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发动机系统和操作发动机的方法

阅读：1047发布：2020-06-04

专利汇可以提供发动机系统和操作发动机的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的一个实施方案为用于操作发动机的独特方法。另一个实施方案为独特的发动机系统。其它实施方案包括用于发动机与发动机系统的设备、系统、装置、硬件、方法和组合。本申请的其它实施方案、形式、特征、方面、益处和优点将由在此提供的说明书和附图变得显而易见。，下面是发动机系统和操作发动机的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种操作发动机的方法，其包含：
向所述发动机的燃烧室提供燃料；
使用所述燃料起动所述发动机；
不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；
起动重整器，其中将所述重整器配置用于使用所述氧化剂重整至少一些所述燃料；
将供应燃料到所述燃烧室转换为供应经重整的燃料；和
提供仅经重整的燃料到所述燃烧室，
其中所述发动机包括氧化剂系统，所述氧化剂系统配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
2.权利要求1的方法，其中所述燃烧室为预燃烧室。
3.权利要求1的方法，其中所述转换在所述重整器已经达到催化自燃温度后进行。
4.权利要求1的方法，其中所述发动机为内燃机。
5.权利要求1的方法，其中所述燃料为天然气。
6.权利要求1的方法，其中所述重整器为催化部分氧化重整器。
7.一种操作发动机的方法，其包含：
不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；
操作重整器以使用所述氧化剂重整燃料以供应经重整的燃料；
在发动机运行期间，将所述经重整的燃料的第一部分供应到所述发动机的燃烧室；
将所述经重整的燃料的第二部分排出；其中所述第一部分和所述第二部分以第一比率供应到相应的燃烧室和排出位置；
改变发动机操作条件；和
将所述第一部分和所述第二部分以第二比率供应到相应的燃烧室和排出位置，与所述发动机操作条件的变化相对应，
其中所述发动机包括氧化剂系统，所述氧化剂系统配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
8.权利要求7的方法，其中所述燃烧室为预燃烧室。
9.权利要求7的方法，其中所述发动机为内燃机。
10.权利要求7的方法，其中所述燃料为天然气。
11.权利要求7的方法，其中在所选发动机操作点处或以上，不将经重整的燃料供应到所述排出位置。
12.权利要求11的方法，其中所述所选发动机操作点为最大功率操作点。
13.权利要求7的方法，其中所述重整器为催化部分氧化重整器。
14.一种发动机系统，其包含：
发动机；
氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；
与所述氧化剂系统和燃料源流体连通的重整器，其中将所述重整器配置用于接收所述氧化剂和从所述燃料源接收的燃料，并重整所述燃料；
与所述重整器流体连通的冷却器，其配置用于降低所述重整器的经重整燃料输出的温度；和
与所述冷却器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将所述燃烧室配置用于从所述冷却器接收所述冷却的经重整燃料，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
15.权利要求14的发动机系统，其中所述重整器为催化部分氧化重整器。
16.权利要求14的发动机系统，其中所述燃烧室为预燃烧室。
17.权利要求14的发动机系统，其中所述发动机为活塞式发动机。
18.权利要求14的发动机系统，其进一步包含压缩机，所述压缩机配置用于将所述经重整燃料的压力提高到所述燃烧室的压力以上。
19.权利要求14的发动机系统，其进一步包含发动机空气入口和在所述重整器和所述空气入口之间流体连通的阀，其中将所述阀配置用于通过排出所述经重整燃料的一部分到所述空气入口来控制所述经重整燃料到所述燃烧室的流量。
20.权利要求19的发动机系统，其中将所述阀配置用于提高所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出减少相对应；且其中将所述阀配置用于减少所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出增加相对应。
21.权利要求14的发动机系统，其进一步包含阀，所述阀配置用于控制供应到所述重整器的燃料的量。
22.权利要求20的发动机系统，其进一步包含温度传感器，所述温度传感器配置用于感测离开所述重整器的经重整燃料的温度，其中将所述阀配置用于根据离开所述重整器的经重整燃料的温度来控制供应的燃料的量。
23.权利要求14的发动机系统，其进一步包含阀系统，所述阀系统配置用于在以下之间转换：供应到所述燃烧室的100%未重整燃料和0%经重整燃料与供应到所述燃烧室的0%未重整燃料和100%经重整燃料。
24.权利要求14的发动机系统，其中所述重整器包括催化剂，还包含加热系统，所述加热系统配置用于在所述发动机起动之前、期间或之后加热所述催化剂到催化自燃温度。
25.一种发动机系统，其包含：
发动机；
氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；
重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；
与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内；和
阀系统，其配置用于在以下之间转换：供应到所述燃烧室的100%未重整燃料和0%经重整燃料与供应到所述燃烧室的0%未重整燃料和100%经重整燃料，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
26.一种发动机系统，其包含：
发动机；
氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；
重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；
与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内；
发动机空气入口；和
在所述重整器和所述空气入口之间流体连通的阀，其中将所述阀配置用于通过排出所述经重整燃料的一部分来控制所述经重整燃料到所述燃烧室的流量，和所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
27.权利要求26的发动机系统，其中将所述阀配置用于提高所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出减少相对应；且其中将所述阀配置用于减少所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出增加相对应。
28.权利要求26的发动机系统，其中将所述阀配置用于转换至所述经重整燃料的零排出流量。
29.一种发动机系统，其包含：
发动机；
氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；
重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；和与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
30.权利要求29的发动机系统，其中所述燃烧室为预燃烧室。
31.权利要求29的发动机系统，其进一步包含阀，所述阀配置用于控制所述重整器的操作压力。
32.一种操作发动机的方法，其包含：
不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；
操作重整器，其中将所述重整器配置用于使用所述氧化剂重整燃料；和将经重整的燃料从所述重整器提供到燃烧室，
其中所述发动机包括氧化剂系统，所述氧化剂系统配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂，和
所述氧化剂是通过从空气除去氮提供的富氧空气。
33.权利要求32的方法，其中所述燃烧室为预燃烧室。

说明书全文

发动机系统和操作发动机的方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是以下的部分连续案：题为“Apparatus For Generating A Gas Which May Be Used For Startup And Shutdown Of A Fuel Cell (产生可用于燃料电池起动和停机的气体的设备)”、提交于2009年9月4日的美国专利申请号12/554460，和题为“Method For Generating A Gas Which May Be Used For Startup And Shutdown Of A Fuel Cell (产生可用于燃料电池起动和停机的气体的方法)”、提交于2009年9月4日的美国专利申请号12/554039，题为“Engine Systems and Methods of Operating an Engine (发动机系统和操作发动机的方法)”、提交于2011年6月30日的美国专利申请号13/173787，题为“Reducing Gas Generators and Methods for Generating a Reducing Gas (还原性气体发生器和用于产生还原性气体的方法)”、提交于2011年6月30日的美国专利申请号13/174044，和题为“Reducing Gas Generators and Methods for Generating a Reducing Gas (还原性气体发生器和用于产生还原性气体的方法)”、提交于2011年6月30日的美国专利申请号13/174670，其中每一个通过引用并入本文。

[0003] 专利中的政府权利

[0004] 本发明在政府支持下，在能源部(the Department of Energy)授予的DE-FC26-08NT01911下完成。政府在本发明中具有一定的权利。
发明领域

[0005] 本发明涉及发动机，更特别是用经重整的燃料供应的发动机，和操作这些发动机的方法。

[0006] 背景

[0007] 有效使用经重整燃料的发动机系统仍然是受关注的领域。一些现有的系统相对于某些应用具有各种不足、缺陷和缺点。因此，仍需要在该领域中进一步的技术成果。

[0008] 概述

[0009] 本发明的一个实施方案为操作发动机的独特方法。另一个实施方案为独特的发动机系统。其它实施方案包括设备、系统、装置、硬件、方法和发动机与发动机系统的组合。本申请的其它实施方案、形式、特征、方面、益处和优点由在此提供的说明书与附图变得显而易见。

[0010] 附图简述

[0011] 本文描述参考附图，其中相似的附图标记指代相似的部分，遍及所述数个附图，其中：

[0012] 图1示意性地描述了根据本发明实施方案的燃料电池系统。

[0013] 图2更详细地示意性描述了图1的燃料电池系统，包括根据本发明实施方案的还原性气体发生器。

[0014] 图3A-3D为流程图，描述了使用根据本发明实施方案的还原性气体发生器的燃料电池的起动和停机方法。

[0015] 图4为曲线图，描述了在根据本发明实施方案的还原性气体发生器的催化反应器中的催化转化参数。

[0016] 图5说明在恒定甲烷转化率下，相对于氧百分比绘制的经重整气体中的可燃物含量。

[0017] 图6示意性说明根据本发明实施方案的氧化剂系统的非限制性实例的一些方面。

[0018] 图7示意性说明根据本发明实施方案的还原性气体发生器的非限制性实例的一些方面。

[0019] 图8示意性说明根据本发明实施方案的发动机系统的非限制性实例的一些方面。

[0020] 详述

[0021] 为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图说明的实施方案，并用具体语言描述所述实施方案。但是应理解本发明的某些实施方案的说明和描述不旨在限制本发明的范围。此外，说明和/或描述的实施方案的任何改变和/或修改预期在本发明的范围内。此外，如本文所说明和/或描述的，如本发明所属领域技术人员通常想到的，本发明的原理的任何其它应用预期在本发明的范围内。

[0022] 现在参考附图，特别是图1，描述了根据本发明实施方案的燃料电池系统10的示意图。燃料电池系统10包括一个或多个燃料电池12，且包括还原性气体发生器14。将燃料电池系统10配置用于提供能源到电负载16，例如经由电力线路18。在本实施方案中，燃料电池12为固体氧化物燃料电池（SOFC），但是应理解本发明可等价应用到其它燃料电池类型，例如碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和质子交换膜(PEM)燃料电池。在本实施方案中，燃料电池系统10适合但不限于在采用高压进料流的燃料电池涡轮混合系统中使用。

[0023] 将本实施方案的还原性气体发生器14配置用于产生还原性气体，该还原性气体的可燃物含量（其主要为氢-H2和一氧化碳-CO）可在约3%可燃物含量-约45%可燃物含量的组成范围内变化。在其它实施方案中，可使用不同的组成范围，例如在一些实施方案中约2%可燃物含量-约50%可燃物含量的范围，和在其它实施方案中约1%可燃物含量-约60%可燃物含量的范围。如下所述，本实施方案的还原性气体发生器14适合于产生还原性气体形式的起始气体，具有的主要作用为在燃料电池12的起动期间保护燃料电池12的阳极免受氧化，例如，在发电之前的系统加热期间。当发电开始时，还原性气体就转换为关闭。

[0024] 在图1的实施方案中，描述了本发明实施方案的方面的多个特征、组件和它们之间的相互关系。然而，本发明不限于图1的具体实施方案以及在图1中说明和本文描述的组件、特征和它们之间的相互关系。例如，本发明包括的其它实施方案，通过经由本发明附图和详述在本文明确和暗示地描述并在权利要求中阐述的原理来表明的本发明，可包括更多或更少数量的组件、特征和/或它们之间的相互关系，和/或可使用不同的组件和/或具有相同和/或不同性质的特征和/或它们之间的相互关系，其可用于执行相对于图1说明的与本文描述的那些类似和/或不同的功能。

[0025] 现在参考图2，更详细地描述了燃料电池12和还原性气体发生器14。燃料电池12包括以下每个的至少之一：阳极20、电解质22、阴极24和重整器26。阳极20、电解质22和阴极24被认为是燃料电池12的部分。重整器26为内部蒸汽重整器，其接受作为再循环燃料电池产物气体流的成分的蒸汽，和来自燃料电池12电化学反应的用于运行的热量。还原性气体发生器14不是燃料电池12的一部分，而是配置用于产生用于燃料电池12起动和停机的气体。

[0026] 阳极20经由电力线路18电偶联至电负载16，而阴极24也经由其它电力线路18电偶联至电负载16。电解质22布置于阳极20和阴极24之间。阳极20和阴极24为导电的，且能渗透氧，例如氧离子。将电解质22配置用于通过氧离子，且具有极小或没有电导率，例如，以便阻止自由电子从阴极24通到阳极20。

[0027] 重整器26偶联至阳极20，且配置用于接收燃料和氧化剂并用于将所述燃料/氧化剂混合物重整为合成气体(合成气)，所述合成气主要由以下组成：氢(H2)、一氧化碳(CO)以及其它重整器副产物例如蒸汽形式的水蒸汽，和其它气体例如氮和二氧化碳(CO2)、甲烷逸出(CH4)以及痕量的烃逸出。在本实施方案中，燃料电池12在正常操作期间（即在供应电力到电负载16的电力生产模式下）使用的氧化剂为空气，而所述燃料为天然气，但是应理解在不偏离本发明的范围下可使用其它氧化剂和/或燃料。

[0028] 在阳极20内，在与通过穿过电解质22迁移从阴极24接收的氧离子的电化学反应中氧化合成气。电化学反应在阳极上产生水蒸汽和自由电子形式的电，其用于驱动电负载16。使用从电负载16返回到阴极24内的电子，经由阴极氧化剂的还原产生氧离子。

[0029] 一旦燃料电池12起动，内部过程保持正常发电操作所需要的温度。然而，为了起动燃料电池，必须加热主要燃料电池系统组件，包括阳极20、电解质22、阴极24和重整器26。

[0030] 此外，一些燃料电池12组件可受保护免遭起动期间的损害，例如由于氧化。例如，在氧存在下，在高于环境但低于燃料电池12的正常操作温度的温度下，不存在合成气，阳极20可经受氧化性损害。此外，在燃料电池12起动期间，除了提供热量以外，重整器26可需要特定的化学物质，例如蒸汽形式的H2O，以使产生合成气体的催化反应开始。此外，期望燃料电池12以安全方式起动，例如，以便在起动过程期间阻止可燃混合物形成。因此，可期望当阳极20的温度增加时，在初始的起动期间用不可燃的还原性气体吹扫阳极20。在一个方面中，还原性气体发生器14的特征为使得还原性气体的可燃物被充分稀释，以防止与空气混合后潜在形成可燃性（即潜在爆炸性）混合物。这在燃料电池12加热的低温部分期间可能是期望的，其中与空气混合的任何可燃物在自燃温度以下，因此，可在包含燃料电池12的容器内潜在地积聚以形成危险量的潜在加压的可燃气体。

