使用陶瓷技术的氢气发生器制造技术

一种氢气发生器（１０），包括一限定了一个燃料重整器（１４）的三维多层陶瓷载体结构（１２）。该重整器包括一汽化区域（１６）和一个含有催化剂的反应区域（１８）。该重整器可作为蒸气重整器、部分氧化重整器或者自热重整器工作。该燃料重整器或处理器还包括一用于液体燃料的入口通道（２０）和一用于富含氢的气体的出口通道（２２）。燃料处理器是用多层陶瓷技术制成的，其中组装薄陶瓷层然后烧结而提供小型尺寸，其中封装的催化剂将输入的燃料重整或转化成富含氢的气体。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氢气发生器，更特别地，涉及用多层陶瓷技术来提高尺寸和性能益处的氢气发生器。
技术介绍
氢气是有吸引力的，并且已经在许多设备中用作燃料，如在用于生产电力的燃料电池中，在包括火箭或内燃机的燃烧发动机中，及在包括用于精炼金属成分的化学处理设备中。一般来讲，氢气，或者更特别地，富含氢的气体，是用一般称作氢气发生器或重整器(reformer)的化学反应器从甲醇、天然气、石油或氨中加工的。重整的氢气燃料电池(RHFC)使用用燃料重整器从液体或气体碳氢化合物，如甲醇加工而成的富含氢的气体。甲醇是用于燃料重整器或氢气发生器的优选燃料，因为相比于其它碳氢化合物燃料，如天然气、乙醇、石油、汽油或丁烷，甲醇更容易在相对较低的温度下重整成富含氢的气体，且产生的气态副产品(二氧化碳和一氧化碳)较少。这对于需要考虑重整器单元温度的小型便携式单元特别重要。将甲醇转化或重整成富含氢的气体通常是通过三种不同的重整过程中的一个来实现的。这三种是蒸气重整、部分氧化重整和自热重整。在这些类型中，蒸气重整对于甲醇重整是优选的，因为它最易于控制，产生的气态副产品(二氧化碳和一氧化碳)最少，且在较低的温度下产生较高的氢气产量，从而使自身有利于使用。在蒸气重整过程中，在存在水且应用热量的情况下，原始甲醇被催化转化成富含氢的气体。尽管蒸气重整是优选的工艺，但在许多情况下也使用部分氧化重整和自热重整。在部分氧化重整过程中，在有限量供应的氧气或空气以防止完全氧化的情况下，在催化剂上通过对甲醇进行部分氧化而将原甲醇转化成富含氢的气体。由于这是一个放热反应，它不需要输入热量来完成。如果甲醇和氧气与适当的催化剂接触，则不需要任何附加的热量输入就能够进行反应。对氧气局部压力和温度的控制非常重要，对于便携式甲醇重整，需要考虑重整器的更高的操作温度。自热重整是催化部分氧化与蒸气重整过程的结合。在自热甲醇重整过程中，对产生热量的部分氧化反应进行仔细认真地控制，以提供充足的热量用于蒸气重整反应。在自热重整器中，在催化剂上方对输入的反应剂，即甲醇，与水和空气(或O2)之间的反应进行仔细认真地平衡，从而以最小量的CO生产出CO2和H2气体。在自热重整过程中，部分氧化步骤和蒸气重整步骤可在相同或不同的腔室中完成。已经开发了燃料重整器与许多新型设备，包括燃料电池设备结合使用。这些燃料电池设备中的许多包括重整器，重整器一般是笨重和复杂的设备，包括若干由气体管路和硬件联接的分散部分，用于产生氢气。因此没有发现重整器适用于便携式电源应用，或者需要小尺寸和重量的其它应用。迄今为止，还没有开发出其中已经实现了重整器的小型化的利用陶瓷单块整体式结构的燃料重整器。现在已经普遍开发了使用低压层合陶瓷技术的包含小型通道和其它特征的层合陶瓷元件，用于微流体控制系统。由这些层合陶瓷元件制成的单块整体式结构提供了三维结构，这种三维结构对于化学反应成惰性且稳定，能够承受高温并提供小型结构，且电路或元件埋入或集成到这种陶瓷结构中的程度高，用于系统控制和功能性。此外，对于产生氢气而给小型燃料电池供料的微反应器设备中的催化剂支承，用于制成在结构中形成有微通道的陶瓷设备的陶瓷材料被认为是良好的候选者。因此，本专利技术的一个目的是提供一种小型氢气发生器或燃料处理器，能够将燃料重整成富含氢的气体。本专利技术的另一个目的是提供一种单块整体式结构，用于将燃料重整成富含氢的气体。本专利技术的又一个目的是提供一种用陶瓷技术制成的单块整体式结构，从而实现多个内部管路互相联接和电路及联接件的集成。