CN1267182C - 燃料处理器原料输送系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料处理系统(11)的原料混合装置(10)、和与之配合的燃料处理及燃料电池系统(11)。本发明的燃料处理系统包括一个或多个燃料处理器(12)，可从水(20)与含碳料(18)组成的原料流(16)中生成产品氢气流(14)。燃料处理系统(11)还包括一个燃料输送系统(26)，使混合原料流(16)中的组分在确定的混合比率，并将该原料流(16)输送到燃料处理器(12)。燃料处理系统(11)又可包括一个或多个燃料电池堆(22)，该电池堆利用燃料处理系统(11)中输出的产品氢气流(14)来产生电流。当燃料处理系统(11)至少包含一个燃料电池堆(22)时，它可指一个燃料电池系统。

Description

燃料处理器原料输送系统
                      发明领域
本发明主要是关于燃料处理系统(包含一个燃料处理器，用来产生氢气)，燃料电池系统(包含一个燃料处理器和一个燃料电池堆)，以及利用改进的方法和系统提供混合料给燃料处理器。
                      发明背景
在燃料处理系统中有一个燃料处理器，它可以从普通的燃料如含碳料中产生氢气或富含氢气的气体。燃料电池系统包括一个燃料处理器和一个燃料电池堆，用来从氢气中产生电流。将燃料处理器中产生的氢气或富氢气体输送到燃料电池堆的阳极，空气则输送到阴极，这样电流就产生了。
在一些燃料处理器中，加入的原料仅包括单一的组分。譬如，这些燃料处理器包括电解部件(唯一的原料是水)，热解及部分氧化反应堆(唯一的原料是碳氢化合物或醇)。在许多燃料处理器中，原料不止含一种组分，如水与含碳料，其中含碳料包括醇和碳氢化合物。当原料含有多个组分时，这些组分需要混合并送入燃料处理器。由于原料不只含有一种组分，则两种或者两种以上的组分将以各种百分数或分数存在，各种百分数的相对混合将会影响燃料处理器的运行或效率以及产品流的组成。
                      发明概述
本发明涉及用于燃料处理系统、燃料处理及与之结合的燃料电池系统的原料混合装置。根据本发明，一个燃料处理系统包括一个或一个以上燃料处理器，从水和含碳料组成的原料流中可产生氢气流。燃料处理系统又包括原料输送系统，它将原料流的组分以一定的比率混合，并把原料流输送到燃料处理器中。燃料处理系统也可以含有一个或多个燃料电池堆，通过燃料处理系统产生的利用产品氢气来产生电流。当燃料处理系统至少包括一个燃料电池堆时，它可以指一个燃料电池系统。
                      图例的简要说明
图1本发明中含原料输送系统的燃料电池系统示意图。
图2在图1所示的燃料电池系统中使用的燃料处理器示意图。
图3在图1所示的燃料电池系统中使用的另一燃料处理器示意图。
图4在图1所示的燃料电池系统中使用的燃料电池堆示意图。
图5本发明的原料输送系统示意图。
图6本发明的另一原料输送系统示意图。
图7本发明的另一原料输送系统示意图。
图8本发明的另一原料输送系统示意图。
图9本发明的另一原料输送系统示意图。
图10本发明的另一原料输送系统示意图。
图11本发明的另一原料输送系统示意图。
图12在图1及图5-11的原料输送系统中使用的控制器示意图。
图13在图12的控制器中使用的用户界面示意图。
图14本发明中，含有原料输送系统及控制器的燃料电池系统示意图。
图15本发明中，在原料输送系统使用的重整器示意图。
图16本发明中，在原料输送系统使用的另一重整器示意图。
              本发明的详细描述及最佳模式
本发明的燃料电池系统见图1所示，一般以10表示。系统10至少包括至少一个燃料处理器12，至少一个燃料电池堆22和一个原料输送系统26。图1中，燃料处理系统一般以11表示。燃料处理系统11包括原料输送系统26以及至少一个燃料处理器12，燃料处理器利用原料输送系统26输送的原料流16来产生产品氢气流14。在这里，术语“燃料处理系统”应理解为从原料流中产生氢气的系统，而“燃料电池系统”则是指至少与一个燃料电池堆结合的燃料处理系统，燃料电池堆接受来自燃料处理系统的至少部分产品氢气流，从而产生电流。
原料输送系统26接受两股或两股以上的气流18和20，并将预定比率的组分以原料流16的形式输送到燃料处理器12。燃料处理器12从原料流16中产生含氢气的产品氢气流14。燃料电池堆22则从输送到的一部分产品氢气流14中产生电流。在图示的实施例中只绘出了单一燃料处理器12和单一燃料电池堆22，但是，应该理解这些装置可多个使用，也在本发明的范围之内。还应该理解图示的这些装置以及燃料电池系统也可附加其它组件，不限于图中所示，比如，喂料泵，空气输送系统，加热装置，热交换器等等。
燃料处理器12包括任何适用装置，它可从原料流16中产生氢气。更好地，燃料处理器用于产生相当纯的氢气，甚至更好地，燃料处理器用于就产生纯氢气。本发明的目的是要生产相当纯的氢气，纯度高于90％，或95％，甚至99％，99。5％。适宜的燃料处理器公布在美国专利中，专利号Nos.5,997,594，5,861,137，6,221,117以及未授权的美国专利申请No.09/802,361，于2001年3月8日申请，题目为“FuelProcessor and Systems and Devices Containing the Same”，每个完全公开可以参考、结合其全部的目的。
作为示例，燃料处理器12见图2所示，它包括一个产氢区32，含氢气的气流36利用上述机理之一从原料流16中产生。气流36可能是纯氢气，相当纯的氢气，或者是含氢和其它气体的混合气流。在燃料处理器12的实施例中，气流36的氢气纯度不能满足生产氢气使用的需要时，可将其送入纯化区38，在纯化区至少一部分非氢气体被从36中去除，从而形成纯净的氢气流42，和在一些实施例中，也排出副产品流40。在一些燃料处理器没有纯化区的实施例中，气流36从燃料处理器输出时形成产品氢气流14。有些燃料处理器含有纯化区的实施例中，经纯化的氢气流42形成产品氢气流14。应该理解的是，燃料处理器12可以包括附加的过滤或纯化区，如涉及从气流中化学和/或机械分离其它气体和/或杂质，形成产品氢气流14。
图2所示的实施例中，上述区域均放在一个共同的外壳48内。不过，就本发明来说，燃料处理器可没有外壳，可有多个外壳，至少一个区域可有从壳48内部分或全部延伸出来，或在壳外。
在许多实施例中，燃料处理器12将在高温下运行，如200-700℃范围之间。因而，燃料处理器包含一个加热装置44，见图3。加热装置44可以采用任何适用的形式来加热燃料处理器12，或选择适当的组件以保持足够的运行温度。加热装置44可置于壳48内，或置于壳外，用来输送热的气流。图3中，装置44所示是部分在壳内，部分在壳外，表明该加热装置可完全置于壳内，或完全置于壳外，或部分在壳内。
典型的来说，加热装置44接收燃料流46，如图3所示。适用的加热装置有电加热器50，如电阻加热器，接收来自电能的燃料流46而提供热量加热燃料处理器。电源或来自外部，来自燃料电池堆22，来自电池堆22先前存储的电能，或兼而有之。
另一适用的加热装置44是燃烧器52，它有一个引燃源54，通过燃烧燃料流46产生热量供给燃料处理器。燃烧器52的例子包括火炉燃烧器和燃烧催化剂床，典型的用于与燃烧室或含有燃料与空气混合物的55区连接在一起。引燃源54有一个火花塞，辉光插销热线点火塞，燃烧催化剂，常燃小火指示灯光及一些化合物它们的组合。在典型的有燃烧器的加热装置中的例子中，燃料流46包括一种或多种副产品流40，燃料处理器12或燃料电池堆22排出的废气流，来自外界或内部可燃料的燃料流，如丙醛烷，汽油，煤油，柴油，天然气等。其它的例子还有来自产品氢气流14，混合气流36和/或原料流16的滑流。
图3中，也展示了一个空气输送装置56，用于输送空气流58到燃料处理器12，如从燃烧区55输送出燃烧废气流59。空气输送装置56见图3所示，可以采用任何适当的形式。应该理解，燃料处理器12和/或加热装置44也可没有空气输送装置56，这由加热装置运行时的特定机理决定。
根据图1的讨论，本发明中的燃料电池系统10有一个或多个燃料电池堆22，接收来自燃料处理系统11，特别是来自燃料处理器12的产品氢气流14。燃料电池堆22可以接收所有产品氢气流14。或者，部分或全部氢气流14可通过一定的管道输送到其它的耗氢工艺中，作燃料燃烧，加热，或储存备用。