[0031] 保护燃料电池12的阳极20免受氧迁移所用的还原性气体浓度可相当高，例如，在本实施方案中最多45%可燃物含量，在其它实施方案中最多50%，和在其它实施方案中最多60%可燃物含量。引起经过燃料电池12的电解质22到达阳极20侧的氧迁移的机制经常与温度有关并包括经过电解质22的氧渗透或由短路电流引起的氧转移。此外，物理泄漏机制可随温度变得恶化，因为材料差别地膨胀。因此，还原性气体发生器14在起动期间提高在高燃料电池12温度下的可燃物含量的能力可对于保护阳极20免受氧化损害特别有用。

[0032] 从安全性观点来看，可在较高温度下在燃料电池12起动期间进入更高的还原浓度，因为如果还原气体在自燃温度以上，则还原性气体与空气的加压体积混合以在燃料电池12内或附近形成可燃混合物的可能性会降低，因为还原性气体在与空气混合后将趋向于立即燃烧。此外，这可阻止可燃混合物的积聚（如果混合物突然接触到燃烧源则其可潜在地爆燃），因为当在自燃温度以上时，任何这种混合物将趋向于立即燃烧而不是积聚大量混合物。

[0033] 因此，在一些实施方案中，可期望以一定方式操作还原性气体发生器14，使得还原性气体为初始弱还原性且比可燃性极限低得多，例如，在本实施方案中3%可燃物含量，但是可使用其它值，例如，在一些实施方案中2%可燃物含量和在其它实施方案中1%可燃物含量或更少。在其它实施方案中，可燃物含量可大于3%。当燃料电池12内（例如，阳极20）的温度条件高到足以保证还原性气体远在它的可燃性下限以上时，可燃物含量可随后变化为强还原性（即，更高可燃物）条件（更高的还原浓度）。例如，在本实施方案中强还原性条件可最多45%可燃物含量，在其它实施方案中最多50%可燃物含量，和在其它实施方案中最多60%可燃物含量或更多，取决于燃料电池12内的条件。对具有更强还原性气体的系统的增加的能量输入可通过减少到燃料电池电源设备的尾气燃烧器（用于如此装备的这些设备）的燃料流来抵消。

[0034] 因此，本发明的实施方案可使用还原性气体发生器14来产生吹扫气体，以吹扫燃料电池12，特别是阴极24的氧化剂，以及产生安全气体，即具有相对低浓度可燃物的弱还原性气体。

[0035] 此外，本发明的实施方案还可使用还原性气体发生器14来产生可变还原浓度的还原性气体。由还原性气体发生器14提供的还原性气体组合物还可配置用于在正常的燃料电池12燃料流流动（例如天然气）开始时，包含足够的蒸汽以启动内部重整器26的运行。因此，从还原性气体发生器14供应到燃料电池12的还原性气体可认为是燃料电池12的电力生产坡道上升时的转换气体。另外，本实施方案的还原性气体发生器14可为能迅速起动的，例如，在燃料电池12停机事件的紧急情况下，用于保护阳极20，例如，通过将还原性气体发生器14的某些部件保持在升高的温度下，以便加快启动产生还原性气体的催化反应。

[0036] 在本实施方案中，如图2所说明，还原性气体发生器14包括燃料系统28、氧化剂系统30、汇合室32和具有催化剂36的催化反应器34。在本实施方案中，燃料系统28和氧化剂系统30的输出在汇合室32内组合并经由催化反应器34引导到燃料电池12，以选择性地提供吹扫气体、安全气体和可变浓度的还原性气体到阳极20和重整器26。

[0037] 在图2描述的实施方案中，描述了本发明实施方案的方面的多个特征、组件和它们之间的相互关系。然而，本发明不限于图2的具体实施方案以及在图2中说明和本文描述的组件、特征和它们之间的相互关系。例如，本发明包括的其它实施方案，通过经由本发明附图和详述在本文明确和暗示地描述并在权利要求中阐述的原理来表明的本发明，可包括更多或更少数量的组件、特征和/或它们之间的相互关系，和/或可使用不同的组件和/或具有相同和/或不同性质的特征和/或它们之间的相互关系，其可用于执行相对于图2说明的与本文描述的那些类似和/或不同的功能。

[0038] 在任何情况下，在图2的实施方案中，燃料系统28包括燃料输入38、压力调节器40、硫捕集吸附剂42、燃料流量控制器44和位置/输出可变的燃料控制阀46。将燃料输入38配置用于接收烃燃料，例如天然气，并用作还原性气体发生器14使用的烃燃料的源。压力调节器40流体偶联至燃料入口38，并调节烃燃料的压力。硫捕集吸附剂42流体偶联至压力调节器
40，并配置用于从接收自压力调节器40的燃料流中捕集硫。燃料流量控制器44和燃料控制阀46偶联至硫捕集吸附剂42的输出，并配置用于控制输送到汇合室32的燃料的量。

[0039] 氧化剂系统30用作用于还原性气体发生器14的氧化剂源，且包括空气入口48、作为加压空气源的空气压缩机50、压力调节器52、具有氮分离膜56的氮发生器54、位置/输出可变的空气控制阀58、空气流量控制器60、位置/输出可变的氧化剂控制阀62、氧化剂流量控制器64和氧传感器66。

[0040] 空气入口48可为能提供空气的任何结构或开口，并流体偶联至压缩从大气接收的环境空气的空气压缩机50。压力调节器52流体偶联至空气压缩机50，并调节输送到还原性气体发生器14的空气压力。空气控制阀58为空气充装系统的部分，其构造用于向从氮发生器54接收的富氮气体中可变地添加空气，以产生具有可变O2含量的氧化剂。

[0041] O2含量可通过氧传感器66感测，其可用于还原性气体发生器14的控制系统以改变供应到汇合室32的氧化剂的O2含量。例如，在正常操作条件下，基于控制温度来控制O2含量，例如在本实施方案中催化剂36的温度，但是在其它实施方案中可使用其它温度，例如，还原性气体发生器14的还原性气体输出的温度。然而，在还原性气体发生器14起动期间，氧传感器66可用于提供反馈，直到温度可用作反馈。具有可变O2含量的氧化剂的量或流量通过氧化剂控制阀62和氧化剂流量控制器64控制。

[0042] 将氮发生器54配置用于产生富氮流，其可用作吹扫气体，而且其还可与空气组合以形成低氧(O2)含量氧化剂流，例如氮稀释的空气流，用于还原性气体发生器14以形成还原性气体。富氮流的纯度可随具体应用的需要而变化，且例如可基本上由氮组成。或者，认为在其它实施方案中，可使用其它气体作为氮的替代或补充，例如氩或氦，用作吹扫气体和/或用作低O2含量氧化剂流的成分，例如，作为空气稀释物（稀释剂）。如本文所用，“低O2含量氧化剂”指在相同压力和温度条件下氧化剂流的氧含量低于大气空气的氧含量。

[0043] 氮发生器54和空气控制阀58并联地流体偶联至压力调节器52，并从空气压缩机50接收加压空气用于还原性气体发生器14操作。氮发生器54具有输出54A，例如，构造用于排出氮发生器54的产物的开口或通路。将氮发生器54构造用于从空气入口48接收空气，从空气提取氧(O2)，和用于从出口排出富氮气体形式的余量。在本实施方案中，将经提取的O2从氮发生器54排出至大气，但是应理解在其它实施方案中，提取的O2可用于涉及燃料电池12和/或还原性气体发生器14的其它目的，例如作为氧化剂流的部分。

[0044] 将氮发生器54的氮分离膜56配置用于从接收自空气入口48的空气中分离出氧，并提供富氮流，然后将所述富氮流与空气控制阀58供应的空气组合以产生低O2含量氧化剂，将所述氧化剂输送至氧化剂控制阀62。氧化剂控制阀62流体偶联至氮发生器54和空气控制阀58两者的输出。氧传感器66，其可为O2分析器的形式，流体偶联至氧化剂控制阀62的下游，并经由将氧传感器66与空气流量控制器60通信偶联的控制线路68提供控制信号。空气流量控制器60提供控制信号到空气控制阀58以根据来自氧传感器66的控制输入而控制加入到富氮流的空气的量。

[0045] 汇合室32与氮发生器54和燃料输入38的输出流体连通，汇合室32构造用于接收和组合烃燃料和富氮气体并将包含燃料和包括富氮气体的氧化剂两者的进料混合物排出到催化反应器34。将催化反应器34构造用于接收进料混合物和用于将进料混合物催化转化成还原性气体。在本实施方案中，汇合室32的形式为将氧化剂流与燃料流连接的简单管道连接，但是在不偏离本发明的范围下，可使用构造用于将氧化剂流与燃料流组合的任何装置。例如，可使用具有旋流叶片来混合所述流的专用混合室。

[0046] 还原性气体发生器14包括具有阀部件70和阀部件72的起始控制阀69；和进料混合物加热器74，其可用于起动产生还原性气体的过程。在一种形式中，阀部件70和72为组合阀部件的部分。阀部件70和72的入口流体偶联至汇合室32的下游。阀部件70的出口流体偶联至催化反应器34，用于向催化反应器34的催化剂36提供进料混合物。阀部件72的出口流体偶联至进料混合物加热器74的入口。在一种形式中，起始控制阀69为三通阀，其操作阀部件70和72以将进入阀69的流直接地或经由进料混合物加热器74引导进入催化反应器34。另外认为可使用其它阀装置，例如一对单独的起始控制阀，来代替具有阀部件70和72的起始控制阀69。

[0047] 进料混合物加热器74包括加热体76和布置为与加热体76邻接的流动盘管78。进料混合物加热器74的出口流体偶联至催化反应器34，用于向催化反应器34的催化剂36提供经加热的进料混合物。在正常操作模式中，阀部件70和72直接引导所有进料混合物到催化反应器34。在起动模式中，将进料混合物引导经过进料混合物加热器74。在一种形式中，将所有进料混合物引导经过进料混合物加热器74，但是在其它实施方案中，可加热较少的量。

[0048] 将进料混合物加热器74配置用于通过加热进料混合物来“点燃”催化反应器34的催化剂36（引发燃料和氧化剂的催化反应），然后将所述进料混合物供应到催化反应器34。在一种形式中，通过进料混合物加热器74将进料混合物加热到高于进料混合物的催化剂的起燃温度的预热温度（催化剂起燃温度为经过催化剂（例如催化剂36）引起反应的温度）。一旦点燃催化剂36，在催化剂36发生的放热反应将催化反应器34的温度保持在受控水平，如下所述。此外，一旦点燃催化剂36，可不必再加热进料混合物，在此情况下，将阀部件70和72布置为将所有进料混合物直接引导至催化反应器34，绕过进料混合物加热器74。

[0049] 为了在燃料电池12突然停机的情况下提供还原性气体的快速供应，在燃料电池12的正常电力生产操作期间将加热体76配置用于连续地保持足以点燃催化剂36的温度。也就是说，虽然在电力生产模式中操作燃料电池12以供应电力到电负载16（这是燃料电池12的正常操作模式），但加热体76保持足以加热进料混合物的预热温度以便能快速点燃催化剂用于起动还原性气体发生器14，使得在停机期间可将还原性气体供应至燃料电池12。

[0050] 此外，将一个或多个催化剂加热器80布置为与催化反应器34邻接，并配置用于加热催化剂36和将催化剂36保持在预热温度下，所述预热温度处于或高于供应到催化反应器34的进料混合物的催化剂的起燃温度。在燃料电池12的正常操作期间，在电力生产模式下，在突然需要还原性气体的情况下，例如在需要燃料电池12停机的情况下，保持该预热温度。

[0051] 在其它实施方案中，另外认为可使用另一个加热器82来代替或补充加热器74和80，例如，在催化反应器34的上游侧邻接布置的加热器82。可使用这样的装置来更直接地向催化剂36供应热量以便在催化反应器34上游部分引发进料混合物的催化反应。

[0052] 在本实施方案中，加热器74、80和82为电加热器，但是，或者认为在其它实施方案中，可使用间接燃烧加热器，作为电加热器的补充或替代。此外，尽管本实施方案使用进料混合物加热器74和加热器80两者来快速点燃催化剂上的进料混合物，但是，或者认为在其它实施方案中，在不偏离本发明的范围下，可使用仅一个这种加热器，或可使用更多数量的加热器。

[0053] 将控制温度传感器84布置为与催化反应器34的催化剂邻接，并构造用于测量催化剂36的温度。在一种形式中，将控制温度传感器84构造用于经由将空气流量控制器60与控制温度传感器84通信偶联的传感线路92提供信号，指示催化剂36的一部分的温度。控制温度为在调节还原性气体发生器14的输出时控制系统96使用的温度。将空气流量控制器60配置用于引导空气控制阀58的操作，基于从控制温度传感器84接收的信号连同从氧传感器66接收的信号。在另一种形式中，为了控制还原性气体发生器14，可感测其它温度。例如，在一个这种实施方案中，通过还原性气体发生器14产生的还原性气体（例如，作为催化反应器34的输出）的温度，可被测量并用作控制温度反馈以引导空气控制阀58的操作。

[0054] 还原性气体可燃物探测传感器86，在本实施方案中其为氢(H2)传感器或H2分析器的形式，其配置用于测定存在于催化反应器34的还原性气体输出中一种或多种可燃物的量，例如，摩尔百分比。在其它实施方案中，还原性气体可燃物探测传感器86可为一氧化碳(CO)传感器或分析器的形式，作为H2传感器/分析器的补充或替代。在任何情况下，控制线路94将燃料流量控制器44与还原性气体可燃物探测传感器86通信偶联。将还原性气体可燃物探测传感器86配置用于将反映还原性气体的可燃物含量的信号供应到燃料流量控制器44。将燃料流量控制器44配置用于控制输送到汇合室32的燃料的量。

