專利名稱：用熱管進(jìn)行冷卻的燃料處理裝置的制作方法
背景技術(shù)：
燃料電池通過氧化-還原化學(xué)反應(yīng)來供電，在清潔與效率方面與其它形式的發(fā)電相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。燃料電池一般把氫用作燃料，把氧用作氧化劑。產(chǎn)生的功率與反應(yīng)物的消耗率成正比。
限制燃料電池更廣泛使用的明顯缺點(diǎn)是缺乏廣泛的氫基礎(chǔ)設(shè)施。氫與大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)目前使用的烴類燃料相比，單位體積的能密度較低，更難保存和運(yùn)輸?？朔@種困難的一種方法是使用轉(zhuǎn)化裝置把烴類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)槟苡米魅剂想姵剡M(jìn)料的富氫氣流。
諸如天然氣、液化石油氣、汽油和柴油之類的以氫為基礎(chǔ)的燃料需要轉(zhuǎn)化處理才能作大多數(shù)燃料電池的燃料源之用。目前的技術(shù)使用把初始轉(zhuǎn)化處理與幾個(gè)整理處理相結(jié)合的多步處理。初始步驟最經(jīng)常使用的是水蒸氣重整(SMR)、自熱重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。整理步驟通常是以下步驟的某種結(jié)合脫硫、高溫水煤氣轉(zhuǎn)變、低溫水煤氣轉(zhuǎn)變、選擇性一氧化碳氧化或選擇性一氧化碳甲烷化。其它步驟包括使用氫選擇性膜反應(yīng)器和過濾器。
盡管已有上述工作，仍需有把烴類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楣┤剂想姵匾黄鹗褂玫母粴錃饬鞯暮唵窝b置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般涉及一種把烴類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦粴錃怏w的裝置，所述裝置包括烴重整反應(yīng)器；水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)器和選擇性氧化反應(yīng)器。這些反應(yīng)器互相配合產(chǎn)生富氫氣體，其中各反應(yīng)器床的溫度用熱管調(diào)節(jié)。
在一個(gè)這樣的說明性實(shí)施例里，烴重整反應(yīng)器包括促使燃料混合物在重整條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生含氫氣態(tài)混合物的催化劑。所述催化劑可以是自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化催化劑、水蒸氣重整催化劑或這兩者的結(jié)合。所述水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)器包括促使含氫氣態(tài)混合物在水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳含量大量減少的中間含氫氣態(tài)混合物的催化劑。所包括的選擇性氧化反應(yīng)器包括促使所述中間含氫氣態(tài)混合物在選擇性氧化反應(yīng)條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體的催化劑。在一個(gè)實(shí)施例里，熱管用于傳送選擇性氧化反應(yīng)器產(chǎn)生的熱以使烴類燃料預(yù)熱成為加過熱的烴類燃料，其中所述加過熱的烴類燃料成為所述烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的烴類燃料進(jìn)料。重整反應(yīng)熱管優(yōu)選地可以是燃料電池的陽極尾氣氧化器。用于本發(fā)明的熱管的設(shè)計(jì)與選擇可能包括簡單熱管；傳導(dǎo)率可變熱管；自調(diào)節(jié)傳導(dǎo)率可變熱管或上述熱管的某種組合。


下面參照附圖進(jìn)行說明，附圖中圖1示出本發(fā)明一個(gè)說明性實(shí)施例的簡明工藝流程圖；圖2示出可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的簡單熱管；圖3示出可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的可變傳導(dǎo)率熱管；圖4示出可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的自調(diào)節(jié)可變傳導(dǎo)率熱管；圖5是可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的熱管的頂視斷面圖；圖6是可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的在燃料重整裝置內(nèi)在綜合的熱管理中使用熱管的側(cè)視斷面圖；圖7是可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的具有翅片的熱管的頂視斷面圖；圖8是可以用于本發(fā)明說明性實(shí)施例的在燃料重整裝器內(nèi)在綜合的熱管理中使用熱管的側(cè)視斷面圖。