如图1所示，燃料电池堆22包括至少一个，一般来说含有多个燃料电池24，这些电池24通过共有的端面板23连在一起，并有流体输送/转移管道(图中未显示)。可用的燃料电池例子包括质支子交换膜(PEM)燃料电池和碱性燃料电池。每个燃料电池24从输送到那里的部分产品氢气流中产生电流。电流可用于满足有关耗能装置25的能源需求，或外加负载等。图示例子中的装置25包括机动车辆，娱乐器材，船只，工具，光源或发光组件，电器(家用电器或其他设备)，家用照明，信号或通信设备等，不限于此。应该理解，图1所示的装置25，是意味着代表一种或多种或选择的利用燃料电池系统输出电流的装置。通过连接，装置25可用来接受电池堆22产生的电能。电能可以储存，调整，或在输送到装置25之前进行其它处理，这都在本发明的范围之内。同样，装置25可与电池堆22结合，也可单独配置，通过电能传输线等从电池堆22中采集电流。
图4绘出了一个燃料电池堆的例子。电池堆22(内含的24个燃料电池单体24)有一个阴极区有一个阳极区60和一个阳阴极区62，中间由一个可以通过氢离子的电解膜或层64将两区分离。阳极和阴极区分别有一个阳极66和阴极68。燃料电池堆22的阳极区60接受产品氢气流14，阴极区62接受空气流70，并排放出阴极废气流72，该气流已经耗尽了部分或大量的氧气。氢气流中释放的电子不能通过电解层64，而必须通过外部电路74，从而产生电流，可满足一个或多个装置25以及燃料电池系统的运行所需的电荷负载。
阳极区60周期清洗，排出的清洗流76中可能含有氢气。另外，氢气可以从燃料电池堆的阳极区连续排出，再循环使用。电流从燃料电池堆22中产生，满足外加负载，如装置25。图3也绘出了一个空气输送装置78，用来输送空气流82至燃料电池堆22，进入阴极区62。空气输送装置78在图3中示意绘出，可采用任何适当的形式。本发明中，空气输送装置56和78可以是独立或分离的组件。
据讨论，原料输送系统26含原料流组分16的气流并以这些组分的预定比率形成原料流16。如图5所示，系统26接受气流18和20，其分别含有第一原料组分84和第二原料组分85。系统26再由原料流16输送预定混合比率的组分84，85给燃料处理器12。原料流16以及输送到系统26的原料组分流可通过任何适当的机械传输，如至少含一个泵的泵机组件，或重力设备等。同理，任何后文提及的中间流也可通过这些或任何其它机械来传输。
应指出，输送到系统26的气流在图5中只绘出了18和20两股气流，原料系统26可以接受两股以上的含原料组分的气流，并将这些组分以预定的比率混合输送到燃料处理器12中。为此，图5中用虚线标出了第三股气流86，第三原料组分87。在本发明的范围来说，3种以上的气流或组分也可适用。
原料组分84，85(和87)一般有一种或多种实质上如果不是完全不同的组成。譬如，气流18和20中，一股可能是含碳料，另一股可能含水。再如，气流18和20中一股可能是两种或多种含碳料的混合物，另一股可能含水。或者，气流18，20和86中，一股可能含水，另两股可能是含碳料。再者，气流18，20(和/或86)中的一股或多股气流可包含相应的组分84，85(或87)，其为两种或多种组成的混合物。
应该指出，以上例子只表明了几种可能的组分84，85和87可以用在本发明的原料输送系统中，而这些也并非所有可能化合物组合和例子的详尽列表。下文的讨论中，系统26以接受两股气流来描述，即气流18和20，气流18含有组分84，以含碳料88的形式存在，而气流20含有组分85，以水89的形式存在，见图6所示。
在含碳料88中，至少应包括碳氢化合物或酒精醇中的一种。可用的碳氢化合物例如甲烷，丙烷，天然气，柴油，煤油，汽油等等。可用的酒精醇例如甲醇，乙醇，丙醇以及多元醇，如乙二醇，丙二醇。
图5绘出了一个单独的原料流16，不过，本发明中，系统26可以输送两股或多股原料流16给燃料处理器12，原料流的成分可以相同，也可不同。为说明此，图5中用虚线表示了一对原料流16。当含碳料与水易混或可溶时，原料组分一般由单一的原料流16输送，如图5所示，抑或，由两股或多股有相同或基本相同组分的原料流输送，如图5虚线所示。当含碳料不溶或只是微溶于水时，这些组分一般从各自的存贮器中以独立的气流被输送到燃料处理器12中。此时，原料输送系统26可以输送相对理想含量的组分至燃料处理器12。采用单一原料流16或组分相同的多股原料流16的好处在于组分的相对比率，或混合比率，不会随变化，它由气流输送到燃料处理器的速度，泵，或其它输送原料流的机械的运行状况等因素而变化决定。例如，当原料流16从含有同样组分混合物(如组分84，85)的存贮器中抽取时，预定的混合比率保持不变，它与流体流出存贮器的速度和/或存贮器中输出原料流16的数目无关。
本发明的范围中，另一原料流16也可以单股流输送至燃料处理器12，它是由一种或多种不溶于水的含碳料88与水混合而形成的乳状液流。本实施例中，原料输送系统一般接受表面活性剂91，它或作独立气气流如86，或与含碳料88，水89预混合进入原料输送系统。图6中，表面活性剂91用虚线表示了后者的输送机理。任何适当的表面活性剂或它们的混合物都可使用。原料输送系统若产生输送乳状液的原料流16，它也一般包括乳状液生产装置94，如机械搅拌器。本发明中，术语“乳状液生产装置”指用任何适当的动力或非动力装置促使水与含碳料相互作用而形成乳状液。同样，在系统26的实施例中，也应理解为原料组分是互溶的，表面活性剂91和装置94也不是必需的。
与溶于水的含碳料类似，含碳料与水的乳状液也形成原料组分的同质混合物，从而产生一股或多股有相同或基本相同组分的气流，而不管该气流何时从原料输送系统的何处抽出。在这里提及的原料输送系统的乳状液或混合的实施例中，原料输送系统可描述为，从存贮器中抽取一股或多股原料流16并将它们输送至燃料处理器，存贮器中一般含有原料组分的相同或同质混合物，抽取的原料流与存贮器中混合液的组分相同或基本相同。
本发明中，原料输送系统用来接受彼此易混合或互溶的组分，见图6。在图示的实施例中，原料输送系统26中有一个存贮器90，该存贮器接收含有原料组分的气流，如气流18和20。在重整器中，如气流或自热重整器，其组分之一是水，那么含碳料应是溶于水的。水溶性含碳料包括甲醇，乙醇，丙醇，乙二醇和丙二醇，但不止上述。或者，含碳料应与水形成乳状液，呈现在如表面活性剂91，和/或搅拌器，或其它乳状液生产装置94。
原料输送系统还包括一个与记忆储存装置相连的传感器组件92。通过“相连”，它意味着传感器组件用来检测一种或多种预定的触发事件，关于或表明存贮器中一种或多种原料组分的数量。传感器组件92至少含有一个传感器93，有些实施例中包括多个传感器组成。本发明中，传感器组件可部分在存贮器90内部，或者完全在存贮器90内部或外部。不论传感器组件92相对于存贮器90的位置如何，传感器都是来测量存贮器90中一个或多个原料组分的含量，并检测与之有关的一种或多种触发事件。为阐述传感器组件92的具体配置，图6绘出了位于存贮器90内部的传感器组件92，图7绘出了部分在存贮器90内部和部分在外部的传感器组件92，而图8则是位于存贮器90外部的传感器组件92。应该指出，以上配置只是提供了几个适当的配置图例，就本发明来说，原料输送系统可以使用其中的一些配置，或者其它配置。
本发明中，“触发事件”是可以测量的，当形成原料流16的一种或几种组分量的临界值或取值范围超过或超过预定的数值时，存贮器中就会显示一个或多个组分的预选数量值。这里所说的“超过”指在任一方向上临界值或取值范围的偏离，这由测量时的特定临界状况决定。譬如，存贮器有一个预定的流体最大容量，当以更大一些的容量加到存贮器上时，就超过了临界值。另一方面，存贮器有预定的最小流量值，当流量下降低于这个值时，触发事件就出现了。
触发事件的例子包括相应于储存器90中一个或几个组分的质量，体积和/或流速或相应于组分总质量/体积的质量，体积，流速。其它触发事件是相关于储存器中总的液体或混合原料的物理性能，例如，储存器中液体的折射指数，热导率，密度，光学吸收，和电导率。
在某一特定的传感器组件中，传感器93的数目和类型部分至少是部分由待测触发事件类型确定的。比如，待测触发事件是存贮器中预定的流体容量，则传感器组件可以包括在存贮器内任何可测量其流体容量的装置。可用的果传感器93包括有水位检测计或开关，像浮筒杆，光学杆检测计等等。如果待测触发事件是存贮器内所选流体的质量，传感器组件至少应包括一个带重力计量装置的传感器93，如压力传感器，质量传感器等。如果待测触发事件是存贮器90中所选流体的物理性能，则适用的传感器就应包括一种或多种测量物理性能的装置，如折射率传感器，热传导传感器，比重计(密度传感器)，黏度计(黏性传感器)，粘度计(粘性传感器)，分光光度计(光学吸收传感器)，电导率传感器等。将这些传感器置于存贮器90内理想的容量水位，它们就可用作容量传感器。另外，物性传感器一般置于存贮器中预定的最大预定容量液位以下。
