Настоящее изобретение относится к устройствам для реформинга (конверсии) топлива, а более конкретно к созданию устройства для реформинга топлива, которое позволяет получать богатый водородом газ из углеводорода и водяного пара.
Устройство для реформинга топлива, которое вырабатывает богатый водородом газ из углеводорода и водяного пара, представляет собой известное устройство, которое используют для подачи газообразного топлива в топливные элементы. Топливные элементы преобразуют химическую энергию топлива в электрическую энергию не через посредство механической энергии или тепловой энергии, а непосредственно, за счет чего достигают высокой эффективности преобразования энергии. В топливных элементах содержащее водород газообразное топливо подают к анодам, в то время как содержащий кислород окисляющий газ подают к катодам. Топливные элементы генерируют электродвижущую силу за счет протекающих у обоих электродов электрохимических реакций. Приведенные далее уравнения описывают электрохимические реакции, протекающие у обоих электродов. Уравнение (1) описывает реакцию, протекающую у анодов, а уравнение (2) описывает реакцию, протекающую у катодов. Уравнение (3) описывает реакцию, протекающую во всем объеме топливного элемента
H2 --> 2H+ + 2e- (1)
(1/2)O2 + 2H+ + 2e- --> H2O (2)
H2 + (1/2)O2 --> H2O (3)
Окисляющий газ и содержащее диоксид углерода газообразное топливо используют в топливных элементах с полимерным электролитом, в фосфатных топливных элементах и в топливных элементах с расплавленным карбонатом, входящих в широкий класс различных топливных элементов, по причине благоприятных характеристик их электролитов. В таких топливных элементах в качестве окисляющего газа обычно используют воздух, а в качестве газообразного топлива используют богатый водородом газ, полученный за счет конверсии с водяным паром (паровой конверсии) углеводородов, таких как метанол или природный газ. Система топливных элементов, в которой используют такие топливные элементы, включает в себя устройство для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, позволяющая получать газообразное топливо. Далее описана реакция реформинга (конверсии), которая протекает внутри устройства для реформинга топлива. Описание проведено для случая использования метанола в качестве углеводорода, подверженного реакции конверсии. Следующее уравнение описывает реакцию паровой конверсии метанола:
CH3OH + H2O --> CO2 + 3H2 - 49,5 кДж/моль (4)
Уравнение (4) показывает, что реакция конверсии с водяным паром является эндотермической. Поэтому для продвижения реакции конверсии требуется соответствующий подвод тепловой энергии. Известным способом подвода тепловой энергии, которая требуется для протекания реакции конверсии, является внешняя подача теплоты при помощи горелки или нагревателя, предусмотренного в устройстве для реформинга топлива. Другим известным способом является проведение в устройстве для реформинга топлива реакции экзотермического окисления в дополнение к реакции конверсии с водяным паром и использование теплоты, вырабатываемой за счет реакции окисления, для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Далее проведено обсуждение указанных известных способов, в том числе способа с реакцией экзотермического окисления, протекающей в устройстве для реформинга топлива параллельно с реакцией конверсии с водяным паром.
Пример реакции окисления метанола (реакции частичного окисления) описывается следующим уравнением:
CH3OH + (1/2)O2 --> CO2 + 2H2 + 189,5 кДж/моль (5)
В устройстве, которое производит ввод кислорода в устройство для реформинга топлива и вызывает протекание реакции окисления метанола параллельно с реакцией конверсии с водяным паром, описываемой уравнением (4), тепловая энергия, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. За счет регулировки расхода кислорода, подводимого к устройству для реформинга топлива, можно осуществлять баланс количества теплоты, которое требуется для реакции конверсии с водяным паром, и количества теплоты, которое получено за счет реакции окисления. Теоретически количество теплоты, которое получено за счет реакции окисления, должно компенсировать количество теплоты, которое требуется для реакции конверсии с водяным паром. По сравнению со способом внешнего нагрева данный способ получения теплоты за счет реакции окисления и ее использования для проведения реакции конверсии с водяным паром имеет меньшие потери энергии в результате рассеивания теплоты и позволяет обеспечивать более высокую эффективность использования энергии. По сравнению со способом внешнего нагрева данный способ позволяет упростить конструкцию устройства для реформинга топлива и уменьшить размеры системы топливных элементов в целом.
Однако способ подачи кислорода, а также метанола и водяного пара в устройство для реформинга топлива и использования тепловой энергии, вырабатываемой за счет реакции окисления, для осуществления реакции конверсии с водяным паром, имеет недостаток, связанный с неравномерным распределением температуры внутри устройства для реформинга топлива. На фиг.38 приведен график распределения температуры внутри устройства для реформинга топлива, в которое подают кислород, а также метанол и водяной пар, и где протекает реакция окисления параллельно реакции конверсии с водяным паром. В том случае, когда кислород вводят в устройство для реформинга топлива совместно с метанолом и водяным паром, то за счет того, что реакция окисления имеет более высокую скорость протекания, чем реакция конверсии с водяным паром, количество выработанной за счет реакции окисления теплоты превышает количество теплоты, которое требуется для протекания реакции конверсии с водяным паром, которая идет в устройстве для реформинга топлива в области выше по течению (то есть со стороны ввода газа, который содержит метанол, водяной пар и кислород). Как это показано на графике фиг.38, внутренняя температура резко возрастает со стороны выше по течению и образуется пик в распределении температуры. После поглощения кислорода реакцией окисления протекает только реакция конверсии с водяным паром. Внутренняя температура в устройстве для реформинга топлива постепенно снижается в направлении области ниже по течению (то есть в направлении стороны вывода богатого водородом газа) после пика распределения температуры.
Образование пика распределения температуры или чрезмерное возрастание температуры внутри устройства для реформинга топлива приводит к некоторым отрицательным последствиям, например к отравлению катализатора и к образованию побочных продуктов. Рассмотрим проблему отравления (снижения активности) катализатора. Предположим, что для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления метанола использован Cu-Zn катализатор. Использование Cu-Zn катализатора при высоких температурах, превышающих 300oС, снижает срок службы катализатора и может вызывать агломерацию (спекание). Агломерация представляет собой явление, связанное с образованием агрегатов (групп) частиц катализатора на поверхности носителя. Cu-Zn катализатор обычно получают путем диспергирования мелких частиц меди на поверхности частиц цинка. Агломерация приводит к объединению мелких частиц меди и к образованию гигантских частиц. За счет этого снижается площадь поверхности частиц меди и уменьшается зона каталитической активности, что приводит к снижению производительности устройства для реформинга топлива.
Другой проблемой, вызванной чрезмерным возрастанием температуры катализатора, является образование побочных продуктов. Параллельно с описанной выше нормальной реакцией реформинга протекает побочная реакция с образованием метана при определенных высоких температурах. Газообразный азот, который входит в подводимый к устройству сжатый газ, подвергается побочной реакции с образованием оксидов азота. Эти побочные продукты не разлагаются в диапазоне температур реакции реформинга, протекающей в устройстве для реформинга топлива, поэтому они подаются на топливные элементы как часть газообразного топлива. Увеличение количества таких побочных продуктов, как метан, неблагоприятно снижает парциальное давление водорода в газообразном топливе.
Снижение внутренней температуры на стороне ниже по течению в устройстве для реформинга топлива неблагоприятно снижает активность реакции конверсии с водяным паром. Пониженная активность реакции конверсии с водяным паром может приводить к тому, что остается не прошедший конверсию газ, а именно метанол, а поэтому получают результирующий газ с недостаточно низкой концентрацией водорода. Для обеспечения полного завершения реакции реформинга даже при наличии низкой внутренней температуры на стороне ниже по течению требуется увеличивать размеры устройства для реформинга топлива.
В связи с изложенным, задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и поддержание внутренней температуры устройства для реформинга топлива в заданном диапазоне температур.
Настоящее изобретение направлено на создание устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром.
Подобного рода устройство известно из патента Великобритании 2199841. Оно включает в себя каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакция окисления, блок подачи сырого топливного газа, содержащего сырое топливо, водяной пар и кислород, в указанную каталитическую секцию, блок выпуска газообразного топлива из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в указанной каталитической секции.
Устройство для реформинга топлива, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого (необработанного) топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок регулировки скорости течения газа, в котором регулируют скорость течения сырого топливного газа таким образом, что она выше в области на стороне приема сырого топливного газа, чем в области на стороне выпуска газообразного топлива из каталитической секции, что позволяет производить достаточную передачу теплоты, выработанной за счет реакции окисления, протекающей в области на стороне приема сырого топливного газа, к области на стороне выпуска газообразного топлива.
В выполненном указанным образом устройстве для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск богатого водородом газообразного топлива. В каталитической секции таким образом регулируют скорость течения сырого топливного газа, что она выше в области на стороне приема сырого топливного газа, чем в области на стороне выпуска газообразного топлива. Это позволяет производить достаточную передачу теплоты, выработанной за счет реакции окисления, протекающей в области на стороне приема сырого топливного газа, к области на стороне выпуска газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей в области на стороне приема сырого топливного газа, передается в достаточной степени на сторону ниже по течению. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в области на стороне приема сырого топливного газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, передается в достаточной степени на сторону выпуска газообразного топлива. Такое выполнение устройства обеспечивает достаточно высокую эффективность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
Нет необходимости в том, чтобы углеводород, водяной пар и кислород, которые образуют сырой топливный газ, были перемешаны ранее подачи сырого топливного газа в устройство. По меньшей мере один компонент или часть сырого топливного газа может подаваться отдельно. Указанные выше благоприятные эффекты достигаются в том случае, когда все компоненты сырого топливного газа, которые не введены в смесь заранее, подаются в поток газа со стороны каталитической секции, расположенной выше по течению. Катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром может быть идентичен катализатору для ускорения реакции окисления или может отличаться от него. В частности, может быть использован единственный катализатор для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления. Альтернативно, могут быть использованы различные катализаторы для соответствующего ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. В последнем случае желательно производить достаточное перемешивание различных катализаторов друг с другом в устройстве для реформинга.
В устройстве для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением блок регулировки скорости течения газа имеет полную площадь сечения пути движения потока, через которую протекает сырой топливный газ, меньшую на стороне приема сырого топливного газа, чем на стороне выпуска газообразного топлива в каталитической секции. Такое построение позволяет иметь скорость течения сырого топливного газа выше (более высокую) в области на стороне приема сырого топливного газа, чем в области на стороне выпуска газообразного топлива, в результате чего обеспечиваются указанные выше эффекты.
Настоящее изобретение направлено также на создание второго варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Второй вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию; и блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции. Катализатор в каталитической секции установлен на носителе, который изготовлен из материала, имеющего относительно высокую теплопроводность.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Катализатор установлен на носителе, который изготовлен из материала, имеющего относительно высокую теплопроводность. Следовательно, теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, быстро передается на периферию при помощи носителя и используется для проведения реакция конверсии с водяным паром.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации быстро рассеивается теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в области на стороне приема сырого топливного газа, а именно в области протекания сильной реакции окисления. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, рассеивается и передается на сторону ниже по течению. Такое выполнение устройства обеспечивает достаточно высокую эффективность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
Настоящее изобретение направлено также на создание третьего варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и катализатор для ускорения реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок подавления реакции окисления, который подавляет продвижение реакции окисления в области на стороне приема окисляющего газа в каталитической секции.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и катализатор для ускорения реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива. В каталитической секции подавляют продвижение реакции окисления в области на стороне приема окисляющего газа.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации подавляют продвижение реакции окисления в области на стороне приема окисляющего газа. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Подавленная реакция окисления на стороне приема окисляющего газа выгодным образом расширяет область протекания сильной реакции окисления на участок ниже по течению. Это повышает температуру на стороне ниже по течению и обеспечивает достаточно высокую активность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
В третьем варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением блок подавления реакции окисления преимущественно делает существующее в каталитической секции количество катализатора для ускорения реакции окисления меньшим в области на стороне приема окисляющего газа, чем в области на стороне выпуска газообразного топлива.
В третьем варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром преимущественно идентичен катализатору для ускорения реакции окисления, причем блок подавления реакции окисления преимущественно делает существующее количество идентичного катализатора меньшим в области на стороне приема окисляющего газа, чем в области на стороне выпуска газообразного топлива.
Настоящее изобретение направлено также на создание четвертого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и катализатор для ускорения реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок выявления состояния реакции, который выявляет степень продвижения реакции, которая протекает в каталитической секции. Блок подачи окисляющего газа включает в себя блок регулирования концентрации кислорода, который поддерживает на желательном уровне расход в единицу времени кислорода, подаваемого в каталитическую секцию, и регулирует концентрацию кислорода, который содержится в окисляющем газе, подаваемом в каталитическую секцию, на основании степени продвижения реакции, выявленной при помощи блока выявления состояния реакции.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и катализатор для ускорения реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива. Выявляют степень продвижения реакции, протекающей в каталитической секции. При поддержании на желательном уровне расхода в единицу времени кислорода, подаваемого в каталитическую секцию, регулирует концентрацию кислорода, который содержится в окисляющем газе, подаваемом в каталитическую секцию, на основании выявленной степени продвижения реакции.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации регулируют концентрацию кислорода, который содержится в окисляющем газе, для управления скоростью реакции окисления, протекающей на стороне приема окисляющего газа. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Управление скоростью реакции окисления за счет регулирования концентрации кислорода, который содержится в окисляющем газе, выгодным образом расширяет область протекания сильной реакции окисления на участок ниже по течению. Это повышает температуру на стороне ниже по течению и обеспечивает достаточно высокую активность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
В четвертом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением каталитическая секция преимущественно включает в себя множество содержащих катализатор реакционных блоков, причем блок подачи окисляющего газа подает окисляющий газ в каждый из множества реакционных блоков. Такое выполнение с подачей окисляющего газа во множество местоположений дополнительно усиливает эффект усреднения (гомогенизации) температуры внутри каталитической секции.
Настоящее изобретение направлено также на создание пятого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Пятый вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок инверсии направления (изменения направления на обратное) газового потока, который в каталитической секции меняет местами (друг на друга) ввод сырого топливного газа от блока подачи сырого топливного газа и выпуск газообразного топлива из блока выпуска газообразного топлива, так что в каталитической секции изменяется направление газового потока.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива. В ходе продвижения указанных реакций в каталитической секции меняют местами (друг на друга) ввод сырого топливного газа и выпуск газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации в каталитической секции меняют местами ввод сырого топливного газа с выпуском газообразного топлива. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное построение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно попытает срок службы устройства для реформинга. Отсутствует существенное падение температуры в специфической области на стороне ниже по течению. Это обеспечивает достаточно высокую активность протекания реакции конверсии с водяным паром во всей каталитической секции, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
В пятом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением каталитическая секция преимущественно содержит блок измерения конечной (у конца) температуры, который производит измерение температуры в заданном месте ввода в каталитическую секцию сырого топливного газа от блока подачи сырого топливного газа, причем блок инверсии направления газового потока меняет местами (друг на друга) ввод сырого топливного газа от блока подачи сырого топливного газа и выпуск газообразного топлива из блока выпуска газообразного топлива, на основании температуры, измеренной блоком измерения конечной температуры. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры на стороне приема сырого топливного газа.
Настоящее изобретение направлено также на создание шестого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая заполнена с уплотнением частицами с катализатором для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок перемешивания катализатора, который производит перемешивание частиц с катализатором в каталитической секции.
В выполненном указанным образом шестом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию, которая заполнена с уплотнением частицами с катализатором для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции, в то время как в ней производят перемешивание частиц с катализатором. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации производят перемешивание частиц с катализатором в каталитической секции, за счет чего в реакцию окисления последовательно вводится весь катализатор, нанесенный на частицы. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема сырого топливного газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Нет существенного падения температуры в специфической области на стороне ниже по течению. Это обеспечивает достаточно высокую активность протекания реакции конверсии с водяным паром во всей каталитической секции, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
В шестом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением блок перемешивания катализатора преимущественно расположен в блоке подачи сырого топливного газа и инжектирует газ, который по меньшей мере включает в себя только углеводород, водяной пар или кислород, в каталитическую секцию, так чтобы производить в каталитической секции перемешивание частиц с катализатором. Такое выполнение позволяет производить операцию ввода в каталитическую секцию сырого топливного газа одновременно с операцией перемешивания частиц с катализатором.
Настоящее изобретение направлено также на создание седьмого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок изменения места течения, который производит изменение во времени места ввода в каталитическую секцию окисляющего газа от блока подачи окисляющего газа.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Происходит изменение во времени места ввода в каталитическую секцию окисляющего газа от блока подачи окисляющего газа. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, которая получена за счет подачи окисляющего газа указанным образом, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации происходит изменение во времени места ввода в каталитическую секцию окисляющего газа. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Настоящее изобретение направлено также на создание восьмого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок усреднения (гомогенизации) теплоты, который сближает в каталитической секции место ввода сырого топливного газа и место ввода окисляющего газа с местом выпуска газообразного топлива, что усиливает теплообмен между стороной впуска и стороной выпуска.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. В каталитической секции место ввода сырого топливного газа и место ввода окисляющего газа расположены таким образом, что находятся в непосредственной близости от места выпуска газообразного топлива. Следовательно, теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации в каталитической секции производят теплообмен между стороной впуска, на которой производят ввод сырого топливного газа и ввод окисляющего газа, и стороной выпуска, на которой производят выпуск газообразного топлива. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Нет существенного падения температуры в специфической области на стороне ниже по течению. Это обеспечивает достаточно высокую активность протекания реакции конверсии с водяным паром во всей каталитической секции, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива.
В восьмом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением каталитическая секция преимущественно содержит по меньшей мере два реакционных блока, которые соответственно содержат катализатор и имеют сторону впуска и сторону выпуска, взаимно расположенные в противоположных местах, причем по меньшей мере два реакционных блока выполнены таким образом, что сторона впуска одного реакционного блока находится в непосредственной близости от стороны выпуска другого реакционного блока.
В восьмом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением каталитическая секция также преимущественно содержит область поворота в трубопроводе сырого топливного газа, выполненную внутри него, причем впуск и выпуск трубопровода выполнены в непосредственной близости от друг от друга.
Настоящее изобретение направлено также на создание девятого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок нагрева, который производит нагрев участка, не находящегося в области на стороне приема окисляющего газа, при помощи специфического флюида, передающего теплоту, произведенную заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей в той области каталитической секции, куда поступает окисляющий газ, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Теплота, произведенная заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива, при помощи специфического флюида передается к другому участку, не находящемуся в области на стороне приема окисляющего газа, и используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В девятом варианте устройства для реформинга топлива указанной конфигурации на участке, не находящемся в области на стороне приема окисляющего газа, протекает реакция окисления за счет теплоты, произведенной заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива. Такое выполнение позволяет снизить расход окисляющего газа, подаваемого в каталитическую секцию, по сравнению с расходом подаваемого в каталитическую секцию сырого топливного газа. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Теплота, произведенная заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива, передается к другому участку, не находящемуся и области на стороне приема окисляющего газа. Отсутствует существенное падение температуры, которое понижает активность реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточно высокую активность протекания реакции конверсии с водяным паром во всей каталитической секции, что позволяет уменьшить размеры устройства для реформинга топлива. Таким образом, указанное выполнение, в котором теплота, произведенная заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива, используется для нагрева другого участка, не находящегося в области на стороне приема окисляющего газа, позволяет эффективно предотвращать снижение эффективности использования энергии в системе в целом.
