Устройство для генерирования тепла и водорода

Устройство для генерирования тепла и водорода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству для генерирования тепла и водорода.

В области техники известно устройство для генерирования тепла и водорода, снабженное горелкой, имеющее камеру горения горелки и отверстие впрыска топлива для осуществления впрыска топлива внутрь камеры горения горелки, устройство подачи воздуха для подачи воздуха внутрь камеры горения горелки и катализатор риформинга, и предназначенное для подачи газообразных продуктов горения горелки, образующихся в камере горения горелки, к катализатору риформинга, чтобы тем самым генерировать тепло и водород (см., например, «Application of a Diesel Fuel Reformer for Tier 2 Bin 5 Emissions» Delphi, 2006 DEER Conference, 21 августа 2006, Детройт, Мичиган). В этом устройстве для генерирования тепла и водорода для того, чтобы вызвать реакцию риформинга с частичным окислением, воздух и топливо приводятся в реакцию в состоянии, в котором молярное отношение O₂/С воздушно-топливной смеси поддерживается на уровне 0,5, и в результате этого вырабатываются тепло и водород.

В связи с этим, когда осуществляется реакция риформинга с частичным окислением топлива с использованием катализатора риформинга, температура катализатора риформинга, когда реакция риформинга с частичным окислением достигает равновесного состояния, т.е. равновесная температура реакции, меняется в зависимости от молярного отношения O₂/С воздушно-топливной смеси. Например, когда молярное отношение O₂/C составляет 0,5, температура катализатора риформинга, т.е. равновесная температура реакции, становится равной примерно 830°C. Однако, температура этого катализатора риформинга имеет это значение в случае, когда температура подаваемого воздуха составляет 25°C. Если температура подаваемого воздуха повышается, то температура катализатора риформинга повышается вместе с ней.

При этом, однако, в указанном выше устройстве для генерирования тепла и водорода подаваемый воздух постоянно нагревается газом, выходящим из катализатора риформинга. Поэтому, если нагревающее действие газа, выходящего из катализатора риформинга, приводит к повышению температуры подаваемого воздуха, то температура катализатора риформинга повышается. Если температура катализатора риформинга повышается, - температура газа, выходящего из катализатора риформинга растет и температура подаваемого воздуха растет, так что температура подаваемого воздуха продолжает повышаться. В результате возникает проблема, заключающаяся в том, что температура катализатора риформинга становится выше, и катализатор риформинга деградирует из-за высокой температуры.

В соответствии с настоящим изобретением для решения этой проблемы предлагается устройство для генерирования тепла и водорода, содержащее камеру горения горелки, горелку, расположенную в камере горения горелки для осуществления горения горелки, устройство подачи топлива, способное регулировать количество подачи топлива, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, устройство подачи воздуха, способное регулировать температуру и количество подачи воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, устройство зажигания, вызывающее воспламенение топлива, катализатор риформинга, к которому подаются газообразные продукты горения горелки, и электронный блок управления, причем устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом для нагревания воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, с помощью газообразных продуктов горения горелки, тепло и водород образуются в процессе горения горелки, при этом допустимая температура катализатора, позволяющая избежать термической деградации катализатора риформинга, задается заранее, и электронный блок управления регулирует устройство подачи воздуха для понижения температуры воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки для поддержания температуры катализатора риформинга на уровне ниже допустимой температуры катализатора, когда осуществляется горение горелки, и когда температура катализатора риформинга превышает допустимую температуру катализатора, или предполагается, что температура катализатора риформинга превысит допустимую температуру катализатора.

Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создано устройство для генерирования тепла и водорода, содержащее: камеру горения горелки, горелку, расположенную в камере горения горелки для осуществления горения горелки, устройство подачи топлива, выполненное с возможностью регулирования количества подачи топлива, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, устройство подачи воздуха, выполненное с возможностью регулирования температуры и количества подачи воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, устройство зажигания, выполненное с возможностью воспламенения топлива, катализатор риформинга, к которому подаются газообразные продукты горения горелки, и электронный блок управления, причем устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом для нагревания воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, с помощью газообразных продуктов горения горелки, при этом тепло и водород образуются в процессе горения горелки, причем допустимая температура катализатора, позволяющая избежать термической деградации катализатора риформинга, задается заранее, и электронный блок управления управляет устройством подачи воздуха для понижения температуры воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, для поддержания температуры катализатора риформинга на уровне ниже допустимой температуры катализатора, когда осуществляется горение горелки, и когда температура катализатора риформинга превышает допустимую температуру катализатора или предполагается, что температура катализатора риформинга превысит допустимую температуру катализатора; при этом, когда устройство для генерирования тепла и водорода начинает работать, электронный блок управления осуществляет операцию первичного прогрева, при которой температура катализатора риформинга повышается за счет горения горелки при обедненном воздушно-топливном отношении, и затем осуществляет операцию вторичного прогрева, при которой температура катализатора риформинга повышается, и образуется водород в катализаторе риформинга за счет горения горелки при обогащенном воздушно-топливном отношении, причем во время операции вторичного прогрева молярное отношение O₂/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси составляет от 0,5 до 0,56.

Предпочтительно, электронный блок управления выполнен с возможностью понижения температуры воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки, с помощью остановки подачи воздуха, нагретого в теплообменном элементе, в камеру горения горелки и подачи воздуха более низкой температуры, чем воздух, нагретый в теплообменном элементе, из горелки в камеру горения горелки.

Предпочтительно, устройство для генерирования тепла и водорода по дополнительно содержит переключающее устройство для переключения пути воздушного потока для подачи воздуха из горелки в камеру горения горелки между путем высокотемпературного воздушного потока для подачи воздуха, нагретого в теплообменном элементе, и путем низкотемпературного воздушного потока для подачи воздуха более низкой температуры, чем воздух, нагретый в теплообменном элементе, при этом электронный блок управления выполнен с возможностью переключения пути воздушного потока для подачи воздуха из горелки в камеру горения горелки с пути высокотемпературного воздушного потока на путь низкотемпературного воздушного потока при понижении температуры воздуха, подаваемого в камеру горения горелки.

Предпочтительно, электронный блок управления выполнен с возможностью прогнозирования того, что температура катализатора риформинга превысит допустимую температуру катализатора, когда операция первичного прогрева сменится операцией вторичного прогрева, и, соответственно, снижения температуры воздуха, подаваемого из горелки в камеру горения горелки.

Предпочтительно, во время операции первичного прогрева молярное отношение O₂/С вступающей в реакцию воздушно-топливной смеси составляет от 2,0 до 4,0.

Предпочтительно, электронный блок управления выполнен с возможностью переключения на операцию вторичного прогрева, если температура катализатора риформинга превышает заданную температуру, когда осуществляется операция первичного прогрева.

Предпочтительно, электронный блок управления выполнен с возможностью переключения на операцию вторичного прогрева, если температура воздуха, выходящего из теплообменного элемента, превышает заданную температуру, когда осуществляется операция первичного прогрева.

Предпочтительно, электронный блок управления выполнен с возможностью переключения режима работы устройства для генерирования тепла и водорода либо в режим работы с генерированием тепла, вырабатывающий тепло за счет осуществления реакции полного окисления при обедненном воздушно-топливном отношении, либо в режим работы с генерированием тепла и водорода, вырабатывающий тепло и водород за счет осуществления реакции риформинга с частичным окислением при обогащенном воздушно-топливном отношении.