本發(fā)明一般涉及把烴類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦粴錃怏w的裝置，其中不同反應(yīng)階段的溫度用熱管調(diào)節(jié)。在優(yōu)選情況下，本文說明的這種裝置和方法涉及燃料電池內(nèi)使用的從烴類燃料產(chǎn)生富氫氣流的小型處理器，所述處理器內(nèi)的反應(yīng)溫度和熱綜合利用是用熱管取得的。然而，可以設(shè)想本文說明的裝置和方法還有其它可能的運(yùn)用，包括其中需要富氫氣流的任何應(yīng)用。因此，雖然本文說明的發(fā)明是與燃料電池相結(jié)合應(yīng)用的，但本發(fā)明并不限于這種應(yīng)用。
反應(yīng)器的進(jìn)料包括烴、氧和水。所述氧的形態(tài)可以是空氣、富化空氣或基本純氧。引入的水可以是液態(tài)的或蒸氣。進(jìn)料成分的百分比由下面討論的所需運(yùn)行條件決定。
所述烴類燃料只要能蒸發(fā)在外界狀態(tài)下可以是液體或氣體。本文內(nèi)使用的術(shù)語“烴類”包括有C-H鍵的有機(jī)化合物，這種化合物能從部分氧化或蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生氫。不排除所述化合物的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)存在碳和氫以外的原子。因此，適合使用于本文說明的方法和裝置的燃料不僅包括(但不限于)諸如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、粗汽油、汽油和柴油之類的燃料，而且包括例如甲醇、乙醇、丙醇等等各種醇。
從本發(fā)明的燃料處理器排出的流體流包括合成氣(氫和一氧化碳)，還可能包括一些水、二氧化碳、未轉(zhuǎn)化的烴類、雜質(zhì)(例如硫化氫)和惰性組分(例如氖和氬，特別是如果進(jìn)料流中包含空氣)。
本文說明的反應(yīng)器和構(gòu)件可以用能經(jīng)受本文說明的工作條件和反應(yīng)的化學(xué)環(huán)境的任何材料制造，這些材料可能包括，例如，不銹鋼、因康鎳合金、耐熱鎳鉻鐵合金、耐蝕耐熱鎳基合金等等。反應(yīng)壓力優(yōu)選地為大約0到大約100磅/平方英寸，雖然也可以使用大一些的壓力。反應(yīng)器的工作壓力根據(jù)燃料電池所需的輸送壓力而定。要使燃料電池在1到20千瓦范圍內(nèi)運(yùn)行，工作壓力在0到大約100磅/平方英寸一般就足夠了。
總而言之，本發(fā)明的說明性實(shí)施例包括下述一個(gè)或數(shù)個(gè)處理步驟。圖1示出的總工藝流程圖說明本發(fā)明說明性實(shí)施例所包括的處理步驟。本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該理解流經(jīng)本文所述反應(yīng)器的反應(yīng)物流需要一定量的進(jìn)行次序。
處理步驟A是重整處理，其中可能發(fā)生兩種不同的反應(yīng)。方程式I和II是示例性反應(yīng)方程式，其中的甲烷看作烴類
(I)(II)部分氧化反應(yīng)(方程式I)發(fā)生得很快，完成轉(zhuǎn)化加入的氧并放熱(也就是產(chǎn)生熱)。提高進(jìn)料流內(nèi)氧的濃度有利于部分氧化反應(yīng)。
水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)(方程式II)發(fā)生得慢一些并吸熱(即，消耗熱)。提高水蒸氣的濃度有利于水蒸氣重整。
本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該理解，部分氧化和水蒸氣重整可以相結(jié)合把進(jìn)料流F轉(zhuǎn)變?yōu)榘瑲浜鸵谎趸嫉暮铣蓺怏w。在這種情況下，氧和烴的比率以及水和烴的比率成為特性參數(shù)。這兩種比率影響運(yùn)行溫度和氫的產(chǎn)量。
重整步驟的運(yùn)行溫度可能在大約550℃到大約900℃的范圍內(nèi)，根據(jù)進(jìn)料狀況和催化劑而定。如本文說明的那樣，本發(fā)明可以使用任何形狀的催化劑床，包括小球、球、壓出型材、單塊等等或涮涂到翅片的表面上或熱管上。
部分氧化催化劑，對于本專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)該是都了解的，往往包括例如鉑、鈀、銠和/或釕的貴金屬，這種貴金屬在單塊、壓出型材、小球或其它載體上的氧化鋁涮涂層之上。例如鎳或鈷這樣的非貴金屬也一直在使用。文獻(xiàn)中談到過諸如二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅和氧化鎂之類的其它涮涂層。文獻(xiàn)中還談到過諸如鑭、鈰和鉀之類用作提高部分氧化催化劑性能的“助催化劑”的許多其它材料。
