CN1720194A - 重整和氢气提纯*** - Google Patents

Abstract

一种以低压降的方式进行操作以用于从不同富氢燃料中产生游离氢的重整和氢气提纯***，其包括：位于一容器内并与含有可透过氢气的选择性薄膜的芯体单元相通的氢气重整催化剂床。该容器位于一隔热壳体内，所述壳体形成位于该容器的相对侧的进气通道和排气通道。空气和残留物通过位于进气通道内的燃烧器，从而提供了被加热的废气，该被加热的废气用于将催化剂加热到可从原料中产生游离氢的所需反应温度。燃烧器废气沿着位于床的输入和输出端之间的床的整个长度横向流过所述床。将氢气从芯体单元中回收，以供氢气消耗装置、例如燃料电池使用。其余的未进行回收的氢气包含在残留物内，并且被用于通过燃烧器供给反应所需的热量。排出的废气和输入空气穿过一换热器，在该换热器内输入空气被热的排出气体加热。原料输入管线与残留物管线和氢气回收管线相连，以在进入催化剂床之前对原料预热。

Description

重整和氢气提纯***

发明背景

本发明涉及一种用于产生提纯氢的蒸汽重整器，该提纯氢包括用于燃料电池的提纯氢。

提纯氢是半导体、冶金和化学处理中重要的物质。它也经常用作燃料电池的燃料源，其中该燃料电池可由氢产生电能。目前具有各种产生提纯氢的装置。氢可通过将含氢化合物、例如酒精与处于升高温度下的蒸汽在催化剂床上进行重整从该含氢化合物中释放得到。由于这种反应是吸热的，因此可从外部燃烧器中输送热量或者通过将一定量的氧气和部分燃烧的一定量的燃料进行混合来就地输送热量。前一过程通常被称作蒸汽重整；当使空气或氧气与燃料混合以输送热量时，此过程被称作自热或部分氧化重整。一旦重整过程完成后，足量百分比的一氧化碳将存在于重整气体中；该一氧化碳还会在水煤气变换催化剂床中发生反应以形成氢气和二氧化碳。这便降低了重整气体内的一氧化碳的百分比。

为了从重整气体混合物中产生高纯度的氢气，可以采用装置、例如选择性薄膜来分离氢气。然后，此高纯度的氢气便可以被运用到工业过程、用于发电的燃料电池或者其它需要提纯氢的应用中。在某些情况下，不进行氢气的提纯；在进行了选择性的氧化步骤以进一步减小一氧化碳的浓度后，将重整气体送入燃料电池中。在后一种情况下，重整器通常需要进行露点控制、小心地防止一氧化碳的高浓度，并且在大部分氢耗尽后，采用与燃料电池成一体的装置来接收废气。

氢气提纯技术是公知的，并例如在1999年1月19日申请的、发明名称为具有内部氢气提纯功能的蒸汽重整器的美国专利No.5,861,137中公开。上述专利披露了一种氢气提纯***并讨论了现有技术的状况。对实用的重整器的需求、即要求低成本的设计是很明显的。该专利公开了一种从适宜的含氢燃料原料中部分地提取一部分提纯氢并将其中含有大量氢的排出残液作为使燃烧器运行的燃料的方法和***。

除了大量的专利外，其它大量的出版物也对各种包括基于蒸汽重整的***在内的氢气提纯***和方法进行了描述。然而，存在着对改进的氢气提纯***的持续需求，该改进的氢气提纯***不仅在开始时而且在使用过程中均可节省成本，并且其还容易地适于高效并节约成本的维修。特别是，需要一种在燃烧器的空气***内具有低的压降的重整器。

发明内容

本发明特别涉及一种氢气提纯重整器，它可被构造为紧凑的单元，并能够由燃烧器进行高效加热。燃烧器气体在该***中具有最小的压降，从而为富氢燃料的生产提供了低能量和低成本的空气输送。

本发明的新型重整器***包括一催化剂单元或床，它沿着位于一原料进口和一间隔开的原料出口之间的原料路径构造和布置。该催化剂可通过加热而工作，以在该原料上建立吸热反应，从而产生氢气。催化剂可以是呈任何可获得形状，例如孤立状物质、粒状物质或者它们的结合的任何可行材料。如果采用粒状物质，则限制的封闭空间采用允许氢气从其中排放的结构来支承该物质，用于之后通过可透过氢气的薄膜对其进行收集。

根据本发明的特定特征，燃烧器单元具有废气输出流，它主要是从燃烧器单元直接通向催化剂单元，并具有大致与催化剂单元长度(即通常催化剂单元出口和进口之间的间隔)相应的长度。这样，废气流横向地大致穿过催化剂的整个长度，从而在***中产生最小的空气压降。

氢气收集器与催化剂单元相邻地布置，以收集提纯后的氢气，或者其可替换地位于催化剂单元的下游或位于一独立压力容器中。根据目前的实践，氢气收集器可以包括一个或多个氢气选择性透过薄膜单元，它沿着氢气从催化剂床释放的氢气路径布置，以收集氢气。

特别是，该优选的结构提供了有效的催化剂机能以及催化剂的加热、原料和空气输送以及允许相对低压的空气输送，从而产生了更高的能效。

因此，该结构建立了以从催化剂单元中产生游离氢以及提取氢气的改进的催化剂加热。正如下面将要说明的，该***还允许在整个床的长度上对用于原料的内部处理的气流的加热模式进行优化。

在一优选结构中，一压力容器包括封闭的氢气选择性透过的薄膜芯体单元，它由催化剂床或单元包围。一气体燃烧加热装置具有与该压力容器、特别是该催化剂单元对齐的废气输出端。该加热单元产生与该催化剂单元的长度和横截面相关的废气流。废气流横向地穿过催化剂单元，以在其整个长度上加热催化剂单元。催化剂单元可以被均匀地加热，或者也可以被加热至所需的热梯度。

穿过被加热的催化剂单元的富氢原料被重整，从而产生氢气。该氢气的大部分依次穿过氢气选择性透过的薄膜芯体单元，之后被称作残留物的残余氢气和其它气体从压力容器中排出，并穿过例如为背压调节器的压力控制装置，然后通过燃烧气体加热装置为重整过程提供热量。

加热装置优选为催化燃烧器，该燃烧器优选地以从压力容器排出的残留物作为燃料。燃烧器可以为独立的燃烧器，或者被构造为与压力容器成一整体的一部分。在任一种结构中，残留物与空气混合，穿过燃烧器，然后使直接来自燃烧器的被加热废气流输送通过压力容器。

在任一种结构中，压力容器包括由导热材料制成的罩体或外壁。多个导热翅片紧密地固定在整个容器的外壁上，被加热的燃烧器废气通过该导热翅片，以彻底地加热位于压力容器内的重整催化剂床。压力容器限定了进口燃烧器废气通道和出口燃烧器废气通道并位于它们之间。

在优选的结构中，通过回收来自提纯后的氢气、残留物以及燃烧器废气中的至少一种热源(优选的是该三种热源)的热量对原料进行预热。即使原料已经被完全预热到所需的反应温度，为了保持用以发生所需的重整反应的足够温度，催化剂内的吸热反应通常需要例如来自燃烧器废气的另外的热量供给。

