专利名称：在利用非引火变换催化剂的燃料处理器内的自热重整的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料处理器，更具体涉及用于燃料处理器的控制系统。
技术背景燃料电池技术是利用化石燃料燃烧的更常规能源的可替代能源。 燃料电池典型地由燃料和氧气产生电、水和热量。更特别地，燃料电 池通过化学氧化-还原反应提供电，且相对于其它形式的发电，在清 洁性和效率方面具有显著的优点。典型地，燃料电池使用氢气作为燃 料和氧气作为氧化剂。电的产生与反应物的消耗速度成正比。抑制燃料电池更广泛使用的显著缺点是缺少广泛的氩气基础结 构。氢气具有相对低的体积能量密度，并且与大多数发电系统中常用 的烃燃料相比更难储存和运输。克服这一难题的一种方式是使用"燃 料处理器"或"重整器"，将烃转化成富氢气体流，所述富氩气体流 可用作燃料电池的原料。烃基燃料如天然气、LPG、汽油和柴油要求转 化以用作大多数燃料电池的燃料。目前的现有技术使用结合起始转化 工艺与数步净化工艺的多步工艺。起始工艺是最常见的蒸汽重整 ("SR")、自热重整("ATR")、催化部分氧化("CPOX")或非催化的 部分氧化("POX")。净化工艺通常由脱硫、高温水气变换、低温水气 变换、选择性CO氧化或选择性CO曱烷化的结合组成。可供替代的工 艺包括氢气选择膜反应器和过滤器。因此，可使用多种类型的燃料，它们中的一些与化石燃料混杂， 但理想的燃料是氢气。若燃料是例如氢气，则燃烧非常清洁，和在热量耗散和/或消耗和耗电之后，作为实际的物质，仅仅留下水。大多数 可容易获得的燃料(例如天然气、丙烷和汽油)和甚至不那么常见的燃 料(例如甲醇和乙醇)在其分子结构内包括氢。 一些燃料电池装置因此 使用"燃料处理器"，所述"燃料处理器"处理特定的燃料，产生用 作燃料电池燃料的相对纯的氢气流。 发明内容本发明包括使包含使用非引火变换催化剂的自热重整器的燃料处 理器启动和停止的方法，在第一方面，本发明包括停止燃料处理器内的自热重整器的方法，该方法包括在起始温度下，在含燃料的工艺燃料流的爆炸上限之上， 用所述燃料吹扫自热重整器的反应器；维持自热重整器的非引火变换 催化剂在足以防止其内的水冷凝的温度下；加热吹扫过的自热重整器 反应器到非引火变换催化剂的点火温度，同时使燃料继续流过其中； 将空气引入加热的自热重整器反应器内，产生超过所述燃料的爆炸上 限的空气和燃料的混合物；和加热自热重整器反应器至操作温度。在第二方面，本发明包括使燃料处理器内的氧化器点火的方法， 该方法包括在起始温度下用空气吹扫氧化器的反应器；在至少部分 吹扫过的氧化器反应器内生成点火热量；将燃料引入氧化器反应器的 加热区域内，所得燃料与空气的混合物维持在所述燃料的爆炸下限以 下；和加热含燃料/空气混合物的氧化器反应器至操作温度。在第三方面，本发明包括使燃料处理器内使用非引火变换催化剂 的自热重整器停止的方法，该方法包括终止流入自热重整器反应器 的空气流；在终止空气流之后，终止流入自热重整器反应器的水流； 用燃料吹扫自热重整器反应器；和允许自热重整器反应器冷却到停止 温度。在第四方面，本发明包括使与使用非引火变换催化剂的自热重整 器一起使用的氧化器停止的方法，该方法包括终止流入氧化器的反 应器的燃料流；用空气吹扫氣化器反应器，直到氧化器反应器内的温 度达到环境温度；和终止流入吹扫过的氧化器反应器内的空气流。在其它方面，本发明包括为启动或停止包括使用非引火变换催化 剂的自热重整器的燃料处理器而编程的计算机或者用指令编码的程序 储存介质，当通过计算机执行时，所述指令启动或停止包括使用非引 火变换催化剂的自热重整器的燃料处理器。
