[发明专利]氢产生装置和包含氢产生装置的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种氢产生装置，其使用催化剂通过重整反应来交替地产生氢，并通过再生反应来使催化剂再生。再生反应通过加热催化剂来使催化剂再生，以用于进行下一次重整反应。本发明还涉及一种包含这种氢产生装置的燃料电池系统。

背景技术

在电动车辆中，燃料电池被用作功率源。因此需要提供用于在燃料电池中发电的氢或者用于产生氢的反应物。

在提供氢本身的情况下，以以下的方式来储存氢：(i)将氢气压缩并储存在高压容器中，(ii)将氢气液化并储存在罐中，或者(iii)使用储氢合金或者吸氢剂来提供氢。当氢气如(i)所述储存在高压容器中时，由于容器的厚壁和较小的内部容积，仅可以在高压容器中储存少量的氢。当如(ii)所述储存液化的氢时，液化的氢的一部分由于蒸发而损耗，并且大量的能量消耗在氢的液化上。当如(iii)所述使用储氢合金或者吸氢剂来提供氢时，存储的氢的密度通常小于驱动电动车辆所需的密度。此外，对氢的储存、吸收等的控制很困难。

在提供诸如甲醇和汽油之类的反应物的情况下，可以使用反应物通过蒸汽重整反应来产生氢气。但是，因为重整反应是吸热反应，所以需要提供热源。在系统中设置电加热器等作为热源降低了整个系统的能源效率。此外，该系统必须能够在车辆运行的各种环境条件下提取出驱动车辆所需氢的量。

目前，技术上还没有提供用于供应氢的方法。但是，因为预期氢将用在越来越多的装置中，所以需要提供用于供应氢的方法。

作为与上述相关的一种技术，美国专利申请公开No.2004/0175326描述了一种包含重整装置的燃料电池系统，在所述重整装置中交替进行重整反应和再生反应。重整反应是使用反应物基于催化剂来进行的吸热反应。因为重整反应是吸热反应，所以当使用催化剂来进行重整反应时催化剂的温度将降低。再生反应是能够增加催化剂温度的放热反应。

日本专利申请公开No.2004-146337描述了一种燃料电池系统，其包括使用氢可渗透材料的燃料电池，并在高温范围内发电。此外，例如美国专利申请公开No.2004/0170558、美国专利申请公开No.2004/0170559和美国专利申请公开No.2003/0235529描述了与重整装置相关的技术。

在这样的燃料电池系统中，催化剂用在重整器、燃料电池的电极等中。因此，如果供应的反应物或者产生的氢气中的杂质(例如烟灰、硫化物和氮化物)蓄积在重整器中，则重整器的气体通道中的阻抗增大，并且催化剂劣化。结果，催化剂不能有效地工作。此外，如果含有杂质的氢气供应到燃料电池中，则燃料电池的电极劣化，并且发电的能力降低。

特别地，在包含有交替地进行重整反应和再生反应的重整器的燃料电池系统中，需要减少反应物或者产生的氢气中的杂质。

发明内容

本发明提供了一种氢产生装置，其中，催化剂没有劣化并且产生的含氢气体具有较少的杂质。本发明提供了一种使用上述氢产生装置的燃料电池系统。

本发明涉及一种交替进行重整反应和再生反应的氢产生装置，并涉及一种使用上述氢产生装置的燃料电池系统。蒸汽重整反应是吸热反应，并使用反应物来进行。再生反应是放热反应。再生反应增大了由于蒸汽重整反应已经降低的催化剂温度，以恢复通过重整反应在催化剂上产生氢的效率。

根据本发明的氢产生装置包括一对重整器；移除装置和控制装置。所述一对重整器中的每个包括催化剂。在各个重整器中，进行重整反应以利用反应物在催化剂上产生含氢气体，并且利用放热材料进行放热反应以加热并恢复催化剂。移除装置设置在所述一对重整器中的至少一个中。控制装置进行控制，使得所述反应物和所述放热材料交替供应到各个重整器中，由此在各个重整器中交替进行重整反应和放热反应。

根据本发明的重整反应包括如下的作为吸热反应的蒸汽重整反应和作为放热反应的部分氧化反应。

CnH_2n+2+nH₂O→(2n+1)H₂+nCO(1)

CnH_2n+2+(n/2)O₂→(n+1)H₂+nCO(2)

CO+H₂O＜＝＞CO₂+H₂(3)

CO+3H₂＜＝＞CH₄+H₂O(4)

在根据本发明的重整反应中，主要进行由上述表达式(1)表示的蒸汽重整反应。