压力容器也优选形成有氢气收集***，该***包括一个或多个收集结构。每一收集结构包括由多孔材料制成的内膜芯体，它具有附着在该内膜芯体上的可选择性地透过氢气的金属薄膜，该内膜芯体形成氢气选择芯体-薄膜单元。该氢气选择金属薄膜例如可以为钯或钯-铜合金涂层，后者可以采用本领域的技术人员熟知的电镀和退火技术制成。另外，特别是在使用了粒状催化剂的情况下，每一芯体-薄膜单元是分离的并与催化剂单元隔开，从而防止了薄膜与催化剂材料之间的磨损接触。为此并特别是在采用了粒状催化剂的情况下，可以将一保护层放置在催化剂和薄膜之间，这里该保护层是多孔的，或者含有用于使重整气体与可选择性地透过氢气的薄膜相通的孔。

在优选实施例中，压力容器还具有外部封闭端以及相对的开口端，该开口端可由可拆卸的盖或者端板单元所封闭。输入和输出管线固定在该盖上。该管线包括用于将原料输入至催化剂床的进料管线、用于接收来自催化剂单元的残留物的输出管线以及用于输送来自芯体-薄膜单元的提纯氢气的提纯氢气输出管线。

压力容器通常由金属合金制成。同样也为热的良导体的多个间隔的翅片被牢固地固定在压力容器上并从其上延伸。然而，在表面积和体积之比理想的较小实施例中，可不必采用翅片来将热传递到催化剂区域，然后可将压力容器的翅片从该优选实施例中去除，同时容器仍限定出空气和热气体通道以及出口或排气通道。

加热***优选包括燃烧器流体或废气流在催化剂单元上的受控制的分布，以产生原料的优化重整。由于较大比例的吸热反应发生在最接近催化剂的入口点(进口端)处，因此，需要在进入到单元中的原料进口或入口处具有最大的输入热量，并且该热量向着出口在该单元的长度上以逐渐减小的模式分布或者呈梯度分布。

根据本发明的另一特征，均含有非常高的热量的燃烧器废气、被加热的残留物以及收集到的氢气被用于加热输入到燃烧器中的冷空气以及在原料进入重整催化剂单元之前对富氢原料进行预热。

在优选的结构中，当残留物和提纯后的氢气从压力容器排出时，独立的管线对其进行输运。每个管线至少部分地包括金属或其它导热材料，这些管线彼此相连(优选彼此结合在一起)并与相应的第三金属管线相连，其中该第三金属管线用于将原料以逆流方式输送到催化剂单元中。这些管线优选通过高传热结合，例如通过焊接、铜焊或者类似方式彼此相连，以促使对冷的原料的加热。也可以采用其他的管线连接形式。

另外，在一优选结构中，由于通过将输入原料管线的一螺旋长度部分设置在输送热废气的出口通道内，因此来自催化剂下游的催化燃烧器单元的废气与延长长度的进料管线相连。该结构可被用于通过排放废气对原料进行预热，当采用催化剂燃烧器时，这种结构特别有利。

根据本发明的又一优选实施例，用于将空气输送至燃烧器的燃烧器进气腔室与用于排放来自催化剂单元的废气的排气腔室以微小的间隔并排布置。一(同流)换热器包括延伸在该两个腔室之间的热传递组件，从而将俘获燃烧器废气中的热量并在将废气从***排出之前优选以逆流的方式将热量传递给燃烧器输入空气。此结构利用排放废气对燃烧器输入空气进行预热。

热传递组件的优选结构包括一系列相对薄的导热并带孔的板，这些板延伸并横跨在该两个腔室之间。这些板由位于相邻两个腔室之间的薄的绝热分隔器进行分隔，以防止燃烧器废气进入到进气腔室或通道内。这些薄的分隔器还可用于使带孔的板彼此之间进行热绝缘。

重整器装置优选还可以这样构造，即将各部件沿着线性轴以线性、平行的方位定向。由此，最大输出与相关元件的成比例的线性长度相关，同时装置的每单位长度上的催化燃烧器面积、催化剂体积以及热传导表面积通常保持不变。

这样，燃烧器的位置和结构以及多个换热***具有与压力容器相关的线性定位。然后，重整***的产量与最终组件中的部件的线性长度直接相关，从而导致能够高效并按设定的比例产生氢气。

各种监视器均可以并优选连接到位于***内的流体中，以控制重整器的操作。

结合附图从以下的说明中，本发明的各种其它目的、特征和优点将变得更清楚。

附图说明

这些附图披露了与氢燃料电池相连的本发明的优选实施例。

在这些附图中：

图1为与燃料电池相连的用于产生提纯氢的蒸汽重整器的示意图；

图2为氢气提纯单元的示意图；

图2a为图2的氢气提纯单元的视图，其中已将外壁部分地去除；

图3为图2a的后部透视图；

图4为图2中所示的氢气重整单元的后部透视图，其中已将重整器容器单元去除；

图5为图4中示出的用于对提纯的氢气进行重整的容器单元的透视图；

图6为图5中示出的容器单元的分解剖面图；

图7为图5和图6中示出的容器单元的断面；

图7a为图6和图7中所示部件的放大局部剖视图，以示出密封部件的细节；

图8为图4中示出的氢气重整器单元的右前侧透视图，其中已将罩体部分地去除；

图8a为在将进给燃料引入到压力容器之前对其进行预热的被铜焊连接的***流体管路的剖视图；

图9为图4和图8中示出的重整器单元的左前侧透视图，其中已将罩体部分地去除；

图9a为图9中示出的重整器单元的左后侧透视图；

图9b为示出了具有内部相关联***部件的平行的热处理输入通道和排放输出通道的剖面图；

图10为图8和图9-9b中示出的用于对输送到燃烧器中的空气进行预热的热传递和换热单元的端部视图，在这种情况下，位于板之间的密封仅仅沿一个轴线形成；

图11为具有改进的板分隔结构的图10的热传递板的放大视图；

图12为输入到催化剂床的热量以及由此产生的游离氢的图解视图；以及

图13为用于将残留物输送到燃烧器中以将分散的废气输送到带翅片的压力容器中的结构的视图。

具体实施方式

图1为用于从富氢燃料源1中产生提纯氢以供装置14消耗的***的简化视图，其中装置14例如可以为用于将电能供给负载的燃料电池。图1示出的实施例包括位于适当的支承件内并与相关部件协同作用的独特氢气提纯器18，其中支承件例如为罩体36。

图1的***包括蒸汽重整器，该重整器具有重整器压力容器单元19，该重整器压力容器单元可操作地处理来自燃料源1的燃料/水原料。虽然用于燃料和水的共用泵是在作为预先混合原料的燃料和水是易混合的情况下示出的，但是应该理解，可以采用不止一台泵来分别泵送燃料和水，同时还可采用任何所需的流量和压力监测装置，并且在到达催化剂填充腔室7之前将燃料和水流混合在一起。压力容器单元19含有内部氢气提纯器芯体单元18。该压力容器单元19大于单元18并且形成了催化剂填充腔室7。

