CN100380084C - 燃料转换反应器 - Google Patents

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CN100380084C CNB200380109121XA CN200380109121A CN100380084C CN 100380084 C CN100380084 C CN 100380084C CN B200380109121X A CNB200380109121X A CN B200380109121XA CN 200380109121 A CN200380109121 A CN 200380109121A CN 100380084 C CN100380084 C CN 100380084C
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Abstract

一种转换反应器(10)包括具有第一端(14)和第二端(16)的外壳(12)，主壳体构件(30)内表面(16)伸入该外壳(12)，具有主和副端(34)的主壳体构件(30)形成了热交换室(100)，副壳体构件(40)具有与主壳体构件(30)的副端(34)邻接的第一端(42)。在两个壳体构件(30，40)之间形成了一个或者多个用于气体流体流出热交换室(100)的排出孔口(46)。还具有若干个在第一(58)和第二管板(64)之间伸出热交换室(100)的热交换管(50)。在将第二管板(64)连接到副壳体构件(40)的同时，将第一管板(58)安置在主壳体构件(30)上。主壳体构件和副壳体构件(30，40)的邻接端(42，34)形成一个不连接的结合处且当热交换管(50)热膨胀时副内壳体能够相对于主壳体构件自由移动。

Description

燃料转换反应器
技术领域
本发明涉及一种燃料转换反应器，尤其是燃料电池系统中使用的燃烧器和燃料重组器。
背景技术
近年来，人们对燃料电池的使用已经愈来愈感兴趣，燃料电池现可应用于固定设施发电，也可应用于交通工具作为动力使用。这些燃料电池中使用的燃料通常都是在燃料重组器中通过一个或多个催化剂使含氢燃料反应之后产生的氢气，这些含氢燃料一般是碳氢化合物或低分子重量的乙醇。
众所周知，目前通过燃料重组器从含氢燃料中制取氢气的工艺方法为数不少。首先是含氢燃料转化成氢气的工艺方法，即“蒸汽重组制氢反应法”。这种工艺方法是在提高温度的情况下进行的。如果是碳氢化合物燃料，蒸汽重组制氢反应过程按照下列反应程序进行，该反应通常是吸热的：CnHm+nH2O？nCO+(m/2+n)H2。
蒸汽重组制氢反应法所遇到的一个难题就是需要提供外部热量来推动反应过程，以产生氢气和一氧化碳。
蒸汽重组制氢催化剂所需的外部热量可以通过若干热源来解决，可以使用热交换器将这些外部热量输送到催化剂床。也可将采用催化蒸汽重组法产生的高温重组物流经一个再生热交换器来提供一部分外部热量，从而将一部分高温气体热能送回到吸热重组反应中。另外，外部热也可以通过在燃烧器中燃烧阳极废气和/或其它燃料来产生。燃烧器中发生的燃烧反应过程可以进行催化也可以不进行催化。催化燃烧器或非催化燃烧器的例子在颁发给Pettit的美国专利(专利号6,232,005)中已有介绍。
将含氢燃料转化为氢气的第二种方法称之为“部分氧化作用法”，它是通过下述放热反应来进行：CnHm+n/2O2？nCO+m/2 H2。
部分氧化作用法可以在高温(大约1200℃至1500℃)下不使用催化剂，或者在非常低的温度(一般大约500℃至800℃)下使用催化剂来进行。但部分氧化转化法的一个缺点是每分子含氢燃料产生的氢气比蒸气重组反应法要少，因为一些燃料在氧化时被消耗掉。由于氧化转化过程是放热的，所以无需经过一个热传输表面提供外部热量。
将含氢燃料转化为氢气的第三种方法就是“自热重组反应法”，按照这种方法，燃料、水和氧气(通常以空气的形式)在使用催化剂的情况下进行反应，以产生一种富氢燃料气体。自热重组法可以看作是两种反应组合的方法，即放热部分氧化法和吸热蒸汽重组法的结合形式，反应的净热量根据氧气与燃料之比和水与燃料之比来决定。一般来讲，这些比率的确定旨在使反应的净热量是轻微的放热反应，因而，排除了应用外部热源的需要，使得系统设计较为简单，从实际应用角度来讲，自热重组法更具有吸引力。
从上面所介绍的化学反应可以看出，在含氢燃料的转化期间生成了相当数量的一氧化碳。为了避免燃料电池的中毒性，重组产品中的一氧化碳的含量必须降到一个很低的水平。这对质子交换膜(PEM)燃料电池尤为重要，因为这种电池对一氧化碳的耐受性较低。因而，一般情况下，重组产品都经受至少一个“一氧化碳脱除”反应，而这种反应最好由一个或多个水/气体变换反应和/或一个优先氧化反应。在优先氧化反应中，重组产品中存在的一氧化碳在与氧气或水(蒸汽)催化反应时被消耗掉。
不论所利用的具体转化工艺方法如何，重大热应力都会作用在燃料转换反应器上，这会对耐久性产生不利影响。为此，这种反应器的设计人员在这些装置的机械设计上都在寻求降低热应力。
为了克服燃料转换反应器中的热应力问题，在设计上，一直以来使用的是两种方法。首先，通过使反应器各个部件产生热膨胀来降低热应力，另一个途径就是增加反应器结构或结构使用材料的强度，使最大工作应力不超过最大设计强度。
一种人们都很熟知的应用范围很广的热交换器由锅炉和其他高温热交换器组成，这种交换器称之为“管束式”结构热交换器，又叫“壳管式”热交换器。1998年，G.F.Hewitt在其所著《热交换器设计手册》中，就这种热交换器进行了介绍(参阅3.1.2.节和4.2.3节)。这种热交换器的种类很多，其中包括一种固定管板式或固定头式。在这种热交换器中，使用了一个外部金属壳，它可以呈各种形状，如圆筒形。在这个金属壳内，安装了两个彼此以定距离间隔的管板，管板上布置了若干个管子。
在每一端，装有端盖或完整的端头或槽形盖，用作流体歧管。采用这种热交换器时，在工作期间，壳和管的热膨胀系数会在二者之间形成一种差异运动。这种差异运动如果过大则会造成管子在管板内松动。通常，人们解决这种差异运动问题的方法就是使用一种壳膨胀波纹管。
美国1995年1月17日向工业技术研究所颁布的专利(专利号5,382,271)介绍了一种制氢用紧凑形管壳式结构热交换器，即在水变换反应过程中使用了一种催化剂，目的是降低外流气体中的一氧化碳浓度。在圆筒形壳体的相对两端附近安装了两个管板，而两个管板之间又布置了第一套和第二套隔板。为数众多的管子在两个管板之间延伸并穿过两套隔板。在上管板的直接下方布置有一个多孔金属层板，而催化剂材料就布置在这个层板的下方。
在下管板的下面提供有一个排气室和一个排气出口。可燃性气体经由上端的进气口流入壳体。在壳体的一侧设有一个注入口，就布置在上管板的下方。对于某些类型的碳氢化合物来说，蒸汽重组阶段所使用的催化剂放在中部，而在末段使用的另一种催化剂则放在下管板的正上方，这是用于水-气变换反应。
采用这种装置时，可燃性气体进入上管板上方壳体内形成的上交换室，经过燃烧后，高温排放气体流经热交换管，进入底部的排气室。废气流经热交换管的同时，废气的热量被传输到多孔金属层和催化剂中。这种热交换同时也降低了排放气体的温度。采用这种人们已知的氢气产生器结构，由于热交换管很显然是刚性固定在管板上，而管板又刚性安装在壳体上，如果热交换管的膨胀速率与壳体不同，就会存在热膨胀的问题。
发明内容