应该指出，传感器组件92可有单一传感器，或不止一个传感器，至少一个冗余传感器，即传感器部分或全部冗余。例如，组件92至少有一个传感器与每一组分的待测触发事件关联，至少一个传感器与输送至存贮器中第一组分的待测触发事件关联，和/或至少一个传感器与存贮器中流体总量的待测触发事件关联。
为配合待测触发事件的测量，原料输送系统26应规定存贮器90中原料组分输入和/或输出的流量，从而在原料流16中得到预定比率的组分。一般来说，组分间以预定的摩尔比率来表示，这是由于原料流16中碳原子和氧原子的摩尔比率影响燃料处理器12的工作效率。不过，由于所需、或预订原料流16中的摩尔比率和组成是预定的，所以组分的混合比率可用其它形式来表示，如存贮器中每个组分的相对质量，或体积，和/或存贮器中组分的总体积。
在图6所示的原料输送系统26的实施例中，原料组分88和89(一些图为91)在同一存贮器90中混合，组分通常依次输送至存贮器中，特别是当使用重力计量传感器或容量传感器时，尤为如此。因而，第一股气流18被输送至传感器90，直到传感器92检测到相应的待测触发事件值为止，该状态值是对应于第一种原料组分的理想含量，如含碳料88(或其它组分84)。当检测到临界值时，终止气流18的输送，而第二种原料组分(如水，(或其它组分85)的气流20开始输送。第二种原料组分进入存贮器90，直到传感器组件92检测到第二组分预定量的临界值为止。一旦检测到第二临界值，第二种原料组分的输送终止。该过程循环进行，直到所有需要的原料组分都输送至存贮器90，此时存贮器内的原料混合物以一股或多股原料流16被送至燃料处理器12。应该指出，组分的输送顺序并不重要，只要原料输送系统的配置可以接受按选定顺序输入的组分。由于原料流从存贮器90输送出，且原料组分彼此互溶或形成乳液，所以预定的混合比率会保持不变，而与原料流流出存贮器的速度或位置没有关系。
当系统26有一个机械搅拌器或其它乳状液产生装置时，原料组分加入到存贮器90时要连续搅拌，当第一或第二种原料组分加入存贮器后搅拌，所有原料组分都以理想含量加入后也搅拌。为简要起见，下述讨论均指含碳料的混合物，比如可溶于水的甲醇。应指出，下文中一些不溶于水但可形成乳液的含碳料也可使用，如在机械搅拌和/或与表面活性剂混合可形成乳液的碳氢化合物。
图7所示的传感器组件92用来测量容积计量的触发事件。如图所示，存贮器90包括有多个传感器93的一个传感器组件92，用来检测存贮器中与流体体积相关的触发事件。传感器组件92中第一传感器93’用来检测存贮器中第一种原料组分达到预定体积的时间，第二个传感器93”用来检测存贮器中第二种原料组分达到预定体积的时间，即存贮器中原料总体积达到预定体积的时间。如前面讨论的，原料组分的输送顺序可以变化，只要传感器的放置可以接收按所选顺序输送的原料组分。当存贮器中的原料组分达到所需含量后，混合组分就可以被输送至一个收集器里，或者燃料处理器12中。在混合组分输送至收集器或燃料处理器之前，这些组分会进一步混合，或搅拌促使混合物均匀化，形成原料流16。
传感器组件92还可有第三个传感器93，用来检测存贮器中流体体积小于预定最低值的时间，以此表明加料过程需再重复进行。最低流体水平与存贮器空时相关。但是，由于传感器93’，93”，93的体积预定值是彼此相关的，所以要增加的原料组分输送的顺序，预定的混合比率以及最小体积与存贮器中流体的预定含量是相对应的。
传感器组件92可以包括，但未必一定包括第四个传感器93””，来检测存贮器中流体体积超过预定最大值时的时间。传感器93””显示一个大于原料组分预定总体积的体积值，例如提供一个更合理安全的机制。在特定情况下，传感器93””只用来检测存贮器接近或超过其容量的触发事件。传感器93””的作用会出现下列一种或多种情况：存贮器90中原料组分的输送突然终止；燃料处理器12中原料流16的输送突然终止；燃料处理器12的关闭或闲置，燃料电池堆22的隔离，报警装置的启动，如警报，汽笛，发光装置，监控器输出等。
图8所示的原料输送系统26中有传感器组件92，它用来检测存贮器90中原料组分重力(压力或质量)计量时的触发事件。由图可见，存贮器90中传感器组件92有一个传感器93，它用来检测存贮器中流体质量或压力的触发事件。与图6讨论的实施例类似，第一种原料组分一直输送，在传感器组件检测到其预定含量的触发事件时停止；然后第二种组分开始输送，在检测到第二种触发事件时停止。与上述体积计量的实施例类似，原料组分的输送顺序可以变化，只要传感器组件92的配置可以接受按选定顺序输送的原料组分。
重力计量系统的触发事件是由存贮器中流体的理想质量或压力确定的，如对应于第一原料组分预定量的质量或压力，对应于第一和第二混合组分的质量或压力等。当存贮器90的截面面积处处相同时，存贮器中的流体质量等于流体密度乘以存贮器截面面积乘以流体高度。存贮器底部测得的流体压力等于流体密度乘以重力加速度(g)乘以流体高度。而且，存贮器中流体的质量和压力是成比例的，其质量等于压力乘以比例常数，即存贮器的截面面积/重力加速度。
在重力计量系统中，加料或循环间隙存贮器不必完全排空，只要此时传感器组件或与其相连的控制器调零即可。或者，存贮器中原料组分的质量也可以通过输送任何组分之前获得的初始值确定。本发明中，传感器组件，或与之关联的控制器在循环或加料间隙可以调零，也可不调零。在特定的循环之后，存贮器90的残余流体中含有同质或基本同质的原料组分混合物，那么混合物中的每一组分(包括存贮器中的任一残余量)都应含有相同或大致相同的组成。因此，在存贮器残余组分的基础上，加入预定量的原料组分时，预定的混合比率保持不变，而存贮器组件在加料间隙应调零或重置，存贮器中除先前循环的残余量外，还含有预定的组分含量。这同样适用于体积计量系统，不过体积系统的传感器或者需考虑存贮器中残余的流体体积而要重置，或者原料组分进入存贮器的输送顺序不止一种时，将有足量的残余而使传感器重置.或有足够多的冗余传感器预先放置好以便检测到原料组份输入倒存储器不止一种的顺续。
重力计量法的好处在于，该方法对温度的变化反应不灵敏，而能确切显示传感器的压力或重力。当要输送原料给燃料处理器时，重力计量法又有另一优势，即原料流的组分比率可以变化，而燃料处理器仍正常运行。譬如，可以对控制器进行设计以改变含碳料与水的重力计量点，(像提高或降低含碳料与水的比率)。这种变化可以用来响应外界因素的作用也可引起原料流组分比率的变化，如燃料处理器中增加重整催化剂床的压降，显示了催化剂上的碳积聚，或者为维护保养，也可设计控制器使之在预定的间隔变化。输送含水不含碳的原料流16，或者高比率的水/碳料流通过热重整催化剂床，可以去除附着在重整催化剂上的碳。而且，额外的原料组分加入存贮器中，并不会使传感器组件或存贮器发生变化。
当燃料处理器首次运行而有催化剂的置换时，也可对控制器进行编程设计，以供应高比率的水/碳料给燃料处理器。这种富含水的原料混合物可使重整催化剂的活度增加，多余的水量使重整催化剂很少出现过热的情况。为上述作用，可对控制器进行设计，或者控制器可接受适宜的原料使用者输入并输送相应比率的原料流。
图7所示的原料输送系统26的例子中，含有原料组分的气流以及一股或多股原料流16通过各自的入口和出口分别进入或排出存贮器。但是本发明中，系统可有多一个汇流腔96装置，通过此装置，气流18和20(以及其它原料组分流)输送组分至存贮器，一股或多股原料流16则从存贮器中排出，一个这样的实施例见图8所示。图7也标出了各种整流装置104，表示本发明中的原料输送系统一般包括呈活门组件106形式的整流装置104，它用来调节收集器和存贮器中气流的进入和/或排出。同样，以泵组件108形式的整流装置104也在图中画出，表明泵也可用来输送在此描述的原料流和原料组分。应指出，这些整流装置的示意图表示了它们的适当配件和放置，并且这里述及的所有原料输送系统都由适当的整流装置组成。更适宜的是，一些或所有的装置与传感器组件相通，这样检测触发事件时，至少会在一个相应的整流装置中产生预定的反应。典型的反应例子包括：造成一个或多个阀门组件开启或关闭，造成泵启动或停止流体传送。传感器组件与整流装置之间的连接通过适当机械和/或电子传输相通。
如讨论，原料输送系统26接收两股或多股含有原料组分的气流，这些气流随意混合形成同质或大体一致的混合组分，然后至少输送一股原料流16至燃料处理器12，该原料流含有预定混合比率的原料组分。当预定的混合比率可以通过输送组分的体积计量，输送组分的重力计量，或混合组分的物理性能测得，这些计量一般都是以原料流16中预定的碳氧摩尔比为基础的。例如，燃料处理器为蒸汽或自热重整器的形式，在重整催化剂存在的条件下，含碳料与水反应产生氢气和其它副产品。如果含碳料是甲醇，那么反应的理想化学计量式如下：