来自燃料源1的燃料为燃料和水的混合物，并且构成了经过管线17至过滤器2然后又通过管线4被泵3泵送到逆流热交换器9中的进给料。在热交换器9处接收到热量后，进给料接着在热交换器5中接收到更多的热量，最后通过管线6进入压力容器进口连接件60并到达压力容器19。这样，进给料便被输送到催化剂填充腔室7内，正如之后将要说明的，进给料将被加热，燃料/水进给料进行反应，从而产生游离氢。单元18为细长部件，它含有正如下面将要说明的特殊氢气选择性透过薄膜，该薄膜使包含于重整气体内的氢气进入到装置18的内部，其中通过氢气出口62，被提纯的氢气随后被传递到管线11中。在其通常被示为管件的同时，单元18的形状并不局限于任何特殊的形式，并且其形状可假设为适合于应用条件的任何形式。在穿过氢气输出调压器12之前，由单元18提纯并穿过管线11的氢气将热传递到热交换器9中的进给料中。一旦氢气的压力已经通过调压器12调节，氢气便可以穿过电磁阀13到达耗能装置14。由于耗能装置14由具有按需周期性输出能量的燃料电池组成，因此，具有来自耗能装置14的返回管线，并具有穿过输出电磁阀15和止回阀16的通道，此处输出的氢气被注入到管线83中。

催化剂7的体积和活性及其热量使它通过管线8被收回时所处理的燃料几乎完全地被蒸汽重整。

残余的燃料和反应副产品(包括之后被称作残留物的未分解氢气)通过管线8从催化剂填充腔室7中回收。然后，残留物将热量传递给热交换器中的进给料，此后，它穿过原料背压调节器10。一旦残留物经过调压器10后它便被降压，并且再穿过管线83到达燃烧器分配器21。

催化剂燃烧器75安装在罩体36内，以接收来自分配器21并与燃烧器空气混合的残留物。残留物通过分配器21(例如在图13中更清楚地示出的双分配器机构)上的孔或洞被排放到空气流中。空气和残留物在燃烧器75的输入口处混合，该燃烧器产生进入到相邻腔室内并起到上述用于加热催化剂填充腔室7作用的热废气流75a。

如图1所述的***提供了用于提高进行氢气产生和提纯的重整过程的效率和功效的特有特征。特别是，该***提供了来源于热交换器9处的管线中的被加热流体以及流到热交换器5的下游处的被加热废气78a的各种热回收。

如图1所示，管线4、8和11通过逆流热交换单元9彼此相连，其中该热交换单元将来自被重整的气体的热量以逆流的方式传递回输入原料。这样便提高了效率，并且也在气体到达氢气输出调节器12和原料调压器10之前将其冷却，从而使装置免于遭到热损害。另外，同样如图1所示，管线4具有盘成螺旋状的热交换器部分5，它与燃烧器废气79接触。热交换器5被构造成将原料上升到催化剂填充腔室7内的催化剂所需的操作温度。根据重整器的产量，热交换器5可以包括若干圈带翅片管线，以便于废气79的热传递，或者它可以由具有一圈或更多平行圈的无翅片管线组成。

此外，热传递组件30横跨排气腔室91和位于风扇20以及风扇过滤器20a下游处的燃烧器进气腔室90。如图2a所示，辅扇20b也可以与主扇20一起串联使用。进入组件30的热废气78a升高了位于废气侧的组件30的温度，其将热量以逆流方式传递到位于进气口处的组件的冷却部分。特别是，正如图2中详细示出的图1中的***的优选结构那样，组件30特别是被构造成通过采用绝热密封衬垫97来防止各自腔室中的流体转移到其它腔室中，其中所述优选结构所示的那样。另外，绝热垫圈97还允许组件30的带孔或者延伸的金属板96在不同的温度下操作，从而可以改进逆流交换。

尽管图1所示的热交换器调节器、阀和类似部件的布局以优选的定位方式被特别地示出，但在本发明的框架范围内，还可以采用各种部件的布局方式，以获得类似的效果，并且这些布局可由本领域的技术人员按需要进行布置。

参照图2-4，紧凑的氢气源单元33包括罩体壁34(在图2a-4中部分地示出)，在该罩体壁内，空气供给部分35横跨前壁而形成，并与容纳在罩体36内的氢气产生单元相连。控制部分37位于空气供给部分35和罩体36内的氢气产生单元的一侧。部分37包括图1中所述的各种部件，例如调压器和电磁阀。

空气供给部分35包括壳体，该壳体具有空气过滤器20a，一供气风扇20位于该空气过滤器内，并具有位于该供气风扇20的下游的辅扇20b。如图2a所示，辅扇20b为轴流式，并且主扇20为鼓风机式。风扇20迫使空气穿过过滤器20a并将其吹向位于辅扇20b的周围的壳体内。空气通道管38将辅扇20b的输出端与位于罩体36内的氢气产生装置相连。壳体35a的外表面由过滤器20a和外部带孔的面罩38b所覆盖。

位于罩体36内的氢气产生单元安装在空气供给部分35的后面，并且由位于刚性热绝缘底部支承平台39a上的***隔热件39所包围。位于容纳于罩体36内的高温部件周围的绝热件可使重整器进行高效的操作。特别是，这通过将金属紧固装置安放到位于罩体36的最低温部分处的罩体36上来完成。其包括空气通道管38和图2中的单元33的顶部，其中罩体36固定在该顶部上。这便允许罩体36从结构上连接在装置33的其余部分上，同时使热损失降低到最小。通过空气通道管38将空气输送到位于罩体36内的产生单元中。应该注意，为了图示清楚以及便于理解空气和优选***的加热燃烧***的处理的目的，仅仅示出了***壁绝热件39。

参照图4-8，以优选的翅片状结构示出了图1中的压力容器单元19并在之后将其标识为压力容器40。压力容器40包括罩体或者容器42，内部提纯器芯体单元41居中地位于并固定在该容器内。在优选的实施例中，一分离的杯形防护件51被固定在罩体或容器42和提纯器芯体单元41之间。防护件51与容器42相间隔，并形成催化剂腔室7，同时防护件51还与芯体单元41相间隔，以防止腔室7内的粒状催化剂50与芯体单元41邻接接合。

特别是，容器42包括外部管状壁45，在组装之前该管状壁在两端敞开。外端通过采用焊接部/焊缝47a(47a表示了图6和7中所有的焊接部)将扁平的端壁46焊接在管45上而被封闭，并且该端壁46与杯形防护件51和提纯器芯体单元41的内端相间隔。管45的相对端或内端由端板单元46a封闭，该端板单元包括通过焊接部47a固定到管45的开口端上的凸缘件47。端板单元46a采用铜密封环52a以密封连接的方式通过螺栓53拧紧到凸缘件47上。防护件51和提纯器芯体单元41被固定到端板46a上，以相对于凸缘47和罩体45或容器42形成可拆卸的单元。同样，盖64也通过螺栓53固定到凸缘46a上。

杯形防护件51由适宜的带孔金属或其它适宜材料制成，以将催化剂50限定在其内，并允许氢气以及其它气态物质自由通过。防护件51的开口端通过焊接或其它连接方式被固定在端板46a上。

