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本发明提供了一种燃料重整设备。两种孔室(第一孔室(12)和第二孔室(14))用于构成蜂窝结构。该第一孔室(12)和第二孔室(14)的催化剂承载位置不同。该第一孔室(12)和第二孔室(14)交替设置。该第二孔室(14)的催化剂承载位置从该第一孔室(12)的催化剂承载位置沿空气－燃料混合物流动的下游侧方向偏移，以便当用于分隔第一孔室(12)和第二孔室(14)的分隔壁(10)的第二孔室一侧上发生放热反应时，分隔壁(10)的相对的第一孔室一侧上发生吸热反应。

1.  一种燃料重整设备，用于通过向承载催化剂的蜂窝结构提供包含至少烃类燃料和空气的混合物并通过使空气-燃料混合物与催化剂反应来生成重整气体，
其中，该蜂窝结构包括第一孔室和第二孔室，所述第一孔室和第二孔室的催化剂承载位置不同并且所述第一孔室和第二孔室交替设置；并且其中，该第二孔室的催化剂承载位置从该第一孔室的催化剂承载位置朝该空气-燃料混合物流动的下游侧方向偏移。

燃料重整设备
技术领域
本发明涉及通过使用催化剂重整烃类燃料以生成含氢的重整气体的燃料重整设备。
背景技术
例如由日本专利未决公开No.2004-251273公开的已知传统技术(包括)向催化剂提供烃类燃料和空气的混合物，通过与催化剂的重整反应获得重整气体，并将获得的重整气体提供给内燃机。日本专利未决公开No.2004-251273中所述的燃料重整设备利用不完全氧化反应作为重整反应。当烃类燃料进行不完全氧化时，如以下化学公式所示，会生成包含H₂和CO的重整气体：
    (1)
另一种已知的燃料重整设备向烃类燃料和空气的混合物添加蒸汽，将得到的混合物提供给催化剂，并获得重整气体。在此情况下，除了上述的不完全氧化反应之外，如以下化学公式所示，烃类燃料还与催化剂进行蒸汽重整反应：
     (2)
通过上述不完全氧化反应和蒸汽重整反应生成的H₂和CO的可燃性非常好。因此，例如当在冷启动时将包含H₂和CO的重整气体提供给内燃机时，可改善内燃机的启动性能。另外，还可改善废气排放质量。
申请人已知以下文献是本发明的相关技术，其中包括上述文献。
[专利文献1]
日本专利未决公开No.2004-251273
[专利文献2]
日本专利公报No.Hei5-65708
[专利文献3]
日本专利未决公开No.2001-227419
[专利文献4]
日本专利未决公开No.2000-7303
[专利文献5]
日本专利未决公开No.Hei8-91802
[专利文献6]
日本专利未决公开No.Hei6-219701
上述不完全氧化反应的反应速度很高。当空气-燃料混合物流向催化剂时，反应实际上在催化剂的上游区域内终止。图4是示出沿气体流动方向在催化剂床温度和催化剂中的位置之间的关系的图表。如该图表所示，催化剂床温度在其中已进行不完全氧化反应(PO反应)的催化剂的上游区域内极高。原因在于不完全氧化反应是放热反应。催化剂被反应导致的热量加热。另一方面，在其中不完全氧化反应实际上终止的催化剂的下游区域内，催化剂床温度由于从催化剂的热耗散而逐渐降低。此外，除了H₂和CO，由于在使用空气-燃料混合物期间发生的燃料雾化失效或混合失效还在燃料贫乏区域(lean region)中生成CO₂和H₂O。另一方面，在燃料丰富区域(rich region)中生成未重整的HC。如以下反应公式所示，生成的CO₂、H₂O和未重整的HC在催化剂的下游区域内发生反应：
        (3)
由于上述反应是吸热反应，所以在催化剂的下游区域内催化剂床温度进一步降低。
