集成的氣態(tài)燃料催化部分氧化重整器和燃料電池系統(tǒng)、以及產(chǎn)生電力的方法
【專利說明】集成的氣態(tài)燃料催化部分氧化重整器和燃料電池系統(tǒng)、以及產(chǎn)生電力的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉應(yīng)用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年11月6日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61 /900，552的申請(qǐng)日的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，將其全部公開內(nèi)容引入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本教導(dǎo)涉及集成的氣態(tài)燃料催化部分氧化重整器和燃料電池系統(tǒng)、以及將氣態(tài)可重整燃料催化部分氧化重整以制造可在燃料電池單元內(nèi)被轉(zhuǎn)化為電力的富含氫氣的重整物的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]氣態(tài)或液體可重整燃料向富含氫氣的包含一氧化碳的氣體混合物(通常被稱為“合成氣體”或“合成氣”的產(chǎn)物)的轉(zhuǎn)化可根據(jù)任意這樣的公知燃料重整操作例如蒸汽重整、干重整、自熱重整、和催化部分氧化(CPOX)重整進(jìn)行。這些燃料重整操作各自具有其與眾不同的化學(xué)和要求并且各自的特點(diǎn)是其相對(duì)于其它而言的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
[0005]改進(jìn)的燃料重整器、燃料重整器部件、和重整工藝的發(fā)展由于燃料電池(S卩，用于將可電化學(xué)氧化的燃料例如氫氣、氫氣與一氧化碳的混合物等電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電力的裝置)的潛力而依舊是相當(dāng)多的研究的焦點(diǎn)，對(duì)于包括主動(dòng)力設(shè)備(MPU)和輔助動(dòng)力設(shè)備(APU)在內(nèi)的通常應(yīng)用依舊起到極大擴(kuò)展的作用。燃料電池也可用于專業(yè)化應(yīng)用例如作為用于電動(dòng)車的機(jī)載發(fā)電裝置，用于住宅用裝置的備用電源，用于在離網(wǎng)場(chǎng)所中的休閑用途、戶外和其它耗電裝置的主電源，和用于便攜式電池組(包裝)的更輕質(zhì)、更高功率密度、不依賴環(huán)境溫度的替代品.
[0006]由于氫氣的大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)、其分銷所需要的基礎(chǔ)設(shè)施、以及用于其存儲(chǔ)(尤其是作為運(yùn)輸燃料)的實(shí)用手段普遍被認(rèn)為還有長的路要走，因此很多當(dāng)前的研究和開發(fā)目的在于改進(jìn)作為可電化學(xué)氧化的燃料(特別是氫氣與一氧化碳的混合物)的來源的燃料重整器和作為這樣的燃料到電力的轉(zhuǎn)化器的燃料電池組件(通常被稱為燃料電池“堆”)兩者，以及將燃料重整器和燃料電池集成到用于產(chǎn)生電能的更緊湊、可靠和有效率的裝置中。
[0007]和燃料重整器的情況一樣，已知且常規(guī)的燃料電池有多種類型和構(gòu)型，包括磷酸燃料電池(PAFC)、堿性燃料電池(AFC)、聚合物電解質(zhì)膜(或者質(zhì)子交換膜)燃料電池(PEMFC)、和固體氧化物燃料電池(SOFC)。進(jìn)一步地，在這些類型的燃料電池的每一種內(nèi)存在許多變型。例如，SOFC可被分為屬于三種主要的子類型之一:管式、平面型、和整體式(monolithic)，其中各子類型的許多代表是本領(lǐng)域中已知的。類似于燃料重整器，各不同類型和子類型的燃料電池相對(duì)于其它具有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
[0008]CPOX重整(或者簡(jiǎn)稱為CP0X)作為將富含氫氣的重整物供應(yīng)至燃料電池堆(例如具有從100瓦到100千瓦的任何地方的標(biāo)稱額定功率、以及在之間的所有額定功率的那些)的方式已經(jīng)引起了特別的關(guān)注方式。CPOX重整的優(yōu)點(diǎn)有，反應(yīng)是放熱的，這與蒸汽重整和干重整形成對(duì)照，蒸汽重整和干重整是需要外部熱源的吸熱反應(yīng)。
