CN101271980A - 随行制氢燃料电池燃料系统及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池(1)所用燃料为经分离膜(71)从液态含氢燃料在随行制氢装置(7)内催化转化的富氢混合气中分离提纯出的氢气，氧化剂为经空气净化器(73)将CO催化转化为CO2的净化空气，空气净化器(73)内置于随行制氢装置(7)中，燃料水蒸气重整制氢反应水源为再生水的随行制氢燃料系统及其装置，尤其适用于燃料电池机车和燃料电池移动发电。

Description

随行制氢燃料电池燃料系统及其装置
所属技术领域
本发明涉及随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，尤其是燃料电池所用燃料为以分离膜从液态含氢燃料(低碳醇、烃等)在随行制氢装置内催化转化的富氢混合气中分离提纯出的氢气，燃料电池所用氧化剂为经空气净化器将空气中可能存在的CO(车辆行径在隧道及用堵路段等)催化转化为CO2的净化空气的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，本发明适用于燃料电池机车和燃料电池移动发电。
背景技术
作为提高热效率或替代能源和减少排放的机车动力方案，氢气燃料电池动力已受到全球越来越多国家的广泛关注。
根据使用燃料的不同，现有燃料电池主要分为三种类型：第一类是直接燃料电池，即燃料直接用氢或低碳醇内部重整；第二类是间接重整燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过外部间接重整(或和直接裂解、或和部分氧化)低碳醇或烃类含氢燃料为富氢混合气后再供给燃料电池发电；第三类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电分解为氢和氧，再将氢和氧供给燃料电池发电。
使用地面充氢的第一类氢气燃料电池机车的显著缺点是，机车必须携带十分庞大，压力非常高的储氢罐，这种机车存在造价高昂，氢气配给困难等诸多瓶颈问题。
使用低碳醇或烃类等内部直接重整的第一类燃料电池机车的显著缺点在于，由于重整催化剂处于直接运载碳氢化合物燃料的阳极通道，催化剂就通过阳极极板和阴极极板通道暴露于燃料电池的电介质中，这种长时间的暴露会大大降低催化剂的性能。因此，这种燃料电池对催化剂的要求极高，即使借助极其复杂的措施(美国专利No.4,365,007等)，其性能的改善也非常有限，这种燃料电池的结构复杂，制造成本高，催化剂运行周期仍然较短，效率低。
第三类再生燃料电池的不足在于电解水制氢的成本高昂，机车运行效率低。
较之第一、三类，第二类间接重整燃料电池机车可以在技术、制造成本、安全性、机车运行的经济性等方面，找到相对合理和推广应用的充分依据。在这种燃料电池的布局中，电化学催化剂位于阳极极板和阳极通道间的腔室中，燃料重整后的富氢混合气直接被送到这些阳极通道中进行电化学反应。由于这种燃料电池的重整催化剂与电介质相隔离，能较好好地保护催化剂免受来自燃料电池电介质所导致的毒害。
在众多的燃料电池中，聚合物电介质燃料电池(PEFC)因其具有较好的耐高温性能和高电流密度，并可以常温启动的优点，是目前最适合机车和移动发电使用的一种技术方案，极具应用推广价值。
但是，对于使用外部间接重整的聚合物电介质燃料电池(PEFC)作为车辆动力电源时，重整富氢混合气中大量的CO2和即使极少量的CO，对于聚合物电介质膜上Pt等贵重金属催化剂的毒害，足以使其快速不可逆转地失活而中毒，大大缩短了燃料电池的使用寿命，甚至导致燃料电池根本不具实用价值。
因此，对于使用外部间接重整的聚合物电介质燃料电池(PEFC)作为动力电源的车辆，必须除去重整富氢混合气中所含的大量CO2和少量CO，同时还必须考虑机车行径至隧道和车辆拥堵路段时，空气中所含CO(包括油雾等有害成分)对燃料电池贵重金属催化剂的影响。
对于来自燃料机载随行制氢的富氢混合气中大量的CO2，由于其对燃料电池贵金属催化剂的影响相对较小，部份现有的技术采取不予处理CO2的方案，这种技术是不可取的，因为虽然CO2对贵重金属催化剂的影响不及CO，但持续高浓度的CO2对燃料电池极板贵重金属催化剂的影响也是不可忽略的。
对于源于隧道和车辆拥堵路段大气中的CO的毒害，日本专利JP-A-H9-63620提出了对吸入空气进行CO处理的方法。在该处理方法中，需要燃烧额外的燃料，使用加热炉来对空气进行预热，并在催化剂的作用下将CO转化为CO2。这种技术的不足在于，一是要额外增加CO处理能耗，加热炉要占用额外的空间，使得重整系统庞大复杂。
此外，日本专利JP-A-H9-180744中，提出当检测到有毒物质时，燃料电池就暂时停止生产电力。然而，这种类技术直接应用到机车中，会出现燃料电池提供的电力不足，并且会导致行驶性能下降。
特别要指出的是，US5938800系统中根本没有除去(氧化剂)空气中CO的功能，增加除去CO措施必然加大能耗，和增加系统结构的复杂性；采用独立脱硫装置占用额外空间，这种独立的集成管状分离膜的紧凑型随行制氢装置+独立脱硫装置的技术方案的空间效果，仅与采用独立的集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置+独立氢气提纯分离器提纯分离氢气相当，但后者制造更简单、成本更低。
发明内容
针对制约氢燃料电池机车推广应用的两大瓶颈问题，即氢燃料电池需要携带庞大的高压储氢容器及其配给困难，和燃料电池极板的使用寿命较短的不足，本发明提供一种适合于燃料电池机车和移动发电的燃料技术：以公知的催化裂解、或和水蒸气重整、或和部分氧化反应原理，将液态含氢燃料(低碳醇、烃等)在随行制氢装置中催化转化为以氢气为主的富氢混合气，利用集成于随行制氢装置或独立分离提纯装置中的分离膜从富氢混合气中分离提纯氢气，以提纯后的氢气为燃料电池的燃料，并利用燃料电池阳极排气中未燃烧的富余氢气(运行时不可避免，否则燃料电池体积必须非常庞大)为加热燃料(部分)，在空气净化器中催化除去空气中的CO和油雾。本发明优先使用本发明人申请的发明专利紧凑型随行制氢装置(集成管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置、或集成分离膜的紧凑型随行制氢装置、或集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置)，并在不增加体积的前提下将空气净化器内置于随行制氢装置的尾气腔或燃烧室中，使得系统简明、占用空间少，尤其适用于燃料电池机车和移动发电。