蒸汽重整反应(SR反应)的反应速度比不完全氧化反应快。因此，当包含烃类燃料、空气和蒸汽的混合物流向催化剂时，在催化剂的上游区域内主要发生不完全氧化反应，并且在催化剂的下游区域内主要发生蒸汽重整反应。图5是示出沿气体流动方向在催化剂床温度和催化剂中的位置之间的关系的图表。如该图表所示，催化剂床温度在其中已进行不完全氧化反应即放热反应的催化剂的上游区域内极高。另一方面，在其中已进行蒸汽重整反应的催化剂的下游区域内，催化剂床的温度大大降低。原因是除了从催化剂的热耗散之外，由于进行蒸汽重整反应而从催化剂释放热量，该蒸汽重整反应是吸热反应。
如上所述，传统的燃料重整设备中的催化剂的上游区域容易因不完全氧化反应生成的热量而过热，并且催化剂的下游区域内的催化剂床温度容易由于热耗散和吸热反应-例如蒸汽重整反应-而降低。
但是，当催化剂极度过热时，催化剂中的贵金属可能由于烧结而损坏。此外，如果承载催化剂的蜂窝结构由金属制成，则该蜂窝结构可能由于高温氧化而腐蚀。即使当使用陶瓷蜂窝结构时，其强度也会下降。由于外壳由金属制成，所以外壳也可能由于高温氧化而腐蚀。
同时，当催化剂床温度在催化剂的下游区域内降低时，重整气体内的H₂和CO的浓度降低以增加THC的浓度。这是由于以下的甲烷生成反应导致的，所述甲烷生成反应在催化剂床温度降低时进行：
      (3)
当上述反应进行时，重整气体内的H₂和CO的浓度降低以增加CH₄的浓度。图6中的图表示出催化剂床温度和重整气体内的THC浓度之间的关系。如该图表所示，存在使THC浓度最小的合适的催化剂床温度。当催化剂温度从该合适的温度降低时，THC浓度增加。
发明内容
本发明是为解决上述问题而提出的。本发明的一个目标是提供一种燃料重整设备，该设备防止催化剂由于放热反应而过热，并避免催化剂温度由于热耗散和吸热反应而降低。
上述目标通过根据本发明的一个方面的燃料重整设备实现。该燃料重整设备通过向承载催化剂的蜂窝结构提供包含至少烃类燃料和空气的混合物并使空气-燃料混合物与催化剂反应来生成重整气体。蜂窝结构包括第一孔室和第二孔室，该第一孔室和第二孔室的催化剂承载位置不同并且该第一孔室和第二孔室交替设置。第二孔室的催化剂承载位置从第一孔室的催化剂承载位置沿空气-燃料混合物流动的下游侧方向偏移。
在本发明的该方面中，当包含至少烃类燃料和空气的混合物被提供给催化剂时，在催化剂的上游侧发生不完全氧化反应，该不完全氧化反应是放热反应。随后，在催化剂的下游侧发生CO/H₂生成反应，该CO/H₂生成反应是吸热反应并且使用未重整的烃类燃料、CO₂和H₂O作为反应物质。如果空气-燃料混合物中包含蒸汽，则在不完全氧化反应之后在催化剂的下游侧发生蒸汽重整反应，该蒸汽重整反应是吸热反应。
根据本发明的该方面，第二孔室的催化剂承载位置从与第二孔室相邻的第一孔室的催化剂承载位置沿空气-燃料混合物流动的方向偏移。因此，如果在用于将第一孔室和第二孔室分隔开的分隔壁的第二孔室一侧发生放热反应，则在分隔壁的相对第一孔室一侧会发生热耗散和吸热反应。则由第二孔室中的放热反应产生的热量可被第二孔室中的热耗散和吸热反应所消耗。这样可防止催化剂由于放热反应而过热，并避免催化剂温度由于热耗散和吸热反应而降低。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的燃料重整设备的特征部分的横截面视图；
图2是示出根据本发明的实施例的燃料重整设备的内部的横截面视图；
图3是示出根据本发明的实施例的燃料重整设备的特征部分的平面图；
图4是示出在包含烃类燃料和空气的混合物流向催化剂的情况下，沿气体流动方向在催化剂床温度与催化剂中的位置之间的关系的图表；
图5是示出在包含烃类燃料、空气和蒸汽的混合物流向催化剂的情况下，沿气体流动方向在催化剂床温度与催化剂中的位置之间的关系的图表；
图6是示出催化剂床温度与重整气体中的THC浓度之间的关系的图表。