根据本发明的其中一个方面，本发明提供了一种燃料转换反应器，包括管壳式热交换器，用于在气体与燃料反应之前加热气体且将反应所产生的气体混合物冷却，所述热交换器包括：具有主端、副端和在所述两个端部之间延伸的侧壁并在壳体构件内形成热交换室的主壳体构件；用于引导所述气体进入所述热交换室的注入口；在所述主端附近固定在所述主壳体构件上并在交换室一端封闭所述热交换室的第管板；与所述主壳体构件相分离并位于所述副端附近的第二管板装置，该第二管板装置构成了与交换室所述一端相对的所述交换室的另一端；自所述第一管板延伸至所述第二管板装置并刚性固定在第一管板和第二管板装置上的若干个热交换管，所述热交换管为所述气体混合物通过热交换室在热交换管内流动提供了通道；其特征在于：在所述主壳体构件的所述副端区域内形成了一个或多个排出孔口，为在所述燃料转换反应器工作期间，在其壳体一侧上的流经所述热交换室的所述气体流体提供了至少一个出口；所述第二管板装置包括一个带有外周侧壁的副壳体构件，其一端位于主壳体构件的所述副端附近，并与所述副端一起，构成一个不连通的接合处，所述第二管板装置在所述热交换管出现热膨胀时能相对于所述主壳体构件自由移动。
在所述主壳体构件和所述第二管板装置中至少一个上形成所述一个或多个排出孔口；或者所述一个或多个排出孔口是在所述主壳体构件和所述第二管板装置之间形成的。
进一步地，本发明燃料转换反应器，包括外壳体，其包括第一端和第二端以及在所述第一和第二端之间延伸的外壳壁，所述外壳体在所述第二端处封闭，在所述主壳体构件和所述第二管板装置周围延伸，所述外壳体还具有用于所述燃料的注入口，其特征在于燃料通道是在主壳体构件的侧壁与外壳体的外壳壁之间构成并从所述燃料注入口延伸至所述一个或多个排出孔口。
进一步地，本发明燃料转换反应器，在所述不连通接合处形成一个间隙，所述一个或多个排出孔口都包括所述间隙。
另外，本发明燃料转换反应器，进一步包括用于加快燃料和气体的反应的第一催化剂，所述催化剂安装在具有外周侧壁的副壳体构件上，所述外周侧壁的端部位于主壳体构件的所述副端附近，而且与所述副端一起构成一个不连通的接合处，所述催化剂的布置适合所述燃料和所述气体流过以产生所述气体混合物；
第一催化剂为自热重组催化剂、部分氧化催化剂、蒸汽重组反应催化剂或者燃烧催化剂。
本发明燃料转换反应器，还进一步包括第二催化剂，该催化剂布置在所述主端附近和所述热交换室外部的所述主壳体构件里，第二催化剂为水-气变换反应催化剂或者优先氧化催化剂；
所述主壳体构件有一个排出孔口，以便含氢重组产品从主壳体构件流出。
所述副壳体构件有一个带第一预定直径的外周侧壁和一个同轴套管伸出端，在其所述第一端从所述外周侧壁延伸；该副壳体构件还有一个第二预定直径，该直径不同于所述第一预定直径，其中所述套管伸出端有一个自由端，位于所述一个或多个排出孔口区域，这些排出孔口在所述主壳体构件的副端处或其附近形成，其中在所述燃料转换反应器使用期间所述副壳体构件在第一位置和第二位置之间相对移动，其中第一位置是指一个或多个孔口被所述套管伸出端部分遮挡，第二位置是指所述一个或多个孔口至少充分打开以供所述气体流通。
所述副壳体构件包括具有第一内径的外周侧壁，所述主壳体构件有主外部直径和同轴套管伸出端，在所述副端处从所述外周侧壁延伸，所述套管伸出端带有与主外径和第一内径均不同的外径，所述套管伸出端有位于在所述第二管板装置周围形成的所述一个或多个排出孔口区域的自由端，其中，在所述燃料转换反应器使用期间，所述副壳体构件在第一位置和第二位置之间相对移动，其中，第一位置是指一个或多个孔口被所述套管伸出端部分遮挡，第二位置是指所述一个或多个孔口至少充分打开以供所述气体流通。
进一步地，本发明燃料转换反应器，包括用于所述气体的第二注入口，该注入口在所述主端附近的所述主壳体构件一侧。
所述第二管板装置的自由移动导致一个或多个排出孔口在所述热交换器热膨胀时其尺寸的增大。
所述外壳体带有突部，这些突部围绕外壳体等距离隔开并向内突出与主壳体构件的所述外端面啮合。
本发明燃料转换反应器，进一步包括：燃料混合物输送装置，用于输送所述燃料和所述气体流体的混合物，所述气体流体从所述一个或多个排出孔口流向所述第一催化剂处。
所述外壳体和所述副壳体构件之间形成一个或多个进一步通道，所述进一步通道使得含所述氢燃料和所述气体流体的所述混合物从与所述一个或多个排出孔口邻接的区域流到与所述第一催化剂邻接的封闭混合室。
另外，本发明燃料转换反应器，包括一个或多个安装在所述热交换管上并位于所述热交换室内的挡板。
本发明燃料转换反应器，还包括若干个所述挡板，其中一个挡板位于所述排出孔口附近并带有一个中央开口，所述气体通过该开口按径向朝外方向流向所述排出孔口。
本发明燃料转换反应器，该燃料和该气体流体一起经过注入口被引入。
本发明燃料转换反应器，包括：带有第一和第二端和外壳壁的外壳体，外壳壁伸入所述第一和第二端之间，外壳体的第二端位于第二管板装置附近并由端盖构件封闭，该端盖构件有一个燃料注入口，注入口与混合室相通，用来混合燃料和气体流体，混合室位于端盖构件和第二管板装置之间。
本发明的另外一个方面，还提供了一种燃料转换反应器，包括管壳式热交换器，用来在与燃料进行反应之前加热气态流体和冷却反应期间产生的气体混合物，所述热交换器包括：(a)第一热交换器区，包括(i)第一主壳体构件，该构件由主端、副端和在所述两端之间延伸的侧壁组成，并构成了位于第一主壳体构件内的第一热交换室；(ii)第一管板，该管板固定在所述主端附近的所述第一主壳体构件上，并在第一热交换室的一端封闭所述第一热交换室；(iii)第二管板装置，该管板装置与所述第一主壳体构件分开，并位于所述副端的附近，所述第二管板装置构成了所述第一交换室的另一端，它与所述第一热交换室一端相对；(iv)若干个热交换管，这些热交换管从所述第一管板处延伸到所述第二管板装置并刚性连接到第一管板和第二管板装置上，所述热交换管为所述气体混合物经由所述第一热交换室流入热交换管提供了通道；(v)在所述主壳体构件的所述副端区域内形成一个或多个排出孔口，在所述燃料转换反应器工作期间，为流经所述第一热交换室壳体一侧上的气态流体提供了至少一个出口；(b)第二热交换区，包括(i)第二主壳体构件，它由主端、副端和在所述两端之间延伸的侧壁组成，形成了与第一热交换室相通的第二热交换室，第二主壳体构件与第一主壳体构件同中心，第一主壳体构件主端位于第二主壳体构件副端附近；(ii)安装在第二主壳体构件内的若干热交换管，这些热交换管与第一热交换区的热交换管相通；(iii)设在第二主壳体构件侧壁上的注入口，用来引导气态流体进入第二热交换室；(iv)在第二主壳体构件副端区域内形成的一个或多个输出孔口，为气体从第二热交换室流向第一热交换室提供了至少一个输出口。
第一热交换区进一步包括由一个或多个注入孔口，这些注入孔口位于第一壳体构件的主端区域，为该气体流体从第二热交换室进入第一热交换室提供了至少一个入口。
本发明燃料转换反应器，进一步包括：带有第一端和第二端的外壳体部分，所述第一端和第二端环绕第二壳体构件的副端和第一壳体构件的主端，形成了一个流通通路，供气体流体自第二热交换室流向第一热交换室，外壳体部分的第一端和第二端分别刚性固定在第一和第二壳体构件的侧壁上，所述通路位于外壳体部分和壳体构件之间。
在该第二壳体构件副端区域内形成的一个或多个排出孔口位于第一和第二壳体构件之间。
第二壳体构件副端区域内形成的一个或多个排出孔口在第一和第二壳体构件之间包括一个不联通的接合处。
该第一壳体构件主端的直径要大于第二壳体构件副端的直径，其中第二壳体构件的副端装入第一壳体构件的主端，第一壳体构件的主端刚性固定在第二壳体构件的侧壁上，这样在第一和第二壳体构件之间就形成了一个通路，供气体流体从第二热交换室流向第一热交换室。
该一个或多个注入孔口包含位于第一和第二壳体构件之间的连续的环形间隙。
该一个或多个注入孔口包含一个在第一壳体构件主端附近的侧壁上形成的不连通的接合处。
附图说明
下面结合附图，对本发明的最佳实施方式作了进一步的详细描述，更清楚地介绍了本发明的特性和优点。
图1是燃料转换反应器最佳实施方式的轴向截面图，该反应器包括根据本发明制作的燃料重组器；
图2是图1所示燃料重组器一侧和顶部的透视图，该图示出了外壳体被部分剖开，以便展示主壳体构件和副壳体构件的详细情况；