提纯器芯体单元41由多孔陶瓷体41a形成，该陶瓷体具有外部氢气可透过金属涂层41b，该涂层采用目前已知的材料例如钯或钯铜合金涂层，从而形成氢气选择薄膜(选氢薄膜)，也因此形成了氢气提纯器芯体单元41。被重整的气体自由地通过防护件51进入到芯体单元41内。由于将横向穿过外部氢气选择薄膜41b，因此仅仅氢气能够进入芯体单元41c的内部收集腔室41。防护件51可以采取多孔壁、穿孔壁或者甚至为将游离氢导向其端部的管件，氢气从其中排放到薄膜单元中。在催化剂为一块或多块整体催化剂部件或单元并与一个或多个氢气选择薄膜单元以相间隔的关系被安装的情况下，防护件51可能是不必要的。

参照图7a，凸缘47在管45的外端处具有凹部并且嵌套在该外端上，并且在标记47a处焊接在管45的外部。端板46a被拧紧在凸缘47上，同时高压密封垫圈52a位于其间。所示出的密封接头(图7a)包括位于凸缘47和端板46a之间的铜密封环52a。尖锐的密封边缘52c从凸缘47和凸缘46a处向外突出，从而在固定螺栓53的压紧作用下与铜环52a接合。该密封产生了高压的密闭，因此将被重整的气体限定在容器40内。在优选的***中，还可以采用其它适宜的密封，在其它的***中，密封的构造可以不采用可拆卸的盖结构。例如，可将端片46a焊接或铜焊到管45的端部，用于对压力容器40进行永久性的密闭。

输入/输出管线被密封在端板46a内，并且与如下所示实施例的芯体单元41和催化剂腔室7内的若干通道相连。

燃料管线60密封地固定在端板46a上。燃料管线60向内延伸到催化剂填充腔室7内，并且穿过催化剂50延伸至腔室的内端部。管线60的内端部在接近端壁46处终止，以在适当的压力下将富含氢气的燃料供入到催化剂填充腔室7的封闭端，并使进给料轴向地穿过催化剂50朝着端板46a运动。在本发明的范围之内，另一可替换的布置(未示出)利用沿催化剂床7的长度方向延伸的燃料管线60和残留物排出管线63，其中这些管线在端部均是封闭的并且这些管线均带有孔，从而气体在带孔管线之间流动，而不是沿着催化剂床的轴向长度方向流动。也可以采用对本领域的技术人员来说显而易见的压力容器中的其它布置。

氢气回收管线62固定在端板46a内，并且在芯体单元41的内部中心腔室41c处终止，以用于回收已经穿过提纯器芯体单元41的薄膜41b的游离氢。

残留物管线63与催化剂腔室7的下侧或底侧对齐地固定在端板46a上。加压的进给料穿过催化剂50并作为残留物在一定压力下通过残留物管线63排出。残留物通常包含一定量的氢气，并且它可作为空气通道内的催化燃烧器的燃料，这将在下面进行说明。

位于提纯单元41的下游的催化剂出口处的残留物可为催化或其它燃烧器单元提供燃料。未重整的燃料、未回收的氢气以及反应副产品(例如一氧化碳或者甲烷)可以用作催化或其它燃烧器中的燃料。包含于残留物内的气体颗粒物取决于燃料类型、蒸汽和碳的比例、压力、催化剂类型、流速和温度，同时还可根据催化剂流的时间进行变化。已由提纯器41将氢去除的重整原料通常在这里被定义为残留物，正如这里所披露的，此概念涵盖了从催化剂单元和氢气提纯单元排出并与***燃烧器相连的所有重整燃料，以及与分离的燃料源结合或由其替代的燃料。

容器42以及特别是管状壁45具有间隔并通过铜焊或者气体高热传递连接紧密固定到容器壁45上的导热翅片。翅片59为矩形部件，如下所述，它被成形和形成为可安装在位于罩体内的相应开口中，以便优化催化剂的加热和提纯氢气的产生。翅片59间隔地布置，其尺寸和位置被选择为可对容器进行快速加热，同时使横向通过的废气流产生最小的压降。翅片59优选由适当的材料例如铜制成，从而可快速地将热传递至容器、特别是催化剂50。

压力容器40(图4)通过由连接螺钉65a固定在端板46a和罩体框架结构上的板64可拆卸地固定在位于罩体36内的开口65中。带翅片的容器40封闭在内壁结构中，以限定空气/燃料输入通道以及外部排出通道，这将在下面进行说明。

在薄膜41b出现裂口或其它恶化情况或者如果由于焦化、中毒、老化或其它原因使催化剂的活性明显下降时，带翅片的压力容器40以及特别是其提纯器芯体单元41需要进行替换。其它的部件期望有较长的使用寿命。

如图所示，带翅片的压力容器40可作为一个整体单元进行拆卸。所示的端板46a可以从凸缘47中拆下，并由具有位于带翅片的容器42内的新的芯体单元和保护单元的新端板替代。在此操作过程中，也可对催化剂进行替换，如果催化剂被形成为整体的环状片而不是如标记50所示的粒状材料的话，该替换尤为简单。所示出的单元由此使提纯器41和压力容器40可进行低成本的替换以及简单的维修，并且还使重整器可进行长使用寿命的操作。

如图8和图9所示，原料管线60、氢(H₂)回收管线62以及残留物管线63相对于容器42以间隔的方式固定在端板46a上，以用于输入原料以及收回提纯的氢气和残留物。每个管线类似地构造有管线连接单元67，该管线连接单元可以在维修进行拆卸，之后又被重新密封。

另外，残留物管线62可具有位于端板46a和连接件67之间的较大可拆卸连接件68，以将管线63打开。这便为粒状催化剂50按需要进行周期性的替换提供了方便。如前所述，当催化剂由一块或多块整体部件组成时，端板46a必须被移开，以对整体催化剂进行替换，在这种情况下，连接件68变得不再必要。

如图4、8和9-9b所示，压力容器40通过紧固螺钉65a可拆卸地安装在罩体36中。罩体36还包括多个内壁以及流动导向装置，以引导热气体通过该罩体。如图9b中清楚地示出的那样，延伸在相邻换热组件30和罩体36的顶部之间并与换热组件30相邻的上部竖直分隔壁69和罩体36的侧部将进气腔室90与排气腔室91间隔，从而在腔室90和91之间形成有效的屏障。在换热组件30的下方，刚性的绝热竖直分隔壁70进一步将气流分隔。竖直壁70与刚性绝热水平壁71相邻并密封。水平壁71包含允许混合的空气和残留物流入到催化燃烧器75内的开口74；另外，水平壁71还与罩体36和竖直壁70相邻并密封，以防止气体流向别处。水平壁71和罩体36的底部和侧部以及容器40的间隔翅片59一起形成了通道74b，该通道用于加热翅片59和容器40的废气75a的内壁。位于容器40的下游以及与壁71和罩体36的侧部相邻并密封且由刚性绝热材料形成的竖直废气分隔壁73引导废气通过位于其开口78内的通道76。壁73和罩体36还限定了废气的竖直通道79，其中该竖直通道包含有热交换器5。

图示为若干盘卷翅管的热交换器5(图9a和9b)连接在原料管线60中，其中该原料管线60连接在进料管线4上并与催化剂床相连，这一点将在后面进行说明。翅管5位于穿过其中的那部分排放废气79中，并且在原料依次被导入管线6、连接器67和管线60以到达催化剂50之前，有效地对位于热交换器5内的原料进行预热。