С помощью понижения температуры воздуха, подаваемого в камеру горения горелки, когда температура катализатора риформинга превышает допустимую температуру катализатора, или когда предполагается, что температура катализатора риформинга превысит допустимую температуру катализатора, предотвращается чрезмерный рост температуры катализатора риформинга и, тем самым, предотвращается деградация катализатора риформинга под действием тепла.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - общий вид устройства для генерирования тепла и водорода;

фиг.2 - диаграмма для пояснения реакций риформинга дизельного топлива;

фиг.3 - диаграмма, показывающая зависимость равновесной температуры ТВ реакции от молярного отношения О₂/С;

фиг.4 - диаграмма, показывающая связь молярного отношения О₂/С и числа молекул, образованных на один атом углерода;

фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая распределение температуры внутри катализатора риформинга;

фиг.6 - диаграмма, показывающая зависимость равновесной температуры ТВ реакции от молярного отношения О₂/С при изменении температуры ТА подаваемого воздуха;

фиг.7 - временная диаграмма, показывающая регулирование образования тепла и водорода;

фиг.8A и 8B - диаграммы, показывающие рабочие области, осуществляющие операцию вторичного прогрева;

фиг.9 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода;

фиг.10 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода;

фиг.11 - диаграмма алгоритма регулирования образования тепла и водорода;

фиг.12 - диаграмма алгоритма регулирования для ограничения роста температуры катализатора.

На фиг.1 представлен общий вид устройства 1 для генерирования тепла и водорода. Это устройство 1 для генерирования тепла и водорода в целом имеет цилиндрическую форму. На фиг.1 позицией 2 обозначен цилиндрический корпус устройства 1 для генерирования тепла и водорода, позицией 3 - камера горения горелки, сформированная в корпусе 2, позицией 4 - катализатор риформинга, расположенный в корпусе 2, и позицией 5 - камера выпуска газа, сформированная в корпусе. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, катализатор 4 риформинга расположен в центре корпуса 2 в продольном направлении, камера 3 горения горелки расположена в одной концевой части корпуса 2 в продольном направлении, и камера 5 выпуска газа расположена в другой концевой части корпуса 2 в продольном направлении. Как показано на фиг.1, в данном варианте осуществления вся внешняя поверхность корпуса 2 покрыта теплоизоляционным материалом 6.

Как показано на фиг.1, горелка 7, снабженная топливным инжектором 8, расположена в одной концевой части камеры 3 горения горелки. Конец топливного инжектора 8 расположен в камере 3 горения горелки, и отверстие 9 впрыска топлива сформировано на конце топливного инжектора 8. Кроме того, воздушная камера 10 сформирована вокруг топливного инжектора 8, и отверстие 11 подачи воздуха для эжектирования воздуха в воздушной камере 10 внутрь камеры 3 горения горелки сформировано вокруг конца топливного инжектора 8. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, топливный инжектор 8 соединен с топливным баком 12, и топливо, находящееся внутри топливного бака 12, инжектируется из отверстия 9 впрыска топлива топливного инжектора 8. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, это топливо состоит из дизельного топлива.

Воздушная камера 10 соединена с одной стороны, через канал 13 высокотемпературного воздушного потока, с воздушным насосом 15 с возможностью регулирования скорости нагнетания, и соединена с другой стороны, через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, с воздушным насосом 15 с возможностью регулирования скорости нагнетания. Как показано на фиг.1, высокотемпературный воздушный клапан 16 и низкотемпературный воздушный клапан 17 расположены в канале 13 высокотемпературного воздушного потока и в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, соответственно. Кроме того, как показано на фиг.1, канал 13 высокотемпературного воздушного потока оснащен теплообменным элементом, расположенным в камере 5 выпуска газа. Этот теплообменный элемент схематически показан на фиг.1 ссылочной позицией 13a. Следует отметить, что данный теплообменный элемент может быть сформирован после катализатора 4 риформинга по окружности корпуса 2, ограничивающего камеру 5 выпуска газа. Таким образом, предпочтительно, чтобы этот теплообменный элемент 13а был расположен или сформирован по месту, где осуществляется теплообмен с использованием тепла высокотемпературного газа, выходящего из камеры 5 выпуска газа. С другой стороны, канал 14 для низкотемпературного воздушного потока не имеет теплообменного элемента 13а, осуществляющего теплообмен с использованием тепла высокотемпературного газа, выходящего из камеры 5 выпуска газа по этому пути.

