用于产热、散热装置的绝热壳体

背景技术

本教导涉及用于产热、散热装置的绝热壳体或外壳，尤其涉及一种用于生产富氢重整产品和固体氧化物燃料电池堆(SOFC)的催化部分氧化(CPOX)重整器的集成系统，以及一种用于在燃料电池(另一种产热、散热装置)中将这种重整产品电化学转化为电和水蒸气副产物的组合后燃器单元。

气态或液态可重整燃料向富含氢的含一氧化碳气体混合物(通常称为“合成气”或“syngas”的产物)的转化可按照任何这种常规的或其它已知的燃料重整操作进行，例如蒸汽重整、干重整、自热重整和催化部分氧化(CPOX)重整。这些燃料重整工艺之中的每一种都有其独特的化学性质和要求，并且每一种都具有相对于其它工艺的特征性优点和缺点。

由于燃料电池(即，将诸如氢气、氢气和一氧化碳的混合物等可电化学氧化的燃料电化学转化为电能的装置)的潜力，改进的燃料重整器、燃料重整器部件和重整工艺的开发仍然是大量研究的焦点，在包括主电源装置(MPU)和辅助电源装置(APU)在内的常规应用中发挥了极大的作用。燃料电池还可用于特殊应用，例如作为电动车的车载发电装置、住宅用设备的备用电源、休闲用主电源、户外和其它离网位置的耗电装置、以及用于便携式电池堆的重量更轻、功率密度更高、环境温度无关的替代品。

由于氢的大规模、经济的生产、其分送所需的基础设施、以及其储存(尤其是作为运输燃料)的实用手段被广泛认为还有很长的路要走，因此目前的许多研究和开发都致力于改进作为电化学可氧化燃料(尤其是氢和一氧化碳的混合物)的来源的燃料重整器和作为这种燃料向电的转换器的燃料电池组件(通常被称为燃料电池“堆”)、以及将燃料重整器和燃料电池集成到更紧凑、可靠和高效的用于产生电能的装置中。

CPOX重整(或简称CPOX)作为向燃料电池堆(例如具有从100瓦到100千瓦的额定功率以及介于这两者之间的所有额定功率的燃料电池堆)供应富含氢的重整产物的一种方式已经引起了特别关注。与蒸汽重整和干重整(需要外部热源的吸热反应)相比，CPOX重整的优点之一是该反应是放热的。

此外，CPOX反应通常比其它重整反应快，这允许构造能够快速启动和快速响应负载变化的较小的重整器。与需要处理水和蒸汽的重整器(例如蒸汽重整器和自热重整器)相比，CPOX重整器在设计上也更简单，而蒸汽重整器和自热重整器需要储水单元、产生蒸汽的加热单元、提供热量以驱动吸热重整反应的燃烧器或燃烧单元等、以及与它们相关的流体路线和操作监控及控制装置。

已知的常规重整器的基本要求是它们的产热和散热部件具有有效的绝热，以保存和回收废热以用于重整器操作，例如预热含氧气体以支持氧化(通常在环境温度和压力下作为大气提供)，蒸发诸如柴油等液体燃料以提供适当预热的气态空气和气态CPOX反应混合物，以及从燃料电池堆所连接的后燃器单元回收废热，以利用这种热量来帮助满足家用热水需求。当然，作为一个实际问题，需要为重整器、燃料电池和集成的重整器和燃料电池系统(例如在共有的美国专利9,624,104；9,627,700；9,627,699和9,627,701中所述的系统，这些专利的全部内容通过引用结合在此)提供绝热，以防止热量损失，否则热量损失会显著降低这种装置的热运行效率。重整器、它们附带的燃料电池和后燃烧室单元以及其它产热、散热装置通常安装在外壳或壳体内。这种外壳或壳体的一个基本要求是其具有隔热性，这样壳体的外表面在接触时会较凉。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于产热、散热装置的绝热壳体，该绝热壳体包括：绝热的第一壳体，该第一壳体具有连接的侧面板、顶面板和底面板，这些面板具有相对的内侧和外露的外侧，这些面板的尺寸和结构设计为完全封闭产热、散热装置，第一壳体面板的内侧具有至少一个粘附于其上的耐火绝热组件或这些组件的组合，每个这样的绝热组件或绝热组件的组合限定了至少一个由预定尺寸和预定构造的耐火绝热材料的重叠型材组成的结构，每个绝热组件或这种组件的组合的主侧被粘附地附接至每个第一壳体侧板的内表面，并且每个绝热组件或这种组件的组合的主侧面向封闭的产热、散热装置，并且在空间上与该装置分离，每个隔热组件或这种组件的组合的尺寸、构造和最大使用温度使得其基本上完全且连续地衬在第一壳体的侧板的内表面上，绝热或其组合由此在预定程度上抑制来自封闭的产热、散热装置的热损失，每个绝热组件或其组合消除了来自产热、散热装置的红外辐射流的直接路径；散热装置，该散热装置在预定程度上抑制来自产热、散热装置的热损失，同时在每个第一壳体面板的外表面上保持最大预定表面温度。