可见，每摩尔甲醇需要一摩尔水与之反应，同样，每摩尔碳也需要一摩尔水与之反应。当容量分析时，大约31-33％的水与约67-69％的甲醇混合可获得此混合比率。给定成分范围是考虑到混合物中水量不足的情况，即混合物中含有的水分少于上述反应式表示的理想化学计量值。比如，4.5升水可能与10升甲醇混合。当重力计量时，18克水可与32克甲醇混合得到化学计量的混合比率(如64wt％甲醇)。
可作比较，若含碳料是乙醇时，反应的理想化学计量式如下：
可见，每摩尔乙醇需要3摩尔水反应。就碳原子来说，每摩尔碳需要1.5摩尔水，或总体来说，2摩尔氧原子。体积计量时，54ml水与58.3ml乙醇在室温混合可产生化学计量的混合比率。重力计量时，54g水与46g乙醇混合可产生化学计量的混合比率。当然，这些相对体积与重力值只是举例来说，它们可以按比例增加或减低，这由下列一些因素决定，如存贮器90的容量，要生产的理想总容量，和/或原料流输送至燃料处理器的速度等。
再举例来说，考虑己烷与水可形成乳状液，在重整器中的理想化学计量式为：
对于碳原子，每摩尔碳需要2摩尔水，或总体以碳和氧原子表示，每摩尔碳需要2摩尔氧原子。
本发明中，除了化学计量混合比率，其它混合比率也可使用，可高于或低于上述化学计量混合比率。对于重整器，如蒸汽或自热重整器，其混合比率优先等于或高于化学计量混合比率。当低于化学计量混合比率时，表明每摩尔碳需要的水分少于化学计量的水量，原料流出现“贫水”。这样的原料流趋于产生碳积聚，或者焦炭，会阻塞整流催化剂的反应区，而增加整流区的压降，和/或降低产氢区的效率，产氢区一般包括一个或多个整流催化剂床。为防止焦炭形成，原料流可以“富水”，指原料流含有的水量高于化学计量式中碳作用所需的水量。实际上，可以周期使用含过量水的原料流16(水量一般超过化学计量混合比率的50％)，从而去除累积的焦炭。这里所用的“过量水”混合比率指含有的水量至少大于化学计量混合比率的50％。本发明中，过量水混合比率也可是100％超量水，或更多。不过，使用过量水抑制和/或去除焦炭将使所需要的能量增加，以用来蒸发多余的水分，从而增加重整器中的能量需求。这里所用的术语“化学计量”用来指理想反应，尽管实际反应可能不同于理想的化学计量反应。
考虑到焦炭和能量消耗，重整器一般在一定的混合比率范围内运行，即从化学计量混合比率到高于化学计量比率约10-15％摩尔的水量。对许多含碳料来说，摩尔混合比率在化学计量比率到其上10-25％的水量的范围。而对于其它原料，如甲醇，不会形成焦炭，混合比率的范围在化学计量比率到高于其10％的水量之间(摩尔比率)，或者更好，使用高于化学计量2-4％的水量(摩尔比率)。
上述实施例的另一实例来说，当使用原料甲醇-水时，理想摩尔比率经常是1∶1，此比率可通过混合预定质量或体积的甲醇和水获得。例如，可混合10升甲醇和4.5升水获得该预定的比率。当给存贮器先加甲醇，后加水时，传感器组件则用来检测存贮器包含10升液体和14.5升液体的时间。(或者，当先加水，后加甲醇时，传感器组件用来检测存贮器包含4。5升液体和14.5升液体的时间)。应指出，其它合适的容量值也可用来获得同样的摩尔比率。就容量计量来说，1∶1的摩尔比率大约是69％甲醇加入31％的水。
下表1列出了当溶于水的含碳料与水混合时，理想的化学计量比率和水过量比率的具体数值。不过，据本发明来说，未列入表中的一些比率也可使用。比如，一些实施例下，也可使用在所列化学计量比率和水过量比率之间的一些比率值。不在上述比率之内的比率值也可使用，这在本发明的范围之内。
表1
水溶性含碳料与水的混合比率实例
  含碳料   化学计量比率(氧∶碳)   水过量比率(氧∶碳)
  甲醇   1∶1   2-3∶1
  乙醇   2∶1   3∶1
  乙二醇   2∶1   3∶1
  丙二醇   2∶1   3∶1
比如，对于含乙醇和水的原料流，58.4ml乙醇可与54ml水混合得到上述化学计量比率，58.4ml乙醇可与90ml水混合得到上述水过量比率。对于含乙二醇和水的原料流，55.8ml乙二醇可与36ml水混合得到上述化学计量比率，而55.8ml乙二醇可与72ml水混合得到表中所示的水过量比率。对含丙二醇和水的原料流，73.2ml丙二醇可与72ml水混合得到上表所示的化学计量比率，73.2ml丙二醇可与126ml水混合得到上表所示的水过量比率。应该指出，系统26可用来输送氧∶碳比率不为2∶1和3∶1的原料流，如比率可在这些值之间，或大于这些值，或小于这些值。同样，摩尔比率也可不用氧原子和碳原子的摩尔比值，可用特定含碳料与水的摩尔比值，或第一组分与第二组分的摩尔比值。
如前文讨论，原料输送系统26用于将水与不溶(或微溶)于水的含碳料形成乳状液，该系统26也一般包括一个机械搅拌器或其它乳液产生装置94。在系统26的实施例中，原料组分彼此互溶，存贮器可有选择性的包含一个或多个混合装置98，用来促使原料的混合，从而使存贮器内的物料更加均匀。适宜的混合装置98的例子有静态装置100(如挡板，螺旋翅片)以及含原料组分的气流进入存贮器的定位装置。比如，让气流切向进入存贮器的边墙将会促进物料在存贮器内的混匀。其它的混合装置98的例子有动态装置102，当原料组分流动到叶片或其它可移动挡板等装置时，这些装置就作相应的移动，另外还有电动装置，用来搅拌存贮器中的液体。静态装置的优势在于不需要动力操作，和/或因无移动部件而很少出现差错。图7和图8绘出了混合装置98的示意图。应该指出，这里讨论的任何原料输送系统都可包括一个混合装置98的例子，并且应理解这里讨论的图7和图8所示的任何原料输送系统也可没有一个混合装置。
如图6-8所示，一股或多股原料流16按预定的组分混合比率从存贮器90中被输送至燃料处理器12。本发明中，原料混合组分在流入重整器或其它燃料处理器之前，也可输送到一个收集器内，此原料输送系统的一个例子如图9所示。可以看出，气流110流体的连接存贮器90和一个收集器112，此收集器为可接受原料混合组分的任何容器，一股或多股原料流16可从该收集器中有选择的抽出，而输送其组分到燃料处理器12。这里讨论的气流110及其它气流可经由任何合适的机械如自流，泵吸等来输送。一般来说，收集器112的容量至少与存贮器90的容量相当。收集器112也可看作一个连续存贮器，这样将预定混合比率的原料流输送至燃料处理器12之前，原料输送系统可描述为至少有两个连续存贮器来接受并混合原料组分。
在输送原料流到燃料处理器12之前，先将原料混合组分传送到收集器内，这提供了一个增加提高原料组分的混匀程度的机会，如图中的气流从存贮器90输送流到收集器112中以及被引入收集器112中就是如此。例如，由于原料组分在输送到收集器112时已经按照预定的比率混合，所有流体的任何涡流或搅拌都会加速物料的混合，而在存贮器90中，直到两种原料组分都进入存贮器时混合才会出现。
使用时，收集器112有选择的将一批按预定比率混合的原料组分分配到燃料处理器12，而另一批按预定比率混合的原料组分则备用。这样使得燃料电池系统或燃料处理系统能够更好的满足应用需要，尤其在保持预定的混合比率上。
收集器112最好包含一个传感器组件114，其中至少有一个传感器116，用来检测收集器内的一种或多种触发事件。传感器组件114与传感器116可有任何适当的构造和放置，如同上文对组件92和传感器93所讨论的情况。有一种触发事件是收集器内混合原料组分的含量低于所选的最小含量值。比如，传感器116’用作重力计量或容量计量传感器，可用来检测这种触发事件。同样，用作液位传感器的物理性能传感器也可使用。对检测到该事件的反应，原料输送系统就可从存贮器90中输送更多的原料混合组分，和/或准备另一批预混合的原料组分。至少就上述触发事件来说，其检测的准确度可以不是很高，这是因为传感器组件的反应并不会影响原料组分的混合比率。与存贮器90类似，收集器112也可包括不止一个传感器，如传感器116”，用来检测当收集器的流体容量超过预定的最大容量时所出现的触发事件。对检测到这种状态的反应，系统26就可以停止原料混合组分从存贮器90的流出，增加原料流16的流速，和/或至少输送存贮器90或收集器112中的一部分原料组分到辅助装置中，如另外的收集器，燃烧源，处理装置等等。收集器112可以但未必一定包括乳液产生装置94，和/或混合装置98，如图9中虚线所示。
在图6-9中，原料输送系统26的实施例都是将原料组分填充到一个单一的存贮器90中。本发明中，系统26也可包括多个存贮器，比如系统的实施例中包括主要存贮器(如存贮器90)，次要或下游存贮器(如收集器112)，在原料输送到燃料处理器12之前，主要存贮器是排空的。而且，在本发明中，原料输送系统可以包括多个主要存贮器，和/或一个主要存贮器被分割成多个区域。