[0009]此外，CPOX反應(yīng)通常比其它重整反應(yīng)快，這容許構(gòu)造能夠快速啟動(dòng)并且對(duì)擔(dān)載的變化快速響應(yīng)的相對(duì)小的重整器。與需要水和蒸汽的處理的重整器(例如，蒸汽重整器和自熱重整器，其需要用于水的存儲(chǔ)單元、用于產(chǎn)生蒸汽的加熱單元、用于供應(yīng)熱以驅(qū)動(dòng)吸熱的重整反應(yīng)的燃燒器或燃燒單元等、以及它們的相關(guān)流體發(fā)送(routing)和操作-監(jiān)測(cè)和控制裝置)相比，CPOX重整器還往往在設(shè)計(jì)方面更簡(jiǎn)單。
[0010]然而，并且如先前所認(rèn)識(shí)到的(參見例如美國專利N0.6，790，431和7，578，861)，在CPOX反應(yīng)期間產(chǎn)生的典型地高水平的熱可具有不期望的后果，包括對(duì)重整器和/或其部件例如CPOX催化劑、催化劑擔(dān)載體、和其它結(jié)構(gòu)部件的損害。這是許多目前的CPOX重整器設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)并且是需要有效解決方案的主要缺點(diǎn)。
[0011]一種已知類型的CPOX重整器包括催化劑擔(dān)載體部件(通常被稱為“催化劑單塊”、“單塊催化劑擔(dān)載體”、“單塊基底”或者簡(jiǎn)單地稱為“單塊”)，其具有沉積在其上的CPOX催化劑或催化劑體系。
[0012]單塊可基于兩種通常的構(gòu)型分類:特征在于呈現(xiàn)出穿過其的基本上線性的氣體流路的蜂窩狀、有溝道的、金屬絲網(wǎng)或螺旋-蜿蜒的波紋板結(jié)構(gòu)的金屬或陶瓷主體的第一種構(gòu)型，和特征在于呈現(xiàn)出穿過其的曲折的氣體流路的網(wǎng)狀的、或開放的孔結(jié)構(gòu)的金屬或陶瓷泡沫體主體的第二種構(gòu)型。在例如如下中公開了一種或另一種通常類型的代表性單塊:美國專利N0.5,527 ,631;6,402 ,989;6,458,334;6 ,692，707;6，770 ,106;6，887，456;6,984，371; 7,090,826 ;7，118,717 ;7 ,232,352 ;7,909,826 ;7,976,787 ;8,323,365;和美國專利申請(qǐng)公布 N0.2013/0028815。
[0013]如圖1A中所示，以縱截面觀察的作為普通的現(xiàn)有技術(shù)類型的單塊100包括:由浸漬(灌注)或洗涂有CPOX催化劑的許多溝道102構(gòu)成的蜂窩狀陶瓷主體101，用于接納氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物即氣態(tài)氧化劑(典型地，空氣)和可重整燃料(例如，氣態(tài)燃料例如甲烷、天然氣、丙烷或丁烷，或者氣化的氣態(tài)燃料例如汽油、煤油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料(jet fuel)或柴油)的混合物的入口端103，用于排出富含氫氣的包含一氧化碳的重整物產(chǎn)物(合成氣)的出口端104，和基本上與整個(gè)單塊共同延伸的CPOX反應(yīng)區(qū)(zone)105。
[0014]CPOX反應(yīng)區(qū)105可被認(rèn)為具有被外部或外圍區(qū)域(reg1n) 107包圍的內(nèi)部或者中央?yún)^(qū)域106，通過內(nèi)部或者中央?yún)^(qū)域106，氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物物流的相應(yīng)的內(nèi)部或中央部分固有地在相對(duì)高的速度V1范圍內(nèi)流動(dòng)，通過外部或外圍區(qū)域107，氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物物流的相應(yīng)的外部或外圍部分固有地在相對(duì)低的速度^范圍內(nèi)流動(dòng)。
[0015]單塊典型地經(jīng)歷相當(dāng)高的CPOX反應(yīng)溫度，例如，大約600°C_1，100°C。在蜂窩狀單塊100的情況下，與分別在CPOX反應(yīng)區(qū)105的內(nèi)部和外部區(qū)域106和107內(nèi)流動(dòng)的CPOX反應(yīng)混合物物流的流動(dòng)速度…和…的固有差異耦合(結(jié)合)的這些高溫往往導(dǎo)致導(dǎo)致單塊100以及其中涉及CPOX重整的其它基本上線性的流路單塊的所觀察到的操作缺點(diǎn)。