图3是沿图2的111-111线截取的截面图，该图示出了主壳体构件和副壳体构件之间不连通的结合处；
图4a和图4b是沿图1的IV-IV线截取的水平截面图；
图5是燃料转换反应器的供替换的实施例的轴向截面图，该反应器包括燃料重组器，其中燃料未被燃料重组器本身来加热；
图6是类似图3的截面详图，但示出了主壳体构件内形成的另一种形式的输出孔口；
图7是类似图3的截面详图，但示出的是另一个实施例，其中输出孔口在副壳体构件内形成；
图8是类似图3的截面详图，但示出的是更进一步的实施例其中输出孔口在主壳体构件内形成，而副壳体构件采用一个加长套管来构成；
图9是图8的实施例的另一种截面图，但示出的是主壳体构件和副壳体构件在不同位置或初始位置的情况；
图10是类似于图3的更详细的截面图，其中输出孔口是在副壳体构件形成，主壳体构件是通过加长套管来构成；
图11是类似于图3的更详细的截面图，介绍了另一种实施方法，其中在主壳体构件和副壳体构件之间形成一个单个的连续的输出孔口；
图12是类似于图2的透视图，但介绍了外壳体上可供替换形式的突起部分；
图13是沿图12XII-XII线所取的截面图，该图说明了在凹凸周围使用环形波纹状的情况；
图14是燃料转换反应器的又一个替代实施例的轴向截面图，该反应器包括燃料重组器，其中略去了第二催化剂床；
图15是一种单壳体燃料转换反应器的轴向截面图，它是按照本发明的又一个替换实施方法完成的；
图16是按本发明提出的整体燃料转换反应器的轴向截面图；
图17是按照本发明另一种实施方法实现的整体燃料转换反应器的轴向截面图；
图18是类似于图6的更详细的截面图，介绍了图17所示燃料转换反应器第一热交换区主壳体构件内形成的不连续输出孔口；
图19是按照本发明另一个实施方法实现的整体燃料转换反应器轴向截面图。
具体实施方式
本发明的最佳燃料转换反应器按燃料重组器介绍如下。然而，应该清楚下面所描述的任何一种最佳结构同样适合于作为催化或非催化燃烧器使用，只要稍作改装即可。
图1示出了本发明的第一个最佳燃料重组器10的具体结构，它用来通过自热重组工艺将含氢燃料转化为氢气体，采用这种方法，含水蒸气和氧气的气体流体或含氧气体，如空气，经历了与含氢燃料的催化反应。在含氢燃料包含一种碳氢化合物的情况下，在燃料重组器10内则会出现下列催化反应：(1)部分氧化方法(放热)CnHm+n/202？nCO+m/2 H2，(2)蒸汽重组作用法(吸热)CnHm+nH20？Nco+(m/2+n)H2。如上所述，自热重组作用法的两个步骤都会在燃料重组器10中发生，不会出现空间分离，而且最好在同一个催化剂床或结构内同时发生。
该最佳实施方式所示出的燃料重组器10包括外壳体12，它含有第一端14和第二端16。壳体由圆筒形内表面18和圆筒形外表面20组成，这两个表面延伸到第一端和第二端之间。第二端由固定在外壳体的圆筒形主体上的顶盖构件22封闭。如图2和图4a所示，在外壳体内有向内伸的突部，成纵向延伸肋条24的形式，这些肋条的用途将在后面介绍。肋条的底端与外壳体的底部或第一端14彼此定距离隔开。
图12和13示出了燃料重组器10的另一种可供选择的结构形式。这种实施方式除了外壳体12设有内伸突部外，其余与图2所示相同，这些内伸突部的形状为圆形凹窝25，其用途同肋条24。如图12所示，凹窝25可以按纵向延伸成排排列，当然也可以采用其他布置形式。虽然所示凹窝是圆形的，显然，其他形状如椭圆或长方形也行。为了使主壳体构件30能够相对于外壳体12进行热膨胀，每个凹窝最好周围布置一个或者两个环形瓦楞块31，当其膨胀时，主壳体构件30将凹窝的内端向外推，当然其他形式的布置也行。同样，在图2实施方式中，用于相同的目的，肋条24的周围也可以布置一到两个瓦楞块33。
另外一种选择结构就是在主壳体构件30上设置肋条或凹窝(同时也可在副壳体构件40上布置肋条或凹窝，下面将要介绍)。在这种情况下，肋条或凹窝向外突起与外壳体12的内表面相啮合。
图4b示出了使用瓦楞块33的另一种可供替换的实施方式。在图4b中，外壳体12上有向内伸的肋条24’，但高度降低了，这样，在燃料重组器10达到工作温度前，主壳体构件30就不会与一些或全部肋条24相接触。随着燃料重组器温度的升高以及内壳体开始向外膨胀，主壳体构件30就至少会与一部分肋条24’相接触，从而使主壳体构件30在外壳体12内处在中央位置，如图4a所示。当然，这种形式的布置也可适用于肋条24被凹窝25所取代的形式的燃料重组器。
含氢燃料用的第一进口26位于第一端部14附近的外壳体内。这种进口是通过一个合适的软管或硬管(图中未示)连接到一个含氢燃料供应端，含氢燃料可以是众多适合制氢用燃料中的任何一种。例如，含氢燃料可以是一种碳氢燃料，这种碳氢燃料可选自一种或多种石油馏分，如汽油、石脑油、煤油、柴油等，天然气或其一种或多种成分，包括甲烷、乙烷、丙烷等。
当然，含氢燃料也可以包括一种或多种醇，诸如甲醇和乙醇。最佳碳氢燃料是汽油和甲烷。流经进口26的燃料流量是可以通过任何合适的方法控制，例如通过一个节流阀或控制阀来控制，以满足燃料电池发动机的载荷需求。
伸入外壳体的是具有主端32和副端34的主壳体构件30。外表面36延伸到主端和副端之间。主壳体构件30刚性固定在外壳体第一端14处的外壳体12上。两个壳体在这个位置可以通过焊接或铜焊固定。主壳体构件30伸入外壳体敞开的第一端14，并突出很长一段距离进入外壳体。燃料通道38在主壳体构件30的外表面36和外壳体的内表面18之间形成，从进入口26处纵向延伸到主壳体构件30的副端34。当外壳体上形成了上述肋条24时，燃料通道38包括若干个独立的子通道38a，如图4a所示。因为肋条不是一直向下伸到进入口26的高度，所以这些子通道的底端就彼此相通，燃料从而可以完全围绕主壳体构件30流动，然后向上流过所有的子通道。肋条的位置和形状可以与图2所示不同。本领域技术人员知道，肋条或凹窝的布置应尽最大可能地使在壳体周围形成均匀的流量分配。
最佳燃料重组器10还包含副壳体构件40，该壳体的第一端42位于主壳体构件副端34的附近。副壳体构件40还有与第一端42彼此等距离相隔开的第二端44，并远离外壳体的顶端或第二端16。副壳体构件40同主壳体构件30一样，呈圆筒形，且外径相同。副壳体构件40同主壳体构件30相比在高度上实际上要比后者低。在主壳体构件30和副壳体构件40之间或者这两个壳体中任何一个上可形成至少一个和最好若干个输出孔口46，用来为气体流出主壳体构件30提供通道。
如上所述，气态流体最好是一种水蒸气和空气的混合物，气态流体中空气和水蒸气的相对浓度最好是通过外部手段可以调节的，使燃料重组器可以在各种条件下工作。例如，在燃料重组器启动期间，气态流体可以完全是或主要是空气，使得含氢燃料能够催化燃烧，并迅速加热燃料重组器和催化剂，使之达到预定温度。一旦温度达到足够程度，气态流体中的水蒸气的浓度就会增加，从而增加了燃料重组器的氢产量。
气态流体通过主端32附近的主壳体构件30一侧的第二注入口48流入主壳体构件30。注入口48是通过一个合适的软管或硬管(图中未示)接到提供气态流体的源端或供应口。例如，水蒸气和空气的混合物就可以通过一个合适的标准结构的锅炉来提供。尽管可以将外壳体12从图1和图2所示位置向下延伸，这样就可以与主壳体构件30的主端32邻近，但最好还是将外壳体安装在注入口48的正上方。这样就可以简化燃料重组器的结构，有助于降低热应力。另外，采用这样的结构，就可以不再需要将注入口48穿过两个壳体的壳壁。因为经由注入口48输送的气体流量同输送到燃料重组器的燃料数量成正比，因此最好在燃料重组器外部提供一种装置来控制气态流体的成分。