[0055] 使用换热器88将催化反应器34的还原性气体输出冷却。在一种形式中，换热器88为间接换热器。在其它实施方案中，可使用其它类型的换热器。在一种形式中，将还原性气体可燃物探测传感器86放置在换热器88的下游。在其它形式中，还原性气体可燃物探测传感器86可放置在其它位置，例如，换热器88的上游或在换热器88之内或安装在其上。

[0056] 通过换热器88下游的背压调节器90保持催化反应器34的压力输出。换热器88将催化反应器34下游的还原性气体的温度保持在适合的水平以阻止对背压调节器90的损害。在一种形式中，使用冷却空气将还原性气体冷却到100℃-150℃。在其它实施方案中，可使用其它适合的流体作为热沉，且可使用其它温度。在一种形式中，控制回路(未显示)可用于通过改变冷却空气或其它冷却流体的流量，控制离开换热器88的还原性气体的温度。

[0057] 还原性气体发生器14的输出流体偶联至催化反应器34，并例如直接地或经由重整器26与阳极20流体连通。在本实施方案中，背压调节器90的输出用作还原性气体输出，并操作用于将还原性气体引导至阳极20和重整器26。“还原性气体输出”为还原性气体发生器14的输出，其将还原性气体发生器14的产物排出到燃料电池12中，而且可为构造用于排出还原性气体发生器14的产物的一个或多个任何开口或通路。

[0058] 燃料流量控制器44、空气流量控制器60和氧化剂流量控制器64形成控制系统96，控制系统96构造用于控制从催化反应器34供应的产物混合物的温度和化学组成，基于氧传感器66（本实施方案中在起动期间）、控制温度传感器84和还原性气体可燃物探测传感器86的信号输出。特别地，空气控制阀58由空气流量控制器60控制，以调节供应到汇合室32的氧化剂流的O2含量，例如，表示为氧化剂流中O2的摩尔百分比的O2的量。氧化剂控制阀62通过氧化剂流量控制器64控制，以调节供应到汇合室32的由富氮气体和空气形成的氧化剂流的流量。燃料控制阀46通过燃料流量控制器44控制，以调节供应到汇合室32的烃燃料的量。

[0059] 因此，在本实施方案中，将控制系统96配置用于控制氧化剂流的氧(O2)含量，还用于控制进料混合物的氧化剂/燃料比率，其由进料混合物中的氧化剂的量与进料混合物中烃燃料的量的比率限定，例如，氧化剂流的质量流速相对于烃燃料流的质量流速。特别地，供应到汇合室32的氧化剂流的O2含量通过空气控制阀58经由空气流量控制器60的输出来控制，基于从氧传感器66接收的信号。此外，供应到催化反应器34的进料混合物的氧化剂/燃料比率分别在燃料流量控制器44和氧化剂流量控制器64的引导下通过燃料控制阀46和氧化剂控制阀62控制。在一种形式中，还原性气体发生器14的还原性气体输出流量通过氧化剂控制阀62控制，例如，包括对进料混合物中燃料的量的抵消或其它补偿，而然后使用燃料控制阀46控制氧化剂/燃料比率。在其它实施方案中，可使用其它控制方案。

[0060] 在本实施方案中，燃料流量控制器44、空气流量控制器60和氧化剂流量控制器64中的每一个都基于微处理器，且执行软件形式的程序指令以进行本文描述的行为。然而，在不偏离本发明的范围下，备选地预期每个这种控制器和相应的程序指令可为软件、固件和硬件的任何组合的形式，并可反映离散装置和/或集成电路的输出，这可共同位于特定位置或分布遍及多于一个位置，包括配置用于获得与执行软件的基于处理器的控制器或基于指令的固件相同或类似结果的任何数字和/或模拟装置。此外,在不偏离本发明的范围下，应理解燃料流量控制器44、空气流量控制器60和氧化剂流量控制器64中的每一个可为单一集成控制系统（例如，微型计算机）的部分。

[0061] 在任何情况下，将控制系统96配置用于执行程序指令，以既使氧化剂流的O2含量变化，也使进料混合物的氧化剂/燃料比率变化，同时保持还原性气体的选定温度以便在期望的流速下获得所选的可燃物含量。流速可变化，例如，取决于具体的应用或操作阶段。控制系统96改变氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂/燃料比率，基于控制温度传感器84、氧传感器66和还原性气体可燃物探测传感器86的输出。

[0062] 在燃料电池12的起动和停机期间可使用还原性气体发生器14，例如，以提供各种还原浓度的还原性气体，包括安全(非可燃)气体形式的还原性气体，且在一些实施方案中，提供无可燃物的吹扫气体。

[0063] 还原性气体由以下产生：将富氮流与经由空气控制阀58供应的空气组合来形成氧化剂流，所述氧化剂刘通过氧化剂控制阀62调节并与经由燃料控制阀46提供的烃燃料组合以形成进料混合物，所述进料混合物在催化反应器34中催化转化为还原性气体。如本文所述，氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂燃料比率通过控制系统96变化，以既调节例如在催化反应器34内的控制温度，还同时控制还原性气体的还原浓度，以在期望的流速下获得所选的可燃物含量。

[0064] 可选择可燃物含量以在燃料电池12起动和停机过程中的不同阶段期间提供适当的还原性气体化学配置。在本实施方案中，将控制系统96构造用于保持控制温度，例如催化剂36的温度，同时改变可燃物含量。例如，还原浓度可从为了形成安全气体的弱还原性（即，低还原浓度）变化为具有更多可燃物含量的高还原浓度。可燃物含量主要为氢(H2)和一氧化碳(CO)形式。

[0065] 在坡道上升至燃料电池12的操作温度期间可将安全气体供应到燃料电池12。在一种形式中，可将还原性气体按安全气体的形式供应到燃料电池12，来将重整器26转换到使用状态。在另一种形式中，当燃料电池12的操作温度（例如，阳极20和重整器26的温度）增加时，可通过增加还原性气体的可燃物含量来增加还原性气体的浓度，这可以从而在较高温度下保护阳极20，否则在该温度下可发生显著量的氧化损害，例如，由于经过电解质22的氧迁移或其它泄漏。此外，当阳极20(和/或重整器26，在一些实施方案中)接近正常操作温度时，还原性气体的可燃物含量可进一步增加以达到一定的可燃物含量水平，其类似于在燃料电池12的正常发电操作期间通过重整器26产生的合成气体的可燃物含量水平，这可帮助引发阳极20的正常的电能生产反应。在供应到重整器26的实施方案中，这可帮助引发重整器26的正常操作催化反应。

[0066] 关于吹扫气体，在一些实施方案中，可通过氮发生器54产生不可燃的吹扫气体，形式为富氮流，例如，主要由氮组成，其可经由背压调节器90供应到燃料电池12，但是可备选地使用将氮发生器54的输出引导到燃料电池12的其它管道方案。在一种形式中，吹扫气体可供应到燃料电池12，例如，以吹扫一个或多个阴极24和/或其它燃料电池12的组件，例如，当期望燃料电池12冷起动时。在另一种形式中，以在维护之前可将吹扫气体供应到燃料电池12以吹扫燃料电池12。在又一种形式中，可使用氮发生器54和/或第二氮发生器来制造吹扫气体。例如，在紧急停机期间，在发电设备的主要空气供应损失的情况下，可将富氮阴极吹扫供应到阴极24，例如，使用氮发生器54，和/或当氮发生器54用于产生供应到阳极20回路的还原性气体时，使用第二氮发生器。这些实施方案可用于保证“安全的”不可燃混合物存在于燃料电池12容器内。

[0067] 已经如此描述了改变催化反应器34的还原性气体输出的可燃物含量，同时保持来自催化反应器34的恒定还原性气体输出温度的示例性手段，包括改变供应到汇合室32的氧化剂中的O2含量的手段和改变离开汇合室32的进料混合物的氧化剂/燃料比率的手段，用于产生燃料电池启动和停机所用的吹扫气体和还原性气体的方法的示例性实施方案如下所述。根据图3A-3D描述了示例性实施方案，其形成具有控制方框B100-B146的流程框图，描述了使燃料电池起动和停机的方法。尽管本文说明和描述了事件的特定序列，但应理解本发明不限于此，且在不偏离本发明的范围下，可使用以更少或更多的数量和以相同或不同的次顺具有相同或不同的行为的其他序列。

[0068] 现在参考图3A，在方框B100中，用以起动燃料电池12的命令由控制系统96接收，例如，经由燃料电池12的操作员。

[0069] 在方框B102中，接入旁路系统98。旁路系统98打开排出管线以排出还原性气体发生器14的输出，和关闭到燃料电池12的流动路径。

[0070] 将还原性气体发生器的输出排出，直到控制回路（例如，控制系统96）将过程参数保持在它们的规定范围内，在该点上，旁路系统98关闭排出管线和打开到燃料电池12的流动路径。

[0071] 在方框B104中，将空气供应到还原性气体发生器14，例如，经由空气入口48，通过启动空气压缩机50的操作。

[0072] 在方框B106中，空气压缩机50压缩从空气入口48接收的空气。在一种形式中，将空气压缩至5巴绝对压力-14巴绝对压力。在其它实施方案中，压缩空气的压力可落在不同的范围内，例如，在一些实施方案中，2巴绝对压力-25巴绝对压力，和在其它实施方案中，1巴绝对压力-30巴绝对压力。通过空气压缩机50供应的压力可变化，例如，取决于氮分离膜56和氮发生器54的特性。

[0073] 在方框B108中，在还原性气体发生器14的氮发生器54中通过将压缩空气供应至氮分离膜56产生富氮气体流。通过氮分离膜56从空气中去除的O2作为氮生产过程的副产物被引导离开，例如，用于其它地方，或简单排出，而得到的富氮流则引导至氧化剂控制阀62。在本实施方案中，富氮流包含氧，虽然水平低于环境空气的水平。在其它实施方案中，氮流可基本上由氮组成（例如，<1%O2）。

[0074] 在方框B110中，在空气流量控制器60的引导下通过空气控制阀58以受控方式将压缩空气添加到富氮流，以形成低氧(O2)含量氧化剂流，即具有比环境大气空气更少的O2的氧化剂流。

[0075] 在方框B112中，在燃料流量控制器44的引导下通过燃料控制阀46启动烃燃料至还原性气体发生器14的流动。燃料流量可初始设置为预期达到期望的还原性气体可燃物含量和控制温度的缺省值，并可随后调节。

[0076] 在方框B114中，氧化剂流与烃燃料流在汇合室32组合以形成具有一定氧化剂/燃料比率的进料混合物，例如，由进料混合物中氧化剂流的质量流速与进料混合物中烃燃料流的质量流速的比率来限定。

[0077] 现在参考图3B，在方框B116中，在处于或高于进料混合物的催化剂起燃温度的温度下操作加热设备，和通过加热设备将热量输出供应到进料混合物。在一种形式中，在接收到起动燃料电池12的命令之后（例如，紧接着方框B100之后）立即开启加热设备。在其它实施方案中，可在其他适合于应用的时间将加热设备开启，例如，取决于花费多长时间使加热器达到期望的温度。在本实施方案中，加热设备为进料混合物加热器74和加热器80，但是在其它实施方案中，可使用仅一个加热器或可使用许多加热器，作为进料混合物加热器74和加热器80之一或两者的替代或补充。用于其它实施方案的加热器的类型或形式可随应用的需要变化。

[0078] 将加热体76和流动盘管78保持在进料混合物的催化剂起燃温度或以上。通过将进料混合物转移经过进料混合物加热器74，特别是流动盘管78，将来自加热体76和流动盘管78的热量提供给进料混合物。在一种形式中，将所有的进料混合物转移经过进料混合物加热器74。在另一种形式中，将部分进料混合物转移经过进料混合物加热器74。通过控制起始控制阀69的输出来操作阀部件70和72，将进料混合物转移到流动盘管78。将得到的经加热的进料混合物引导至催化反应器34的催化剂36，以帮助引发产生还原性气体的催化反应。
一旦在催化反应器34内的催化反应已经开始，则将三通起始控制阀69再定向为引导所有进料混合物直接到催化反应器34，绕过进料混合物加热器74。虽然本申请描述了使用进料混合物加热器74与加热体76和流动盘管78，应理解在利用流混合物加热器的实施方案中，可使用其它类型的加热器。

[0079] 本实施方案的加热器80的形式为电力带式加热器，且保持催化剂36在进料混合物的催化剂起燃温度或以上，从而促进催化剂36的迅速点燃（因此，再点燃）。应理解在不偏离本发明的范围下，可使用其它类型的加热器。

[0080] 在其它实施方案中，加热器82可用于加热催化剂36，在将进料混合物供应到催化剂36以引发催化反应的位置或附近。在不同的其它实施方案中，可使用一个或多个加热器82，作为加热器74和80的替代或补充。

[0081] 在方框B118中，将经加热的进料混合物引导至催化剂36，其中引发催化反应。在一种形式中，基于从进料混合物加热器74接收的热量引发催化反应。在多种其它形式中，可基于从进料混合物加热器74和/或加热器80和/或加热器82接收的热量引发反应。

[0082] 在方框B120中，在还原性气体发生器14的催化反应器34中将进料混合物催化转化为还原性气体。

[0083] 在方框B122中，氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂/燃料比率各自通过控制系统96控制，以保持还原性气体的所选控制温度和以安全气体形式产生还原性气体。在一种形式中，通过空气流量控制器60引导空气控制阀58的操作来控制氧化剂流的O2含量，但是在其它实施方案中，氧化剂流的O2含量可不同地控制。在一种形式中，通过燃料流量控制器44引导相应的燃料控制阀46的操作来控制氧化剂/燃料比率，但是在其它实施方案中，氧化剂/燃料比率可不同地控制。在达到控制温度之前，可基于氧传感器66的输出来控制O2含量。一旦达到表明催化燃烧的温度，控制算法切换到基于控制温度传感器84的反馈。在一些实施方案中，控制温度可为，例如，还原性气体流速（催化剂负荷）、使用时间或其它操作参数的函数。在其它实施方案中，在系统起动和/或正常运行期间，可使用氧传感器66和控制温度传感器84的任一个或两者的输出。