本发明把重整燃料电池的技术及材料问题分解、单元化，即燃料电池着力解决与电池半反应、质子迁移相关的极板、催化剂、电介质等问题，从而简化直接重整燃料电池对材料、技术和结构要求的复杂性，以及解决燃料电池使用寿命短的致命缺点；随行制氢装置解决与燃料重整相关的催化剂、提高燃料制氢转换率、空气净化器处理空气中CO(包括油雾)等问题，随行制氢装置或独立分离提纯装置同时解决从富氢混合气中分离提纯氢气问题。本发明中，CO转化为CO2所需热源部分来自燃料电池未完全反应的赋予氢气(运行时不可避免)，其余热在燃料蒸发换热器中被加以利用，避免了额外消耗能量，达到减少燃耗提高燃料电池热效率，和简化系统结构的目的。
本发明的技术方案
本发明是由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于燃料电池所用燃料为经分离膜从液态含氢燃料(低碳醇、烃等)在随行制氢装置内催化转化的富氢混合气中分离提纯出的氢气，氧化剂为经空气净化器将CO催化转化为CO2的净化空气，空气净化器内置于随行制氢装置中，燃料水蒸气重整制氢反应水源为再生水。
本发明涉及的随行制氢装置，优先选用本发明人申请号为200810091348.x的发明专利紧凑型随行制氢装置(集成分离膜和脱硫腔、或集成分离膜、或集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置)，也可选用其它公知技术的随行制氢装置。
本发明涉及的随行制氢装置的催化反应腔内装载将燃料蒸汽催化转化为富氢气体的催化剂，脱硫腔装载脱硫剂，空气净化器内装载将空气中CO转化为CO2的催化剂。
本发明涉及的喷燃器上连接有(未反应燃料蒸汽、过剩水蒸气和少量未透过氢气等)加热燃料管、预热空气管和辅助燃料管，辅助燃料管传送用于冷启动的燃料，辅助燃料来自燃料箱(附图未示出)的液态燃料。
本发明涉及的氢气冷却换热器壳程中的空气来自空气管前的增压机，预热空气一分为二，一部分送至喷燃器作为加热燃料和辅助燃料燃烧的氧化剂，另一部分的少量作为燃料电池阳极排气中未反应富余氢气燃烧的氧化剂，其余主要空气作为燃料电池阴极的氧化剂。
本发明涉及的空气净化器将CO催化转化为CO2的催化腔，采用内壁轴向有传热鳍的金属管状腔体的结构，或其它公知技术的结构。
本发明涉及的空气净化器，横向内置于并列双筒紧凑型随行制氢装置(见本发明人申请号为200810091348.x的发明专利紧凑型随行制氢装置)的尾气腔或进气腔(燃烧室)，不占用额外的空间。
本发明的第一技术方案，由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的尾气腔，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程(对催化反应腔内的催化剂间接加热)进入尾气腔(对尾气腔内的空气净化器加热)，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程(对再生水间接加热使再生水蒸发)，(二氧化碳等废气)最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程(间接吸收燃料电池阴极排气的热量而被预热)，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器管程(被高热净化空气间接加热)并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的脱硫腔入口；燃料电池的阴极排气(水蒸气和过剩空气)经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，(受燃料的间接冷却作用)阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程(受随行制氢装置尾气的间接加热作用)蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置脱硫腔(出口)，与经过脱硫腔脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜段时，氢气透过管状分离膜的微孔进入氢气腔，(二氧化碳、未反应燃料蒸汽和少量氢气等)非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气腔内的氢气经中间氢气管进入氢气冷却换热器管程(把热量间接递给冷空气而回收热能)，然后经氢气管送入燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰(水蒸气和过剩空气)进入空气净化器催化腔直接加热催化剂(空气中的CO转化为CO2)后经中间空气管送至燃料蒸发换热器壳程(将其热量间接传递给预热燃料并蒸发而回收热能)，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气(水蒸气与过剩空气)经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器(作为加热燃料燃烧的氧化剂)。
