專利名稱：燃料重整設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用催化劑重整烴類燃料以生成含氫的重整氣體的燃料重整設(shè)備。
背景技術(shù)：
例如由日本專利未決公開No.2004-251273公開的已知傳統(tǒng)技術(shù)(包括)向催化劑提供烴類燃料和空氣的混合物，通過與催化劑的重整反應(yīng)獲得重整氣體，并將獲得的重整氣體提供給內(nèi)燃機(jī)。日本專利未決公開No.2004-251273中所述的燃料重整設(shè)備利用不完全氧化反應(yīng)作為重整反應(yīng)。當(dāng)烴類燃料進(jìn)行不完全氧化時，如以下化學(xué)公式所示，會生成包含H2和CO的重整氣體(1)另一種已知的燃料重整設(shè)備向烴類燃料和空氣的混合物添加蒸汽，將得到的混合物提供給催化劑，并獲得重整氣體。在此情況下，除了上述的不完全氧化反應(yīng)之外，如以下化學(xué)公式所示，烴類燃料還與催化劑進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)(2)通過上述不完全氧化反應(yīng)和蒸汽重整反應(yīng)生成的H2和CO的可燃性非常好。因此，例如當(dāng)在冷啟動時將包含H2和CO的重整氣體提供給內(nèi)燃機(jī)時，可改善內(nèi)燃機(jī)的啟動性能。另外，還可改善廢氣排放質(zhì)量。
申請人已知以下文獻(xiàn)是本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)，其中包括上述文獻(xiàn)。
日本專利未決公開No.2004-251273 日本專利公報No.Hei5-65708[專利文獻(xiàn)3]日本專利未決公開No.2001-227419[專利文獻(xiàn)4]日本專利未決公開No.2000-7303[專利文獻(xiàn)5]日本專利未決公開No.Hei8-91802[專利文獻(xiàn)6]日本專利未決公開No.Hei6-219701上述不完全氧化反應(yīng)的反應(yīng)速度很高。當(dāng)空氣-燃料混合物流向催化劑時，反應(yīng)實際上在催化劑的上游區(qū)域內(nèi)終止。圖4是示出沿氣體流動方向在催化劑床溫度和催化劑中的位置之間的關(guān)系的圖表。如該圖表所示，催化劑床溫度在其中已進(jìn)行不完全氧化反應(yīng)(PO反應(yīng))的催化劑的上游區(qū)域內(nèi)極高。原因在于不完全氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。催化劑被反應(yīng)導(dǎo)致的熱量加熱。另一方面，在其中不完全氧化反應(yīng)實際上終止的催化劑的下游區(qū)域內(nèi)，催化劑床溫度由于從催化劑的熱耗散而逐漸降低。此外，除了H2和CO，由于在使用空氣-燃料混合物期間發(fā)生的燃料霧化失效或混合失效還在燃料貧乏區(qū)域(lean region)中生成CO2和H2O。另一方面，在燃料豐富區(qū)域(rich region)中生成未重整的HC。如以下反應(yīng)公式所示，生成的CO2、H2O和未重整的HC在催化劑的下游區(qū)域內(nèi)發(fā)生反應(yīng)(3)由于上述反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以在催化劑的下游區(qū)域內(nèi)催化劑床溫度進(jìn)一步降低。
蒸汽重整反應(yīng)(SR反應(yīng))的反應(yīng)速度比不完全氧化反應(yīng)快。因此，當(dāng)包含烴類燃料、空氣和蒸汽的混合物流向催化劑時，在催化劑的上游區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，并且在催化劑的下游區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)。圖5是示出沿氣體流動方向在催化劑床溫度和催化劑中的位置之間的關(guān)系的圖表。如該圖表所示，催化劑床溫度在其中已進(jìn)行不完全氧化反應(yīng)即放熱反應(yīng)的催化劑的上游區(qū)域內(nèi)極高。另一方面，在其中已進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)的催化劑的下游區(qū)域內(nèi)，催化劑床的溫度大大降低。原因是除了從催化劑的熱耗散之外，由于進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)而從催化劑釋放熱量，該蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。
如上所述，傳統(tǒng)的燃料重整設(shè)備中的催化劑的上游區(qū)域容易因不完全氧化反應(yīng)生成的熱量而過熱，并且催化劑的下游區(qū)域內(nèi)的催化劑床溫度容易由于熱耗散和吸熱反應(yīng)-例如蒸汽重整反應(yīng)-而降低。
但是，當(dāng)催化劑極度過熱時，催化劑中的貴金屬可能由于燒結(jié)而損壞。此外，如果承載催化劑的蜂窩結(jié)構(gòu)由金屬制成，則該蜂窩結(jié)構(gòu)可能由于高溫氧化而腐蝕。即使當(dāng)使用陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)時，其強(qiáng)度也會下降。由于外殼由金屬制成，所以外殼也可能由于高溫氧化而腐蝕。