[0084] 进料混合物的流速主要通过氧化剂流量控制器64引导氧化剂控制阀62的操作来控制。以安全气体（即，弱还原性气体混合物）的形式，还原性气体可具有约4.5%的可燃物含量（例如，主要为CO+H2）。在不偏离本发明的范围下，可使用具有更大或者更小的可燃物含量百分比的其它还原性气体。

[0085] 因为进料混合物的质量流量主要基于氧化剂流动流的流速，进料混合物的总流量以及据此的还原性气体发生器14的还原性气体输出主要基于由氧化剂流量控制器64控制的氧化剂控制流动流的流速。在本实施方案中，所选的控制温度为800℃，其在催化剂36中的最热点之一处测量，且在本实施方案中，其产生770℃的本体平均温度，在本实施方案中，所选的温度为预定温度值，基于还原性气体发生器14和燃料电池12的组件寿命以及催化转化效率考虑而选择。在其它实施方案中，可使用其它温度值和测量位置。

[0086] 在方框B124中，旁路系统98从旁路模式脱离，从而将安全气体形式的还原性气体从还原性气体发生器14引导至燃料电池12的阳极20。在其它实施方案中，可将安全气体引导至重整器26。

[0087] 现在参考图3C，说明方框B126。在一种形式中，绕过方框B126，而过程流程直接进行至方框B128。在另一种形式中，在方框B126中，控制氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂/燃料比率，以通过选择性地改变还原性气体的可燃物含量来选择性地改变还原性气体的还原浓度，同时保持方框B122的还原性气体的所选温度。如上对于方框B122所述，在一种形式中，通过空气流量控制器60引导空气控制阀58的操作来控制氧化剂流的O2含量。在其它形式中，氧化剂流的O2含量可不同地控制。在一种形式中，通过燃料流量控制器44来主要控制氧化剂/燃料比率，并通过氧化剂流量控制器64引导氧化剂控制阀62的操作来主要控制还原性气体流。在其它形式中，氧化剂/燃料比率和还原性气体流速可不同地控制。

[0088] 在本实施方案中，现在描述控制氧化剂流的O2含量与进料混合物的氧化剂/燃料比率，以选择性地改变还原性气体的还原浓度，同时保持催化反应器34的还原性气体输出的所选温度和流速。

[0089] 在燃料电池系统10电力设备的起动和停机期间，还原性气体发生器14将低O2含量氧化剂和烃燃料催化转化，以形成具有充足的可燃物含量的还原性气体来保护燃料电池12的燃料电池阳极20。通过将氧化剂气体O2含量的调节与氧化剂/燃料比率的改变组合，可改变还原性气体浓度，而催化剂的操作温度保持恒定，例如，在理想的转化温度下。该温度通过控制温度传感器84感测并用作控制系统96的输入，用于保持催化反应器34的输出温度在所选温度下。

[0090] 现在参考图4，描述了催化反应器34参数的实例。所说明的参数包括氧化剂流质量流速100；烃燃料流质量流速102；空气的化学计量百分数（%）104，其代表了氧化剂流中空气的量相对于烃燃料流完全燃烧所需的空气的量的百分数；和氧/碳比率(O2/C)106。在图4的曲线图中，横坐标为还原性气体的H2含量，左手纵坐标以百分数以及克每秒(g/s)为单位，空气的化学计量%104和氧化剂流质量流速100相对于它们来绘制。右手纵坐标以摩尔分数和g/s两者为单位，O2/C比率106和烃燃料流质量流速102相对于它们来绘制。

[0091] 图4说明在还原性气体为2%-20% H2和1%-10% CO (3%-30% CO+H2)的组成范围内的催化反应器34操作参数。为了产生更高的可燃物含量(CO+H2)，提高在氧化剂中的O2含量。在进料混合物的恒定氧化剂/燃料比率下（例如，空气:燃料比率），提高氧化剂流中的O2含量会减少可燃物并提高操作温度。然而，在本实施方案中，在氧化剂流中的O2含量增加时，进料混合物的氧化剂/燃料比率会同时减少，即，变得更富燃料，以在相同操作温度下达到更高可燃物含量。

[0092] 通过改变氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂/燃料比率两者，在所选的催化剂操作温度（例如，在本实施方案中770℃）下可达到宽广范围的还原性气体浓度。例如，在一种形式中，所述范围可从代表重整器26正常操作条件（ 45%CO+H2）的还原性气体浓度~延伸到弱还原性条件（~3%CO+H2）。在其它形式中，可使用不同的范围，例如，如本文所述。

[0093] 当在还原性气体中接近20% H2含量时，催化反应器34中的条件可接近当氧化剂在O2含量方面接近空气且O2 : C摩尔比达到0.65时通常在重整器26中在发电模式下出现的条件。当还原性气体变成更富可燃物时，在20%H2下，相对于弱还原性条件，燃料流量可增加到约4倍。当条件接近重整器26的那些条件时，燃烧的燃料百分数可显著减少。可以维持温度，因为较低的燃烧氧百分数通过在氧化剂中更少的N2稀释，由升高的燃料流速和减少的热量耗散的组合来补偿。因此，即使对于增加还原强度增加氧化剂中的O2浓度，作为完全消耗燃料所需的氧百分数，但氧水平仍会降低。在本实施方案中，在期望的操作温度下，CO含量百分数为H2含量百分数的约1/2，因此还原性气体的可燃物含量为还原性气体中H2含量百分数的约1.5倍。虽然在本申请中就燃料电池系统作了描述，但应理解还原性气体发生器14可等价应用于其它系统，例如产生还原性气体用于其它目的的系统。

[0094] 再一次参考图3C，在方框B128中，将还原性气体供应到重整器26，并例如经由重整器26供应到阳极20。

[0095] 在方框B130中，启动使燃料电池12进入电力生产模式的转换，其包括将通常提供到燃料电池12用于电力生产模式操作的主要燃料流和主要氧化剂流供应到燃料电池12，与提供到还原性气体发生器14来产生还原性气体供燃料电池12起动或停机期间使用的氧化剂和烃燃料相反。转换进入电力生产模式还包括将燃料电池12的部分，包括阳极和重整器26，以受控方式加热到正常操作温度，以减少可能由这些组件之内和之间的热梯度导致的机械应力。燃料电池12的加热可在将还原性气体供应到燃料电池12之前、期间和之后进行，且可进行直到在这些部分（例如阳极20和重整器26）中达到满意的操作温度。在转换到电力生产模式期间，旁路系统98可转换到旁路模式。

[0096] 在方框B132中，燃料电池12以电力生产模式操作，即，正常操作模式，以供应电力到电负载16。

[0097] 在方框B134，终止供应到还原性气体发生器14的空气流和燃料流，结束通过还原性气体发生器14生产还原性气体。

[0098] 现在参考图3D，在方框B136中，加热设备的温度保持为在催化剂36引发进料混合物的催化反应所需的温度或以上。在燃料电池在电力生产模式下操作期间保持该温度，例如，在需要燃料电池12停机的情况下，提供还原性气体发生器14的快速重启，包括催化剂36的快速重启。

[0099] 在方框B138中，使燃料电池12从电力生产模式停机的指令由控制系统96接收，例如，经由人工输入或自动化过程。应注意到在一些实施方案中，方框B136可在接收到燃料电池12的停机命令之后进行。例如，在一些实施方案中，加热设备可不加热至催化起燃温度或以上的温度，直到接收到燃料电池12停机的命令。

[0100] 在方框B140中，还原性气体发生器14响应命令产生还原性气体，例如，通过进行以上对于方框B102-B128说明的一些或所有行为，包括控制氧化剂流的O2含量和进料混合物的氧化剂/燃料比率，以通过将还原性气体的可燃物含量选择性改变到期望的水平来选择性改变还原性气体的还原浓度，同时保持所选温度，例如，以上方框B122的所选温度。

[0101] 在方框B142中，通过使旁路系统98从旁路模式脱离，将通过还原性气体发生器14产生的还原性气体供应到燃料电池12的阳极20。这可帮助在燃料电池12停机期间防止对阳极20的氧化损害。开始时，还原性气体可具有高还原浓度，其可随着燃料电池12的温度降低而减少。

[0102] 在方框B144中，启动使燃料电池12退出电力生产模式的转换，包括逐渐地减少通常在电力生产模式操作期间提供的主要燃料到阳极20的流量。

[0103] 在方框B146中，终止供应到还原性气体发生器14的空气流和燃料流，结束通过还原性气体发生器14生产还原性气体。可在阳极20充分冷却到不用担心氧化性损害的温度之后执行方框B146，该温度可随用于制造阳极20的材料而变化。

[0104] 根据本申请的一些实施方案的还原性气体发生器可包括压缩空气供应，其对聚合物氮分离膜进料，所述分离膜使用高压以跨过聚合物纤维从氮中分离氧。这些实施方案可排除对瓶装氮的需要。在其它实施方案中，可使用其它氮源。产物气体为即氧耗减的富氮流。位置可变的旁路阀可将进料空气的相对小的流转移至氮发生器附近用于与富氮流混合。在一些实施方案中，旁路空气流与混合流的最终氧含量直接成比例。富氮产物气体和旁路空气的混合流可称为氧化剂流，其穿过设置氧化剂流量的流量控制装置进入所述过程。旁路阀控制旁路空气和富氮气体的比例以达到氧化剂流的期望的氧含量。

[0105] 烃燃料的相对小的量可通过流量控制装置计量进入氧化剂流。在稳态流动模式下，预混合的氧化剂和燃料混合物直接进料至催化反应器，其将进料混合物转化为还原性气体。与空气中普通的燃烧相比较，降低氧含量的氧化剂流可转化为在还原性气体中每单位可燃物产量更少的燃料。因此，所需的每单位可燃物产量（例如，H2和CO）的化学能输入（即，由燃料输入产生的热负荷）也可减少，因此，可需要从过程气体中提取更少的热量来冷却产物流到所需的温度。氧化剂流的氮稀释还可将反应温度降低到可优选用于催化剂的范围内，而且可不超过下游换热器的材料限制。与本发明的实施方案相反，在所需的规模下设计为与普通空气（与本发明的实施方案中使用的富氮氧化剂相反）燃烧的反应器可能为复杂的，且可能需要冷却夹套，这可能需要液体冷却剂，或者非常高体积流量的冷却剂气体，因此，将具有相对大的热负荷以保护反应器材料免受过高温度。相反，本发明的一些实施方案的催化反应器可设计用于在较低温度不需要外部冷却地操作。

[0106] 比起用空气的普通燃烧，用氧耗减的氧化剂的燃料氧化可在宽得多的空气:燃料比率范围内产生给定范围的可燃物浓度（或摩尔流量），使得更容易实现可燃物含量的控制。

[0107] 热电偶可在催化剂出口监控出口温度。热电偶可用作空气旁路阀的控制输入。如果出口温度下降到低于设定点太多，控制信号将打开旁路加入一些量，因为具有较高O2比例的氧化剂流提高出口温度（通过氧化更多的燃料），反之亦然。将设定点温度设置高到足以实现将可燃进料混合物完全转化为平衡的气体组成，而不太高以至于接近催化剂或下游换热器的运行材料限制温度。

[0108] 氧传感器66可测量氧含量，基于旁路空气和离开氮发生器的富氮流的混合点下游的氧化剂流的体积。备选的实施方案可使用测量的氧浓度而不是出口温度来布置空气旁路控制阀，使得出口温度保持在设定点的值。这在起动时在代表性的稳态反应器出口温度可得之前可为优选的，以设置旁路阀位置。

[0109] 氧传感器可为保持在高温下（例如，对一些实施方案约600℃）的小型氧化锆传感器，当暴露于氧时，其产生与气体中的氧含量有关的能斯特电位。传感器可位于原位。然而，传感器可备选地置入通过过临界流量孔吹鼓到主过程线路外的受控的小逸出流（slipstream）中。控制软件可指示测量的氧含量与目标值的偏差和旁路阀打开导致的增加量之间的关系。传感器可快速响应过程气体的氧含量的改变，因此，在空气旁路阀控制回路上优化的调节参数可在较宽的条件范围内提供更可靠的控制。

[0110] 下游换热器将还原性气体冷却至将还原性气体引入下游过程所需的温度。温度控制回路可改变冷却空气或其它冷却介质到换热器的流量，基于催化剂出口温度与出口气体的温度设定点的偏差。换热器可为承受受离开催化剂的气体温度的紧凑型合金钢或陶瓷设计。

[0111] 氢或可燃物传感器可提取换热器下游过程气体的逸出流以测量作为还原性气体成分的氢或可燃物的体积%。控制软件可将测量的%H2与设定点值比较，基于发送到燃料控制阀的控制信号的差异。如果测量的%H2偏离低于设定点太多，则燃料进料将增加，反之亦然。控制软件可指示测量的%H2与目标%H2的偏差和燃料阀打开或关闭所产生的增加量之间的关系。

[0112] 连续测量氢的一种方法使用热导率氢传感器，在还原性气体氢含量的允许范围内进行校准。类似于氧传感器，可使用临界流量孔作为相对便宜和简单的办法来将还原性气体的非常小的逸出流以正确的样品气体流量计量进入传感器。

[0113] 还可通过本发明的实施方案提供以下方法：将催化剂从待命模式快速重启以使还原性气体发生器尽快地回到在线，用于燃料电池系统内需要立即供应安全的还原性气体的意料不到的情况。快速重启能力可避免对还原性气体的瓶装存储的需要，所述瓶装存储对于度过需要气体的时间和使还原性气体发生器在线所需的时间之间的间隙是必需的。快速重启方法可使用正好位于催化剂反应器上游的具有高热质的加热器和，例如，用于将进料混合物流转移经过加热器的一对阀或三通阀。在正常操作期间，阀将混合物直接引导入催化反应器，绕过加热器。在起动时，可将流转移经过加热器。在流不存在下，例如，在还原性气体发生器的空闲条件下，加热器连续提供充足的功率来维持金属在期望的预热温度，同时平衡相对小的热损失，因此，该功率需求可为小的。在加热器内，流动盘管可包含于金属体内。加热器可包含充足的热质使得当在重启尝试时引发流动时，过程流立即获得目标点燃温度。