结合附困参考下述说明，可理解本发明，其中类似的附图标记表示类似的元件，其中图1示出了根据本发明组装和操作的燃料处理器发电装置的一个 特定的实施方案；图2A和2B描述了图1中的燃料处理器的阳极尾气氧化器及其操 作，其中图2A描述了氣化器的一个特定装置，图2B描述了自热重整器的一个特定装置；困3A和3B在概念上说明了可用于实施本发明的一个特定实施方案的计算装置；和困4A-4C在概念上说明了最初示于图1的燃料处理器的启动；和 图5图示了最初示于图1的燃料处理器的自热重整器在所示实施方案的运行状态期间的重整工艺；和困6A-6C在概念上说明了最初示于图1的燃料处理器的停止。 尽管容易对本发明作出各种改进和替代形式，但附图以例举的方 式说明了此处详细描述的具体实施方案。然而，应当理解，此处具体 实施方案的描述不打算将本发明局限于所公开的特定形式，相反，本 发明拟涵盖落在所附权利要求定义的本发明精神和范围内的所有改 进、等价方案和替代方案。
具体实施方式
以下描述本发明的例举实施方案。为了清楚起见，在本说明书中， 并不描述实际实施方案的所有特征。当然，要理解在任何这种实际实 施方案的开发中，必须作出许多实施的特定决定以实现开发者的特定 目标，如与系统相关和业务相关的限制条件相兼容，这些限制条件针 对每种实施方式均会变化。此外，要理解，这种开发努力，即使复杂 和耗时，但是，是受益于本发明公开内容的本领域技术人员釆取的路 线。本发明通常涉及控制"燃料处理器"或"重整器"的方法与装置， 即把烃燃料转化成富氢气体的装置。此处应当使用术语"燃料处理器"。 在此处所述的实施方案中，方法与装置控制用于燃料电池中由烃燃料 生产富氢气体流的小型处理器。然而，在可供替代的实施方案中，可 使用其它燃料处理器。此外，对于此处所述的装置和方法来说可考虑 其它可能的用途，包括其中希望富氢气流的任何用途。在不可用于生 产气体流的实施方案中也可使用该方法与装置。因此，尽管此处将本 发明描述为与燃料电池结合使用，但本发明的范围不限于这一用途。图1在概念上示出了燃料电池发电装置100,它包括燃料处理器 102、燃料电池104和自动控制系统106。在所示的实施方案中，燃料 处理器102是自包含型自动热重整("ATR")燃料处理器，它将管线质 量的天然气转化成燃料电池级燃料。因此，发电装置100是天然气发 电装置，但本发明可利用替代燃料和最终应用一起实施。在所示的实 施方案中，燃料电池104是常规的质子交换膜燃料电池("PEMFC")， 也被称为聚合物电解质燃料电池("PEFC")。然而，可使用其它类型 的燃料电池。还要注意，燃料处理器102不限于与燃料电池例如燃料 电池104—起使用。正如所示的，重整产品108中的产物气体可用作 燃料电池的原料，或者用于其中希望富氢原料流的其它应用的原料。 任选地，产物气体可输送到进一步的处理中，例如除去二氧化碳、水 或其它组分。因此，本发明不限于在燃料电池发电装置或者甚至在发 电装置中使用。如前所述，在所示的实施方案中的燃料是天然气，但可以是一些 其它类型的烃。烃燃料在环境条件下可以是液体或者气体，只要它可 蒸发即可。此处所使用的术语"烃"包括能通过部分氧化或蒸汽重整 反应产生氢气的具有C - H键的有机化合物。不排除在化合物的分子结 构中存在除碳和氢以外的原子。因此，在此处所述的方法与装置中使 用的合适的燃料包括，但不限于，烃燃料如天然气、甲烷、乙烷、丙 烷、丁烷、石脑油、汽油和柴油燃料和醇如甲醇、乙醇、丙醇和类似 物.在所示的实施方案中，燃料处理器102和燃料电池104的操作是 内部相关的。燃料处理器102提供如图中所示的富氢的流出流体或者 "重整产品"108到燃料电池104中。在所示的实施方案中，重整产 品108，包括氢气和二氧化碳，也可包括一些水、未转化的烃、 一氧 化碳、杂质(例如硫化氢和氨)和惰性组分(例如氮气和氩气，特别是当 空气是原料流中的一种组分时)。