具有浮动催化剂的燃料处理器的制造方法
【专利摘要】具有浮动催化剂的燃料处理器具有由分隔壁分隔开的反应气体通道和产物气体通道，所述壁是在一端固定且在另一端自由的，以允许差异化热膨胀。催化剂靠近所述自由端收纳在所述分隔壁内部。外壁至少部分地围绕所述分隔壁并且所述分隔壁的所述固定端可以接合到所述外壁。所述燃料处理器可以包括多个同心管，并且可以包含位于所述分离器壁内部的第三管。所述气体通道设置有气体可渗透支撑结构，例如，相对于所述外壁支撑所述分隔壁的湍流增强器或翅片，但是所述支撑结构仅结合到一个管以便允许所述壁的差异化热膨胀。
【专利说明】具有浮动催化剂的燃料处理器
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2012年5月31日递交的第13/484，626号美国专利申请案的优先权和权益,所述申请案的内容通过弓I用并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及具有简化构造的催化燃料处理器。
【背景技术】
[0004]燃料电池系统通常包含燃料处理器以容易地将可用的含氢燃料(例如，烃类和低分子量的醇)转化成与燃料电池中的氧反应的含有重整油的分子氢。用于从含氢燃料中生成分子氢的已知的方法包含蒸汽重整(SR)、部分氧化和自热重整(ATR)。在这些方法中，含氢燃料在催化剂存在的情况下与蒸汽和/或氧反应。催化反应在高温下进行，并且根据所使用的方法，可以是吸热的或放热的。
[0005]为了将催化剂维持在其最佳操作温度，希望在反应物接触催化剂之前对反应物进行预热。在一些燃料处理器中，气态反应物的预热至少部分地通过与由催化反应产生的热气态重整油进行热交换而完成。因此，这种类型的燃料处理器将包含热交换部分和催化剂部分。
[0006]已知的催化燃料处理器的一个实例在第WO 2004/059232号国际公开案(荣(Rong)等人)中示出。荣(Rong)等人的燃料处理器包含壳管式热交换器，所述热交换器用于通过与热重整油的热交换来预热气态反应物。所述热交换器具有浮动头部，所述浮动头部允许热交换器管轴向扩展，由此减少由管和壳体的差异化热膨胀产生的热应力的潜在损害效应。然而，荣(Rong)等人的燃料处理器的壳管式构造需要大量的零件，并且因此具有相对高的材料和组装成本。此外，大量的零件意味着存在许多可能产生泄漏的接头。
[0007]需要生产起来更简单且价格低廉并且同时保持使热应力最小化的能力的燃料处理器。
【发明内容】
[0008]在一个方面中，提供一种燃料处理器，其包括:
[0009](a)反应气体通道；
[0010](b)产物气体通道；
[0011](C)分隔壁，其分隔反应气体通道与产物气体通道，所述分隔壁具有固定端和自由端，其中固定端靠近反应气体端口和产物气体端口 ；
[0012](d)催化剂，其收纳在分隔壁内部靠近其自由端，其中反应气体通道从反应气体端口延伸到催化剂并且产物气体通道从催化剂延伸到产物气体端口 ；
[0013](e)外壁，其在分隔壁的长度的至少一部分上围绕所述分隔壁；以及
[0014](f)气体可渗透支撑结构的第一层，其提供在分隔壁与外壁之间并且与分隔壁和外壁接触，其中气体可渗透支撑结构的第一层位于分隔壁的固定端与自由端之间；
[0015]其中分隔壁从其固定端连续地延伸到催化剂，并且其中产物气体通道在分隔壁的固定端和自由端之间与反应气体通道进行热交换接触。
[0016]在另一方面中，分隔壁的固定端可以接合到外壁。
[0017]在另一方面中，反应气体通道的至少一部分可以位于分隔壁与外壁之间。
[0018]在又一方面中，产物气体通道的至少一部分可以位于分隔壁与外壁之间。
[0019]在又一方面中，外壁可以包括具有端壁的外壳，并且端壁可以与分隔壁的自由端间隔开，以便形成入口空间，反应气体在所述入口空间处进入催化剂。
[0020]在又一方面中，分隔壁和外壁可以各包括平行于气流轴线延伸并且彼此同心地布置的圆柱形壁，使得所述反应气体通道和所述产物气体通道中的一者的至少一部分位于所述分隔壁与所述外壁之间的环形空间中。
[0021]在又一方面中，所述分隔壁与所述外壁之间的环形空间包括反应气体通道。根据此方面，反应气体端口可以位于外壁中和/或气体可渗透支撑结构的第一层可以位于所述环形空间中并且沿分隔壁的长度的至少一部分围绕所述分隔壁。气体可渗透支撑结构的第一层可以是波纹翅片或湍流增强器。
[0022]在又一方面中，第三圆柱形管位于分隔壁内部，其中所述第三圆柱形管具有至少一个闭合端，并且其中所述第三圆柱形管平行于气流轴线，使得将内环形空间提供在所述第三管与所述分隔壁之间。根据此方面，气体可渗透支撑结构的第二层提供在内环形空间中，并且沿第三管的长度的至少一部分围绕所述第三管，其中在内环形空间中的气体可渗透支撑结构的第二层是波纹翅片或湍流增强器。第三圆柱形管可具有靠近催化剂的第一闭合端和具有靠近分隔壁的固定端的孔的第二端，其中燃料处理器进一步包括入口管，所述入口管从形成在外壁中的反应气体端口穿过所述孔延伸到第三管的中空的内部。此外，分隔壁和第三圆柱形管中的至少一者可以设置有径向延伸的浅凹，分隔壁和第三管沿所述浅凹接合在一起，并且其中孔隙提供在通过所述浅凹接合在一起的分隔壁和第三圆柱形管的各部分中，使得第三管的中空的内部与位于分隔壁与外壁之间的反应气体通道流体连通。