[0016]在600°c-l，100C的CPOX反應(yīng)溫度下，單塊100在其入口端103處輻射大量的熱。即使在小心地監(jiān)測(cè)和控制CPOX反應(yīng)條件的情況下，防止或抑制“閃燃”(即，輻射熱區(qū)108內(nèi)的CPOX氣態(tài)反應(yīng)混合物物流在該物流接近入口端103時(shí)的過早燃燒)的現(xiàn)象也可為困難的。在接近于入口端103的初始CPOX反應(yīng)區(qū)109內(nèi)發(fā)生的CPOX反應(yīng)的放熱熱(熱量)從其向外輻射到輻射熱區(qū)108中。該輻射熱可具有足夠的強(qiáng)度來使前進(jìn)的CPOX反應(yīng)混合物物流(通過箭頭表示)的溫度升高至其閃點(diǎn)。CPOX反應(yīng)混合物在輻射熱區(qū)108內(nèi)的閃燃導(dǎo)致不期望的熱事件，使溫度升高至其中可使催化劑氣化或減活和/或可損害重整器結(jié)構(gòu)或者使其無效的點(diǎn)。這些熱事件還可導(dǎo)致在該區(qū)內(nèi)燃料裂解并且因此，增加的焦炭(碳顆粒)形成，導(dǎo)致CPOX催化劑性能的惡化。在所述富含氫氣的重整物流出物用作燃料電池堆的燃料時(shí)，其中包含的焦炭和未重整的較高的烴片段也將沉積在燃料電池的陽極表面上，導(dǎo)致產(chǎn)物重整物向電力的降低的轉(zhuǎn)化。
[0017]如圖1A中進(jìn)一步顯示的，在CPOX反應(yīng)區(qū)105分別的內(nèi)部和外部區(qū)域106和107內(nèi)的CPOX反應(yīng)混合物物流的流動(dòng)速度VjPV2的前述差異還對(duì)在這些區(qū)域中的CPOX反應(yīng)溫度范圍TjPT2的差異負(fù)主要責(zé)任。因此，內(nèi)部區(qū)域106內(nèi)的CPOX反應(yīng)混合物物流的較高的速度V1導(dǎo)致其中的CPOX反應(yīng)的較高的速率以及伴隨而來的較高的反應(yīng)溫度!^并且相反地，外部區(qū)域107內(nèi)的CPOX反應(yīng)混合物物流的較低的速度V2導(dǎo)致其中的CPOX反應(yīng)的較低的速率以及伴隨而來的較低的反應(yīng)溫度τ2?？缭絻?nèi)部和外部區(qū)域106和107的溫度廓線(分布圖)可由溫度曲線110表示。CPOX反應(yīng)溫度Tl的急劇上升，如果足夠高的話，可導(dǎo)致對(duì)單塊100的損害和甚至完全破壞。
[0018]如圖1B中所示，以縱截面觀察的現(xiàn)有技術(shù)類型泡沫體單塊150包括:陶瓷泡沫體主體151，其特征在于互連孔的網(wǎng)狀的或者開放的網(wǎng)絡(luò);和孔溝道152，其擔(dān)載通過常規(guī)或者其它已知程序例如浸漬或洗涂而沉積在其上的CPOX催化劑或催化劑體系。
[0019]所有類型的泡沫體單塊的一個(gè)缺點(diǎn)是與線性流動(dòng)單塊例如圖1A的蜂窩狀單塊100相比由于它們更高的對(duì)流動(dòng)的阻力而引起的它們的更高的壓力降。更高的壓力降需要更高的操作壓力，并且因此更高的能量消耗，以滿足目標(biāo)流量。泡沫體單塊的另一固有缺點(diǎn)在于其中的氣態(tài)反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的流路(如由箭頭所示)的性質(zhì)。這些流路的特性隨機(jī)性導(dǎo)致單塊內(nèi)非常不均勻的溫度廓線(例如，如由溫度曲線153所示)，使由于熱點(diǎn)引起的熱沖擊和/或由于冷點(diǎn)引起的降低的CPOX轉(zhuǎn)化速率的風(fēng)險(xiǎn)增加。
[0020]所有類型的泡沫體單塊還非常像以上討論的線性流路單塊的情況中一樣易于閃燃。另外，泡沫體單塊有作為它們的種類所特有的其它缺點(diǎn)的趨向。取決于制造已知的和常規(guī)的泡沫體單塊的方式，它們可具有相對(duì)脆弱的孔網(wǎng)絡(luò)，尤其是在它們的中央?yún)^(qū)域內(nèi)，或者它們可到處具有較結(jié)實(shí)的孔結(jié)構(gòu)。兩種類型的泡沫體單塊均易發(fā)生其它缺點(diǎn)。
