[发明专利]具有氢气缓冲的燃料电池燃料处理器

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，其组合用于产生在燃料电池中使用的 氢的烃燃料处理器。尤其是，本发明改进了这种系统的启动和瞬态特性， 所述系统特别是被设计用于受限空间例如“车载”交通工具的系统。

背景技术

可在燃料处理器例如蒸汽重整器、部分氧化反应器或者自热重整器中 从烃制备氢，并且已经提出了组合这些烃燃料处理器的燃料电池系统。

在蒸汽重整的情况下，蒸汽与含烃原料反应产生富氢合成气体。以甲 烷为例，通常的化学计量为：

CH₄+H₂O→CO+3H₂             (1)

通常，使用过量的蒸汽以使平衡向右移动。当用于氢制造时，过量蒸 汽同样能增加水气变换反应：

CO+H₂O→CO₂+H₂              (2)

因为反应的高吸热性，蒸汽重整通常在催化剂填充的管中进行，这些 管位于所占空间体积远大于管体积的炉中。这种常规蒸汽重整器的大尺寸 为限制其在受限空间燃料电池例如车载交通车辆中使用的一个因素。

气相部分氧化烃以产生氢包括向燃烧炉中供给烃和不足化学计量的 氧，在燃烧炉中其燃烧产生合成气体混合物。以甲烷为例，理想气体相部 分氧化反应为：

CH₄+1/2H₂O→CO+2H₂           (3)

然而，气相反应动力学趋向于过氧化一些原料，导致产生过热和大量的 H₂O、CO₂、未反应的烃和煤烟。由于这些原因，当气相部分氧化化学作 用施加至清洁原料时，优选向原料中加入蒸汽并向气相部分氧化反应器容 器中加入蒸汽重整催化剂床。气相部分氧化和蒸汽重整的结合称作自热重 整。

在自热重整过程中采用氧源例如空气，其产生使气体更不适合用于受 限空间中的燃料电池的氮稀释合成气体。

Sederquist(美国专利4,200,682、4,240,805、4,293,315、4,642,272和 4,816,353)公开了一种蒸汽重整过程，其中通过在循环的燃烧和重整阶段 之间循环在催化剂床中产生重整热。

如Sederquist所述，重整床中高质量的热量回收产生约97％的理论效 率。然而，这些专利描述了一个在极低生产率下运行的过程，而空速约为 100hr^-1(按C₁等价物料)。另外，此过程要求压缩机将产物合成气体压缩 至高压。Sederquist低空速的一个后果为导致高热损失，这限制了该技术 实现理论高效率的能力。

在2004年1月13日提交的美国专利申请10/756,647中描述了一种燃 料电池系统，这种系统结合了从含烃燃料制备氢的高效和高产出过程，称 作“变压重整”或者“PSR”，该专利在此引用作为参考。在2003年6月 10日提交的公开美国专利申请2003/0235529中描述了PSR，其也在此引 用作为参考。

PSR为循环的两步过程，其中在第一重整步骤中，将含烃原料和蒸汽 一起送入含重整催化剂的第一区入口。在重整步骤中，沿重整催化剂的温 度梯度的峰值温度从大约700℃到2000℃。在引入反应物时，烃在第一区 中重整为合成气体。可以以较高的压力进行此重整步骤。合成气体然后从 第一区送至第二区，在第二区通过将其热量传送至第二再生区中的填充材 料而冷却气体。

当气体引入第二区入口时再生步骤开始。通过回收区的填料中的积存 热量加热该气体。另外，含氧气体和燃料在两个区的交界面附近燃烧，产 生一种经过整个第一区的热烟道气体，因此再加热所述区至足够高的温度 以重整原料。一旦完成再生热量，则循环即完成，并且再次开始重整。

因为PSR在紧凑空间内产生较高压力氢的效率以及和其它氢制备方 法相比反应成本较低，因此将PSR集成在燃料电池系统中特别有利。