[0023]在又一方面中，反应气体通道和产物气体通道可以定向成基本上平行于气流轴线，并且反应气体通道和产物气体通道中的每一者可以经历沿其长度的在大约180度的方向上的至少一个改变。举例来说，反应气体通道和产物气体通道中的每一者可以经历沿其长度的在方向上的至少两个改变。外壁可以包括具有端壁的外壳，其中端壁与分隔壁的自由端间隔开以便形成入口空间，在所述入口空间处反应气体进入催化剂，并且其中反应气体通道在方向上的所述改变中的一者位于所述入口空间中。
[0024]在又一方面中，催化剂包含在圆柱形催化剂容器中，并且催化剂容器以摩擦方式保留在分隔壁内。可压缩材料的层可以提供在催化剂容器与分隔壁之间。
[0025]在又一方面中，分隔壁具有蜿蜒的形状并且由外壁完全包围。根据此方面，分隔壁可以至少包括彼此径向间隔开的外圆柱形壁、中间圆柱形壁和内圆柱形壁，其中外圆柱形壁的底部通过外环形壁接合到中间圆柱形壁的底部,并且其中中间圆柱形壁的顶部通过内环形壁接合到内圆柱形壁的顶部。分隔壁的固定端可以靠近外圆柱形壁的顶部并且分隔壁的自由端可以提供在内圆柱形壁的底部处远离内环形壁，并且催化剂可以收纳在内圆柱形壁内部。此外，固定端可以通过刚性连接部紧固到外壁的顶壁。
[0026]在又一方面中，第一圆柱形挡扳从顶壁向下延伸到在分隔壁的外圆柱形壁与中间圆柱形壁之间的环形空间中，以便提供用于反应气体的流动的U形通道。根据此方面，外壁可进一步包括与顶壁相对的底壁，并且第二圆柱形挡扳可从底壁向上延伸到在分隔壁的中间圆柱形壁与内圆柱形壁之间的环形空间中，以便提供用于产物气体的流动的U形通道。此外，根据此方面，气体可渗透支撑结构的第一层可以位于分隔壁的外圆柱形壁与外壁之间，并且燃料处理器可进一步包括在外圆柱形壁与第一挡扳之间的气体可渗透支撑结构的第二层、在第一挡扳与分隔壁的中间圆柱形壁之间的气体可渗透支撑结构的第三层，以及在分隔壁的中间圆柱形壁与第二挡扳之间的气体可渗透支撑结构的第四层。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]现在将仅借助于实例参考以下附图描述本发明，在所述附图中:
[0028]图1是根据本发明的第一实施例的燃料处理器的透视图；
[0029]图2是沿图1的线2-2’的纵向截面图；
[0030]图3是沿图1的线3-3’的横向截面图；
[0031]图4是图1的燃料处理器的分隔壁和外支撑结构的侧面透视图；
[0032]图5是图1的燃料处理器的分隔壁和外支撑结构的顶部透视图；
[0033]图6是根据本发明的第二实施例的燃料处理器的透视图；
[0034]图7是沿图6的线7-7’的第一纵向截面图；
[0035]图8是沿图6的线8-8’的第二横向截面图；
[0036]图9是其外部壳体的下部部分的透视图；
[0037]图10是沿图9’的线10-10’的截面图；
[0038]图11是其分隔壁的透视图；
[0039]图12是沿图11的线12-12’的截面图；
[0040]图13是其外部壳体的上部部分的透视图；
[0041]图14是沿图13’的线14-14’的截面图；以及
[0042]图15是穿过根据本发明的第三实施例的燃料处理器的纵向截面图。
【具体实施方式】
[0043]现在下文参考附图描述根据本发明的燃料处理器的具体实施例。根据本发明的燃料处理器可以用于使用例如蒸汽重整、部分氧化或自热重整的催化燃料转化方法从任何适宜的烃类或低分子量醇中生产含氢重整油。
[0044]举例来说，含氢燃料可以包括选自以下项中的烃类燃料:一或多种石油馏分，例如，汽油、石脑油、煤油、柴油等；天然气或其一或多种组分，包含甲烷、乙烷、丙烷等。替代地，含氢燃料可以包括一或多种醇，例如，甲醇和乙醇。
[0045]在燃料处理器中，含氢燃料经历与水(蒸汽)和/或分子氧的催化反应。氧通常以空气的形式供应。含氢燃料可以或者混合在燃料处理器内或者混合在燃料处理器的上游，并且含氢燃料与蒸汽和/或氧的混合物在本文中被称为“反应气体”或简单地称为“反应物”。由催化反应产生的热重整油在本文中一般被称为“重整油”、“产物气体”或简单地称为“产物”。
[0046]如本文中所使用，术语“内”和“外”用作描述燃料处理器的某些元件相对于中心纵向轴线的相对径向位置的参考术语。
[0047]在图1到图5中图示了根据本发明的第一实施例的燃料处理器10。燃料处理器10由多个同心的圆柱形管构造成，所述管限定纵向轴线A并且限定反应气体和产物气体的流动的方向。
[0048]燃料处理器10包含外壁12，所述外壁具有开放端14和相对的闭合端16。开放端14可以设置有轴向延伸的套管部分38，所述套管部分的直径相对于外壁12的其余部分是减小的，其原因将在下文中变得显而易见。用于接收气态反应物的反应气体端口 30提供在外壁12中，靠近开放端14。反应气体端口 30设置有反应气体入口配件34，燃料处理器10通过所述反应气体入口配件接收来自外源(未图示)的反应气体。在外壁12的闭合端16处，提供端壁18。外壁12、端壁18和反应气体入口配件34可以一起构成燃料处理器10的夕卜壳。
[0049]收纳在外壁12的孔隙中的是电加热器元件36，下文将描述所述电加热器元件的目的。加热器元件36连接到外部电源(未图示)。加热器元件36可以通过端壁18中的孔隙来收纳，而非通过外壁12中的孔隙来收纳。
[0050]燃料处理器10进一步包括分隔壁20，其将反应气体通道22与产物气体通道24分隔开。分隔壁20在两端处开放并且收纳在外壁12的开放端14内部，使得外壁12沿所述分隔壁的长度的至少一部分围绕所述分隔壁20。在此实施例中，反应气体通道22位于外壁12与分隔壁20之间，并且位于从产物气体通道24径向向外处，所述产物气体通道位于分隔壁内部。