本专利技术的再一个目的是提供一种氢气发生器或燃料处理器，它被小型化而与下列各项结合使用(I)用于便携设备应用的燃料电池；(II)燃机；(III)化学处理设备；和(IV)其中富含氢的气体作为燃料消耗的其它设备。专利技术概述通过一种氢气发生器至少部分解决了上述和其它问题，并实现了上述和其它目的，该氢气发生器包括一限定了一个燃料重整器或燃料处理器的三维多层陶瓷载体结构。该燃料重整器包括一汽化区域和一个含有重整催化剂的反应区域。该燃料重整器是用多层陶瓷技术制成的，在该技术中组装薄陶瓷层然后烧结而提供小型尺寸，其中封装的催化剂将输入的燃料重整或转化成富含氢的气体。附图简介权利要求中列出了相信是本专利技术的特征的新颖特征。但本专利技术自身及其其它特征和优点，将结合附图通过参照下面的详细说明而得到最佳理解，其中附图说明图1是根据本专利技术，包括多个通道的氢气发生器的简化正交视图；图2是根据本专利技术的氢气发生器的一个替换实施例的简化正交视图；图3是根据本专利技术的氢气发生器的一个替换实施例的简化正交视图；图4是根据本专利技术的一个导热通道或通路的简化剖视图；图5和6是根据本专利技术的热控制汽化器/反应区域通道的替换实施例的简化剖视图；图7是根据本专利技术的重整燃料的方法的简化流程图。优选实施例的描述现在转向附图，特别是图1，以简化的正交图示出根据本专利技术的包括多个通道的氢气发生器10。氢气发生器10由一个三维多层陶瓷结构12构成。陶瓷结构12用多层层合陶瓷技术制成。结构12一般形成构成部件，这些构成部件而后以这样的方式烧结，从而提供一个单块整体式结构。陶瓷结构12中限定了一个大致用14表示的燃料重整炉或燃料处理器。燃料重整炉14包括一汽化室或汽化区域16，一反应室或反应区域18和一个合并集成的热源28。陶瓷结构12还包括至少一个与一组合溶液甲醇/水源24和一纯甲醇源26相联的燃料入口通道20，及一个富含氢气燃料出口通道22。应当理解，在不同实施例中，可使用分开的单独的甲醇和纯水燃料源。在这种情况下，可能需要甲醇与加热器直接相联，需要用一个混合器来混合甲醇和水燃料源。在操作过程中，用导热通道或通路(目前讨论的)将热量从设备的中心区域，更特别地是从一集成加热器28有效地传递到反应区域18和燃料汽化器或汽化区域16。该特别实施例中，所描述的集成加热器28是一个化学加热器，包含催化剂，并设置成对燃料进行氧化而产生热量，但应当理解，电加热器的集成是本专利技术预想的。化学加热器28包括一空气口40，用于提供对燃料24和/或26进行氧化的氧气，和一个入口通道20，用于向加热器28提供燃料24和/或26。来自燃料汽化器区域16的输出物经结构20运行到反应区域18，然后经过富含氢气气体的出口通道22。可选择地包括一个优先气体反应器21。在操作过程中，来自反应区域18的输出物运行到优先氧化反应器21，在此处从输出气体中将CO优先清除到低于30ppm用于燃料电池使用。可替换地，当使用高温燃料电池时，由于高温燃料电池可承受最大5％(摩尔(mol))的CO和甲醇的组合总量，结构10将不包括优先氧化反应器21。此外，结构10中还包括一废热回收区域34，用于通过一入口通道(未图示)从来自外部设备，如燃料电池组(未图示)，以及通过通道27从来自化学加热器28的用过的气体中收集热量。一高效绝热器36环绕燃料重整器14定位，以保持外部温度较低用于包装，并将热量限定到燃料重整器。该特别实施例中，燃料处理器在从大气温度到300℃的温度范围内工作，除非它与高温燃料电池集成起来，在此情况下燃料处理器在140-300℃范围内工作。燃料汽化器区域16在120-160℃的温度范围内工作，反应区域18在200-250℃的温度范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢气发生器，包括：一限定了一个燃料处理器的陶瓷载体，该燃料处理器包括一反应区域，该反应区域包括重整催化剂；一用于液体燃料的入口通道；及一用于富含氢的气体的出口通道。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：乔达里R克里珀拉，克里斯托弗K戴尔，斯蒂芬P罗杰斯，多米尼克F赫瓦西奥，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]