本发明的第二技术方案，由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的燃烧室，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气(并直接对空气净化器表面加热)，加热气经换热管管程(对催化反应腔内的催化剂间接加热)进入尾气腔，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程(对再生水间接加热使再生水蒸发)，(二氧化碳等废气)最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程(间接吸收燃料电池阴极排气的热量而被预热)，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器管程(被高热净化空气间接加热)并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的催化反应腔入口；燃料电池的阴极排气(水蒸气和过剩空气)经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，(受燃料的间接冷却作用)阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程(受随行制氢装置尾气的间接加热作用)蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置催化反应腔入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜段时，氢气过管状分离膜的微孔进入氢气腔，(二氧化碳、未反应燃料蒸汽和少量氢气等)非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气腔内的氢气经中间氢气管进入氢气冷却换热器管程(把热量间接传递给冷空气而回收热能)，然后经氢气管送入燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰(水蒸气和过剩空气)进入空气净化器催化腔直接加热催化剂(空气中的CO转化为CO2)后经中间空气管送至燃料蒸发换热器壳程(将其热量间接传递给预热燃料并蒸发而回收热能)，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气(水蒸气与过剩空气)经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器(作为加热燃料燃烧的氧化剂)。
本发明的第三技术方案，由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、氢气提纯分离器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的尾气腔，氢气提纯分离器提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程(对催化反应腔内的催化剂间接加热)进入尾气腔(对尾气腔内的空气净化器加热)，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程(对再生水间接加热使再生水蒸发)，(二氧化碳等废气)最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程(间接吸收燃料电池阴极排气的热量而被预热)，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器管程(被高热净化空气间接加热)并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的脱硫腔入口；燃料电池的阴极排气(水蒸气和过剩空气)经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，(受燃料的间接冷却作用)阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程(受随行制氢装置尾气的间接加热作用)蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置脱硫腔(出口)，与经过脱硫腔脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔转化为富氢混合气体，富氢混合气体经混合气体管送至氢气提纯分离器的混合气体分离腔，氢气透过分离膜进入氢气腔，并经中间氢气管送入氢气冷却换热器管程(把热量间接传递给冷空气而回收热能)，再通过氢气管送至燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰(水蒸气和过剩空气)进入空气净化器催化腔直接加热催化剂(空气中的CO转化为CO2)后经中间空气管送至燃料蒸发换热器壳程(将其热量间接传递给预热燃料并蒸发而回收热能)，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极(参与电池半反应)，阴极排气(水蒸气与过剩空气)经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气提纯分离器的混合气体分离腔中(二氧化碳、未反应燃料蒸汽和少量氢气等)非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器(作为加热燃料燃烧的氧化剂)。
本发明的第四技术方案，由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、氢气提纯分离器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化器内置于随行制氢装置的燃烧室，氢气提纯分离器提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气(并直接对空气净化器表面加热)，加热气经换热管管程(对催化反应腔内的催化剂间接加热)进入尾气腔，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程(对再生水间接加热使再生水蒸发)，(二氧化碳等废气)最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程(间接吸收燃料电池阴极排气的热量而被预热)，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器管程(被高热净化空气间接加热)并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的催化反应腔入口；燃料电池的阴极排气(水蒸气和过剩空气)经