Если высокотемпературный воздушный клапан 16 открывают и низкотемпературный воздушный клапан 17 закрыт, - наружный воздух подается через воздухоочиститель 18, воздушный насос 15, канал 13 высокотемпературного воздушного потока и воздушную камеру 10 в камеру 3 горения горелки из отверстия 11 подачи воздуха. В это время наружный воздух, т.е. воздух, направляется в теплообменную часть 13а. В противоположность этому, если низкотемпературный воздушный клапан 17 открывают и высокотемпературный воздушный клапан 16 закрыт, - наружный воздух, т.е. воздух, подается через воздухоочиститель 18, воздушный насос 15, канал 14 низкотемпературного воздушного потока и воздушную камеру 10 из отверстия 11 подачи воздуха. Таким образом, высокотемпературный воздушный клапан 16 и низкотемпературный воздушный клапан 17 образуют переключающее устройство, способное переключать канал воздушного потока для подачи воздуха через воздушную камеру 10 в отверстие 11 подачи воздуха между каналом 13 высокотемпературного воздушного потока и каналом 14 низкотемпературного воздушного потока.

В то же время устройство 19 зажигания расположено в камере 3 горения горелки. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, это устройство 19 зажигания состоит из запальной свечи. Эта запальная свеча 19 соединена через переключатель 20 с источником 21 питания. С другой стороны, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, катализатор 4 риформинга состоит из окисляющей части 4a и части 4b риформинга. В примере, показанном на фиг.1, подложка катализатора 4 риформинга состоит из цеолита. На эту подложку в окислительной части 4а нанесен в основном палладий Pd, в то время как в части 4b риформинга нанесен главным образом родий Rh. Кроме того, температурный датчик 22 для определения температуры торцевой поверхности стороны входа окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга расположен в камере 3 горения горелки, и температурный датчик 23 для определения температуры торцевой поверхности стороны выпуска части 4b риформинга катализатора 4 риформинга расположен в камере 5 выпуска газа. Кроме того, температурный датчик 24 для определения температуры воздуха, проходящего в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, расположен в канале 14 низкотемпературного воздушного потока, находящемся снаружи теплоизолирующего материала 6.

Как показано на фиг.1, устройство 1 для генерирования тепла и водорода снабжено электронным блоком 30 управления. Данный электронный блок 30 управления состоит из цифрового компьютера, оснащенного, как показано на фиг.1, ПЗУ (постоянным запоминающим устройством) 32, ОЗУ (оперативным запоминающим устройством) 33, ЦП (микропроцессором) 34, портом 35 ввода и портом 36 вывода, которые связаны друг с другом посредством двунаправленной шины 31. Выходные сигналы температурных датчиков 22, 23 и 24 вводятся через соответствующие АЦП 37 в порт 35 ввода, соответственно. Кроме того, выходной сигнал, показывающий значение сопротивления запальной свечи 19, вводится через соответствующий АЦП 37 в порт 35 ввода. Кроме того, различные команды из блока 39 генерирования команд, создающего различные типы команд, вводятся в порт 35 ввода.

С другой стороны, порт 36 вывода соединен через соответствующие управляющие схемы 38 с топливными инжекторами 8, высокотемпературным воздушным клапаном 16, низкотемпературным воздушным клапаном 17 и переключателем 20. Кроме того, порт 36 вывода соединен с управляющей схемой 40 насоса, регулирующей скорость нагнетания воздушного насоса 15. Производительность воздушного насоса 15 регулируется данной управляющей схемой 40 насоса для достижения заданного значения производительности, которое выводится в порт 36 вывода.

Во время начала работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода, топливо впрыскиваемое из горелки 7, воспламеняется с помощью запальной свечи 19. Благодаря этому, топливо и воздух, которые подаются из горелки 7, вступают в реакцию в камере 3 горения горелки, и в результате этого начинается горение горелки. Если горение горелки начинается, температура катализатора 4 риформинга постепенно повышается. В этот момент времени горение горелки осуществляется при обедненном воздушно-топливном отношении. Далее, если температура катализатора 4 риформинга достигает температуры, при которой возможен риформинг топлива, воздушно-топливное отношение переключается с обедненного воздушно-топливного отношения на обогащенное воздушно-топливное отношение, и процесс риформинга топлива на катализаторе 4 риформинга начинается. Если процесс риформинга топлива начинается, - вырабатывается водород, и высокотемпературный газ, содержащий образованный водород, выпускается из отверстия 25 для выпуска газа камеры 5 выпуска газа.

Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения устройство 1 для генерирования тепла и водорода снабжено камерой 3 горения горелки, горелкой 7, расположенной в камере 3 горения горелки для осуществления горения горелки, устройством подачи топлива, способным регулировать количество подачи топлива, подаваемого из горелки 7 в камеру 3 горения горелки, устройством подачи воздуха, способным регулировать температуру и количество подачи воздуха, подаваемого из горелки 7 в камеру 3 горения горелки, устройством 19 зажигания для обеспечения воспламенения топлива, катализатором 4 риформинга, к которому подаются газообразные продукты горения горелки, и электронным блоком 30 управления, при этом устройство подачи воздуха снабжено теплообменным элементом 13а для нагревания воздуха, подаваемого из горелки 7 в камеру 3 горения горелки, с помощью газообразных продуктов горения горелки.

В этом случае в варианте осуществления настоящего изобретения топливный инжектор 8 образует указанное выше устройство подачи топлива. Воздушная камера 10, отверстие 11 подачи воздуха, канал 13 высокотемпературного воздушного потока, теплообменный элемент 13a, канал 14 низкотемпературного воздушного потока, воздушный насос 15, высокотемпературный воздушный клапан 16 и низкотемпературный воздушный клапан 17 образуют указанное выше устройство подачи воздуха. Кроме того, в варианте осуществления настоящего изобретения тепло и водород образуются в процессе горения горелки в устройстве 1 для генерирования тепла и водорода.

Водород, образованный с помощью устройства 1 для генерирования тепла и водорода, используется, например, для прогрева катализатора очистки выхлопных газов транспортного средства. В этом случае устройство 1 для генерирования тепла и водорода, например, расположено внутри моторного отсека транспортного средства. Разумеется, водород, вырабатываемый устройством 1 для генерирования тепла и водорода, используется и для разных других применений. В любом случае, в устройстве 1 для генерирования тепла и водорода, водород вырабатывается путем риформинга топлива. Поэтому, сначала, со ссылкой на фиг.2, будут объяснены реакции риформинга в случае использования в качестве топлива дизельного топлива.

Позиции (а)-(с) на фиг.2 показывают формулу реакции, когда осуществляется реакция полного окисления, формулу реакции, когда осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, и формулу реакции, когда осуществляется реакция парового риформинга, соответственно, в случае использования в качестве топлива обычно используемого дизельного топлива. Следует отметить, что теплотворная способность ΔH⁰ в формулах реакции представлена низшей теплотворной способностью (LHV). Итак, как следует из (b) и (с) на фиг.2, существует два способа генерирования водорода из дизельного топлива: способ осуществления реакции риформинга с частичным окислением и способ осуществления реакции парового риформинга. Реакция парового риформинга представляет собой способ добавления водяного пара в дизельное топливо и, как следует из (с) на фиг.2, данная реакция парового риформинга является эндотермической реакцией. Поэтому, чтобы вызвать реакцию парового риформинга, необходимо добавить тепло извне. В крупномасштабных установках для генерирования водорода, обычно, чтобы повысить эффективность образования водорода, в дополнение к реакции риформинга с частичным окислением применяется реакция парового риформинга, в которой образующееся тепло не сбрасывается, но используется для генерирования водорода.