[0051]分隔壁20具有靠近刚性连接部28的固定端26，在所述刚性连接部处外壁12的开放端14紧固到分隔壁20。从图式中可以看到，刚性连接部28封闭在外壁12与分隔壁20之间的环形间隙，由此密封反应气体通道22的一端。在图式中所示的实施例中，通过减小外壁12在其开放端14处的直径并且提供轴向延伸的套管38来封闭环形间隙，所述套管38刚性地紧固到分隔壁20的外表面，例如通过钎焊或焊接。然而，应了解，存在其它方式来封闭外壁12与分隔壁20之间的环形间隙。举例来说，分隔壁20可在固定端26处增大直径，其中外壁12的直径或者减小或者不减小。替代地，外壁12的开放端14和分隔壁20的固定端26可以具有恒定直径，其中环形间隙由环形密封环(未图示)填充。替代地，分隔壁20可以在其固定端26处闭合，其中产物气体端口 32提供在分隔壁20的侧面中，或者可以在分隔壁的固定端处提供用于产物气体端口 32的较小的开口。
[0052]分隔壁20的固定端26位于靠近反应气体端口 30 (上文已经提到)和产物气体端口 32处，重整油通过所述产物气体端口排放。在此实施例中产物气体端口 32由分隔壁20的开放的固定端26形成，所述固定端26从外部管12的开放端14突出并且适合于直接或间接连接到其中进一步处理或消耗重整油的燃料电池系统(未图示)的组件。尽管分隔壁20的固定端26突出超过外部管12的开放端14，但是应了解此布置不是必需的。相反，有可能使外部管12的开放端14延伸超出分隔壁20的固定端26，例如，通过在刚性连接部28处终止分隔壁20并且使套管部分38延伸超过刚性连接部28。套管部分38随后将适合于或者直接或者间接地穿过导管而连接到燃料电池系统的另一组件，所述导管例如管道或管(未图示)。还可能的是，外壁12完全包围分隔壁20，并且通过外壁12提供产物气体端口
32。
[0053]分隔壁20还具有自由端40，所述自由端位于靠近外壁12的闭合端16处。自由端40与外壁12和端壁18两者间隔开，并且端壁18与分隔壁20的自由端40充分地间隔开以便形成入口空间42，在所述入口空间处反应气体进入分隔壁20的自由端40。如图2中所示，分隔壁20可以设置有多个离散形成的浅凹45，所述浅凹朝向外壁12向外延伸到反应气体通道22中。提供这些浅凹45以保持分隔壁20在外壁12内居中。在图2中示出两个浅凹45 (注意，在图5中未示出浅凹)，可以存在围绕分隔壁20周向间隔开的两个以上浅凹。尽管浅凹45用作壁12和20之间的间隔物，但是应了解，可以提供替代的间隔物。举例来说，外壁12可以形成有向内延伸的浅凹，或者单独的间隔物元件可以提供在壁12和20之间。无论间隔物的类型如何，都应理解，间隔物并不形成壁12和20之间的刚性连接部。
[0054]位于分隔壁20内部靠近自由端40的是催化剂床44。催化剂床44包括用于高温催化反应的催化剂，所述高温催化反应例如，蒸汽重整(SR)、部分氧化或自热重整(ATR)。催化剂床44包括由多孔支撑结构支撑的催化剂材料。在此实施例中，催化剂床呈圆柱体的形式，所述圆柱体经大小设定以紧贴地装配在分隔壁20的自由端40内。如图2中所示，分隔壁20的自由端40可以向内折叠，如在49处所示，以改进催化剂在分隔壁20内部的保持。自由端40的向内折叠可以通过提供围绕自由端40的边缘周向间隔开的轴向延伸的缝隙51来促进，并且所述折叠可以通过在每个缝隙51的基底处提供放大区域来进一步促进，如图2中所示。折叠边缘49和缝隙51在图5中未示出。
[0055]支撑结构可以包括一或多种耐腐蚀和耐热性材料，例如，陶瓷或耐火材料，并且呈促进燃料处理器内的流动气体与催化剂材料之间的接触的形式。支撑材料的实例包含氧化镁、氧化铝、二氧化硅和氧化锆，以及其混合物，并且支撑结构可以呈珠粒或栅格的形式，例如，挤压陶瓷整料栅格。在替代方案中，催化剂载体或催化剂本身可以包括波纹状的轧制金属箔片，所述金属箔片可以(例如)呈有缝隙且卷绕的形状的形式，例如，湍流增强器。无论催化剂材料或支撑结构的形式如何，催化剂材料都经布置以便不会过度地限制反应气体和重整油的流动。
[0056]催化剂床44和分隔壁20未以任何方式紧固在一起，并且因此避免了由催化剂床44和分隔壁20的差异化热膨胀造成的热应力。位于催化剂床44与分隔壁20之间的是耐热的可压缩材料的薄层46，例如，陶瓷纤维毡。毡层46用于支撑催化剂床44并且防止在催化剂床44的边缘处的气流漏气。
[0057]在所说明的实施例中，催化剂床44也维持在适当位置上并且由向内倾斜的肩部48支撑，所述肩部形成在分隔壁中并且朝向固定端26减小分隔壁20的直径。
[0058]现已描述了外壁12和分隔壁20，可以看到反应气体通道22由在分隔壁20与外壁12之间的环形空间限定。反应气体通道22从反应气体端口 30延伸到入口空间42，所述入口空间位于端壁18与分隔壁20的自由端40之间。在此入口空间42中，反应气体改变方向并且进入催化剂床44。
[0059]反应气体在催化剂床44内经历催化反应并且转化成重整油，所述重整油离开催化剂床44并且进入反应气体通道24。通道24从催化剂床44延伸到产物气体端口 32，其中重整油和反应气体是逆流的，即，在它们的对应的流动通道24、22中在相反的方向上流动。当气体流动经过燃料处理器10时，热量穿过分隔壁20从相对较热的重整油传递到相对较冷的反应气体，由此预热反应气体。加热器元件36可按照需要使用以向反应气体提供补充热量，以便将催化剂维持在或接近其最佳操作温度。