水蒸氣重整催化劑，本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該很了解，可能包括帶有大量鈷的鎳，或者例如鉑、鈀、銠、釕和/或銥這樣的貴金屬。這種催化劑可以支承在例如氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯和鋁酸鎂中的一種或它們的混合物上。另外，水蒸氣重整催化劑還可以包括鎳，優(yōu)選地支承在氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯、鋁酸鎂中的一種或它們的混合物上，用諸如鉀之類的堿性金屬作“助催化劑”。
當(dāng)步驟A主要是自動(dòng)熱重整處理時(shí)，步驟B就是冷卻，把從步驟A流出的合成氣流的溫度冷卻到大約600℃到大約200℃，優(yōu)選地為大約500℃到大約300℃，更優(yōu)選地為大約425℃到大約375℃，以使到下一步驟的合成氣流的溫度最佳化。這種冷卻可以用散熱器、熱管或熱交換器，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和氣流熱含量回收和再利用的需要而定。在一個(gè)說明性實(shí)施例里，在進(jìn)料流流入反應(yīng)器時(shí)，熱管的冷凝端把進(jìn)料流用作散熱器，從而既預(yù)熱了進(jìn)料流又冷卻了反應(yīng)析出的氣。所述熱管可以是下面要更詳細(xì)討論的本專業(yè)技術(shù)人員了解的任何結(jié)構(gòu)?？商鎿Q地，或者附加上面方案，冷卻步驟B可以用注入燃料、空氣或水之類的附加進(jìn)料組分的方法完成。優(yōu)選地用水，因?yàn)樗谧優(yōu)樗魵鈺r(shí)能吸收大量的熱。注入的附加進(jìn)料組分的量根據(jù)所需冷卻的程度而定，本專業(yè)技術(shù)人員很容易決定。
當(dāng)步驟A主要是蒸氣重整處理時(shí)，由于蒸氣重整處理的吸熱性質(zhì)，步驟B是可以選擇的。在這種情況下，熱是通過冷凝端與催化劑床成為一體的熱管提供給蒸氣重整處理的。這就是說，在這一說明性實(shí)施例里，所述催化劑床起所述熱管的散熱器的作用。這一說明性實(shí)施例的熱源可以是下面步驟G說明的陽極尾氣氧化器或部分氧化反應(yīng)器。
處理步驟C是凈化步驟。烴類流的主要雜質(zhì)之一是硫，是通過重整步驟A轉(zhuǎn)變成硫化氫的。步驟C中使用的處理核心優(yōu)選地包括氧化鋅和/或能吸收并轉(zhuǎn)變硫化氫的其它物質(zhì)并可以包括載體(例如，單塊、壓出型材、小球等等)。脫硫根據(jù)下面的反應(yīng)方程式III把硫化氫轉(zhuǎn)變成水而完成的(III)諸如氯化物之類的其它雜質(zhì)也可以除掉。這一反應(yīng)優(yōu)選地在大約300℃到大約500℃的溫度下進(jìn)行，在大約375℃到大約425℃的溫度下進(jìn)行更好。氧化鋅在從大約25℃到大約700℃的寬的溫度范圍內(nèi)是硫化氫的有效吸收劑，通過適當(dāng)選擇運(yùn)行溫度為優(yōu)化處理步驟排列提供大的靈活性。正如上一步驟的情況那樣，反應(yīng)溫度可以用熱管調(diào)節(jié)，本專業(yè)技術(shù)人員對這種辦法是清楚的。
該排出流隨后可以進(jìn)入可選擇的混合步驟D，其中氣流內(nèi)加入水。加入的水由于蒸發(fā)，可以降低反應(yīng)物流的溫度并為步驟E(下面論述)的水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)供應(yīng)更多的水。水蒸氣和其它排出流組分可以穿過例如陶瓷小球或其它能在水的蒸發(fā)中有效混合和/或有幫助的類似物質(zhì)的惰性物處理核心而混合。另外，也可以與進(jìn)料一起附加一些水，混合步驟也可以重放置以在下面說明的一氧化碳氧化步驟G內(nèi)使氧化劑氣體更好地混合。
步驟E是根據(jù)方程式IV把一氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸嫉乃簹廪D(zhuǎn)變反應(yīng)。
(IV)在本步驟內(nèi)，有害于燃料電池的一氧化碳基本被清除并轉(zhuǎn)變?yōu)橐话惚徽J(rèn)為在燃料電池內(nèi)是惰性氣體的二氧化碳。一氧化碳的濃度優(yōu)選地應(yīng)該降低到燃料電池能容許的水平，一般低于百萬分之五十。水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)一般在150℃到600℃的溫度下發(fā)生，決定于所用的催化劑。在這種條件下，氣流內(nèi)的大部分一氧化碳氧化為二氧化碳。
低溫轉(zhuǎn)變催化劑在從大約150℃到大約300℃的范圍內(nèi)工作，這種催化劑包括，例如，氧化銅，或以諸如氧化鋯之類的其它過渡金屬氧化物為載體的銅，或以過渡金屬氧化物或諸如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯之類的耐火材料為載體的鋅，或承載于諸如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯之類的合適載體的諸如鉑、錸、鈀、銠或金之類的貴金屬。