[0114] 这样的设计可相对地安全，因为其可在可燃混合物和作用在金属体上的功率供应之间实现良好的电绝缘。在重启序列之前，加热器将调节送往内部金属的功率，达到需要的温度，然后引入流，而且在这个条件下，必须仅保持用以抵消通过周围的隔绝材料的热损失的功率。

[0115] 在起动尝试时，功率可立即坡道上升至维持或提高设置点预热温度，直到实现催化剂进料混合物的反应。一旦实现这一点，例如，如催化剂出口温度的充分上升所表明，则可围绕燃烧加热器将流直接转移到催化剂（正常操作流动模式）以防止催化剂过热。

[0116] 为了进一步促进快速重启，带式加热器可提供额外的热源。带式加热器可围绕催化剂反应器，以在起动时引发流动之前，将催化剂保持在催化剂起燃温度或以上。在起动之前，带式加热器将优选提供能源来抵消经过围绕带式加热器的隔绝材料的热损失。一旦点燃了催化剂，在表面温度升高到加热器的设定点温度以上时，可关闭带式加热器。可将送往加热器的功率关闭或调低以将加热器的热质维持在下一次重启的温度设定点。

[0117] 其它备选的实施方案将简化加热方案，通过使用在催化剂入口紧密偶联的加热器。该方法可使用低热质加热器，其通过紧密热偶联在催化剂的正面附近局部引发反应，在这些实施方案中，其可潜在地减少还原性气体发生器的部分计数和成本。

[0118] 在另一个实施方案中，还原性气体发生器可替代燃料电池系统所用的内部重整器，用于将还原性气体发生器构造用于产生适用于燃料电池系统内电力生产的还原性气体的那些实施方案。在一些这样的实施方案中，还原气体发生器可用于生产一种组成的还原性气体，用于燃料电池系统的起动和停机，和用于生产备选组成的还原性气体，用于燃料电池系统的正常运行。

[0119] 参考图5A和5B，示意性地描述了根据本发明实施方案的还原性气体发生器214的非限制性实例的一些方面。在图5A和5B描述的实施方案中，描述了本发明实施方案的方面的多个特征、组件和它们之间的相互关系。然而，本发明不限于图5A和5B的具体实施方案以及在图5A和5B中说明和本文描述的组件、特征和它们之间的相互关系。例如，本发明包括的其它实施方案，通过经由本发明附图和详述在本文明确和暗示地描述并在权利要求中阐述的原理来表明的本发明，可包括更多或更少数量的组件、特征和/或它们之间的相互关系，和/或可使用不同的组件和/或具有相同和/或不同性质的特征和/或它们之间的相互关系，其可用于执行相对于图5A和5B说明的与本文描述的那些类似和/或不同的功能。

[0120] 在一些还原性气体发生器实施方案中，比通过一些前述实施方案提供的含量，期望提高还原性气体的可燃物含量（浓度），所述还原性气体还可称为经重整燃料。在经重整气体中的可燃物（也称为易燃物）含量随存在于提供烃燃料到重整器的氧化剂中的氧(O2)含量(浓度)变化。例如，一些前述实施方案使用空气控制阀58来将空气可变地添加到从氮发生器54接收的富氮气体中，以产生具有可变氧含量的氧化剂，氧含量范围例如为且不限于5%-约21%体积。在这些实施方案中，通过催化反应器34排出的经重整气体（其为还原性气体）的可燃物含量，随氧化剂中提供的氧的量变化。本发明人已经确定，比起通过使用空气或氧含量比空气更低的富氮空气作为氧化剂获得的可燃性含量，可使用氧含量比空气更大的富氧氧化剂，以在离开催化反应器34的经重整气体中产生更高的可燃性含量。

[0121] 因此，在一些实施方案中，214还原性气体发生器包括氧化剂系统230，氧化剂系统230配置用于提供氧含量大于环境大气空气的氧化剂。在一种形式中，将氧化剂系统配置用于不使用储存的氧（例如，瓶装氧或其它形式的压缩或液化氧）而提供氧化剂。将还原性气体发生器214配置用于提供或排出具有扩展范围（相对于通过还原性气体发生器14提供的还原性气体）的可燃物含量的还原性气体215，基于使用通过氧化剂系统230排出的氧化剂。
在多个实施方案中，可将还原性气体215供应到其它系统，例如活塞式发动机、气体涡轮发动机、燃料电池系统和/或使用还原性气体的其它系统。在一些实施方案中，将氧化剂系统
230配置用于提供氧含量处于一定范围内的所选值的氧化剂，所述范围的最大值超过空气的氧含量，例如，在一些实施方案中，范围为约21%-40%体积氧，在其它实施方案中，约21%-
50%体积氧或更高。在一些实施方案中，将氧化剂系统230配置用于在一定范围内提供氧化剂中可变的氧含量，所述范围的最大值超过空气氧含量，例如，在一些实施方案中，范围为约21%-40%体积氧，在其它实施方案中，约21%-50%体积氧或更高。在一些实施方案中，将氧化剂系统230配置用于在一定范围内改变氧含量，所述范围从低于环境大气空气的氧含量延伸至高于环境大气空气的氧含量，例如，在一些实施方案中，范围为约5%-40%体积氧，在其它实施方案中，约5%-50%体积氧或更高，或者在其它实施方案中更低。在一些实施方案中，氧化剂系统230用于替代还原性气体发生器14中的氧化剂系统30，以得到还原性气体发生器214，还原性气体发生器214配置用于排出可燃物含量比还原性气体发生器14更高的还原性气体。氧化剂系统230具有许多以上对氧化剂系统30所述相同的组件，其执行与以上对氧化剂系统30和还原性气体发生器14所述的那些相同或类似的功能。

[0122] 在一种形式中，还原性气体发生器214使用相同组件来执行与以上对还原性气体发生器14所述相同或类似的功能，为了简明，其中大多数未在图5中说明，除了用氧化剂系统230替换氧化剂系统30。在其它实施方案中，还原性气体发生器214可包括以上对还原性气体发生器14所述的组件的仅一个或多个，和/或可包括以上未对还原性气体发生器14描述的组件。在一些实施方案中，与以上对气体发生器14所述相同的任何组件可在还原性气体发生器214中提供相同和/或不同的功能。

[0123] 尽管用部件号码34标记的组件称为“催化反应器”，但本领域普通技术人员应理解，催化反应器34为重整器的一种形式。因此，催化反应器34还可称为“重整器34”。本领域普通技术人员还应理解，在本发明的一些实施方案中，可使用一种或多种其它重整器类型，作为催化反应器的补充或替代。

[0124] 在一种形式中，氧化剂系统230包括空气入口48（其不同地可加压或可不加压，例如，可提供有或可不提供有加压空气）；压缩机50；阀52，例如，压力调节器；具有氮分离膜56、阀58（例如且不限于气体流量控制阀）的氮发生器或分离器54；汇合室232；控制器60，例如且不限于气体流量控制器；阀62，例如且不限于氧化剂流量控制阀；控制器64，例如且不限于氧化剂流量控制器；和氧传感器66。将氧化剂系统230的输出排出到汇合室32。在一种形式中，汇合室32、空气入口48、压缩机50、阀52、具有氮分离膜56的氮发生器或分离器54、控制器60、阀62、控制器64和氧传感器66中的每一个各自相同或类似，并配置用于执行相同或类似的功能，如以上对于氧化剂系统30和还原性气体发生器14所阐述的，因此使用相同的附图标记（部件号码）描述。在其它实施方案中，氧化剂系统230可包括以上对于氧化剂系统30所述组件的仅一个或多个，和/或这些组件的一个或多个可执行不同的功能；和/或氧化剂系统230可包括以上对于氧化剂系统30未描述的组件。例如，在一些实施方案中，阀52和62和控制器64可由控制压缩机50的速度的流量传感器替代。应理解在一些实施方案中，可使用其它类型的氮提取系统，作为氮分离膜56的补充或替代。氧化剂系统230还包括阀
234，例如且不限于背压式调节阀，但是在本发明的其它实施方案中，可使用其它阀类型。

[0125] 压缩机50与空气入口48流体连通。阀52与压缩机50和氮分离器54在氮分离膜56的高压侧236流体连通（如在还原性气体发生器14中），阀52配置用于控制输送到氮分离器54的空气流量。将氮分离膜56配置用于从提供到那里的空气中提取氮，并用于排出空气余量，所述空气余量作为氧含量比环境大气空气更高的富氧气体而供应，其中富氧气体形成通过氧化剂系统230排出的氧化剂的至少一部分。因此，氮发生器54还配置用于以富氧气体形式从空气中提取氧，并用于将具有提取的氧的富氧气体排出以形成氧化剂的至少一部分。氮发生器54还配置用于排出富氮气体，所述富氮气体具有大于环境大气空气的氮含量，例如，按体积百分数计。

[0126] 阀58偶联至汇合室232，汇合室232具有的结构属性类似于以上对于汇合室32所述的那些。汇合室232还与氮分离器54（其提供富氧气体，例如，富氧空气）在氮分离膜的低压侧238流体连通。

[0127] 将汇合室32配置用于接收烃燃料和从氧化剂系统230排出的氧化剂，并用于排出包含烃燃料和氧化剂两者的进料流。控制器60操作偶联至阀58并配置用于操作阀58。阀62与汇合室32流体连通并配置用于将氧化剂(流)排出至汇合室32。控制器64操作偶联至阀62并配置用于操作阀62。将氧传感器66配置用于感测从阀62排出的氧化剂的氧含量。

[0128] 阀234与氮分离器54在高压侧236流体连通，并与阀58流体连通。将过量的富氮气体排出，例如至大气或需要富氮气体的组件或系统。阀234确定从氧化剂系统230排出过量许多的富氮气体。在一种形式中，阀234调节相对于氮分离器54的高压侧236以及相对于阀58的背压。在一种形式中，排出的过量富氮气体的量随着由氧化剂系统230排出的氧化剂中的氧含量的增加而增加。通过阀234保持的背压至少部分地确定由氮分离器54的低压侧238排出多少富氧气体。

[0129] 将阀58配置用于控制来自氮分离器54的提供应到汇合室232的富氮气体的量。在一种形式中，将氮分离器54的低压侧236的输出直接供应到汇合室232，用于将来自氮分离器54的低压侧236的富氧气体与通过氮分离器54的高压侧236提供的富氮气体组合，来产生氧化剂（流）。将阀62和控制器64配置用于控制将多少氧化剂提供到汇合室32用于与气态烃燃料（例如，天然气或压缩天然气(CNG）)组合，用于重整器34。重整器34与汇合室32流体连通，并配置用于从汇合室32接收进料流，以将进料混合物重整为还原性气体，并用于排出还原性气体。

[0130] 将氮分离器54的低压侧238配置用于排出氧含量大于环境大气的富氧气体，在一些实施方案中，例如且不限于最多40%体积氧含量，在其它实施方案中，最多50%体积氧含量或更多。通过将富氧气体与富氮气体混合，可例如从最大值减少得到的由氧化剂系统230排出的氧化剂的氧含量。因此，氧化剂系统的由氧化剂系统230排出的氧化剂可具有大于空气氧含量的氧含量最大值，在一些实施方案中，最多40%体积氧含量，在其它实施方案中，最多50%体积氧含量或更多。

[0131] 在一些实施方案中，还可获得较低的氧含量，例如，低至5%体积氧或更低。参考图5B，在一些实施方案中，如上所述，可将氧化剂系统230配置用于提供氧含量低于环境大气空气氧含量的氧化剂，例如，至5%或更低，例如，通过包括氧化剂系统30的一些其它方面。例如，在一些实施方案中，氧化剂系统230还可包括阀58和控制器60的第二种情况，此处是指阀258和控制器260，在阀52的排出和汇合室232之间流体连通。控制器260偶联至氧传感器
66，配置用于操作阀260来控制从压缩机50和阀52到汇合室232的加压空气的流量。此外，氧化剂系统230的这些实施方案可包括：阀201，例如且不限于闸阀；阀203，例如且不限于旁路阀；和阀205，例如且不限于三通阀。为了输出具有约21体积%或更少氧含量的氧化剂，将阀
201关闭，以阻止富氮气体从氮分离器54的高压侧236排出。此外，打开阀203，并关闭阀58，从而将氮分离器54高压侧236的输出（富氮气体）直接分流到汇合室232。此外，将阀205切换为将氮分离器54低压侧238的输出排出，例如至大气或使用富氧气体的应用中。为了输出具有约21体积%或更高氧含量的氧化剂，将阀201打开以允许经由阀234从氮分离器54高压侧
236排出富氮气体。此外，关闭阀203，并打开阀58，从而将氮分离器54高压侧236的输出（不同于排出的那些）引导通过阀58至汇合室232。此外，将阀205切换以将氮分离器54低压侧
238的输出供应至汇合室232。

[0132] 在一些实施方案中，可手动或自动地调节或控制压缩机50和阀52、234、58和62的一个或多个，以提供氧含量可选自以下的氧化剂：例如且不限于，在一些实施方案中，范围为约21%-40%体积氧，在其它实施方案中，约21%-50%体积氧或更高。在一些实施方案中，可手动或自动地调节或控制压缩机50和阀52、234、58和62，以及阀201、203、205、258和260的一个或多个，以提供氧含量可选自以下范围的氧化剂：例如且不限于，在一些实施方案中，范围为约5%-40%体积氧，在其它实施方案中，约5%-50%体积氧或更高。在其它实施方案中，压缩机50和阀52、234、58和62的一个或多个，以及在一些实施方案中，阀201、203、205、258和260的一个或多个，可经手动或自动地调节或控制，以提供通过氧化剂系统230提供的氧化剂中的可变氧含量，即，在一定范围内变化，“同时（on the fly）”例如满足一些需求，例如由还原性气体发生器214排出的还原性气体的期望可燃物含量。在多个实施方案中，所述范围可为，例如且不限于，在一些实施方案中，约21%-40%体积氧，和在其它实施方案中，约21%-50%体积氧或更高，或在一些实施方案中，可为约5%-40%体积氧，且在其它实施方案中，约5%-50%体积氧或更高。在其它实施方案中，可选择其它适合的范围。