В противоположность этому в настоящем изобретении для образования водорода и тепла реакция парового риформинга, использующая образованное тепло для генерирования водорода, не используется. В настоящем изобретении для генерирования водорода используется только реакция риформинга с частичным окислением. Эта реакция риформинга с частичным окислением, как следует из (b) на фиг.2, является экзотермической реакцией. Соответственно, реакция риформинга протекает за счет собственного образованного тепла, даже без добавления тепла извне, и вырабатывается водород. В данном случае, как показано с помощью формулы реакции риформинга с частичным окислением в позиции (b) на фиг.2, реакция риформинга с частичным окислением осуществляется с помощью обогащенного воздушно-топливного отношения, когда молярное отношение O₂/С, иллюстрирующее соотношение воздуха и топлива, которые вступают в реакцию, составляет 0,5. При этом образуются CO и H₂.

На фиг.3 показана зависимость между равновесной температурой ТВ реакции, когда воздух и топливо вступают в реакцию в катализаторе риформинга и достигается равновесие, и молярным отношением O₂/C воздушно-топливной смеси. Следует отметить, что сплошная линия на фиг.3 показывает теоретическое значение, когда температура воздуха равна 25°С. Как показано сплошной линией на фиг. 3, когда реакция риформинга с частичным окислением осуществляется при обогащенном воздушно-топливном отношении, т.е. при молярном отношении О₂/С=0,5, равновесная температура ТВ реакции составляет практически 830°C. Следует отметить, что фактическая равновесная температура ТВ реакции в данном случае становится немного ниже 830°C, но ниже равновесная температура ТВ реакции будет описана для варианта осуществления по настоящему изобретению как значение, показанное сплошной линией на фиг.3.

С другой стороны, как следует из формулы реакции полного окисления, показанной позицией (а) на фиг.2, когда молярное отношение O₂/C=1,4575, воздушно-топливное отношение становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Как показано на фиг.3, равновесная температура ТВ реакции становится наиболее высокой, когда воздушно-топливное отношение становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Когда молярное отношение О₂/С находится между 0,5 и 1,4575, частично осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, в тоже время частично осуществляется реакция полного окисления. В этом случае, чем больше молярное отношение О₂/С, тем больше отношение, при котором осуществляется реакция полного окисления, по сравнению с отношением, при котором осуществляется реакция риформинга с частичным окислением, поэтому чем больше молярное отношение O₂/C, тем выше равновесная температура ТВ реакции.

С другой стороны, на фиг.4 показана зависимость между числом молекул (H₂ и CO), образованных на один атом углерода, и молярным отношением O₂/С. Как было объяснено выше, чем больше молярное отношение О₂/С превышает 0,5, тем меньше отношение, при котором осуществляется реакция риформинга с частичным окислением. Таким образом, как показано на фиг. 4, чем больше молярное отношение О₂/С превышает 0,5, тем меньше образование Н₂ и СО. Следует отметить, что, хотя это и не показано на фиг.4, если молярное отношение О₂/С становится больше, чем 0,5, за счет реакции полного окисления, показанной позицией (а) на фиг.2, образованные количества СО₂ и Н₂О увеличиваются. В этой связи, на фиг.4 показаны образованные количества Н₂ и СО, если предположить, что реакция конверсии водяного газа, показанная на фиг.2(d), не происходит. Однако, в действительности, реакция конверсии водяного газа, показанная позицией (d) фиг.2, происходит за счет СО, образованного при реакции риформинга с частичным окислением, и H₂O, образованной при реакции полного окисления, и водород образуется также и за счет этой реакции конверсии водяного газа.

Итак, как пояснено выше, чем больше молярное отношение О₂/С превышает 0,5, тем меньше образованные количества Н₂ и СО. С другой стороны, как показано на фиг.4, если молярное отношение О₂/С становится меньше 0,5, избыточный углерод С, который не способен вступать в реакцию, возрастает. Этот избыточный углерод C осаждается в порах подложки катализатора риформинга, то есть происходит коксование. Если происходит коксование, способность осуществления риформинга катализатором риформинга заметно падает. Поэтому, чтобы избежать коксования, молярное отношение О₂/С необходимо поддерживать на уровне не ниже 0,5. Далее, как следует из фиг.4, в диапазоне, где не происходит образования избыточного углерода, образованное количество водорода становится наибольшим, когда молярное отношение О₂/С составляет 0,5. Следовательно, в варианте осуществления настоящего изобретения, когда реакция риформинга с частичным окислением осуществляется для образования водорода, чтобы избежать закоксовывания и предоставить возможность водороду образовываться наиболее эффективно, молярное отношение O₂/C принципиально поддерживают на уровне 0,5.