参照图1、4、8和9，它们示出了从重整器容器40到燃烧器75的残留物输送连接，并具有用于对原料进行预热的管线连接器。残留物管线63通过连接器68和67从容器40伸出，以与残留物管线8相连(图1)。残留物管线8穿过热交换器9，然后进入具有原料/残留物背压调节器10的控制部分37内。背压调节器10使残留物的压力降低，在此处残留物在到达燃烧器进给管线83之前与燃料电池所释放的氢气结合。然后，燃烧器进给管线83进入到罩体36内并到达燃烧器分配器。在图13中示出了示例性的一下燃烧器分配器，它具有T形的连接件86和两根个孔的分配器85和85a。在图9、9a和9b中示出了分配器85和85a，此处它们被布置成在残留物到达燃烧器75之前使之与引入燃烧器的空气混合。

每个管线85-85a是中空的，并且在最外端处被密封。每个管线85-85a优选为多孔或者穿孔材料，例如陶瓷材料、烧结金属或穿孔管材或其它具有类似功能的材料。在***开始运行时，通道74内的输入空气74a为相对较冷的空气，并且直到催化剂床处于足以对原料进行处理的温度时残留物才会产生。为了触发床的活性以及将燃烧器预热到足以使残留物发生催化燃烧的温度，在起动时通常需要辅助热源。电加热器88被示出安装在燃烧器75的上方(图9-9a)。在***起动时，加热器88自动开启，以对输入空气进行加热，使其达到所必需的温度，该温度为使催化燃烧器的温度上升达到“点燃”温度以及催化剂床达到足以使燃料进行重整所必需的温度。一旦获得此温度，泵3将开始将原料泵送到该装置内，从而在催化剂50内使产生氢气的反应自由进行，随后产生燃烧器75点火用的残留物燃料。对于酒精基的原料而言，必需的催化剂床温度大致为250-500℃，这取决于对燃料和催化剂的选择，用于点燃残留物内的氢的催化燃烧器的点燃温度大约为100℃以上。在燃烧器中建立了“点燃”状态后，由于进入到燃烧器75的残留物已经足够维持催化剂正常的加热，因此可将用于加热输入空气的加热器88关断。如优选结构中所述，原料的预热还将维持催化剂内正常的反应，而不需要在点燃后采用辅助热源。

残留物(图9和9b)与进气通道74内的气流混合，并且该混合物进入并穿过燃烧器75，该混合物燃烧以形成高温流体或废气75a。如图4、8和9b所示，废气75a直接流入到入口通道74b中，并进入和流经压力容器40。被加热的废气75a穿过翅片并流经作为输入或入口通道74b的唯一出口的流出压力容器40的容器42。翅片59适当地间隔并将热传递到压力容器40中，以加热催化剂50，并由此产生容纳在芯体单元41内的氢气。虽然原料被预热，但是如前所述，重整反应需要额外的来自燃烧器的热输入，以补偿产生氢气的吸热反应。

催化剂50的加热可以包括在床或催化剂单元的轴线上的特殊分配。图12示出了优化的热量分配曲线100和由之产生的反应曲线101。热量分配曲线100大约在催化剂50反应的上半时段较高，但是由于在催化剂床的开始处发生了大量的吸热反应，因此该曲线逐渐下降到催化剂的出口或排放端附近的低水平。用于产生游离氢的反应曲线101包括在高热量的输入部分处氢气的快速增加，然后变得平坦而成为逐渐平缓的曲线，直至催化剂50的出口或排放端。

由于在催化剂床的开始处要求较高水平的加热，因此此阶段与催化剂床的出口相比要求较高的热通量。这可以通过减小靠近原料进口处的翅片的间距或升高靠近原料进口处的废气75a的温度或者这两者的结合来实现。

图13示出了将残留物输入到燃烧器75中以用于对容器进行可选择加热分配的特殊结构。位于85和85a处的残留物分配孔是变化的。以在接近催化剂床7的原料进口端处输送较多或更富有的残留物/空气混合物，同时85和85a的出口端具有较少的孔，从而提供较少或更贫乏的残留物/空气混合物。如图所示，通常最多并因此最热的废气被应用在催化剂床7的进口端处，而最少并因此最冷的废气并应用于催化剂床7的出口端处。

在替换的结构中，催化燃烧器可位于容器的表面上或位于固定在容器上的翅片上。通过涂覆涂层的方法来形成催化表面的方法对于本领域的技术人员来说是已知的，因此在这里不作过多的说明。如果催化燃烧器被涂覆在翅片上的话，则翅片优选在催化剂单元的整个长度上具有紧密的间隔。为了确保未燃烧的残留物不从翅片上滑过并流入到具有排放废气79的排放通道76内，这种结构是必需的。在这种情况下，同样优选的是，可采用如图13所示的渐变(分级)燃烧器扩散器。

在图4、8和8a显示了以翅片单元5形式示出的优选原料热交换器。通过连接件从容器40中伸出的管线8和11包括裸露的金属管段，该金属管与冷的原料管线4以强制邻接接合的方式组装在一起。裸露的金属管通过适当的连接方式(优选通过传热结合，例如通过铜焊或焊接将三根管基本上在整个长度上、如在84c处彼此连接在一起)以邻接和热传递接合的方式被支承；或者采用类似的方法通过将该管与其它热传递和结合材料连接在一起。结合管4、8和11可由位于该结合管上的绝缘布84b的外缠绕层覆盖。该结合管以逆流组件的方式被组装，其中原料管线4的最冷端与管线8和11的最冷端相邻。这便使得热损失最小化，并提高了重整器的效率。热交换器5还用于在氢气和残留物分别到达调节器12和10之前冷却氢气和残留物，从而防止调节器过热，并使调节器具有较低的成本和较低的操作温度。

结合管线4、8和11呈具有相等侧面端部或腿部的U形形状，以产生加长的长度。腿部的整个长度与容器40和内部芯体单元的长度相关，并通常等于它们的长度，这样，如下所述，可利用容器40和输入和排出以及相对于***的比例设计热交换器单元的尺寸或使之与***尺寸成比例。

这也为原料的加热提供了相对简单但高效的***。也可以采用其它将管线彼此连接的***。由于热量的回收和原料的预热，降低了用于有效地产生被提纯氢的催化剂床所需的热量，并且热交换器的逆流布置也提高了效率。

如图8-9b所示，进气压力腔室90形成在壁69的一侧并在罩体36的顶部的一半长度上延伸。类似地，罩体36的顶部的另一半包含位于分隔壁69的另一侧的排气腔室91。来自风扇20的环境空气通过进气口38进入腔室90内，并且通过排气孔92排出排气腔室91。