[0060]重整油与反应气体之间的热传递可以通过提供呈环形通道的形式的产物气体通道24来增强，以便使热重整油沿分隔壁20流动。这通过在分隔壁20内部提供第三壁50来完成。第三壁50呈圆柱形管的形式，所述圆柱形管与轴线A对齐并且与分隔壁20和外壁12是同心的。第三壁50是“不通的”或“盲的”管，意味着它在一端或两端处是闭合的，以便防止重整油流动经过所述管的中空的内部。在图式中示出的第三壁50是在两端处闭合的。
[0061]燃料处理器10进一步包括在分隔壁20与外壁12之间的反应气体通道22中的外气体可渗透支撑结构52。此外，当产物气体通道24是环形的时，内气体可渗透支撑结构54提供在产物气体通道24中，并且位于分隔壁20与第三管50之间。气体可渗透支撑结构52、54提供两个功能:首先，支撑壁12、20和50并且维持它们的同心布置；以及其次增加反应气体和重整油中的湍流，由此改进穿过分隔壁20的热传递。
[0062]气体可渗透支撑结构52、54可以呈湍流增强插入件的形式，例如，翅片或湍流增强器。如本文中所使用，术语“翅片”和“湍流增强器”意图指代波纹状湍流增强插入件，所述插入件具有多个轴向延伸的由侧壁连接的脊线或冠部，其中脊线是磨圆的或平坦的。如本文中所定义，“翅片”具有连续的脊线，而“湍流增强器”具有沿其长度中断的脊线，因此穿过湍流增强器的轴向流动是曲折的。湍流增强器有时被称作偏离或切开的条带状翅片，并且此类湍流增强器的实例描述于第Re.35，890号美国专利案(苏(So))和第6，273，183号美国专利案中(苏(So)等人)。授予苏(So)以及苏(So)等人的专利通过引用以其全文并入本文中。
[0063]气体可渗透支撑结构52、54收纳在对应的通道22、24内，使得支撑结构52、54的低压降方向(即，其中流体遇到波纹的前缘)定向成平行于通道22和24中的气流的方向。由于支撑结构52、54在此的这种定向，在流动方向上存在相对较低的压降。
[0064]在图式中示出的气体可渗透支撑结构52、54包括具有倾斜侧壁的简单的波纹翅片。尽管支撑结构52、54的脊线在图式中是以尖锐的角度或尖的形式示出的，但是应了解，波纹通过使金属片弯曲来形成，并且因此脊线将具有弄圆表面，所述弄圆表面具有较小半径，并且这些弄圆表面在脊线处与壁12、20或50接触，如下文所进一步描述。
[0065]外气体可渗透支撑结构52呈波纹片的形式，所述波纹片缠绕分隔壁20，其中支撑结构52的内脊线与分隔壁20的外表面接触并且支撑结构52的外脊线与外壁12的内表面接触。类似地，内气体可渗透支撑结构54呈波纹片的形式，所述波纹片缠绕第三壁50，其中支撑结构54的内脊线与第三壁50的外表面接触并且支撑结构54的外脊线与分隔壁20的内表面接触。这在图3的截面中最佳地看到。
[0066]气体可渗透支撑结构52、54可以在对应的流动通道22、24的整个长度上延伸，或者它们可以仅提供在通道22、24中的它们将具有最有益效果的那些部分中。就此而言，夕卜气体可渗透支撑结构52在图式中示出为从略微地在反应气体端口 30的下游(沿反应气体流动的方向)的点延伸到靠近分隔壁20的肩部48的点。在此区域中，反应气体与离开催化剂床44的热重整油进行热交换接触。支撑结构52并不延伸到反应气体端口 30的区域中，以便留下畅通无阻的圆周歧管空间56，在所述空间中，当反应气体进入支撑结构52时，进来的反应气体均匀地分布。
[0067]内气体可渗透支撑结构54示出为沿第三壁50的整个长度延伸，并且具有基本上与外气体可渗透支撑结构52的轴线长度相同的轴向长度。然而，此精确布置不是必需的，并且应了解，第三壁50可能比图式中示出的或者更长或者更短，和/或支撑结构54可能未必沿第三壁50的整个长度延伸。
[0068]为了适应壁12、20和50的差异化热膨胀，并且由此使燃料处理器10内的热应力最小化，可以使支撑结构52、54的波纹的内和/或外脊线与它们所接触的管的表面是非结合的。举例来说，外气体可渗透支撑结构52的内脊线可以结合到分隔壁20的外表面，例如通过钎焊或焊接，而外气体可渗透支撑结构52的外脊线可以接触但是不结合到外壁12的内表面。类似地，内气体可渗透支撑结构54的外脊线可以结合到分隔壁20的内表面，例如通过钎焊或焊接，而内气体可渗透支撑结构54的内脊线可以接触但是不结合到第三壁50的外表面。将支撑结构52、54结合到分隔壁20增强产物气体与反应气体流之间的热传递。然而，支撑结构52、54并不提供三个壁12、20和50之间的任何附加的刚性连接，并且因此并不妨碍壁的差异化的热膨胀。
[0069]在所说明的实施例中，外气体可渗透支撑结构52与外壁12的内表面直接接触，然而，这并不是在本发明的所有实施例中的情况。在一些实施例中，耐热性绝缘材料的层(未图示)提供在外气体可渗透支撑结构52与外壁12的内表面之间，以防止漏气并且减少到外部环境的热传递损失。
[0070]在图6到图14中图示根据本发明的第二实施例的燃料处理器60。燃料处理器60是上文所描述的燃料处理器10的更紧凑的版本，其中气流经受在方向上的若干改变以补偿燃料处理器60的减小的高度。然而，燃料处理器60的基础构造和操作类似于燃料处理器10的基础构造和操作，并且燃料处理器10和60共享许多相似组件，所述组件在以下描述中以相似附图标记标识。
[0071]燃料处理器60由多个同心圆柱形壁构造成，其中中心纵向轴线B是所述壁中的每一者的中心轴线。轴线B限定反应气体和产物气体这两者的流动方向。