В девятом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением блок нагрева преимущественно производит нагрев другого участка, не находящегося в области на стороне приема окисляющего газа, при помощи горячего газа, выделяемого заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива.
Настоящее изобретение направлено также на создание десятого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в каталитическую секцию; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции; и блок конечного охлаждения, который разбрызгивает жидкость, которая содержит по меньшей мере только углеводород или воду, в области на стороне приема сырого топливного газа и окисляющего газа.
В выполненном указанным образом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в каталитической секции. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей в той области каталитической секции, куда поступает окисляющий газ, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Производят разбрызгивание жидкости, которая содержит по меньшей мере только углеводород или воду, в области на стороне приема сырого топливного газа и окисляющего газа, так чтобы произвести охлаждение этой области. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации производят разбрызгивание жидкости, которая содержит по меньшей мере только углеводород или воду, в области на стороне приема сырого топливного газа и окисляющего газа. За счет этого производится поглощение в виде теплоты испарения, части теплоты, вырабатываемой при протекании реакции окисления. Это эффективно предотвращает чрезмерное возрастание температуры в специфической области на стороне приема окисляющего газа. Таким образом, указанное выполнение устройства исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Настоящее изобретение направлено также на создание одиннадцатого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая включает в себя первый реакционный блок, который содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, и второй реакционный блок, который содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, втекает в каталитическую секцию; блок подачи окисляющего газа, откуда окисляющий газ, который содержит кислород, втекает в первый реакционный блок; блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции. Первый реакционный блок и второй реакционный блок установлены в непосредственной близости друг от друга в каталитической секции, причем осуществляется теплообмен между первым реакционным блоком и вторым реакционным блоком.
В выполненном указанным образом одиннадцатом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением сырой топливный газ, который содержит углеводород и водяной пар, и окисляющий газ, который содержит кислород, втекают в первый реакционный блок, который содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Как реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, так и реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, протекают в первом реакционном блоке. Сырой топливный газ также поступает во второй реакционный блок, который содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром. Таким образом, во втором реакционном блоке также протекает реакция конверсии с водяным паром. В первом реакционном блоке теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Теплообмен, осуществляемый между вторым реакционным блоком и
смежным первым реакционным блоком, позволяет использовать теплоту, вырабатываемую за счет реакции окисления в первом реакционном блоке, для продвижения реакции конверсии с водяным паром во втором реакционном блоке. Из каталитической секции производят выпуск результирующего богатого водородом газообразного топлива.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления в той области первого реакционного блока, где при подаче окисляющего газа протекает реакция окисления, используется не только для продвижения реакции конверсии с водяным паром, протекающей в первом реакционном блоке, но и передается в смежный второй реакционный блок и используется для продвижения реакции конверсии с водяным паром, протекающей во втором реакционном блоке. Такое выполнение устройства эффективно предотвращает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры в каталитической секции за счет теплоты, вырабатываемой при протекании реакции окисления, а именно отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
В любой из первого, второго и от пятого до десятого вариантов устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением углеводородом может быть метанол, а в качестве катализатора для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления может быть использован единственный содержащий медь катализатор.
В третьем или четвертом вариантах устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением углеводородом может быть метанол, а в качестве катализатора для ускорения реакции конверсии с водяным паром и катализатора для ускорения реакции окисления могут быть использованы идентичные содержащие медь катализаторы.
В одиннадцатом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением углеводородом может быть метанол, а в качестве катализатора в первом реакционном блоке может быть использован единственный содержащий медь катализатор.
При таком выполнении устройства для реформинга топлива единственный содержащий медь катализатор используют как для ускорения реакции конверсии с водяным паром, так и для ускорения реакции окисления метанола. В отличие от известных ранее устройств, в которых для ускорения реакции окисления используют платиновый или иной известный катализатор окисления, реакция окисления метанола, протекающая в присутствии содержащего медь катализатора, почти не производит оксид углерода (угарный газ). Таким образом, указанное выполнение позволяет получать результирующее газообразное топливо с низкой концентрацией оксида углерода.
Настоящее изобретение направлено также на создание двенадцатого варианта устройства для реформинга топлива, в котором протекает реакция конверсии с водяным паром, которая является эндотермической и позволяет получать водород из углеводорода и водяного пара, и протекает реакция окисления, которая является экзотермической и окисляет углеводород, причем теплота, выработанная за счет реакции окисления, использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром. Этот вариант устройства для реформинга топлива включает в себя: каталитическую секцию, которая содержит катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления; блок подачи сырого топливного газа, откуда сырой топливный газ, который содержит углеводород, водяной пар и кислород, втекает в каталитическую секцию; и блок выпуска газообразного топлива, через который производят выпуск из каталитической секции богатого водородом газообразного топлива, которое получено за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в каталитической секции. Ускорение реакции окисления катализатором производится без выработки оксида углерода.
В устройстве для реформинга топлива указанной конфигурации катализатор ускоряет реакцию окисления таким образом, что не происходит выработка оксида углерода. Такое выполнение устройства эффективно снижает количество оксида углерода, вырабатываемого при протекании реакций в каталитической секции, что позволяет получать результирующее газообразное топливо с низкой концентрацией оксида углерода.
В двенадцатом варианте устройства для реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением углеводородом может быть метанол, а в качестве катализатора для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления может быть использован единственный содержащий медь катализатор.
В выполненном указанным образом устройстве для реформинга топлива используют содержащий медь катализатор для ускорения реакции окисления метанола. В отличие от известных ранее устройств, в которых для ускорения реакции окисления используют платиновый или иной известный катализатор окисления, реакция окисления метанола, протекающая в присутствии содержащего медь катализатора, почти не производит оксид углерода. Таким образом, указанное выполнение позволяет получать результирующее газообразное топливо с низкой концентрацией оксида углерода. Использование единственного содержащего медь катализатора для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления метанола позволяет упростить конструкцию устройства для реформинга топлива.
На фиг.1 приведена блок-схема, на которой схематично показано построение системы топливных элементов 20 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 схематично показана структура одного элемента 48 из комплекта топливных элементов 40.
На фиг.3 схематично показано построение блока реформинга 34.
На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение участка сотовой структуры, которая образует блок реформинга 34.
На фиг. 5 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в блоке реформинга 34 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг. 6 показано поперечное сечение другой сотовой структуры, которая использована в первом измененном примере первого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 схематично показано построение устройства для реформинга в соответствии с другим измененным примером первого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8 схематично показано построение устройства для реформинга 90 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 9(А) схематично показано поперечное сечение участка сотовой структуры реакционного блока 92, а на фиг.9(В) схематично показан с увеличением участок поверхности сотовой структуры.
На фиг. 10 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 90 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.11 схематично показано построение устройства для реформинга 100 в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 12 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 100 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.13 схематично показано построение устройства для реформинга 110 в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 14 приведена блок-схема, на которой показана стандартная программа регулирования воздушной нагрузки, осуществляемая в системе топливных элементов, в которую входит устройство для реформинга 110.
На фиг.15 схематично показано построение устройства для реформинга 110А в соответствии с измененным примером четвертого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 16 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 110А и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.17 схематично показано построение устройства для реформинга 120 в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 18 приведена блок-схема, на которой показана стандартная программа переключения впуска газа, осуществляемая в системе топливных элементов 20.
На фиг. 19 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 120 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.20 схематично показано построение устройства для реформинга 130 и элементов, соединенных с устройством для реформинга 130, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 21 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 130 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.22 схематично показано построение устройства для реформинга 140 в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 23 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 140 ив известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.24 схематично показано построение устройства для реформинга 140А в соответствии с измененным примером седьмого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 25 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 150 в соответствии с восьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 26 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 150 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг. 27 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 160 в соответствии с девятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 28 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 160 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.29 схематично показано построение устройства для реформинга 160А в соответствии с измененным примером девятого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 30 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 170 в соответствии с десятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 31 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 170 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.32 схематично показано построение устройства для реформинга 180 в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 33 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 180 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.34 схематично показано построение устройства для реформинга 190 в соответствии с двенадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 35 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в устройстве для реформинга 190 и в известном ранее устройстве для реформинга.
На фиг.36 схематично показано построение устройства для реформинга 190А в соответствии с первым измененным примером двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг.37 схематично показано построение устройства для реформинга 190В в соответствии с другим измененным примером двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг.38 приведен график, который показывает распределение температуры внутри известного ранее устройства для реформинга.
Указанные ранее и другие конфигурации, функции и преимущества настоящего изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данных в виде предпочтительных примеров, не имеющих ограничительного характера и приведенных со ссылкой на сопроводительные чертежи. На фиг.1 схематично показано построение системы топливных элементов 20, в которую входит устройство для реформинга, выполненной в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Система топливных элементов 20 включает в себя, в качестве первичных компонентов, резервуар 22 для хранения метанола и бак 24 для хранения воды, горелку 26, которая вырабатывает газообразные продукты сгорания, блок компрессора 28, который позволяет получать сжатый воздух, испаритель 32, который соединен с горелкой 26 и с блоком компрессора 28, блок реформинга 34, который вырабатывает газообразное топливо за счет реакции конверсии, блок 36 снижения содержания СО, который снижает концентрацию оксида углерода (СО) в газообразном топливе, топливные элементы 40, которые вырабатывают электродвижущую силу за счет электрохимических реакций, и блок управления 50, который выполнен в виде компьютера. Далее описаны прежде всего топливные элементы 40, которые вырабатывают электродвижущую силу в системе топливных элементов 20.
Топливные элементы 40 представляют собой топливные элементы с полимерным электролитом и имеют пакетную конструкцию, полученную наложением (установкой) друг на друга множества узлов или единичных элементов. На фиг.2 схематично показана структура одного элемента 48 из пакета (комплекта) топливных элементов 40. Единичный элемент 48 содержит электролитическую мембрану 41, анод 42, катод 43 и пару сепараторов 44 и 45.
Анод 42 и катод 43 представляют собой газодиффузионные электроды, которые расположены с двух сторон от электролитической мембраны 41 и образуют трехслойную структуру (сандвич-структуру). Пара сепараторов 44 и 45 расположена далее вокруг этой трехслойной структуры и соединена с анодом 42 и катодом 43 таким образом, что образуются каналы для протекания газообразного топлива и окисляющего газа. Каналы 44Р для протекания газообразного топлива образованы между анодом 42 и сепаратором 44, в то время как каналы 45Р для протекания окисляющего газа образованы между катодом 43 и сепаратором 45. Несмотря на то, что на фиг.2 каналы показаны только с одной из сторон каждого из сепараторов 44 и 45, в действительности ребра образованы с двух сторон каждого из сепараторов 44 и 45. Одна сторона сепаратора совместно с анодом 42 образует каналы 44Р для протекания газообразного топлива, в то время как другая сторона сепаратора совместно с катодом 43 смежного единичного элемента образует каналы 45Р для протекания окисляющего газа. Сепараторы 44 и 45 совместно со смежными газодиффузионными электродами образуют газовые каналы, которые разделяют поток газообразного топлива от потока окисляющего газа для каждой пары смежных единичных топливных элементов. В пакетной конструкции, полученной наложением друг на друга множества единичных элементов 48, два сепаратора, расположенных на обоих концах пакетной конструкции, могут иметь ребра только с соответствующей одной из сторон, которая находится в контакте с газодиффузионными электродами.
Электролитическая мембрана 41 представляет собой проводящую протоны ионообменную мембрану, образованную из твердого полимерного материала, например из фторполимера, которая имеет благоприятную электропроводность во влажном состоянии. В данном варианте в качестве электролитической мембраны 41 использована пленка Nation (изготовляемая фирмой Дюпон). В качестве наносимого на поверхность электролитической мембраны 41 катализатора используют платину или платиновый сплав, который содержит платину и другой металл.
Анод 42 и катод 43 изготовлены из углеродной ткани, которая соткана из пряжи, состоящей из углеродных волокон. В другом варианте анод 42 и катод 43 могут быть изготовлены не из углеродной ткани, а из углеродной бумаги или из углеродного войлока.
Сепараторы 44 и 45 изготовлены из газонепроницаемого электропроводного материала, например из газонепроницаемого плотного углерода, полученного за счет уплотнения углеродного порошка. Каждый из сепараторов 44 и 45 имеет множество ребер, которые идут параллельно друг другу на обеих сторонах сепаратора, причем совместно с поверхностью анода 42 они образуют каналы 44Р для протекания газообразного топлива, в то время как совместно с поверхностью катода 43 смежного единичного элемента они образуют каналы 45Р для протекания окисляющего газа. Однако нет необходимости в том, чтобы ребра располагались параллельно друг другу на обеих сторонах каждого сепаратора; например, ребра, выполненные на одной стороне, могут идти под определенным углом (в том числе и параллельно) к ребрам, образованным на другой стороне. Ребра не обязательно должны быть ограничены параллельными канавками, и могут иметь любую форму, позволяющую подавать газообразное топливо и окисляющий газ к газодиффузионным электродам.
Единичный элемент 48, который представляет собой конструктивный элемент топливных элементов 40, имеет описанную здесь ранее конструкцию. В реальном комплекте топливных элементов 40 используют множество (100 в данном варианте) единичных элементов 48, каждый из которых содержит сепаратор 44, анод 42, электролитическую мембрану 41, катод 43 и сепаратор 45, которые уложены друг на друга в указанной последовательности, с образованием ламината (слоистого материала) элементов. Пакетную конструкцию завершают при помощи пары коллекторных пластин, установленных с двух сторон от ламината элементов и изготовленных из плотного углерода или меди.
Далее обсуждаются другие компоненты системы топливных элементов 20, отличающиеся от топливных элементов 40 и их связей. Испаритель 32 получает метанол и воду из резервуара для метанола 22 и бака для воды 24 соответственно и производит испарение метанола и воды. Испаритель 32, как уже было упомянуто здесь ранее, соединен с горелкой 26 и с блоком компрессора 28. Продукты сгорания из горелки 26 отводятся через блок компрессора 28, что обсуждается здесь ниже, а теплота сгорания передается к блоку теплообменника (не показан) испарителя 32 для доведения до кипения и испарения метанола и воды, подаваемых в испаритель 32.
Второй насос 71 установлен в трубопроводе метанола 60, через который подают метанол в качестве сырого топлива из резервуара для метанола 22 к испарителю 32, для того, чтобы регулировать количество подаваемого к испарителю 32 метанола. Второй насос 71 связан с блоком управления 50 и управляется выходными сигналами блока управления 50, так чтобы регулировать количество подаваемого к испарителю 32 метанола.
Третий насос 72 установлен в трубопроводе воды 62, через который подают воду из бака для воды 24 к испарителю 32, для того, чтобы регулировать количество подаваемой к испарителю 32 воды. Аналогично второму насосу 71 третий насос 72 связан с блоком управления 50 и управляется выходными сигналами блока управления 50, так чтобы регулировать количество подаваемой к испарителю 32 воды. Трубопровод метанола 60 соединяется с трубопроводом воды 62 и образует первый трубопровод подачи топлива 63, который подключен к испарителю 32. Так как расход метанола и расход воды регулируются при помощи второго насоса 71 и третьего насоса 72, то на испаритель 32 через первый трубопровод подачи топлива 63 поступает смесь заданного количества метанола и заданного количества воды.
Блок компрессора 28, связанный с испарителем 32, забирает воздух из пространства вне системы топливных элементов 20, осуществляет сжатие всасываемого воздуха и подает сжатый воздух к катодам топливных элементов 40. Блок компрессора 28 включает в себя турбину 28а и компрессор 28b, образованный в рабочем колесе. Турбина 28а и компрессор 28b связаны друг с другом при помощи коаксиального вала 28с. Компрессор 28b приводится в действие за счет вращения турбины 28а. Горелка 26 также подключена к испарителю 32. Турбина 28а приводится в действие горячими газообразными продуктами сгорания, поступающими от горелки 26. Компрессор 28b вращается при вращении турбины 28а и сжимает воздух, как уже было упомянуто здесь ранее. Воздух из окружающего пространства поступает в компрессор 28b через воздуховод 29. Сжатый воздух из блока компрессора 28 подается к топливным элементам 40 через трубопровод подачи окисляющего газа 58 и вступает в электрохимические реакции, протекающие в топливных элементах 40.
Турбина 28а, которая приводится в действие горячими газообразными продуктами сгорания, поступающими от горелки 26, изготовлена из жаропрочного сплава или керамики, что обеспечивает ее теплостойкость и долговечность. В этом варианте для изготовления турбины 28а использован сплав на базе никеля (сплав Inconel 700, изготавливаемый фирмой Inconel Corporation). Компрессор 28b изготовлен из легкого алюминиевого сплава.
Горелка 26, которая приводит в действие турбину 28а, получает топливо для сжигания с анодов топливных элементов 40 и из резервуара для метанола 22. В качестве топлива для топливных элементов 40 и для проведения в них электрохимических реакций использован богатый водородом газ, который получен за счет реформинга метанола в блоке реформинга 34. Не весь поступающий к топливным элементам 40 водород потребляется за счет электрохимических реакции, поэтому газообразное топливо, которое выпускают по трубопроводу 67, содержит неизрасходованный водород. Горелка 26, которая связана с этим трубопроводов выпуска топлива 67, получает выпускаемое газообразное топливо и осуществляет полное сжигание остаточного водорода, что улучшает коэффициент использования топлива. Однако обычно количество этого выпускаемого топлива недостаточно для работы горелки 26. Поэтому на горелку 26 подают метанол из резервуара для метанола 22 для восполнения нехватки топлива, а также для использования в качестве топлива для сжигания при отсутствии указанного выпускаемого топлива, например, при запуске системы топливных элементов 20. Метанол на горелку 26 подают по ветви трубопровода 61. Эта ветвь трубопровода 61 отходит от трубопровода метанола 60, через который подают метанол из резервуара метанола 22 на испаритель 32.
Горелка 26 имеет первый датчик температуры 73, который измеряет температуру горения в горелке 26 и выдает результаты измерения на блок управления 50. Блок управления 50 подает сигнал управления на первый насос 70 в ответ на поступление сигнала от первого датчика температуры 73, так чтобы регулировать количество подводимого к горелке 26 метанола и поддерживать температуру горения в горелке 26 в заданном диапазоне (ориентировочно от 800oС до 1000oС). Полученные в горелке 26 газообразные продукты сгорания приводят в действие и вращают турбину 28а, а затем поступают к испарителю 32. Эффективность теплообмена в турбине 28а является относительно низкой (не превышающей ориентировочно 10%). Поступающие к испарителю 32 выхлопные газообразные продукты сгорания имеют температуру ориентировочно от 600 до 700oС, что достаточно для их использования в качестве источника теплоты в испарителе 32. Поступающая по первому трубопроводу подачи топлива 63 смесь метанола и воды, о чем упоминалось ранее, испаряется при помощи горячих выхлопных газообразных продуктов сгорания, подводимых от горелки 26 к испарителю 32. Сырой топливный газ, состоящий из метанола и воды и испаренный в испарителе 32, по второму трубопроводу подачи топлива 64 поступает в блок реформинга 34.