高溫轉(zhuǎn)變催化劑在從大約300℃到大約600℃的范圍內(nèi)起作用，這種催化劑可以包括過渡金屬氧化物，例如，氧化鐵或氧化鉻，還可以任選地包括助催化劑，例如，銅或硅化鐵。作為高溫轉(zhuǎn)變催化劑，還包括有載體的貴金屬，例如，鉑、鈀和/或鉑系的其它金屬。
用于實(shí)施這一步驟的處理核心可以包括上面說明的高溫或低溫轉(zhuǎn)變催化劑的致密床或這兩種催化劑混合的致密床。此步驟應(yīng)在適合水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)的任何溫度下運(yùn)作，優(yōu)選地，溫度是從150℃到大約400℃，決定于所使用的催化劑的種類。也可以在此轉(zhuǎn)變反應(yīng)器的處理核心內(nèi)配置一個(gè)諸如熱管這樣的部件以控制催化劑致密床內(nèi)的反應(yīng)溫度。在這一說明性實(shí)施例里，首先進(jìn)行的是高溫轉(zhuǎn)變反應(yīng)，然后是低溫轉(zhuǎn)變反應(yīng)?？刂品磻?yīng)溫度有利于一氧化碳變?yōu)槎趸?。在高溫和低溫轉(zhuǎn)變之間可以插進(jìn)諸如步驟C這樣的脫硫反應(yīng)的凈化處理，其方法是對高溫和低溫轉(zhuǎn)變的分開的步驟中，在高溫和低溫轉(zhuǎn)變步驟之間提供脫硫模件。
處理步驟F是一個(gè)實(shí)施例里用熱管進(jìn)行的冷卻步驟。所述熱管可以是下面說明的結(jié)構(gòu)中適合的任何一種。安裝熱管的目的是降低氣流的溫度以便產(chǎn)生優(yōu)選地從大約90℃到大約150℃溫度范圍的排出流。
在步驟F的處理中添加氧。所述氧為下面說明的步驟G的各種反應(yīng)所消耗。所述氧的形式可以是空氣、富化空氣或基本純氧。在本步驟中，可以使用熱管調(diào)節(jié)氣體的溫度，并可設(shè)計(jì)帶有折流板、翅片或其它引起紊流的結(jié)構(gòu)，使氧與富氫氣體混合。
步驟G是氧化步驟，其中殘留于排出流內(nèi)的一氧化碳大量轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?。在步驟G內(nèi)發(fā)生兩種反應(yīng)，即，要求的一氧化碳氧化(方程式V)和不要求的氫的氧化(方程式VI)，如下(V)(VI)所述處理是在有一氧化碳的氧化催化劑的情況下進(jìn)行的，催化劑可以是任何適合的形式，例如，小球、球、單塊等等。一氧化碳的氧化催化劑是眾所周知的，一般包括貴金屬(例如，鉑、鈀)和/或過渡金屬(例如，鐵、鉻、鎂)和/或貴金屬或過渡金屬的化合物，特別是其氧化物。氧化催化劑優(yōu)選地是氧化鋁涮涂層上的鉑。所述涮涂層涂于單塊、壓出型材、小球或其它載體上?？梢蕴砑痈郊硬牧?，例如鈰或鑭，以提高性能。文獻(xiàn)中還有許多其它制造涮涂層的方法，有些專業(yè)人員聲稱用氧化鋁上的銠制造的催化劑性能優(yōu)越。據(jù)文獻(xiàn)記載作這種使用時(shí)釕、鈀、金等等材料是有效的。
低溫有利于一氧化碳的氧化。因?yàn)閮煞N反應(yīng)都產(chǎn)生熱，所以可以在反應(yīng)器內(nèi)配置熱管以排除反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱。工作溫度優(yōu)選地保持于從大約90℃到大約150℃的范圍內(nèi)。因此，本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該理解本步驟可以基本起到熱源的作用，從而使用適當(dāng)?shù)臒峁芘c其他的吸熱步驟，例如步驟A的水蒸氣重整結(jié)合起來綜合利用。
步驟G優(yōu)選地把一氧化碳減少到少于百萬分之五十的水平，這對于燃料電池的使用是一個(gè)適合的水平，但是本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該理解本發(fā)明適合于生產(chǎn)一氧化碳含量比這多一些或少一些的富氫產(chǎn)品。
離開所述燃料處理器的排出流P是富氫氣體，其中還含有二氧化碳和諸如水、惰性氣體(例如氮、氬)、殘留烴之類的其它成分。產(chǎn)出的氣體可以用作燃料電池的進(jìn)料或其他需要使用富氫進(jìn)料流的設(shè)備。另外，產(chǎn)出的氣體還可以送去進(jìn)行進(jìn)一步的處理，例如，除去二氧化碳、水或其它組分。
說明完一般過程后，本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該理解燃料處理器在經(jīng)濟(jì)上生命力的主要挑戰(zhàn)是熱支配的低成本問題?？朔@種挑戰(zhàn)包括控制催化劑床內(nèi)反應(yīng)的溫度；為了迅速啟動(dòng)，快速地向所述催化劑床內(nèi)加熱；用保持等溫床溫度的方法排熱；以經(jīng)濟(jì)上可行的成本商業(yè)化生產(chǎn)燃料處理器；以及本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該了解的其它挑戰(zhàn)。