[0021 ]在具有相對(duì)脆弱的核心區(qū)域的泡沫體單塊的情況下，由CPOX重整器的快速熱循環(huán)(是將富含氫氣的重整物供應(yīng)至燃料電池組件的CPOX重整器的典型(特征))導(dǎo)致的熱沖擊可隨著時(shí)間流逝而使它們的結(jié)構(gòu)退化至如下程度:其中就算有CPOX反應(yīng)，其也以非常低效的方式進(jìn)行。
[0022]在具有較堅(jiān)固的孔結(jié)構(gòu)的泡沫體單塊的情況下，這樣的結(jié)構(gòu)往往放大穿過其的氣體流路的隨機(jī)性。雖然由于熱點(diǎn)而對(duì)孔結(jié)構(gòu)的損害可為可忽略不計(jì)的或者不存在的，但是消極地影響CPOX反應(yīng)的生產(chǎn)率的散布且飛逝的冷點(diǎn)的問題仍然是該類型的泡沫體單塊的缺點(diǎn)。
[0023]還將注意，即使通過嚴(yán)格定義的、嚴(yán)密控制的工藝制造時(shí)，泡沫體單塊也將在它們的孔結(jié)構(gòu)方面且因此在它們的氣體流動(dòng)性質(zhì)方面與通過相同工藝制造的其它泡沫體單塊不同。作為在它們的微觀結(jié)構(gòu)方面的不可避免的差異的結(jié)果，通過相同的制造工藝產(chǎn)生的各個(gè)泡沫體單塊往往呈現(xiàn)出可僅以經(jīng)驗(yàn)方式確定的特異性的操作特性。實(shí)際上，將賦予引入相同制造的泡沫體單塊的重整器以較寬范圍的性能和可靠性參數(shù)或規(guī)格以慮及在它們的性能方面的無法預(yù)料的變化。
[0024]另外，CPOX重整器與燃料電池的集成應(yīng)當(dāng)是對(duì)于提供適合于需要電力的特定應(yīng)用的集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)而言有效率的和有效的。
[0025]因此，工業(yè)期望可解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)中的某些的集成的CPOX重整器和燃料電池系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)以及與用于產(chǎn)生電力的燃料電池系統(tǒng)集成的CPOX重整的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]鑒于以上，本教導(dǎo)提供集成的氣態(tài)燃料CPOX重整器和燃料電池系統(tǒng)(在本文中也稱作“重整器-燃料電池系統(tǒng)”和相關(guān)變換)、以及將氣態(tài)可重整燃料CPOX重整以制造富含氫氣的重整物和將所述富含氫氣的重整物電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電力的方法，該系統(tǒng)和方法可解決現(xiàn)有技術(shù)的不足和/或缺點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)。例如，本教導(dǎo)的集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)和方法可提供:在氣態(tài)燃料CPOX重整器段(sect1n)中或者在CPOX重整操作中很少或者沒有發(fā)生閃燃或“失控”熱事件的機(jī)會(huì)或趨向、在氣態(tài)燃料CPOX反應(yīng)器或CPOX重整中沒有過高的CPOX反應(yīng)溫度、和/或遍及氣態(tài)燃料CPOX重整器段和/或作為整體的集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的全部的氣態(tài)物流路線和氣體流動(dòng)部件和通道的所有的低的背壓。
[0027]另外，本教導(dǎo)的氣態(tài)燃料CPOX重整器和燃料電池段的設(shè)計(jì)可允許有效率的和有效的耦接(結(jié)合)到集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)中。例如，CPOX反應(yīng)器單元的出口的橫截面可匹配燃料電池單元的入口的橫截面，從而允許所述單元的直接耦接。對(duì)于包括緊湊的占用空間(footprint)和/或設(shè)計(jì)的多種應(yīng)用和條件，可靈活地改變和/或修改這樣的系統(tǒng)。
[0028]在一個(gè)方面中，本教導(dǎo)涉及集成的氣態(tài)燃料CPOX重整器和燃料電池系統(tǒng)，其中所述集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)包括氣態(tài)燃料CPOX重整器段和燃料電池段。