然而，要注意，重整产品108的精确 组成是装置特异的，对本发明的实施来说不是重要的。仍参考图1，所示实施方案中的燃料处理器102包括数个标准组 件的物理子系统，亦即 进行氧化还原反应的自热重整器("ATR" )110，所述氧化还原 反应将输入到燃料处理器102内的燃料112转化成用于燃料电池104 的重整产品108;'氧化器("Ox" )114，它是在所示的实施方案内的阳极尾气氧化 器("ATO")，所述氧化器混合水116、燃料112和空气118，生成输 送到ATR110内的燃料混合物或者"工艺原料流，，120; 燃料子系统122，它将输入的燃料112(在所示的实施方案中为 天然气)输送到氧化器114中用以混合到输送至ATR110中的工艺原料 流120内；.水子系统124，它将水116输送到氧化器114中用以混合到输 送至ATR110中的工艺原料流120内； 空气子系统126，它将空气118输送到氧化器114中用以混合 到输送至ATRllO中的工艺原料流120内；和 热子系统128，它通过循环流过其中的冷却剂控制ATR110的操 作中的温度。以下将更充分地公开氧化器114和ATR110的特定实施方案。可以 以本领域已知的、适合于实现氧化器114和ATR110的操作特征的任何 方式实现燃料子系统122、水子系统124、空气子系统126和热子系统 128。图2A描述了氧化器114的一个特定装置。氧化器114通过原料进料器ATOl、 AT02、 AT03、 AT04经以上所述的管线202、 204、 206、 208 从燃料子系统122、水子系统124、空气子系统126和ATR110经多个 单向阀210接收燃料、水和空气。进料AT03来自与ATR110相关的分 水系统(如下所述)。来自燃料电池104的阳极(未示出)的废气212返 回到水分离器214,所述水分离器214分离出水，水经电磁阀216排 放到排放槽218内。脱水的阳极返回料然后经单向阀210通过管线220 供应到氧化器114中。燃料、空气和脱水的阳极返回料然后在混合器 222内混合，之后引入氣化器114的反应器224中。所得混合物然后 通过电加热器233加热。仍参考图2A如上所述，氧化器114还分别通过在管线226、 228 和230上的进料器AT05、 AT06、 AT02接收来自燃料子系统122、水子 系统124和空气子系统126的燃料、空气和水。管线226和228受到 单向阀210的保护。在管线226和228上接收的空气和燃料进入密封 的盘管232内。在管线230上接收的水进入密封的盘管234内。在反 应器224内加热的空气、水和燃料混合物加热密封的盘管232、 234 中的内容物，所述内容物然后在混合器236内混合，并通过在管线238 上的进料器ATR2提供到ATR110中。氧化器114通过管线242通到排 气口 240中。图2B描迷了 ATR110的一个特定装置。ATR110包括数段 250a-250e，其中包括多个换热器252和电加热器233。每一换热器252 在管线256 - 258上接收来自热子系统128的控温冷却剂(未示出)并将 其返回到管线260中。例外的情况是在优先氧化("prox")段262内 的换热器252，它在管线264上接收来自热子系统128的冷却剂(未示 出)并经管线260和进料器TS1将其返回到热子系统128中。流出 ATR110的重整产品气体流经优先氧化段262,通过换热器252加热， 通过水分离器214脱水，过滤并供应到燃料电池104(图l所示)的阳 极(未示出)中。注意，变换器250d使用非引火变换催化剂(未示出)。非引火变换 催化剂是当在起始还原后暴露于空气中时，通常不会增加温度大于200r的那些。