Блок реформинга 34 производит конверсию сырого топливного газа, состоящего из метанола и воды, с получением богатого водородом газообразного топлива. Конфигурация блока реформинга 34 и реакции конверсии, протекающие в блоке реформинга 34, представляют собой существенную часть настоящего изобретения и будут подробно обсуждены далее. Второй датчик температуры 74, который установлен во втором трубопроводе подачи топлива 64, через который в блок реформинга 34 поступает сырой топливный газ, состоящий из метанола и воды, измеряет температуру указанного сырого топливного газа. Полученные данные температуры сырого топливного газа вводятся в блок управления 50. В процессе управления первым насосом 70 на основании сигнала от первого датчика температуры 73 блок управления 50 корректирует управление первым насосом 70 на основании сигнала от второго датчика температуры 74 и регулирует количество метанола, подводимого к горелке 26. Регулирование температуры газообразных продуктов сгорания в горелке 26 указанным образом позволяет устанавливать температуру сырого топливного газа, испаряемого в испарителе 32. Выходящий из испарителя 32 сырой топливный газ обычно нагрет ориентировочно до 250oС.
Как это описано здесь ниже, в реакции конверсии, протекающей в блоке реформинга 34, использован кислород. Блок реформинга 34 имеет нагнетатель (воздуходувку) 38 для подачи кислорода, который требуется для реакции конверсии. Воздуходувка 38 производит сжатие забранного из окружающего пространства воздуха и подает сжатый воздух в блок реформинга 34 по воздуховоду 39. В данном варианте воздуховод 39 соединен со вторым трубопроводом подачи топлива 64, так что сжатый воздух от воздуходувки 38 поступает в блок реформинга 34 вместе с сырым топливным газом, поступающим от испарителя 32. Воздуходувка 38 соединена с блоком управления 50, который управляет ее работой.
Блок 36 снижения содержания СО уменьшает концентрацию оксида углерода в газообразном топливе, которое поступает из блока реформинга 34 по третьему трубопроводу подачи топлива 65. Основная реакция реформинга метанола идет в соответствии с приведенным здесь ранее уравнением (4). Однако в действительности реакция реформинга не протекает идеальным образом в соответствии с этим уравнением, поэтому полученное на выходе блока реформинга 34 газообразное топливо содержит определенное количество оксида углерода. Блок 36 снижения содержания СО уменьшает концентрацию оксида углерода в газообразном топливе, которое поступает на топливные элементы 40.
Топливные элементы 40 в данном варианте представляют собой топливные элементы с полимерным электролитом и содержат катализатор из платины или из платинового сплава для ускорения протекающих в элементах реакции (в данном варианте платиновый катализатор нанесен на поверхность электролитической мембраны 41). Содержащийся в газообразном топливе оксид углерода, который поглощается платиновым катализатором, снижает его каталитическую активность и препятствует протекающей на анодах реакции в соответствии с уравнением (1), что ухудшает качественные характеристики топливных элементов. Таким образом, в процессе выработки мощности при помощи топливных элементов с полимерным электролитом, таких как топливные элементы 40, важно в достаточной степени снижать концентрацию оксида углерода в поступающем газообразном топливе, чтобы предотвращать ухудшение качественных характеристик топливных элементов. Для топливных элементов с полимерным электролитом допустимая предельная концентрация оксида углерода в поступающем газообразном топливе обычно не превышает нескольких единиц на миллион (млн-1).
Поступающее на блок 36 снижения содержания СО газообразное топливо представляет собой газ с высоким содержанием водорода, который содержит также, как уже было упомянуто здесь ранее, определенное количество оксида углерода. Блок 36 снижения содержания СО производит окисление оксида углерода, преимущественно с получением водорода, входящего в газообразное топливо. Блок 36 снижения содержания СО заполнен носителем, на который нанесен в качестве первичного элемента один из следующих металлов: платина, рутений, палладий, золото, или один из сплавов указанных металлов, что образует катализатор для избирательного окисления оксида углерода. Концентрация оксида углерода в газообразном топливе после обработки в указанном блоке 36 снижения содержания СО зависит от рабочей температуры блока 36 снижения содержания СО, от исходной концентрации оксида углерода в подводимом газообразном топливе и от расхода подводимого к блоку 36 снижения содержания СО газообразного топлива на единицу объема катализатора. Блок 36 снижения содержания СО имеет датчик оксида углерода (не показан). Рабочую температуру блока 36 снижения содержания СО и расход газообразного топлива, подводимого к блоку 36 снижения содержания СО, регулируют в соответствии с результатами измерения при помощи датчика оксида углерода, так чтобы концентрация оксида углерода в обработанном газообразном топливе не превышала нескольких единиц на миллион (млн-1).
Газообразное топливо со сниженной концентрацией оксида углерода из блока 36 снижения содержания СО подают по четвертому трубопроводу подачи топлива 66 на топливные элементы 40 и подвергают реакции на анодах элементов. Газообразное топливо после указанной реакции на анодах топливных элементов 40 выпускают по трубопроводу выпуска топлива 67 и направляют к горелке 26, как уже было упомянуто здесь ранее. Оставшийся в выпускаемом газообразном топливе водород поглощается в виде топлива для горения. С другой стороны, окисляющий газ, который участвует в реакциях на катодах топливных элементов 40, подают в виде сжатого воздуха от блока компрессора 28 по трубопроводу подачи окисляющего газа 68, как это уже было описано здесь ранее. Отработанный окисляющий газ после реакции в топливных элементах выпускают по трубопроводу выпуска окисляющего газа 69.
Блок управления 50 выполнен в виде логической схемы, которая включает в себя микрокомпьютер. В конкретном исполнении блок управления 50 включает в себя ЦП 54, который производит различные арифметические и логические операции в соответствии с заданными программами управления, ПЗУ 56, и котором хранятся введенные заранее программы управления и управляющие данные, необходимые для осуществления различных арифметических и логических операций при помощи ЦП 54, а также ОЗУ 58, в котором временно хранятся и откуда считываются различные данные, необходимые для осуществления различных арифметических и логических операций при помощи ЦП 54, и порт ввода-вывода 52, который позволяет вводить сигналы с описанных выше датчиков температуры и выводить описанные выше сигналы управления насосами и воздуходувкой 38, в соответствии с результатами арифметических и логических операций, осуществляемых при помощи ЦП 54.
Далее описана конфигурация блока реформинга 34 в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.3 схематично показано построение блока реформинга 34. Блок реформинга 34 в данном варианте получает сырой топливный газ и воздух от концевого соединения со вторым трубопроводом для подачи топлива 64. Поступающие сырой топливный газ и воздух входят внутрь блока реформинга 34 и подвергаются реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления (реакции частичного окисления). Богатое водородом газообразное топливо, которое получают за счет реакции конверсии с водяным паром, выраженной уравнением (4), и за счет реакции окисления, выраженной уравнением (5), протекающих в блоке реформинга 34, выпускается с другого конца блока реформинга 34 и поступает в третий трубопровод подачи топлива 65. Блок реформинга 34 включает в себя первый реакционный блок 80 и второй реакционный блок 81. Первый реакционный блок 80 и второй реакционный блок 81 выполнены в виде металлической сотовом структуры, с Cu-Zn катализатором, нанесенным на ее поверхность. Первый реакционный блок 80 расположен на стороне выше по течению (то есть на стороне, находящейся ближе к соединению со вторым трубопроводом для подачи топлива 64) и содержит меньшее число элементов, чем второй реакционный блок 81, который расположен на стороне ниже по течению (то есть на стороне, находящейся ближе к соединению с третьим трубопроводом подачи топлива 65).
На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение участка металлической сотовой структуры, которая образует первый реакционный блок 80 и второй реакционный блок 81. Металлическая сотовая структура образована наложением друг на друга пластин 82 и 83, изготовленных из нержавеющей стали. Более конкретно, металлическая сотовая структура образована за счет чередования слоев плоских пластин 82 из нержавеющей стали и рифленых пластин 83 из нержавеющей стали, наложенных друг на друга. Гофры пластины 83 из нержавеющей стали идут с интервалами 1 мм. Таким образом, чередование плоских пластин 82 из нержавеющей стали и рифленых пластин 83 из нержавеющей стали дает сотовую структуру элементов, которые имеют главным образом квадратное поперечное сечение с длиной каждой из сторон, равной 1 мм.
Различие между первым реакционным блоком 80 и вторым реакционным блоком 81 заключается в толщине пластин 82 и 83 из нержавеющей стали, которые использованы для образования сотовой структуры. Различие толщины приводит к разнице в числе элементов, которые входят в первый реакционный блок 80 и во второй реакционный блок 81. Первый реакционный блок 80 имеет сотовую структуру, образованную пластинами 82 и 83 из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм, в то время как второй реакционный блок 81 имеет сотовую структуру, образованную пластинами 82 и 83 из нержавеющей стали толщиной 0,03 мм. Конкретно, первый реакционный блок 80 содержит около 75 элементов на 1 см2 поперечного сечения, а второй реакционный блок 81 содержит около 91 элемента на 1 см2 поперечного сечения. Блок реформинга 34 имеет постоянное поперечное сечение. Таким образом, сотовые структуры, образованные пластинами из нержавеющей стали различной толщины, дают полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа в первом реакционном блоке 80 (то есть суммы поперечных сечений соответствующих элементов, которые имеются в первом реакционном блоке 80), которая меньше полной площади поперечного сечения каналов для протекания газа во втором реакционном блоке 81 (то есть суммы поперечных сечений соответствующих элементов, которые имеются во втором реакционном блоке 81).
Катализатор нанесен соответствующим образом на поверхность сотовых структур первого реакционного блока 80 и второго реакционного блока 81. Поток сырого топливного газа, проходящий через поверхность сотовых структур, подвергается реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, что позволяет получать богатое водородом газообразное топливо. В данном варианте нанесенный на поверхность сотовых структур катализатор изготовлен из меди и цинка при помощи их соосаждения. Полученный за счет соосаждения материал Cu-Zn катализатора размалывают, перемешивают со связующим материалом, таким как золь оксида алюминия, и наносят на поверхность сотовой структуры.
Поток сырого топливного газа, поступающий в построенный описанным образом блок реформинга 34, прежде всего проходит через первый реакционный блок 80, который имеет меньшее число элементов, то есть меньшую полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа, а затем через второй реакционный блок 81, который имеет большее число элементов, то есть большую полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа. Так как сырой топливный газ с заданным расходом проходит сначала через сотовую структуру, которая имеет меньшую полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа, а затем через сотовую структуру, которая имеет большую полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа, то скорость потока сырого топливного газа выше в первом реакционном блоке 80 блока реформинга 34, чем во втором реакционном блоке 81.
В блоке реформинга 34 по первому варианту более высокая скорость потока сырого топливного газа на стороне выше по течению эффективно предотвращает резкое возрастание температуры на стороне выше по течению и в основном поддерживает распределение температуры во всем блоке реформинга 34 в диапазоне температур от 250 до 300oС, который желателен для протекания реакции конверсии. На фиг. 5 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры по пути протекания газа в блоке реформинга 34 по данному варианту и в известном ранее устройстве для реформинга, которые имеют постоянное поперечное сечение сотовой структуры. Как уже было упомянуто здесь ранее, реакция окисления протекает с более высокой скоростью, чем реакция конверсии с водяным паром. В известном ранее устройстве для реформинга протекает сильная реакция окисления в непосредственной близости от впуска сырого топливного газа, что приводит к повышению температуры ориентировочно до 400oС в непосредственной близости от впуска. В блоке реформинга 34 по данному варианту, с другой стороны, сырой топливный газ имеет более высокую скорость потока на стороне выше по течению, так что теплота, которая получена за счет реакция окисления, протекающей на стороне выше по течению, быстро передается за счет быстрого течения газа на участок, расположенный ниже по течению. Более высокая скорость течения сырого топливного газа на стороне выше по течению предотвращает завершение реакция окисления в узкой области на стороне выше по течению и расширяет область сильной реакция окисления на участок ниже по течению. Это эффективно предотвращает резкое возрастание температуры в непосредственной близости от впуска. Первый реакционный блок 80, который расположен на стороне выше по течению, имеет сотовую структуру, образованную при помощи толстых пластин из нержавеющей стали, и поэтому обладает большой теплоемкостью. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, имеет тенденцию к передаче при помощи потока газа на участок ниже по течению, ранее ее передачи к сотовой структуре и соответствующего увеличения температуры сотовой структуры.
В блоке реформинга 34 по данному варианту нет резкого возрастания температуры в непосредственной близости от впуска. Это выгодным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Замедление процесса отравления катализатора существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Блок реформинга 34 по данному варианту имеет срок службы свыше 5000 часов, в то время как известное ранее устройство для реформинга, распределение внутренней температуры которого показано на фиг.5, имеет срок службы всего около 200 часов.
Как уже было упомянуто здесь выше, в блоке реформинга 34 по данному варианту область сильной реакции окисления расширена на участок ниже по течению, причем теплота, полученная за счет реакции окисления на стороне выше по течению, быстро передается при помощи потока газа на участок ниже по течению. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга отсутствует чрезмерное падение температуры на участке ниже по течению блока реформинга 34, причем участок ниже по течению блока реформинга 34 поддерживается в состоянии высокой активности протекания реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточное использование катализатора, который имеется на стороне ниже по течению, и повышает скорость реакции конверсии с водяным паром. Повышенная активность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению способствует снижению размеров блока реформинга.
Обсуждавшийся выше блок реформинга 34 в соответствии с первым вариантом имеет металлическую сотовую структуру, однако в блоке реформинга может быть использована и керамическая сотовая структура. Описанная далее керамическая сотовая структура использована в первом измененном примере первого варианта осуществления настоящего изобретения. Аналогично блоку реформинга 34 в соответствии с первым вариантом блок реформинга в соответствии с измененным примером первого варианта содержит первый реакционный блок 80 и второй реакционный блок 81. На фиг.6 схематично показано поперечное сечение керамической сотовой структуры первого реакционного блока 80 и второго реакционного блока 81. На фиг.6(А) показан первый пример керамической сотовой структуры первого реакционного блока 80. На фиг.6(В) показан другой пример керамической сотовой структуры первого реакционного блока 80. На фиг.6С показан пример керамической сотовой структуры второго реакционного блока 81.
В примере фиг.6(А) сотовая структура содержит элементы с уменьшенным поперечным сечением, а в примере фиг.6(В) сотовая структура содержит уменьшенное общее число элементов, для того чтобы снизить полную площадь поперечного сечения каналов для протекания газа по сравнению с сотовой структурой, показанной на фиг. 6(С). Блок реформинга 34, который образован за счет объединения первого реакционного блока 80, имеющего структуру в соответствии с фиг. 6(А) или фиг.6(В), со вторым реакционным блоком 81, имеющим структуру в соответствии с фиг.6С, обеспечивает такие же преимущества, что и ранее описанный блок реформинга в соответствии с первым вариантом.
В обсуждавшемся выше варианте блок реформинга 34 разделен на две внутренние секции, а именно на первый реакционный блок 80 и на второй реакционный блок 81, причем скорость течения сырого топливного газа в первой секции сделана отличающейся от скорости в последней секции. Альтернативно, блок реформинга может быть разделен на три (и более) внутренние секции. В этом случае при скорости течения газа более высокой на стороне выше по течению, чем на стороне ниже по течению, могут быть обеспечены такие же преимущества, что и в обсуждавшемся выше варианте.
В обсуждавшемся выше варианте полная площадь поперечного сечения каналов для протекания газа на стороне выше по течению сделана меньше, чем полная площадь поперечного сечения каналов для протекания газа на стороне ниже по течению, за счет уменьшения числа элементов на единицу поперечного сечения или за счет уменьшения поперечного сечения каждого элемента сотовой структуру на стороне выше по течению блока реформинга. Однако могут быть использованы также и структуры, отличающиеся от обсуждавшихся ранее структур, в которых поперечное сечение блока реформинга расширяется вдоль пути протекания газа, что позволяет сделать скорость протекания газа более высокой на стороне выше по течению, чем на стороне ниже по течению блока реформинга. На фиг.7 показан блок реформинга 34А, который имеет такую конструкцию. Блок реформинга 34А содержит три сотовых структуры, которые имеют различные площади поперечного сечения. Сотовая структура, которая расположена на стороне выше по течению, имеет самую малую площадь поперечного сечения. Такое построение также позволяет сделать скорость течения газа более высокой на стороне выше по течению, чем на стороне ниже по течению, в результате чего обеспечиваются преимущества, аналогичные тем, которые обсуждались для описанного выше варианта. Распределение внутренней температуры в блоке реформинга 34А показано на графике фиг.5. В варианте с постепенным расширением полной площади поперечного сечения блока реформинга, аналогичного блоку реформинга 34А, нет необходимости в изменении числа элементов на единицу поперечного сечения или в изменении поперечного сечения каждого элемента. Число секций в таком варианте не ограничивается тремя секциями, причем блок реформинга может иметь любое число секций с различными площадями полного поперечного сечения, при постепенном расширении полной площади поперечного сечения вдоль пути протекания газа, что позволяет обеспечивать указанные выше преимущества.
Другой конструкцией, которая может быть применена для активной передачи теплоты, вырабатываемой за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению блока реформинга, на участок ниже по течению, является конструкция с катализатором для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, который нанесен на носитель (подложку), изготовленный главным образом из материала с высокой теплопроводностью. Эта конструкция описана далее в виде второго варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг. 8 схематично показано построение устройства для реформинга 90 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 90 по второму варианту включен в систему топливных элементов, которая имеет такое же построение, что и система топливных элементов 20, показанная на фиг. 1. Как это показано на фиг.8, блок реформинга 90 имеет единственный реакционный блок 92 с сотовой структурой. На фиг.9(А) схематично показано поперечное сечение участка сотовой структуры реакционного блока 92, а на фиг.9(В) схематично показан с увеличением участок поверхности сотовой структуры фиг.9(А), а именно обведенная окружностью зона В фиг.9(А).
Аналогично блоку реформинга 34 по первому варианту блок реформинга 90 в соответствии с этим вариантом образован в виде металлической сотовой структуры. В этом варианте для создания сотовой структуры использована пластина из нержавеющей стали 94, имеющая толщину 0,05 мм. Каталитический слой 96, имеющий толщину около 0,05 мм и содержащий катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, образован на поверхности пластины из нержавеющей стали 94. В каталитическом слое 96 диспергированы молекулы меди и молекулы оксида цинка, которые образуют Cu-Zn катализатор, причем они перемешаны со связующим материалом, который имеет высокую теплопроводность.