熱管是用于迅速排熱并精確保持設(shè)定溫度的裝置。在燃料處理器催化劑床的氧化鋅(步驟C)、水煤氣變化(步驟E)和部分氧化(步驟G)的溫度范圍內(nèi)可以使用簡單便宜的銅/水熱管。溫度高于500℃時(shí)，例如在自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化催化劑的出口(步驟A)高溫需要使用其它材料，例如不銹鋼/鈉熱管。
本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，熱管，又稱熱虹吸管，是廣泛用于傳送高流率的熱流的裝置，溫降可以忽略，即，具有固有的超高熱導(dǎo)性的裝置。文獻(xiàn)中已經(jīng)透露過很多不同的熱管，這是本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該知道的。選擇合適的熱管視以下幾個(gè)因素而定要調(diào)節(jié)的反應(yīng)是起冷源還是熱源作用；所需的溫度范圍；反應(yīng)可以接受的溫度變化的容限；效率；成本以及本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該清楚的其它因素。為了幫助技術(shù)人員的了解，下面提供幾種不同熱管的說明。然而，應(yīng)該了解有許多種熱管可以用于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，熱管210，一種最簡單最一般的熱管，也稱為“恒熱傳導(dǎo)熱管”，包括一個(gè)封閉的壓力容器212，形狀為一般的管形，其內(nèi)容納處于飽和熱平衡狀態(tài)的工作流214(液體或汽)。外熱輸入蒸發(fā)部216，熱從冷凝部218進(jìn)入外冷源(未繪出)。蒸發(fā)部216和冷凝部218用汽流容積和內(nèi)毛細(xì)芯222連接。諸如氨、水或其它流體的工作流在蒸發(fā)部216內(nèi)蒸發(fā)時(shí)吸收相變“蒸發(fā)熱”，如虛線箭頭所示流到冷凝部218并冷凝中斷把熱傳給熱管壁212。這時(shí)工作流以液態(tài)通過芯222內(nèi)的毛細(xì)管泵作用回到蒸發(fā)部216。鋁是一種有用的熱管材料，因?yàn)樗菀籽诱箯亩诒趦?nèi)形成有細(xì)通道的完整的芯。可是，熱管也可以用包括銅和不銹鋼在內(nèi)的其它金屬制造。
上面說明的普通熱管是消極的，即，實(shí)質(zhì)上其熱傳導(dǎo)率是恒定的，沒有調(diào)整傳導(dǎo)率以“積極”控制溫度的作用。其它種類的熱管具有提供積極溫控或二極管作用的特性，其實(shí)例示于圖3a和圖3b內(nèi)。一種“積極控制”的熱管320稱為“傳導(dǎo)率可變熱管”。這種傳導(dǎo)率可變熱管依靠的是包含非冷凝的氣體容積329在冷凝部318內(nèi)取代工作流314的一個(gè)受控制部分，使容納工作流314的冷凝部318的這一部分在熱的方面不活潑。所述非冷凝的氣體儲(chǔ)存于連接在冷凝部端部的容器328內(nèi)(即，非冷凝的氣體容器)并從所述容器328向冷凝部318內(nèi)流進(jìn)一部分。如圖3a內(nèi)所示，這種情況發(fā)生在用容器328的壁上的電熱器332加熱時(shí)。如圖3b內(nèi)所示，這種情況是通過控制翅片330散失到諸如空氣之類的冷卻流的熱發(fā)生的。非冷凝的氣體的體積主要隨容器328的溫度變化。在圖3a中，所述體積是用蒸發(fā)部316上的熱動(dòng)開關(guān)或溫度傳感器334控制的，熱動(dòng)開關(guān)或溫度傳感器334控制非冷凝的氣體容器電熱器332的運(yùn)行，從而控制蒸發(fā)部316的溫度。在圖3b內(nèi)，所述體積是通過控制流于冷卻翅片330上的冷卻流(未示出)的流量和溫度控制的。傳導(dǎo)率可變熱管320工作狀況很好，可靠并可預(yù)知。非冷凝的氣體容器328的容積與傳導(dǎo)率可變熱管320的冷凝部318的長度成正比；因此，冷凝部318的長度通常受容積、質(zhì)量、與非冷凝的氣體容器328相關(guān)的電熱器332功率限制等因素的限制，并不為根據(jù)所需散熱面積提出的冷凝部318長度的實(shí)際要求所限定。
諸如圖3a和圖3b內(nèi)所示的一些傳導(dǎo)率可變熱管320在保持蒸發(fā)部的等溫狀態(tài)下工作效率很高。例如，傳導(dǎo)率可變熱管冷凝部318能在相應(yīng)于蒸發(fā)部的1℃或2℃級(jí)這樣狹窄的溫度范圍從0到100％的有效性的范圍。