图2所示的孔口46在圆周方向上伸长，但在轴向方向较短。从下面介绍中可以看出，由于燃料重组器内安装的热交换管的纵向热膨胀之缘故，这些排出孔口在尺寸上能够变大且能够相互连通。图2的孔口46在主内壳体30的副端34以城堡形结构形式形成。然而，这些孔口也可以在壳体30的副端34处采用扇形皱褶或其它形状形成。
在副壳体构件40和外壳体12之间还形成另外一个通道52，该通道从第一端42延伸到副壳体构件40的第二端44。因为气体从出口46流出，正好与在孔口外边的燃料相混合，因此在燃料重组器使用期间，燃料和气体的混合物流经这个通道52。也可将通道52看作是通道38的延伸部分。从图2可以看出，肋条24可一直延伸到副壳体构件40的位置，这样通道52就还可以由另外若干个垂直延伸的子通道组成，如图1和图2所示。可以看出，肋条24(图12和图13实施例中的凹窝25)的作用就是将主壳体构件30和副壳体构件40正确地置于外壳体内的中心位置，并使主壳体构件30和副壳体构件40保持在正确位置，以增加整体结构的强度。
如图1所示，而且从图3可以更清楚地看出，主壳体构件30的副端34和副壳体构件40的第一端42在54处形成一个不连通的结合部。因为主壳体构件30和副壳体构件40在这个接合部位是不连通的，副壳体构件40在上述热交换管50出现纵向热膨胀时可相对于主壳体构件30自由移动。因此，本发明的结构就能够承受热交换管的热膨胀，且不增加金属部件的规格，也不需要使用特殊材料。另外，按照本发明，这种结构属于紧凑形，可提供燃料和/或气体的整体预热，从而在改善能源效率方面有益。反应器的结构适合于紧凑、整体结构形式，在这种结构中燃料转化和一氧化碳脱除反应都可以进行。
第一管板58固定在主壳体构件30上，与主端32接近，这个管板封闭了主壳体构件30。为了安装固定和密封的目的，该管板最好采用环形法兰60来构成。虽然图中所示的第一管板58呈圆形，但它也可以是任何合适的形状，如卵形、椭圆形、矩形、六角形或任何其它多面体形状，这取决于主壳体构件30的形状。该管板上有若干个孔，用来安装同等数量的热交换管50的端部，使这些热交换管刚性固定在该管板上。热交换管50和管板58上的孔最好是，但不是必须的，圆形的。管板58也可以被看作是燃料重组器的底座。管板的四周通过任何合适的常用方法固定到主壳体构件30的内表面上，如铜焊和焊接。
如图1所示，主壳体构件30上可以布置成向内伸的环形“唇部”59，或其它向内伸的缺口，如凹窝，以便将第一管板58正确地固定在相对于主壳体构件30的主端32上，并形成可一种下腔室，用来放置催化剂62。在下腔室内，催化剂62和第一管板58之间应形成一定的空间，确保来自热交换管50的重组产品能够均匀流入催化剂室。
此外，在该空间内也可以装入水或者蒸汽注入或者搅拌装置，为在催化剂室62中发生的反应提供水。这一点将在下面结合图1给予更全面的介绍。
燃料重组器还包括第二管板64，该管板牢牢地与副壳体构件40相连接，并密封了副壳体构件40的内部。同样，最佳管板64具有能够铜焊或电焊到邻接第一端部42的副壳体构件40的内表面上的环形法兰66。第二管板也有若干个孔，最好是圆形的，用来与热交换管50的邻接端部连接，这种管板能够刚性连接到热交换管的端部。在所示的最佳实施例中，副壳体构件40带有向内突出的环形边缘70。该边缘有助于正确地将管板64定位，它还能够固定和支持用于燃料转换反应的第一催化剂72。如图1所示，第一催化剂最好布置在副壳体构件40内，且也在外壳体12第二端16区域内。该催化剂72最好是一种自热重组催化剂，在放置时应与燃料和包含水蒸气和空气的气体流体的混合物相接触，从而产生热气体混合物。
如上所述的多个热交换管50，为了示意清楚图1中只示出了其中几个，自第一管板58延伸到第二管板64处。这些热交换管形成了上述热气体混合物的流通通道，从第一催化剂72流经第二管板64，然后再流经第一管板58，再经过催化剂62，后者在下文中有时称之为第二催化剂。
第二催化剂62最好是一种可在“一氧化碳脱除”中使用的合适的催化剂，如上所述，包括水一气变换反应(3)和/或优先氧化反应(4)。如下所述：(3)水一气变换反应(放热)CO+H2O？CO2+H2.(4)优先氧化(放热)CO+’/2O2？CO2。第二催化剂最好是一种变换反应催化剂，而且是一种高温变换反应催化剂。如果水-气变换反应是第二催化反应，那么水或蒸汽就可以在正好低于管板58和高于催化剂62处被引入燃料重组器内。这种可能性在图1中通过短进水管190表示，即以虚线和W标志的箭头所示。尽管在图1未示出，值得欣赏的是，最好在管板58和催化剂62之间的底腔室内设置一个混合装置。混合装置固定在进水管190的端部，以确保注入的水或蒸汽均匀地分布在催化剂62内用于反应的重组产品内。混合装置可有效地缩短管板58和催化剂62之间空间的长度，另外，为取得所注入蒸汽或水的合理流量混合和分配，这也是需要的。
如图所示，主壳体构件30最好在其主端32处打开以便使重组物的流出。另外，在主壳体构件30的底端32处形成了一个用于重组物的较小的出口，该出口可以连接到一个或者多个反应器上，在反应器内，重组物中一氧化碳的含量进一步降到一个可以接受的程度，根据所使用燃料电池的型号，该含量可以低于50ppm。例如，当采用第二催化剂62进行的一氧化碳脱除反应包括高温变换反应时，重组物则最好再接受燃料重组器10下游的一次或多次变换反应，包括至少一次低温变换反应，和/或重组物可以接受燃料重组器10下游的优先氧化反应。在脱除一氧化碳之后，根据需要，所形成的氢气产物就可以通过管路送到燃料电池。
催化剂材料62或72可以被支撑在各种类型的结构上。支架结构可以由一个或多个抗腐蚀和耐热材料组成，如陶瓷或耐火材料，其结构形式应能促进燃料重组器内流动气体和催化剂材料之间的接触。支架材料包括氧化镁、氧化铝、硅和氧化锆以及这些材料的混合物，而且支架结构的形式可以做成珠状或格栅，例如挤压陶瓷整体格栅。作为替换方式，催化剂支架或催化剂本身可以是瓦楞状、扎制金属薄片，用来机械地组装到壳体构件内。例如，瓦楞薄片可以呈斜长、盘旋状形状，如湍流增强器。凡使用金属薄片处，都是按照众所周知的方式安装，所以不会振动，但在催化剂高温工作条件下允许热膨胀。按照一种可替代的布置方式，一部分或全部第一催化剂可以放置在热交换管50内，如催化剂材料可以被支撑在热交换管50的内表面上和/或热交换管50内的湍流增强器上。不论催化剂材料或支架结构采用什么形式，催化剂材料的布置都不应过分地限制燃料/气体混合物流经燃料重组器。催化剂的这种布置(以及如图所示方式)可以使燃料重组器结构相当紧凑，大大降低了总体长度的要求。
最好在热交换管50上还安装若干挡板，例如示例的挡板75、76和77。如图1、图4a、图4b和图5所示，这些挡板的边缘最好紧靠主壳体构件30，但不与内壳体相连，且刚性连接到至少一个最好若干个热交换管上。将挡板与热交换管相连接的一个原因就是使装配过程更为简单。挡板最好不要与主壳体构件30相连接，以便热交换管50可以相对于主壳体构件30纵向膨胀。
挡板75、76和77上制有开口，最好为圆形，热交换管50伸过这些开口。最下方的挡板75是环形的且在其中有个大的中央开口80。最外边的热交换管50’在其底端附近伸过挡板75。最上边的挡板77也是环形的，也有一个大的中央开口82，最外边的热交换管50’在其顶端附近伸过挡板77。最上边的挡板77和最下边的挡板75的直径最好这样设计，即实际上没有气体流经挡板75、77和主壳体构件30之间的间隙。该间隙最好不要超过1毫米。能够觉察到，挡板75、77和主壳体构件30之间的间隙在图纸上被夸大了。