С другой стороны, даже если молярное отношение О₂/С установлено шире, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение с величиной молярного отношения О₂/С=1,4575, осуществляется реакция полного окисления, однако, чем шире становится молярное отношение O₂/C, тем большее количество воздуха должно иметь повышенную температуру. Соответственно, как показано на фиг.3, если молярное отношение О₂/С становится больше, чем молярное отношение O₂/C=1,4575, характеризующее стехиометрическое воздушно-топливное отношение, то чем больше становится молярное отношение О₂/С, тем больше равновесная температура ТВ реакции будет падать. В этом случае, например, если молярное отношение О₂/С установлено на уровне обедненного воздушно-топливного отношения, равного 2,6, когда температура воздуха составляет 25°C, равновесная температура ТВ реакции становится равной примерно 920°C.

Итак, как пояснено выше, во время начала работы устройства 1 для генерирования тепла и водорода, показанного на фиг.1, топливо, впрыскиваемое из горелки 7, воспламеняется с помощью запальной свечи 19. Благодаря этому, внутри камеры 3 горения горелки топливо и воздух, инжектированные из горелки 7, вступают в реакцию, в результате чего начинается горение горелки. Если горение горелки начинается, температура катализатора 4 риформинга постепенно повышается. В этот момент времени горение горелки осуществляется при обедненном воздушно-топливном отношении. Затем, если температура катализатора 4 риформинга достигает температуры, при которой возможен риформинг топлива, воздушно-топливное отношение переключается с обедненного воздушно-топливного отношения на обогащенное воздушно-топливное отношение, и процесс риформинга топлива на катализаторе 4 риформинга начинается. Если процесс риформинга топлива начался, - образуется водород. На фиг.5 показано распределение температуры внутри окисляющей части 4a и части 4b риформинга катализатора 4 риформинга, когда реакция на катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния. Следует отметить, что на фиг.5 показано распределение температуры в случае, когда температура наружного воздуха составляет 25°C, и этот наружный воздух подается через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, показанный на фиг.1, из горелки 7 внутрь камеры 3 горения горелки.

Сплошная линия на фиг.5 показывает распределение температуры внутри катализатора 4 риформинга, когда молярное отношение O₂/C воздуха и топлива, подаваемых из горелки 7, равно 0,5. Как показано на фиг.5, в этом случае в окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга температура катализатора 4 риформинга повышается в направлении стороны выпуска благодаря теплоте реакции окисления из-за остающегося кислорода. Примерно тогда, когда газообразные продукты горения проходят внутри окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга во внутреннюю часть 4b риформинга, остающийся кислород в газообразных продуктах горения расходуется, и осуществляется процесс риформинга топлива в части 4b риформинга катализатора 4 риформинга. Данная реакция риформинга является эндотермической реакцией. Поэтому температура внутри катализатора 4 риформинга падает по мере протекания процесса риформинга, то есть к стороне выпуска катализатора 4 риформинга. Температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга в этот момент времени равна 830°C и соответствует равновесной температуре ТВ реакции при молярном отношении O₂/C=0,5, как показано на фиг.3.