前述第一壳体的绝热组件有效地解决了已知绝热壳体可能遇到的几个技术问题，即，由于它们的绝热结构呈现出允许红外辐射矢量直接且不受阻碍地流动的一个或多个直线路径，因此它们的封闭发热、散热装置的热量损失较快。通过绝热组件的独特布置有效解决的第二个技术问题是绝热组件的特征在于它们在可选的第二壳体或外壳的所有外表面上保持较冷接触状态的能力，这能实现在长时间连续操作期间甚至之后的安全操作，包括现场运输等(当然，假设封闭的产热、散热装置是便携性的)。由于绝热组件和在此衬在第一壳体上的这种组件的组合容易允许仅使用精确量的绝热材料，该绝热材料需要为第一绝热壳体和封闭的产热、散热装置(即，红外辐射装置)的给定组合提供符合预定规范的绝热能力，这些绝热组件可有利地以经济高效的方式生产。

绝热组件内的各个绝热件的独特互锁设计解决了需要额外的机械紧固来将绝热组件保持在自身和第一壳体的内部面板上的问题。具有自支撑结构和消除了机械紧固的要求降低了整体重量和附加成本，同时提高了装置的便携性。

在本文中的绝热壳体的实施例(其中产热、散热装置是集成的多管式气体燃料部分氧化(CPOX)重整器和多管式固体氧化物燃料电池(SOFC)和后燃器系统(“绝热系统”)中，这种系统包括排气罩壳体，该排气罩壳体用于以减少或减轻如下文所述的伯努利效应的方式改变高温后燃器排气的方向，否则在没有排气罩的绝热系统内出现的内部气流偏差会引起伯努利效应。

附图说明

应理解，下述附图仅用于说明目的。附图不一定是按比例绘制的，其绘图重点一般在于示出本教导的原理。附图并非意图以任何方式限制本教导的范围。相似的数字通常指代相似的部分。

图1A是本教导的绝热的第一壳体和可选的第二壳体的一个实施例的纵向透视图，其中第二壳体的顶面板、底面板和侧面板被移除，以示出图7A-7D的基本上完全封闭的绝热的第一壳体及其基本上完全封闭的产热、散热装置，尤其是集成的多管式气体燃料部分氧化(CPOX)重整器和多管式固体氧化物燃料电池(SOFC)和后燃器系统400。

图1B以半截面纵向视图示出了图7A-7D的绝热集成式CPOX重整器-SOFC和后燃器系统400的一部分，其中示出了图2所示的类型200-1至200-4的绝热组件在绝热的第一壳体内的布置。

图1C以半截面纵向视图示出了图1A的CPOX-重整器和后燃器系统400以及排气罩500的内部结构细节。

图1D以平面图示出了排气罩500(如图1A和1C所示)的内部结构，其上侧被移除，以显示相互配合以改变高温后燃器排气路径的元件的内部结构细节。

图1E以平面图示出了用于改变高温后燃器排气流的路径的方向的外部结构元件。

图2以平面图示出了由扫描电子显微镜以400倍放大倍率拍摄的所收到的商用耐火绝热板材的显微照片，该板材适合于单独和/或组合地用于构造作为本文所述的绝热的第一壳体的内壁衬层的耐火绝热组件。

图3示出了从这种材料的板材(例如图2所示的板材)切割的精确尺寸和构造的耐火绝热型材的几个实施例。

图4A-4F以透视图示出了用于构造粘附到绝热的第一壳体100的相邻墙板的内表面上的多层或层压耐火绝热衬层组件的方法的一系列步骤的一个实施例。

图5A和5B分别示出了图4E和4F所示的绝热组件的局部截面端视图和俯视图。

图5C示出了绝热的第一壳体和SOFC单元的一端的全截面图。

图6A以透视图示出了耐火绝热衬层的构造，其中由具有图3A-3C和3D所示的尺寸和构造的耐火绝热型材构成的板通过简单的搭接接头以所示的方式接合在一起，从而呈现出直接的而不是曲折的路径，该路径有助于红外辐射流，因此能促进在可选的第二壳体200的外表面上由从图7A-7D的集成式CPOX-SOFC系统400逸出的热量产生的热损失和/或防止过高温度。