如图10所示的原料输送系统，含有原料组分的气流被分别输送到各自的主要存贮器中。如同前文对图5的讨论，图10也详细标出了各种气流和组分。据分析，气流86可略去，组分84和85之一应该包括水89，另一种应包括含碳料88。图例中，系统26包括存贮器90’，90”，90，每个存贮器都接收其相应的预定原料组分，并输送含有该组分的气流110’，110”，110至次要存贮器或收集器112中。可以看出，每个主要存贮器都包括一个传感器组件92其至少有一个传感器93，且收集器112包括传感器组件114，其至少有一个传感器116。
图10所示的系统的实施例也可有所变动，该输送系统可以没有收集器112，原料流16也可从每个存贮器中不连续的分立的气流形成并作为一体输出到燃料处理器12中。这种实施例在原料组分不互溶，不能形成乳状液的情况很是适用。在这种实施例中，气流最好采用机械如下机理输送，当然也可不用，当用机械如入下机理输送时，气流的相对流速是相互制约的，这样即使气流含有不同的组分且输送到燃料处理器12之前不会混合，但仍将保持预定的混合比率不变。这里有一种机械装置这样机理的一个例子是是双头或多头泵，公开在美国专利申请序列号是No.9009/190,917，于1998年11月12日申请，标题为“Fuel Cell System”，其完全的公开可以参考、结合其全部的目的。
在图11中，有一个经分割的存贮器90的实施例，一般用120表示。可以看出，存贮器120中有一个隔板122，它将存贮器分为两个区124和126。除非特别说明，那么这里公开的每个存贮器(及其分区)都可包括一个传感器组件92，它有一个或多个传感器93，用来检测一种或多种选定的触发事件。最好是分区124的容量大小与进入存贮器的第一原料组分含量相符合。存贮器大小的选定确保了容量计量时更大的准确度，这是因为第一原料组分的体积可在一个导管，或颈状部位128测得，该部位与两个分区124和126相连，并且截面面积相对较小。当传感器组件92用来检测容量计量的触发事件时，两分区的大小最好都确定，其大小与按预定比率混合的流体体积相一致，并包括一个截面面积相对较小的导管或颈状部位128来进行容量计量。存贮器120也可用作一对流体连接的主要存贮器，这样如果第一存贮器(90’)中的流体过量，它就会流到第二存贮器中(90”)。
例如如上所述，甲醇-水的理想摩尔比率通常为1∶1，可将10升甲醇和4.5升水混合得到此比率。因而，当先加甲醇，后加水时，分区124可有10升的容量，而分区126可有4.5升的容量。在此实施例中，传感器组件可包括容量传感器93，如液位显示器，置于各分区的顶部，当其充满时显示出来。最好是，各分区的容量可与以上讨论的不尽相同，只要能够得到预定的混合比率即可。譬如，有至少一个分区的容量超过其允许的理想流体容量，在这样的实施例中，与该区相连的一个传感器或传感器组件就可检测其得到的理想容量的时间。
图11所示的存贮器120(与90’)中有一个排气口130，存贮器中多余的流体可从该排气口排出。排气口130可以将任何经过那里的原料组分排放到大气中，或输送至燃烧源。不过，排气口130最好形成一个自我完备的防溢组件132的部分。所谓“自我完备”，指的是防溢组件利用溢流136来输送任何路经那里的流体到一个负载构件中。比如，溢流136可输送任何经过那里的流体到一个溢流槽中，如槽134，其独立配置，可容纳废料或排出的原料组分，也可输送流体到混合槽112中，或者到燃料处理器12。这里指定处理槽(如溢流槽134)的好处是排出的原料组分将不会进入燃料处理器中。但是，特别当系统26检测排气流136中原料组分流动的触发事件时，气流136中原料组分的含量一般很小，因此它对预定混合比率的影响可以忽略不计。
本发明中，原料输送系统26可有一个控制器140，也可没有。控制器140用来监控选定的运行参数，如利用原料输送系统中的传感器组件检测选定的触发事件；和/或压力，温度，燃料电池或燃料处理系统的流速等，它还对监控值作出部分或全部回应，从而调节原料组分和原料流16对于到达和来自原料输送系统26的相对流动。图12绘出了一个控制器例子的示意图。可见，控制器140含有一个处理器142，它经由通信连接设备148与传感器144和控制装置146相通。通信连接设备148可为任何适当的有线或无线手段，可实现相应部件之间的单向或双向通信，如输入信号，指令信号，已测参数等。
在此讨论的控制装置146包括整流设备104，如阀，泵等。其它例子包括压缩机，加热装置，燃料处理器12以及燃料电池堆22。图示的传感器144可包括传感器93和/或116。但是，处理器142可与附加传感器144接通，如监控原料输送系统的其它运行条件，和/或燃料处理或燃料电池系统的其它组分部件的运行条件。同理，处理器也可与各种传感器接通，用来检测一股或多股气流的组成，确定组分的测量值是否与估计值符合。除了上述传感器外，其它适宜的传感器的例子还有温度传感器，电表，用来检测特定气流组成的传感器等。
处理器142可有任何适宜的形式，如可包括计算部件，计算机上的执行软件，内置处理器，程序化逻辑控制器，或功能相当的装置。控制器也可包括任何适当的软件，硬件，或者韧件。比如控制器内可含有一个记忆装置150，所有预选的，预编程的，和/或用户选定的运行参数都可储存在该记忆装置内。记忆装置有非永久存储部件，永久存储部件，或兼而有之。
应该指出，处理器，传感器及控制部件之间特有的通信方式可以采用任何适当的配置。譬如，传感器不断的或周期性的传送测量值到处理器中，处理器将这些测量值与存储的临界值或取值范围进行对比，从而确定该测量值是否超出存储值的范围。若超出范围，处理器可发送指令信号给一个或多个控制装置。在另一个例子中，传感器自身可测量其运行参数，并将此参数与预定的临界值或取值范围作比较，只要测量值超过存储值或取值范围，就会发送信号给处理器。这里的“超过”指测量值对存储的选定值，或取值范围在任一方向上有偏差，或者偏差包括规定的公差，如偏差大于5％，10％，25％等。
通过传感器测得的运行参数例子也包括上文讨论的触发事件，最好控制装置中的记忆装置包括与多种触发事件相对应的临界值或取值范围。例如，对一组特定的原料组分来说，控制器可包括各种临界值，它们与化学计量混合比率，水过量比率，以及在二者之间或之外的其它混合比率相对应。对于当用户输入到下述的用户界面，或传感器测得的参数的反应，控制器可在这些存储的混合比率与对应的临界值之间转换。同理，当组分以不同的顺序进入原料输送系统时，控制器可以有该原料组分的一批或多批临界值或取值范围。另一个例子，对于不同批的原料组分，控制器也可有一批或多批临界值或取值范围。每批临界值都可储存在控制器的记忆装置上。
另一个例子，控制器140需要测的一个运行参数是时间，即各种含量的原料组分，和/或中间物或原料流流入、位于、或流出原料输送系统26所用去的时间。更进一步说，通过检测预定量的流体在原料输送系统内流动的时间，并与储存的临界时间作比较，控制器140可以提供附加的安全检测。例如，可在整流装置104启动，流体流动时，开始计时，当以预定量的流体达到触发事件时，停止计时，从而测得时间。如果时间的测量值大于临界值，或大于规定公差，那么该时间段本身成为触发事件，表明原料输送系统出现故障。
据讨论，系统26的运行可由传感器144测得的参数至少部分控制。处理器将测得参数与存储的临界值作比较，如果一个或多个参数超过了其相应的临界值或取值范围，处理器将给一个或多个控制装置146发送控制信号，该控制装置146可在原料输送系统内，和/或在整个燃料电池或燃料处理系统内。
控制器140也可含有一个用户界面。通过该界面，用户可以监控和/或影响控制器的运行。图13为一用户界面实例，一般以150表示。由图可见，界面150有一个显示区152，带有屏幕154或其它适当的显示装置，信息可由此显示在用户面前。比如，显示区152可以显示由一个或多个传感器142测得的当前值，系统当前的运行参数，存储的临界值或取值范围等。以前测得的数值可以显示，与燃料处理系统的操作和性能有关的其它信息也可显示在152区中。
用户界面150也可包括一个用户输入设备156，通过该设备，用户可发送指令给控制器实现人机交流。例如，利用输入设备156，用户可以输入指令改变燃料电池系统中燃料处理的运行状态，改变原料组分进入原料输送系统的顺序以及所用的混合比率，改变一个或多个存储的临界值和/或系统的运行参数，和/或向控制器寻求系统以前的或当前的运行参数等。输入设备156包括任何可接受用户输入的装置，有转盘，开关，按钮，键盘，鼠标，接触屏等。图13中也标出了一个用户信号装置158，当超过可接受的临界水平时，发出信号提醒用户。装置158可包括警笛，光，或其它任何可提醒用户的机械警报装置。