[0072]燃料处理器60包含外壁12 (在本文中也被称为外部壳体12)，所述外壁形成燃料处理器60的外壳并且包围燃料处理器60的所有侧面。外部壳体12包含外圆柱形侧壁62、覆盖外圆柱形侧壁62的顶端的顶壁64、以及覆盖外圆柱形侧壁62的底端的底壁66。顶壁64和底壁66都可以是通过钎焊或焊接以密封方式紧固到外圆柱形侧壁62的单独的组件，或者外圆柱形侧壁62可以与或者顶壁64或者底壁66—体地形成。举例来说,在图11和图12中，外部壳体12的外圆柱形侧壁62和底壁66示出为隔离的，其中圆柱形侧壁62和底壁66任选地形成为整体单元。
[0073]如图式中所示，第一圆柱形挡扳68提供在顶壁64的内表面上并且第二圆柱形挡扳70提供在底壁66的内表面上。挡板68、70以密封方式紧固到对应的顶壁64和底壁66，并且平行于轴线B延伸。如图所示，挡板68、70具有小于外部壳体12的外圆柱形侧壁62的高度的高度，其原因将在下文中说明。第一挡扳68具有与第二挡扳70相比更大的直径，并且因此第一挡扳68位于径向向外朝向外圆柱形侧壁62,而第二挡扳70位于径向向内朝向燃料处理器60的中心纵向轴线B，使得将环形间隙提供在两个挡板68、70之间。此布置的原因也在下文论述。
[0074]反应气体端口 30和产物气体端口 32提供在外壁12中。在所说明的实施例中，反应气体端口 30提供在顶壁64中，并且产物气体端口 32提供在外圆柱形侧壁62中。反应气体端口 30设置有反应气体入口配件34，燃料处理器60通过所述反应气体入口配件接收反应气体，并且产物气体端口 32设置有产物气体出口配件35，产物气体通过所述产物气体出口配件从燃料处理器60中排放。应了解，入口和出口端口的精确的位置可以从图式中示出的位置略微地变化。举例来说，产物气体端口 32和产物气体出口配件35示出为位于外部壳体12的外圆柱形侧壁62中。然而，从图7中可以看到产物气体端口 32和配件35可以更换成位于靠近顶壁64的外边缘的沿其圆周的任何位置处。
[0075]电加热器元件36收纳在外壁12的孔隙37 (图13和图14)中以在需要时提供反应气体的补充加热，并且连接到外部电源(未图示)。在图式中示出的具体实施例中，加热器36通过顶壁64来收纳，并且沿轴线B位于中心处，然而加热器36的位置可以从图式中示出的位置变化。
[0076]燃料处理器60进一步包括分隔壁20，其将反应气体通道22与产物气体通道24分隔开。分隔壁20具有Z形或蜿蜒的截面并且包括三个同心圆柱形壁，即外圆柱形壁72、中间圆柱形壁74，以及内圆柱形壁76。接合这些圆柱形壁72、74和76的是两个同心径向或横向环形壁，即接合外圆柱形壁72和中间圆柱形壁74的底部的外环形壁78，以及接合中间圆柱形壁74和内圆柱形壁76的顶部的内环形壁80。
[0077]分隔壁20还具有在外圆柱形壁72的顶部处的固定端26。固定端26位于靠近反应气体端口 30和产物气体端口 32处。外圆柱形壁72具有与中间圆柱形壁74和内圆柱形壁76相比更大的高度，并且固定端26通过刚性的连接件28以密封方式紧固到外部壳体12的顶壁64，由此将产物气体通道24与反应气体通道22密封开。
[0078]分隔壁20还具有自由端40，所述自由端位于内圆柱形壁76的底部处。位于分隔壁20内部靠近自由端40的是催化剂床44。催化剂床44包括如上文所限定的用于高温催化反应的催化剂，并且包括如上文所限定的支撑在多孔支撑结构上的催化剂材料。催化剂床44呈圆柱体的形式，所述圆柱体经大小设定以紧贴地装配在分隔壁20的自由端40内、收纳在内圆柱形壁76内部、并且在内圆柱形壁76的顶部和底部之间延伸。
[0079]催化剂床44和分隔壁20未以任何方式紧固在一起，并且因此避免了由催化剂床44和分隔壁20的差异化热膨胀造成的热应力。位于催化剂床44与分隔壁20之间的是耐热的可压缩材料的层46，例如，陶瓷纤维毡。毡层46用于支撑催化剂床44并且防止在催化剂床44的边缘处的气流漏气。
[0080]分隔壁20的自由端40与外部壳体12间隔开，并且具体来说，以足够的距离与底壁66间隔开从而形成出口空间43，在所述出口空间处产物气体离开催化剂床44和分隔壁20的自由端40。此外，内圆柱形壁76的顶部与顶壁64充分间隔开，以便形成用于反应气体进入催化剂床44的入口空间42。加热器36位于入口空间42中以在反应气体进入催化剂床44时在需要时提供用于反应气体的补充热量。
[0081]在经组装的燃料处理器60中，可以看到第一圆柱形挡扳68向下延伸到分隔壁20的外圆柱形壁72与中间圆柱形壁74之间的环形空间中，由此限定用于反应气体的U形流动路径。类似地，第二圆柱形挡扳70向上延伸到中间圆柱形壁74与内圆柱形壁76之间的环形空间中，由此限定用于产物气体的U形流动路径。
[0082]现已描述了燃料处理器60的各个组件，可以看到反应气体通道22开始于反应气体端口 30处，反应气体从所述反应气体端口处向下流动并且随后向上通过由圆柱形壁72、74和挡扳68限定的U形流动路径。反应气体随后在内环形壁80与顶壁64之间向内流动，并且进入入口空间42。产物气体通道24开始于出口空间43处，产物气体从所述出口空间处向上流动并且随后向下通过由圆柱形壁74、76和挡扳70限定的U形流动路径，并且随后通过产物气体端口 32离开燃料处理器60。从图7中的箭头可以看到反应气体和产物气体处于逆流构造，并且通过分隔壁20从催化剂床44到分隔壁20的固定端26彼此进行热交换接触。
[0083]燃料处理器60进一步包括在反应气体通道22和产物气体通道24这两者中的多个气体可渗透支撑结构。具体来说，气体可渗透支撑结构可以提供在反应气体通道22和产物气体通道24的各部分中，其中反应气体和产物气体轴向流动并且跨越分隔壁20交换热量。由于分隔壁20的蜿蜒的形状，在燃料处理器60中与在燃料处理器10中相比将存在更多层的气体可渗透支撑结构。然而，燃料处理器60中的气体可渗透支撑结构的功能和结构与燃料处理器10中的气体可渗透支撑结构的功能和结构相同。