根据优选实施例并如图1和8-9b所示，如下所述，热量回收结构30以逆流方式使排放废气78a中的热量与通过进气口38的空气进行交换。

图1、8和9的进气腔室90与图2a-3所示的进气管线或通道38相连。如图3、8和9b所示，排气腔室91包括位于后部结构壁内的排气开口92。

多板组件30固定在壁69的下方，其横跨输入空气和排放废气流。

图10和11为热传递板组件30的放大示意图，其中为了清楚地示出用于加热进给空气的换热***的优选结构，板96被放大。多板组件30包括多个由绝热和流体封闭壁垫圈件97所分隔的热传递板96，其中垫圈件97使进入的空气与排放的废气保持隔离，同时允许板96穿过并横跨进气和排放废气区域上。板96可以形成为由适当的金属(例如铜、铝或者其它材料)制成的类似板，其中所述材料为具有良好的热传递性能的材料。所示的菱形开口96a或者其它形状的开口可以形成在金属板内。这些开口不需要具有相同的形状或尺寸，位于相邻板内的开口也不需要彼此对齐。板内开口的尺寸和频率应被设置成足以允许空气和废气以在各自气流中最小的压降很容易地通过。这些开口还提供了用于将热量传递到板内和将热量从板内传出的大的表面积。

板96和壁元件97优选为薄的元件。通常，板96的厚度为0.005-0.100英寸，并更优选为0.020-0.50英寸。板的厚度被设置成可足以产生低的温度降，同时将热量从废气传递给进气，板的厚度在某种程度上还取决于所采用的金属以及所期望的需通过板的热通量。分隔壁元件97可具有类似的厚度，或者如果需要的话，还可以比该板的厚度更大。元件97的绝热属性被选择为足以使相邻的板96发生热绝缘；这允许板在不同的温度下操作，从而允许位于两种气流之间的逆流热交换。与最热的废气78a接触的最下面的板因此也承受着最高的温度，同时，与进入的环境空气接触的最高的板处于最低的温度下。

如图10所示，分隔壁元件97不利于位于换热组件30内的板96的平行排列。为此，元件97(a)通过如图11所示的延长支腿97b而增大。为形成组件30将多个元件97和96进行堆叠将迫使板96平行排列。

虽然未示出，但是逆流热交换元件30的其它实施例也是可能的。例如，在环形的布置中，密封件97变成圆环形，并不再需要延伸支腿97b以产生板96的平行定位，其中板在内环面和外环面之间延伸，以用于热交换。在另一结构中，两块分离的带孔板可以被折叠成蜿蜒的图案，从而形成平行的板。可以采用用作分隔件97的薄金属片将该两块板铜焊在一起。平行板的一组蜿蜒的组件延伸到空气腔室内，而另一组则延伸到废气中，腔室之间的热传递在单一金属分隔件97上的铜焊点处产生。其它附加变型对于本领域的技术人员来讲也是显而易见的。

总之，所示的实施例披露了用于对输送到燃烧器75的输入空气进行预热的优选结构。实际上，在本发明最宽的保护范围之内，实际的组件只需包括通过将元件以密封方式安装在分离壁内来将废气中的热量有效地传递到进气中的多块板或者其它元件。

用于回收废气中的热量的结构应该包括流动面积相对较大的腔室以及与此相关的空气和废气通道，以及位于热传递板内的相对较大开口或其它形成较大开口的热传递元件，从而该结构将产生低的压降，并且使空气通过风扇20的能量损耗很低。

类似的考虑还涉及与压力容器40的加热相关的通道。因此，催化燃烧器75优选具有较大的横断面，并且在流过其间的空气/燃料的方向上形成有多个基本平行的通道。

例如，根据已知的结构，以下燃烧器为具有较高满意度的例子之一，该燃烧器的深度为两英寸，并具有多个通道(每平方英寸上大约具有200个单元)，且由涂覆有贵金属涂层的挤压陶瓷构成。类似地，用于加热输入空气的换热器可以由延展并轧制的铝制成，并且其开口面积接近40％。

压力容器10类似并优选地被构造为相对较大的带翅片结构，并且翅片之间具有恰当的间距，从而与热交换器5一样，在气体穿过容器时将产生较低的***压降。

例如对***内的原料进行预热和从提纯的氢气和重整后的气体中回收热量的其它换热***也在产生有效和改进的重整装置方面获得了显著的效果。

具有包括位于进气口处的热交换器和排气通道、原料预热线圈、相连的流动管线、催化燃烧器和带翅片压力容器在内的特殊空气和燃料输送***的组合结构可以产生极小的燃烧器气体压降。因此，用于使空气和废气进入并通过单元所需的电能较少。这便与低热损失一起使重整器效率的得到相应提高。

所示设计的独有特征还涉及对具有不同最大输出水平的***进行经济和按比例地构造。具有线性轴线的所示实施例的若干元件和部件允许通过将元件的线性长度设计成与所需产量直接相关来构造不同产量的容器。因此，正如这里所披露的，包括燃烧器面积、热交换面积、催化剂体积、提纯薄膜的面积、排出热传递***、将原料管线与残留物管线和/或氢气管线相连的逆流加热单元在内的每一相关元件与该元件和部件(以及由与最终结构)沿该线性轴线方向上的长度直接相关。

例如，如果压力容器的长度加倍的话，则进气腔室和排气腔室、进气输送和原料热传递单元以及燃烧器和相关的通道也会加倍，从而产生加倍的输出产量。

该装置的设计和结构在以下方面特别具有独特性，即它不仅允许可很容易地进行比例设计和量测，而且还提供了经济的维修结构。在提纯器中，薄膜和催化剂元件可能需要进行周期性的更换，在优选实施例中，它们均能够很容易地更换。因此，在本领域中的维修就可以由简单并容易地更换包括提纯器单元和催化剂在内的整个带翅片压力容器的步骤组成，或者由更换连接在端板上的防护件和芯体单元同时重复使用带翅片容器和凸缘单元的步骤组成。

所示出的实施例可以处理任何不同原料。虽然在优选的实施例中仅使用了易混合的水/燃料，但是也可以采用用于处理各种燃料的分离的燃料和水供给装置，而且，除了根据现有技术中披露的原料调整步骤外，其还可包括例如燃料脱硫、水质处理和类似步骤等其它各种步骤。同样地，各种部件的尺寸和位置可以根据这里所披露的内容进行变化。例如，薄膜技术的改进将允许采用更小的薄膜收集器面积，类似地，催化剂的改进将允许采用更小体积的催化剂。

可通过典型的用户界面需求，例如液晶显示器22和操作员控制台23(参见图2)对重整器进行特定的监控、操作和控制，这涉及之前已经披露并且本领域的技术人员已知的装置、硬件、操作状态和算法。典型的例子可在ONSI公司(1996年4月)出版的“PC-25C现场燃料电池厂维修手册卷1”(“PC-25C On-Site Fuel Cell Power Service Manual Volume 1”)及其类似物中找到。

总之，本发明提供了改进和独特的重整器结构，这种结构用于从各种含氢燃料中提纯氢气。本发明所示的优选实施例还提供了一种重整***，该***以在空气供给***中产生低的压降的方式操作，应由此产生一低成本的***。

Claims (55)

1.一种用于从加压富氢燃料中生产提纯氢的重整器，它包括包含于一催化剂单元中的催化剂床，该催化剂单元具有燃料进口和间隔的重整燃料出口，所述单元在催化剂床的加热下有效地对富氢燃料进行重整，并产生含有氢气的重整气体，