Далее описан способ приготовления каталитического слоя 96. Прежде всего готовят порошок CuO-ZnO, предназначенный для использования в качестве материала катализатора при помощи известной технологии соосаждения, и смешивают его с 5% золя оксида алюминия, который используют в качестве связующего, а также с материалом, который имеет более высокую теплопроводность, чем оксид алюминия. В качестве примеров материалов, которые имеют более высокую теплопроводность, чем оксид алюминия, можно указать нитриды, например нитрид алюминия (AlN) и нитрид титана (TiN), карбиды, например карбид кремния (SiC) и карбид бора (В4С), а также графит. Преимущественный диапазон содержания такого материала составляет от 5 до 30%. Среди материалов, которые имеют высокую теплопроводность, AlN, SiC и графит имеют теплопроводности соответственно 0,07 кал/см/с/oС, 0,1 кал/см/с/oС и 0,301 кал/см/с/oС, что выше теплопроводности обычно используемого оксида алюминия (0,02 кал/см/с/oС).
После этого в смесь добавляют воду, размалывают и перемешивают смесь в шаровой мельнице, наносят измельченную смесь на пластину из нержавеющей стали 94, а затем нагревают пластину из нержавеющей стали 94 с нанесенной смесью и подвергают ее процессу восстановления. В результате получают Сu-Zn катализатор, который содержит в основном каталитический материал с молекулами меди и с молекулами оксида цинка. Cu-Zn катализатор диспергирован в связующем материале, который имеет высокую теплопроводность, с образованием каталитического слоя 96.
Блок реформинга 90 указанной конфигурации используют в системе топливных элементов 20. При вводе в блок реформинга 90 сырого топливного газа протекает сильная реакция окисления с выделением большого количества теплоты на стороне выше по течению, где производят ввод кислорода, как это было описано здесь ранее. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, используется не только для продвижения реакции конверсии с водяным паром, протекающей на стороне выше по течению, но и быстро передается через связующий материал, который имеет высокую теплопроводность. Часть теплоты, передаваемой через связующий материал, передается далее к основному компоненту сотовой структуры, который изготовлен из нержавеющей стали, имеющей высокую теплопроводность. Теплота, подводимая к основному компоненту сотовой структуры, который изготовлен из нержавеющей стали, проходит через основной компонент сотовой структуры к участку ниже по течению. Остальная (остаточная) теплота, которая не была передана к основному компоненту сотовой структуры, проходит через связующий материал к участку ниже по течению. Теплота передается к стороне ниже по течению блока реформинга 90 таким образом, что она может быть использована для продвижения реакции конверсии с водяным паром, протекающей на стороне ниже по течению.
В блоке реформинга 90 в соответствии с данным вариантом катализатор диспергирован в связующем материале, который имеет высокую теплопроводность, так что теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, быстро передается на участок ниже по течению, что предотвращает резкое возрастание температура на стороне выше по течению. На фиг. 10 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры вдоль пути протекания газа в блоке реформинга 90 и в известном ранее устройстве для реформинга, в котором не использован связующий материал, который имеет высокую теплопроводность. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 90, выполненном по данному варианту, теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, быстро передается на участок ниже по течению. Поэтому отсутствует резкое возрастание температуры на стороне выше по течению, и внутренняя температура в блоке реформинга удерживается в благоприятном диапазоне от 250 до 300oС. В блоке реформинга 90 по данному варианту отсутствует резкое возрастание температуры в непосредственной близости от впуска. Это выгодным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Замедление процесса отравления катализатора существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Блок реформинга 90 по данному варианту имеет срок службы свыше 5000 часов, в то время как известное ранее устройство для реформинга, распределение внутренней температуры которого показано на фиг.10, имеет срок службы всего около 200 часов.
Как уже было упомянуто здесь выше, в блоке реформинга 90 по данному варианту теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, быстро передается на участок ниже по течению. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга отсутствует чрезмерное падение температуры на участке ниже по течению блока реформинга 90, причем участок ниже по течению блока реформинга 90 поддерживается в состоянии высокой активности протекания реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточное использование катализатора, который имеется на стороне ниже по течению и повышает скорость реакции конверсии с водяным паром. Повышенная активность реакции конверсии с водяным паром на стороне ниже по течению способствует снижению размеров блока реформинга.
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения в каталитическом слое 96 использован связующий материал с высокой теплопроводностью. Этот слой нанесен на основной компонент сотовой структуры, который изготовлен в виде пластины из нержавеющей стали, имеющей высокую теплопроводность. Как каталитический слой 96, так и пластина из нержавеющей стали 94 проводят теплоту со стороны выше по течению на сторону ниже по течению, что обеспечивает высокую эффективность теплопередачи. В первой модифицированной конструкции каталитический слой 96 может быть образован на керамическом основном компоненте сотовой структуры. В другой модифицированной конструкции катализатор может быть смешан со связующим материалом, имеющим высокую теплопроводность, отформован в виде гранул и введен в блок реформинга. Эти модифицированные конструкции также обеспечивают преимущества, связанные с улучшенной теплопередачей от стороны выше по течению на сторону ниже по течению.
Далее описан блок реформинга в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором применено подавление активности реакции окисления на стороне выше по течению за счет того, что существующее количество катализатора сделано меньшим на стороне выше по течению, чем на стороне ниже по течению. На фиг.11 схематично показано построение устройства для реформинга 100 в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 100 в соответствии с третьим вариантом введен в систему топливных элементов, имеющей построение, аналогичное построению системы топливных элементов 20, показанной на фиг.1. Как это показано на фиг. 11, блок реформинга 100 имеет первый реакционный блок 101 и второй реакционный блок 102. Первый реакционный 101 и второй реакционный блок 102 имеют сотовые структуры похожей формы. Cu-Zn катализатор нанесен на поверхность сотовой структуры, как уже обсуждалось в предыдущем варианте. Количество катализатора на поверхности сотовой структуры второго реакционного блока 102 больше, чем на поверхности сотовой структуры первого реакционного блока 101. Первый реакционный 101 имеет количество Cu-Zn катализатора 50 г/л (количество катализатора (г) на единицу объема (л) сотовой структуры), в то время как второй реакционный блок 102 имеет количество Cu-Zn катализатор 180 г/л.
В блоке реформинга 100 указанной конфигурации, в связи с тем, что в первом реакционном блоке 101, который расположен на стороне выше по течению, имеется меньшее количество катализатора, подавляется продвижение реакции окисления в области на стороне приема сырого топливного газа и воздуха. Такое построение устройства предотвращает резкое протекание реакции окисления на стороне выше по течению блока реформинга и расширяет область протекания сильной реакции окисления на участок ниже по течению. Это эффективно предотвращает резкое возрастание температуры на стороне выше по течению.
На фиг. 12 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры вдоль пути протекания газа в устройстве для реформинга 100 по данному варианту и в известном ранее устройстве для реформинга, сотовые структуры которого имели одинаковое количество катализатора на стороне выше по течению и на стороне ниже по течению. В отличие от ранее известного устройства для реформинга в блоке реформинга 100 по данному варианту подавляется продвижение реакции окисления на стороне выше по течению. В связи с этим нет резкого возрастания температуры на стороне выше по течению, и внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом удерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. В блоке реформинга 100 по данному варианту нет резкого возрастания температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Замедление процесса отравления катализатора существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Блок реформинга 100 по данному варианту имеет срок службы свыше 5000 часов, в то время как известное ранее устройство для реформинга, распределение внутренней температуры которого показано на фиг.12, имеет срок службы всего около 200 часов.
Как уже было упомянуто здесь ранее, в блоке реформинга 100 по данному варианту область протекания сильной экзотермической реакции окисления расширена на участок ниже по течению. Поэтому в отличие от ранее известного устройства для реформинга в блоке реформинга 100 на участке ниже по течению нет чрезмерного падения температуры. В результате участок ниже по течению блока реформинга 100 поддерживается в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточное использование катализатора, присутствующего на стороне ниже по течению, и усиливает скорость реакции конверсии с водяным паром. Такое построение позволяет уменьшить размеры блока реформинга.
В конструкции блока реформинга 100 по третьему варианту количество катализатора варьируют в двух ступенях (секциях), однако оно может варьироваться в трех ступенях или в большем числе ступеней. Обсуждавшиеся здесь выше преимущества достигнуты за счет снижения количества катализатора па стороне выше по течению. Вариант с использованием меньшего количества катализатора на стороне выше по течению и с большим числом ступеней, в которых варьируют количество катализатора, способствует дополнительному усреднению внутренней температуры блока реформинга и усиливает обсуждавшиеся здесь выше преимущества.
В конструкции блока реформинга 100 по третьему варианту реакция конверсии с водяным паром и реакция окисления ускоряются при помощи идентичного Cu-Zn катализатора. В модифицированной конструкции реакция конверсии с водяным паром и реакция окисления могут ускоряться при помощи различных катализаторов. В таком случае в конструкции снижают только количество катализатора для ускорения реакции окисления на стороне выше по течению, вместо варьирования количества катализатора между стороной выше по течению и стороной ниже по течению.
Далее описан блок реформинга в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором применено снижение концентрации кислорода в газе, подаваемом в блок реформинга, для подавления активности реакции окисления па стороне выше по течению, а также увеличение скорости подачи газа для передачи теплоты, вырабатываемой за счет реакции окисления на стороне выше по течению, на участок ниже по течению. На фиг.13 схематично показано построение устройства для реформинга 110 в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 110 в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1, за некоторыми отличиями. В последующем описании аналогичные компоненты имеют одинаковые позиционные обозначения.
В конструкции по предыдущему варианту воздух поступает от воздуходувки 38 в блок реформинга по воздуховоду 39, который соединен со вторым трубопроводом для подачи топлива 64. Таким образом, сырой топливный газ перемешивается с воздухом ранее поступления в блок реформинга. Однако в системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 110 по четвертому варианту, с другой стороны, воздуховод 39 непосредственно соединен с блоком реформинга 110. В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 110 по четвертому варианту, отработанный окисляющий газ из топливных элементов 40 поступает в трубопровод отработанного окисляющего газа 69 и также подается в блок реформинга 110 вместе с воздухом, поступающим от воздуходувки 38. Нормальный воздух обычно содержит около 20% кислорода. Так как некоторое количество кислорода поглощается за счет электрохимических реакций, протекающих в топливных элементах, выходящий из топливных элементов окисляющий газ имеет меньшее содержание кислорода, чем в воздухе. Концентрация кислорода в отработанном окисляющем газе зависит от соотношения избытка кислорода (то есть от отношения действительно содержащегося в подаваемом воздухе количества кислорода к теоретически потребному количеству кислорода) в окисляющем газе, подводимом к топливным элементам. В системе топливных элементов по этому варианту концентрация кислорода в отработанном окисляющем газе составляет около 10%. Таким образом, подача смеси воздуха и отработанного окисляющего газа в блок реформинга 110 позволяет регулировать концентрацию подаваемого в блок реформинга 110 кислорода в диапазоне ориентировочно от 10% до 20%.
Конструкция блока реформинга 110 описана далее более подробно со ссылкой на фиг.13. Блок реформинга 110 включает в себя единственный реакционный блок 111 с сотовой структурой, на поверхность которой нанесен Cu-Zn катализатор. Воздуховод 39 соединяется с трубопроводом отработанного окисляющего газа 69 с образованием второго воздуховода 115. Газовая смесь, состоящая из воздуха и отработанного окисляющего газа (именуемая далее воздушной смесью), по второму воздуховоду 115 подается на сторону выше по течению блока реформинга 110, куда через второй трубопровод для подачи топлива 64 поступает сырой топливный газ. В воздуховоде 39, в непосредственной близости от точки соединения со вторым воздуховодом 115, предусмотрен контроллер массового расхода 112, который регулирует количество воздуха, протекающего ко второму воздуховоду 115. Аналогичным образом, в трубопроводе отработанного окисляющего газа 69, в непосредственной близости от точки соединения со вторым воздуховодом 115, предусмотрен контроллер массового расхода 113, который регулирует количество отработанного окисляющего газа, протекающего ко второму воздуховоду 115. Указанные контроллеры 112 и 113 подключены к описанному ранее блоку управления 50. Блок управления 50 регулирует в смеси отношение содержания воздуха, подаваемого по воздуховоду 39, к содержанию отработанного окисляющего газа, подаваемого по трубопроводу отработанного окисляющего газа 69. Во втором воздуховоде 115 установлен датчик концентрации кислорода 114. Датчик концентрации кислорода 114 также подключен к блоку управления 50, и информация относительно концентрации кислорода в смеси вводится в блок управления 50. Датчик температуры 117 установлен в реакционном блоке 111 в заданном положении, со смещением относительно его конца, находящегося выше по течению. Датчик температуры 117 также подключен к блоку управления 50, и информация относительно температуры в реакционном блоке 111 вводится в блок управления 50.
Техническое решение в соответствии с этим вариантом позволяет снижать концентрацию кислорода в содержащей кислород воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, при одновременном повышении скорости течения газа через реакционный блок 111. Такое построение эффективно предотвращает резкий рост температуры на стороне выше по течению блока реформинга 110. При снижении концентрации кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, снижается концентрация кислорода в газе, текущем внутри реакционного блока 111, и подавляется активность реакции окисления на стороне выше по течению, что предотвращает резкий рост температуры на стороне выше по течению. Пониженная концентрация кислорода в содержащей кислород воздушной смеси увеличивает расход воздушной смеси, подаваемой в реакционный блок 111, за счет чего повышается скорость газа, протекающего внутри через реакционный блок 111. Такое построение позволяет подводить кислород к участку ниже по течению ранее использования кислорода в реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, что позволяет расширить область сильной реакции окисления на участок ниже по течению. Повышенная скорость газа, протекающего внутри через реакционный блок 111, позволяет быстро передавать теплоту, вырабатываемую за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, на участок ниже по течению и, таким образом, эффективно предотвращать чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению реакционного блока.
На фиг. 14 приведена блок-схема, на которой показана стандартная программа регулирования воздушной нагрузки, которую осуществляют в системе топливных элементов, в которую входит устройство для реформинга 110 по данному варианту. В системе топливных элементов, в которую входит устройство для реформинга 110, после достаточного повышения внутренней температуры блока реформинга 110 и достижения стационарного состояния, а также после срабатывания пускового выключателя (не показан), включающего систему топливных элементов, осуществляют эту стандартную программу, повторяющуюся с заданными временными интервалами.
При входе в эту стандартную программу ЦП 54 прежде всего считывает количество метанола в сыром топливном газе, подаваемом в блок реформинга 110, базируясь на показаниях от второго насоса 71, установленного в трубопроводе метанола 60 (операция S200). ЦП 54 затем вычисляет количество кислорода, которое следует подавать в блок реформинга 110, соответствующее входному количеству метанола, и подает команды на контроллеры массового расхода 112 и 113 для обеспечения подачи требуемого количества кислорода (операция S210). Задание подаваемого в блок реформинга количества метанола определяет количество кислорода, которое требуется для осуществления баланса теплоты, необходимой для протекания реакции конверсии с водяным паром, и теплоты, вырабатываемой за счет реакции окисления. Контроллеры массового расхода 112 и 113 получают соответствующие команды на подачу воздуха, который содержит расчетное количество кислорода, к блоку реформинга 110. Количество воздуха, подаваемого каждым контроллером массового расхода, устанавливают заранее в виде эталонного количества, соответствующего каждому расчетному количеству кислорода, причем указанные эталонные величины хранят в блоке управления 50.
После включения контроллеров массового расхода 112 и 113 и начала подачи в блок реформинга 110 воздушной смеси, содержащей требующееся количество кислорода, ЦП 54 считывает внутреннюю температуру Т1 на стороне выше по течению реакционного блока 111 по показаниям датчика температуры 117 (операция S220). Затем производят сравнение внутренней температуры Т1 с заданной эталонной температурой Та (операция S230). Заданную эталонную температуру Та устанавливают заранее в виде верхнего предела внутренней температуры Т1 на стороне выше по течению и хранят ее в блоке управления 50. В данном варианте заданная эталонная температура Та установлена равной 300oС.
В том случае, когда измеренная внутренняя температура Т1 на стороне выше по течению ниже, чем заданная эталонная температура Та, то в результате операции S230 определяют, что внутренняя температура Т1 на стороне выше по течению реакционного блока 111 имеет достаточно низкий уровень. После этого программа выходит из данной стандартной программы. В том случае, когда измеренная внутренняя температура Т1 на стороне выше по течению не ниже, чем заданная эталонная температура Та, то тогда ЦП 54 подает команду на снижение расхода контроллера массового расхода 112 и на одновременное увеличение расхода контроллера массового расхода 113. Это увеличивает фракцию отработанного окисляющего газа в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, без изменения расхода кислорода в единицу времени (операция S240). В соответствии с использованной в данном варианте методикой заранее устанавливают минимальную единицу изменения для фракции отработанного окисляющего газа, а следовательно, и для концентрации кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110. При проведении операции S240 снижают концентрацию кислорода при помощи минимальных единиц изменения. В соответствии с другой возможной методикой регулируют фракцию отработанного окисляющего газа в соответствии с разностью между внутренней температурой Т1 и заданной эталонной температурой Та. Увеличение фракции отработанного окисляющего газа снижает полную концентрацию кислорода в газе, подаваемом в блок реформинга 110, в результате чего подавляется активность реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению. Увеличение фракции отработанного окисляющего газа без изменения расхода кислорода в единицу времени увеличивает расход воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, и увеличивает скорость газа, протекающего внутри через блок реформинга 110. Это позволяет быстрее передавать теплоту, вырабатываемую за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, на участок ниже по течению. Таким образом, осуществление операции S240 эффективно снижает внутреннюю температуру Т1 на стороне выше по течению реакционного блока 111.
После изменения фракции отработанного окисляющего газа за счет проведения операции S240 программа возвращается к обработке данных и после считывания при проведении операции S220 измеренной внутренней температуры Т1 производит сравнение внутренней температуры Т1 с заданной эталонной температурой Та. В том случае, когда измеренная внутренняя температура Т1 ниже, чем заданная эталонная температура Та, то в результате операции S230 определяют, что фракция отработанного окисляющего газа в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, находится на адекватном уровне, и что внутренняя температура Т1 на стороне выше по течению реакционного блока 111 имеет достаточно низкий уровень. После этого программа выходит из данной стандартной программы.
В системе топливных элементов, которая включает в себя блок реформинга 110 по данному варианту, датчик концентрации кислорода 114 установлен во втором воздуховоде 115, как уже было упомянуто здесь ранее. Концентрацию кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, корректируют на основании показаний датчика концентрации кислорода 114. В соответствии с конкретной методикой при управлении контроллерами массового расхода в соответствии с операцией S210 или в соответствии с операцией S240 программы регулирования воздушной нагрузки концентрацию кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110, измеряют при помощи датчика концентрации кислорода 114. На основании результатов этого измерения корректируют расходы контроллеров массового расхода.
В системе топливных элементов, которая включает в себя блок реформинга 110, выполненный по четвертому варианту, производят регулирование концентрации кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга 110. Снижение концентрации кислорода в воздушной смеси эффективно подавляет продвижение реакции окисления на стороне подачи сырого топливного газа и воздушной смеси. Это предотвращает резкий рост температуры на стороне выше по течению. Такое построение, в соответствии с которым понижают концентрацию кислорода в воздушной смеси при одновременном сохранении фиксированного количества кислорода, подаваемого в единицу времени в блок реформинга 110, повышает расход воздушной смеси и повышает скорость газа, протекающего внутри через реакционный блок 111. Это позволяет быстро передавать теплоту, вырабатываемую за счет реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, на участок ниже по течению, и, таким образом, эффективно предотвращать чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению.
