CN101079491A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有可移动的燃烧器的燃料处理器，其包括燃烧室、一部分被设置在燃烧室内侧的重整器燃烧器、被燃烧室的热量加热的重整器、使重整器燃烧器相对于燃烧室移动的燃烧器移动装置。本发明还公开了这种燃料处理器的运行方法及具有这种燃料处理器的燃料电池系统。采用本发明的具有可移动的重整器燃烧器的燃料处理器可提高重整器燃烧器的燃烧效率并能保护燃烧室。

Description

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
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
本发明的目的是提供一种具有可移动的燃烧器的燃料处理器，以提高燃烧室中的燃烧效率，并根据燃料处理器的重整器的条件通过移动重整器燃烧器的位置来保护燃烧室免受火焰的影响。
本发明的另一目的是提供一种运行所述燃料处理器的方法。
本发明的又一目的是提供一种具有所述燃料处理器的燃料电池系统。
根据本发明的一方面，提供一种具有可移动的燃烧器的燃料处理器，其包括：燃烧室；
一部分被设置在燃烧室内侧的重整器燃烧器；
被燃烧室的热量加热的重整器；及
使重整器燃烧器相对于燃烧室移动的燃烧器移动装置。
燃烧器移动装置可以是使重整器燃烧器相对于燃烧室作线性运动的致动装置。
本燃料处理器还可包括用于测量燃烧室中靠近重整器燃烧器火焰的区域的温度的温度传感器，以及根据温度传感器检测到的温度利用燃烧器移动装置移动重整器燃烧器的控制器。
此燃料处理器还包括燃烧室处的燃烧器孔一侧的燃烧气体出口。
根据本发明另一方面，提供一种运行具有可移动的燃烧器的燃料处理器的方法，所述燃料处理器包括：燃烧室；一部分被安装在燃烧室内部的重整器燃烧器；被燃烧室的热量加热的重整器；及使重整器燃烧器相对于燃烧室移动的燃烧器移动装置。
所述方法包括在正常的运行条件下根据测得的靠近重整器燃烧器的火焰的区域的温度控制燃烧室中重整器燃烧器的位置。
当检测到的温度高于预定温度时，可使重整器燃烧器从燃烧室向后移动，而当检测到的温度低于所述预定温度时，则使其相对于燃烧室向前移动。
根据本发明又一方面，提供一种具有所述燃料处理器的燃料电池系统。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，本发明所述的和其他的特点和优越性将更加清晰。附图中：
图1为传统的具有燃料处理器的燃料电池系统的配置图；
图2示意地示出了本发明一实施方式的具有可移动的重整器燃烧器的燃料处理器的一部分；
图3的曲线示出了根据燃烧室内重整器燃烧器的位置图2所示的燃料处理器中的燃烧室的燃烧效率情况；
图4为根据本发明一实施方式的图2所示的燃料处理器的运行方法流程图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明的示例性实施方式的附图更全面地描述本发明。
图2示意地示出了本发明一实施方式的具有可移动的重整器燃烧器30的燃料处理器的一部分。图中与图1所示相同的元件用相同的附图标记表示，而且在此不再赘述。
将重整器40安装成与燃烧室90的表面接触。重整器40被形成为连结于燃烧室90的表面上，当然本发明不限于此，也就是说，可将重整器40形成为围绕燃烧室90或形成于燃烧室90的上部。重整器燃烧器30可借助于燃烧器移动装置92穿过燃烧器孔90a相对于燃烧室90上下垂直移动。燃烧器移动装置92可以是如直流电机、空气压缩机、或电力致动装置之类被精确控制的装置。
可在燃烧室90上形成气体出口以排放燃烧气体。该气体出口可形成在燃烧器孔90a的一侧，使燃烧气体可以有效地加热燃烧室90的内部空间。
可在重整器40处安装第一温度传感器94以检测重整器40的温度。可在燃烧室90上与重整器燃烧器30的火焰接触之处安装第二温度传感器95。第一和第二温度传感器94和95可以是热电偶，其可检测从室温到1300℃范围内的温度。可将第一温度传感器安装在重整器40内侧。
本发明的燃料处理器包括控制器96，其通过根据接收到的来自第一和第二温度传感器94和95的温度信息操作燃烧器移动装置92而使重整器燃烧器30相对于燃烧室90沿垂直方向移动。
图3的曲线示出了根据重整器燃烧器30在燃烧室90内的位置所述燃烧室90内的燃烧效率。
参考图3，当重整器燃烧器30从燃烧室90(第一位置)向后移动且重整器40具有低负载时，燃烧效率很低。在同样负载的情况下，当重整器燃烧器30朝内移进燃烧室90(第二位置)时，燃烧效率得到提高。
这里，燃烧效率表示在重整器40内产生的热量(氢的量乘以氢的比热值)与输入重整器40和重整器燃烧器30内的总热量之比。
负载表示每小时产生的氢的量。
当重整器40的负载增加时，重整器40和重整器燃烧器30内的燃料消耗增加，而当重整器燃烧器30位于第一位置时热效率大幅增加。当重整器燃烧器30位于第二位置时，根据负载热效率的增长较小，但总的热效率与当重整器燃烧器30位于第一位置时相比要高，明确地说，处于第二位置的热效率比处于第一位置的热效率高得多。
重整器燃烧器30可根据由温度传感器94和95所测到的温度与温度传感器94和95所设定的温度之间的温差移动。这可保护燃烧室90使其免受重整器燃烧器30的火焰的影响而发生热变形，因而在燃烧室90内可获得最佳燃烧效率。所述第一和第二位置为相对位置，它们可根据燃烧室90的尺寸、燃烧室90的材料、和使用的燃料类型而改变。
图4是根据本发明一实施方式的图2所示的燃料处理器的运行方法流程图。
根据第一温度传感器94检测的温度将燃料供给重整器燃烧器30。在最合适的运行条件下，利用第二温度传感器95测量燃烧室90中紧靠重整器燃烧器30的火焰的区域的温度(步骤201)。
确定步骤201中所测到的温度是否高于预定的第一温度(步骤202)。该第一温度可根据燃烧室90的材料而改变。
作为步骤202的结果，若测得的温度高于第一温度，利用燃烧器移动装置92使重整器燃烧器30向后移动一段预定距离(步骤203)。然后执行步骤201。
在步骤202中，若测得的温度低于第一温度，确定测得的温度是否低于比第一温度低的第二温度(步骤204)。
在步骤204中，若测得的温度低于第二温度，利用所述燃烧器移动装置92使重整器燃烧器30向前移动一段预定距离(步骤205)。然后，执行步骤201。
在步骤204中，如果测得的温度高于第二温度，则执行步骤201。
本发明的具有可移动的重整器燃烧器的燃料处理器可保护燃烧室免受重整器燃烧器火焰的损坏，并可通过移动重整器燃烧器将重整器的温度控制在最适宜的条件下。因此，这种具有可移动的重整器燃烧器的燃料处理器可提高重整器燃烧器的燃烧效率并能保护燃烧室。
虽然参考本发明的示例性实施方式已具体示出并描述了本发明，但本领域技术人员应了解，在不超出本发明的构思和由所附权利要求限定的保护范围的前提下，可在形式和细节上作出各种变换。