非引火变换催化剂可以基于贵金属，例如铂或非贵金属 例如铜。适合于本发明使用的 一种可商购的非引火变换催化剂是获自 Engelhard Corporation ，101 Wood Avenue,Iselin,NJ 08830 (732) 205-5000的SELECTRA SHIFTTM。然而，可使用其它合适的 非引火变换催化剂。回到图1，自动控制系统106控制燃料处理器102的操作，如图 所示。在一些实施方案中，自动控制系统106除了控制燃料处理器102 以外，还可控制燃料电池104的操作。在计算装置如图3A和图3B所 示的安装在机架上的计算装置300上，主要在软件中实施自动控制系 统106。注意，在所有实施方案中，计算装置300不需要安装在机架 上。确实，任何给定装置的这一方面对本发明的实施来说并不重要。 计算装置300可作为桌面个人计算机、工作站、笔记本或便携式计算 机、嵌入式处理器等来操作。在公共汽车系统315中，图3A和图3B所示的计算装置300包括 与存储器310互连的处理器305。存储器310可包括硬盘和/或随机存 取存储器("RAM")和/或可取出的存储器如软磁盘317和光盘320。 存储器310用以上所述获得的储存数据组的数据结构325、操作系统 330、用户界面软件335和应用程序365编码。用户界面软件335与显 示器340结合，执行用户界面345。用户界面345可包括外围1/0设 备如键盘或电键盘350、鼠标355或操纵杆360。处理器305在操作系 统330的控制下运行，操作系统实际上可以是本领域已知的任何操作 系统。根据操作系统330的执行，在增加动力消耗、重置或这二者， 应用程序365被操作系统330调用。在所示的实施方案中，应用程序 365包括图l所示的自动控制系统106。因此，本发明的至少一些方面典型地以在合适编程的计算装置例 如在图3A和图3B的计算装置300中的软件形式执行。指令可编码在 例如存储器310、软磁盘317和/或光盘320上。 一方面，本发明因此 包括为进行本发明的方法而编程的计算装置。另一方面，本发明包括 用指令编码的程序存储装置，当通过计算装置执行时，所述指令实施本发明的方法。此处详细描述的 一些部分因此可以以软件执行的方法列出，该方 法包括在计算系统或者计算装置的存储器内在数据码元上的操作符号 表示法。这些说明和表示法是本领域技术人员使用的方式，以便最有 效地传输其工作的内容给本领域的其它熟练技术人员。该方法与操作 要求物理参数的物理控制。通常，但不一定必须，这些参数的形式为 能被储存、转化、结合、比较和要么被控制的电、磁或光信号。原则 上，由于通常使用的原因，已经证明称这些信号为比特、数值、元素、 符号、字符、术语、数字等是方便的。然而，应当牢记，所有这些和类似的术语与合适的物理参数有关， 且仅仅是用于这些参数的方便的标记。除非另有说明或者要么可能显 而易见，在本发明公开的内容中，这些说明是指电子装置的作用和过 程，它们控制在一些电子装置的存储器内以物理参数(电、磁或光)形 式表示的数据并将其转化成在存储器内或者在传输或显示装置内以物 理参数形式类似地表示的其它数据。表示这一说明的术语的例子，毫无限制地为术语"处理，，、"计算(computing)"、"计算(calculating)"、 "测定"、"显示"等。现回到图4A， 一般来说，燃料处理器102(在400处)的启动包括 使氧化器114 (在402处)点火，引起氧化器114达到操作条件(在404 处)，使ATR110(在406处)点火，然后使ATR110达到操作条件(在408 处)。氧化器114点火是当在所需温度范围内在燃料与空气之间存在继 续催化反应时氧化器114的状态。类似地，ATR110点火是当认为在从 氧化器114接收的工艺原料流120的各组分之间具有继续催化反应时 ATR110的状态。