[0133] 退出重整器34的还原性气体包括可燃物，主要包括氢(H2)和一氧化碳(CO)，和一些甲烷逸出，例如，约1%左右，和痕量的高级烃逸出，例如乙烷。还原性气体还包括还包含其它气体，例如，包括氮、二氧化碳(CO2)和水蒸汽(蒸汽)。

[0134] 参考图6，描述了在恒定甲烷转化率下（即，由重整器34排出的还原性气体中甲烷的恒定百分数下），重整器（例如重整器34）的百分比可燃物输出相对于供应到重整器的氧化剂中氧百分数的曲线图的非限制性实例。图6的曲线图基于热力学平衡过程模拟计算。从图6的曲线图中，观察到还原性气体的可燃物含量（百分比可燃物）随着作为提供至重整器34的进料流的一部分供应的氧化剂中氧的增加而增加。在图6的曲线图中氧/碳比率在约
0.6(例如，在50%体积氧下)至0.7(例如，在21%体积氧下)之间变化。图6的可燃物含量从约
45体积%（在氧化剂中约21%体积氧含量下）变化至约80体积%（在氧化剂中50%体积氧含量下）。

[0135] 通过提供氧含量比环境大气空气氧含量更高的氧化剂，由重整器34排出的还原性气体中可燃物的量可比使用与空气中氧含量相等的氧含量所能产生的可燃物的量更大。此外，通过改变氧含量，例如，在以上所述的一个或多个范围内，由还原性气体发生器排出的还原性气体215的可燃物含量可在相当大的范围内变化。例如且不限于，在一些实施方案中，约45%-70%体积可燃物含量，在其它实施方案中，约45%-80%体积可燃物含量；在其它实施方案中，约接近0%-70%体积可燃物含量；而且在其它实施方案中，在另外其它实施方案中，约接近0%-80%体积可燃物含量。

[0136] 在一些实施方案中，通过以下产生还原性气体：用氧化剂系统230产生氧含量大于环境大气空气氧含量的氧化剂，形成具有氧化剂和烃燃料的进料流；和将进料流重整，例如，在重整器34中，例如，通过将进料流引导至催化剂36；和将进料流催化转化为还原性气体。在一些实施方案中，氧化剂的氧含量可在一定范围内变化或选择，例如，如上所述。在一种形式中，氧化剂的产生包括：将加压空气供应到氮分离膜56；使用氮分离膜56提取富氧气体；和使用富氧气体至少部分地形成氧化剂。在一些实施方案中，可在以下范围内提供具有可选氧含量的氧化剂：约21%-40%21%-40%体积氧，在其它实施方案中，约21%-50%体积氧或更多。在一些实施方案中，可在以下范围内提供具有可选氧含量的氧化剂：在一些实施方案中，约5%-40%体积氧，在其它实施方案中，约5%-50%体积氧或更多。

[0137] 在一些实施方案中，还原性气体可通过以下产生：使用氧化剂系统230产生具有可选氧含量的氧化剂，其中氧化剂的最大氧含量超过环境大气空气的氧含量；使用重整器34，用氧化剂来重整烃燃料以产生还原性气体215；和将还原性气体215从重整器34排出。在一些实施方案中，还可产生氧含量比环境大气空气氧含量更低的氧化剂。

[0138] 参考图7，示意性地描述了根据本发明实施方案的还原性气体发生器314的非限制性实例的一些方面。在图7描述的实施方案中，描述了本发明实施方案的方面的多个特征、组件和它们之间的相互关系。然而，本发明不限于图7的具体实施方案以及在图7说明和本文描述的组件、特征和它们之间的相互关系。例如，本发明包括的其它实施方案，通过经由本发明附图和详述在本文明确和暗示地描述并在权利要求中阐述的原理来表明的本发明，可包括更多或更少数量的组件、特征和/或它们之间的相互关系，和/或可使用不同的组件和/或具有相同和/或不同性质的特征和/或它们之间的相互关系，其可用于执行相对于图7说明的与本文描述的那些类似和/或不同的功能。

[0139] 在多个实施方案中，燃料输送系统314使用一些相同的组件来执行与以上对还原性气体发生器14和/或还原性气体发生器214描述的相同或类似的功能，用于生产还原性气体或经重整的燃料，在此使用相同的附图标记（部件号码）来描述这些组件，与以上对还原性气体发生器14和/或214所述的那些一样。在其它实施方案中，还原性气体发生器314可包括以上对于还原性气体发生器14和/或214所述的组件的仅一个或多个，和/或可包括以上对还原性气体发生器14和/或214未描述的组件。在一些实施方案中，以上对于气体发生器14和/或214所述的任何相同组件可在还原性气体发生器314中提供相同和/或不同的功能。

[0140] 在一些还原性气体发生器实施方案中，期望将在还原性气体发生器14或214内向着催化剂36入口侧的温度局部提高到比一些前述实施方案提供的温度更高的期望范围内。然而，催化剂通常随时间失活，例如，在使用期间。当催化剂缓慢地随时间失活时，失活从催化剂的入口侧发展到催化剂的出口侧，使得能重整进入的燃料的催化剂体积愈来愈少。该过程伴随着越来越往下游发展的快速温度上升区域。本发明人已经确定，由于氢相对高的反应性，富氢(H2)再循环流可用于对催化剂前的侧再生催化剂活性，在一些实施方案中这延长催化剂寿命。

[0141] 因此，还原性气体发生器314包括还原性气体再循环系统300。如示例说明，将汇合室32配置用于从氧化剂系统30或230接收氧化剂和从燃料系统28接收烃燃料（例如气态的）。从汇合室32排出的进料流可包括氧化剂和烃燃料。将重整器34配置用于接收进料流和使进料流催化反应以产生还原性气体。将还原性气体再循环系统300配置用于将通过重整器34的还原性气体输出的一部分添加回到供应至重整器34的进料流。

[0142] 在一种形式中，还原性气体再循环系统300包括连接点302、再循环泵304和再循环回路305。连接点302可操作以接收还原性气体并引导还原性气体的一部分经由再循环回路305到再循环泵304。如本文所用，引导至再循环泵304的还原性气体的那部分也称为“再循环气体”。在一种形式中，再循环气体为经冷却的再循环气体，已经通过换热器88冷却(以下阐述）。将再循环泵304布置为与汇合室32流体连通并配置用于加压再循环气体流并将加压的流排出到汇合室32内。因此在还原性气体发生器314中，将汇合室32配置用于从再循环泵
304接收除氧化剂和烃燃料之外的再循环气体，而且输送到重整器34的进料流因此包括再循环气体。再循环回路305与连接点302和再循环泵304流体连通，且操作用于将还原性气体作为再循环气体输送到再循环泵304。

[0143] 再循环泵304可按一种或多种适合的泵送装置的形式提供。在一个实施方案中，再循环泵304可提供为机械泵送装置。适合的机械泵送装置的一个实例为Parker Hannifin制造的氢再循环鼓风机。在另一个实施方案中，再循环泵304可提供为喷射泵送装置（例如喷射器）。在示例性喷射器中加压的运动流体可包括以下流体：例如加压的天然气、加压的氧化剂等，或它们的组合。

[0144] 在一种形式中，还原性气体发生器314使用相同的组件来执行与以上对还原性气体发生器14或214所述相同或类似的功能，其中的大多数为了简明目的未在图7中说明。在其它实施方案中，还原性气体发生器314可包括以上对还原性气体发生器14或214所述的组件的仅一个或多个，和/或可包括以上对还原性气体发生器14或214未描述的组件。在一些实施方案中，以上对气体发生器14或214描述的任何相同组件可在还原性气体发生器314中提供相同和/或不同的功能。

[0145] 尽管用部件号码34标记的组件称为“催化反应器”，但本领域普通技术人员应理解，催化反应器34为重整器的一种形式。因此，催化反应器34还可称为“重整器34”。本领域普通技术人员还应理解，在本发明的一些实施方案中，可使用一种或多种其它重整器类型，作为催化反应器的补充或替代。

[0146] 在一种形式中，还原性气体发生器314可进一步包括冷却器，该冷却器配置用于降低重整器34的还原性气体输出的温度。连接点302可位于冷却器的下游和接收冷却器的经冷却还原性气体输出。在一个实施方案中，冷却器可提供为换热器。例如，作为示例性说明，冷却器可提供为换热器88，例如，空气冷却或液体冷却的换热器。因此，换热器88可统称为“冷却器88”。本领域普通技术人员还应理解，在本发明的一些实施方案中可使用一种或多种其它类型的冷却器，作为换热器的补充或替代。例如，冷却器88可提供为具有注射器的混合冷却器，该注射器配置用于将冷却剂注入到通过重整器34产生的热还原性气体中，从而使还原性气体骤冷。可注入到还原性气体的冷却剂的实例包括蒸汽、雾化水等，或它们的组合。

[0147] 在一些实施方案中，还原性气体再循环系统300可包括再循环回路307，作为再循环回路305的补充或替代。再循环回路305可流体偶联至连接点303和再循环泵304。连接点303可操作以接收热还原性气体（因为连接点303在冷却器88的上游），并将还原性气体的一部分引导至再循环回路305。进入回路307的再循环气体为热再循环气体，在进入回路307之前未通过换热器88冷却。冷却器288布置于回路307中。冷却器288与冷却剂源306流体连通。
在一种形式中，冷却器288为具有注射器的混合冷却器，该注射器配置用于将冷却剂注入到通过重整器34产生的热还原性气体中，从而使还原性气体骤冷。通过冷却剂源306提供的可注入到还原性气体的冷却剂的实例包括蒸汽、雾化水等，或它们的组合。在其它实施方案中，冷却器288可采取其它形式，并且可为例如空气冷却或液体冷却的换热器。将来自冷却剂源306的冷却剂与热再循环气体组合以形成“直接冷却的再循环气体”，其中“直接”在这种情况下是指将冷却剂与热再循环气体物理混合。

[0148] 在一种形式中，还原性气体发生器314可进一步包括阀，所述阀配置用于排出还原性气体，例如到另一个系统，例如且不限于燃料电池、发动机或使用还原性气体/经重整燃料的其它装置。阀可位于连接点302的下游。在一个实施方案中，阀可提供为背压调节器。例如，在一种形式中，阀可为背压调节器90。因此，在一个示例性实施方案中，背压调节器90也可称为“阀90”。本领域普通技术人员还应理解，在本发明的一些实施方案中，可使用一种或多种其它类型的阀，作为背压调节器的补充或替代。

[0149] 通过提供如以上示例性描述的还原性气体发生器314，即使当氧化剂系统30或230输出具有相对高O2浓度的氧化剂时，重整器34的还原性气体输出可包含相对高浓度的可燃组分（例如H2和CO），而O2/C比率不降低至在重整器34内有利于烟灰生成的水平。

[0150] 在一些实施方案中，还原性气体再循环系统300可提高催化剂36的可用寿命，否则催化剂可随时间劣化，例如，当检测出甲烷逸出时，例如，尤其取决于运行期间催化剂的类型和催化剂温度。由于催化剂劣化，催化剂温度上升的区域随时间越来越往下游移动。在一些实施方案中，还原性气体再循环可具有减慢该过程的效果。在一些实施方案中，可使还原性气体再循环系统300对还原性气体的热力学平衡组成的影响最小或不存在，因为再循环气体的元素组成与进料流的组成至少基本上相同（例如，如果在再循环回到进料流之前未从还原性气体去除水分）。然而，再循环气体的分子组成可不同于进料流的分子组成，因为H2形成与再循环气体混合的进料流的显著部分。在与再循环气体混合的进料流中的H2优先快速消耗O2，将催化剂入口处的温度升高到比以其它方式出现的更高。因此，相对于进料流中的烃燃料，H2为更有反应性的。因此，在一些实施方案中，通过将部分燃料进料转化为氢，催化剂前侧上的催化剂活性可随时间保持，由此保持升高的催化剂温度，否则，如果供应到催化剂的燃料的100%为烃，催化剂温度将降低。使用该方法的一种方式为建立恒定的燃料氧化剂进料条件（例如O2/C、%O2），然后随着催化剂寿命，在劣化发生时，逐渐地提高再循环，以在一些象征性的点上，保持催化剂内的反应区的前部分恒温。

[0151] 在一些实施方案中，还原性气体再循环系统300可允许还原性气体增加的可燃物含量，通过在较高%O2下操作，同时保持O2/C在可接受的极限以上，并在最佳范围内的催化剂温度下操作（其可取决于催化剂类型和其它重整器条件）；以及可维持更长催化剂寿命的条件。例如，热力学平衡计算预测，使用再循环气体、40%氧浓度，将产生超过70%可燃物（例如，主要为%H2+%CO），同时在约800℃的最佳催化剂温度和0.6的O2/C下操作，适合地高于促进碳形成的条件。在一些系统中，不使用再循环气体，如果将可燃物维持在相同水平，则催化剂温度可显著升高，或O2/C显著降低，潜在地负面影响催化剂寿命。