挡板76位于下挡板75和上挡板77之间，若干个位于中央的热交换管50穿过这个挡板，尽管图1只示出了一个。与最下面的挡板75和最上面的挡板77相反，挡板76没有设置用作气体通道的大的中央开口。相反，挡板76的直径特点是，挡板76边缘和主壳体构件30之间有大的间隙，从而使气体在挡板76边缘周围流动。这样，挡板75、76和77的作用就是迫使流动气体蜿蜒流动，加强热交换处理，建立一个良好的环形流向分配，用来通过排出孔口46进行喷射。如图1所示，曲线箭头通过上挡板77中央开口82，气体流过上挡板77后，径向流出，并流向出气口46。随着其流过开口46，气体就与轴向流动的含氢燃料均匀混合，在进入催化剂床72之前，为混合流体的良好的径向流量分配作准备。
很容易看出，在热交换器内不止三个挡板，且如图所示挡板不必要是圆形或者环形的形状。当然，在保持充分的流分布的同时，挡板能够具有增强热交换出里的构造。
向上流动的蒸汽和空气是由流经热交换管50的向下流动的重组物来加热的。作为这种交换的结果，重组物在其向下流经热交换管的同时就被冷却了。由于重组物的温度要大大高于蒸汽和空气混合物的温度，热交换管的热膨胀时间就比主壳体构件30的膨胀时间要长得多。然而，因为副壳体构件40可以相对于主壳体构件30自由运动，能够容纳热交换管50的膨胀量，这样，就不会形成热应力，否则热应力会破坏热交换管和一个或两个顶板之间的连接部分或顶板和内壳体之间的连接部分。另外，由于热交换管的热膨胀作用，输出孔口46在燃料重组器工作期间尺寸是变化的，而且这些输出孔口的尺寸事实上随着热交换管50长度的增加而增大，从而减少了流量阻力，使得气体流出主壳体构件30的流量保持恒定或增加。其优点是当重组器达到最佳工作温度时能够进行快速重组处理。应该注意的是，流经燃料重组器的气体在其温度上升时密度小，孔口尺寸的加大可以给予部分补偿。
如图所示，在最佳实施例的燃料重组器中，有一个含氢燃料混合物输送装置，它适合输送含氢燃料和气体(包含蒸汽和空气)的混合物至第一催化剂72。尽管这种含氢燃料混合物输送装置可以采用各种形式，在图1和图2所示最佳实施例中，这种装置包括上述外壳体构件12，该构件延伸到主壳体和副壳体构件周围，且刚性连接到主壳体构件上。容易看出，例如，输入的含氢燃料能够通过除了图1和图2所示的设备进行加热，例如通过与流经热交换室100的蒸汽和空气的热混合物进行热交换形式的加热。在图5所示的另一种可替换的结构中，燃料可简单地直接引入上热交换室102，在这里，它可以与流出输出孔口46的蒸汽和空气的热混合物混合。上热交换室102可以被看作是与第一催化剂72邻接的封闭的混合交换室。虽然在图5的燃料重组器内，燃料没有被预热，但它在系统别处得到预热。图5所示燃料重组器就安全而言可以说是最佳配置方案，因为燃料和含氧气体在到达催化剂72前立即得到结合。
副壳体构件40和第二管板64的结合可以被看作是第二管板装置，它与主壳体构件30是分开的，而且位于副端34的附近。这个第二管板装置构成了热交换室100的一端。如图所示，含有副壳体构件40的第二管板装置的一端与主壳体构件的副端34邻接。
如果需要，湍流增强器(其本身结构已为人们所熟知)，可以插入通道52以确保燃料和蒸汽及空气的良好混合。容易理解的是，这个湍流增强器是环形的，在副壳体构件40周围延伸。
制作这些燃料重组器的金属板必须具有足够高的熔点、高温强度和抗氧化性，这样才可获得所需的耐用性。可用来制作这种重组器的典型材料包括奥氏体或铁素体不锈钢、因科镍合金(tu)和其它镍或合金钢材料。金属板材的规格取决于重组器系统的特定设计型号，但是一般在0.5mm到4mm的范围内，适应低等到中等寿命要求，或规格可以在这个范围上增加一倍以适应较大或延长寿命应用要求(如固定式动力装置)。本发明的燃料重组器的尺寸取决于其应用目的，容易理解的是，在保持所要求的耐用性的同时，人们一般都希望重组器的重量更低些且空间更小。
为了初次启动图示燃料重组器，可以使用一个单独的蒸发器(图中未示)来对诸如汽油的燃料进行加热和蒸发，这样初始放热自热重组反应就可以开始了。一旦这个反应开始，由于自热重组反应过程时产生的热量，在催化剂72处系统的温度就会迅速升高。
另外，也可以使用来自热交换室100的气体来对最初使用的小量燃料加热，从而达到混合物的温度，该温度应足以启动或促使自热重组反应开始。如果需要，可以使用催化或非催化燃烧器来加热气体流体，至少可用于燃料重组器的冷启动。
图5示出的是另外一种燃料重组器110，它也与燃料重组器10不同之处在于外壳体112实际上要比燃料重组器10内的外壳体12短。外壳体112在第一端或底端114处终结，此位置正好在孔口46的下方。外壳体由一个上顶盖构件122来封闭，其不同于第一个最佳实施例中的顶盖构件，该构件带有用于含氢燃料流入燃料重组的中央入口126，器。正如上面已经介绍的那样，燃料因此而直接流入上交换室102，燃料在流经第一催化剂72之前立即在这里与气体混合。对于某些应用来讲，燃料可以不经过加热进入热交换室102或者在别处通过一个合适的常用的加热设备(图中未示)进行预加热。
伸入外壳体112的是主壳体130，其在结构上与第一实施方式中的主壳体构件30相同。主壳体130有一个延伸在主端32和副端34之间的外表面136。主壳体130通过电焊或铜焊刚性固定在第一端114处的外壳体112上。在本实施例中，主壳体130伸入外壳体的部分很短。燃料重组器110另外还有位于外壳体1 12内的副壳体140。该副壳体在其结构上与第一实施例的副壳体40相同。在副壳体140和外壳体112之间有一个通道，在最佳实施例中，蒸汽和空气的混合物向上流过该通道进入混合室102。在本实施方式中，在主壳体130的副端34和副壳体140的第一端或底端42之间的54处也有一个不连通的结合部。
本领域技术人员容易明白，在主壳体构件30与副壳体构件40相汇区内形成的排出孔可以呈多种形式，图6至图10示出了其中一些可供选择的形式。如图6所示，在主壳体构件30内可以设若干个排出孔150，其位置在副端34下方附近。这些排出孔可以为如图所示的矩形或者其它形状，如圆形或椭圆形。这些排出孔最好沿主壳体构件30周围均匀分布，而且最好尺寸相同或相似。容易理解的是，在本实施方式中，还提供了一个对接接合部或非连续接合部54，而且如图6至图10所示那样，可以单独应用或与其它孔口一同使用。
在图7所示的另一个实施方式中，在副壳体构件40周围形成有许多排出孔152，而且与其第一端42处间隔距离较近。图示排出孔为圆形，当然其它形状也可以，如方形、矩形和椭圆形等。排出孔152最好沿副壳体构件40周围均匀分布。在主壳体构件30内可以有也可以没有排出孔170。同样，在54处设有对接或断续连接部。
关于图8和图9所示的实施例，本个实施例与图6所示的实施例相似之处在于主壳体构件30上布置有许多矩形排出孔150，其位置距副端34较近。然而，在本实施例中，上内壳体或副壳体构件40上带有一个短套管伸出端154。
该套管伸出端在主壳体构件30副端34邻接的端部处沿副壳体构件40周围延伸。套管延伸端154与副壳体构件40的主外周侧壁156呈同轴线。容易理解的是，该外周边侧壁156具有第一预定直径，而套管延伸端154则具有与第一预定直径不同的第二预定直径，事实上，第二预定直径比图8和图9所示实施例中的第一预定直径小。套管延伸端154有一个位于排出孔150区域的自由端158。可以看出，正如上述实施方式一样，在燃料重组器使用期间，副壳体构件40在图9所示第一或初始位置和图8所示第二位置之间相对运动。正如这些图所示，在第一个位置，排出孔50被套管延伸端150部分遮挡。然而，随着燃料重组器的加热和管束的膨胀，副壳体构件40从主壳体构件30处移开一小部分距离，这样，如图8所示，排出孔150至少是充分地或全部地打开以供气体流出主壳体构件30。在本实施例中，也有一个不连通的结合部160，但是该结合部则是位于主壳体构件30第二端34和外周侧壁156之间。在本实施例中，套管延伸端154的外径比主壳体构件30的内径略小一点。