同時，當(dāng)催化劑床溫度在催化劑的下游區(qū)域內(nèi)降低時，重整氣體內(nèi)的H2和CO的濃度降低以增加THC的濃度。這是由于以下的甲烷生成反應(yīng)導(dǎo)致的，所述甲烷生成反應(yīng)在催化劑床溫度降低時進(jìn)行(3)當(dāng)上述反應(yīng)進(jìn)行時，重整氣體內(nèi)的H2和CO的濃度降低以增加CH4的濃度。圖6中的圖表示出催化劑床溫度和重整氣體內(nèi)的THC濃度之間的關(guān)系。如該圖表所示，存在使THC濃度最小的合適的催化劑床溫度。當(dāng)催化劑溫度從該合適的溫度降低時，THC濃度增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問題而提出的。本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種燃料重整設(shè)備，該設(shè)備防止催化劑由于放熱反應(yīng)而過熱，并避免催化劑溫度由于熱耗散和吸熱反應(yīng)而降低。
上述目標(biāo)通過根據(jù)本發(fā)明的一個方面的燃料重整設(shè)備實現(xiàn)。該燃料重整設(shè)備通過向承載催化劑的蜂窩結(jié)構(gòu)提供包含至少烴類燃料和空氣的混合物并使空氣-燃料混合物與催化劑反應(yīng)來生成重整氣體。蜂窩結(jié)構(gòu)包括第一孔室和第二孔室，該第一孔室和第二孔室的催化劑承載位置不同并且該第一孔室和第二孔室交替設(shè)置。第二孔室的催化劑承載位置從第一孔室的催化劑承載位置沿空氣-燃料混合物流動的下游側(cè)方向偏移。
在本發(fā)明的該方面中，當(dāng)包含至少烴類燃料和空氣的混合物被提供給催化劑時，在催化劑的上游側(cè)發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，該不完全氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。隨后，在催化劑的下游側(cè)發(fā)生CO/H2生成反應(yīng)，該CO/H2生成反應(yīng)是吸熱反應(yīng)并且使用未重整的烴類燃料、CO2和H2O作為反應(yīng)物質(zhì)。如果空氣-燃料混合物中包含蒸汽，則在不完全氧化反應(yīng)之后在催化劑的下游側(cè)發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)，該蒸汽重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，第二孔室的催化劑承載位置從與第二孔室相鄰的第一孔室的催化劑承載位置沿空氣-燃料混合物流動的方向偏移。因此，如果在用于將第一孔室和第二孔室分隔開的分隔壁的第二孔室一側(cè)發(fā)生放熱反應(yīng)，則在分隔壁的相對第一孔室一側(cè)會發(fā)生熱耗散和吸熱反應(yīng)。則由第二孔室中的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可被第二孔室中的熱耗散和吸熱反應(yīng)所消耗。這樣可防止催化劑由于放熱反應(yīng)而過熱，并避免催化劑溫度由于熱耗散和吸熱反應(yīng)而降低。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料重整設(shè)備的特征部分的橫截面視圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料重整設(shè)備的內(nèi)部的橫截面視圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料重整設(shè)備的特征部分的平面圖；圖4是示出在包含烴類燃料和空氣的混合物流向催化劑的情況下，沿氣體流動方向在催化劑床溫度與催化劑中的位置之間的關(guān)系的圖表；圖5是示出在包含烴類燃料、空氣和蒸汽的混合物流向催化劑的情況下，沿氣體流動方向在催化劑床溫度與催化劑中的位置之間的關(guān)系的圖表；
圖6是示出催化劑床溫度與重整氣體中的THC濃度之間的關(guān)系的圖表。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖1-3說明本發(fā)明的一個實施例。
圖1是示出根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備的特征部分的橫截面視圖。圖2是示出根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備的內(nèi)部的橫截面視圖。圖1是圖2中的部分A的放大視圖。圖3是示出根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備的特征部分的平面圖。圖1是沿圖3的線B-B或線C-C的橫截面視圖。例如，根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備可用作內(nèi)燃機(jī)的燃料重整設(shè)備。