图4B特别示出了 (在410处)氧化器114的点火。图 4C特别示出了 (在420处)ATR110的点火。现参考图4B，在起始温度下，通过(在412处)用空气吹扫氧化器 114的反应器224 (如图2A所示)，氣化器114的点火开始。在启动之 前，燃料处理器102将处于某一环境温度下，即其温度将没有被主动 地控制。这一环境温度将典型地为"室"温，或者小于约50"C，但这不是实施本发明必须的。因此，吹扫的"起始"温度通常是燃料处理器102所处环境的环境温度，它将典型地为小于约50匸的"室"温。在所示的实施方案中，用由空气子系统126供应的空气118以 200L/min的流量或者至少三反应器体积的空气118吹扫(在412处) 反应器224最少15分钟。受益于本发明公开内容的本领域技术人员将 理解该流量和持续时间是反应器224的体积的函数。因此，流量和持 续时间是装置特异的，在可供替代的实施方案中可釆用其它流量和持 续时间。对于所示的实施方案来说，在这点处反应器224的内容物为 100%空气。然而，这不是实施本发明必须的。目的是吹扫反应器224 到恰好低于随后将引入的燃料112的爆炸下限("LEL")。因此在可供 替代的实施方案中可使用其它空气流量、持续时间和体积。通过在吹扫过的氧化器反应器224的至少部分中生成点火热量 (在414处)，进行氧化器的点火。生成点火热量的方式是装置特异 的，例如通过加热至少部分催化剂床到至少点火温度或激发火花源来 进行。在所示的实施方案中，在催化剂床257 (图2A所示)内，通过用 换热器252将其加热到至少约280t;，生成点火热量。注意仅仅部分 催化剂床257需要按照这一方式加热。仍参考图4B，氧化器的点火接着(在416处)引入燃料到氧化器反 应器的加热区域内。所得燃料和空气的混合物保持在燃料的爆炸 下限以下。受益于本发明公开内容的本领域技术人员将理解，爆炸下 限将随燃料而变化，因此(在416处)引入的燃料量将取决于燃料。在 所示的实施方案中，所引入的燃料是最终将被重整的燃料，即燃料。 如前所述，在所示的实施方案中，燃料112是天然气，但可使用其它 烃。因此，所示的实施方案引入天然气，以实现含小于3.4%天然气或 者0/C(NG)比大于6. 0的空气与天然气的混合物。这低于在空气内4. 0% 天然气或者5. 05 0/C(NG)的LEL。通过加热(在418处)含燃料/空气混合物的氧化器反应器至操作 温度下进行氧化器的点火。"操作温度"是足够高到启动并维持燃料/ 空气混合物与例如(如图2所示的)催化剂床2 5 7的催化反应的温度。在所示的实施方案中，氧化器反应器224被加热至介于约400-8001C 的温度下。在该点处，氧化器114被点火。现回到图4C，在起始温度下，通过用燃料吹扫(在424处)ATR110 的反应器250b(如图2B所示的)至少到燃料的爆炸上限("UEL")， ATR110的点火开始。关于氧化器114的吹扫(在412处，在图4B中)， 吹扫的"起始"温度通常是燃料处理器102所处环境的环境温度，它 将典型地为小于约50匸的"室"温。在所示的实施方案中的吹扫燃料 是来自于燃料子系统122的燃料112。如前所述，在本发明中，燃料 112是天然气，但可使用其它烃。燃料112的UEL将随燃料112的装 置而变化。在所示的实施方案中，通过经反应器250b引入至少4反应 器体积的燃料112来进行这一操作。然而，这不是实施本发明必须的， 只要反应器250b被吹扫到至少高于燃料112的UEL即可。通过(在424处)维持自热重整器110的变换器250d的非引火变换 催化剂(未示出)在足以防止其中的水冷凝的温度下，继续ATR110的点 火。