图6B示出了如本教导所述的绝热的第一壳体的一个实施例的平面图，其中壳体板的内表面衬有如图2所示的耐火绝热材料的重叠的叠加层，这些层以图7C和7D所示的方式相对于彼此以阶梯形式构造，由此消除了红外辐射的直流路径，从而更好地保存由封闭的产热、散热装置产生的热量，并防止可选的第二壳体板的外表面达到不舒适和潜在有害的温度水平。

图7A是产热、散热装置的一个实施例的纵向截面图，具体地说，是绝热集成气体燃料多管式CPOX重整器-多管式固体氧化物燃料电池(SOFC)的一个已知实施例(共有的美国专利9,627,699，其全部内容通过引用结合在此)和本发明的组合的后燃器系统。

图7B是图7A所示的集成气体燃料CPOX重整器-燃料电池系统的气体燃料CPOX重整器部分的横向(垂直于纵轴)截面图。

图7C是图7A所示的集成液体燃料CPOX重整器-燃料电池系统的气体燃料CPOX重整器部分的一部分的平面截面图。

图7D是图7A所示的集成气体燃料CPOX重整器-SOFC系统的管状CPOX反应器管的绝热的放热保温室、点火器和CPOX反应区的放大透视分解图。

具体实施方式

应理解，本文的教导不限于术语“包括”、“具有”、“包含”或“包含”的使用，包括其语法上的等同形式，这些术语通常应理解为开放式和非限制性的，例如不排除额外的未引用的元件或步骤，除非在上下文中另有明确说明或可根据上下文另行理解。

除非另行说明，否则在本文中单数(例如“一”、“一个”和“该”)的使用包括复数(反之亦然)。

在术语“大约”在定量值之前使用的情况下，本教导还包括具体的定量值本身，除非另有明确说明。在本文中所用的术语“大约”指与标称值相差±10％，除非另有说明或可另行推断。

应理解，步骤的顺序或执行某些动作的顺序是无关紧要的，只要使本教导的操作可行。例如，除非在本文中另有说明或与上下文明显矛盾，否则在本文中说明的方法可按任何适当的顺序执行。此外，两个或多个步骤或动作可同时进行。

在本说明书的不同位置，数值以组或范围的方式公开。具体而言，在本文中公开的数值的范围包括该范围及其任何子范围内的每个值。例如，在0到40范围内的数值具体意在分别公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和40，以及其任何子范围，例如0至20、10至30、20至40等。

除非另有说明，在本文中提供的任何和所有示例或示例性语言(诸如“例如”)的使用仅是为了更好地描述本教导，而不构成对本发明的范围的限制。说明书中的任何语言都不应解读为表示对本教导的实践至关重要的任何未要求的要素。

除非其上下文用法另有说明，否则诸如“上”、“下”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”等指示空间方位或姿态的术语和表述在本文中应理解为没有结构、功能或操作意义，并且仅反映在某些附图中示出的本教导的气体燃料CPOX重整器的各种视图的任意选择的方位。

术语“陶瓷”除了其本领域公认的含义之外，在此应理解为包括玻璃、玻璃陶瓷和金属陶瓷(即，陶瓷-金属复合材料)。

术语“绝热片材”和“绝热板材”在本文中可互换使用。

在本文中所用的表述“产热”应理解为基本上与“产生红外线”同义，类似地，“散热”应理解为基本上与“辐射红外线”同义。

“可透气”表述形式在应用于CPOX反应器单元的壁时应理解为指可渗透气态CPOX反应混合物和气态产物重整产物的壁结构，包括但不限于气态CPOX反应混合物的气态可重整燃料组分和重整产物的氢组分。

“气态可重整燃料”的表述应理解为包括在STP条件下为气体并在经受重整时转化为富氢重整物的可重整的含碳和含氢的燃料，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、二甲醚、它们的混合物，例如天然气和液化天然气(LNG)(主要是甲烷)、以及石油气和液化石油气(LPG)(主要是丙烷或丁烷，但包括主要由丙烷和丁烷等组成的所有混合物)。

“液体可重整燃料”的表述应理解为包括在标准温度和压力(STP)条件下为液体并在经历重整时转化为富氢重整物的可重整的含碳和含氢的燃料，例如甲醇、乙醇、石脑油、馏出物、汽油、煤油、喷气燃料、柴油、生物柴油等。“液体可重整燃料”的表述应进一步理解为包括处于液态或气态(即，蒸汽)的此类燃料。

“CPOX反应”的表述应理解为包括在催化部分氧化重整或可重整燃料向富氢重整产物转化期间发生的反应。

“气态CPOX反应混合物”的表述指包括气态可重整燃料和含氧气体(例如空气)的混合物。在本文中所用的气态CPOX反应混合物可包括气态可重整燃料和含氧气体(例如空气)、基本上由气态可重整燃料和含氧气体(例如空气)组成或由气态可重整燃料和含氧气体(例如空气)组成。本发明的CPOX反应混合物包括蒸汽状态的液体可重整燃料(例如汽化柴油)或气态液体可重整燃料(例如汽化柴油)。