[0084]具体来说，燃料处理器60的气体可渗透支撑结构可以呈湍流增强插入件的形式，例如，如上文所限定的翅片或湍流增强器，并且收纳在对应的通道22、24内，使得支撑结构的低压降方向定向成平行于通道22和24中的气流的方向。燃料处理器60的气体可渗透支撑结构示出为包括具有倾斜侧壁的简单的波纹翅片。虽然机关支撑结构的脊线在图式中是以尖锐的角度或尖的形式示出的，但是应了解，波纹通过使金属片弯曲来形成，并且因此脊线将具有弄圆表面，所述弄圆表面具有较小半径，并且这些弄圆表面在脊线处与燃料处理器60的圆柱形壁接触，如下文进一步所描述。
[0085]从图7和图8中可以最佳地看到，在燃料处理器60中存在气体可渗透支撑结构的四个层，并且这些层从燃料处理器60的外部朝向内部由附图标记82、84、86和88标识。
[0086]气体可渗透支撑结构的第一层82提供在产物气体通道24的外部中，在分隔壁20的外圆柱形壁72与外部壳体12的外圆柱形侧壁62之间。如图8中所示，层82呈波纹片的形式，所述波纹片缠绕分隔壁20的外圆柱形壁72，其中所述层的内脊线接触圆柱形壁72的外表面并且所述层的外脊线接触外壁12的内表面。内脊线可以结合到外圆柱形壁72的外表面，例如，通过钎焊或焊接，而外脊线可以接触但是不结合到外壁12的内表面。如图7中所示，第一层的支撑结构82具有与外环形壁78基本上共面的底部，以便不会阻塞位于环形壁78与底壁66之间的下部环形空间90，在所述环形空间中产物气体改变方向并且朝向产物气体端口 32向外流动。第一层的支撑结构82具有顶部，所述顶部位于产物气体端口32的下方，以便不会阻塞产物气体端口 32并且留下环形出口歧管空间92，在所述环形出口歧管空间92中产物气体朝向产物气体端口 32的圆周流动是不受阻的。
[0087]气体可渗透支撑结构的第二层84提供在反应气体通道22的外部中，在第一圆柱形挡板68与分隔壁20的外圆柱形壁72之间。如图8中所示，层84呈波纹片的形式，所述波纹片缠绕第一挡板68，其中所述层的内脊线接触第一挡板68的外表面并且所述层的外脊线接触分隔壁20的外圆柱形壁72的内表面。外脊线可以结合到分隔壁20的外圆柱形壁72的内表面，例如通过钎焊或焊接，而内脊线可以接触但是不结合到第一挡板68的外表面。如图7中所示，第二层的支撑结构84具有与第一挡板68的底部基本上共面的底部，以便不会阻塞位于第一挡板68的底部与外环形壁78之间的下部环形空间94，在所述下部环形空间中反应气体改变方向并且朝向催化剂床44向内流动。第二层的支撑结构84具有可以与分隔壁20的内环形壁80基本上共面的顶部，以便提供环形入口歧管空间96，其中当反应气体进入反应气体通道22时，通过反应气体端口 30进入燃料处理器60的反应气体的流动是周向地分布的。
[0088]气体可渗透支撑结构的第三层86提供在反应气体通道22的内部中，在第一圆柱形挡板68与分隔壁20的中间圆柱形壁74之间。如图8中所示，层86呈波纹片的形式，所述波纹片缠绕中间圆柱形壁74，其中所述层的内脊线接触中间圆柱形壁74的外表面并且所述层的外脊线接触第一挡板68的内表面。内脊线可以结合到中间圆柱形壁74的外表面，例如通过钎焊或焊接，而外脊线可以接触但是不结合到第一挡板68的内表面。如图7中所示，支撑结构的第三层86具有与第一挡板68的底部基本上共面的底部，以便不会阻塞下部环形空间94。支撑结构的第三层86还具有与分隔壁20的内环形壁80基本上共面的顶部，以便不会阻塞位于内环形壁80与外部壳体12的顶壁64之间的径向流动通道98，由此允许产物气体朝向邻近于催化剂床44的入口空间42的向内的径向流动。
[0089]气体可渗透支撑结构的第四层88提供在产物气体通道24的内部，在分隔壁20的中间圆柱形壁74与第二圆柱形挡板70之间。如图8中所示，层88包括缠绕第二挡板70的波纹片，其中所述层的内脊线接触第二挡板70的外表面并且所述层的外脊线接触中间圆柱形壁74的内表面。外脊线可以结合到中间圆柱形壁74的内表面，例如通过钎焊或焊接，而内脊线可以接触但是不结合到第二挡板70的外表面。如图7中所示，支撑结构的第四层88具有与外环形壁78基本上共面的底部，以便不会阻塞位于环形壁78与底壁66之间的下部环形空间90，在所述环形空间中产物气体改变方向并且朝向产物气体端口 32向外流动。支撑结构的第四层88具有与第二挡板70的顶部基本上共面的顶部，以便不会阻塞位于第二挡板70的顶部与内环形壁80之间的上部环形空间100，在所述上部环形空间中产物气体改变方向并且朝向产物气体端口 32向外流动。
[0090]从图式中可以看到，支撑结构的层82、84、86、88为分隔壁提供相对于外部壳体12和挡扳68、70的支撑，由此帮助维持构成燃料处理器60的圆柱形壁的同心布置。此外，使支撑结构82、84、86、88的脊线仅结合到分隔壁20而使它们不结合到挡板68、70和外部壳体12，允许燃料处理器适应壁12和20的差异化热膨胀，并且由此使燃料处理器60内的热应力最小化。此外，将支撑结构82、84、86、88结合到分隔壁20以增强产物气体与反应气体流之间的热传递。
[0091]在所说明的实施例中，气体可渗透支撑结构的第一层82与外壁12的内表面直接接触，然而，这并不是在本发明的所有实施例中的情况。在一些实施例中，耐热性绝缘材料的层(未图示)提供在外气体可渗透支撑结构52与外壁12的内表面之间，以防止漏气并且减少到外部环境的热传递损失。