具体实施方式
现在参照图1-3说明本发明的一个实施例。
图1是示出根据本实施例的燃料重整设备的特征部分的横截面视图。图2是示出根据本实施例的燃料重整设备的内部的横截面视图。图1是图2中的部分A的放大视图。图3是示出根据本实施例的燃料重整设备的特征部分的平面图。图1是沿图3的线B-B或线C-C的横截面视图。例如，根据本实施例的燃料重整设备可用作内燃机的燃料重整设备。
如图2所示，一催化剂反应部分4设置在燃料重整设备的外壳2中。该催化剂反应部分4定位成阻塞外壳2中的气流路径。流入外壳2的空气-燃料混合物在通过催化剂反应部分4时被重整。提供给外壳2的空气-燃料混合物包括烃类燃料(例如汽油)、空气和蒸汽。在催化剂反应部分4中，烃类燃料受到不完全氧化反应和蒸汽重整反应。由这些反应得到的包含H₂和CO的重整气体被提供给内燃机的进气系统并用作内燃机燃料。
根据本实施例的燃料重整设备的催化剂反应部分4具有特殊结构。如图1和3所示，催化剂反应部分4具有包括多个孔室12、14的蜂窝结构。设置有分隔壁10以便将一个孔室12、14与另一个分隔开。每个孔室12、14具有方形横截面并且与四个其它孔室相邻。
构成催化剂反应部分4的孔室可分成两类孔室：第一孔室12和第二孔室14。这两类孔室的催化剂承载方法彼此不同。催化剂涂层16施加在第一孔室12的分隔壁10的入口端和出口端之间。另一方面，第二孔室14的分隔壁10在出口端和向内距入口端预定距离处的位置之间具有催化剂涂层18。换句话说，第二孔室14的催化剂承载位置从第一孔室12的催化剂承载位置沿空气-燃料混合物流动的下游侧方向偏移。第一孔室12和第二孔室14沿长度方向(图3中的方向B-B)和横向(图3中的方向C-C)均交替设置以便它们与其它孔室相邻。
提供给催化剂反应部分4的空气-燃料混合物在孔室12、14中流动。当空气-燃料混合物与孔室12、14上的催化剂涂层16、18接触时该空气-燃料混合物发生反应。在第一孔室12中，进入的空气-燃料混合物与催化剂涂层16接触并在催化剂涂层16上发生反应。在这种情况下，在催化剂涂层16的上游区域中主要发生不完全氧化反应，该反应具有较高的反应速度。另一方面，在催化剂涂层16的下游区域中，主要发生由反应公式(3)表示的蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应，这些反应具有较低的反应速度。在第二孔室14中，进入的空气-燃料混合物与催化剂涂层18接触并在催化剂涂层18上发生反应。在这种情况下，在催化剂涂层18的上游区域中主要发生不完全氧化反应，该反应具有较高的反应速度。另一方面，在催化剂涂层18的下游区域中，主要发生蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应，这些反应具有较低的反应速度。
在第一孔室12和第二孔室14两者中，在空气-燃料混合物流的上游区域中主要发生不完全氧化反应，而在下游区域中主要发生蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应。但是，第一孔室12和第二孔室14的催化剂承载位置不同。因此，彼此相邻的第一孔室12和第二孔室14的反应位置不同。更具体地说，第一孔室12上的催化剂涂层16的上游区域对应于相邻第二孔室14的没有催化剂的区域。因此，第一孔室12的发生不完全氧化反应的区域与第二孔室14的没有发生反应的区域相邻。结果，由第一孔室12中的不完全氧化反应产生的反应热可从第二孔室14的壁表面耗散。在这种情况下，如果流入第二孔室14的空气-燃料混合物包含液态烃类燃料，则当液态烃类燃料汽化时产生的汽化潜热可促进从第二孔室14的热耗散。