“开放气体流动通道”的表述指用于通过气体的导管或通道，其中在该导管或通道的整个横截面上不存在固体(包括多孔固体或材料)，即，不含固体(包括多孔固体)的导管或通道。例如，在CPOX反应器单元的情况下，在垂直于管状CPOX反应器单元的纵轴的整个内部横截面上不能存在CPOX催化剂，包括多孔催化剂，例如整块催化剂。这种结构不同于填充有多孔催化剂的通道。开放式气体流动通道也可存在于CPOX反应器单元中，该反应器单元可定义为限定中空孔的管、或限定沿其纵向轴线穿过其中的中空孔的圆柱形基材。在这些示例性说明中，中空孔可视为开放的气流通道。虽然开放的气流通道通常可沿着CPOX反应器单元的纵轴延伸，但是曲折的导管或通道也在本教导的考虑范围之内，并且可具有开放的气流通道，只要这种曲折的导管或通道在CPOX反应器单元的横截面上没有固体。还应理解，开放的气流通道的横截面尺寸可沿着其纵轴或沿着曲折的导管或通道变化。

在配有调节器或其它类型的气体计量装置的加压罐中，升高压力可将燃料压力降低到适合于引入重整器的压力。在气体燃料在大气压或适度升高的压力下储存时，可使用叶轮泵或其它气体驱动装置将气体燃料的压力提高到适合于重整器的操作的水平。

本教导所述的绝热气体燃料CPOX重整器可包括用于监测和控制一个或多个重整器的操作的一个或多个传感器组件。传感器组件的例子有流量计、热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器。本教导所述的气态燃料CPOX重整器还可包括用于在其启动、稳态和/或关闭模式下自动操作重整器的控制系统。控制系统可包括与控制器通信的多个传感器组件。

“高温后燃器燃烧气体”和“高温后燃器排放气体”的表述以及类似表述应视为基本上是同义的。

现在请参考图1A，由金属板等构成的绝热的第一壳体110基本上完全包围产热、散热装置，例如集成的绝热CPOX重整器-SOFC系统400(包括系统的后燃器单元400c)(在图7A中详细示出，其放大部分在图7B中示出)。如前文所述，基于本发明的原理的可有效绝热的其它产热、散热装置包括内燃机、锅炉、烘炉、窑炉和熔炉等。图1A还示出了另一种通常不是绝热的第二壳体200，该第二壳体200以其完全封闭的CPOX重整器和SOFC系统400完全包围绝热的第一壳体100。虽然通过为包括可选的第二壳体200的面板的内表面提供如第一绝热壳体100中的绝热衬层通常不会获得显著益处，但是在此应理解，在特定情况下，可包括由消除直接红外辐射流的一个或多个绝热组件构成的这种绝热层。在图1A所示的第二壳体200的实施例中，第二壳体被分为由系统稀释空气风扇240隔开的热区220和由限定设备平衡(BOP)隔间的金属板防火墙250隔开的冷区230。热区220具有至少足以包围风机单元240和集成的CPOX重整器和SOFC堆的体积，后者的后燃器单元400在图1B和7A-7D中示出。

绝热的第一壳体100及其封闭的集成CPOX重整器和SOFC系统400最好通过连接至防火墙250的支撑腿260抬高到防火墙250上方。

除了其耐热的绝热层之外，绝热的第一壳体100和可选的第二壳体200的构造材料不是至关重要的，并且可由用于构造机械、电子设备等的壳体的任何常规或其它已知材料制成。最好使用金属板(例如钢、钛、铝、它们的合金、其它金属的合金等)作为第一壳体和可选的第二壳体的构造材料。聚合材料即使长时间暴露在中等高温下也能保持尺寸和机械稳定性。两个壳体均可呈现为各种几何构造，例如，在平面图中，呈现为正多边形(例如正方形或矩形(如图所示))，或者呈现为曲线形(例如圆形或卵形)，只要所得到的壳体具有足够的内部容积，从而基本上完全封闭特定尺寸的绝热、产热、散热装置。通常优选所述壳体不是永久密封的。因此，第一和/或第二壳体的至少一个面板最好是可移除的或铰接的，以便接近封闭的产热、散热装置，从而可更容易实现该装置的任何必要或所需的检查或维修。

如图1A、1C、1D和1E所示，高温后燃器排气罩500分别包括前侧503和后侧504、横向侧505和506以及与底板507b相对的上侧507a。气流偏转板501和502(例如由金属板制成)通过紧固件513紧固到排气罩500的侧面505和506上，紧固件513包括分别提供后燃器排气流动通道516和517的间隔元件514(如图1D和1E所示)。排气罩500通过紧固件(例如分别位于从底板507b延伸的延伸构件510a和510b处的铆钉或焊缝)固定到第一壳体100上。