关于图10所示的差异，该实施例与图7所示的实施例的相似之处在于排出孔152沿副壳体构件40周围布置，而且其间隔距其第一端42要稍近一点。主壳体构件30’有一个在壳体副端34处与其侧壁相连接的同轴套管延伸端151。可以看出，主壳体构件30’有一个外径D1而副内壳体有一个内径D2。套管延伸端151有一个外径D3，测量到外表面153，它与主壳体构件30’的外径D1不同，也与副壳体构件40的内径D2不同。在图10的最佳实施例中，直径D3小于直径D1和D2。套管延伸端151在排出孔152区域有一个自由端155。如图10所示，这些排出孔被套管延伸端151部分遮挡，但是随着燃料重组器的加热，这些排出孔口被遮挡的面积变小或被全部打开以供气体通过。
可以看出，这些可供替换的结构的差异是存在的。例如，可以制作一个内径大于相对的壳体构件外径的套管延伸端151或154，而不是在相对的壳体构件内使用图9的套管延伸端154或图10的套管延伸端151，这样相对的壳体的端部就进入套管延伸端151或154内。另外，也可以在两个套管延伸端内和相对的壳体构件内提供孔口。但燃料重组器处于冷态时，套管延伸端的排出孔和相对的壳体构件就只是部分对准，随着燃料重组器加热，这些排出孔则逐渐彼此对准。尽管对于排出孔可以采用其他结构形式，但一般来讲，这些排出孔都位于对接或断续连接部54和160附近。
如图11所示，也可以这样制作燃料重组器，即在主壳体构件30和副壳体构件40之间布置一个连续的孔口161。在这种结构中，热交换管50的长度之长，足以在主壳体构件30和副壳体构件40之间形成一个开口161，该开口(间隙)161会随着热交换管50的纵向膨胀而加大。
本领域技术人员容易理解，可以按照本发明制作一个燃料重组器，其中，一个催化剂完全不用，重组器只包含第一催化剂72或第二催化剂62。图14给出了这种燃料重组器210的一个示例。燃料重组器210的大多数部件与上述最佳实施例中燃料重组器10的部件相同，都标有相同的标记。燃料重组器210与燃料重组器10的不同之处在于，第二催化剂62在燃料重组器210中未被采用。例如，在需要在重组器210下游方向进行全部一氧化碳脱除反应处理的情况下，可以使用最佳燃料重组器210。
尽管图14所示的最佳实施例适合作为燃料重组器使用，但它也可作为一个催化燃烧器使用，产生热量以供燃料电池系统其它部分应用，如加热燃料转化反应用的水蒸气。燃烧器产生的热量最好在燃烧器顺流方向回收。在这种实施例中，含氢燃料最好可以部分或全部是燃料电池阳极废气，它会与含氧气体形成催化反应以产生热燃烧气体。燃烧气体中包含的部分热量被输送到输入燃料和气体中，附加热量最好经由一个或多个热交换器回收，而后者可以是独立装置也可以与燃烧器集成在一起。如上所述，这里所介绍的其它最佳燃料重组器同样也可以改装成催化燃烧器。
如前所述，这里所介绍的最佳燃料重组器也可以通过不使用重组器结构中的两个催化剂而改装成非催化燃烧器。在按照本发明的非催化燃烧器中，含氢燃料同上述催化燃烧器一样采用燃烧器上交换室(如图1中的交换室102)内含氧气体燃烧。然后，热的燃烧气体在通过热交换管50时被进入的燃料和气体部分冷却。这些部分冷却的燃烧气体随后流出燃烧器，而后通过一个或多个附加热交换器进一步冷却，这些附加热交换器可以是独立装置也可以与燃烧器集成为一体。
图15示出了本发明的另一个最佳燃料重组器300。如上所述，该重组器也特别适合作为一个催化或非催化燃烧器使用。燃料重组器300的大部分部件都与上述最佳燃料重组器10的部件相似，并用相同的标记。
燃料重组器300与图所示的重组器的不同之处在于它采用一个单壳体设计，其外壳体312延伸至重组器300的第一端314和第二端316之间。燃料重组器300仅有一个进入口，含氢燃料和气体均通过该进入口被引入热交换室100。作为替代方式，含氢燃料和气体也可以通过独立的进入口(图中未示)被引入，包括如图5所示的布置形式，即燃料可以通过顶盖构件22进入。
在燃料重组器300中，含氢燃料和气体在热交换室100内混合，围绕并穿过挡板75、76和77流入环形通道352。环形通道使热交换室100与上腔室102相通。最好采用自热重组反应法使经过混合的燃料和气体在流经催化剂72时进行反应，以产生氢气和一氧化碳。
热重组产品流经热交换管50，将部分热量带到流经热交换室100的燃料和气体流体中。
环形通道352是在外壳体312和壳体构件340之间形成的，而内壳体340又固定在第二管板64上。由于壳体构件340和外壳体312之间没有采用固定连接，因而形成一个断续接合，热交换管的轴向膨胀引起了壳体构件340相对于外壳体312的相对轴向移动，从而防止了热应力的发生。
虽然所示燃料重组器300是一个带有两个催化剂72和62的重组器，但重组器300也可以用作只使用一个催化剂的燃料重组器，或如上所述，可以用作催化或非催化燃烧器。容易理解的是，燃料重组器300可以提供有肋条24、凹窝25等等，使壳体340构件处于外壳体312内中央位置，其实施例如前所述，参考其它最佳实施例。
本发明技术范围还包括整体燃料转换反应器，按照本发明，其中，两个或更多的单个反应器被端到端地接合到一起，形成一个整体结构。这种整体结构最好是通过焊接或铜焊各个反应器的外壳体来形成。图16示出了一种最佳形式的整体反应器，包括一个燃料重组器400。在这个燃料重组器中，类似于图1所示只有一个催化剂72的反应器402和类似于图5所示有一对催化剂72’和62的反应器端对端地连接在一起。在这个具体最佳实施例中，反应器402的催化剂72包括一个用来将含氢燃料转换成氢气的燃料转化催化剂，最好是自热重组催化剂。反应器404的催化剂72’和62最好分别包括高温和低温变换反应催化剂。在这个反应器400中，催化剂72中产生的热重组产品流经反应器402的热交换管50进入混合室406，在这里与反应器404热交换室100内预热蒸汽相结合。脱除了一氧化碳的重组产品从催化剂72’处流经反应器404的热交换管50，在这里与交换室1 00的蒸汽进行热交换而得到冷却，而后进入催化剂62室，用于低温变换反应。
同样，也可以提供一个包括优先氧化反应催化剂的整体系统，。
图17示出了另一种整体式燃料转换反应器500。如下详细所述，反应器500设计成可使重组产品在第一催化剂72和第二催化剂62之间避免过度冷却现象，在某些情况下，这种现象在图1和图5所示的热交换器10和110中可能会发生。通过入口48进入的气体混合物的温度为上游系统设计和工作条件的函数。同样的，气体混合物的温度可以随工作条件的不同而略有变化。例如，在一个特定自热重组反应系统中，在满负荷工况下经入口48进入的气体混合物的温度可能大约180℃，但在部分负荷工况下则可能会降到大约160℃。另一方面，第二催化剂62的工作温度可能需要大约230℃。这样，尤其是在部分负荷工况下，流经催化剂72和催化剂62之间的重组物就有可能受到流过热交换室100的气体混合物的过度冷却。如果如图1所示由于水的冷却作用在经过热交换管190时补充水时，这个问题会变得很复杂。在目前技术的反应器中重组产品的过度冷却问题一直是通过使用一个旁通管路和阀门来解决，采用旁通管路和阀门时，部分气体混合物在部分负荷工况下绕过交换腔室100。但是，阀门和管路以及燃料重组器的复杂性和阀门承受高温环境等都会使阀门的耐用性和可靠性受到限制。
反应器500采用一种整体结构避免了过度冷却现象的发生，这种整体结构包括一个第一热交换部分502和第二热交换器部分504，第一热交换部分又包括第一和第二催化剂72和62，气体混合物被引入第二热交换部分504并被来自第二催化剂62的重组产品加热。下面将详细介绍反应器500的结构和工作原理。
反应器500的第一热交换器部分502在结构上类似于图5所示的燃料转换反应器110，其部件相同，并采用相同的标记。第一热交换器部分502包括最好是自热重组催化剂的第一催化剂72和最好包括一氧化碳脱除催化剂的第二催化剂72，例如变换反应催化剂。