[0152] 在使用混合冷却器形式的冷却器288的实施方案中，从氧化剂系统30或230提供到汇合室32的氧化剂可具有相对高的氧含量。例如，在一些实施方案中，提供到汇合室32的氧化剂可具有高达100%的氧含量，但是可低于100%。如果氧化剂系统30不能为期望的氧含量，则可提供补充的或备选的氧化剂系统308。在一些实施方案中，混合冷却器的冷却剂注射速率可调节（例如增加），以缓和在催化剂36入口的催化反应（例如，如果再循环气体中的H2组分导致在催化剂36入口的催化反应为不期望地高）。此外，通过调节混合冷却器的冷却剂注射速率，使用具有100%（或基本上100%）氧含量的氧化剂，还原性气体的可燃物含量可增加到约90%。在100%（或基本上100%）氧含量下，氧化剂不包含氮（或基本上无氮），且CO2为还原性气体中的主要惰性组分，以约7.5%存在。本发明人进行的过程模拟分析表明，还原性气体发生器314的一种实施在重整器34产生的入口组成包含约17.8%H2、约19.9%H2O、约7.4%CO、约2.5%CO2、约30.2%CH4和约20.2%O2，表明在进料流中有充足的氧来消耗存在于催化剂36入口的所有H2。如果这种消耗导致在催化剂36入口的温度变得过高，那么可降低氧化剂中的氧浓度。如果用水作为冷却剂经由冷却器288应用，则冷却器88将产生可从还原性气体分离的H2O冷凝物。因此，如果用水作为冷却剂来应用，则合成气体冷却器/冷凝器的尺寸可增加，以应对升高的蒸汽流流量所需的更高热负荷。

[0153] 在燃料电池12起动时，通过重整器34产生的还原性气体可快速加热，然后将H2O混合冷却器激活以将冷却剂注入到通过重整器34产生的热还原性气体中。因此，在一个实施方案中，还原性气体发生器314可进一步包括起动冷却器310，起动冷却器310配置用于将冷却剂例如加压的氮注入到再循环气体中，以冷却来自接合点303的再循环气体直到H2O混合冷却器激活。在一些实施方案中，随着冷却器288开始激活以将冷却剂（水）注入到通过重整器34产生的热还原性气体中，通过起动冷却器310提供的冷却可逐渐地减少。用这种方法，实现平稳变换至水注入式冷却，同时在再循环仍为冷冻时避免冷凝，而且还保护下游的再循环泵在再循环加热时免受高温。

[0154] 参考图8，示意性地描述了根据本发明实施方案的发动机系统410的非限制性实例的一些方面。在图8描述的实施方案中，描述了本发明实施方案的方面的多个特征、组件和它们之间的相互关系。然而，本发明不限于图8的具体实施方案以及在图8说明和本文描述的组件、特征和它们之间的相互关系。例如，本发明包括的其它实施方案，通过经由本发明附图和详述在本文明确和暗示地描述并在权利要求中阐述的原理来表明的本发明，可包括更多或更少数量的组件、特征和/或它们之间的相互关系，和/或可使用不同的组件和/或具有相同和/或不同性质的特征和/或它们之间的相互关系，其可用于执行相对于图8说明的与本文描述的那些类似和/或不同的功能。

[0155] 通过使用重整器产生氢(H2)作为氢辅助贫燃操作(hydrogen assisted lean operation)方案的一部分，将发动机系统410配置用于降低的NOx排放。发动机系统410包括发动机412和燃料输送系统414。在一种形式中，发动机412为内燃机，例如，火花点火活塞式发动机。在其它实施方案中，发动机412可采取其它形式，例如，燃气涡轮发动机，或另一种类型的往复式发动机。发动机412尤其包括空气入口416和燃烧室418。在多个实施方案中，进气系统416可通过压缩机（未显示）加压，例如，涡轮增压器、增压器和/或任何其它类型的压缩机。在一种形式中，燃烧室418为预燃烧室，其布置在一个或多个主燃烧室的上游并与一个或多个主燃烧室流体连通，例如活塞式燃烧室，或例如在燃气涡轮发动机燃烧室内或与其偶联的预燃烧区。在其它实施方案中，燃烧室18可为或包括一个或多个主燃烧室，例如，主要活塞式发动机燃烧室或主要燃气涡轮发动机燃烧室。

[0156] 在一种形式中，燃料输送系统414使用一些相同的组件来执行与以上对还原性气体发生器14所述相同或类似的功能，用于产生还原性气体或经重整的燃料，在此使用相同的附图标记（部件号码）来描述这些组件，与以上对还原性气体发生器14所述的那些一样。在其它实施方案中，还原性气体发生器414可包括以上对还原性气体发生器14所述的组件的仅一个或多个，和/或可包括以上对还原性气体发生器14未描述的组件。在一些实施方案中，以上对气体发生器14描述的任何相同组件可在还原性气体发生器414中提供相同和/或不同的功能。

[0157] 在一种形式中，燃料输送系统414为辅助燃料输送系统，其在发动机412运行期间将由发动机412消耗的的燃料的仅一部分输送到发动机412，而燃料余量通过主要燃料系统(未显示)提供。在其它实施方案中，燃料输送系统414可在发动机412运行期间供应由发动机412消耗的大部分或所有燃料。在一种形式中，燃料输送系统414包括燃料流量控制阀424，控制阀424操作用于从燃料源426、汇合室32和重整器34接收和调节燃料流。在一种形式中，燃料输送系统414使用以上对于图7说明和阐述的一个或多个再循环系统。在一种形式中，氧化剂系统430为上述氧化剂系统230的实施方案之一。在其它实施方案中，氧化剂系统430可为上述氧化剂系统30的实施方案之一。氧化剂系统430与汇合室30流体连通并配置用于将氧化剂供应到汇合室30，例如，如本文所述。在一种形式中，燃料源426为加压燃料源，例如和不限于压缩天然气(CNG)。在其它实施方案中，可使用其它燃料，例如其它烃燃料，经加压或未加压。当燃料源426未经加压时，可包括泵或压缩机用于加压从燃料源426接收的燃料。将燃料流量控制阀424配置用于控制提供到燃料输送系统414（或更特别地，到重整器34）的燃料的量。在实施方案中，当燃料源426未经加压时，燃料流量控制阀424可包括泵或压缩机或可为泵或压缩机。

[0158] 汇合室32与氧化剂系统430和燃料流量控制阀424的输出流体连通，并配置用于接收和组合燃料和氧化剂，和将包含燃料和氧化剂两者的进料混合物排出。提供到重整器34的氧:碳摩尔比（基本上与在预期操作条件下的体积比相同）可随应用的需要改变，可为（例如和不限于）0.5-2。氧化剂的相应氧含量可为（例如和不限于）5%-50%摩尔比（例如，体积比），例如，以上对氧系统230所述的。将重整器34配置用于接收进料混合物和用于将进料混合物重整为具有可燃物的经重整燃料，可燃物主要包括氢(H2)和一氧化碳(CO)，以及甲烷逸出，例如.25%-3%，和痕量的高级烃逸出，例如乙烷。经重整的燃料的总可燃物含量，与刚才上文的相应范围有关，可为（例如和不限于）接近0%-约80%的范围。在多个实施方案中，不同比例的其它气体可按不同的量包括在经重整的燃料内，例如，取决于供应到重整器34的进料流的氧化剂/燃料比率，包括（例如和不限于）氮(N2)、二氧化碳(CO2)，还有少量的蒸汽。汇合室32的形式可随应用的需要改变。例如，在一种形式中，汇合室32为将氧化剂流与燃料流连接的简单管道连接。在多个实施方案中，可使用构造用于将氧化剂流与燃料流组合（带有或者没有混合）的任何装置。在一些实施方案中，可使用混合室，例如，其具有旋流叶片以将流混合，例如，作为汇合室32的一部分或布置于汇合室32的下游。

[0159] 重整器34与汇合室32流体连通，并操作用于从汇合室32接收燃料和氧化剂。在一种形式中，重整器34为具有催化剂36的催化反应器。催化剂36可为适于用氧化剂重整气态烃燃料的任何催化剂。一些适合的催化剂包括（例如和不限于）包括VIII族贵金属例如Pd、Pt、Rh、Ir、Os和Ru的活性物质。载体可与催化剂一起使用，例如，高表面积载体，包括（例如和不限于）稳定化的氧化铝、氧化锆和/或二氧化硅-氧化铝。还可使用催化剂载体，例如和不限于在固定床装置中的丸粒，或经涂布的整体式或蜂窝状载体，例如，由金属或耐热材料形成。一个适合的耐热材料为堇青石。在一个具体形式中，重整器34为催化部分氧化(CPOX)重整器，其配置用于使用催化剂36用氧化剂重整燃料。在其它实施方案中，可使用其它类型的重整器。燃烧室418与重整器34流体连通。温度传感器438布置于重整器34下游。将温度传感器438配置用于感测经重整燃料在其退出重整器34之后的温度。传感线路440将温度传感器438电偶联至燃料流量控制阀424。在其它实施方案中，传感线路440可为光学或无线连接。将燃料流量控制阀424配置用于控制供应到重整器34的燃料的量，基于离开重整器34的气体（例如，经重整的燃料）的温度。

[0160] 在多个实施方案中，燃料输送系统414包括一个或多个另外的组件，其可包括一个或多个冷却器442，例如和不限于液体冷却或空气冷却的换热器，配置用于降低离开重整器34的经重整燃料的温度；连接点444；止回阀446；连接点448；止回阀450；阀451；阀452；阀
453；阀454；阀460，例如和不限于背压式调节阀；压缩机462，其配置用于压缩离开阀460的经重整燃料；冷却器464，例如和不限于液体冷却或空气冷却的换热器，其配置用于降低离开压缩机462的经重整燃料的温度；起动加热系统67和一个或多个加热器80。将冷却器442配置用于降低重整器34的经重整燃料输出的温度。在一种形式中，冷却器442为换热器，其通过发动机412冷却剂冷却。在其它实施方案中，冷却器442可为空气冷却换热器，或可为一个或多个其它类型的冷却系统。在如此装备的实施方案中，燃烧室418与冷却器442流体连通，并配置用于从冷却器442接收冷却的经重整燃料。

[0161] 在一些实施方案中，重整器34的操作压力可由阀460设置。在其它实施方案中，到燃烧室18的经重整气体的输送压力的期望范围比可由重整器34提供的更高。在一些实施方案中，可包括压缩机462以将经重整气体的压力增加到期望范围内以输送到燃烧室18。此外，在一些实施方案中，可使用冷却器464来将经重整气体的温度降低到期望范围内以输送到燃烧室18。在其它实施方案中，可不使用压缩机462和冷却器464之一或两者。

[0162] 发动机空气入口416与阀452流体连通，其与重整器34和冷却器442经由阀451和连接点444流体连通。连接点444操作用于允许由重整器34排出的经重整燃料的一些或全部从燃烧室418排出并将经重整燃料的排出量经由阀451和452引导至另一个位置，例如至发动机空气入口416，至发动机排气装置(未显示)，至大气或至另一个排出位置，包括装置或应用。

[0163] 在一种形式中，阀451和453为闸阀。在其它实施方案中，阀451和453的一个或两者可为一个或多个任何类型的能选择性地允许或阻止流动的阀。在一种形式中，阀452为背压式调节阀。在其它实施方案中，阀452可为一个或多个任何类型的阀。

[0164] 阀454与燃料供应426和连接点448流体连通。连接点448与燃烧室418经由止回阀450流体连通。将阀454配置用于选择性地将未重整的燃料提供至燃烧室418。将止回阀446配置用于阻止未重整燃料向连接点444回流，从而阻止未重整燃料向重整器34和阀451和
452回流。将止回阀450配置用于阻止从燃烧室418至燃料输送系统414内的回流。将阀451和
453配置用于选择性地分别允许或阻止经重整燃料流到燃烧室418和空气入口416内（或在其它实施方案中的其它位置）。

[0165] 起动加热系统67与汇合室32流体连通，并配置用于将从汇合室32接收的进料混合物加热至足够的温度，以在燃料和氧化剂暴露于重整器34中的催化剂36时实现燃料和氧化剂的催化自燃，以起动重整器34。起动加热系统67包括具有阀部件70和阀部件72的起始控制阀69；和进料混合物加热器74。在一种形式中，阀部件70和72为组合的阀部件或系统的部分。阀部件70和72的入口在汇合室32的下游并流体偶联至汇合室32。阀部件70的出口流体偶联至重整器34，用于将进料混合物提供到重整器34的催化剂36。阀部件72的出口流体偶联至进料混合物加热器74的入口。在一种形式中，起始控制阀69为三通阀，其操作阀部件70和72以将进入阀69的流从汇合室32直接地和/或经由进料混合物加热器74引导进入催化反应器34。或者认为可使用其它阀装置，例如一对单独的起始控制阀，来代替具有阀部件70和72的起始控制阀69。

[0166] 进料混合物加热器74包括加热体76和布置为与加热体76邻接的流动盘管78。进料混合物加热器74的出口流体偶联至重整器34，用于将经加热的进料混合物提供到催化剂36。在正常操作模式下，阀部件70和72将所有进料混合物直接引导到重整器34。在起动模式下，将进料混合物引导通过进料混合物加热器74，经过流动盘管78，然后由加热体76加热。
在一种形式中，将所有进料混合物引导经过进料混合物加热器74，但是在其它实施方案中，可加热更少的量，和可将一些进料混合物直接从汇合室32通到重整器34。

[0167] 将进料混合物加热器74配置用于通过加热从进料混合物加热器74提供到催化反应器34的进料混合物来“点燃”催化反应器34的催化剂36（引发燃料和氧化剂的催化反应）。在一种形式中，通过进料混合物加热器74将进料混合物加热到进料混合物的催化自燃温度以上的预热温度（催化自燃温度为经催化剂例如催化剂36引发反应的温度）。一旦点燃催化剂36，发生在催化剂36的放热反应将催化反应器34的温度保持在受控水平，基于供应到催化剂36的燃料和氧化剂的量。此外，一旦点燃催化剂36，可不必再加热进料混合物，在此情况下，将阀部件70和72布置用于将所有进料混合物直接引导至催化反应器34，绕过进料混合物加热器74。在一些实施方案中，当发动机12未操作但需要快速起动时，可将进料混合物加热器74保持在“开”的位置。

[0168] 将加热器80布置为与催化反应器34邻接，并配置用于加热催化剂36。在一种形式中，还将加热器80配置用于将催化剂36保持在预热温度，所述预热温度处于或高于供应到反应器34的进料混合物的催化自燃温度。可在发动机12未操作但是需要快速起动时的时间内保持该预热温度。一些实施方案可使用起动加热系统67和加热器80中任一个或两者。在其它实施方案中，或者认为可使用另一个加热器82，作为起动加热系统和加热器80的替代或补充，例如，在催化反应器34上游侧邻接布置的加热器82。可使用这种排布来将热量更直接地供应到催化剂36，以在催化反应器34的上游部分引发进料混合物的催化反应。