第二孔室14上的催化剂涂层18的上游区域对应于相邻的第一孔室12上的催化剂涂层16的下游区域。因此，第一孔室12的发生蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应的区域与第二孔室14的发生不完全氧化反应的区域相邻，并且分隔壁10位于第一和第二孔室之间。不完全氧化反应是放热反应，而蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应是吸热反应。因此，由第二孔室14中的不完全氧化反应产生的反应热可被相邻的第一孔室12中的蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应所吸收。
第二孔室14上的催化剂涂层18的下游区域对应于相邻的第一孔室12上的催化剂涂层16的端部区域。在该端部区域中，蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应实际上已终止。此外，该端部区域中的气体温度由于在上游区域中产生的反应热而升高。因此，维持催化剂床温度所需的热量可从相邻的第一孔室12提供给催化剂涂层18的下游区域。
如上所述，在根据本实施例的燃料重整设备中，由催化剂涂层18的上游区域中的不完全氧化反应产生的反应热被相邻催化剂涂层16的下游区域中的蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应所消耗。这样可防止催化剂涂层18的上游区域因反应热而过热，避免催化剂涂层16的下游区域中的温度下降，加速蒸汽重整反应和CO/H₂生成反应，并抑制甲烷生成反应。
由催化剂涂层16的上游区域中的不完全氧化反应产生的反应热可从相邻的第二孔室14的壁表面耗散。因此可防止催化剂涂层16的上游区域因反应热而过热。此外，由于相邻的第一孔室12中的重整气体流的热量可经由分隔壁10被提供给催化剂涂层18的下游区域，所以可避免催化剂涂层18的下游区域中的温度下降。
尽管已根据优选实施例说明了本发明，但是应理解本发明并不局限于该优选实施例，并且可以进行变型而不会背离本发明的范围和精神。例如，可对本发明的优选实施例进行以下改变。
在上述实施例中，供给烃类燃料、空气和蒸汽的混合物。但是，也可以供给烃类燃料和空气的混合物。当供给烃类燃料和空气的混合物时，在第一孔室12和第二孔室14两者中的空气-燃料混合物流的上游区域内主要发生不完全氧化反应。另一方面，在下游区域中，主要发生热耗散和吸热的CO/H₂生成反应。但是，第一孔室12和第二孔室14的催化剂承载位置不同。因此，第一孔室12的其中发生热耗散和吸热反应的区域与第二孔室14的其中发生不完全氧化反应的区域相邻，并且分隔壁10位于第一和第二孔室之间。则由第二孔室14中的不完全氧化反应产生的反应热可通过相邻第一孔室12中的热耗散和吸热反应被吸收。结果，可防止催化剂因放热反应而过热，并避免催化剂由于热耗散和吸热反应而降温。
在上述实施例中，第一孔室12具有催化剂涂层16，该催化剂涂层16始自分隔壁10的入口端。但是，可选地，催化剂涂层16也可以始自从分隔壁10的入口端向内预定距离处的位置。只要催化剂涂层16的前端从用于第二孔室14的催化剂涂层18的前端沿空气-燃料混合物流动的上游侧方向偏移，则这种可选方案就是可接受的。可以通过考虑气流的速率和每种反应的速度来设定催化剂涂层16和18的前端位置之间的差。在上述实施例中，催化剂涂层16和18的后端位置均位于孔室12、14的出口端。但是，实际上，催化剂涂层16和18的后端位置没有严格的限制。
在上述实施例中，根据本发明的燃料重整设备用作向内燃机提供重整气体的源。但是，根据本发明的燃料重整设备不局限于这种用途。