第二热交换器部分504也在结构上与图5所示燃料转换反应器相似，热交换管50伸至管板58和管板64之间，且热交换管50上使用了挡板75、76和77。第二热交换部分504拥有一个带外表面536的主壳体530，并在管板58附近的有一个进口48，气体混合物经过该进口进入热交换室506，被通过热交换管50从第二催化剂62处过来的重组产品加热。根据下面所述，第二热交换部分的主壳体530可以包含第一热交换部分502的主壳体130的延伸部分。
在图17所示的热交换器500中，通过进口48进入第二热交换部分504的气体混合物由燃料、空气和蒸汽组成。相应地，热交换器500又进一步与热交换器10和110不同之处在于它没有一个独立的燃料入口。然而容易理解的是，热交换器500也可以使用一个独立的燃料进口，其与热交换器10的外壳体12中进口26或热交换器110的顶盖构件122中的进口126相似。当热交换器提供有一个类似燃料进口26的燃料进口时，不难看出外壳体112将会向下延伸，如图1所示。
外壳体部分512环绕着第一热交换器部分502的下部和第二热交换器部分504的上部。外壳体部分512的上端508刚性固定在第一热交换器部分502的主壳体30上，其下端510固定在第二热交换器部分504的主壳体530上。在其上下端508和510之间，外壳体部分512与主壳体130和530的外端面136和536等距离隔开，从而形成环形通道552以供燃料、蒸汽和空气气体混合物从第二热交换部分的热交换室506流向第一热交换部分502的热交换室100。气体混合物经由一个或多个孔口546进入环形通道552，这些孔口位于第二热交换器部分504的最近的管板64的外壳体530上(或外壳体530和130之间)，而后，气体混合物经由第一热交换器部分502的外壳体130上的一个或多个孔口548流出环形通道552。
孔口546和548以及第一热交换器部分502大约管板64处的开口550的结构详细介绍如下。开口546，548和550可以是壳体130和530上的分散开口形式，也可以在结构上类似于断续连接部分54的断续连接形式。凡提供有断续连接的，可以看出，该接合部分的结构如同图1和图5至图10中任何一种形式，包括图中所示的孔口。
例如，图18示出了一种实施例，该例中开口550由许多分散的孔口552组成，而且没有非连续接合部。但是，最好提供一种如图1和图5至图10所示的非连续接合处，以便调节第一热交换器部分502热交换管50的纵向热膨胀。
另外，至少应有一个开口548可以采用壳体130上所形成的分散孔口形式，如图18所示，或者一个单独的连续开口548采用非连续接合的形式，这样开口548上方的壳体130部分就与开口548下方的壳体部分不连通。开口548形成的这种非连续性接合处就属于图1和图5至图10中任一一种实施例的结构了。
在第一热交换部分502的壳体130和第二热交换部分504的壳体530之间至少应有一个开口546。开口546可以如图18所示采用许多分散孔口的形式，这样壳体530就会形成壳体130的一个整体延伸，且不会形成非连续性接合处。
作为选择，可以提供一个单一的连续开口546，这样壳体130和壳体530就彼此分开，且提供有一个不连通的接合处。开口546形成的不连通的接合处可以是图1和图5至图10中任何一种结构形式。
最好是在一个或几个开口546、548和550处提供一种不连通的接合方式，以便调节热交换器500的热膨胀。更可取的是，至少在开口550处提供一个不连通的接合部，以便调节第一热交换器部分502热交换管50的热膨胀，这种热膨胀是因第一催化剂72产生的较高温度重组产品引起的。凡在开口550处提供有一个不连通的接合部的，开口546和开口548最好各有若干个等距离间隔的孔口。在这种情况下，在开口546或开口548处增加一个不连通接合处并不是很重要，因为穿过第二催化剂62的温度差一般较小。另外，最好在开口546和开口548处都提供不连通接合处，同时可取消开口550处的不连通接合处。凡在开口546或开口548处提供有不连通接合处的，这些不连通接合处最好都应预先等距离间隔，如图11所示，因为接合部位的开口面积会由于第一热交换部分502中热交换管50的热膨胀而减小。在这种情况下，有必要提供带槽的孔，以避免气体流动受阻或提供一个预先确定的可接受的最小间隙。
图19给出了整体式燃料转换反应器600的另一种示例，该反应器在结构和工作原理上与图17所示的反应器500相似，所使用的部件相同，并采用相同的部件标记。燃料转换反应器600包括一个含第一和第二催化剂72、62的第一热交换部分602，并且除了下述的不同之处除外，它与反应器500的第一热交换部分502相似。反应器600还包括一个第二热交换部分604，除了下述的不同之处除外，其与反应器500的热交换部分504相似。
在反应器600中，外壳体部分512没有了；而且至少第一热交换部分502提供有一个主壳体630，该主壳体至少在距离其主端632最近处的直径加大了。主壳体630套装在副内壳体640上。副壳体构件640有个第一端642和一个第二端644。第一端642则位于第二热交换器部分604主壳体530的至少一个开口546附近；第二端644则刚性固定在第一热交换部分602管板58的法兰60上。主壳体630的主端632又刚性固定在开口546下方第二热交换部分604的主壳体530上，这样就形成了一个通道652，供气体在第一和第二热交换部分602和604的热交换室506和100之间流动。可以看出，环形孔口654是在主壳体630和主壳体530的第二端644之间形成的。热交换器600的两个开口546和550中的一个或者二者都采用上述不连通接合部的形式，参阅图17。至少开口550应最好采用一个不连通的接合形式。
本领域技术人员容易理解，在所示例的和所述燃料重组器上可进行各种改装或变动均不违背本发明的精神和范围。此外，所有上述改装和变动都属于所附权利要求范围，被认为是包括在本发明的范围之内。

Claims (25)

1.一种燃料转换反应器，包括管壳式热交换器，用于在气体与燃料反应之前加热气体且将反应所产生的气体混合物冷却，所述热交换器包括：具有主端、副端和在所述两个端部之间延伸的侧壁并在壳体构件内形成热交换室的主壳体构件；用于引导所述气体进入所述热交换室的注入口；在所述主端附近固定在所述主壳体构件上并在交换室一端封闭所述热交换室的第一管板；与所述主壳体构件相分离并位于所述副端附近的第二管板装置，该第二管板装置构成了与交换室所述一端相对的所述交换室的另一端；自所述第一管板延伸至所述第二管板装置并刚性固定在第一管板和第二管板装置上的若干个热交换管，所述热交换管为所述气体混合物通过热交换室在热交换管内流动提供了通道；其特征在于：在所述主壳体构件的所述副端区域内形成了一个或多个排出孔口，为在所述燃料转换反应器工作期间，在其壳体一侧上的流经所述热交换室的所述气体流体提供了至少一个出口；
所述第二管板装置包括一个带有外周侧壁的副壳体构件，其一端位于主壳体构件的所述副端附近，并与所述副端一起，构成一个不连通的接合处，所述第二管板装置在所述热交换管出现热膨胀时能相对于所述主壳体构件自由移动。
2.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其中：在所述主壳体构件和所述第二管板装置中至少一个上形成所述一个或多个排出孔口；或者所述一个或多个排出孔口是在所述主壳体构件和所述第二管板装置之间形成的。
3.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，包括外壳体，其包括第一端和第二端以及在所述第一和第二端之间延伸的外壳壁，所述外壳体在所述第二端处封闭，在所述主壳体构件和所述第二管板装置周围延伸，所述外壳体还具有用于所述燃料的注入口，其特征在于燃料通道是在主壳体构件的侧壁与外壳体的外壳壁之间构成并从所述燃料注入口延伸至所述一个或多个排出孔口。