可透过氢气的提纯部件，该部件安装在所述催化剂床的下游，并且可操作地将重整气体分离和提纯为氢气和残留物；以及

用于所述催化剂床的加热***，它包括产生连续热气流的热源，所述热源与催化剂单元直接相连，并被布置成使所述热气体作为连续的气流横向穿过位于所述燃料进口和所述间隔的重整燃料出口之间的催化剂单元的整个长度，同时对所述催化剂床和所述富氢燃料进行加热。

2.如权利要求1所述的重整器，其特征在于，所述催化剂单元和所述可透过氢气的提纯部件以共轴关系安装，其中可透过氢气的提纯部件可操作地接收和去除来自产生于催化剂床中的重整气体中的氢气。

3.如权利要求2所述的重整器，其特征在于，所述催化剂单元为圆筒形，并具有敞开的内部环形空间，所述可透过氢气的提纯部件包括分离的圆筒形单元，并且该可透过氢气的提纯部件单元位于所述催化剂单元的环形空间内。

4.如权利要求3所述的重整器，其特征在于，包括***到所述催化剂床和所述可透过氢气的提纯部件之间的防护件，以防止催化剂与所述部件接合，所述防护件具有便于使氢气穿过所述可透过氢气的提纯部件的通道。

5.如权利要求2所述的氢气重整器，其特征在于，所述催化剂单元包括高热传导性材料的外壁以及多个固定在外部并从所述外壁向外延伸的翅片，由此所述热流体穿过所述催化剂单元并与所述翅片和所述外壁相接合，以用于加热所述催化剂床。

6.如权利要求5所述的氢气重整器，其特征在于，所述翅片从所述外壁径向突出，以使所述废气在所述催化剂单元上进行受控制的流动。

7.如权利要求1所述的重整器，其特征在于，所述催化剂单元包括由一线性轴线限定的长度，并且所述可透过氢气的提纯器单元具有基本上与所述催化剂单元的长度一致的长度，并且该提纯器单元被共轴地安装在所述线性轴线上。

8.一种用于从富氢原料中分离和提纯氢气的重整器，包括：

线性金属压力容器，该容器具有沿着一线性轴线布置在该压力容器内的催化剂床，以用于产生氢气，所述容器被构造并设置有原料进口、重整气体出口、氢气选择薄膜以及加热单元，其中所述进口将要被重整的加压燃料引入到所述催化剂床内，所述氢气选择薄膜位于所述催化剂床的下游，并可操作地接收重整气体并将重整气体分离成氢气和残留物，所述加热单元位于所述压力容器的上游，并且直接将被加热的流体流通过该催化剂床横向地排放到催化剂床的线性轴线上，所述被加热的流体流具有与该催化剂床的长度基本对应的长度。

9.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，含有催化剂的线性金属压力容器为圆筒形，其含有所述氢气选择薄膜，并且该催化剂床在该容器内共轴关系围绕着该氢气选择薄膜。

10.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述薄膜仅将部分氢气从重整气体中去除以得到提纯的氢气，所述残留物包括一些残留的氢气。

11.如权利要求9所述的重整器，其特征在于，所述原料进口和重整气体出口间隔开，其中催化剂床位于其间，从而使得加热流体流有效地将燃料和催化剂床加热，以便于氢气的产生。

12.如权利要求11所述的重整器，其特征在于，所述催化剂床和氢气选择薄膜由防止催化剂床和薄膜接合的保护壁分隔。

13.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述加热单元包括催化燃烧器和用于使所述残留物和空气的混合物穿过所述燃烧器并产生所述用于加热容器的加热流体流的装置。

14.如权利要求9所述的重整器，其特征在于，所述容器具有相对端，其中一端是封闭的，而另一端是敞开的，并且所述重整器还包括以密封方式可拆卸地安装在所述容器的所述另一端上的端板单元，其中原料进口、重整气体出口以及提纯的氢气均穿过所述端板单元。

15.如权利要求14所述的重整器，其特征在于，所述催化剂床和氢气选择薄膜由防止催化剂床和薄膜接合的保护壁分隔。

16.如权利要求15所述的重整器，其特征在于，所述保护壁固定在所述端板单元上，并且形成用于催化剂床的内部环形壁。

17.如权利要求11所述的重整器，其特征在于，还包括与该容器的一端相连的端壁，所述原料进口延伸穿过所述端壁进入到催化剂床中，以将原料排放到催化剂床中，一氢气回收管线延伸穿过与所述薄膜相连的端壁，以回收提纯的氢气，所述重整气体出口在与所述原料进口相间隔的位置处延伸穿过所述端壁。

18.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，还包括与氢气选择薄膜相通的氢气排出管线，其中所述加压原料进口以逆流方式与所述氢气排出管线和所述重整气体出口中的至少一个相连，以对所述原料进行预热。

19.如权利要求18所述的重整器，其特征在于，所述原料进口与所述氢气排出管线和所述重整气体出口均相连。

20.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述氢气选择薄膜由从以下组中选择的材料制成，所述组由无机分子筛、纯金属、合金以及与纯金属或金属结合的无机分子筛组成。

21.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述氢气选择薄膜固定在一多孔芯体上，该多孔芯体由从以下组中选择的材料制成，所述组由多孔金属材料、多孔陶瓷材料、多孔含碳材料或者所述材料的层压品组成。

22.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，一甲烷化催化剂位于提纯薄膜的一侧。

23.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，包括固定在该容器上并从容器向外突出的一系列间隔翅片，所述翅片为热导体，以将热传递给该容器，用于对所述催化剂床加热。

24.如权利要求23所述的重整器，其特征在于，所述翅片为矩形翅片并限定了矩形外表面结构。

25.如权利要求24所述的重整器，其特征在于，包括一封闭装置，该装置限定出位于所述容器上方的加热通道，该加热通道包括废气进入通道和废气排出通道，它们位于介于所述封闭装置之间的容器的相对侧。

26.如权利要求23所述的重整器，其特征在于，所述翅片沿所述容器的长度均匀地间隔，以控制所述催化剂床的加热。

27.如权利要求23所述的重整器，其特征在于，所述翅片沿所述容器的长度变化地间隔，以在催化剂床中产生不均匀的热通量。

28.如权利要求23所述的重整器，其特征在于，所述加热单元包括催化燃烧器，并且所述催化燃烧器被形成为位于翅片表面上的涂层。

29.如权利要求13所述的重整器，其特征在于，还包括用于使残留物降压的残留物压力控制装置、位于所述被降压的残留物的下游以用于将所述被降压的残留物分散在空气中的分散装置以及用于将残留物/空气混合物输送到所述催化燃烧器中以供给至所述被加热的流体流的装置。

30.如权利要求29所述的重整器，其特征在于，所述分散装置包括一个或多个多孔部件，以便所分配的残留物/空气混合物在原料进口处较多而在重整气体出口处较少，从而导致在每单位面积上靠近原料进口处的催化剂床所产生的热通量比靠近重整气体出口处的催化剂床所产生的热通量大。

31.如权利要求9所述的重整器，其特征在于，所述容器包括位于一端和相对端处的封闭壁、可拆卸地连接在所述容器的开口端上并将该开口端封闭的端板、将所述容器连接到该端板单元上的可拆卸固定装置、将所述氢选择性薄膜与所述端板单元固定连接以允许薄膜从所述容器中分离的固定连接装置，并且所述端板用于更换所述薄膜或位于薄膜周围的催化剂床。