应该指出，本发明中原料输送系统也可包括一个没有用户界面的控制器，而用户界面也未必一定包括这里所提到的所有部件。上述部件的示意图见图13，但就本发明来说，这些部件可共同运行，也可独立运行。如，用户界面可包括多个显示区，每个显示区可显示一种或多种类型的上述用户信息。同样，可使用单一用户输入设备，该输入设备可包括一个显示器，方便用户输入命令值，或在输入屏之间切换。
图14中所示的控制器140与传感器组件92和114保持通信连接。控制器140也可与燃料处理系统11和燃料电池系统10中的各种传感器144保持通信连接。还要指出的是，控制器140可置于原料输送系统26的内部，外部，或部分在内部。
就本发明来说，图14所示的整流装置可以是控制部件，也可不是。例如，图中所示的阀106与控制原料供应流18和20，中间流110以及原料流16相连。控制器140可与控制阀106，和传感器组件92和114连接通信。另外，控制器140可以控制混合泵108。系统10中贯穿燃料电池系统的通信线路可以比图中所示的少一些，也可多一些。通过上述系统，控制器140可对进入燃料处理系统的原料混合和输送进行监管。
用在系统10和11中的燃料处理器12可以是一个蒸汽重整器，图15所示为适用的蒸汽重整器的一个例子，它以230表示。重整器230中有一个产氢区32，含有蒸汽重整催化剂234。就蒸汽重整器来说，产氢区32成为一个重整区。或者，重整器230可为一个自热重整器，其含有自热重整催化剂。在重整区32中，含氢和其它气体的混合气流36从原料流16中产出。在蒸汽重整器中，气流36也可指重整油气流。将气流36输送到一个分离区，或纯化区38内纯化氢气。在分离区38中，含氢气流分成一股或多股气流副产品与富氢气流42，气流副产品如图收集在40中，富氢气流42通过适当的压力驱动分离过程形成。在图15中，标出了富氢气流42，其形成氢气流产品14。
分离区38的构造的适用例子是一个膜块244，包括一个或多个择氢金属膜246。由多个择氢金属膜形成的膜块实例公布于美国专利中，申请序列号为No.09/291,447，于1999年4月13日申请，命名“FuelProcessing System”，可供参考。该申请中，一般有多个平面薄膜集结在一起形成一个膜块，该膜块中有流动通道，通过该通道，不纯的气流被输送到薄膜中，纯化后的气流从薄膜中收得，气流副产品从薄膜中去除。垫圈，如弹性石墨垫圈，用来密封原料和渗透体的流动通道。在上述专利中，也可使用管状择氢膜。其它可适用的膜和膜块公开在以下两个美国专利中，申请序列号为No.09/618,866，于2000年7月19日申请，标题为“Hydrogen-Permeable Metal Membrane and Method forProducing the Same”，和美国专利申请序列号为No.09/812,499，于2001年3月19日申请，标题为“Hydrogen-Selective Metal MembraneModules and Method of Forming the Same”。其它适用的燃料处理器也公开在相关的专利申请中。
渗氢平面薄膜一般由钯合金组成，大多是钯中配入35wt％-45wt％的铜。这些薄膜，可称作择氢薄膜，一般由约0.001英寸厚的金属薄片制成。就本发明来说，这些薄膜也可由上文未述及的其它择氢金属与金属合金，渗氢与择氢陶瓷，或碳化物等形成。薄膜厚度也可再大些，或小些。如，膜可制得更薄一些，使氢气通量相应增加。渗氢膜可有安排在任何合适的配置中，如同相关专利中所提到的，可双层布置在共渗通道周围。单个或多个渗氢膜也可采用其它配置，如相关专利中公开的管状配置。
分离区38中使用的压力分离的另一例子工艺是压力摆动吸收法(PSA)。在PSA工艺中，气体杂质从含氢气流中排出。PSA工艺的原理是：在适当的温度和压力条件下，特定的气体将被吸附在吸附剂上，与其它气体相比，它有更强的吸附力。一般来说，杂质被吸附，而从重整油气流36中排出。利用PSA进行氢气纯化的工艺很是成功，这是因为一般气体杂质(如CO，CO2，碳氢化合物包括CH4，和N2)对吸附剂有相对很强的吸附力。氢气的吸附性很差，所以氢气穿过吸附剂，而杂质滞留在吸附剂上。杂质气体，如NH3，H2S，和H2O等，在吸附剂上的吸附性很强，因此可随同其它杂质从气流36中排出。如果吸附剂材料会再生，这些杂质还会出现在气流36中，因而分离区38需要一个适宜装置，使得气流36穿过吸附剂之前就已去除这些杂质，否则这些杂质更难解吸掉。
在压力升高时，杂质气体的吸附出现。在压力降低时，杂质从吸附剂上解析，这样吸附剂再生。一般来说，PSA是一个循环工艺，至少需要两个操作床连续作业。用在吸附床上的吸附剂材料的适宜的例子可以是活性碳和沸石，尤其是5Å(5埃)的沸石。吸附剂材料一般呈球状，利用传统的密封床布局，置于圆柱状的压力容器内。另外，也可用其它适合的吸附剂材料的组分，形态及布局。
重整器230可以，但不必须包括一个冲洗区(polish region)252，如图16所示。冲洗区252接受来自分离区38的富氢气流42，通过降低浓度，或去除选定的组分来进一步纯化气流。例如，当气流42将用在燃料电池堆，如堆22中时，那些会破坏燃料电池堆的组分，如CO，CO2，就可从富氢气流中去除掉。252区包括任何适宜的结构，来降低气流42中所选组分的浓度。再如，当产品流计划用在PEM燃料电池堆或其它装置中时，气流中含有的CO或CO2超过一定的浓度就会对这些装置产生危害，这样使用至少一个甲烷催化剂床254就很适宜。254床将CO和CO2转变为甲烷和水，这两种产物都不会对PEM燃料电池堆产生危害。冲洗区252也可包括其它的产氢装置256，如其它重整催化剂床，可将任何未反应的原料转变为氢气。在这样的实施例中，第二重整催化剂床优先采用与放置于甲烷催化剂床逆向的方式的上游，这样就不会将CO2或CO再引入甲烷催化剂床的下游。顺流中的CO2或CO再吸收进来。
在图15和16中，重整器230有一个外壳48，壳内含有上述组件。外壳48，也可指护盖，使得燃料处理器如重整器230可作为一个整体移动。外壳的存在，可保护燃料处理器内的组分免受损耗，降低了燃料处理器的热量需求，这是因为燃料处理器的组分可作为一个整体来加热，一种组分放出的热量可用来加热其它组分。外壳48可以，但不必须具有一个内层绝缘材料250，如固体绝缘材料或空气腔，但也可没有此绝缘材料层。在本发明中，重整器也可没有护盖或外壳，此外一个或多个部件可延伸至壳外，或置于壳外。例如，图15所示，冲洗区252可成外壳48，和/或重整区32的部分可延伸至壳外。其它类型的燃料处理器，已有文献对有关配置作阐述。
就本发明来说，燃料电池系统10可与耗能装置结合，如装置25，供给其集中的能源。这些装置的例子包括机动车辆，如娱乐车，汽车，船，海轮等；住宅，如房屋，公寓，联式房屋，综合性公寓，办公室，商店等；或独立设备，如微波中继站，发射器，远程信号或通信设备等。
最后指出，本发明中所述及的燃料处理器与原料输送系统可相对于燃料电池堆独立使用。在这种实施例中，系统可以指燃料处理系统，并可用于提供纯净或相当纯净的氢气的供给。该供给可储存，输送到综合或个别的耗氢装置中，或作它用。
                      工业应用
本发明适用于任何燃料处理系统或燃料电池系统，其中氢气从至少含有两种组分的原料流中产生出来。
可以确信，上述公开包括多种不同的发明，且都有其独立的应用。当这些发明每一项以其最佳形式公布时，这里所阐述及公布的具体实施例并不被认为对于多种变动的限制。本发明的主题包括各种成分、特点、功能和/或性能的新颖、非显而易见的组合与亚组合。在公开或下述递交的权利要求中，当描述为“一个”或“第一个”元素或其等同物时，在本发明的范围内，这样的公开或权利要求应理解为包括一个或多个元素的组合，不要求也不排除两个或多个元素。
申请人对一定的组合或亚组合保留递交权利要求的权利，这些组合与亚组合是针对已公开的发明，并且是新颖而非显而易见的。对其它特征，功能，成分，和/或性能的组合与亚组合体现的发明可声明，在其或相关申请修改的权利或新的权利要求中实现。不管它们是指不同发明，还是同一发明，也不管与原始权利要求范围是否不同，更宽，或更窄，或相当，这些修改或新的权利要求所都视为包括在目前公开的发明主题之内。

Claims (71)

1.一种燃料处理系统，包括：
一个燃料处理器：包括一个重整区并可从原料流中生产含氢气的产品流；和
一个原料输送系统：用于将含有预定混合比率的原料组分的原料流输送到燃料处理器，原料输送系统包括：
一个水输送器：用于提供含水的气流；
一个含碳原料输送器：用于提供包括含碳原料的气流；
一个存贮器：用于接受来自水输送器与含碳原料输送器的一定量水与一定量的含碳料；
