原料流并由此產(chǎn)生一個包含氫氣和其它氣體的重整產(chǎn)物流，該輸出區(qū)域用來排出該重整產(chǎn)物流的，其中該多個重整催化劑床通常對稱并且徑向間隔包圍該汽化區(qū)和該燃燒區(qū)；一個環(huán)形分配歧管，其用來接收重整原料流并把該重整原料流分配到重整催化劑床的輸入?yún)^(qū)域，其中該環(huán)形分配歧管包括一個中心開口，通過該中心開口該燃燒器組件的一部分伸出或該加熱過的排氣流在其中流動；一個環(huán)形收集歧管，其用來從該重整催化劑床的輸出區(qū)域接收該重整原料流，其中該收集歧管與分離區(qū)流體相連，其中該環(huán)形收集歧管包括一個中心開口，通過該中心開口該燃燒器組件的一部分伸出或該加熱過的排氣流在其中流動；一個分離區(qū)，其緊鄰該燃燒區(qū)的第二部分并用來接收該重整產(chǎn)物流并產(chǎn)生一個包含至少基本上為純氫氣體的富氫流和一個包含至少大部分為其它氣體的副產(chǎn)物流，其中該分離區(qū)包括一個含有至少一層氫選擇性膜的外殼，并且該重整產(chǎn)物流被引入到其中，同時，由穿過該至少一層氫選擇性膜的重整產(chǎn)物流的一部分形成該富氫流，而由沒有穿過該至少一層氫選擇性膜的重整產(chǎn)物流的一部分形成該副產(chǎn)物流，其中該至少一層氫選擇性膜通常沿著該通常平行于該多個重整催化劑床的軸的橫切方向延伸；和至少一個甲烷化催化劑床，其含有甲烷化催化劑并用來接收該富氫流和減小該富氫流中存在的任何一氧化碳的濃度。
26.一種燃料處理機，其包括一個氫產(chǎn)生區(qū)，其用來接收至少一個原料流并從而產(chǎn)生一個含有氫氣和其它氣體的混合氣體流；一個燃燒器組件，其用來接收至少一個燃料流并使該燃料流與空氣燃燒從而產(chǎn)生一個加熱過的排氣流，其中該燃燒器組件用該加熱過的排氣流加熱至少該氫產(chǎn)生區(qū)到至少400℃的溫度；一個限定一個內部區(qū)間的罩，其至少基本上包圍該氫產(chǎn)生區(qū)，其中該罩包括一個主體和至少一個開口，該主體包括一個內表面和一個外表面，該加熱過的排氣流通過該開口離開該罩，其中該主體由一種耐高溫陶瓷材料形成，并且進一步，其中該主體的內表面和外表面中的至少一個包括至少一層選為該加熱過的排氣流不能透過的涂層。
27.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該燃燒器組件至少部分地容納在該區(qū)間之內。
28.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該罩被安裝在連有燃燒器組件和氫產(chǎn)生區(qū)的底板上。
29.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該罩被模塑為整體結構。
30.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該涂層包括有機硅并且被涂覆到該主體的外表面上。
31.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該燃料處理機包括一個排氣過濾器，該加熱過的排氣流在從該罩中被排出之前通過該排氣過濾器。
32.如權利要求31所述的燃料處理機，其中該排氣過濾器包括一個催化轉化器。
33.如權利要求32所述的燃料處理機，其中該排氣過濾器被安裝在該罩上。
34.如權利要求33所述的燃料處理機，其中該排氣過濾器被密封在該罩的一個開口中。
35.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該氫產(chǎn)生區(qū)與該罩的內表面間隔分離。
36.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該區(qū)間是密封的，并因此不適于在該區(qū)間內接收冷卻流體流。
37.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該罩包括至少一個入口、至少一個出口和一個用來推動一個冷卻流體流通過該區(qū)間的冷卻組件。
38.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該氫產(chǎn)生區(qū)包括至少一個重整催化劑床，該重整催化劑床含有一種重整催化劑，并用來接收含有水和至少一種含碳原料的原料流。
39.如權利要求26所述的燃料處理機，其中該燃料處理機進一步包括至少一個分離區(qū)，該分離區(qū)在該區(qū)間之內并用來從該混合氣體流制備一個富氫流，該富氫流與該混合氣體流相比，該混合氣體流中的其它氣體中的至少一種的濃度降低，和/或氫氣的濃度增加。
40.如權利要求39所述的燃料處理機，其中該至少一個分離區(qū)包括至少一層氫選擇性膜，同時由該混合氣體流穿過該至少一層氫選擇性膜的部分形成該富氫流。
41.如權利要求40所述的燃料處理機，其中該至少一層氫選擇性膜由鈀和鈀合金中的至少一種組成。
42.如權利要求40所述的燃料處理機，其中該至少一個分離區(qū)包括一個膜組件，該膜組件含有至少一對通常相對的氫選擇性膜，這對氫選擇性膜被多孔載體分開從而在它們之間限定一個采集導管，同時由穿過至少一層該氫選擇性膜而進入到該采集導管之內的該混合氣體流的一部分形成該富氫流。
43.如權利要求39所述的燃料處理機，其中該至少一個分離區(qū)包括至少一個含有甲烷化催化劑的甲烷化催化劑床。
44.如權利要求43所述的燃料處理機，其中該至少一種甲烷化催化劑用來接收該富氫流和從該富氫流制備一個產(chǎn)物氫氣流，與該富氫流相比，該產(chǎn)物氫氣流含有該富氫流中的其它氣體中的至少一種的濃度降低，和/或氫氣的濃度增加。
全文摘要
一種蒸汽重整爐(200)包括一個氫產(chǎn)生區(qū)(36)，其中含有氫氣和其它氣體的混合氣體流(20)由蒸汽水和含碳原料(16’)制得。該蒸汽重整爐還包括分離區(qū)(22)，其中混合氣體流被(20)分離成含有至少基本為純氫的富氫流(24)，和含有至少大部分為其它氣體的副產(chǎn)物流(26)。蒸汽重整爐進一步包括精加工區(qū)，在其中進一步純化富氫流而產(chǎn)生氫產(chǎn)品流(14)。在一些實施方案中，該蒸汽重整爐(200)為包括外部金屬或密封陶瓷殼的垂直定向燃料處理機，分離區(qū)(22)包括至少一層氫選擇性膜(46)。
文檔編號H01M8/06GK1646419SQ03808288
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月7日 優(yōu)先權日2002年4月12日
發(fā)明者戴維·J·埃德倫德, 阿恩·拉聞, 蒂莫西·G·梅斯, 威廉·A·普萊奇, R·托德·史蒂倍克, 道格拉斯·J·萬博格 申請人:益達科技責任有限公司