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，(受燃料的间接冷却作用)阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程(受随行制氢装置尾气的间接加热作用)蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置催化反应腔入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔转化为富氢混合气体，富氢混合气体经混合气体管送至氢气提纯分离器的混合气体分离腔，氢气透过分离膜进入氢气腔，并经中间氢气管送入氢气冷却换热器管程(把热量间接传递给冷空气而回收热能)，再通过氢气管送至燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰(水蒸气和过剩空气)进入空气净化器催化腔直接加热催化剂(空气中的CO转化为CO2)后经中间空气管送至燃料蒸发换热器壳程(将其热量间接传递给预热燃料并蒸发而回收热能)，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极(参与电池半反应)，阴极排气(水蒸气与过剩空气)经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气提纯分离器的混合气体分离腔中(二氧化碳、未反应燃料蒸汽和少量氢气等)非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器(作为加热燃料燃烧的氧化剂)。
本发明的第五技术方案：由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的尾气腔，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程进入尾气腔，再通过尾气管进入燃料蒸发换热器管程，最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程，经预热燃料管进入燃料蒸发换热器壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的脱硫腔入口；燃料电池的阴极排气经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置脱硫腔，与经过脱硫腔脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜段时，氢气透过管状分离膜的微孔进入氢气腔，非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气腔内的氢气经中间氢气管进入氢气冷却换热器管程，然后经氢气管送入燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器催化腔直接加热催化剂后经中间空气管送至再生水蒸发换热器管程，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器。
本发明的第六技术方案：由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的燃烧室，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程进入尾气腔，再通过尾气管进入燃料蒸发换热器管程，最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程，经预热燃料管进入燃料蒸发换热器壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的催化反应腔入口；燃料电池的阴极排气经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵进入再生水蒸发换热器壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置催化反应腔入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜段时，氢气透过管状分离膜的微孔进入氢气腔，非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气腔内的氢气经中间氢气管进入氢气冷却换热器管程，然后经氢气管送入燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器催化腔直接加热催化剂后经中间空气管送至再生水蒸发换热器管程，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器。
本发明的第七技术方案：由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、氢气提纯分离器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，空气净化器内置于紧凑型随行制氢装置的尾气腔，氢气提纯分离器提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程进入尾气腔，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程，最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的脱硫腔入口；燃料电池的阴极排气经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置脱硫腔(出口)，与经过脱硫腔脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管送至氢气提纯分离器的混合气体分离腔；氢气透过分离膜进入氢气腔，并经中间氢气管送入氢气冷却换热器管程，再通过氢气管送至燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器催化腔直接加热催化剂后经中间空气管送至再生水蒸发换热器管程，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气提纯分离器的混合气体分离腔中非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器。