Подавление реакции окисления на стороне выше по течению позволяет расширить область сильной реакции окисления на участок ниже по течению. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга отсутствует чрезмерное падение температуры на участке ниже по течению блока реформинга 110. Повышенная скорость газа, протекающего внутри через реакционный блок 111, позволяет быстро передавать теплоту со стороны выше по течению, на участок ниже по течению. Это также способствует предотвращению падения температуры на участке ниже по течению, причем участок ниже по течению блока реформинга 110 поддерживается в состоянии высокой активности протекания реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточное использование катализатора, который имеется на стороне ниже по течению, и повышает скорость реакции конверсии с водяным паром. Такое построение способствует снижению размеров блока реформинга.
В соответствии с техническим решением по четвертому варианту определяют количество метанола в сыром топливном газе, подаваемом в блок реформинга 110, базируясь на показаниях от второго насоса 71, установленного в трубопроводе метанола 60, а также определяют, нет ли чрезмерной активности реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению, базируясь на показаниях от датчика температуры 117. Определение количества подаваемого в блок реформинга 110 метанола и определение (относительно) активности реакции окисления и реакции конверсии с водяным паром в блоке реформинга 110 могут быть произведены и при помощи других средств измерения, отличающихся от упомянутых выше или используемых в дополнение к ним. Например, датчик, который анализирует газовый компонент, протекающий через третий трубопровод подачи топлива 65, может быть установлен в этом третьем трубопроводе подачи топлива 65, что позволяет определять (контролировать) течение реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления в блоке реформинга 110. Может быть также использован датчик, который измеряет, например, количество метанола, водорода, диоксида углерода или кислорода в газообразном топливе, выпускаемом из блока реформинга 110. При дополнительном использовании результатов таких измерений можно определять характер протекания реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления в блоке реформинга 110.
В описанной конструкции по четвертому варианту воздушную смесь подают только на сторону выше по течению блока реформинга 110. В другой предпочтительной конструкции воздушную смесь подают во множество различных мест. Эта конструкция описана далее в виде измененного примера четвертого варианта. На фиг. 15 схематично показано построение устройства для реформинга 110А в соответствии с измененным примером четвертого варианта осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 110А включает в себя два реакционных блока 111А и 111В, каждый из которых получает воздушную смесь. Поток подаваемого в блок реформинга 110А сырого топливного газа проходит сначала через реакционный блок 111А, а затем через реакционный блок 111В. Воздуховод 39 и трубопровод отработанного окисляющего газа 69, через которые в блок реформинга 110А поступает воздух и отработанный окисляющий газ, имеют соответствующие ветви протекания воздуха 39А и 39В и отработанного окисляющего газа 69А и 69В. Воздушная ветвь 39А соединяется с ветвью отработанного окисляющего газа 69А и образует второй воздуховод 115А, через который воздушная смесь поступает в реакционный блок 111А на стороне выше по течению. Воздушная ветвь 39В, с другой стороны, соединяется с ветвью отработанного окисляющего газа 69В и образует второй воздуховод 115В, через который воздушная смесь поступает в реакционный блок 111В на стороне ниже по течению. Аналогично тому, как уже было упомянуто здесь ранее для четвертого варианта, регулируют расходы и концентрации кислорода в воздушной смеси, подаваемой в соответствующие реакционные блоки, путем задания расходов контроллеров массового расхода 112А, 112В, 113А и 113В, базируясь на количестве метанола, подаваемом в блок реформинга 110А, и на температурах на стороне выше по течению соответствующих реакционных блоков.
Блок реформинга 110А такой конфигурации позволяет производить подачу воздушной смеси раздельно и снижать количество кислорода в каждой подаче газа, за счет чего эффективно предотвращается чрезмерный локальный рост температуры. Блок реформинга подразделен на множество реакционных блоков, и подачу воздушной смеси производят в каждый реакционный блок. Это позволяет производить регулирование распределения температуры в блоке реформинга с более высокой точностью и более точно поддерживать температуру во внутреннем объеме блока реформинга в желательном диапазоне температур.
На фиг. 16 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры вдоль пути протекания газа в описанном выше блоке реформинга 110А и в известном ранее устройстве для реформинга, в который подают нормальный воздух в качестве источника кислорода, необходимого для протекания реакции окисления. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 110А подавлено протекание реакции окисления на стороне выше по течению. Поэтому нет резкого роста температуры на стороне выше по течению, и внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как уже было описано здесь ранее, в блоках реформинга 110 и 110А по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Блоки реформинга 110 и 110А в соответствии с этим вариантом имеют реакционные блоки сотовой структуры. В модифицированной конструкции блок реформинга может быть заполнен гранулами катализатора. В модифицированной конструкции также могут быть обеспечены аналогичные преимущества, обеспечиваемые за счет регулирования концентрации кислорода в воздушной смеси, подаваемой в блок реформинга в качестве источника кислорода, необходимого для протекания реакции окисления.
В соответствии с третьим и четвертым обсуждавшимися ранее вариантами подавляют активность реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению блока реформинга, для того, чтобы предотвратить резкий рост температуры на стороне выше по течению. В соответствии с другим возможным решением меняют местами область сильной реакции окисления и область отсутствия реакции окисления в каталитической секции. При таком построении изменяется область выделения теплоты, в результате чего предотвращается чрезмерный локальный рост температуры. Далее описан имеющий указанное построение блок реформинга в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором впуск сырого топливного газа и кислорода меняют местами с выпуском богатого водородом газообразного топлива.
На фиг.17 схематично показано построение устройства для реформинга 120 в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 120 по пятому варианту введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Как это показано на фиг.17, блок реформинга 120 имеет единственный реакционный блок 121 сотовой структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на его поверхность. Реакционный блок 121 имеет датчики температуры 122 и 123 для измерения внутренней температуры на обоих концах реакционного блока 121. Эти датчики температуры подключены к блоку управления 50, за счет чего в блок управления 50 вводят информацию относительно внутренней температуры на обоих концах реакционного блока 121.
В конструкции по этому варианту второй трубопровод для подачи топлива 64 разветвляется на первую ветвь подачи (топлива) 124 и на вторую ветвь подачи 125, которые соединены с соответствующими концами блока реформинга 120. Один из концов блока реформинга 120 соединен с первой ветвью выпуска 126, а также с первой ветвью подачи 124. Другой конец блока реформинга 120 соединен со второй ветвью выпуска 127, а также со второй ветвью подачи 125. Первая ветвь выпуска 126 соединена со второй ветвью выпуска 127 с образованием третьего трубопровода для подачи топлива 65, который идет в блок 36 снижения содержания СО. Электромагнитные клапаны 128, 129, 128А и 129А установлены соответственно в первой ветви подачи 124, во второй ветви подачи 125, в первой ветви выпуска 126 и во второй ветви выпуска 127. Эти электромагнитные клапаны 128, 129, 128А и 129А подключены к блоку управления 50, который управляет включением и выключением указанных электромагнитных клапанов.
В блоке реформинга 120, имеющем такое построение, электромагнитные клапаны могут иметь первое состояние, в котором электромагнитные клапаны 128 и 128А включены, а электромагнитные клапаны 129 и 129А выключены, и второе состояние, в котором электромагнитные клапаны 129 и 129А включены, а электромагнитные клапаны 128 и 128А выключены. При нахождении электромагнитных клапанов в первом состоянии сырой топливный газ из второго трубопровода для подачи топлива 64 протекает через реакционный блок 121 слева направо на фиг. 13. При нахождении электромагнитных клапанов во втором состоянии, с другой стороны, сырой топливный газ протекает через реакционный блок 121 справа налево на фиг.13.
На фиг. 18 приведена блок-схема, на которой показана стандартная программа переключения впуска газа в блок реформинга 120, осуществляемая в системе топливных элементов 20. После срабатывания пускового выключателя (не показан), включающего систему топливных элементов 20, осуществляют эту стандартную программу, повторяющуюся с заданными временными интервалами.
При входе в эту стандартную программу ЦП 54 прежде всего определяет, находятся ли электромагнитные клапаны в указанном первом состоянии (операция S300). При наличии первого состояния ЦП 54 считывает внутреннюю температуру Т1 на конце выше по течению, куда подается газ, с датчика температуры 122 (операция S310). Измеренную внутреннюю температуру Т1 затем сравнивают с заданной эталонной температурой Т0 (операция S320). Заданную эталонную температуру Т0 устанавливают заранее в качестве критерия, показывающего, что внутренняя температура реакционного блока 121 поднялась до нежелательного уровня, и хранят ее в блоке управления 50. В данном варианте заданную эталонную температуру Т0 устанавливают равной 300oС. В том случае, когда внутренняя температура Т1 еще не достигла эталонной температуры Т0, то после операции S320 программа возвращается к проведению операции S310 и повторяет процесс считывания внутренней температуры и ее сравнения с эталонной температурой, до тех пор, пока внутренняя температура Т1 не достигнет эталонной температуры Т0.
Когда при проведении операции S320 нашли, что внутренняя температура Т1 не ниже, чем эталонная температура Т0, то тогда ЦП 54 устанавливает все электромагнитные клапаны в отключенное положение и начинает отсчет времени t при помощи таймера (не показан), который входит в состав блока управления 50 (операция S330). При переводе всех электромагнитных клапанов в отключенное положение при проведении операции S330 прекращается впуск газа в блок реформинга 120 и выпуск газа из него, при этом реакция конверсии с водяным паром и реакция окисления продолжаются, пока в реакционном блоке 121 еще остается сырой топливный газ. Промежуток времени t сравнивают с заданным эталонным промежутком времени t0 (операция S340). Заданный эталонный промежутком времени t0 устанавливают заранее в виде промежутка времени, которое необходимо для завершения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления с использованием остаточного сырого топливного газа в блоке реформинга 120; время t0 хранят в блоке управления 50. В данном варианте заданный эталонный промежуток времени t0 установлен равным 1 сек. В том случае, когда промежуток времени t еще не сравнялся со временем t0, то после первого проведения операции S340 процесс в соответствии с операцией S340 повторяют до истечения заданного эталонного промежутка времени t0. После достижения промежутком времени t заданного эталонного промежутка времени t0 в ходе операции S340 ЦП 54 подает сигнал управления на определенные электромагнитные клапаны и устанавливает электромагнитные клапаны в указанное второе состояние (операция S350). После этого программа управления выходит из данной стандартном программы.
В случае отрицательного ответа при осуществлении операции S300 приходят к выводу о том, что блок реформинга 120 находится во втором состоянии. ЦП 54 считывает внутреннюю температуру Т2 на конце выше по течению, куда подается газ, с датчика температуры 123 (операция S360). Далее программа последовательно проводит операции от S370 до S390, которые аналогичны обсуждавшимся ранее операциям S320-S340. После достижения внутренней температурой Т2 заданного эталонного значения Т0 (300oС в этом варианте) за счет протекания реакции окисления все электромагнитные клапаны устанавливают в отключенное положение на заданный промежуток времени (1 сек в данном варианте). Затем программа переводит электромагнитные клапаны из отключенного положения в первое состояние (операция S400) и выходит из стандартной программы.
Как уже было упомянуто здесь ранее, после срабатывания пускового выключателя (не показан), включающего систему топливных элементов 20, осуществляют эту стандартную программу изменения места впуска газа, повторяющуюся с заданными временными интервалами. В исходном состоянии после включения системы топливных элементов 20 электромагнитные клапаны могут находиться в указанном первом состоянии или в указанном втором состоянии. Например, может быть сохранено последнее состояние, которое существовало при предыдущем запуске системы топливных элементов 20, в качестве исходного состояния для текущего запуска системы топливных элементов 20. В другом случае при отключении может быть зафиксировано первое или второе состояние электромагнитных клапанов, в котором они будут находиться при новом запуске системы топливных элементов 20.
В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 120, выполненный в соответствии с пятым вариантом, место ввода воздушной смеси меняют между стороной выше по течению и стороной ниже по течению в блоке реформинга 120. За счет этого происходит изменение направления протекания газа в реакционном блоке 121 на обратное. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на одном конце блока реформинга за счет теплоты, вырабатываемой при помощи реакции окисления. Поэтому нет резкого роста температуры на стороне выше по течению. Изменение направления протекания газа базируется на измерении температуры у указанного конца реакционного блока 121. Это надежно предотвращает чрезмерный рост температуры у указанного конца реакционного блока 121.
Изменение направления протекания газа приводит к тому, что любой из концов реакционного блока 121 попеременно выполняет роль стороны выше по течению. В отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет существенного падения температуры в специфической области на стороне ниже по течению, причем обе стороны блока реформинга 120 поддерживаются в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это обеспечивает достаточное использование катализатора, содержащегося во всем реакционном блоке 121, что позволяет увеличить скорость реакции конверсии с водяным паром. Такое построение позволяет уменьшить размеры блока реформинга.
На фиг. 19 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в направлении от одного конца к другому концу описанного выше блока реформинга 120, а также в известном ранее устройстве для реформинга, которое имеет фиксированное направление внутреннего течения газа. В отличие от известного ранее устройства для реформинга блок реформинга 120 позволяет эффективно подавлять чрезмерное продвижение реакции окисления на конкретном конце. Любой конец блока реформинга 120 может работать как сторона выше по течению, так что внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как уже было описано здесь ранее, в блоке реформинга 120 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Как и в других обсуждавшихся здесь ранее вариантах, такое построение существенно повышает срок службы блока реформинга.
Блок реформинга 120 по этому варианту имеет реакционный блок с сотовой структурой. В модифицированной конструкции блок реформинга может быть заполнен гранулами катализатора. В такой модифицированной конструкции также могут быть обеспечены аналогичные преимущества, обеспечиваемые за счет изменения направления газа, протекающего внутри через блок реформинга.
В блоке реформинга 120 по этому варианту производят изменение направления протекания газа, которое базируется на температуре, измеренной у конца реакционного блока 121. Однако изменение направления протекания газа может быть также произведено при базировании на другом факторе. Техническое решение, связанное с изменением направления протекания газа, которое базируется на температуре, измеренной у конца реакционного блока 121, обеспечивает замечательное преимущество, а именно поддержание внутренней температуры в блоке реформинга 120 в заданном диапазоне температур, даже если варьирует расход сырого топливного газа, подаваемого в блок реформинга 120, для изменения (флуктуации) степени продвижения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающих в блоке реформинга 120. Например, при наличии достаточно малой вариации расхода сырого топливного газа, подаваемого в блок реформинга, направление протекания газа может изменяться в течение заданных временных интервалов.
Далее описан блок реформинга в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором производится перемешивание введенных в блок реформинга каталитических частиц, для того, что предотвратить чрезмерный рост температуры в специфической области на стороне выше по течению блока реформинга. На фиг.20 схематично показано построение устройства для реформинга 130 и элементов, соединенных с устройством для реформинга 130, в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 130 в соответствии с шестым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. В последующем описании аналогичные компоненты имеют одинаковые позиционные обозначения и приводятся без дополнительных пояснений.
В блок реформинга 130 введены с уплотнением частицы Cu-Zn катализатора. Cu-Zn катализатор, который приготавливают в соответствии с известной методикой соосаждения, является гранулированным и имеет средний диаметр частиц около 500 мкм. В соответствии с другой методикой производят диспергирование Cu-Zn катализатора в определенном растворителе и распыляют дисперсию при помощи распылительной сушилки с образованием мелких частиц, имеющих указанный средний диаметр. Каталитические частицы могут иметь любой размер, при условии, что они достаточно хорошо перемешаны с газовым потоком, вводимым в блок реформинга с содержащимися (уплотненными) в нем каталитическими частицами. Например, частицы могут иметь предпочтительный диапазон диаметров от 100 мкм до нескольких мм. Каталитические частицы могут иметь любую форму, но для повышения эффективности перемешивания предпочтительны частицы сферической формы.
Аналогично другим обсуждавшимся здесь ранее вариантам в блок реформинга 130 подают сырой топливный газ, содержащий метанол и водяной пар, а также воздух от воздуходувки 38. В данном варианте подачу сырого топливного газа и воздуха в блок реформинга 130 производят через клапаны давления 132 и впрыскивающие сопла 134. Метанол и вода испаряются и нагреваются в испарителе 32. Выпускаемый из испарителя 32 сырой топливный газ имеет определенную температуру и давление. Поток сырого топливного газа перемешивают с потоком воздуха, подаваемым через воздуховод 39, и впрыскивают в блок реформинга 130 через клапаны давления 132 и впрыскивающие сопла 134. Каталитические частицы уплотнены в блоке реформинга 130, как уже было упомянуто здесь ранее. Струя сырого топливного газа, содержащая воздух, флюидизирует и перемешивает каталитические частицы в блоке реформинга 130, как это показано стрелками на фиг. 20. В блоке реформинга 130, выполненном по этому варианту, поток сырого топливного газа, содержащий воздух, инжектируется из 7 различных местоположений, однако газовый поток может также инжектироваться из любого числа различных местоположений, при условии достаточного перемешивания каталитических частиц в блоке реформинга. Внутренний объем блока реформинга 130 может быть выбран таким образом, что заданное количество каталитических частиц в достаточной степени перемешивается с газовым потоком (которым является сырой топливный газ, содержащий кислород), подаваемым при заданном расходе под заданным давлением.
Фильтр 136, образованный из вспененного никеля, предусмотрен на другом конце блока реформинга 130, противоположном концу, который соединен с впрыскивающими соплами. Фильтр 136 имеет достаточно мелкие отверстия, что предотвращает утечку каталитических частиц, уплотненных в блоке реформинга 130, но позволяет протекать к блоку снижения содержания СО 36 газообразному топливу, которое получено в блоке реформинга 130. Проходящее через фильтр 136 газообразное топливо направляется в блок 36 снижения содержания СО, который снижает концентрацию оксида углерода, содержащегося в газообразном топливе, а затем подает его на топливные элементы 40.
В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 130 такой конструкции, каталитические частицы, уплотненные в блоке реформинга 130, непрерывно перемешиваются потоком сырого топливного газа, содержащего воздух. Каталитические частицы, которые расположены в тех местоположениях, куда подают сырой топливный газ с высокой концентрацией кислорода, непрерывно замещаются. За счет этого в указанном устройстве эффективно предотвращается чрезмерный рост температуры в специфической области катализатора от теплоты, полученной при помощи реакции окисления. Инжектируемый в блок реформинга газ, предназначенный для перемешивания
каталитических частиц, идентичен газу, который подвергается реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающим в блоке реформинга (это сырой топливный газ, содержащий воздух). Такое построение позволяет производить операцию перемешивания каталитических частиц одновременно с операцией подачи сырого топливного газа в блок реформинга 130. Инжектируемый в блок реформинга газовый поток не оказывает отрицательного воздействия на реакции, протекающие в блоке реформинга, или на электрохимические реакции, протекающие в топливных элементах.
Теплота, полученная за счет реакции окисления, рассеивается в блоке реформинга 130 за счет перемешивания в нем каталитических частиц. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет существенного падения температуры в специфической области на стороне ниже по течению. Весь объем блока реформинга 130 с каталитическими частицами поддерживает поэтому в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это благоприятным образом увеличивает скорость реакции конверсии с водяным паром.