如图1D和1E所示，排气罩500的上侧507a包括限定在底板507b上的高温后燃器排气槽508，在排气罩500的上侧507a上布置有多个百叶窗式排气口523，排气罩的侧面505和506具有多个类似构造的百叶窗式后燃器排气口522b。附接(例如通过铆接或焊接)至底板507b的成角度的偏转挡板522使通过排气槽508排出的高温后燃器排气流发生偏转。通过后燃器排气槽508和百叶窗式排气口523排出的被偏转的后燃器排气的流动路径被后燃器排气挡板522偏转，如图1E和1D中的虚线和箭头所示。

在此提供了具有高温后燃器排气罩500的绝热集成重整器-SOFC堆系统400，该后燃器排气罩500具有前文所述的后燃器排气槽508、百叶窗式通风口523、挡板522和气体偏转板501和502的配置，以最大限度地减少容易由系统稀释风扇211通过不希望有的伯努利效应引起的内部气流偏差。当较高速度的稀释空气垂直穿过SOFC的高温后燃器的百叶窗式通风口522a、522b、523时，会发生伯努利效应。这导致系统400的内部压力降低；导致集成的重整器-SOFC系统400和后燃器400c内的反应物流的速度提高。由于由系统稀释风扇211驱动的系统稀释空气以某个非特定的角度流过系统400，因此在系统400内诱发上述内部气流偏差。与系统400的一侧相比，这种倾斜流动导致另一侧的压力较低和/或反应物速度较高。内部气流偏差会导致系统400在不符合要求的条件下运行，因为在具有较低压力的SOFC部分中，反应物流的停留时间较短。这种气流偏差可能导致对系统400的不可逆转的损害，因为整个SOFC部分的各个SOFC反应器单元的利用过度。各个SOFC反应器单元的这种过度利用是一种已知的降级运行模式，导致SOFC主体的潜在结构故障。排气罩500在后燃器单元400c的外侧形成开放的腔室511以使高温后燃器排气在与系统稀释空气混合之前冷却并收缩，从而大大减轻了这种气流偏差。这种开放的腔室511的作用是增加高温后燃器排气流路的长度，从而产生缓冲区512。缓冲区512用于限制反向压力连通，从而有助于在整个系统400中保持一致的反应物流量和/或操作压力，由此防止或降低产生过度利用操作条件的可能性。设置在排气罩500内的底板507b上的成角度的挡板522在其中散布高温后燃器排气。高温后燃器排气的这种偏转有助于实现从这种排气向周围系统的热传递，以冷却通过排气罩主体的稀释空气。使排气在与系统稀释空气混合之前尽可能冷却是很重要的，因为在这种冷却过程中会发生体积变化。若排气在后燃器400c的出口温度下与系统稀释空气(大约在室温温度下)混合，则由此产生的快速冷却会导致排气体积的快速变化；导致系统400中的压力快速变化。在与系统稀释空气混合之前，通过排气罩500冷却排气可减轻任何快速压力变化。排气罩还构造有两个气流偏转板501和502，它们有助于使系统稀释空气进入并穿过排气罩500的顶面。偏转板501和502还起到传热翅片的作用，以更高效地冷却排气罩500，并由此冷却其中存在的后燃器排气。冷却的排气然后通过设置在排气罩500的外表面505和506上的多个百叶窗式通风口522a和522b离开排气罩500，排气在该处与处于相似温度的系统稀释空气混合。

图2A-2D展示的显微照片示出了耐火纤维和耐火颗粒的互锁接合，这是可用于构造在此所述的绝热组件的四种特定类型的耐火绝热片材或板材的特征。

这四种特殊类型的耐火绝热材料的详细情况如下：

绝热片材类型：

1型绝热材料商品名称：Thinsheet 1000R供应商：Promat Inc.(图2A的270a)

高纯度、耐高温(最高额定温度1000℃)微孔绝热板；纤维增强热解二氧化硅的混合物，厚度为3毫米±0.5毫米，长度和宽度取决于“最终用途”。

2型绝热材料商品名称：Thinsheet 1200A供应商：Promat Inc.(图2B的270b)

97％高纯度氧化铝绝热板，最高工作温度1200℃(厚度3毫米/±0.5毫米(氧化铝含量高于98％，二氧化硅含量低于2％)，长度和宽度取决于最终用途。

3型绝热材料商品名称：T-Cast AA45供应商Unifrax(图2C的270c)

高纯氧化铝绝热板(氧化铝含量高于98％，二氧化硅含量低于2％)，最高工作温度为1650C，厚度为5毫米±0.5毫米；长度和宽度取决于最终用途。

4型绝热材料商品名称：RS-3000Felt供应商：ZIRCAR Refractory Composites,Inc.(图2D的270d)