如圖2所示，一催化劑反應(yīng)部分4設(shè)置在燃料重整設(shè)備的外殼2中。該催化劑反應(yīng)部分4定位成阻塞外殼2中的氣流路徑。流入外殼2的空氣-燃料混合物在通過催化劑反應(yīng)部分4時被重整。提供給外殼2的空氣-燃料混合物包括烴類燃料(例如汽油)、空氣和蒸汽。在催化劑反應(yīng)部分4中，烴類燃料受到不完全氧化反應(yīng)和蒸汽重整反應(yīng)。由這些反應(yīng)得到的包含H2和CO的重整氣體被提供給內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)并用作內(nèi)燃機(jī)燃料。
根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備的催化劑反應(yīng)部分4具有特殊結(jié)構(gòu)。如圖1和3所示，催化劑反應(yīng)部分4具有包括多個孔室12、14的蜂窩結(jié)構(gòu)。設(shè)置有分隔壁10以便將一個孔室12、14與另一個分隔開。每個孔室12、14具有方形橫截面并且與四個其它孔室相鄰。
構(gòu)成催化劑反應(yīng)部分4的孔室可分成兩類孔室第一孔室12和第二孔室14。這兩類孔室的催化劑承載方法彼此不同。催化劑涂層16施加在第一孔室12的分隔壁10的入口端和出口端之間。另一方面，第二孔室14的分隔壁10在出口端和向內(nèi)距入口端預(yù)定距離處的位置之間具有催化劑涂層18。換句話說，第二孔室14的催化劑承載位置從第一孔室12的催化劑承載位置沿空氣-燃料混合物流動的下游側(cè)方向偏移。第一孔室12和第二孔室14沿長度方向(圖3中的方向B-B)和橫向(圖3中的方向C-C)均交替設(shè)置以便它們與其它孔室相鄰。
提供給催化劑反應(yīng)部分4的空氣-燃料混合物在孔室12、14中流動。當(dāng)空氣-燃料混合物與孔室12、14上的催化劑涂層16、18接觸時該空氣-燃料混合物發(fā)生反應(yīng)。在第一孔室12中，進(jìn)入的空氣-燃料混合物與催化劑涂層16接觸并在催化劑涂層16上發(fā)生反應(yīng)。在這種情況下，在催化劑涂層16的上游區(qū)域中主要發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，該反應(yīng)具有較高的反應(yīng)速度。另一方面，在催化劑涂層16的下游區(qū)域中，主要發(fā)生由反應(yīng)公式(3)表示的蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)，這些反應(yīng)具有較低的反應(yīng)速度。在第二孔室14中，進(jìn)入的空氣-燃料混合物與催化劑涂層18接觸并在催化劑涂層18上發(fā)生反應(yīng)。在這種情況下，在催化劑涂層18的上游區(qū)域中主要發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，該反應(yīng)具有較高的反應(yīng)速度。另一方面，在催化劑涂層18的下游區(qū)域中，主要發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)，這些反應(yīng)具有較低的反應(yīng)速度。
在第一孔室12和第二孔室14兩者中，在空氣-燃料混合物流的上游區(qū)域中主要發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，而在下游區(qū)域中主要發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)。但是，第一孔室12和第二孔室14的催化劑承載位置不同。因此，彼此相鄰的第一孔室12和第二孔室14的反應(yīng)位置不同。更具體地說，第一孔室12上的催化劑涂層16的上游區(qū)域?qū)?yīng)于相鄰第二孔室14的沒有催化劑的區(qū)域。因此，第一孔室12的發(fā)生不完全氧化反應(yīng)的區(qū)域與第二孔室14的沒有發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域相鄰。結(jié)果，由第一孔室12中的不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可從第二孔室14的壁表面耗散。在這種情況下，如果流入第二孔室14的空氣-燃料混合物包含液態(tài)烴類燃料，則當(dāng)液態(tài)烴類燃料汽化時產(chǎn)生的汽化潛熱可促進(jìn)從第二孔室14的熱耗散。
第二孔室14上的催化劑涂層18的上游區(qū)域?qū)?yīng)于相鄰的第一孔室12上的催化劑涂層16的下游區(qū)域。因此，第一孔室12的發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)的區(qū)域與第二孔室14的發(fā)生不完全氧化反應(yīng)的區(qū)域相鄰，并且分隔壁10位于第一和第二孔室之間。不完全氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。因此，由第二孔室14中的不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可被相鄰的第一孔室12中的蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)所吸收。
第二孔室14上的催化劑涂層18的下游區(qū)域?qū)?yīng)于相鄰的第一孔室12上的催化劑涂層16的端部區(qū)域。在該端部區(qū)域中，蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)實際上已終止。此外，該端部區(qū)域中的氣體溫度由于在上游區(qū)域中產(chǎn)生的反應(yīng)熱而升高。因此，維持催化劑床溫度所需的熱量可從相鄰的第一孔室12提供給催化劑涂層18的下游區(qū)域。