На фиг. 21 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры от одного конца к другому в блоке реформинга 130 и в известном ранее устройстве для реформинга, которое имеет фиксированное направление внутреннего газового потока. Сырой топливный газ, который имеет температуру 250oС и расход 670 л/мин, перемешивают с воздухом, имеющим расход 140 л/мин, и перемешанный газ впрыскивают под давлением 5 атмосфер через впрыскивающие сопла 134 в блок реформинга 130. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 130 нет чрезмерного протекания реакции окисления у его специфического конца. Каталитические частицы внутри блока реформинга 130 одинаковым образом участвуют в реакции, так что внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как уже было упомянуто здесь ранее, в блоке реформинга 130 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
В шестом варианте, обсуждение которого проведено здесь ранее, сырой топливный газ, содержащий воздух, используют в качестве газа, инжектируемого в блок реформинга 130 для перемешивания. Для аналогичной цели может быть использован газ, который содержит парообразный метанол, водяной пар и воздух. В последнем случае остаточные компоненты, отличающиеся от компонентов газа, инжектируемых в блок реформинга для перемешивания катализатора, подаются в заданное местоположение (преимущественно к стороне выше по течению, в непосредственной близости от газовых струй) блока реформинга, который содержит введенные в него с уплотнением каталитические частицы.
В устройстве по шестому варианту газ под высоким давлением инжектируют в блок реформинга 130 для перемешивания уплотненных в нем каталитических частиц. Однако перемешивание каталитических частиц может быть произведено и при помощи других средств. Например, в блок реформинга 130 могут быть установлены механические средства для перемешивания каталитических частиц.
Далее описано устройства для реформинга в соответствии с седьмым вариантом, в котором производят изменение во времени места ввода в каталитическую секцию воздуха для реакции окисления. На фиг.22 схематично показано построение устройства для реформинга 140 в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 140 по седьмому варианту осуществления настоящего изобретения введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Как это показано на фиг.22, блок реформинга 140 образован в виде цилиндра и имеет единственный реакционный блок 141 сотовой структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на его поверхность. Блок реформинга 140 выполнен с возможностью вращения от двигателя (не показан). Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам блок реформинга 140 получает сырой топливный газ по второму трубопроводу для подачи топлива 64, и из него выпускают результирующее газообразное топливо по третьему трубопроводу для подачи топлива 65. Второй трубопровод для подачи топлива 64 и третий трубопровод для подачи топлива 65 подключены ориентировочно по центру главным образом круговых поперечных сечений блока реформинга 140. Двигатель приводит во вращение блок реформинга 140 со скоростью один оборот в секунду относительно центра поперечного сечения.
В блок реформинга 140 подают сырой топливный газ по второму трубопроводу для подачи топлива 64 и подают воздух по воздуховоду 39. В этом варианте конец воздуховода 39, соединенный с блоком реформинга 140, выступает во внутреннее пространство блока реформинга 140 через второй трубопровод для подачи топлива 64, причем указанный конец воздуховода 39 изогнут в пространстве на стороне выше по течению реакционного блока 141 блока реформинга 140 и открыт в виде отверстия для выпуска воздуха 142. Выпуск воздуха 142 открыт к концу стороны выше по течению реакционного блока 141. В данном варианте выпуск воздуха занимает положение ориентировочно посредине между центром и окружностью поперечного сечения у конца реакционного блока 141. Протекающий через воздуховод 39 воздух распыляется из выпуска воздуха 142 и подается ориентировочно к половине ячеек сотовой структуры реакционного блока 141, расположенных напротив выпуска воздуха 142.
В блоке реформинга 140 по этому варианту как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления протекают в тех ячейках, куда поступает воздух из выпуска воздуха 142, в то время как только реакция конверсии с водяным паром протекает в тех ячейках, куда не поступает воздух. Блок реформинга 140 приводится во вращение, как уже было упомянуто здесь ранее, однако положение выпуска воздуха 142 остается неизменным и не зависит от вращения блока реформинга 140. Таким образом, происходит изменение (замещение одних на другие) с течением времени ячеек, на которые поступает воздух.
В блоке реформинга 140 по указанному седьмому варианту происходит изменение с течением времени ячеек, на которые поступает воздух для осуществления реакции окисления. В результате нет чрезмерного роста температуры в специфических ячейках па стороне выше по течению. В тех ячейках, куда поступает воздух и где протекает реакция окисления и повышается температура на стороне выше по течению, прекращают подачу воздуха, что немедленно приводит к останову реакции окисления. Теплота, полученная за счет реакции окисления, поглощается за счет реакции конверсии с водяным паром, поэтому нет дополнительного роста температуры. С другой стороны, после поглощения теплоты в ячейках без подачи воздуха за счет реакции конверсии с водяным паром на них подают воздух, и реакция окисления немедленно возобновляется, в результате чего получают теплоту, которая предотвращает существенное падение температуры.
Аналогично другим обсуждавшимся здесь ранее вариантам, отношение количества метанола к количеству воздуха, подаваемых в блок реформинга 140, устанавливают таким образом, чтобы осуществлять баланс количества теплоты, которое требуется для реакции конверсии с водяным паром, и количества теплоты, которое получено за счет реакции окисления в блоке реформинга. В блоке реформинга 140 по этому варианту почти половина всех образующих сотовую структуру ячеек получает воздух, причем каждая ячейка, в которую в данный момент поступает воздух, получает избыток кислорода над количеством метанола. Таким образом, количество теплоты, вырабатываемой за счет реакции окисления, превышает количество теплоты, которое требуется для конверсии с водяным паром подаваемого метанола. Как уже было описано здесь ранее, в таких ячейках немедленно прекращают подвод воздуха. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению, куда поступает воздух. Воздух и сырой топливный газ подаются с избытком кислорода. По сравнению со стандартной подачей без избытка кислорода область сильной реакции окисления расширена на участок ниже по течению. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. В блоке реформинга 140 весь внутренний объем реакционного блока поддерживается в желательном диапазоне температур и в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это увеличивает скорость реакции конверсии с водяным паром.
На фиг. 23 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры от стороны выше по течению до стороны ниже по течению в описанном выше блоке реформинга 140 и в известном ранее устройстве для реформинга с фиксированной скоростью подачи кислорода. Измерение распределения температуры проводилось при условии, что в газе, подаваемом в блок реформинга 140, LHSV (объем метанола, обрабатываемого в течение одного часа / объем катализатора)=3; в газе, содержащем воздух, отношение кислород /метанол= 11%, а отношение вода/метанол=2. В отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет чрезмерного роста температуры на стороне выше по течению блока реформинга 140. Таким образом, благоприятным образом поддерживается внутренняя температура блока реформинга в диапазоне температур от 250 до 300oС. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга. Газообразное топливо, которое получено при помощи блока реформинга 140 при указанных выше условиях, содержит Н2=50%, СО2=23%, H2О=17,5%, N2=9% и СО=0,5%, что позволяет с успехом использовать его в топливных элементах.
В описанном выше седьмом варианте блок реформинга 140 вращается, в то время как предназначенный для распыления воздуха выпуск воздуха 142 остается неподвижным. В модифицированной конструкции выпуск воздуха вращается, в то время как блок реформинга остается неподвижным. Блок реформинга такой конструкции описан ниже как измененный пример седьмого варианта. На фиг.24 схематично показано построение устройства для реформинга 140А в соответствии с измененным примером седьмого варианта осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 140А имеет главным образом такую же конструкцию, что и блок реформинга 140. В приведенном далее описании соответствующие аналогичные компоненты имеют одинаковые позиционные обозначения с добавлением буквы А. Блок реформинга 140А в соответствии с измененным примером не вращается. Специфический механизм вращения 144 установлен у изгиба концевого участка воздуховода 39, ведущего к выпуску воздуха 142А. Механизм вращения 144 производит во вращение конец воздуховода 39 с выпуском воздуха 142А для того, чтобы изменять во времени место ввода воздуха из выпуска воздуха 142А в конец выше по течению реакционного блока 141А.
Блок реформинга 140А данной конфигурации обеспечивает преимущества, аналогичные преимуществам блока реформинга 140 по седьмому варианту. Механизм вращения 144, который расположен в непосредственной близости от конца воздуховода 39, обеспечивает свободное вращение концевого элемента 143 с выпуском воздуха 142А относительно основания воздуховода 39. Концевой элемент 143 может совершать вращение за счет реактивной силы распыляемого воздуха, вытекающего через выпуск воздуха 142А, или за счет любой внешней силы.
В указанном варианте и в его измененном примере производят вращение выпуска воздуха или блока реформинга. В другой модифицированной конструкции предусмотрено множеств выпусков воздуха на стороне выше по течению блока реформинга, с изменением во времени рабочих выпусков воздуха, через которые в действительности производят распыление воздуха. Может быть использована любая конструкция, которая позволяет изменять во времени местоположение в реакционном блоке, куда подают воздух. Блоки реформинга 140 и 140А имеют реакционный блок с сотовой структурой. В модифицированной конструкции реакционный блок может быть заполнен гранулами с нанесенным на них катализатором. Такая модифицированная конструкция также обеспечивает указанные преимущества за счет изменения вo времени того местоположения в реакционном блоке, куда подают воздух.
Блок реформинга в соответствии с обсуждавшимися выше шестым и седьмым вариантами позволяет обеспечивать и другой эффект, а именно протекание сильной реакции окисления в первоначальной стадии (при запуске), за счет чего блок реформинга быстро нагревается до стационарного уровня. При включении температура блока реформинга равняется комнатной температуре и требуется быстрый нагрев блока реформинга до стационарного уровня.
Одним из возможных решений для обеспечения указанного является подача больших количеств метанола и кислорода для проведения сильной реакции окисления, чтобы произвести внутренний нагрев блока реформинга. Однако в известных ранее устройствах для реформинга проведение сильной реакции окисления с большим количеством подводимого воздуха могло вызывать чрезмерный рост температуры в специфической области на стороне выше по течению, когда средняя температура блока реформинга все еще остается низкой. В блоках реформинга в соответствии с шестым и седьмым вариантами область сильной реакции окисления (то есть место нахождения катализатора, куда подают высокую концентрацию кислорода) изменяют (смещают) в течение времени. За счет этого проведение сильной реакции окисления с большим количеством подводимого воздуха не приводит к чрезмерному росту температуры в каком-либо месте, а вместо этого быстро нагревает весь объем блока реформинга до стационарного уровня.
Далее описан блок реформинга в соответствии с восьмым вариантом, который содержит множество реакционных блоков, причем направление протекания газа в некоторой части реакционных блоков является обратным по сравнению с направлением протекания газа в остальных реакционных блоках. Это позволяет производить теплообмен между стороной выше по течению одного реакционного блока, куда подают сырой топливный газ и воздух, и стороной ниже по течению смежного реакционного блока, откуда выпускают газообразное топливо. На фиг. 25 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 150 в соответствии с восьмым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 150 в соответствии с восьмым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг. 1. Блок реформинга 150 имеет главным образом цилиндрическую форму и двойную трубчатую конструкцию с реакционным блоком 152, выполненным вдоль его внутренней стенки, и с реакционным блоком 151, расположенным внутри реакционного блока 152. В реакционный блок 151 поступает сырой топливный газ и воздух у одного из его концов (левый конец на фиг.25), а выпуск газообразного топлива производят с другого его конца (правый конец на фиг.25). В реакционный блок 152 также поступает сырой топливный газ и воздух у одного из его концов, а выпуск газообразного топлива производят с другого его конца, однако соответствующие концы являются противоположными по сравнению с реакционным блоком 151. Таким образом, направление протекания газа в реакционном блоке 151 является обратным по сравнению с направлением протекания газа в реакционном блоке 152. Каждый из реакционных блоков 151 и 152 может иметь сотовую структуру с нанесенным на ее поверхность Cu-Zn катализатором или может быть заполнен гранулами Cu-Zn катализатора.
В блоке реформинга 150, сконструированном по восьмому варианту, сторона выше по течению внутреннего реакционного блока 151 является смежной со стороной ниже по течению другого реакционного блока 152, а сторона ниже по течению внутреннего реакционного блока 151 является смежной со стороной выше по течению другого реакционного блока 152. Такое построение способствует теплообмену между стороной выше по течению одного реакционного блока и стороной ниже по течению другого реакционного блока. Теплота, вырабатываемая за счет реакции окисления на стороне выше по течению одного реакционного блока, передается на смежный участок ниже по течению другого реакционного блока (смотри штриховые стрелки на фиг.25). Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению, куда поступает сырой топливный газ и воздух.
Участок ниже по течению каждого реакционного блока, входящего в блок реформинга 150, получает теплоту, переданную со стороны выше по течению смежного реакционного блока. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, каждый реакционный блок в блоке реформинга 150 поддерживается в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это увеличивает скорость реакции конверсии с водяным паром.
На фиг. 26 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры, от одного конца к другому, в соответствующих реакционных блоках описанного выше блока реформинга 150, а также в известном ранее устройстве для реформинга, в котором имеется фиксированное направление внутреннего протекания газа в реакционных блоках. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 150 нет чрезмерного роста температуры в специфической области на стороне выше по течению за счет теплоты, полученной от реакции окисления. Также нет существенного падения температуры в специфической области на стороне ниже по течению. Таким образом, внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как описано выше, в блоке реформинга 150 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Блок реформинга 150 по восьмому варианту, обсуждавшийся выше, имеет двойную трубчатую конструкцию и включает в себя внутренний реакционный блок 151 и внешний реакционный блок 152, причем направление протекания газа в одном реакционном блоке является обратным по отношению к направлению протекания газа в другом реакционном блоке. В обобщенной конструкции блок реформинга включает в себя множество реакционных блоков, причем направление протекания газа в части реакционных блоков является обратным по отношению к направлению протекания газа в остальных реакционных блоках. Такое построение позволяет производить теплообмен между участком выше по течению, где вырабатывается большое количество теплоты, и участком ниже по течению, где поглощается большое количество теплоты. Это позволяет обеспечивать преимущества, аналогичные обсуждавшимся здесь выше для восьмого варианта. Например, блок реформинга может быть выполнен не как двойная трубчатая конструкция, а в виде пакетной конструкции, в которой множество тонких реакционных блоков уложены друг на друга, причем направление протекания газа попеременно инвертируется в соответствующих реакционных блоках пакета. В такой конструкции происходит теплообмен между стороной выше по течению каждого реакционного блока и стороной ниже по течению смежного реакционного блока, при этом внутренняя температура усредняется.
Далее описан девятый вариант, в котором посредине пути протекания потока в реакционном блоке предусмотрена область поворота, причем участок выше по течению и участок ниже по течению являются смежными друг с другом в реакционном блоке, что позволяет производить теплообмен между ними. Нa фиг.27 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 160 в соответствии с девятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 160 в соответствии с девятым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Подобно блоку реформинга 150 по восьмому варианту, блок реформинга 160 имеет главным образом цилиндрическую форму и двойную трубчатую конструкцию с внутренней секцией 161 и внешней секцией 162. Внутренняя секция 161 и внешняя секция 162 непрерывно сообщаются друг с другом и образуют единственный реакционный блок 163.
Второй трубопровод для подачи топлива 64 соединен с одним из концов внутренней секции 161. Поступающие через второй трубопровод для подачи топлива 64 сырой топливный газ и воздух движутся от одного конца к другому внутренней секции 161. Другой конец внутренней секции 161 соединен с внешней секцией 162. Газ, протекающий внутри через внутреннюю секцию 161, выходит из другого ее конца и поступает во внешнюю секцию 162 (смотри сплошные стрелки на фиг. 27). Введенный во внешнюю секцию 162 газ протекает внутри через внешнюю секцию 162 и выходит через третий трубопровод для подачи топлива 65 на конце, соответствующем первому концу внутренней секции 161. Газообразное топливо, полученное из газа, проходящего через реакционный блок 163, выпускают через третий трубопровод для подачи топлива 65. Внутренняя секция 161 и внешняя секция 162 реакционного блока 163 могут быть выполнены в виде сотовой структуры с нанесенным на нее Cu-Zn катализатором или могут быть заполнены гранулами Cu-Zn катализатора.
В блоке реформинга 160, построенном по девятому варианту, внутренняя секция 161 является смежной с внешней секцией 162. Такое построение позволяет производить теплообмен между внутренней секцией 161 и внешней секцией 162. Внутренняя секция 161 соответствует участку выше по течению реакционного блока 163, где протекает сильная реакция окисления с выработкой большого количества теплоты. Внешняя секция 162 соответствует участку ниже по течению реакционного блока 163, где в основном идет только реакция конверсии с водяным паром, для которой требуется теплота. В блоке реформинга 160 теплота передается от внутренней секции 161, где вырабатывается большое количество теплоты, к внешней секцией 162, где требуется теплота (смотри штриховые стрелки на фиг.27). В результате нет чрезмерного роста температуры во внутренней секции 161, соответствующей стороне выше по течению.
В блоке реформинга 160 внешняя секция 162, которая соответствует стороне ниже по течению, получает теплоту, передаваемую из смежной внутренней секции 161. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, весь реакционный блок в блоке реформинга 160 поддерживается в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это увеличивает скорость реакции конверсии с водяным паром.
На фиг. 28 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры, в направлении от одного конца, соединенного со вторым трубопроводом для подачи топлива 64, до другого конца, для описанного выше блока реформинга 160, а также для известного ранее устройства для реформинга, которое имеет фиксированное направление внутреннего газового потока в реакционном блоке. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 160 нет чрезмерного роста температуры на стороне выше по течению от теплоты, полученной за счет реакции окисления. Здесь также нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как описано выше, в блоке реформинга 160 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Обсуждавшийся выше блок реформинга 160 по девятому варианту имеет двойную трубчатую конструкцию с внутренней секцией 161 и внешней секцией 162, причем направление течения газа во внутренней секции 161 является обратным относительно направления течения газа во внешней секции 162. Однако построение блока реформинга по этому варианту не ограничивается только двойной трубчатой конструкцией. В обобщенной конструкции область поворота предусмотрена посредине пути протекания газа, по которому проходят сырой топливный газ и воздух, причем сторона выше по течению и сторона ниже по течению выполнены смежными друг другу, что позволяет производить между ними теплообмен. Такое построение позволяет получать такие же преимущества, как и в девятом варианте. Например, вместо двойной трубчатой конструкции блок реформинга может иметь свернутый путь протекания потока, причем направление газового потока на стороне выше по течению является противоположным направлению газового потока на стороне ниже по течению. На фиг.29 показан блок реформинга 160А такой конструкции. Такая конструкция позволяет также передавать теплоту со стороны выше по течению на смежную сторону ниже по течению (смотри стрелки на фиг.29), за счет чего усредняется внутренняя температура.