[0092]如图式中所示，位于第二圆柱形挡板70与分隔壁20的内圆柱形壁76之间的产物气体通道24的部分可以不具有气体可渗透支撑结构的层，因为流动穿过通道24的这个部分的产物气体基本上与催化剂床44处于相同的温度，并且不与产物气体进行热交换接触。提供给催化剂床44的附加支撑可能不会胜过通过在产物气体通道24的这个部分中放置气体可渗透支撑结构的附加层造成的增加的压降，因此通道24的这个部分可以是空的。
[0093]图15图示具有与上述燃料处理器10相比略微不同构造的燃料处理器120。此实施例与燃料处理器10共享许多相同元件，并且这些元件在以下描述中和/或在图15中以相似附图标记标识，并且在燃料处理器10中的这些元件的上述描述同样适用于当前的实施例。因此，以下描述限于燃料处理器10与燃料处理器20之间的差异。
[0094]反应气体端口 32设置有入口管道122，而非将反应气体直接引入到反应气体通道22中，所述入口管道将反应气体从端口 32输送到第三管50的内部，其中入口管道122通过提供在第三管50的闭合底端中的孔隙124进入第三管50。在图式中示出的实施例中，入口管道122包括反应气体入口配件34的向内延伸部分，然而必要时所述配件可以单独地形成。
[0095]第三管50设置有围绕其圆周间隔开的多个向外延伸的“气泡”或浅凹126，并且燃料处理器120具有在第三管50中的四个此类浅凹126，仅其中的两个在图15中是可见的。浅凹126具有孔隙128以允许反应气体离开第三管50。第三管50的浅凹126与分隔壁20接触并且以密封方式连接到分隔壁20。分隔壁设置有孔隙132，所述孔隙132与第三管50的孔隙128对齐，由此向反应气体提供从第三管50的内部到外部流动通道18的流动路径，其中热量跨越第三管50的壁在反应气体与产物气体之间交换。在所说明的实施例中，分隔壁20还具有向内延伸的气泡或浅凹130，孔隙132形成在所述气泡或浅凹中。浅凹126、130在分隔壁20与第三管50之间在空间24中接触彼此。在替代方案中，第三管50的浅凹126可以向外延伸足够的距离以接触分隔壁20的圆柱形壁，在此情况下分隔壁20的浅凹130是不需要的。作为另一替代方案，有可能的是分隔壁20的浅凹130向内延伸足够的距离以接触第三管50的圆柱形壁，在此情况下第三管50的浅凹126是不需要的。
[0096]翅片134的湍流增强器的层可以提供在第三管50与入口管道122之间的环形空间中以改进反应气体与产物气体之间的热交换。层或湍流增强器或翅片134可以是与上文所述的支撑结构层52、54相同的构造，并且以低压降构造定向。湍流增强器或翅片134的层的外脊线可以结合到第三管50的内表面，并且其内脊线未结合到入口管道122。
[0097]一旦反应气体进入反应气体通道22，那么燃料处理器120的构造和操作是与上文所述的燃料处理器10基本上相同的。
[0098]本发明的燃料重整器由金属板料制成，所述金属板料具有足够高的熔点、高溫强度和抗氧化性，以便获得必要的耐久性。可用于构造此重整器的典型的材料包含奥氏体或铁素体不锈钢，Inconel(?)(因科镍合金)，以及其它镍或合金钢材料。金属板料的规格将取决于特定重整器系统的设计，但是对于低到中等寿命要求通常可以在0.5mm到4_的范围内，或者所述规格可以在此范围上加倍用于大型或延长的寿命应用(例如，固定动力)。本发明的燃料重整器的大小可以根据其预定用途而改变，应理解一般而言希望减少重整器的重量和空间要求同时保持希望的耐久性。
[0099]尽管已经关于本发明的某些实施例来描述本发明，但是本发明并不限于此。实际上，本发明包含可能属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种燃料处理器，其包括: (a)反应气体通道； (b)产物气体通道； (C)分隔壁，其将所述反应气体通道与所述产物气体通道分隔开，所述分隔壁具有固定端和自由端,其中所述固定端靠近反应气体端口和产物气体端口 ； (d)催化剂，其收纳在所述分隔壁内部靠近其自由端，其中所述反应气体通道从所述反应气体端口延伸到催化剂并且所述产物气体通道从所述催化剂延伸到所述产物气体端Π ； (e)外壁，其在所述分隔壁的长度的至少一部分上围绕所述分隔壁；以及 (f)气体可渗透支撑结构的第一层，其提供在所述分隔壁与所述外壁之间并且与所述分隔壁和所述外壁接触，其中所述气体可渗透支撑结构的第一层位于所述分隔壁的所述固定端与所述自由端之间； 其中所述分隔壁从其固定端连续地延伸到所述催化剂，并且其中所述产物气体通道在所述分隔壁的所述固定端与所述自由端之间与所述反应气体通道进行热交换接触。
2.根据权利要求1所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁的所述固定端接合到所述外壁。
3.根据权利要求1或2所述的燃料处理器，其特征在于，所述反应气体通道的至少一部分位于所述分隔壁与所述外壁之间。
4.根据权利要求1或2所述的燃料处理器，其特征在于，所述产物气体通道的至少一部分位于所述分隔壁与所述外壁之间。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述外壁包括具有端壁的外壳，其中所述端壁与所述分隔壁的所述自由端间隔开，以便形成入口空间，所述反应气体在所述入口空间处进入所述催化剂。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁和所述外壁各包括平行于气流轴线延伸并且彼此同心地布置的圆柱形壁，使得所述反应气体通道和所述产物气体通道中的一者的至少一部分位于所述分隔壁与所述外壁之间的环形空间中。