如上所述，在根據(jù)本實施例的燃料重整設(shè)備中，由催化劑涂層18的上游區(qū)域中的不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱被相鄰催化劑涂層16的下游區(qū)域中的蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)所消耗。這樣可防止催化劑涂層18的上游區(qū)域因反應(yīng)熱而過熱，避免催化劑涂層16的下游區(qū)域中的溫度下降，加速蒸汽重整反應(yīng)和CO/H2生成反應(yīng)，并抑制甲烷生成反應(yīng)。
由催化劑涂層16的上游區(qū)域中的不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可從相鄰的第二孔室14的壁表面耗散。因此可防止催化劑涂層16的上游區(qū)域因反應(yīng)熱而過熱。此外，由于相鄰的第一孔室12中的重整氣體流的熱量可經(jīng)由分隔壁10被提供給催化劑涂層18的下游區(qū)域，所以可避免催化劑涂層18的下游區(qū)域中的溫度下降。
盡管已根據(jù)優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明并不局限于該優(yōu)選實施例，并且可以進(jìn)行變型而不會背離本發(fā)明的范圍和精神。例如，可對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行以下改變。
在上述實施例中，供給烴類燃料、空氣和蒸汽的混合物。但是，也可以供給烴類燃料和空氣的混合物。當(dāng)供給烴類燃料和空氣的混合物時，在第一孔室12和第二孔室14兩者中的空氣-燃料混合物流的上游區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生不完全氧化反應(yīng)。另一方面，在下游區(qū)域中，主要發(fā)生熱耗散和吸熱的CO/H2生成反應(yīng)。但是，第一孔室12和第二孔室14的催化劑承載位置不同。因此，第一孔室12的其中發(fā)生熱耗散和吸熱反應(yīng)的區(qū)域與第二孔室14的其中發(fā)生不完全氧化反應(yīng)的區(qū)域相鄰，并且分隔壁10位于第一和第二孔室之間。則由第二孔室14中的不完全氧化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可通過相鄰第一孔室12中的熱耗散和吸熱反應(yīng)被吸收。結(jié)果，可防止催化劑因放熱反應(yīng)而過熱，并避免催化劑由于熱耗散和吸熱反應(yīng)而降溫。
在上述實施例中，第一孔室12具有催化劑涂層16，該催化劑涂層16始自分隔壁10的入口端。但是，可選地，催化劑涂層16也可以始自從分隔壁10的入口端向內(nèi)預(yù)定距離處的位置。只要催化劑涂層16的前端從用于第二孔室14的催化劑涂層18的前端沿空氣-燃料混合物流動的上游側(cè)方向偏移，則這種可選方案就是可接受的。可以通過考慮氣流的速率和每種反應(yīng)的速度來設(shè)定催化劑涂層16和18的前端位置之間的差。在上述實施例中，催化劑涂層16和18的后端位置均位于孔室12、14的出口端。但是，實際上，催化劑涂層16和18的后端位置沒有嚴(yán)格的限制。
在上述實施例中，根據(jù)本發(fā)明的燃料重整設(shè)備用作向內(nèi)燃機(jī)提供重整氣體的源。但是，根據(jù)本發(fā)明的燃料重整設(shè)備不局限于這種用途。
權(quán)利要求
1.一種燃料重整設(shè)備，用于通過向承載催化劑的蜂窩結(jié)構(gòu)提供包含至少烴類燃料和空氣的混合物并通過使空氣-燃料混合物與催化劑反應(yīng)來生成重整氣體，其中，該蜂窩結(jié)構(gòu)包括第一孔室和第二孔室，所述第一孔室和第二孔室的催化劑承載位置不同并且所述第一孔室和第二孔室交替設(shè)置；并且其中，該第二孔室的催化劑承載位置從該第一孔室的催化劑承載位置朝該空氣-燃料混合物流動的下游側(cè)方向偏移。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料重整設(shè)備。兩種孔室(第一孔室(12)和第二孔室(14))用于構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)。該第一孔室(12)和第二孔室(14)的催化劑承載位置不同。該第一孔室(12)和第二孔室(14)交替設(shè)置。該第二孔室(14)的催化劑承載位置從該第一孔室(12)的催化劑承載位置沿空氣－燃料混合物流動的下游側(cè)方向偏移，以便當(dāng)用于分隔第一孔室(12)和第二孔室(14)的分隔壁(10)的第二孔室一側(cè)上發(fā)生放熱反應(yīng)時，分隔壁(10)的相對的第一孔室一側(cè)上發(fā)生吸熱反應(yīng)。
文檔編號F02M27/02GK1977104SQ200680000438
公開日2007年6月6日 申請日期2006年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者櫻井計宏, 若尾和弘 申請人:豐田自動車株式會社