С другой стороны, на фиг.5 пунктирной линией показано распределение температуры внутри катализатора 4 риформинга, когда молярное отношение O₂/C воздуха и топлива, подаваемых из горелки 7, соответствует обедненному воздушно-топливному отношению 2,6. В этом случае также температура внутри катализатора 4 риформинга повышается в направлении стороны выпуска катализатора 4 риформинга благодаря теплоте реакции окисления топлива внутри окисляющей части 4a катализатора 4 риформинга. С другой стороны, в этом случае процесс риформинга не осуществляется внутри части 4b риформинга катализатора 4 риформинга, благодаря чему температура катализатора 4 риформинга сохраняется постоянной в части 4b риформинга. Температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга в этот момент времени равна 920°C и соответствует равновесной температуре ТВ реакции при молярном отношении O₂/C=2,6, как показано на фиг.3. Таким образом, равновесная температура ТВ реакции на фиг.3 показывает температуру торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга, когда температура наружного воздуха составляет 25°C, и этот наружный воздух подается через канал 14 низкотемпературного воздушного потока, показанный на фиг.1, из горелки 7 внутрь камеры 3 горения горелки.

Далее, со ссылкой на фиг.6 будет пояснена равновесная температура ТВ реакции при изменении температуры воздуха, реагирующего с топливом в катализаторе риформинга. На фиг.6, как и на фиг.3, показана зависимость между равновесной температурой ТВ реакции, когда воздух и топливо вступают в реакцию на катализаторе риформинга при достижении равновесия, и молярным отношением O₂/C воздушно-топливной смеси. Следует отметить, что на фиг.6 аббревиатура ТА обозначает температуру воздуха. На данной фиг.6 зависимость между равновесной температурой ТВ реакции и молярным отношением O₂/С, показанная на фиг.3 сплошной линией, снова показана сплошной линией. На фиг.6 пунктирными линиями также показаны зависимости между равновесной температурой ТВ реакции и молярным отношением O₂/C при изменении температуры ТА воздуха до 225°C, 425°C и 625°C. Из фиг.6 следует, что равновесная температура ТВ реакции становится выше в целом, независимо от молярного отношения О₂/С при повышении температуры ТА воздуха.

С другой стороны, подтверждается, что катализатор 4 риформинга, используемый в варианте осуществления настоящего изобретения, не сильно ухудшается из-за высокой температуры, если температура катализатора составляет 950°C или менее. Таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения, 950°C является допустимой температурой TX катализатора, позволяющей избежать термической деградации катализатора 4 риформинга. Эта допустимая температура ТХ катализатора показана на фиг.3, фиг.5 и фиг.6. Как видно из фиг.5, когда температура ТА воздуха равна 25°C, если молярное отношение O₂/C равно 0,5 или молярное отношение O₂/C равно 2,6, - температура катализатора 4 риформинга при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния становится допустимой температурой ТХ катализатора на всех участках катализатора 4 риформинга. Соответственно, в этом случае можно продолжать использовать катализатор 4 риформинга, не опасаясь термической деградации на практике.

С другой стороны, как следует из фиг.3, даже в том случае, когда температура ТА воздуха равна 25°C, если молярное отношение О₂/С становится немного выше 0,5, температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга, при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния, т.е. равновесной температуры ТВ реакции, будет в конечном счете превышать допустимую температуру ТХ катализатора. Если молярное отношение О₂/С становится немного ниже 2,6, - температура торцевой поверхности стороны выхода катализатора 4 риформинга, при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния, будет в конечном счете превышать допустимую температуру ТХ катализатора.

Поэтому, например, когда реакция в катализаторе 4 риформинга находится в равновесном состоянии, когда происходит реакция риформинга с частичным окислением, молярное отношение О₂/С может быть больше 0,5, однако возможный диапазон расширения молярного отношения O₂/C ограничен.

С другой стороны, как следует из фиг.6, если температура ТА воздуха становится более высокой, когда реакция в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, даже если молярное отношение O₂/C составляет 0,5, - температура торцевой поверхности стороны выпуска катализатора 4 риформинга при достижении реакцией в катализаторе 4 риформинга равновесного состояния становится выше, чем допустимая температура ТХ катализатора, и, соответственно, катализатор 4 риформинга будет ухудшаться из-за теплоты. Таким образом, когда температура ТА воздуха становится высокой, если реакция в катализаторе 4 риформинга достигает равновесного состояния, - молярное отношение O₂/C не может быть установлено равным 0,5. Таким образом, в варианте осуществления настоящего