32.如权利要求31所述的重整器，其特征在于，包括与所述端板单元相连并且位于所述薄膜和所述催化剂床之间的保护壁。

33.如权利要求32所述的重整器，其特征在于，所述端板单元包括固定在所述容器上的安装凸缘以及可拆卸地固定在所述凸缘上的端壁，

所述原料进口延伸穿过所述端壁进入催化剂床内，以将原料排放到催化剂床内，一氢气回收管线延伸穿过所述端壁并与薄膜相通，以回收氢气，重整气体出口延伸穿过所述与催化剂床相连的端壁，以接收来自催化剂床的残留物，所述加热单元包括具有包含所述残留物的被降压的燃料供给的燃烧器。

34.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，还包括一陶瓷件，该陶瓷件具有固定到其外表面上的所述氢气选择薄膜。

35.如权利要求34所述的重整器，其特征在于，所述薄膜为位于所述陶瓷件上的金属件。

36.如权利要求33所述的重整器，其特征在于，所述保护壁和所述薄膜被固定到所述可拆卸的端壁上，以用于作为一整体单元被更换。

37.如权利要求33所述的重整器，其特征在于，所述凸缘以固定的方式连接到所述容器上，其中一密封件位于所述凸缘和所述端壁的相对表面之间，以在所述容器的开口端附近提供高压密封，所述保护壁和所述薄膜被固定到所述端壁上并且作为一整体单元进行拆卸，以用于在保持带翅片外部容器的同时更换薄膜和保护壁。

38.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述原料进口包括以蜿蜒的路径布置在所述压力容器的下游处的所述被加热流体流的路径上的导管。

39.如权利要求21所述的重整器，其特征在于，所述固定在所述芯体上的薄膜的厚度在0.1到100微米的范围内。

40.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述压力容器安装在一壳体内，该壳体包括将该壳体分隔成一进气通道和一排气通道的竖直壁，其中该进气通道包括位于所述竖直壁的一侧以将空气输送至位于所述压力容器上游的加热单元的进气腔室，所述排气通道包括位于所述壁的相对侧以将来自所述加热单元的排放气体排出的排气腔室。

41.如权利要求40所述的重整器，其特征在于，所述进气和排气通道的结构和尺寸被设置成在进气通道和排气通道中建立压力小于1磅/平方英寸的低压流道。

42.如权利要求40所述的重整器，其特征在于，所述加热单元包括一催化燃烧器，所述输入空气通过所述催化燃烧器，所述残留物与一燃料分散单元相连，该燃料分散单元位于进气通道内的燃烧器的上游，所述分散单元使所述进气与所述残留物混合，并且将所述空气/残留物燃料的混合物引导至所述催化燃烧器内，以用于产生所述被加热的流体流，该流体流横向地穿过压力容器，以将催化剂床加热到产生氢气的所需反应温度。

43.如权利要求42所述的重整器，其特征在于，包括一逆流排放换热***，以用于对进入的空气进行加热，所述换热***包括多个由导热材料制成的传热板，并且所述板中的每一个横向地安装在所述竖直壁上并且延伸穿过所述进气和排气通道，所述板还包括多个分布的开口，以允许空气流和排放气体流基本上自由地穿过所述板，该换热***还包括位于所述板和所述竖直壁之间的密封装置，以防止混合的排放气体流和进气流相混合，由此所述板便于来自排放的废气流的热量流向输入空气。

44.如权利要求43所述的重整器，其特征在于，所述密封装置包括位于所述板中的每一个之间的绝热密封件，并且该密封件具有足够的宽度，从而基本上防止了输入空气和排放废气的混合。

45.如权利要求44所述的重整器，其特征在于，所述板中的每一个位于与所述输入空气和所述排放废气的流动方向垂直的平面内。

46.如权利要求8所述的重整器，其特征在于，所述压力容器包括外壁和相对端，其中一端是封闭的，而另一端是敞开的，并且所述容器还包括固定在所述外壁的开口端上的凸缘以及拧紧在所述凸缘上并且可操作地将所述压力容器的开口端封闭的外部端板，所述凸缘和所述端板具有相对的扁平表面，该扁平表面中的每一个具有彼此对准的密封凹槽，所述凹槽中的每一个包括彼此对准的延伸的指部，所述容器还包括密封件，该密封件位于对准的凹槽内，并且具有当将端板连接到凸缘上时迫使其与凹槽进行密封接合的指部。

47.如权利要求46所述的重整器，其特征在于，所述密封件为塑性金属件。

48.一种用于氢气重整器的可更换芯体单元，它包括限定出一用于容纳催化剂床的腔室的容器，所述容器的一端是封闭的，而另一端是敞开的，所述芯体单元包括一封闭件，该封闭件被构造为可拆卸地连接在所述容器的所述敞开端上，并且形成了用于封闭所述腔室的壁，一可透过氢气的薄膜芯体单元突出到所述容器内并且固定在所述封闭件上，所述薄膜芯体单元限定了一用于容纳形成在所述催化剂床内的氢气的腔室。

49.如权利要求48所述的可更换芯体单元，其特征在于，所述催化剂床围绕一管状开口内环面，并且所述薄膜芯体单元与催化剂床共轴地布置在该内环面内。

50.如权利要求49所述的可更换芯体单元，其特征在于，所述薄膜芯体单元包括位于所述可透过氢气的薄膜上并且与之间隔的外部突出防护件，所述防护件固定在所述封闭闭件上并且防止催化剂床与该薄膜接合。

51.一种用于对重整器内的输入空气进行加热的逆流换热***，其中所述重整器用于产生氢气，并具有由一共用壁所分隔的进气腔室和相邻的废气排放腔室，所述换热***包括多个由导热材料形成的传热板，所述板中的每一个横向安装在所述竖直壁上并且跨过所述进气腔室和所述废气排放腔室延伸，该板包括多个分布的开口，以允许进气流和排放废气流基本上自由地通过所述板，所述换热***还包括位于所述板和所述共用壁之间以防止排放废气和输入空气流混合的密封装置，由此所述板便于来自排放废气流的热量流向输入空气。

52.如权利要求51所述的***，其特征在于，所述密封装置包括位于所述板中的每一个之间的绝热密封件，并且该密封件具有足够的宽度，以基本上防止输入空气和排放废气混合。

53.如权利要求52所述的***，其特征在于，所述传热板中每一个位于与所述输入空气和所述排放废气的流动方向垂直的平面内。

54.一种生产氢气的方法，包括以下步骤：

通过将原料输送通过催化剂床以产生重整气体而对富氢原料进行重整；

将重整气体分离成氢气和残留物；

通过使来自燃烧器的热气体以连续流的方式横向通过所述催化剂床而将催化剂床加热至所需的反应温度；

将至少一部分残留物循环至所述燃烧器，以作为所述燃烧器的燃料；

回收所述氢气。

55.如权利要求54所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

将空气供给到所述燃烧器中；以及

在所述催化剂床的下游位置处通过传递来自所述热气体的热量对所述空气进行预热。

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