[发明专利]燃料处理器及其运行方法和具有该处理器的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料处理器，其包括利用气体燃料或液体燃料产生用于燃料电池的氢的重整器、用于降低由重整器产生的副产品的CO的浓度的转换反应器、及优选氧化(PROX)反应器。更具体地说，涉及一种具有用于重整器的可移动燃烧器的燃料处理器。本发明还涉及这种燃料处理器的运行方法和具有这种燃料处理器的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种通过氧和包含在如甲醇、乙醇或天然气之类的烃类材料中的氢之间的化学反应将化学能直接转化成电能的发电系统。

燃料电池系统包括作为主要部件的燃料电池堆和燃料处理器，以及作为辅助部件的燃料箱和燃料泵。燃料电池堆具有由几个到几十个单元电池叠置的结构，其中，每一单元电池包括膜电极组件(MEA)和隔板。

燃料处理器通过重整燃料产生氢，并将所产生的氢供给燃料电池堆。在燃料电池堆中，氢与氧发生电化学反应以产生电能。燃料处理器利用催化剂对碳氢化合物进行重整。若碳氢化合物含有硫的化合物，催化剂很容易因为硫的化合物而中毒。因此，在燃料处理器中对碳氢化合物进行处理之前，需要从碳氢化合物中除去硫的化合物。据此，在碳氢化合物被送入燃料处理器之前，应对碳氢化合物进行脱硫处理。

对碳氢化合物进行重整时产生氢，同时也产生二氧化碳和少量一氧化碳(CO)。而CO可使燃料电池堆中电极的催化剂层的催化剂中毒。因此，在将燃料供给燃料电池堆前必需使重整后的燃料经过去除CO的工艺处理。可将供给燃料电池堆的燃料中的CO含量减少到低于10ppm。

通常，可利用高温转换反应(shift reaction)和低温转换反应根据反应式1去除CO。

[反应1]

CO+H₂O→CO₂+H₂

高温转换反应在400至500℃的温度下进行，而低温转换反应在200至300℃下进行。但是，虽然燃料经过了这些转换反应，燃料中的CO浓度仍保持在约5000ppm的水平。

为了将CO的浓度降低到10ppm的水平，可利用PROX{优选氧化(preferential oxidation)}反应(反应2)和甲烷反应(反应3)。

[反应2]

CO+1/2O₂→CO₂

[反应3]

CO+3H₂→CH₄+H₂O

图1示出了包括燃料处理器的传统燃料电池系统的配置。

参考图1，在使用气体燃料的燃料电池系统中，气体燃料从气体燃料箱10被供给重整器40和重整器燃烧器30。由于城市煤气中含硫，进入重整器40的如城市煤气之类的气体燃料需要脱硫器14以便脱硫。经过脱硫器14的城市煤气的含硫量应低于10ppm。

重整器燃烧器30加热重整器40，以将重整器40维持在约750℃的温度。由重整器燃烧器30燃烧的气体通过第一和第二热交换器71和72被排放到外侧。

液体泵22将来自水箱20的水供给重整器40。由液体泵22供给重整器40的水经过第一和第二热交换器71和72时预热。

在重整器40中，随着氢一道产生一氧化碳。转换反应器60将产生的燃料中的CO浓度降低到预定水平，例如，降到5000ppm或更低，而且燃料中的CO浓度在PROX反应器65处被降到低于10ppm，然后将经过PROX反应器65的燃料供给燃料电池堆50。

重整器燃烧器30对重整器40进行加热，同时利用燃烧气体使转换反应器60的温度保持在预定温度，例如，保持在250℃。重整器燃烧器30加热燃烧室的内部空间(见图2)和连结在燃烧室表面上的重整器。通常，重整器燃烧器30被固定于燃烧室处。

但是，当供给燃料电池堆50的氢量增加时，由于重整器40中负载增加，重整器40的温度降低。因此，为了保持重整器40的温度处于预定温度，使供给重整器燃烧器30的燃料量增加。重整器燃烧器30中的燃料量的增加使火焰范围增大，而火焰范围增大可能损坏燃烧室。同时，供给重整器燃烧器30的燃料量的增加可能导致燃烧室内燃烧效率降低。

此外，若供给燃料电池堆50的氢量减少，则重整器燃烧器30的负载减小。据此，供给重整器燃烧器30的燃料量减少。然而，若重整器燃烧器30在燃烧室中的位置不是最合适的话，不能有效地将热量传给重整器催化剂，由此可降低燃烧室内的燃烧效率。

发明内容