在所示的实施方案中，ATR110使用加热器(即换热器252，在图 2B中)和冷却盘管(即冷却盘管，在图2B中)，以维持非引火变换催化 剂的温度介于约150-200X:。上限位于非引火变换催化剂的温度以防 止对其损坏。要注意如前所述，在环境温度下，启动由其中包括变换 器250d的ATR110开始。因此，首先可能需要加热非引火变换催化剂。 取决于特定的实施方案，这一加热可在吹扫反应器250b之前、之中或 之后进行。仍参考图4C，通过(在426处)加热吹扫过的反应器250b到非引 火变换催化剂的点火温度，同时使燃料112继续流过其中，从而继续 ATR110的点火。受益于本发明公开内容的本领域技术人员将理解，点 火温度将随非引火变换催化剂的装置而变化。所示的实施方案使用以 上所述的SELECTRA SHIFT 并加热反应器250b至约300^。ATR110的点火将空气118 (在428处)引入反应器250b中，产生超 过燃料112爆炸上限("UEL")的空气和燃料的混合物(未示出)，所 示的实施方案用天然气提供燃料112，所述天然气在空气中的UEL为17. 0%或者1. 03的0/C(NG)。因此，所示的实施方案引入空气以实现 在空气中26%天然气的浓度或者0. 6的0/C(NG)比。通过(在430处)加热反应器250b至操作温度，结束ATR110的点 火。在所示的实施方案中，操作温度介于约600-900X:，优选约700 n。非引火变换催化剂将维持在约250X:的温度下。以下提供在启动 之后关于ATR110的正常操作的更多细节。在正常操作中，ATR110的处理器反应器(未示出)将工艺原料流 120重整为氢气或富氢的气体流和流出副产物如水。在所示的实施方 案中，工艺原料流120输送来自图1所示的氧化器114的燃料、空气 和水的混合物。图5描述了一般的工艺流程图，它说明了包括在本发 明例举实施方案内的工艺步骤。与图5有关的下述说明根据以发明人 Curtis L，Krause等的名义于2001年12月5日提交和2002年7月 18 曰公开的标题为 "Compact Fuel Processor for Producing a Hydrogen Rich Gas " 的美国专利申请10/006963 (乂>开号 US2002/0094310A1)调整而来。燃料处理器102的工艺原料流120包括烃燃料、氧气和水的混合 物，正如上文所述。氧气可以是空气、富集空气或基本纯氧气的形式。 水可作为液体或蒸汽形式引入。通过如下所述的所需的操作条件测定工艺原料各组分的組成百分数。来自本发明的燃料处理器的流出流体 包括氢气和二氧化碳，也可包括一些水、未转化的烃、 一氧化碳、杂 质(例如硫化氢和氨)和惰性组分(例如氮气和氩气，特别是当空气是原 料流中的组分时)。工艺步骤A是自热的重整工艺，其中在一个特定的实施方案中， 进行两个反应，即部分氧化(下式I)和任选的蒸汽重整(下式II),将 工艺原料流120转化成含氢气和一氧化碳的合成气。式I和II是例举 的反应式，其中甲烷被认为是烃CH4+l/202 — 2H2+CO (I)通过处理器反应器由氧化器114接收工艺原料流120，如图1所 示。在工艺原料流120内较高浓度的氧气有利于部分氧化，而较高的水蒸气浓度有利于蒸汽重整。因此氧气与烃的比和水与烃的比是影响 操作温度和氢气产率的特征参数。自热重整步骤A的操作温度范围可以是约550-900X:，这取决于 原料条件和催化剂。所述比、温度和原料条件均是通过本发明的控制 系统控制的参数的实例。在重整器内，在有或无蒸汽重整催化剂的情 况下，所示的实施方案使用部分氧化催化剂的催化剂床。工艺步骤B是冷却步骤，用于冷却来自工艺步骤A的合成气流至 约200-6001C的温度，优选约375-4251C,得到用于(以下所述的)工艺 步骤C的合成气流出物的温度。