Claims (7)

1.一种具有可移动的燃烧器的燃料处理器，其包括：
燃烧室；
一部分被设置在所述燃烧室内侧的重整器燃烧器；
被所述燃烧室的热量加热的重整器；及
使所述重整器燃烧器相对于所述燃烧室移动的燃烧器移动装置。
2.如权利要求1所述的燃料处理器，其中，所述燃烧器移动装置是使所述重整器燃烧器相对于所述燃烧室作线性运动的致动装置。
3.如权利要求1所述的燃料处理器，其中，还包括测量所述燃烧室中靠近所述重整器燃烧器的火焰的区域的温度的温度传感器；及
根据所述温度传感器检测到的温度利用所述燃烧器移动装置移动所述重整器燃烧器的控制器。
4.如权利要求1所述的燃料处理器，其中，还包括在所述燃烧室处的燃烧器孔一侧上的燃烧气体出口。
5.一种具有可移动的燃烧器的燃料处理器的运行方法，该燃料处理器包括：
燃烧室；
一部分被设置在所述燃烧室内侧的重整器燃烧器；
被所述燃烧室的热量加热的重整器；及
使所述重整器燃烧器相对于所述燃烧室移动的燃烧器移动装置，
所述方法包括在正常的运行条件下根据测得的靠近所述重整器燃烧器的火焰的区域的温度控制所述燃烧室中所述重整器燃烧器的位置。
6.如权利要求5所述的方法，其中，当所述检测到的温度高于预定温度时所述重整器燃烧器从所述燃烧室向后移动，而当所述检测到的温度低于所述预定温度时，其相对于所述燃烧室向前移动。
7.一种具有如权利要求1所述的燃料处理器的燃料电池系统。
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