[0169] 在一种形式中，加热器74、80和82为电加热器，但是或者认为在其它实施方案中，可使用间接或直接式燃烧加热器，作为电加热器的补充或替代。此外，尽管本实施方案使用进料混合物加热器74和加热器80两者来快速点燃催化剂上的进料混合物，但或者认为在其它实施方案中，可使用仅一个这种加热器，或可使用更大数量的加热器。

[0170] 运行期间，从氧化剂系统430向汇合室32排出氧化剂。将燃料从燃料供应426经由阀424输送到汇合点，阀424控制燃料的流速。氧化剂和燃料在汇合室32组合，并被引导至重整器34。在发动机系统410的起动周期期间，将加热体76激活，并通过控制系统(未显示)将阀部件70和72激活，来引导燃料和氧化剂经过进料混合物加热器74。在多个实施方案中，可将一些或所有的燃料和氧化剂进料流引导经过进料混合物加热器74。加热体76将热量添加到进料流，以将它的温度提高到催化自燃温度，即，足以使进料流在与催化剂36接触时催化自燃的温度。催化自燃温度可随使用的催化剂类型和催化剂的寿命改变。例如，使用一些催化剂，例如本文提到的那些中的至少一些，催化自燃温度在催化剂寿命开始时可为300℃，但是接近催化剂寿命末尾时可为450℃。在多个实施方案中，可使用一个或多个加热器80和82来将催化剂和/或进料流加热到足以使进料流催化自燃的温度。

[0171] 在重整器34中使用催化剂36重整燃料和氧化剂。温度传感器438感测离开重整器36的经重整燃料的温度。将来自温度传感器438的温度数据经由传感线路440传输到流量控制阀424。阀424基于感测的温度控制燃料流量，并从而控制氧化剂/燃料混合物，由此将催化剂436保持在期望的温度。然后将离开重整器34的经重整燃料通过冷却器442冷却和经由连接点444和448以及止回阀446和450排出到燃烧室418。

[0172] 在一些情况下，例如发动机系统410的冷起动，可期望通过将未重整燃料供应到燃烧室418来起动发动机412，然后在重整器34达到重整燃料的能力时从未重整燃料转变为经重整的燃料。例如，在一些情况下，经由流量控制阀454将燃料从燃料供应426供应到燃烧室。可在发动机12起动之前、期间或之后起动重整器34，使用起动加热系统67和加热器80和82中的一个或多个，例如，取决于实施方案和具体应用的需要，和具体起动周期的需要，例如，冷起动相对于热起启。阀424、452和454形成阀系统，该阀系统配置用于在以下之间转换：供应到燃烧室18的100%未重整燃料和0%经重整燃料与供应到燃烧室18的0%未重整燃料和100%经重整燃料。当重整器34起动时，例如能够使进料混合物催化自燃时，通过控制系统(未显示)控制，阀424、452和454先按未重整燃料的形式供应100%的输送到燃烧室18的燃料，具有0%经重整燃料；然后转换到将100%经重整燃料和0%未重整燃料供应至燃烧室418。
在一种形式中，转换为逐渐的连续过程。在其它实施方案中，转换可为突然转换或逐步转换。在任一情况下，在转换期间，在一些实施方案中，可将过量的经重整燃料排出，例如，到发动机空气入口416，绕过燃烧室18，例如直到完全转换为100%经重整燃料供应到燃烧室。
在其它实施方案中，在起动周期期间，阀424、452和454可调整经重整和未重整的燃料的流量，不产生过量的经重整燃料。在起动周期期间，在转变为用经重整的燃料供应燃烧室418之前、期间和之后，可改变氧化剂系统430的输出以控制氧化剂的流速。氧化剂系统430的输出还可在发动机412正常运行期间相应于经重整燃料的需求而改变。

[0173] 在一种形式中，在发动机412正常运行期间，例如，在发动机412已经起动和已经达到稳态运行之后，用100%经重整燃料供应燃烧室418。在其它实施方案中，可将经重整燃料和未重整燃料的混合物供应到燃烧室418。

[0174] 在多个实施方案中，燃料输送系统414控制经重整燃料的输出，通过使用控制系统(未显示)改变氧化剂系统430的输出以及改变由阀424输送的燃料的量。

[0175] 在一些实施方案中，对于发动机412，期望快速改变操作点，例如，以相当快速地从低功率转换到高功率或从高功率转换到低功率。在特定的发动机412配置能比特定的燃料输送系统414最大响应速率更快速地改变操作点的情况下，可将燃料输送系统414的一些实施方案配置用于在特定的操作点或操作点范围产生过量的经重整燃料，以提供操作余量。在这些实施方案和情况中，可将过量经重整燃料排出，例如，经由阀452到空气入口416，绕过燃烧室418。在这些实施方案中，在重整器34和空气入口416之间流体连通的阀452配置用于控制到燃烧室418的经重整燃料的流量，通过将经重整燃料的一部分绕行到空气入口
416，从而将经重整燃料流的那部分从燃烧室418转移。

[0176] 在一些实施方案中，将阀452配置用于提高经重整燃料的排出量，与发动机功率输出的减少相对应；和配置用于减少经重整燃料的排出量，与发动机功率输出增加相对应。因此，例如，如果命令发动机412输出增加，则排出到空气入口416的经重整燃料的流量将由阀452在控制系统(未显示)的引导下减少，从而增加输送到燃烧室418的经重整燃料的量。另一方面，如果命令发动机412输出减少，则排出到空气入口416的经重整燃料的流量将由阀
452在控制系统的引导下增加，从而减少输送到燃烧室418的经重整燃料的量。因此，经重整燃料供应到燃烧室418的部分相对于经重整燃料供应到空气入口416的部分的比率可改变，使得燃料输送系统414能更快速地响应于发动机412的操作点(例如，功率输出)变化，而且在一些实施方案中对催化剂36没有不利影响，例如，以其它方式，通过比燃料输送系统414可易于响应更快速地尝试跟随对经重整燃料的需求，造成偏离设计的瞬变条件（会有不利影响）。在一些实施方案中，通过避免偏离设计的瞬变条件，在偏离设计的瞬变条件下运行对催化剂36寿命的不利影响可减少或消除。此外，在一些实施方案中，通过控制经重整燃料排出到例如空气入口416的流量以更快速地响应变化需求的能力可提高燃料输送系统414响应它变化条件的能力，例如在燃料组成、湿度或发动机或发动机系统部件输出方面的改变。

[0177] 在一些实施方案中，可期望限制供应到空气入口416的经重整燃料的量，在此情况下，在所选的发动机412操作点处或以上，可将燃料输送系统414配置用于不将经重整的燃料供应到空气入口16。在一些实施方案中，这可为发动机的最大功率操作点，在该操作点以下，经由阀452将经重整的燃料供应到空气入口416，例如，与发动机412的输出成比例，在更低的功率点，有更大量的经重整燃料提供到空气入口416。在其它实施方案中，在其它所选的发动机412操作点处或以上，可将燃料输送系统414配置用于不将经重整的燃料供应到空气入口416。在一些实施方案中，例如，一旦达到稳定的发动机运行，可将燃料输送系统配置用于减少或终止经重整燃料流动到空气入口16。在这些实施方案中，可将阀451关闭以保证过量还原性气体的流动不发生。

[0178] 本发明的实施方案包括一种操作发动机的方法，其包含：向所述发动机的燃烧室提供燃料；使用所述燃料起动所述发动机；不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；起动重整器，其中将所述重整器配置用于使用所述氧化剂重整至少一些所述燃料；将供应燃料到所述燃烧室转换为供应经重整的燃料；和提供仅经重整的燃料到所述燃烧室。

[0179] 在一个改进中，所述燃烧室为预燃烧室。

[0180] 在另一个改进中，所述转换在所述重整器已经达到催化自燃温度后进行。

[0181] 在又一个改进中，所述发动机为内燃机。

[0182] 在又一个改进中，所述燃料为天然气。

[0183] 在又一个改进中，所述重整器为催化部分氧化(CPOX)重整器。

[0184] 本发明的实施方案包括一种操作发动机的方法，其包含：不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；操作重整器以使用所述氧化剂重整燃料；在发动机运行期间，将所述经重整的燃料的第一部分供应到所述发动机的燃烧室；将所述经重整的燃料的第二部分排出；其中所述第一部分和所述第二部分以第一比率供应到相应的燃烧室和排出位置；改变发动机操作条件；和将所述第一部分和所述第二部分以第二比率供应到相应的燃烧室和排出位置，与所述发动机操作条件的变化相对应。

[0185] 在一个改进中，所述燃烧室为预燃烧室。

[0186] 在另一个改进中，所述发动机为内燃机。

[0187] 在又一个改进中，所述燃料为天然气。

[0188] 在又一个改进中，在所选发动机操作点处或以上，不将经重整的燃料供应到所述排出位置。

[0189] 在又一个改进中，所述所选发动机操作点为最大功率操作点。

[0190] 在又一个改进中，所述重整器为催化部分氧化(CPOX)重整器。

[0191] 本发明的实施方案包括一种发动机系统，其包含：发动机；氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；与所述氧化剂系统和燃料源流体连通的重整器，其中将所述重整器配置用于接收所述氧化剂和从所述燃料源接收的燃料，并重整所述燃料；与所述重整器流体连通的冷却器，其配置用于降低所述重整器的经重整燃料输出的温度；和与所述冷却器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将所述燃烧室配置用于从所述冷却器接收所述冷却的经重整燃料。

[0192] 在一个改进中，所述重整器为催化部分氧化(CPOX)重整器。

[0193] 在另一个改进中，所述燃烧室为预燃烧室。

[0194] 在又一个改进中，所述发动机为活塞式发动机。

[0195] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含压缩机，所述压缩机配置用于将所述还原性气体的压力提高到所述燃烧室的压力以上。

[0196] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含发动机空气入口和在所述重整器和所述空气入口之间流体连通的阀，其中将所述阀配置用于通过排出所述经重整燃料的一部分到所述空气入口来控制所述经重整燃料到所述燃烧室的流量。

[0197] 在又一个改进中，将所述阀配置用于提高所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出减少相对应；且其中将所述阀配置用于减少所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出增加相对应。

[0198] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含阀，所述阀配置用于控制供应到所述重整器的燃料的量。

[0199] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含温度传感器，所述温度传感器配置用于感测离开所述重整器的经重整燃料的温度，其中将所述阀配置用于根据离开所述重整器的经重整燃料的温度来控制供应的燃料的量。

[0200] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含阀系统，所述阀系统配置用于在以下之间转换：供应到所述燃烧室的100%未重整燃料和0%经重整燃料与供应到所述燃烧室的0%未重整燃料和100%经重整燃料。

[0201] 在又一个改进中，所述重整器包括催化剂，还包含加热系统，所述加热系统配置用于在所述发动机起动之前、期间或之后加热所述催化剂到催化自燃温度。

[0202] 本发明的实施方案包括一种发动机系统，其包含：发动机；氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内；和阀系统，其配置用于在以下之间转换：供应到所述燃烧室的100%未重整燃料和0%经重整燃料与供应到所述燃烧室的0%未重整燃料和100%经重整燃料。

[0203] 本发明的实施方案包括一种发动机系统，其包含：发动机；氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内；发动机空气入口；和在所述重整器和所述空气入口之间流体连通的阀，其中将所述阀配置用于通过排出所述经重整燃料的一部分来控制所述经重整燃料到所述燃烧室的流量。

[0204] 在一个改进中，将所述阀配置用于提高所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出减少相对应；且其中将所述阀配置用于减少所述经重整燃料的排出量，与发动机功率输出增加相对应。

[0205] 在另一个改进中，将所述阀配置用于转换至所述经重整燃料的零排出流量。

[0206] 本发明的实施方案包括一种发动机系统，其包含：发动机；氧化剂系统，其配置用于提供氧化剂，和配置用于提供具有超过环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量，其中将所述氧化剂系统配置用于不使用储存的氧而提供所述氧化剂；重整器，其配置用于接收所述氧化剂和燃料，并使用所述氧化剂重整所述燃料；和与所述重整器流体连通的所述发动机的燃烧室，其中将经重整的燃料接收入所述燃烧室内。

[0207] 在一个改进中，所述燃烧室为预燃烧室。

[0208] 在另一个改进中，还将所述氧化剂系统配置用于提供具有低于环境大气空气氧含量的值的氧化剂氧含量。

[0209] 在又一个改进中，所述发动机系统进一步包含阀，所述阀配置用于控制所述重整器的操作压力。

[0210] 本发明的实施方案一种操作发动机的方法，其包含：不使用储存的氧，供应氧含量大于环境空气氧含量的氧化剂；操作重整器，其中将所述重整器配置用于使用所述氧化剂重整燃料；和将经重整的燃料从所述重整器提供到燃烧室。

[0211] 在一个改进中，所述燃烧室为预燃烧室。

[0212] 在另一个改进中，所述方法进一步包含供应氧含量小于环境空气氧含量的氧化剂。

[0213] 虽然已经结合目前认为最实用和优选的实施方案来描述本发明，但应理解本发明不限于公开的实施方案，而是相反地，其旨在覆盖包括在所附权利要求的宗旨和范围内的各种修改和等价安排，所述范围与最宽泛的解释一致，以在法律允许下包含所有这些修改和等价结构。此外应理解，虽然在以上描述中使用单词“可优选”、“优选地”或“优选的”表明可能更期望如此描述的特征，但是其可能不是必要的，而且缺乏所述特征的任何实施方案可预期在本发明的范围内，所述范围由下文权利要求限定。在阅读权利要求时，预期当使用词语例如“一个”、“至少一个”和“至少一部分”时，不旨在将权利要求限制为仅一个物品，除非在权利要求中明确声明相反情况。此外，当使用用语“至少一部分”和/或“一部分”时，所述物品可包括一部分和/或整个物品，除非明确声明相反情况。

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