本发明的第八技术方案：由燃料电池，燃料预热换热器，再生水蒸发换热器，燃料蒸发换热器、空气净化器、氢气提纯分离器、随行制氢装置等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化器内置于随行制氢装置的燃烧室，氢气提纯分离器提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，加热气经换热管管程进入尾气腔，再通过尾气管进入再生水蒸发换热器管程，最后经废气管排出；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵进入燃料预热换热器管程，预热燃料经预热燃料管进入燃料蒸发换热器壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管进入随行制氢装置的催化反应腔入口；燃料电池的阴极排气经阴极排气管进入燃料预热换热器壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管排出，冷凝再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器管程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管进入随行制氢装置催化反应腔入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管送至氢气提纯分离器的混合气体分离腔，氢气透过分离膜进入氢气腔，并经中间氢气管送入氢气冷却换热器管程，再通过氢气管送至燃料电池阳极参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管送至净化空气喷燃器，与来自氢气冷却换热器的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器催化腔直接加热催化剂后经中间空气管送至再生水蒸发换热器管程，最后通过净化空气管送入燃料电池阴极参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管送入燃料预热换热器壳程；氢气提纯分离器的混合气体分离腔中非通透组分经加热燃料管送入喷燃器作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管送至喷燃器。
本发明的第一、三、五、七技术方案，采用集成脱硫腔的紧凑型随行制氢装置，适用于烃类液态含氢燃料的随行制氢。由于烃类燃料催化制氢的温度相对较高(通常650-850℃)，加热尾气温度相应也比较高(通常400-550℃)，而将空气中CO催化转化为CO2的启动温度一般在350℃左右，因此将空气净化器内置于随行制氢装置的尾气腔是合理的。
本发明的第二、四、六、八技术方案，采用没有脱硫腔的随行制氢装置，适用于醇类(或使用耐硫催化剂的烃类)液态含氢燃料的随行制氢。由于醇类燃料催化制氢的温度相对较低(通常300-550℃)，加热尾气温度相应也比较低(通常200-300℃)，而将空气中CO催化转化为CO2的启动温度一般在350℃左右，因此将空气净化器内置于随行制氢装置的燃烧室是合理的。此外，由于随行制氢装置没有脱硫腔，燃料蒸汽和再生水蒸气可以先混合后再进入随行制氢装置的催化反应腔。
本发明第三、四、七、八技术方案涉及的独立氢气提纯分离器提纯分离氢气，采用管状、或平板状、或波纹板状、或卷膜等各种公知技术的分离膜，其结构可制成管段式、反应釜式、塔式、板框式等多种形式。
本发明涉及的随行制氢装置中燃料蒸汽与水蒸气的混合物相对于加热气的流向不局限于逆流或顺流。
本发明可以与在加热燃料管上串联涡轮减压机，涡轮减压机与空气管前的增压机联动，以利用高压加热燃料(非透过组分)泄压过程在涡轮减压机中产生的扭矩推动空气增压机转动，达到减少能耗的目的。
本发明涉及的燃料预热换热器、燃料蒸发换热器、再生水蒸发换热器和氢气冷却换热器中，壳程和管程的流体不局限于第一至八技术方案所描述的局限，也包括壳程和管程的流体交换后的技术方案，壳程和管程的流体交换后的系统管道的连接作相应变化。
本发明涉及的燃料，选用不同的催化剂和相应的控制条件可以是任何液态含氢燃料，尤其是液态低碳醇中的甲乙醇、液态烃类中的汽柴油以及其它生物质含氢燃料等。
本发明的工作过程
首先开启辅助燃料管和启动空增压机，点燃喷燃器，预热随行制氢装置、空气净化器、再生水蒸发换热器、燃料蒸发器，当催化反应腔内催化剂达到设定工作温度，开启燃料泵；当产氢气速率稳定后，(未反应燃料蒸汽、二氧化碳、过剩水蒸气及少量未透过氢气)非透过组分加热燃料气产气速率也稳定，此时可以完全关闭或减小辅助燃料管的开启度。
随行制氢装置中，喷燃器喷出的燃烧火焰经燃烧室充分燃烧产生的热气流，在流经换热管管程时，将其大部分热量通过换热管壁间接传递给催化反应腔的催化剂，燃料在催化剂的作用下发生直接裂解、或和水蒸气重整、或和部分氧化反应，转化为以氢气为主、二氧化碳为辅的富氢混合气体；富氢混合气体中的氢气，或透过催化反应腔内的管状分离膜微孔进入氢气腔，或透过氢气提纯分离器内的分离膜进入氢气腔。
在空气净化器中，净化空气的催化反应所需热量，一部分来自燃料电池阳极排气的富余氢气与过量空气的直接燃烧火焰，另一部分来自随行制氢装置中通过换热管管程的加热尾气的间接加热。
再生水在再生水蒸发换热器中，间接吸收来自随行制氢装置加热尾气的预热而蒸发。
燃料预热换热器中，燃料电池阴极排气中的水蒸气所含的热量，间接传递给燃料，将燃料预热的同时其热量得以回收。
燃料蒸发换热器中，预热燃料间接吸收来自空气净化器排出的燃料电池氧化剂空气的热量而蒸发，一方面冷却了经净化处理的氧化剂空气，另一方面回收了高温净化氧化剂空气的热量，使得净化除去空气中的CO几乎不消耗额外能量。