[0029]所述氣態(tài)燃料CPOX重整器段可包括如下的氣態(tài)燃料CPOX重整器:其具有如本文中所描述的隔開的CPOX反應(yīng)器單元的陣列；以及與所述氣態(tài)燃料CPOX重整器的至少一個(gè)CPOX反應(yīng)器單元的CPOX催化劑例如至少一個(gè)CPOX反應(yīng)器單元的包含CPOX催化劑的壁段熱連通的點(diǎn)火器。
[0030]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的CPOX反應(yīng)器單元典型地包括具有擁有內(nèi)表面和外表面的壁的伸長管(elongate tube)。因此，“氣態(tài)燃料CPOX重整器”可被認(rèn)為是“氣態(tài)燃料多管式CPOX重整器”，其中這樣的表述以及其變換在本文中可互換地使用，除非由上下文以其它方式理解。所述CPOX反應(yīng)器單元的壁圍封開放的氣流通道(氣體流動(dòng)通道)并且限定在一個(gè)末端處的用于接收流體流的入口和在反向末端處的用于排放流體流的出口。CPOX反應(yīng)器單元可至少與在所述陣列中的相鄰CPOX反應(yīng)器單元(一個(gè)或多個(gè))熱連通。所述CPOX反應(yīng)器單元可讓其壁(包括內(nèi)表面)的至少一段包括CPOX催化劑。所述包含CPOX催化劑的壁段典型地是透氣性的以容許氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物在其中擴(kuò)散和產(chǎn)物富含氫氣的重整物從其擴(kuò)散。所述包含CPOX催化劑的壁段可在CPOX反應(yīng)條件下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0031 ]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的氣態(tài)燃料CPOX重整器可包括與至少所述包含CPOX催化劑的壁段的外表面結(jié)合(例如附著至或者粘附至其)的氫氣阻擋物。所述氫氣阻擋物可與CPOX反應(yīng)器單元的壁的大部分、基本上全部、或者整個(gè)外表面結(jié)合。例如，加壓流體例如加壓氣體可為(例如，與所述包含CPOX催化劑的壁段的至少外表面結(jié)合的)氫氣阻擋物。
[0032]關(guān)于所述隔開的CPOX反應(yīng)器單元的陣列和它們的熱連通，所述CPOX反應(yīng)器單元通常以近到足以使來自一個(gè)CPOX反應(yīng)器單元中的CPOX反應(yīng)的熱引發(fā)一個(gè)或多個(gè)相鄰CPOX反應(yīng)器單元中的CPOX反應(yīng)的距離隔開。然而，所述CPOX反應(yīng)器單元通常以遠(yuǎn)到足以允許控制所述CPOX反應(yīng)器單元的、特別是在所述CPOX反應(yīng)器單元的出口處的溫度的距離隔開。即，所述CPOX反應(yīng)器單元隔開使得可從CPOX反應(yīng)器單元發(fā)生熱損失以防止對(duì)所述CPOX反應(yīng)器單元和如果存在的話，對(duì)可與所述CPOX反應(yīng)器單元(一個(gè)或多個(gè))的出口(一個(gè)或多個(gè))流體和熱連通的燃料電池堆的損害。使用這樣的布置，隔開的CPOX反應(yīng)器單元的陣列可提供所述陣列之中的合適熱平衡并且可促進(jìn)遍及或者跨越所述陣列的熱均勻性。
[0033]例如，相鄰CPOX反應(yīng)器單元之間的最大距離可為那樣的距離:超過該距離，則無法通過來自一個(gè)CPOX反應(yīng)器單元中的CPOX反應(yīng)的熱在相鄰CPOX反應(yīng)器單元中引發(fā)CPOX反應(yīng)。換而言之，在陣列的一個(gè)(或者單個(gè))CPOX反應(yīng)器單元中引發(fā)CPOX反應(yīng)可產(chǎn)生對(duì)于在所述CPOX反應(yīng)器單元的陣列的CPOX反應(yīng)器單元的每一個(gè)中引發(fā)CPOX反應(yīng)而言的必需的熱。所述最大距離可為那樣的距離:超過該距離，則在操作的穩(wěn)態(tài)模式期間，CPOX反應(yīng)器單元的陣列的溫度下降至低于預(yù)定的最低陣列溫度例如約600°c或約650°C。
[0034]相鄰CPOX反應(yīng)器單元之間的最小距離可為那樣的距離:低于該距離，則CPOX反應(yīng)器單元的出口處的溫度大于預(yù)定的最高溫度。所述預(yù)定的最高溫度可為與CPOX反應(yīng)器單元的出口熱和流體連通的燃料電池堆的入口能忍受的溫度例如約875°C或900°C。