可采用散热片、热管或换热器实现这 一冷却，这取决于设计规格和使用任何合适类型冷却剂回收/循环气流 的热量的需要。例如，用于工艺步骤B的冷却剂可以是热子系统128 的冷却剂。工艺步骤C是纯化步骤并使用氧化锌(Zn0)作为硫化氩吸收剂。烃 流体的主要杂质之一是硫，其通过自热重整步骤A转化成硫化氩。在 工艺步骤C中所使用的处理核包括氧化锌和/或能吸收并转化硫化氢 的其它材料，和可包括载体(例如整料、挤出物、粒料等)。根据下述 反应式III，通过将硫化氩转化成水，实现脱硫H2S + Zn0 — H20 + ZnS (III)该反应优选在约300-500X:的温度下进行，更优选为约375-425"C。仍参考图5,流出物流然后可输送到混合步骤D中，在此由水子 系统124接收的水116(均如图1所示)任选加入到气流中。添加水降 低反应物流的温度，当它蒸发并供应更多的水以供(如下所述的)工艺 步骤E的水气变换反应时。通过流经有效地混合和/或辅助水汽化的惰 性材料如陶瓷珠或其它类似材料的处理核，从而混合水蒸气和其它流 出物流组分。或者，任何额外的水可与原料一起引入，和可重新布置 混合步骤，以提供在(如下所述的)CO氧化步骤G中氣化剂气体的更好 混合。这一温度还通过本发明的控制系统来控制。工艺步骤E是水气变换反应，它根据下式IV将一氧化碳转化成二氧化碳H20 + CO — H2 + C02 (IV)一氣化碳的浓度优选应降低到燃料电池可忍耐的水平，典型地低 于50ppm。 一般来说，水气变换反应可在150-600X:的温度下发生，这 取决于所使用的催化剂。在这种条件下，在气体流内的大多数一氧化 碳在这一步骤内转化。这一温度和浓度是通过本发明的控制系统控制 的更多参数。再次回到图5，工艺步骤F是冷却步骤。工艺步骤F降低气体流 的温度，产生温度范围优选约90-150iC的流出液。来自空气子系统(未 示出)的氧气也被加入到步骤F内的工艺中。氧气通过如下所述的工艺 步骤G的反应而被消耗。工艺步骤G是氧化步骤，其中在流出流体内的几乎所有残留的一 氧化碳均被转化成二氧化碳。在氧化一氧化碳的催化剂存在下进行处 理。在工艺步骤G中发生两个反应所需的一氧化碳氧化(式V)和非 所需的氢气氧化(式VI)如下所述CO + 1/202 — C02 (V)H2 + 1/202 — H20 (VI)低温有利于一氧化碳的优先氧化。由于这两个反应均产生热，可 能有利的是任选包括在该工艺中布置的冷却元件如冷却盘管。该工艺 的操作温度优选保持在约90-150X:的范围内。工艺步骤G降低一氧化 碳含量到优选小于50卯m，这是用于燃料电池的合适水平。流出热量处理器的重整产品108是含二氧化碳和其它成分(可以 以例如水、惰性组分(例如氮气、氩气)、残留的烃等形式存在)的富氩 气体。产物气体可以用作燃料电池或者其中希望富氢原料的其它应用 的原料。任选地，产物气体可输送到进一步的处理中，例如除去二氧 化碳、水或其它组分。表l列出了针对ATR110正常操作的额外信息。表1.非引火变换催化剂的操作区域还原(重整产品)氧化(空气)操作时的最大温度〈3001C在氣化过程中没有蒸汽至多3501C过渡〈30分钟H20是可逆的；220t:过夜；400若高于这一温度，不可逆的甲烷匸l小时化开始无液态水无液态水最终，操作循环终止，和燃料处理器102被停止，如图6A(在600 处)所示。可计划停止，如同维护的情况一样，或者非计划停止，如同 当停止错误条件出现一样。氧化器114和ATR110的反应器256和250b 分别在一般意义上进行吹扫和冷却。在过渡到停止状态时，空气子系 统126、水子系统124和热子系统128为氧化器114和ATR110提供空 气118、水116和热控制。