7.根据权利要求6所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁与所述外壁之间的所述环形空间包括所述反应气体通道。
8.根据权利要求7所述的燃料处理器，其特征在于，所述反应气体端口位于所述外壁中。
9.根据权利要求7或8所述的燃料处理器，其特征在于，所述气体可渗透支撑结构的第一层位于所述环形空间中并且沿所述分隔壁的长度的至少一部分围绕所述分隔壁。
10.根据权利要求9所述的燃料处理器，其特征在于，所述气体可渗透支撑结构的第一层是波纹翅片或湍流增强器。
11.根据权利要求7到10中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，第三圆柱形管位于所述分隔壁内部，其中所述第三圆柱形管具有至少一个闭合端，并且其中所述第三圆柱形管平行于所述气流轴线，以在所述第三管与所述分隔壁之间提供内环形空间。
12.根据权利要求11所述的燃料处理器，其特征在于，气体可渗透支撑结构的第二层提供在所述内环形空间中，并且沿所述第三管的长度的至少一部分围绕所述第三管，并且其中在所述内环形空间中的所述气体可渗透支撑结构的第二层是波纹翅片或湍流增强器。
13.根据权利要求11或12所述的燃料处理器，其特征在于，所述第三圆柱形管具有靠近所述催化剂的第一闭合端以及具有靠近所述分隔壁的所述固定端的孔的第二端，其中所述燃料处理器进一步包括入口管，所述入口管从形成在所述外壁中的所述反应气体端口穿过所述孔延伸到所述第三管的中空的内部；以及 其中所述分隔壁和所述第三圆柱形管中的至少一者设置有径向延伸的浅凹，所述分隔壁和所述第三管沿所述浅凹接合在一起，并且其中孔隙提供在所述分隔壁和所述第三圆柱形管的通过所述浅凹接合在一起的各部分中，使得所述第三管的中空的内部与位于所述分隔壁与所述外壁之间的所述反应气体通道流体连通。
14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述反应气体通道和所述产物气体通道定向成基本上平行于气流轴线，并且其中所述反应气体通道和所述产物气体通道中的每一者经历沿其长度的在大约180度的方向上的至少一个改变；以及 其中所述反应气体通道和所述产物气体通道中的每一者经历沿其长度的在方向上的所述改变的至少两者。
15.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述反应气体通道和所述产物气体通道定向成基本上平行于气流轴线，并且其中所述反应气体通道和所述产物气体通道中的每一者经历沿其长度的在大约180度的方向上的至少一个改变；以及 其中所述外壁包括具有端壁的外壳，其中所述端壁与所述分隔壁的所述自由端间隔开以便形成入口空间，在所述入口空间处所述反应气体进入所述催化剂，并且其中所述反应气体通道在方向上的所述改变中的一者位于所述入口空间中。
16.根据权利要求1到15中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述催化剂包含在圆柱形催化剂容器中，并且其中所述催化剂容器以摩擦方式保留在所述分隔壁内；以及 其中可压缩材料的层提供在所述催化剂容器与所述分隔壁之间。
17.根据权利要求1到16中任一权利要求所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁具有蜿蜒的形状并且由所述外壁完全包围。
18.根据权利要求17所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁至少包括彼此径向间隔开的外圆柱形壁、中间圆柱形壁和内圆柱形壁，其中所述外圆柱形壁的底部通过外环形壁接合到所述中间圆柱形壁的底部，并且其中所述中间圆柱形壁的顶部通过内环形壁接合到所述内圆柱形壁的顶部。
19.根据权利要求17或18所述的燃料处理器，其特征在于，所述分隔壁的所述固定端靠近所述外圆柱形壁的顶部并且所述分隔壁的所述自由端提供在所述内圆柱形壁的底部处远离所述内环形壁，并且其中所述催化剂收纳在所述内圆柱形壁内部；以及 其中所述固定端通过刚性连接部紧固到所述外壁的顶壁。
20.根据权利要求19所述的燃料处理器，其特征在于，第一圆柱形挡扳从所述顶壁向下延伸到在所述分隔壁的所述外圆柱形壁与所述中间圆柱形壁之间的环形空间中，以便提供用于反应气体的流动的U形通道； 其中所述外壁进一步包括与所述顶壁相对的底壁，并且其中第二圆柱形挡扳从所述底壁向上延伸到在所述分隔壁的所述中间圆柱形壁与所述内圆柱形壁之间的环形空间中，以便提供用于产物气体的流动的U形通道；以及 其中所述气体可渗透支撑结构的第一层位于所述分隔壁的所述外圆柱形壁与所述外壁之间，并且其中所述燃料处理器进一步包括在所述外圆柱形壁与所述第一挡扳之间的气体可渗透支撑结构的第二层、在所述第一挡扳与所述分隔壁的所述中间圆柱形壁之间的气体可渗透支撑结构的第三层，以及在所述分隔壁的所述中间圆柱形壁与所述第二挡扳之间的气体可渗透支撑结构的第四层。
【文档编号】C01B3/38GK104350006SQ201380028592
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月29日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】D·万德维斯 申请人:达纳加拿大公司