[0035]集成系統(tǒng)的氣態(tài)燃料CPOX重整器可包括單個(gè)點(diǎn)火器或者可包括超過一個(gè)點(diǎn)火器，例如兩個(gè)點(diǎn)火器、三個(gè)點(diǎn)火器、或更多，其中另外的點(diǎn)火器可安置成與其它CPOX反應(yīng)器單元的包含CPOX催化劑的壁段熱連通。
[0036]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的氣態(tài)燃料CPOX重整器還可包括與CPOX反應(yīng)器單元的入口流體連通的氣態(tài)可重整燃料的來源。
[0037]CPOX反應(yīng)器單元的包含CPOX催化劑的壁段可包括陶瓷或者可為陶瓷。所述包含CPOX催化劑的壁段可為多孔基底，例如，包括陶瓷或多孔陶瓷的多孔基底。至少所述包括CPOX催化劑的壁段可為或可包括鈣鈦礦。例如，這樣的壁段的大于約20重量％或大于約50重量％可為鈣鈦礦。CPOX催化劑可設(shè)置在所述壁內(nèi)和/或設(shè)置在所述壁的內(nèi)表面上。例如，可將CPOX催化劑或CPOX催化劑體系例如通過浸漬、洗涂、或者等效程序沉積在壁和/或壁的表面例如內(nèi)表面上。CPOX催化劑還部分地或完全地可形成所述壁，S卩，所述壁的結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施方式中，在CPOX反應(yīng)器單元的包含催化劑的壁段內(nèi)的CPOX催化劑的量可沿著所述壁段的長度例如在從所述CPOX反應(yīng)器單元的入口端到出口端的方向上增加，和/或可從所述壁的內(nèi)表面到外表面降低。CPOX催化劑的這樣的梯度可存在于CPOX反應(yīng)器單元的CPOX反應(yīng)區(qū)中。
[0038]本教導(dǎo)的另一特征為用于將氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物分布至所述CPOX反應(yīng)器單元的入口的歧管，即，所述歧管(或歧管室)可與所述CPOX反應(yīng)器單元的入口流體連通。所述歧管包括歧管殼(housing)，其中所述歧管殼限定歧管室。所述歧管可包括設(shè)置在所述歧管室內(nèi)并且延伸達(dá)所述歧管室的至少大部分長度的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物分布器。所述氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物分布器可與輸出氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的導(dǎo)管流體連通。所述氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物分布器可包括與所述CPOX反應(yīng)器單元的入口反向定位的一個(gè)或多個(gè)出口。所述歧管可包括與所述歧管室熱連通的加熱器和/或被動(dòng)加熱元件。所述歧管可包括空穴，其中所述歧管殼限定所述空穴。可在所述空穴內(nèi)或者鄰近于所述空穴設(shè)置密封。所述歧管殼典型地包括多個(gè)空穴，其中所述空穴的數(shù)量和布置(排列)與所述CPOX反應(yīng)器單元的入口的數(shù)量和布置一致。所述密封可接合所述CPOX反應(yīng)器單元的入口，從而在所述歧管殼和所述入口之間提供氣密密封。
[0039]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的燃料電池段可包括具有陽極、陰極、和設(shè)置在其間的電解質(zhì)的燃料電池(或燃料電池單元)ο燃料電池單元的陽極可與CPOX反應(yīng)器單元的出口流體連通。燃料電池單元的陰極可與包含氧氣的氣體(含氧氣體，oxygen-containing gas)(的來源)流體連通。燃料電池段可包括與燃料電池單元的陽極和陰極電耦接的集流體。
[0040]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元可為固體氧化物燃料電池或聚合物電解質(zhì)膜(或質(zhì)子交換膜)燃料電池。集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元可包括管式固體氧化物燃料電池例如多管式固體氧化物燃料電池。