Далее описан блок реформинга в соответствии с десятым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором производят нагрев участка ниже по течению при помощи горячих продуктов сгорания из испарителя 32. На фиг.30 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 170 в соответствии с десятым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 170 в соответствии с десятым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Блок реформинга 170 включает в себя два реакционных блока 171 и 172 сотовой структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на ее поверхность. Разделение блока реформинга 170 на два реакционного блока позволяет вновь перемешивать газ, разделенный при помощи ячеек сотовой структуры реакционного блока 171 на стороне выше по течению, в ходе его протекания, что усредняет состояние газа, протекающего внутри через реакционный блок 170. Блок реформинга 170 соединен со вторым трубопроводом для подачи топлива 64, который получает воздух из воздуховода 39, так что блок реформинга получает сырой топливный газ, перемешанный с воздухом. Из трубопровода 64 сырой топливный газ, который содержит воздух, поступает сначала в реакционный блок 171, а затем проходит в реакционный блок 172. Полученное богатое водородом газообразное топливо выпускают через третий трубопровод для подачи топлива 65. Реакционные блоки 171 и 172 имеют соответствующие датчики температуры 173 и 174. Эти датчики температуры 173 и 174 подключены к блоку управления 50, за счет чего на блок управления 50 подается информация относительно внутренней температуры реакционных блоков 171 и 172. Далее показано, что результаты измерения датчика температуры 173 используют для предотвращения чрезмерного роста температуры внутри реакционного блока 171, в то время как результаты измерения датчика температуры 174 используют для предотвращения чрезмерного падения температуры внутри реакционного блока 172. Поэтому желательно, чтобы датчик температуры 173 был расположен на стороне выше по течению реакционного блока 171, а датчик температуры 174 был расположен на стороне ниже по течению реакционного блока 172.
Впуск продуктов сгорания 175, через который производят ввод продуктов сгорания из испарителя 32, расположен в специфической зоне кольцевой части блока реформинга 170, относящейся к реакционному блоку 172. Как уже было описано здесь ранее, испаритель 32 получает газообразные продукты сгорания от горелки 26 через блок компрессора 28 и производит нагрев и испарение метанола и воды за счет теплоты продуктов сгорания. Продукты сгорания с выхода блока компрессора 28 после потребления внутренней теплоты в испарителе 32 для нагрева и испарения метанола и воды все еще имеют некоторое количество теплоты. В блоке реформинга 170 по этому варианту указанные продукты сгорания поступают на впуск продуктов сгорания 175 и используются для нагрева реакционного блока 172 на стороне ниже по течению.
В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 170 по этому варианту, предусмотрен трубопровод продуктов сгорания 176, по которому продукты сгорания от испарителя 32 подаются на впуск продуктов сгорания 175. Контроллер массового расхода 177 установлен в трубопроводе продуктов сгорания 176 и предназначен для регулирования расхода продуктов сгорания, поступающих на впуск продуктов сгорания 175. Контроллер массового расхода 177 подключен к блоку управления 50. Блок управления 50 производит регулирование расхода продуктов сгорания, поступающих на впуск продуктов сгорания 175. Температура продуктов сгорания, поступающих на впуск продуктов сгорания 175 от испарителя 32, составляет ориентировочно 300oС. Внутреннюю температуру реакционного блока 172 регулируют за счет управления включением контроллера массового расхода 177, за счет чего осуществляют регулирование расхода продуктов сгорания, поступающих на впуск продуктов сгорания 175. Продукты сгорания, поступающие на впуск продуктов сгорания 175, используют для нагрева реакционного блока 172, а затем удаляются из системы топливных элементов.
В реакционном блоке 171 на стороне выше по течению блока реформинга 170 по этому варианту количество теплоты, полученной за счет реакции окисления, компенсируется количеством теплоты, потребляемой за счет реакции конверсии с водяным паром в реакционном блоке 171. В реакционном блоке 172 на стороне ниже по течению количество теплоты, потребляемой за счет реакции конверсии с водяным паром, протекающей в реакционном блоке 172, компенсируется как количеством теплоты, полученной за счет реакции окисления на стороне выше по течению, так и количеством теплоты, которое содержится в продуктах сгорания, поступающих через впуск продуктов сгорания 175. В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 170 по этому варианту, блок управления 50 управляет включением воздуходувки 38 и производит за счет этого регулирование количества воздуха, подаваемого от нее в блок реформинга 170, базируется на результатах измерения датчика температуры 173 таким образом, чтобы внутренняя температура реакционного блока 171 не превышала 300oС. В системе топливных элементов по этому варианту блок управления 50 также управляет включением контроллера массового расхода 177, базируясь на результатах измерения датчика температуры 174, и производят регулирование расхода продуктов сгорания, поступающих через впуск продуктов сгорания 175, таким образом, чтобы внутренняя температура реакционного блока 172 не превышала 250oС.
В описанном блоке реформинга 170 по десятому варианту, реакционный блок 172 на стороне ниже по течению нагревается при помощи продуктов сгорания. Поэтому нет необходимости в том, чтобы количество теплоты, полученной за счет реакции окисления, компенсировало все количество теплоты, которое требуется для реакции конверсии с водяным паром, протекающей в блоке реформинга 170. В частности, такое построение позволяет снизить расход воздуха, подаваемого в блок реформинга 170 и используемого в реакции окисления, что в результате подавляет продвижение реакции окисления, протекающей на стороне выше по течению. Расход воздуха, подаваемого в блок реформинга 170, регулируют, базируясь на измеренной внутренней температуре реакционного блока 171. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры в реакционном блоке 171, где идет сильная реакция окисления.
В блоке реформинга 170 внутренняя теплота продуктов сгорания, поступающих через впуск продуктов сгорания 175, передается к реакционному блоку 172 на стороне ниже по течению. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, за счет этого весь реакционный блок 170 поддерживается в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром. Это увеличивает скорость конверсии с водяным паром. Теплота продуктов сгорания, которая в известных ранее устройствах терялась, используется теперь для нагрева реакционного блока блок 172. Такое построение позволяет повысить эффективность использования энергии для нагрева реакционного блока 172.
На фиг. 31 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в описанном выше устройстве для реформинга 170, в направлении от стороны выше по течению, куда поступает сырой топливный газ, содержащий воздух, до стороны ниже по течению, а также в известном ранее устройстве для реформинга, в котором количество теплоты, полученной за счет реакции окисления, компенсирует количество теплоты, которое требуется для реакции конверсии с водяным паром. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 170 нет чрезмерного роста температуры на стороне выше по течению от теплоты, полученной за счет реакции окисления. Также нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. В результате внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как описано выше, в блоке реформинга 170 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Блок реформинга 170 по десятому варианту, обсуждавшийся выше, включает в себя два реакционных блока 171 и 172 в виде сотовых структур. Вместо сотовых структур блок реформинга может быть заполнен гранулами с нанесенным на них катализатором. В этом случае блок реформинга может быть равномерно заполнен гранулами и может не иметь разделения на две секции.
Для нагрева участка ниже по течению вместо продуктов сгорания с выхода испарителя 32 могут быть использованы также любые другие газы. Например, в системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 170 по этому варианту, в том случае, когда источник теплоты, который обеспечивает необходимую для испарителя 32 теплоту, отличается от приводного источника блока компрессора 28, который подает сжатый воздух к катодам топливных элементов 40, тогда горячими газами, которые используют для нагрева участка ниже по течению, могут быть газообразные продукты сгорания, полученные от любого источника теплоты и приводного источника. Например, альтернативно может быть использован газ, полученный из других имеющих высокую температуру компонентов системы топливных элементов, при условии, что этот газ имеет энергию, достаточную для поддержания внутренней температуры блока реформинга в диапазоне температур от 250 до 300oС. Вместо использования газообразных продуктов сгорания, выпускаемых из имеющих высокую температуру компонентов, можно предусмотреть циркуляцию специфического флюида между имеющими высокую температуру компонентами и блоком реформинга, и подавать тепловую энергию имеющих высокую температуру компонентов в блок реформинга при помощи циркуляции флюида.
Далее описан блок реформинга в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором подают часть сырого топлива в жидкой форме на сторону выше по течению реакционного блока. На фиг.32 схематично показано построение устройства для реформинга 180 в соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 180 в соответствии с одиннадцатым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Блок реформинга 180 имеет единственный реакционный блок 181 сотовой структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на ее поверхность. Блок реформинга 180 соединен со вторым трубопроводом для подачи топлива 64 и получает по нему сырой топливный газ. Блок реформинга 180 дополнительно получает смесь метанола и воды (именуемую далее сырым жидким топливом). Сырое жидкое топливо подают в испаритель 32 через первый трубопровод для подачи топлива 63, как уже было упомянуто здесь ранее. От первого трубопровода для подачи топлива 63 ответвляется ветвь сырого жидкого топлива 182, предназначенная для подачи сырого жидкого топлива в блок реформинга 180. В конструкции по этому варианту воздуховод 39 соединен не со вторым трубопроводом для подачи топлива 64, а с ветвью сырого жидкого топлива 182, с образованием трубопровода сырого жидкого топлива 183. Трубопровод сырого жидкого топлива 183 подключен к концу выше по течению блока реформинга 180 и предназначен для подачи в блок реформинга 180 сырого жидкого топлива, перемешанного с воздухом.
Контроллеры массового расхода 184 и 185 установлены соответственно в воздуховоде 39 и в ветви сырого топлива 182 и предназначены для регулирования расхода воздуха и количества жидкого сырого топлива, подаваемых в блок реформинга 180. Эти контроллеры массового расхода 184 и 185 подключены к контроллеру 50, который управляет их работой. Впрыскивающее сопло 187 образовано на конце трубопровода сырого жидкого топлива 183 и расположено в непосредственной близости от конца выше по течению реакционного блока 181 в блоке реформинга 180. Сырое жидкое топливо, перемешанное с воздухом, распыляется из сопла 187 в направлении к концу реакционного блока 181 за счет использования воздушного давления, причем область распыления захватывает широкую зону поперечного сечения у конца реакционного блока 181. Впрыскивающее сопло 187 может иметь любую форму, позволяющую производить распыление в широкой области. В блоке реформинга 180 датчик температуры 186 расположен в непосредственной близости от конца выше по течению реакционного блока 181. Датчик температуры 186 подключен к блоку управления 50, и информация относительно температуры на стороне выше по течению реакционного блока 181 вводится в блок управления 50.
Как уже было описано выше, когда сырой топливный газ и воздух подают в блок реформинга, идет сильная реакция окисления, за счет чего повышается температура на стороне выше по течению, где имеется высокая концентрация кислорода. С другой стороны, в данном варианте жидкое сырое топливо распыляют в направлении к концу выше по течению реакционного блока 181, что позволяет регулировать температуру на стороне выше по течению. Жидкое сырое топливо, которое распыляют в реакционном блоке 181, нагретом до высоких температур, позволяет удалять (отводить) теплоту из реакционного блока 181 за счет нагрева и испарения топлива. Таким образом, при помощи регулировки расхода жидкого сырого топлива температура на стороне выше по течению реакционного блока 181 контролируется и не превышает заданный уровень.
В процессе выработки богатого водородом газообразного топлива в блоке реформинга 180 по этому варианту регулируют количество подаваемого в блок реформинга 180 жидкого сырого топлива, базируется на внутренней температуре реакционного блока 181, измеряемой при помощи датчика температуры 186. Полное количество метанола, подаваемого в блок реформинга 180, зависит от нагрузки, подключенной к топливным элементам 40, то есть от количества газообразного топлива, подаваемого к топливным элементам 40. Количество метанола, протекающего через первый трубопровод для подачи топлива 63 и подаваемого в блок реформинга 180 в жидкой форме, регулируют, базируясь на результатах измерения при помощи датчика температуры 186. В соответствии с конкретной методикой, когда температура реакционного блока 181 превышает заданный уровень (300oС в данном варианте), распыляют жидкое сырое топливо из впрыскивающего сопла 187. Количество распыляемого из впрыскивающего сопла 187 жидкого сырого топлива регулируют таким образом, чтобы температура реакционного блока 181 не превышала заданный уровень. Если температура реакционного блока 181 не превышает заданный уровень, то из впрыскивающего сопла 187 распыляют только воздух.
В построенном указанным образом блоке реформинга 180 по одиннадцатому варианту распыляют и испаряют жидкость внутри блока реформинга 180, так чтобы охладить сторону выше по течению реакционного блока 181. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению реакционного блока 181 от теплоты, полученной за счет реакции окисления. Распыленная в блоке реформинга 180 жидкость, которая охлаждает сторону выше по течению реакционного блока 181, представляет собой жидкое сырое топливо, которое подвергается реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления, протекающим в блоке реформинга 180. Поэтому ввод жидкого сырого топлива не оказывает вредного влияния на протекающие в блоке реформинга 180 реакции.
На фиг. 33 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры от стороны выше по течению, куда подают сырой топливный газ, содержащий воздух, до стороны ниже по течению, в описанном выше блоке реформинга 180, а также в известном ранее устройстве для реформинга, в котором все количество метанола, потребное для выработки желательного количества газообразного топлива, подают через испаритель 32. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 180 нет чрезмерного роста температуры на стороне выше по течению от теплоты, полученной за счет реакции окисления. Поэтому внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как уже было описано выше, в блоке реформинга 180 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным
возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам, такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Если температура на стороне выше по течению блока реформинга 180 чрезмерно возросла, то увеличенное количество жидкого сырого топлива распыляют из впрыскивающего сопла 187, в то время как снижение электрической мощности нагрузки, подключенной к топливным элементам 40, может создавать избыток подаваемого в блок реформинга 180 метанола, что приводит к выработке газообразного топлива, превышающего потребное его количество. В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 180 по этому варианту, отработанное газообразное топливо из топливных элементов 40 используют в качестве топлива для сжигания в горелке 26. Поэтому нет снижения эффективности использования всей энергии в системе в указанных случаях..
В блоке реформинга 180 по этому варианту перемешанный раствор метанола в воде распыляют из впрыскивающего сопла 187 для охлаждения участка выше по течению реакционного блока 181. Вместо этого можно производить распыление только метанола или воды. В этом случае предусматривают ветвь трубопровода для подачи метанола 60 или ветвь трубопровода для подачи воды 62 вместо первого трубопровода для подачи топлива 63. Метанол или вода протекают через такую ветвь и распыляются через сопло, аналогичное впрыскивающему соплу 187. Такое построение также позволяет за счет испарения распыленной жидкости удалять теплоту на стороне выше по течению реакционного блока 181 и, таким образом, обеспечивать эффект, аналогичный существующему в обсуждавшемся выше блоке реформинга 180 по одиннадцатому варианту.
Далее описан двенадцатый вариант, в котором реакционный блок, где протекает как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления, выполнен смежным с реакционным блоком, в котором протекает только реакция конверсии с водяным паром, что позволяет производить между ними теплообмен, в результате чего предотвращают чрезмерный рост температуры от теплоты, полученной за счет реакции окисления. На фиг.34 схематично показано построение устройства для реформинга 190 в соответствии с двенадцатым вариантом осуществления настоящего изобретения. Блок реформинга 190 в соответствии с двенадцатым вариантом введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. Блок реформинга 190 имеет главным образом цилиндрическую форму и содержит три реакционных блока 191, 192 и 193 с сотовыми структурами. Реакционный блок 193 образован вдоль внутренней стенки блока реформинга 190, а реакционные блоки 191 и 192 образованы внутри реакционного блока 193. Реакционный блок 191 расположен на стороне выше по течению, а реакционный блок 192 расположен на стороне ниже по течению. Между ними образован некоторый промежуток 200.
В блоке реформинга 190 все реакционные блоки 191, 192 и 193 имеют Cu-Zn катализатор, нанесенный на поверхность их структур. Реакционный блок 193 соединен со вторым трубопроводом для подачи топлива 64 и получает сырой топливный газ, но не получает воздуха. Поэтому в реакционном блоке 193 идет только реакция конверсии с водяным паром. Второй трубопровод для подачи топлива 64 соединен с реакционным блоком 191, а также с реакционным блоком 193. Сырой топливный газ, подаваемый к реакционному блоку 191, протекает внутри через реакционный блок 191 и затем поступает в реакционный блок 192. Воздуховод 39 имеет воздушные ветви 194 и 195, которые соответственно подключены к участкам выше по течению реакционного блока 191 и реакционного блока 192. Воздух протекает через указанные воздушные ветви 194 и 195 и поступает в соответствующие реакционные блоки. В реакционном блоке 191 и в реакционном блоке 192 идет как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления. Как богатый водородом газ, полученный за счет реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления в реакционных блоках 191 и 192, так и богатый водородом газ, полученный за счет реакции конверсии с водяным паром в реакционном блоке 193, выводят по третьему трубопроводу для подачи топлива 65 и подают на блок снижения содержания СО 36.
Контроллеры массового расхода 196 и 197 установлены соответственно в ветвях 194 и 195, отходящих от воздуховода 39, для регулирования расходов воздуха, подаваемого в реакционные блоки 191 и 192. Контроллеры массового расхода 196 и 197 подключены к блоку управления 50, который производит регулирование расходов воздуха, подаваемого в соответствующие реакционные блоки. Датчики температуры 198 и 199 предусмотрены на соответствующих участках выше по течению реакционных блоков 191 и 192 для измерения внутренних температур соответствующих реакционных блоков. Датчики температуры 198 и 199 подключены к блоку управления 50, который производит регулирование расходов воздуха, подаваемого в соответствующие реакционные блоки, базируется на результатах измерений, введенных в него от соответствующих датчиков температуры.
В реакционных блоках 191 и 192 блока реформинга 190 по данному варианту количество теплоты, которое получено за счет протекающей в них реакции окисления, компенсирует количество теплоты, которое требуется для протекающей в них реакции конверсии с водяным паром. В кольцевом реакционном блоке 193, с другой стороны, теплота, которая требуется для протекающей в нем реакции конверсии с водяным паром, обеспечивается за счет теплоты, полученной за счет реакции окисления, протекающей в смежных внутренних реакционных блоках 191 и 192 (смотри штриховые стрелки на фиг.34). В системе топливных элементов, в которую входит блок реформинга 190 по этому варианту, блок управления 50 управляет работой контроллеров массового расхода 196 и 197, которые регулируют расходы воздуха, подаваемого в реакционные блоки 191 и 192, базируется на результатах измерения при помощи датчиков температуры 198 и 199, что позволяет поддерживать внутренние температуры реакционных блоков 191 и 192 на уровне не выше 300oС.
В построенном указанным образом блоке реформинга 190 по двенадцатому варианту теплота, полученная за счет реакции окисления, протекающей в реакционных блоках 191 и 192, также поглощается в смежном реакционном блоке 193, где идет только эндотермическая реакция. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на участках выше по течению реакционных блоков 191 и 192, где протекает сильная реакция окисления. Расходы воздуха, подаваемого в реакционные блоки 191 и 192, регулируют, что базируется на внутренних температурах соответствующих реакционных блоков. Внутренняя температура каждого реакционного блока за счет этого поддерживается на уровне не выше, чем заданный уровень.
В блоке реформинга 190 по этому варианту поток воздух отдельно подают в реакционные блоки 191 и 192. Такое построение позволяет протекать экзотермической реакции окисления в реакционном блоке 192, который расположен на стороне ниже по течению реакционного блока 191. Поэтому в отличие от известного ранее устройства для реформинга здесь нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, весь реакционный блок в блоке реформинга 190 поддерживается в состоянии высокой активности реакции конверсии с водяным паром Это увеличивает скорость реакции конверсии с водяным паром.
