[發(fā)明專利]用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的重整反應(yīng)器及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780053684.X
• 申請(qǐng)日: 2007-07-13
• 公開（公告）號(hào): CN101754927A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 巴德·林德斯特倫;拉爾斯·彼得松;斯塔凡·隆格倫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 瑞典電池公司
• 主分類號(hào): C01B3/32
• 分類號(hào): C01B3/32;C01B3/38;B01J19/00
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 王冠宇;林月俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的用于通過自熱反應(yīng)將烴燃料轉(zhuǎn) 化為富氫氣體的重整反應(yīng)器，該富氫氣體用于燃料電池和/或排放處理 應(yīng)用，并且涉及一種用于使用重整反應(yīng)器將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的 方法。

背景技術(shù)

在現(xiàn)有技術(shù)中已熟知，通過將例如汽油或柴油燃料的烴燃料重整 來產(chǎn)生用在運(yùn)輸裝置的燃料電池中的富氫氣體。通常，氫氣在大規(guī)模 工業(yè)設(shè)備中產(chǎn)生且然后儲(chǔ)存在運(yùn)輸裝置的板上。近來開發(fā)的小規(guī)模車 載氫源，即所謂的重整反應(yīng)器，提供了按需要產(chǎn)生氫的可能性，而無 需儲(chǔ)存氫。

通常存在三種已知的將氣態(tài)或液態(tài)烴燃料轉(zhuǎn)化為氫的方法：催化 蒸汽重整，部分氧化重整和自熱重整。

在催化蒸汽重整過程中，將蒸汽和烴燃料的混合物在高溫下(在 700℃至1000℃之間)暴露于合適的催化劑、例如鎳，反應(yīng)是高度吸熱 性反應(yīng)，且要求外部熱源和蒸汽源。

在部分氧化重整過程中，將氫燃料和含氧氣體例如環(huán)境空氣的混 合物一起導(dǎo)入反應(yīng)室且使之受到高溫，優(yōu)選存在有催化劑。通常，所 使用的催化劑是貴金屬或鎳，且溫度在700℃至1700℃之間。反應(yīng)是 高度放熱性反應(yīng)，且一旦開始則生成足夠的熱以使反應(yīng)自維持。為促 進(jìn)氧化反應(yīng)，需要將供給燃料預(yù)熱且減小反應(yīng)器內(nèi)的溫度變化。

例如，專利申請(qǐng)US?6,770,106描述了用于將含有烴或甲烷的供給 氣體進(jìn)行重整的部分氧化重整器，其中通過以用于預(yù)熱的供給氣體的 通道覆蓋反應(yīng)器且因此通過供給氣體通道熱隔離來實(shí)現(xiàn)減小溫度變 化。反應(yīng)熱通過熱交換器回收，用于預(yù)熱供給氣體的目的。

自熱重整過程是蒸汽重整和部分氧化重整的組合。來自部分氧化 重整反應(yīng)的廢熱用于加熱吸熱的蒸汽重整反應(yīng)。

所有重整過程的自然副產(chǎn)物是一氧化碳和二氧化碳。但因?yàn)闊N燃 料不設(shè)計(jì)為用于生成氫的供給原料，所以也存在其他的副產(chǎn)物，例如 硫、石蠟、苯、甲基酰胺(methyl?amid)和更大分子量的芳香族化合 物。這些副產(chǎn)物可能對(duì)于燃料電池是有害的，且因此應(yīng)該通過隨后的 步驟在重整反應(yīng)器外去除。

另外的缺點(diǎn)是，烴燃料、特別是柴油趨向于通過與反應(yīng)器的內(nèi)側(cè) 表面接觸而燃燒為炭黑。炭黑微粒又對(duì)于燃料電池非常有害，且必須 在將經(jīng)重整的氫應(yīng)用到燃料電池前去除。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的是降低燃料分子由于與反應(yīng)器的內(nèi)側(cè)表面接 觸而燃燒為炭黑的風(fēng)險(xiǎn)。

該目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求1的重整反應(yīng)器以及一種根據(jù)權(quán)利 要求17的方法來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)壁和由此的反應(yīng)空間的內(nèi)表面充有第一電荷。這 考慮到使得由燃料入口噴射到反應(yīng)室內(nèi)的燃料分子帶電。使反應(yīng)器殼 體的內(nèi)壁帶有一定的電荷，使得由于靜電排斥而在統(tǒng)計(jì)學(xué)上防止燃料 分子的50％與反應(yīng)室的內(nèi)表面接觸。這明顯降低了燃料分子燃燒為炭 黑的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，燃料入口也帶電。優(yōu)選地，燃料入口帶 有與內(nèi)壁相等的電荷。這導(dǎo)致所有燃料分子具有與內(nèi)壁相同的電荷且 因此與內(nèi)壁電排斥。因此，燃料分子幾乎不可能與內(nèi)壁接觸而燃燒為 炭黑。

另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供有用于在反應(yīng)室內(nèi)自熱反應(yīng)的催化劑，以 加速將烴燃料轉(zhuǎn)化成富氫氣體。優(yōu)選地，催化劑也能夠帶電。這在另 一個(gè)實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)，其中催化劑的電荷與內(nèi)壁和/或燃料入口的電荷相 反。這使燃料/氧化劑混合物向催化劑加速，且因此加速轉(zhuǎn)化反應(yīng)。催 化劑能夠是陶瓷單塊或金屬格柵。

本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例利用了如下事實(shí)，即由于燃料微粒與 反應(yīng)器內(nèi)壁接觸而燃燒形成炭黑僅在一定的壁溫度之上才發(fā)生。如果 將壁溫度保持為低，例如通過將壁冷卻或通過將反應(yīng)空間的溫度保持 在一定水平以下，則防止燃料微粒燃燒為炭黑。

通常存在為反應(yīng)器提供外部冷卻裝置的可能性，但這增加了反應(yīng) 器的尺寸且增加了由燃料電池供給能量的系統(tǒng)的另外的能量消耗。因 此，優(yōu)選的實(shí)施例使用相對(duì)冷的氧化劑用于冷卻反應(yīng)器的內(nèi)壁。這意 味著同時(shí)能夠省卻內(nèi)壁的熱隔離，以此進(jìn)一步減小反應(yīng)器的尺寸。

將內(nèi)壁冷卻的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠恒定保持反應(yīng)室內(nèi)的溫度，且能 夠控制氧化劑的溫度。

如在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中示出，設(shè)置在殼體內(nèi)壁內(nèi)的氧 化劑出口形成為多個(gè)孔。這便于將氧化劑均勻分布在反應(yīng)室內(nèi)。優(yōu)選 地，孔的尺寸、形狀和/或位置能夠根據(jù)所使用的氧化劑、所使用的烴 燃料和/或其溫度而改變。最優(yōu)選地，氧化劑出口設(shè)置在燃料入口附近。