传感器组件：与存贮器相连，用于检测存贮器中有关一个或多个原料组分含量的一种或多种触发事件；
其中的原料输送系统用于，根据传感器组件对至少一个触发事件的至少部分反应，调整水和含碳料原料的流动，从而产生以预定比率混合的水与含碳料原料的原料流。
2.根据权利要求1所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件包括至少一个传感器，其用来检测输送到存贮器的、与第一个水或含碳料数量有关的第一触发事件，和输送到存贮器的、与第二个水或含碳料数量或水和含碳料总量有关的第二触发事件。
3.根据权利要求1所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件包括至少一个传感器，其用来检测出现在存贮器中涉及与第一个水或含碳料数量有关的第一触发事件，和出现在存贮器中、与第二个水或含碳料数量或水和含碳料总量有关的第二触发事件。
4.根据权利要求1所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有按化学计量比率混合的水/碳料组分原料流。
5.根据权利要求4所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有水/碳料组分的混合比率大于按化学计量比率混合的水/碳料组分原料流。
6.根据权利要求4所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有比水/碳料组分按化学计量比率混合的水量高10-50％的水/碳料组分原料流。
7.根据权利要求4所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有比水/碳料组分按化学计量比率混合的水量至少高约100％的水/碳料组分原料流。
8.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少有一个传感器在存贮器外部。
9.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少有一个传感器在存贮器内部。
10.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少有一个传感器部分在存贮器内部，部分在存贮器外部。
11.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少含有一个重力计量传感器。
12.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少含有一个容量计量传感器。
13.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少含有一个物理性能传感器，用来检测存贮器中流体的一种或多种物理性能。
14.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的物理性能传感器包含一个折射率传感器。
15.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的物理性能传感器包含一个比重计。
16.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的物理性能传感器包含一个黏粘度计。
17.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的物理性能传感器包含一个分光光度计。
18.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的物理性能传感器包含一个电导率传感器。
19.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器内至少有一个隔板将存贮器分割为至少两个区，在每个分区至少包括一个传感器的传感器组件用来检测的液体体积。
20.根据权利要求19所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器内至少一个分区含有颈状部位，该部位与本区的其余部位相比，截面面积小得多。
21.根据权利要求20所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件进一步包括一个传感器，其用来检测包括具有减小截面面积的颈部的至少一个分区中颈状部位的流体体积。
22.根据权利要求20所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器至少有两个分区，每一分区含有颈状部位，该部位与本区的其余部位相比，截面面积小得多。
23.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器有一个容量并包括一个排气装置，用于存储超过其容的流体，并将超过存贮器容量的流体输送到一个容器构件中。
24.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器含有一个搅拌装置，以促进存贮器中含碳料和水的混合。
25.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中还包括一个第二存贮器，用于在原料流输送到燃料处理器之前接收存贮器中的原料流。
26.根据权利要求25所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的第二存贮器含有一个第二传感器组件，该组件与第二存贮器相连，用来检测第二存贮器中与原料流数量有关的至少一种触发事件。
27.根据权利要求25所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的第二存贮器含有一个搅拌装置，用于促进原料流中含碳料和水的混合。
28.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中所选的含碳料是溶于水的。
29.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中所选的含碳料与水形成乳状液。
30.根据权利要求29所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的含碳料还包括表面活性剂。
31.根据权利要求29所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器含有一个乳液产生装置，使得水与含碳料形成乳液。
32.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料输送系统还包含一个控制器，用于根据传感器组件检测到触发事件的至少部分反应，调整进入存贮器内气流的流动。
33.根据权利要求32所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统中的控制器为一个计算机化的控制器。
34.根据权利要求32所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统中的控制器对燃料处理系统中选定的运行参数进行监控，并对其的至少部分反应，调整原料输送系统的运行。
35.根据权利要求34所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统中的控制器进一步监控包括水或含碳料的至少一种开始向存贮器输送后的实耗时间。
36.根据权利要求34所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统包括多个整流装置，此外根据感器组件检测到触发事件时，控制器至少作出部分反应以控制整流装置的运行。
37.根据权利要求36所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的每一种触发事件包括一个可测量事件，其中预定的临界值或取值范围表示存贮器中水、含碳料、或总流体的一个或多个达到或超过了预定的量。
38.根据权利要求33所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统中的控制器含有一个记忆部件，用来存储多种预定的临界值，这些临界值是与水和含碳料的预定混合比率相对应的。
