[发明专利]集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及产生电力的方法

说明书

集成的气态燃料催化部分氧化(CPOX)重整器(401)和燃料电池(467)系统可包括多个隔开的CPOX反应器单元(408)、或者隔开的CPOX反应器单元(408)的阵列，各反应器单元包括具有拥有内表面和外表面的透气性壁的伸长管，所述壁围封开放的气流通道并且所述壁的至少一部分将CPOX催化剂设置于其中和/或包括它的结构体。所述包含催化剂的壁结构和由其围封的开放的气流通道限定气相CPOX反应区(409)，所述包含催化剂的壁段是透气性的以容许气态CPOX反应混合物在其中扩散和富含氢气的产物重整物从其扩散。所述气态燃料CPOX重整器还可包括一个或多个点火器(435)、和气态可重整燃料的来源。所述富含氢气的重整物可在与所述气态燃料CPOX重整器集成的燃料电池单元内被转化为电力。

相关申请的交叉应用

本申请要求2013年11月6日提交的美国临时专利申请No.61/900,552的申请日的优先权和权益，将其全部公开内容引入本文作为参考。

技术领域

本教导涉及集成的气态燃料催化部分氧化重整器和燃料电池系统、以及将气态可重整燃料催化部分氧化重整以制造可在燃料电池单元内被转化为电力的富含氢气的重整物的方法。

背景技术

气态或液体可重整燃料向富含氢气的包含一氧化碳的气体混合物(通常被称为“合成气体”或“合成气”的产物)的转化可根据任意这样的公知燃料重整操作例如蒸汽重整、干重整、自热重整、和催化部分氧化(CPOX)重整进行。这些燃料重整操作各自具有其与众不同的化学和要求并且各自的特点是其相对于其它而言的优点和缺点。

改进的燃料重整器、燃料重整器部件、和重整工艺的发展由于燃料电池(即，用于将可电化学氧化的燃料例如氢气、氢气与一氧化碳的混合物等电化学转化为电力的装置)的潜力而依旧是相当多的研究的焦点，对于包括主动力设备(MPU)和辅助动力设备(APU)在内的通常应用依旧起到极大扩展的作用。燃料电池也可用于专业化应用例如作为用于电动车的机载发电装置，用于住宅用装置的备用电源，用于在离网场所中的休闲用途、户外和其它耗电装置的主电源，和用于便携式电池组(包装)的更轻质、更高功率密度、不依赖环境温度的替代品.

由于氢气的大规模的经济的生产、其分销所需要的基础设施、以及用于其存储(尤其是作为运输燃料)的实用手段普遍被认为还有长的路要走，因此很多当前的研究和开发目的在于改进作为可电化学氧化的燃料(特别是氢气与一氧化碳的混合物)的来源的燃料重整器和作为这样的燃料到电力的转化器的燃料电池组件(通常被称为燃料电池“堆”)两者，以及将燃料重整器和燃料电池集成到用于产生电能的更紧凑、可靠和有效率的装置中。

和燃料重整器的情况一样，已知且常规的燃料电池有多种类型和构型，包括磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、聚合物电解质膜(或者质子交换膜)燃料电池(PEMFC)、和固体氧化物燃料电池(SOFC)。进一步地，在这些类型的燃料电池的每一种内存在许多变型。例如，SOFC可被分为属于三种主要的子类型之一：管式、平面型、和整体式(monolithic)，其中各子类型的许多代表是本领域中已知的。类似于燃料重整器，各不同类型和子类型的燃料电池相对于其它具有其优点和缺点。

CPOX重整(或者简称为CPOX)作为将富含氢气的重整物供应至燃料电池堆(例如具有从100瓦到100千瓦的任何地方的标称额定功率、以及在之间的所有额定功率的那些)的方式已经引起了特别的关注方式。CPOX重整的优点有，反应是放热的，这与蒸汽重整和干重整形成对照，蒸汽重整和干重整是需要外部热源的吸热反应。

此外，CPOX反应通常比其它重整反应快，这容许构造能够快速启动并且对担载的变化快速响应的相对小的重整器。与需要水和蒸汽的处理的重整器(例如，蒸汽重整器和自热重整器，其需要用于水的存储单元、用于产生蒸汽的加热单元、用于供应热以驱动吸热的重整反应的燃烧器或燃烧单元等、以及它们的相关流体发送(routing)和操作-监测和控制装置)相比，CPOX重整器还往往在设计方面更简单。