[0041]集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元的陽極可與CPOX反應(yīng)器單元的出口經(jīng)由導(dǎo)管例如使富含氫氣的重整物穿過其的導(dǎo)管流體連通。集成的重整器-燃料電池系統(tǒng)的燃料電池單元的陰極可與包含氧氣的氣體(的來源)經(jīng)由另一導(dǎo)管例如空氣導(dǎo)管流體連通。在某些實(shí)施方式中，CPOX反應(yīng)器單元的出口可直接連接至燃料電池單元的入口，其中所述燃料電池單元的所述入口與所述燃料電池單元的陽極流體連通。
[0042]集成系統(tǒng)的燃料電池段還可包括與燃料電池單元的出口流體連通的后燃燒器。
[0043]在另一方面中，本教導(dǎo)提供氣態(tài)燃料CPOX重整和將富含氫氣的產(chǎn)物重整物電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電力的方法。本教導(dǎo)的方法總體上包括將包括如下例如包含如下、基本上由如下組成或者由如下組成的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物引入到本教導(dǎo)的氣態(tài)燃料CPOX重整器的CPOX反應(yīng)器單元的入口中:氣態(tài)可重整燃料和包含氧氣的氣體；引發(fā)所述氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的催化部分氧化以開始富含氫氣的重整物的制造;維持氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的催化部分氧化;和在燃料電池單元內(nèi)將所述富含氫氣的重整物轉(zhuǎn)化為電力。
[0044]在多種實(shí)施方式中，引入氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物包括將包括氣態(tài)可重整燃料的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物引入到CPOX反應(yīng)器單元的入口中，其中所述CPOX反應(yīng)器單元形成隔開的CPOX反應(yīng)器單元的陣列，各CPOX反應(yīng)器單元包括具有擁有內(nèi)表面和外表面的壁的伸長管，所述壁圍封開放的氣流通道并且限定所述CPOX反應(yīng)器單元的入口和出口。所述CPOX反應(yīng)器單元可至少與在所述陣列中的相鄰CPOX反應(yīng)器單元(一個(gè)或多個(gè))熱連通。所述壁的至少一段可包括CPOX催化劑。所述包含CPOX催化劑的壁段可為透氣性的以容許氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物在其中擴(kuò)散和產(chǎn)物(富含氫氣的)重整物從其擴(kuò)散。所述包含CPOX催化劑的壁段在CPOX反應(yīng)條件下可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。所述陣列中的相鄰CPOX反應(yīng)器單元之間的距離可如本文中所描述。
[0045]引發(fā)催化部分氧化可包括引發(fā)單個(gè)點(diǎn)火器以在CPOX反應(yīng)器單元內(nèi)開始CPOX反應(yīng)，這進(jìn)而可在所述氣態(tài)燃料CPOX重整器的其它CPOX反應(yīng)器單元中引發(fā)CPOX反應(yīng)。例如，引發(fā)催化部分氧化可包括在一個(gè)CPOX反應(yīng)器單元中引發(fā)CPOX反應(yīng);將來自所述CPOX反應(yīng)的熱傳遞至相鄰CPOX反應(yīng)器單元以在其中引發(fā)CPOX反應(yīng);和使熱的傳遞重復(fù)以在所述陣列的CPOX反應(yīng)器的每一個(gè)中引發(fā)CPOX反應(yīng)。
[0046]引發(fā)催化部分氧化還可包括引發(fā)超過單個(gè)點(diǎn)火器例如兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)火器，以在所述氣態(tài)燃料CPOX重整器的CPOX反應(yīng)器單元內(nèi)開始CPOX反應(yīng)。
[0047]在多種實(shí)施方式中，維持氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的催化部分氧化包括在所述陣列內(nèi)的CPOX反應(yīng)器單元之間傳遞熱，從而使用比否則對(duì)于富含氫氣的重整物的相同輸出所需要的少的外部加熱。所述CPOX反應(yīng)器單元的陣列之間的熱傳遞可維持預(yù)定的最低陣列溫度例如約600 °C或650 °C