美國專利4,799,537號(hào)公開了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)的傳導(dǎo)率可變熱管，其內(nèi)容結(jié)合作為本發(fā)明的參考。該專利說明的自動(dòng)調(diào)節(jié)熱管包括一個(gè)封閉的空心套管；所述套管內(nèi)的可蒸發(fā)的傳熱液體；所述套管內(nèi)的不可冷凝的氣體；有一個(gè)開口的可擴(kuò)大的第一容器的容積，所述第一容器位于套管內(nèi)受熱的蒸發(fā)區(qū)，阻止第一容器容積擴(kuò)張的力裝置對蒸發(fā)區(qū)施加影響，其中所述力裝置是裝有非冷凝的氣體的第二容器，第一容器的容積封裝于第二容器內(nèi)；導(dǎo)管裝置，其一端安裝于第一容器的開口，其另一端開口于熱管排熱的冷凝區(qū)內(nèi)。再轉(zhuǎn)到圖4，此圖示出的是沿美國專利4,799,537號(hào)說明的自動(dòng)調(diào)節(jié)熱管的軸線剖開的簡化斷面圖，圖中的熱管410包住非冷凝的氣體第一容器412和第二容器414。
熱管410通常包括密封的外殼416，有毛細(xì)芯418襯于外殼416的內(nèi)壁上。在運(yùn)行中，熱管410的一端是受熱的蒸發(fā)區(qū)420，另一端是排熱的冷凝區(qū)422。如果把熱管410抽空，并只從注入管424裝入可蒸發(fā)工作流，就可以作為一般的熱管那樣運(yùn)行。
然而，當(dāng)還裝入諸如氮之類的不可冷凝的氣體時(shí)，運(yùn)行就有所不同了。正如本專業(yè)所了解的那樣，不可冷凝的氣體會(huì)被工作流的蒸汽的移動(dòng)刮到熱管410的冷凝區(qū)422并聚集在那里，使它所占據(jù)的那部分熱管不起熱管作用。實(shí)際上會(huì)形成熱管容納非冷凝的氣體的容積與不容納不可冷凝的氣體的容積之間的界面426。
有不可擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)的第二容器414位于蒸發(fā)區(qū)420。第二容器414包住第一容器，第一容器412的開口與導(dǎo)管428連接并用夾具430固定。導(dǎo)管428遠(yuǎn)離第一容器412的一端在冷凝區(qū)422離開蒸發(fā)區(qū)420最遠(yuǎn)的一端附近向熱管410內(nèi)部開口。導(dǎo)管428的開口端深入熱管的非冷凝的氣體區(qū)。因此，正常運(yùn)行期間非冷凝的氣體會(huì)充滿導(dǎo)管428并使可擴(kuò)張的第一容器412部分鼓起。這一膨脹受到已經(jīng)通過加注管432注入第二容器414內(nèi)的非冷凝的氣體的壓力阻礙與限制。
第二容器414內(nèi)氣體的壓力決定熱管的溫度控制點(diǎn)，而且這一壓力還是設(shè)計(jì)參數(shù)之一。第二容器414內(nèi)氣體的壓力應(yīng)該與額定運(yùn)行溫度下熱管內(nèi)傳熱液體的蒸汽的壓力相同。
決定了第二容器414內(nèi)氣體的壓力，就會(huì)建立起第二容器414與可擴(kuò)張的第一容器412內(nèi)的氣汽混合物之間的壓力平衡，并且界面426位于這種平衡迫使工作液體的蒸汽壓力與蒸汽與非冷凝的氣體混合物的壓力相等的地方。
自動(dòng)控制現(xiàn)象會(huì)隨下述運(yùn)行而顯露出來。如果狀況試圖提高蒸發(fā)區(qū)420的溫度，傳熱液體的蒸汽壓力就會(huì)試圖上升。這會(huì)把界面426向離蒸發(fā)區(qū)420更遠(yuǎn)的方向推去，從而使冷凝區(qū)422內(nèi)熱管410的更多表面活化，提供更多的冷卻，限制蒸發(fā)區(qū)的溫度上升。
界面426的移動(dòng)只遇到很小的阻礙，因?yàn)橥ㄟ^第一容器412的擴(kuò)張，兩邊的壓力是一樣的，實(shí)際上，第一容器是在氣汽混合區(qū)的與界面426相對的一端。第一容器412為擴(kuò)張本身遇到的阻礙也很小，因?yàn)橹皇艿诙萜?14內(nèi)的氣體壓力的阻礙，正如已經(jīng)提到的那樣，其額定壓力與傳熱液體的蒸汽壓力是一樣的。因此，第一容器412擴(kuò)張的容積限制蒸發(fā)區(qū)420的溫度提高，第一容器412容積的減少也會(huì)限制蒸發(fā)區(qū)420的溫度降低。
第二容器414和第一容器412內(nèi)的非冷凝的氣體體從根本上說是在蒸發(fā)區(qū)420的溫度，因而是恒溫的，從而沒有溫度改變對壓力的影響，這有助于這種反饋系統(tǒng)。而且，因?yàn)樗鰵怏w的溫度大致是系統(tǒng)內(nèi)的最高溫度，可擴(kuò)張的第一容器412內(nèi)不會(huì)發(fā)生蒸汽的冷凝。
上述這種自動(dòng)調(diào)整熱管已在銅結(jié)構(gòu)的熱管中作過試驗(yàn)，熱管以水為工作液體和有例如MYLAR商標(biāo)的滲鋁塑料薄膜結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)張容器。據(jù)報(bào)告這個(gè)公開的實(shí)施例在自動(dòng)調(diào)整上具有優(yōu)越的性能，熱吸收溫度改變的范圍從-0.23℃到+29.4℃，熱管蒸發(fā)部溫度與規(guī)定的點(diǎn)的溫度36.1℃只變化1.15℃。而慣用的有固定壁非冷凝的氣體容器的熱管的蒸發(fā)溫度的偏差大約是這一數(shù)值的4倍。
