[发明专利]具有浮动催化剂的燃料处理器

说明书

相关申请案的交叉参考

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引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及具有简化构造的催化燃料处理器。

背景技术

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。

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。

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。

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

在一个方面中，提供一种燃料处理器，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；

(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；

(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

(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；

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。

在另一方面中，分隔壁的固定端可以接合到外壁。

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。

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。

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。

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。

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。

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。