97％高纯度氧化铝纤维(二氧化硅含量低于3％)，含有低于1％的痕量元素。陶瓷毡是一种坚固、柔韧的材料，其纤维用有机粘合剂粘合在一起，额定温度为1650℃，货品厚度为3毫米(1/8英寸)和1毫米(1/32英寸)。

现在请参考图3A-3H，其中以浅透视图示意性地示出了从由图2A-2D所述的四种类型270a-270d的绝热材料中的一种或多种构成的板切割出特定尺寸和构造的多块绝热型材300。任何常规的或其它已知的切割设备都可用来生产这些精确切割和构造的型材。例如，切割可使用冲切或水射流切割设备来完成。但是，优选利用激光切割设备(例如TrotecSpeedy 300二氧化碳激光器或其它的具有类似能力的激光切割设备)从绝热板上切割出绝热型材。激光切割的优点是产生非常清晰的切割线，但更重要的是，纤维和颗粒沿着非常干净的切割边缘热封或熔融。这又允许高度精准地布置和组装切割出的各块绝热型材，以形成所需的绝热组件构造。凸片和狭槽的功能将在下面结合图4A-4F中示意性示出的耐火绝热组件步骤的说明进行解释。

现在请参考图4A-4F中示意性示出的用于组装耐火绝热衬层的一个实施例以提供本发明的教导所述的绝热的第一壳体的步骤序列，使用任何适当的耐火粘合剂或水泥将耐火绝热型材粘贴到包括图1的绝热的第一壳体的侧面的四个面板之一的内表面上，各种类型的此类粘合剂或水泥是已知的并且是可商购的，例如商品名称：Resbond 940，供应商：Cotronics。从图3A-3H所示的绝热型材的切割留下的废料制备耐火粘合剂或水泥结合也在本发明的范围内，即，粉碎废料并将所得粉末与粘合剂(例如聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、甘油和流体载体(例如乙醇、异丙醇或丙酮))结合，以形成可涂抹的难熔粘合剂糊。如本领域技术人员所知，耐火粉末、选定的粘合剂和选定的流体载体的重量比例可能变化很大，它们的最佳量很容易通过常规实验测试确定，例如1:3重量比，PEG：1000R(粉碎)。对于采用常规实验测试的特定绝热组件，本领域技术人员也可容易地确定用于实现绝热型材与第一壳体面板或可选的第二壳体面板的内表面牢固粘附的耐火粘合剂浆料的最佳重量(例如为1至5克)或与下面的绝热型材牢固粘附的耐火粘合剂浆料的最佳重量(例如为1至5克)。

现在请参考图4A，绝热型材被粘附固定到第一壳体的四个侧板之一的内表面上，以进行绝热。在型材被牢固地固定就位后，绝热型材被粘附到第一壳体的相邻内壁的表面上，型材的凸片被精确地装配到型材的槽中，结果如图4B所示，由此确保两块绝热型材的机械结合，而不需要单独的机械紧固件。如图4C所示，通过粘附安装绝热型材基本上重复图7A和7B所示的组装步骤，以实现图4D所示的绝热型材的阶梯式布置(从端部看)。在这些组装步骤之后，如图4E所示，绝热型材被粘附安装好以产生所示的布置，在图5A和5B中分别示出了绝热组件的横截面端视图和俯视(平面)图，在图5C的俯视平面图中示出了壳体的完整绝热衬层。若希望在可选的第二壳体200中安装绝热衬层，则优选以与绝热的第一壳体相同的方式构造这种衬层，如图4A-4F示意性所示。但是，对于这种可选的绝热衬层，优选也可使用更简单的构造方法，因为在第一绝热壳体100的情况下实现曲折的路径构造通常不是必须考虑的。

还可设想将附加的热反射层添加到绝热组件或这种组件的组合的表面上，该绝热组件或这种组件的组合面向产热、散热装置，并具有至少一层热反射涂膜或层，例如铝或聚酯膜。

图6以俯视图示出了一种已知类型的绝热壳体及其封闭的发热、散热单元。绝热衬层由绝热板(例如图2中所示的绝热板)组装而成，利用简单的搭接接头来连接各个绝热部分，但是没有在图6B的俯视图中所示的绝热壳体衬层的构造中使用的绝热型材的任何凸片和相应的狭槽。这些凸片和它们的接收槽具有几个重要且有利的功能。首先，它们有助于沿其纵向边缘接合在一起的绝热型材的精确布置和精确对齐。另一方面，狭槽在与其相应的狭槽配装时会导致相邻绝热型材之间的接合在反映封闭的发热、散热装置(例如集成的CPOX-SOFC系统400)的潜在的快速开关循环的变化的温度体系内更强且更机械稳定的结构。