圖5示出的是本發(fā)明一個(gè)說明性實(shí)施例的反應(yīng)室502的頂視斷面圖，其中放置的是螺旋形熱管504。熱管的螺旋形可以增加催化劑(未示出)，從而有熱從催化劑傳到螺旋形熱管。為了保證反應(yīng)器的整體性，使用了傳熱塊506。傳熱塊的反應(yīng)器端在與所述螺旋形熱管是熱連通的。所述傳熱塊的外側(cè)與發(fā)散所述傳熱塊的第二熱管508熱連通。如圖所示，第二熱管的冷凝端有多個(gè)散熱片。
圖6內(nèi)示出的是本發(fā)明的另一說明性實(shí)施例，是小型燃料處理器600的示意斷面圖。如圖所示，陽極尾氣氧化器602對進(jìn)料氣(F)預(yù)加熱并用作重整部604(步驟A)的主要熱源。所述重整部可以設(shè)計(jì)為自動(dòng)熱重整器，然而，由于接近所述陽極尾氣氧化器，重整部優(yōu)選地為水蒸氣重整器。所述含氫氣體從重整部604進(jìn)入硫化氫和氧化鋅反應(yīng)器(步驟C)并被周圍的熱管612冷卻。然后，含氫氣體進(jìn)入水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)部608(步驟E)，在此大量減少一氧化碳的含量。含氫氣體進(jìn)入部分氧化反應(yīng)器610(步驟G)，所述反應(yīng)器由熱管或散熱片614冷卻。產(chǎn)品富氫氣體P離開所述反應(yīng)器，可以供使用，優(yōu)選地用于燃料電池內(nèi)。
圖7內(nèi)示出的是本發(fā)明的第三說明性實(shí)施例。示于頂視斷面圖的是用于代替諸如已經(jīng)公布的美國專利申請?zhí)枮閁S 2002/0083646 A1、US 2002/0094310 A1、US 2002/0098129 A1、US 2002/0090334 A1、US 2002/0090326 A1、US 2002/0088740 A1、US 2002/0090327 A1、US 2002/0090328 A1專利公開的小型燃料處理器700的以傳統(tǒng)的液體基的熱交換器的熱管。上述專利申請的所有內(nèi)容都登記結(jié)合作為本發(fā)明的參考。轉(zhuǎn)到圖7，反應(yīng)器702有一個(gè)熱管(704和706)，所述熱管有蒸發(fā)端704和冷凝端706。如圖所示，熱管的蒸發(fā)端704(即熱源)容納于反應(yīng)器內(nèi)，而其冷凝端706(冷源)在反應(yīng)器的外部。本專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該了解這兩端可以交換，從而在反應(yīng)器內(nèi)的為冷源。這種情況用于吸熱反應(yīng)(例如，水蒸氣重整)進(jìn)行的反應(yīng)器。散熱翅片708有支承催化劑和便于傳熱的雙重功能。在一個(gè)說明性實(shí)施例里，用于在進(jìn)料氣進(jìn)入水蒸氣重整器之前對其預(yù)熱。本專業(yè)技術(shù)人員也應(yīng)該了解說明的熱管的冷凝部704可以如圖8內(nèi)所示連接于燃料轉(zhuǎn)化器的另一部分內(nèi)形狀類似的熱管。示于側(cè)視斷面圖的是燃料重整器800，其內(nèi)包住熱管的冷凝部802和蒸發(fā)部804。這兩部分用一根或多根熱導(dǎo)管806或輔助熱管連接在一起。
業(yè)內(nèi)一般人士還應(yīng)了解本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)想可以在熱管的外表面和/或散熱片上包一層催化劑和/或催化劑微粒。據(jù)報(bào)告散熱片可以比較簡單地包一層陶瓷催化劑。圖7內(nèi)顯示的想法是在熱管穿過的散熱片上包一層催化劑。這可以用于冷卻放熱反應(yīng)以及需要外熱產(chǎn)生例如水蒸氣重整這樣的反應(yīng)的熱催化劑床加熱。包層方法可能包括在熱管制成后把微粒催化劑涮涂到散熱片的表面上。這種想法是用在熱管上安裝散熱片并在散熱片上包一層催化劑的辦法盡量擴(kuò)大反應(yīng)和熱交換的表面積。雖然圖7內(nèi)示出的是“杈子形”熱管，但可以設(shè)想熱管是圖5內(nèi)所繪的螺旋形。其它增加熱管表面積的類似變型對于業(yè)內(nèi)一般人士來說應(yīng)該是顯而易見的。
誠然本發(fā)明的裝置和方法是用優(yōu)選實(shí)施例說明的，但有許多變型可以不脫離本發(fā)明的精神和范圍用于本文說明的方法，這對于本專業(yè)技術(shù)人員是顯而易見的。本專業(yè)技術(shù)人員清楚的所有這些類似的變型和替換都被認(rèn)為包括于本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1一種把烴類燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦粴錃怏w的裝置，它包括烴重整反應(yīng)器，此反應(yīng)器又包括促使燃料混合物在重整條件下發(fā)生反應(yīng)生成含氫氣體混合物的催化劑；水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)器，此反應(yīng)器又包括促使含氫氣體混合物在水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)條件下發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳含量大量減少的中間含氫氣體混合物的催化劑；選擇性氧化反應(yīng)器，此反應(yīng)器又包括促使中間含氫氣體混合物在選擇性氧化反應(yīng)條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生富氫氣體的催化劑；其中反應(yīng)器床的溫度用熱管調(diào)節(jié)。