4.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其特征在于：在所述不连通接合处形成一个间隙，所述一个或多个排出孔口都包括所述间隙。
5.根据权利要求3所述的燃料转换反应器，进一步包括用于加快燃料和气体的反应的第一催化剂，所述催化剂安装在具有外周侧壁的副壳体构件上，所述外周侧壁的端部位于主壳体构件的所述副端附近，而且与所述副端一起构成一个不连通的接合处，所述催化剂的布置适合所述燃料和所述气体流过以产生所述气体混合物；
第一催化剂为自热重组催化剂、部分氧化催化剂、蒸汽重组反应催化剂或者燃烧催化剂。
6.根据权利要求5所述的燃料转换反应器，进一步包括第二催化剂，该催化剂布置在所述主端附近和所述热交换室外部的所述主壳体构件里，
其特征在于，第二催化剂为水一气变换反应催化剂或者优先氧化催化剂；
所述主壳体构件有一个排出孔口，以便含氢重组产品从主壳体构件流出。
7.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其特征在于：所述副壳体构件有一个带第一预定直径的外周侧壁和一个同轴套管伸出端，在其所述第一端从所述外周侧壁延伸；该副壳体构件还有一个第二预定直径，该直径不同于所述第一预定直径，其中所述套管伸出端有一个自由端，位于所述一个或多个排出孔口区域，这些排出孔口在所述主壳体构件的副端处或其附近形成，其中在所述燃料转换反应器使用期间所述副壳体构件在第一位置和第二位置之间相对移动，其中第一位置是指一个或多个孔口被所述套管伸出端部分遮挡，第二位置是指所述一个或多个孔口至少充分打开以供所述气体流通。
8.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其特征在于：所述副壳体构件包括具有第一内径的外周侧壁，所述主壳体构件有主外部直径和同轴套管伸出端，在所述副端处从所述外周侧壁延伸，所述套管伸出端带有与主外径和第一内径均不同的外径，所述套管伸出端有位于在所述第二管板装置周围形成的所述一个或多个排出孔口区域的自由端，其中，在所述燃料转换反应器使用期间，所述副壳体构件在第一位置和第二位置之间相对移动，其中，第一位置是指一个或多个孔口被所述套管伸出端部分遮挡，第二位置是指所述一个或多个孔口至少充分打开以供所述气体流通。
9.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，包括用于所述气体的第二注入口，该注入口在所述主端附近的所述主壳体构件一侧。
10.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其特征在于：所述第二管板装置的自由移动导致一个或多个排出孔口在所述热交换器热膨胀时其尺寸的增大。
11.根据权利要求3所述的燃料转换反应器，其特征在于：所述外壳体带有突部，这些突部围绕外壳体等距离隔开并向内突出与主壳体构件的所述外端面啮合。
12.如权利要求5所述的燃料转换反应器，进一步包括：燃料混合物输送装置，用于输送所述燃料和所述气体流体的混合物，所述气体流体从所述一个或多个排出孔口流向所述第一催化剂处。
13.根据权利要求12所述的燃料转换反应器，其特征在于：所述外壳体和所述副壳体构件之间形成一个或多个进一步通道，所述进一步通道使得含所述氢燃料和所述气体流体的所述混合物从与所述一个或多个排出孔口邻接的区域流到与所述第一催化剂邻接的封闭混合室。
14.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，包括一个或多个安装在所述热交换管上并位于所述热交换室内的挡板。
15.根据权利要求14所述的燃料转换反应器，包括若干个所述挡板，其中一个挡板位于所述排出孔口附近并带有一个中央开口，所述气体通过该开口按径向朝外方向流向所述排出孔口。
16.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，其特征在于：该燃料和该气体流体一起经过注入口被引入。
17.根据权利要求1所述的燃料转换反应器，包括：带有第一和第二端和外壳壁的外壳体，外壳壁伸入所述第一和第二端之间，外壳体的第二端位于第二管板装置附近并由端盖构件封闭，该端盖构件有一个燃料注入口，注入口与混合室相通，用来混合燃料和气体流体，混合室位于端盖构件和第二管板装置之间。
18.一种燃料转换反应器，包括管壳式热交换器，用来在与燃料进行反应之前加热气态流体和冷却反应期间产生的气体混合物，所述热交换器包括：(a)第一热交换区，包括(i)第一主壳体构件，该构件具有主端和副端和一个在所述两端之间延伸的侧壁，并构成了位于第一主壳体构件内的第一热交换室；(ii)第一管板，该管板固定在所述主端附近的所述第一主壳体构件上，并在第一热交换室的一端封闭所述第一热交换室；(iii)第二管板装置，该管板装置与所述第一主壳体构件隔开，并位于所述副端附近，所述第二管板装置构成了所述第一热交换室的另一端，它与第一热交换室的所述一端相对；(iv)若干个热交换管，这些热交换管从所述第一管板处延伸到所述第二管板装置并与第一管板和第二管板装置刚性连接，所述热交换管为所述气体混合物经由所述第一热交换室流入热交换管提供了通道；(v)在所述第一主壳体构件的所述副端区域内形成的一个或多个孔口，为流经所述燃料转换反应器壳体一侧上第一热交换室的气体提供了至少一个排出口；(b)第二热交换区，包括(i)第二主壳体构件，它有主、副端和在所述两端之间延伸的侧壁，形成了与第一热交换室相通的第二热交换室，第二主壳体构件通过位于第二主壳体构件副端附近的第一主壳体构件主端与第一主壳体构件同中心；(ii)安装在第二主壳体构件内的若干热交换管，这些热交换管与第一热交换区的热交换管相通；(iii)设在第二主壳体构件侧壁上的注入口，用来引导该气体流体进入第二热交换室；(iv)在第二主壳体构件副端区域内形成的一个或多个排出口，为该气体流体从第二热交换室流向第一热交换室提供了至少一个出口。
19.根据权利要求18所述的燃料转换反应器，其特征在于：第一热交换区进一步包括由一个或多个注入孔口，这些注入孔口位于第一壳体构件的主端区域，为该气体流体从第二热交换室进入第一热交换室提供了至少一个入口。
20.根据权利要求19所述的燃料转换反应器，进一步包括：带有第一端和第二端的外壳体部分，所述第一端和第二端环绕第二壳体构件的副端和第一壳体构件的主端，形成了一个流通通路，供气体流体自第二热交换室流向第一热交换室，外壳体部分的第一端和第二端分别刚性固定在第一和第二壳体构件的侧壁上，所述通路位于外壳体部分和壳体构件之间。
21.根据权利要求20所述的燃料转换反应器，其特征在于：在该第二壳体构件副端区域内形成的一个或多个排出孔口位于第一和第二壳体构件之间。
22.根据权利要求21所述的燃料转换反应器，其特征在于：第二壳体构件副端区域内形成的一个或多个排出孔口在第一和第二壳体构件之间包括一个不联通的接合处。
23.根据权利要求19所述的燃料转换反应器，其特征在于：该第一壳体构件主端的直径要大于第二壳体构件副端的直径，其中第二壳体构件的副端装入第一壳体构件的主端，第一壳体构件的主端刚性固定在第二壳体构件的侧壁上，这样在第一和第二壳体构件之间就形成了一个通路，供气体流体从第二热交换室流向第一热交换室。
24.根据权利要求23所述的燃料转换反应器，其特征在于：该一个或多个注入孔口包含位于第一和第二壳体构件之间的连续的环形间隙。
25.根据权利要求23所述的燃料转换反应器，其特征在于：该一个或多个注入孔口包含一个在第一壳体构件主端附近的侧壁上形成的不连通的接合处。
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