На фиг. 35 приведен график, который показывает распределение внутренней температуры в направлении от стороны выше по течению, куда поступает сырой топливный газ, до стороны ниже по течению, в описанном выше блоке реформинга 190, а также в известном ранее устройстве для реформинга, которое содержит только один реакционный блок и в котором протекает как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления. В отличие от известного ранее устройства для реформинга в блоке реформинга 190 нет чрезмерного роста температуры на стороне выше по течению от теплоты, полученной за счет реакции окисления. Также нет существенного падения температуры на стороне ниже по течению. Таким образом, внутренняя температура блока реформинга благоприятным образом поддерживается в диапазоне температур от 250 до 300oС. Как уже было описано выше, в блоке реформинга 190 по этому варианту нет резкого роста температуры в непосредственной близости от впуска. Это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов. Аналогично другим обсуждавшимся ранее вариантам такое решение существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
В обсуждавшемся выше блоке реформинга 190 по двенадцатому варианту поток воздуха раздельно подают во внутренние реакционные блоки 191 и 192, где протекает как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления. Это эффективно предотвращает существенное падение температуры на стороне ниже по течению. В модифицированной конструкции поток воздуха подают только на сторону выше по течению, при этом все еще удается предотвращать чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению.
Блок реформинга 190 по двенадцатому варианту имеет двойную трубчатую конструкцию с внутренними реакционными блоками, где протекает как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления, и с кольцевым (окружающим) реакционным блоком, где протекает только реакция конверсии с водяным паром. Далее описана пакетная конструкция в соответствии с первым измененным примером двенадцатого варианта, в которой два различных реакционных блока поочередно уложены (установлены) друг на друга. На фиг.36 схематично показано построение устройства для реформинга 190А и соответствии с первым измененным примером двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения. Так же как и блок реформинга 190, блок реформинга 190А включен в систему топливных элементов, которая имеет такое же построение, что и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. В дальнейшем описании компоненты блока реформинга 190А, идентичные использованным в блоке реформинга 190, имеют одинаковые позиционные обозначения с дополнительной буквой А.
Блок реформинга 190А включает в себя множество плоских реакционных блоков 191А и 193А, которые попеременно уложены друг на друга. Эти реакционные блоки 191 А и 193А имеют сотовые структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на их поверхность. Сырой топливный газ через второй трубопровод для подачи топлива 64 поступает в каждый реакционный блок. Воздуховод 39 имеет ветви для соединения с соответствующими участками выше по течению реакционных блоков 191А для подачи воздуха в соответствующие реакционные блоки 191А. Расход воздуха, подаваемого во множество реакционных блоков 191А, регулируется при помощи контроллера массового расхода 196А, установленного в воздуховоде 39. Так же как и в обсуждавшемся выше двенадцатом варианте, регулирование базируется на результатах измерений при помощи датчиков температуры (не показаны), установленных на участках выше по течению реакционных блоков 191А.
В указанном блоке реформинга 190А в соответствии с измененным примером двенадцатого варианта, так же как и в блоке реформинга 190 в соответствии с двенадцатым вариантом, теплота, выделяемая за счет реакции окисления, поглощается за счет реакции конверсии с водяным паром, протекающей в смежном реакционном блоке. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению, где идет сильная реакция окисления. Так же как и в блоке реформинга 190, это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
Далее описан блок реформинга 190В, имеющий конструкцию с множеством трубчатых компонентов и выполненный в соответствии со вторым измененным примером двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.37 приведено сечение, на котором схематично показано построение устройства для реформинга 190В в соответствии со вторым измененным примером двенадцатого варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.37(А) приведено вертикальное сечение блока реформинга 190В, а на фиг.37(В) приведено поперечное сечение по линии В-В фиг.37(А). Так же как и блок реформинга 190, блок реформинга 190В введен в систему топливных элементов, имеющую такое же построение, как и система топливных элементов 20, показанная на фиг.1. В дальнейшем описании компоненты блока реформинга 190В, идентичные компонентам блока реформинга 190, имеют одинаковые позиционные обозначения с добавлением буквы В.
Блок реформинга 190В имеет главным образом цилиндрическую форму и включает в себя реакционные блоки 191В и реакционный блок 193В. Каждый реакционный блок 191В имеет главным образом цилиндрическую форму с меньшим диаметром со стороны основания. Блок реформинга 190В содержит семь реакционных блоков 191В. Остальное пространство в блоке реформинга 190В, которое не занято реакционными блоками 191В, занимает реакционный блок 193В. Реакционные блоки 191В и 193В имеют сотовые структуры с Cu-Zn катализатором, нанесенным на их поверхность. Сырой топливный газ через второй трубопровод для подачи топлива 64 поступает в каждый реакционный блок. Воздуховод 39 имеет ветви для соединения с соответствующими участками выше по течению реакционных блоков 191В для подачи воздуха в соответствующие реакционные блоки 191В. Расход воздуха, подаваемого во множество реакционных блоков 191В, регулируют при помощи контроллера массового расхода 196В, установленного в воздуховоде 39. Аналогично тому, как уже обсуждалось здесь ранее для двенадцатого варианта, регулирование базируется на результатах измерений при помощи датчиков температуры (не показаны), установленных на участках выше по течению соответствующих реакционных блоков 191В.
В указанном блоке реформинга 190В в соответствии с измененным примером двенадцатого варианта, так же как и в блоке реформинга 190 в соответствии с двенадцатым вариантом, теплота, выделяемая за счет реакции окисления, поглощается за счет реакции конверсии с водяным паром, протекающей в смежном реакционном блоке. Такое построение эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на стороне выше по течению, где идет сильная реакция окисления. Так же как и в блоке реформинга 190, это благоприятным образом исключает потенциальные проблемы, вызванные чрезмерным возрастанием температуры, например отравление катализатора и образование побочных продуктов, и существенно повышает срок службы устройства для реформинга.
В описанных выше блоках реформинга 190, 190А и 190В реакция окисления протекает только в избранных реакционных блоках. Так как фиксированное количество теплоты требуется для проведения реакции конверсии с водяным паром, протекающей в блоке реформинга, то уменьшение зоны сильной реакции окисления приводит к недостатку количества катализатора относительно количества подводимого кислорода. Это снижает скорость реакции окисления, протекающей в области ввода кислорода. Указанное построение расширяет область сильной реакции окисления на участок ниже по течению и эффективно предотвращает существенное падение температуры на участке ниже по течению блока реформинга.
В обсуждавшихся выше блоках реформинга 190А и 190В в соответствии с измененным примером двенадцатого варианта, аналогично блоку реформинга 190, поток воздуха может быть подан не только в область выше по течению, но и в промежуточную область в блоке реформинга. Такое построение более эффективно предотвращает существенное падение температуры на участке ниже по течению блока реформинга. Блоки реформинга 190, 190А и 190В имеют реакционные блоки сотовой структуры. В модифицированной конструкции блок реформинга может быть заполнен гранулами с нанесенным на них катализатором. В такой модифицированной конструкции реакционный блок построен таким образом, что в нем в непосредственной близости друг от друга протекают как реакция конверсии с водяным паром, так и реакция окисления, в то время как протекание только реакции конверсии с водяным паром эффективно предотвращает чрезмерный рост температуры на участке выше по течению реакционного блока.
Во всех обсуждавшихся выше вариантах, от первого до двенадцатого, в соответствующих блоках реформинга используют Cu-Zn катализатор. Этот единственный катализатор ускоряет как реакцию конверсии с водяным паром, выраженную уравнением (4), так и реакцию окисления, выраженную уравнением (5). Вместо Cu-Zn катализатора может быть использован любой катализатор, который ускоряет как реакцию конверсии с водяным паром, так и реакцию окисления, например, Pd-Zn катализатор. Присутствие такого катализатора в любом из блоков реформинга обеспечивает аналогичный эффект предотвращения чрезмерного роста температуры в части пространства блока реформинга.
В описанных выше вариантах используют единственный катализатор, который ускоряет как реакцию конверсии с водяным паром, так и реакцию окисления. Однако в любом из указанных вариантов могут быть использованы различные катализаторы для соответствующего ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. Другой катализатор для ускорения реакции окисления может быть использован в дополнение к Cu-Zn катализатору. В случае использования множества различных катализаторов, при условии, что эти катализаторы хорошо перемешаны в блоке реформинга для обеспечения протекания как реакции окисления, выраженной уравнением (5), так и реакции конверсии с водяным паром, выраженной уравнением (4), при их достаточной эффективности в специфической области ввода кислорода, введение таких катализаторов в структуры соответствующих блоков обеспечивает аналогичный эффект предотвращения чрезмерного роста температуры в части пространства блока реформинга. В качестве примеров других катализаторов для ускорения реакции окисления можно привести металлы, такие как палладий, платину, никель, родий, хром, вольфрам, рений, золото, серебро и железо, а также сплавы указанных и других металлов.
В обсуждавшихся выше вариантах используют метанол в качестве сырого топлива. Другой углеводород может быть использован альтернативно в качестве сырого топлива, которое подвергают реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления. В том случае, когда используют отличающееся от метанола сырое топливо, тогда блок реформинга включает в себя катализатор, подходящий для выбранного сырого топлива, в любых блоках в соответствии с указанными вариантами. Такое построение также обеспечивает аналогичный эффект предотвращения чрезмерного роста температуры в части пространства блока реформинга.
Cu-Zn катализатор, который используют в любом из блоков обсуждавшихся выше вариантов, от первого до двенадцатого, представляет собой известный катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром метанола. Как уже было упомянуто здесь ранее, происходит отравление Cu-Zn катализатора при высоких температурах, превышающих 300oС. Таким образом, Cu-Zn катализатор не может быть использован в качестве катализатора для ускорения реакции конверсии с водяным паром, если в качестве сырого топлива применяют углеводород, имеющий высокую температуру реакции конверсии с водяным паром. Однако Cu-Zn катализатор хорошо работает в качестве катализатора для ускорения реакции конверсии с водяным паром, когда в качестве сырого топлива используют метанол, который имеет более низкую температуру реакции конверсии с водяным паром, чем другие углеводороды. Методика использования Cu-Zn катализатора в качестве катализатора окисления обычно специалистам не известна. Cu-Zn катализатор легко окисляется (окисляется и становится непригодной медь). В присутствии кислорода Cu-Zn катализатор немедленно окисляется и теряет свою каталитическую активность, поэтому обычно его не используют в качестве катализатора окисления. Однако в случае использования Cu-Zn катализатора в присутствии метанола метанол окисляется ранее меди из-за различия свободной энергии для окисления. Таким образом, сам Cu-Zn катализатор не окисляется, а эффективно ускоряет как реакцию конверсии с водяным паром, так и реакцию окисления.
Использование единственного Cu-Zn катализатора для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления выгодным образом упрощает конструкцию блока реформинга. Использование Cu-Zn катализатора для ускорения реакции окисления метанола обеспечивает дополнительный эффект снижения концентрации оксида углерода, который содержится в богатом водородом газообразном топливе, полученном при помощи блока реформинга. Далее описан процесс получения оксида углерода в блоке реформинга. Cu-Zn катализатор в присутствии диоксида углерода и водорода имеет небольшую активность ускорения реакции в соответствии с приведенным ниже уравнением (6)
CO2 + H2 --> CO + H2O (6)
При ускорении при помощи Cu-Zn катализатора реакции конверсии с водяным паром метанола, только одной или одновременно с реакцией окисления метанола, получают, как уже было упомянуто здесь ранее, водород и диоксид углерода. При увеличении количеств полученных водорода и диоксида углерода с небольшой активностью идет реакция получения оксида углерода в соответствии с уравнением (6). Таким образом, полученное при помощи блока реформинга газообразное топливо содержит некоторое количество оксида углерода.
Итак, использование Cu-Zn катализатора для реформинга метанола сопровождается получением некоторого количества оксида углерода. Как уже было упомянуто здесь ранее при обсуждении различных вариантов, в том случае, когда Cu-Zn катализатор используют для ускорения реакции окисления метанола одновременно с реакцией конверсии с водяным паром, то главным образом не получают оксид углерода за счет указанной реакции окисления. Это эффективно предотвращает увеличение концентрации оксида углерода в газообразном топливе. Реакция окисления метанола, ускоренная за счет присутствия Cu-Zn катализатора, выражается приведенным ранее уравнением (5). Эта реакция главным образом включает в себя реакции, выраженные при помощи приведенных ниже уравнений (7) и (8). Таким образом, реакция в соответствии с уравнением (5) в целом протекает следующим образом:
CH3OH + (1/2)O2 --> HCHO + H2O (7)
HCHO + H2O --> CO2 + 2H2 (8)
Как показывают уравнения (7) и (8), реакция окисления метанола, ускоренная в присутствии Cu-Zn катализатора, главным образом идет по пути реакции, который не производит оксида углерода. С другой стороны, реакция окисления, ускоренная в присутствии соответствующего известного катализатора окисления, например платинового катализатора, главным образом включает в себя реакции, выраженные при помощи приведенных ниже уравнений (9) и (10), за счет которых протекает в целом реакция в соответствии с уравнением (5). В этом случае оксид углерода получают посредине реакции. Таким образом, если ускоряют реакцию окисления метанола при помощи соответствующего известного катализатора окисления, например платинового катализатора, то часть полученного оксида углерода остается в результирующем газообразном топливе, которое получено в блоке реформинга. Это увеличивает концентрацию оксида углерода в газообразном топливе.
CH3OH + (1/2)O2 --> CO2 + 2H2 (9)
CO + (1/2)O2 --> CO2 (10)
Когда Cu-Zn катализатор используют для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления метанола, как уже было рассмотрено здесь ранее при обсуждении различных вариантов, то реакция окисления идет по пути реакции, который не производит оксида углерода. Если произвести сравнение с известной ранее технологией, в соответствии с которой используют известный катализатор окисления, такой как платиновый катализатор, для ускорения реакции окисления метанола и Cu-Zn катализатор для ускорения реакции конверсии с водяным паром, то новая предлагаемая технология существенно снижает концентрацию оксида углерода в результирующем газообразном топливе. В известной ранее технологии, где используют как Cu-Zn катализатор, так и известный катализатор окисления, такой как платиновый катализатор, для ускорения соответственно реакции конверсии с водяным паром метанола и реакции окисления метанола концентрация оксида углерода в результирующем газообразном топливе составляет ориентировочно не менее чем 1,5-2%. В технологии в соответствии с настоящим изобретением, где используют только Cu-Zn катализатор для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления метанола, с другой стороны, концентрация оксида углерода в результирующем газообразном топливе снижается до 0,5%.
Оксид углерода, который остается в газообразном топливе, подаваемом на топливные элементы, поглощается при помощи содержащего платину каталитического слоя, образованного на электролитической мембране, и не оказывает вредного влияния на протекание электрохимических реакций. В системе топливных элементов в соответствии с обсуждавшимися выше вариантами после блока реформинга установлен блок снижения концентрации СО, который предназначен для снижения концентрации оксида углерода в газообразном топливе, подаваемом на топливные элементы. Использование Cu-Zn катализатора для ускорения как реакции окисления, так и реакции конверсии с водяным паром метанола обеспечивает получение при помощи блока реформинга газообразного топлива со сниженной концентрацией оксида углерода, что выгодным образом снижает нагрузку блока снижения концентрации СО (то есть количество оксида углерода, который должен быть окислен в блоке снижения концентрации СО). Такое техническое решение позволяет подавать на топливные элементы газообразное топливо с достаточно малой концентрацией оксида углерода, даже при наличии относительно небольшого по размерам блока снижения концентрации СО. Блок снижения концентрации СО может быть даже опущен (исключен), если полученное при помощи блока реформинга газообразное топливо имеет достаточно низкую концентрацию оксида углерода. Указанное построение с использованием Cu-Zn катализатора для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления метанола снижает концентрацию оксида углерода в полученном в блоке реформинга газообразном топливе и поэтому позволяет уменьшить в целом размеры системы топливных элементов, содержащей указанный блок реформинга.
Cu-Zn катализатор, который используют в описанных вариантах, приготавливают из оксида меди (CuO) и оксида цинка (ZnO). В процессе соосаждения указанных оксидов могут быть добавлены и другие материалы. Например, в процессе соосаждения оксида меди и оксида цинка для получения Cu-Zn катализатора может быть добавлено от 2 до 5% оксида алюминия. Эта композиция повышает теплостойкость Cu-Zn катализатора и улучшает дисперсность оксида меди и оксида цинка в катализаторе.
В приведенном описании используют Cu-Zn катализатор, который приготовлен из оксида меди и оксида цинка, в качестве катализатора для ускорения как реакции конверсии с водяным паром, так и реакции окисления метанола. Существует множество содержащих медь катализаторов, отличающихся от Cu-Zn катализатора, которые могут быть использованы альтернативно для ускорения реакции конверсии с водяным паром и реакции окисления метанола, с получением газообразного топлива, имеющего низкую концентрацию оксида углерода. Например, катализатор для ускорения обеих указанных реакций может быть получен за счет комбинации оксида меди с оксидом хрома (Сr2О3), комбинации оксида меди с диоксидом кремния (SiO2) или за счет комбинации оксида меди с оксидом другого металла. Такой содержащий медь катализатор может быть изготовлен при помощи любых подходящих способов, например способа пропитки, перемешивания (сбивания), ионного обмена, а также описанного здесь ранее способа соосаждения.
Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения и их модификации, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.
Из описанного выше следует, что блок реформинга топлива в соответствии с настоящим изобретением может быть использован для производства топливных элементов, а также в области производства электрических транспортных средств, на которых установлены такие топливные элементы.
Блок реформинга топлива относится к устройствам для получения богатого водородом газа из углеводорода и водяного пара. По первому варианту блок дополнительно включает в себя блок регулирования скорости течения сырого топливного газа. По второму варианту включает в себя блок инверсии направления газового потока. По третьему варианту блок реформинга включает в себя каталитическую секцию и блок перемешивания катализатора. По четвертому варианту включает в себя блок подачи окисляющего газа, содержащего кислород, в каталитическую секцию и блок усреднения теплоты. По пятому варианту включает в себя блок подачи окисляющего газа в каталитическую секцию, блок нагрева участка, не находящегося в области на стороне приема окисляющего газа, при помощи горячего газа, выпускаемого заданным элементом, который является компонентом системы, в которую входит устройство для реформинга топлива. По шестому варианту включает в себя блок подачи окисляющего газа в каталитическую секцию и блок конечного охлаждения, который разбрызгивает жидкость. По седьмому варианту каталитическая секция включает в себя первый и второй реакционные блоки, установленные в непосредственной близости друг от друга в каталитической секции так, что имеется область перекрытия. Данные конструктивные особенности обеспечивают повышение производительности устройства. 7 с. и 8 з.п. ф-лы, 38 ил.
| УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ КОРПУСА ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА (ВАРИАНТЫ) | 2000 |
|
RU2199841C2 |
| СПОСОБ СИНТЕЗА МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА НА ЗАТРАВКЕ | 1988 |
|
SU1570223A1 |
| Преобразователь дробных двоичныхчиСЕл B дЕСяТичНыЕ | 1979 |
|
SU798798A1 |
| Способ управления реакторным блоком установки каталитического риформинга | 1978 |
|
SU783335A1 |