2根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于該裝置還包括傳出選擇性氧化反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的熱用于把烴類燃料預(yù)加熱成為加過熱的烴類燃料的熱管，其中所述加過熱的烴類燃料成為烴重整反應(yīng)器的烴類燃料進(jìn)料。
3根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述烴重整反應(yīng)是水蒸氣轉(zhuǎn)化；所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)起熱管的冷源的作用。
4根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征為所述重整反應(yīng)熱管的熱源是燃料電池的陽極尾氣氧化器。
5根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述熱管選自簡單熱管、傳導(dǎo)率可變熱管或自動(dòng)調(diào)整傳導(dǎo)率可變熱管。
6根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述熱管是自動(dòng)調(diào)整傳導(dǎo)率可變熱管。
7根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述熱管是銅/水熱管。
8根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述熱管是不銹鋼/鈉熱管。
9根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包括脫硫反應(yīng)器，此反應(yīng)器又包括促使含氫氣體混合物在脫硫條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生基本脫去硫的含氫氣體混合物的催化劑，其中所述基本脫去硫的含氫氣體混合物成為水煤氣轉(zhuǎn)變反應(yīng)器的含氫氣體混合物進(jìn)料。
10根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述烴類燃料是選自包括天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、液化石油氣、粗汽油、汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醇、丙醇及這些燃料的混合物。
11根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述富氫氣體含有的一氧化碳少于百萬分之五十。
12根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包括陽極尾氣氧化器，所述氧化器又包括促使來自燃料電池的未轉(zhuǎn)化的氫在氧化條件下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生陽極尾氣氧化器排出物。
13根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征為所述陽極尾氣氧化器排出物用熱管與烴重整反應(yīng)器熱結(jié)合的。
14根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征為所述熱管在至少一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)保持等溫床溫度。
全文摘要
把烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，使用熱管(504)控制反應(yīng)器床(502)的溫度、支配熱并簡單有效地綜合熱支配。
文檔編號(hào)F28D15/04GK1558791SQ02818917
公開日2004年12月29日 申請日期2002年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月11日
發(fā)明者柯蒂斯·L·克勞斯, 詹姆斯·F·史蒂文斯, 肯尼思·J·邦克, 羅伯特·A·奇爾德雷斯, 邁克爾·法福爾, 約翰·R·法雷爾, 溫德爾·B·萊姆巴赫, 詹姆斯·W·馬歇爾, 丹尼斯·C·內(nèi)格爾, 里克·華萊士, A 奇爾德雷斯, B 萊姆巴赫, C 內(nèi)格爾, F 史蒂文斯, J 邦克, W 馬歇爾, 法福爾, R 法雷爾, 華萊士, 柯蒂斯 L 克勞斯 申請人:德士古發(fā)展公司