[发明专利]用于将烃燃料转化为富氢气体的重整反应器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的用于通过自热反应将烃燃料转 化为富氢气体的重整反应器，该富氢气体用于燃料电池和/或排放处理 应用，并且涉及一种用于使用重整反应器将烃燃料转化为富氢气体的 方法。

背景技术

在现有技术中已熟知，通过将例如汽油或柴油燃料的烃燃料重整 来产生用在运输装置的燃料电池中的富氢气体。通常，氢气在大规模 工业设备中产生且然后储存在运输装置的板上。近来开发的小规模车 载氢源，即所谓的重整反应器，提供了按需要产生氢的可能性，而无 需储存氢。

通常存在三种已知的将气态或液态烃燃料转化为氢的方法：催化 蒸汽重整，部分氧化重整和自热重整。

在催化蒸汽重整过程中，将蒸汽和烃燃料的混合物在高温下(在 700℃至1000℃之间)暴露于合适的催化剂、例如镍，反应是高度吸热 性反应，且要求外部热源和蒸汽源。

在部分氧化重整过程中，将氢燃料和含氧气体例如环境空气的混 合物一起导入反应室且使之受到高温，优选存在有催化剂。通常，所 使用的催化剂是贵金属或镍，且温度在700℃至1700℃之间。反应是 高度放热性反应，且一旦开始则生成足够的热以使反应自维持。为促 进氧化反应，需要将供给燃料预热且减小反应器内的温度变化。

例如，专利申请US 6,770,106描述了用于将含有烃或甲烷的供给 气体进行重整的部分氧化重整器，其中通过以用于预热的供给气体的 通道覆盖反应器且因此通过供给气体通道热隔离来实现减小温度变 化。反应热通过热交换器回收，用于预热供给气体的目的。

自热重整过程是蒸汽重整和部分氧化重整的组合。来自部分氧化 重整反应的废热用于加热吸热的蒸汽重整反应。

所有重整过程的自然副产物是一氧化碳和二氧化碳。但因为烃燃 料不设计为用于生成氢的供给原料，所以也存在其他的副产物，例如 硫、石蜡、苯、甲基酰胺(methyl amid)和更大分子量的芳香族化合 物。这些副产物可能对于燃料电池是有害的，且因此应该通过随后的 步骤在重整反应器外去除。

另外的缺点是，烃燃料、特别是柴油趋向于通过与反应器的内侧 表面接触而燃烧为炭黑。炭黑微粒又对于燃料电池非常有害，且必须 在将经重整的氢应用到燃料电池前去除。

发明内容

因此，本发明的目的是降低燃料分子由于与反应器的内侧表面接 触而燃烧为炭黑的风险。

该目的通过一种根据权利要求1的重整反应器以及一种根据权利 要求17的方法来实现。

根据本发明，内壁和由此的反应空间的内表面充有第一电荷。这 考虑到使得由燃料入口喷射到反应室内的燃料分子带电。使反应器壳 体的内壁带有一定的电荷，使得由于静电排斥而在统计学上防止燃料 分子的50％与反应室的内表面接触。这明显降低了燃料分子燃烧为炭 黑的风险。

根据另一个有利实施例，燃料入口也带电。优选地，燃料入口带 有与内壁相等的电荷。这导致所有燃料分子具有与内壁相同的电荷且 因此与内壁电排斥。因此，燃料分子几乎不可能与内壁接触而燃烧为 炭黑。

另一个优选实施例提供有用于在反应室内自热反应的催化剂，以 加速将烃燃料转化成富氢气体。优选地，催化剂也能够带电。这在另 一个实施例中实现，其中催化剂的电荷与内壁和/或燃料入口的电荷相 反。这使燃料/氧化剂混合物向催化剂加速，且因此加速转化反应。催 化剂能够是陶瓷单块或金属格栅。

本发明的另一个优选实施例利用了如下事实，即由于燃料微粒与 反应器内壁接触而燃烧形成炭黑仅在一定的壁温度之上才发生。如果 将壁温度保持为低，例如通过将壁冷却或通过将反应空间的温度保持 在一定水平以下，则防止燃料微粒燃烧为炭黑。

通常存在为反应器提供外部冷却装置的可能性，但这增加了反应 器的尺寸且增加了由燃料电池供给能量的系统的另外的能量消耗。因 此，优选的实施例使用相对冷的氧化剂用于冷却反应器的内壁。这意 味着同时能够省却内壁的热隔离，以此进一步减小反应器的尺寸。

将内壁冷却的另一个优点是能够恒定保持反应室内的温度，且能 够控制氧化剂的温度。

如在本发明的另一个优选实施例中示出，设置在壳体内壁内的氧 化剂出口形成为多个孔。这便于将氧化剂均匀分布在反应室内。优选 地，孔的尺寸、形状和/或位置能够根据所使用的氧化剂、所使用的烃 燃料和/或其温度而改变。最优选地，氧化剂出口设置在燃料入口附近。