39.根据权利要求38所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统中的控制器含有一个记忆部件，用来存储第二多个预定的临界值，这些临界值是与水和碳料的第二预定混合比率相对应的。
40.根据权利要求32所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统还包括一个与控制器通信的用户界面，其中给用户界面上输入用户指令时，控制器用于作出至少部分反应，以调整进入存贮器内气流的流动。
41.根据权利要求40所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统还包括用户界面，该界面接受用户输入的指令，以选择预定的混合比率。
42.根据权利要求41所述的燃料处理系统，其特征在于所述原料输送系统的用户界面带有显示装置，其将多个预定的混合比率通过用户界面显示给用户，并接收一个选自多个预定的混合比率的用户输入。
43.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的重整区可形成混合气流，它含有来自原料流的氢气与其它气体重整区用于从原料流中产生含有氢气和其它气体的混合气流，燃料处理器也包括一个分离区，用于将混合气体分离为含有至少实质上纯净的氢气产品流和含有至少实质上部分的其他气体的副产品流。
44.根据权利要求43所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的分离区至少含有一个择氢金属膜。
45.根据权利要求44所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的分离区含有多个近似通常是平面状的择氢金属膜。
46.根据权利要求44所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的分离区含有至少一个管状的择氢金属膜。
47.根据权利要求43所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的分离区与含甲烷催化剂的冲洗催化剂床流态连接。
48.根据权利要求1-7任一项所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中还包括一个燃料电池堆，用于接受至少一部分产品氢气流，从而产生电流。
49.根据权利要求48所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中还至少包括一个能耗装置，用于吸收燃料电池堆所产生的至少部分电流。
50.一种燃料处理系统，包括：
一个燃料处理器：用于从原料流中形成含氢气的产品流；和
一个原料输送系统：用于将原料流输送到燃料处理器，其中原料流含有预定混合比率的原料组分，原料输送系统包括：
一个水输送组件：用于提供含水的气流；
一个含碳料输送器：用于提供含碳料的气流；
一个存贮器：用于接受来自水输送器与碳料输送器的水与含碳料；
和
水与含碳料按预定比率混合生产原料流的生产装置，该装置为生产含预定水和含碳料混合比例原料流的重力计量装置。
51.根据权利要求50所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有按化学计量比率混合的水/碳料组分原料流。
52.根据权利要求51所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有水/碳料组分的混合比率大于按化学计量比率混合的水/碳料组分原料流。
53.根据权利要求51所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有比水/碳料组分按化学计量比率混合的水量至少高约10％的水/碳料组分原料流。
54.根据权利要求51所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的所述原料流包含有比水/碳料组分按化学计量比率混合的水量至少高约50％的水/碳料组分原料流。
55.根据权利要求51所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的生产装置还包括至少一个传感器，其检测至少一种触发事件的出现，触发事件与存贮器内一种或多种原料组分的含量有关。
56.根据权利要求55所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的生产装置还包括至少一个传感器，其检测输送到存贮器的、与第一个水或含碳料数量有关的第一触发事件，和输送到存贮器的、与第二个水或含碳料数量或水和含碳料总量有关的第二触发事件。
57.根据权利要求55所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的生产装置进一步包括一个控制器，其对于至少一个触发事件的至少部分反应，控制燃料处理系统运行的监控方式。
58.根据权利要求50所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的含碳料用于与水形成乳状液，且存贮器也包括一个装置，其用于水与含碳料形成乳状液。
59.一种将原料流输送到燃料处理器的方法，方法包括：
输送第一原料组分，直到传感器组件检测到第一触发事件时为止，第一触发事件与第一原料组分的预定量相对应；
输送第二原料组分，直到传感器组件检测到第二触发事件时为止，第二触发事件与第二原料组分的预定量，或第一与第二原料组分的混合物的预定性能的至少一个相对应；
将第一与第二原料组分作为原料流输送到一个含重整区的燃料处理器内；并
从原料流中形成含氢气的产品氢气流。
60.根据权利要求59所述的方法，其特征在于其方法进一步包括，在将第一与第二原料组分作为原料流输送到燃料处理器之前，第一与第二原料组分的混合步骤。
61.根据权利要求60所述的方法，其特征在于其方法进一步包括，在将第一与第二原料组分作为原料流输送到燃料处理器之前，第一与第二原料组分形成乳液的步骤。
62.根据权利要求60所述的方法，其特征在于将第一与第二原料组分作为原料流输送到燃料处理器之前，方法进一步包括将第一与第二组分输送到存贮器的步骤。
63.根据权利要求62所述的方法，其特征在于将第一与第二原料组分作为原料流输送到燃料处理器之前，方法进一步包括将第一与第二组分输送到第二存贮器的步骤。
64.一种产生氢气的方法，包括：
将第一原料组分输送到一个混合室内，直到传感器组件检测到第一触发事件时为止，混合室含有一个传感器组件，用以检测第一或第二种预定的触发事件；
将第二原料组分输送到该混合室内，直到传感器组件检测到第二触发事件时为止，其中，第一与第二原料组分形成原料流，含有预定混合比率的第一与第二原料组分；和
将至少一部分原料流输送到一个含有重整区的燃料处理器内，并用于从原料流中形成含氢气的产品流。
65.根据权利要求1所述的燃料处理系统，传感器组件用于检测储存器内一个或多个原料组分重力计量数量的相关的至少一个触发事件。
66.根据权利要求65所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少包括一个传感器，其用来检测输送到存贮器的、与第一个水或含碳料重力计量数量有关的第一触发事件，和输送到存贮器的、与第二个水或含碳料数量或水和含碳料总量的重力计量数量有关的第二触发事件。
67.根据权利要求1所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的传感器组件至少包括一个传感器，其用来检测出现在存贮器中涉及与第一个水或含碳料重力计量数量有关的第一触发事件，和出现在存贮器中、与第二个水或含碳料数量或水和含碳料总量的重力计量有关的第二触发事件。
68.根据权利要求50所述的燃料处理系统，其特征在于所述燃料处理系统中的存贮器为一个存贮器组件，包括一个用于接收水的水存贮器，一个用于接收含碳原料的含碳原料存贮器，和一个用于接收来自水存贮器和含碳原料存贮器的水和含碳原料的混合存贮器。
69.根据权利要求68所述的燃料处理系统，其特征在于所述重力计量装置包括至少一个传感器用于测量在水存贮器中的水的重力计量数量。
70.根据权利要求68所述的燃料处理系统，其特征在于所述重力计量装置包括至少一个传感器用于测量在含碳原料存贮器中的含碳原料的重力计量数量。
71.根据权利要求68所述的燃料处理系统，其特征在于所述重力计量装置包括至少一个传感器用于测量在混合原料存贮器中的水和含碳原料的重力计量数量。
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