[发明专利]氢气产生器系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种氢气产生器系统(hydrogen generation system)，且特别是涉及一种可以作为高分子电解质燃料电池(Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC)发电系统所需的燃料的氢气产生器系统。

【背景技术】

高分子电解质燃料电池应用于分布式定置型发电系统、可携式发电系统、或电动汽车动力系统，已是明确的产业趋势。无论是于分布式定置型发电系统或可携式发电系统，都会运用既有的燃料供应网，通过燃料重整器(Reformer)将化石燃料转换成一氧化碳(CO)浓度低于20ppm的富氢重整气，供应高分子电解质燃料电池发电系统所需的燃料。

一般设计的燃料重整器系统包括：燃料转换成重整气的重整反应、水煤气变换(Water gas-shift，WGS)反应、选择性氧化(Preferential oxidation，PrOX)反应以及阳极废氢气氧化与反应进料水汽化等单元，其反应后气体温度分别约为250～600℃(视燃料种类而定)、200～300℃、100～200℃以及400℃以上。最终产生的重整气再经由冷却至适当温度，通往燃料电池发电机组。

有关燃料重整器系统的专利，多是偏向于如何改善其各单元反应的排列、如何提高热回收效益、以及如何提高燃料转换成重整气的效率、以及如何研发反应性更佳的各单元反应催化剂。

然而，当前的系统仍存在重整气中的CO浓度不稳定及CO浓度超过警戒值的问题，亟待解决。

【发明内容】

本发明提供一种氢气产生器系统，可简化整体燃料重整器系统设计与操作，以不影响系统整体热能转换为原则，又可同步提高水煤气变换(watergas-shift，WGS)反应及选择性氧化(preferential oxidation，PrOX)反应对于CO的转化率。

本发明提出一种氢气产生器系统，包括一个重整反应单元、一个水煤气变换反应(WGS)单元、一个降温除水且能自我升温的装置和一个选择性氧化(PrOX)反应单元。其中，重整反应单元用以将燃料转换成重整气，而水煤气变换反应单元则对来自重整反应单元的重整气进行水煤气变换反应。至于降温除水且能自我升温的装置则用以降低来自上述水煤气变换反应单元的重整气的水蒸汽(steam，S)浓度。选择性氧化反应单元则对来自降温除水且能自我升温的装置的重整气进行CO选择性氧化反应。

在本发明的一实施例中，经上述选择性氧化反应单元所输出的重整气为CO浓度低于20ppm以下的富氢气体，可以作为燃料电池(Fuel Cell)发电系统所需的燃料。

在本发明的一实施例中，上述燃料包括化石燃料或再生能源。其中，化石燃料譬如天然气、甲醇、酒精、液化石油气(liquefied petroleum gas，LPG)、煤油或柴油。再生能源则例如厌氧反应产生的甲烷或生物质发酵产生的酒精。

在本发明的一实施例中，上述降温除水且能自我升温的装置包括一个冷凝装置，其中冷凝装置与水煤气变换反应单元相连，用以将来自水煤气变换反应单元的重整气冷凝至60℃～80℃。

在本发明的一实施例中，上述降温除水且能自我升温的装置包括一个含内管与外管的双套管以及一个冷凝蛇管。其中，冷凝蛇管位于双套管的内管内，以使来自水煤气变换反应单元的重整气由上述内管进入而被冷凝蛇管冷凝至60℃～80℃，再经上述外管回温至100℃～150℃。

在本发明的一实施例中，上述降温除水且能自我升温的装置包括一个含内管与外管的双套管以及一个热导管。其中，热导管位于双套管的内管内，以使来自水煤气变换反应单元的重整气由上述内管进入而被热导管冷凝至60℃～80℃，再经上述外管回温至100℃～150℃。

在本发明的一实施例中，上述水煤气变换反应单元包括一段式反应单元或两段式反应单元。其中，两段式反应单元包括一个高温水煤气变换反应单元和一个低温水煤气变换反应单元。

在本发明的一实施例中，上述重整反应单元包括蒸气重整反应单元或自热式重整反应单元。

在本发明的一实施例中，上述氢气产生器系统还包括一个阳极废氢气氧化单元，用以将废氢气提供给上述重整反应单元作为能源。其中，阳极废氢气氧化单元例如单独存在或置于重整反应单元的内管。

在本发明的一实施例中，上述氢气产生器系统还包括一个反应进料燃料预热及水汽化单元，用以将预热的燃料及水蒸汽提供给上述重整反应单元。

在本发明的一实施例中，上述氢气产生器系统还包括一个重整气温度调节控制单元，以调节来自选择性氧化反应单元的重整气的温度。