如图6所示，辐射红外矢量指向由包括壳体绝热衬层的绝热型材的邻接端形成的角。这些红外矢量被显示为沿着由绝热组件的邻接端形成的直接路径行进，在该处它们冲击并穿过壳体的壁板。由于具有透过绝热衬层的这些直接路径，与图6B所示的组装好的绝热型材的邻接端相比，来自产热、散热单元的辐射热更快、更容易从绝热衬层中损失掉，这与图6A的绝热衬层的构造相反，在图6A中，辐射红外矢量必须通过曲折的路径才能从壳体中逸出，结果是产热、散热装置的热损失大大减少。

本文所述的封闭的产热、散热装置的代表是图7A的绝热集成气体燃料CPOX重整器和SOFC堆400。如图7A所示，通常在环境温度下将作为含氧气体的空气通过导管404的入口403以预设的质量流率经由离心鼓风机系统402引入。丙烷气体通过燃料管线441和燃料入口442引入导管404。丙烷和空气开始在导管404的混合区420内结合，以提供气态CPOX反应混合物。可包括任何适当类型的混合器(例如设置在混合区420和/或导管404的螺旋槽内壁表面内的静态混合器)，以提供与混合区420中形成的气体CPOX反应混合物相比具有更高的组成一致性的气体CPOX反应混合物。

在通过可选的静态混合器和/或与设置在混合区420内的螺旋槽接触之后，气态的CPOX反应混合物通过出口425离开导管404，并进入歧管426的气体分配器427，该气体分配器427配置为向管式CPOX反应器单元408提供更均匀的反应混合物分布，并在管式CPOX反应器单元408内。本教导中的这种布置或其它布置可实现气态CPOX反应混合物的分布，其中任何两个CPOX反应器单元内的气态CPOX反应混合物的流速差不大于大约20％，例如不大于大约10％或不大于大约5％。

回到图7A，歧管426连同相关联的管状CPOX反应器单元408包括限定歧管腔室429的歧管壳体或外壳428，其中气态CPOX反应混合物(气体)分配器427在歧管室429内连接至导管404的出口425。通过出口425离开导管404的气态CPOX反应混合物随后通过位于气体分配器的底部或下部的孔口(例如孔或槽)430进入气体分配器427，然后气体围绕分配器的外表面流到其顶部或上部，并从该处进入管式CPOX反应器单元408的入口431。在图7B中示出了气态CPOX反应混合物通过孔口430并进入入口431的路径。

可对歧管426的设计优化产生影响以实现歧管426促进气态CPOX反应混合物更均匀地向CPOX反应器单元分布的功能的一些具体因素包括其壳体428的构造、其腔室429的体积和气体分配器427的尺寸，包括其孔口430的数量、设计和布置。这些因素又取决于重整器的设计和操作因素，例如导管内的气态CPOX反应混合物的目标流速、CPOX反应器单元408的数量和布置、CPOX反应器单元408的入口431的形状和尺寸、以及类似的考虑因素。本领域技术人员采用常规测试方法很容易构建本教导所述的用于特定气体燃料CPOX重整器的最佳燃料-空气分配性能的歧管。

在CPOX反应器单元的CPOX反应区基本上与反应器单元的长度同延的情况下，歧管壳体428可由在CPOX重整的典型高温下保持热稳定和机械稳定的材料制成。在这些实施例中，各种耐火材料(包括耐火复合材料，例如碳纤维和/或玻璃纤维增强陶瓷)适合于制造歧管壳体。适当的结构材料包括致密陶瓷(例如各种已知类型的氧化铝、再结晶氧化铝、铝硅酸盐、氮化硼、玻璃陶瓷、氧化镁、磷酸锆等)、金属(例如镍铬基超级合金、哈氏合金超级合金等)。但是，这些和其它耐火材料往往成本较高，并且使用起来也具有挑战性，尤其是在制造具有较复杂构造的制品的情况下。

如图7F中的CPOX反应器单元408的放大示例性纵向截面图所示，CPOX反应器单元408的可透气壁451可沿其长度分为第一或上游区域452和第二或下游区域453，第一或上游区域452始于其燃料-空气混合物入口431，基本上没有CPOX催化剂，第二或下游区域453始于第一区域452的末端，终止于反应器单元的重整流出产物出口454或该出口附近，包含催化有效量的CPOX催化剂464。在图7A的CPOX重整器400的稳态操作期间，CPOX反应器单元408的这个实施例很大程度上将高温CPOX反应区409限制在其第二区域453，使基本上不含CPOX催化剂的第一区域452保持在相当低的温度(例如在从环境温度到大约350℃的范围内)，尤其是在CPOX反应器单元408的燃料-空气混合物入口431和歧管壳体428的接合处。