在所示的实施方案中，ATR110首先(在602 处)被吹扫并(在604处)被停止，接着(在606处)吹扫氧化器114并(在 608处)被停止。现回到图6B，为了停止和吹扫ATRllO，空气子系统126 (在610 处)终止空气118的流动，接着水子系统124(在612处)终止水116流 向ATR110的反应器250b。然后，当ATR110的反应器250b(在614处) 用燃料112吹扫时，燃料子系统122继续(未示出)燃料112的流动。 允许各组分(在616处)冷却到停止温度。停止温度可以是环境温度。 然而，在所示的实施方案中，热子系统128继续冷却(未示出)其中包 括反应器250b的ATR110的各组分，直到它们冷却到低于约50X:，随 后关闭冷却盘管。为了停止和吹扫氧化器114，如图6C所示，燃料子系统122 (在 618处)终止燃料112流动到氧化器114的反应器224中，随后氧化器 反应器224(在620处)用来自空气子系统126的空气118吹扫。吹扫 氧化器反应器224，直到它达到预定的停止温度，这与以体积计吹扫 的ATR反应器250b相反。该方法用于在氧化器反应器224中吹扫，这是因为在床的不同部分内的催化剂负载差异可能比其它部分更大。在所示的实施方案中，氧化器反应器224被吹扫到环境或"室"温，或 者低于约50X:的温度。 一旦氧化器反应器224被吹扫，则空气子系统 126(在622处)终止空气供应到氧化器114中并停止空气子系统126 中的各组件(例如压缩机)。水子系统124、燃料子系统122和热子系 统128也停止水子系统124、燃料子系统122和热子系统128中的各 组件。以上所述的特定实施方案仅仅是例举，因为对受益于此处教导的 熟练本领域技术人员来说，显而易见地可以以不同但等价的方式改进 和实施本发明。此外，除了以下权利要求中所述的以外，不打算局限 于此处所示的结构或设计的细节。因此，显然可改变或调整以上所述 的特定实施方案，并且所有这些变化均被认为在本发明的范围与精神 以内。因此，在以下的权利要求中列出此处寻求的保护范围。
权利要求
1.使燃料处理器内使用非引火变换催化剂的自热重整器停止的方法，包括终止流入自热重整器反应器的空气；在终止空气流之后，终止进入自热重整器反应器的水流；用燃料吹扫自热重整器反应器；和允许自热重整器反应器冷却到停止温度。
2. 权利要求l的方法，其中停止温度是环境温度。
3. 权利要求1的方法，进一步包括积极冷却自热重整器反应器至 低于约50C。
4. 权利要求1的方法，其中用燃料吹扫自热重整器反应器包括用 天然气吹扫自热重整器反应器。
5. 停止与使用非引火变换催化剂的自热重整器一起使用的氧化器 的方法，包括终止流入氧化器反应器的燃料流；用空气吹扫氧化器反应器，直到氧化器反应器内的温度达到停止温 度；和终止流入吹扫过的氧化器反应器内的空气流。
6. 权利要求5的方法，其中停止温度是环境温度。
全文摘要
本申请涉及在利用非引火变换催化剂的燃料处理器内的自热重整。其中公开了启动和停止包括使用非引火变换催化剂的自热重整器(110)的燃料处理器(102)的方法。还公开了为启动或停止包括使用非引火变换催化剂的自热重整器(110)的燃料处理器(102)而编程的自动控制系统(106)或者用指令编码的程序储存介质，当通过自动控制系统(106)执行时，所述指令启动或停止包括使用非引火变换催化剂的自热重整器(110)的燃料处理器(102)。
文档编号H01M8/10GK101274743SQ20081000192
公开日2008年10月1日 申请日期2004年3月30日 优先权日2003年4月4日
发明者C·L·克劳斯, D·G·卡塞伊, J·F·史蒂文斯, K·H·源, V·R·米尔科维奇, W·S·惠特 申请人:德士古发展公司