CPOX的无催化剂壁部分区域的较低温度(低于许多热塑性树脂的熔化温度和许多热固性树脂的热降解温度)使得利用多种热塑性和热固性树脂之中的任何一种来制造歧管壳体428变得实用且有利。可用于制造歧管壳体的具体类型的热塑性和热固性树脂包括聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳醚酮(PAEK)(例如聚醚醚酮(PEEK))、酚醛树脂等。这些和其它热稳定树脂除了其较低的材料成本之外还具有附加的优点，即，易于采用低成本的制造程序成形为复杂的形状。

回到图7A，气态CPOX反应混合物从歧管426进入CPOX反应器单元408的入口431，并进入CPOX反应区409，在该处，反应混合物经历气相CPOX反应以产生富含氢、含一氧化碳的重整产物。在启动模式中，一个或多个点火器435引发CPOX。在CPOX变得自持后(例如，当反应区的温度达到大约250℃至大约1100℃时)，可关闭点火器，因为不再需要外部点火来维持现在自持的CPOX反应。绝热层410(例如微孔或氧化铝基耐火材料型的绝热层)包围CPOX重整器的这些部分，以减少这些部分的热损失。

图7A-7D示出了本教导的一个实施例，其中在重整器400的启动操作模式期间，两个点火器435(每个阵列一个)用于在腔室436中的CPOX反应器单元408的CPOX反应区409内引发CPOX反应。如图7C和7D所示，CPOX反应器单元408布置成两个独立的2×7平行阵列，每个阵列设置在腔室436内，一个这样的阵列位于导管404的一侧，另一个这样的阵列位于导管404的另一侧。阵列的周界界定腔室436的开放空间438与绝热层410之间的边界。与CPOX反应器单元408的CPOX反应区409的至少一部分对应的CPOX反应器单元408的壁的外表面437外露在开放空间438内。若有氢屏障，则该氢屏障可以是CPOX反应器单元的外露外表面。电阻型点火器435(例如额定功率为10-80瓦以上的点火器)设置在腔室436的两端，在该处，它们的辐射产热元件439靠近CPOX反应器单元408的外表面437布置，但与该外表面物理隔离。热电偶440设置在与点火器435相对的腔室436的端部，以便监测CPOX反应区409的温度，并提供重整器控制输入，如结合图3A所示的控制系统300所述。点火器的操作导致传递辐射热，并且辐射热穿过一个或多个附近的CPOX反应器单元的壁，由此在这种反应器单元的CPOX反应区内引发CPOX。这样，从这些附近的CPOX反应器单元的CPOX反应区发出的热辐射可在阵列内的其余CPOX反应器单元的反应区内引发CPOX，如图7C中的波浪箭头所示。

设置单个或最多数个避免与CPOX反应器单元408直接接触的点火器与每个CPOX反应器单元具有自己的物理附接或集成的点火器的CPOX点火器系统相比可提供多种优点。虽然本教导考虑了后一种点火系统的使用，但是不工作的点火器的识别可能存在问题，并且在不损坏其所属的CPOX反应器单元和/或不干扰阵列中的其它反应器单元的前提下移除和更换该点火器可能比较困难。因此，适当布置在一个阵列或多个CPOX反应器单元中的单个或数个点火器允许从CPOX重整器400中轻松且简单地识别和检出有故障或有缺陷的点火器，并将其替换为正常工作的点火器。

如图7C和7D所示，其中使用两个点火器来引发CPOX反应器单元408的CPOX反应区409内的CPOX反应，相对于腔室的另一侧的点火器435和热电偶440的位置反转腔室436一侧的点火器435和热电偶440的位置可能是有利的，尤其是在两个腔室之间可能存在显著热连通的情况下。已经观察到这种布置导致在每个单独的CPOX反应器单元阵列的CPOX反应区内更快速地引发CPOX。但是，应理解，在腔室内具有适当尺寸和布置的CPOX反应器单元的情况下，可使用单个点火器在腔室内的CPOX反应器单元的CPOX反应区内引发CPOX。

考虑到本文所述的集成液体燃料CPOX重整器-燃料电池系统的各种实施例及其操作原理，本领域技术人员在本发明的基础上通过采用常规实验程序能轻松优化具有所需的液体可重整燃料转化和电能输出能力、结构特征和机械性能的特定集成CPOX重整器-燃料电池系统的设计。

本教导涵盖未脱离其精神或基本特征的其它特定形式的实施例。因此，前述实施例在各个方面都被认为是示例性的，而不是对在此说明的本教导的限制。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前文的说明限定，并且在权利要求的等同内容的含义和范围内的所有变化都应包含在本发明之内。