经过除去CO净化处理的，并冷却降温后的空气进入燃料电池的阴极，在催化剂的作用下从阴极极板获得电子成为O2-；氢气进入阳极极板，并在催化剂的作用下将电子传递给阳极极板成为H+，H+穿过阳极极板、电介质层和阴极极板与O2-结合成为水蒸气(气态水分子)，水蒸气及过剩空气随阴极排气管排除并送至燃料预热换热器壳程。
燃料在燃料预热换热器中间接吸收水蒸气的热量而被预热，水蒸气被冷凝而凝结为再生水，再生水经再生水管及再生水管上的再生水泵送至再生水蒸发器；燃料预热换热器壳程中未凝结的水蒸气和过剩空气通过燃料电池阴极废气管排出。
使用本发明有益结果：
以液态含氢燃料、随车间接重整制氢，取代地面充氢，解决了地面充氢方式中存在的配给难题；
把重整燃料电池的技术及材料问题分解、单元化，燃料电池着力解决与电池半反应、质子迁移相关的极板、催化剂、电介质等问题，从而简化直接重整燃料电池对材料、技术和结构要求的复杂性，以及解决燃料电池使用寿命短的致命缺点；
随行制氢装置解决与燃料重整催化反应相关的催化剂及如何提高燃料制氢转换效率等问题；
将空气净化器内置于集成管状分离膜和脱硫腔的随行制氢装置或随行制氢装置中，简化了系统结构、节约了机车或移动发电设备的有限空间；
将空气净化器内置于随行制氢装置中，更重要是使催化制氢与净化空气共用热原，并使用来自燃料电池未完全燃烧的富余氢气为直燃燃料，可以有效地减少燃耗，提高燃料电池的热效率；
由于是随行制氢，其过程连续不间断，不需要体积庞大、高压的储氢罐，及大地降低了制造成本；
此外，燃料电池阴极氧化剂通道使用的氧化剂来自于氢气与过剩空气燃烧后的过程气(过剩空气、水蒸气等)，由于有水蒸气的存在，有利于保持聚合物电介质膜的湿润状态，使聚合物电介质膜具有更优良的电化学性能。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明实施例1的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图2是本发明实施例2的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图3是本发明实施例3的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图4是本发明实施例4的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图5是本发明实施例5的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图6是本发明实施例6的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图7是本发明实施例7的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图8是本发明实施例8的随行制氢燃料电池燃料系统的示意图。
图9是本发明涉及的空气净化器的催化腔的结构示意图。
图10是本发明涉及的加热燃料涡轮减压机与空气增压机联动方案示意图。
图中：
1-燃料电池  1A-燃料电池的阴极  1B-燃料电池的阳极  2-燃料泵  3-燃料预热换热器  4-再生水泵  5-再生水蒸发换热器  6-燃料蒸发器  7-随行制氢装置  8-净化空气喷燃器  9-氢气冷却换热器  10-喷燃器  11-(涡轮)增压机  12-涡轮减压机
71-分离膜  72-换热管  73-空气净化器  74-氢气提纯分离器
000-空气管  001-燃烧室(进气腔)  002-氢气腔  003-脱硫腔  004-催化反应腔  005-尾气腔  006-混合气体分离腔
101-阴极排气管  102-阳极排气管  010-辅助燃料管  020-燃料管301-预热燃料管  302-阴极废气管  303-再生水管  501-废气管  502-再生水蒸汽管  601-净化空气管  602-燃料蒸汽管  700-富氢混合气体管701-尾气管  702-加热燃料管  703-中间氢气管  7301-中间空气管  901-预热氧化剂空气管  902-预热燃烧空气管  903-氢气管
实施例1
如图1所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化73、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜71和脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置7，空气净化73内置于紧凑型随行制氢装置7的尾气腔005，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的脱硫腔003入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7脱硫腔003，与经过脱硫腔003脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜71段时，氢气透过管状分离膜71的微孔进入氢气腔002，非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气腔002内的氢气经中间氢气管703进入氢气冷却换热器9管程，然后经氢气管903送入燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至燃料蒸发换热器6壳程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例2
如图2所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜71的紧凑型随行制氢装置7，空气净化器73内置于紧凑型随行制氢装置7的燃烧室001，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的催化反应腔004入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7催化反应腔004入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜71段时，氢气透过管状分离膜71的微孔进入氢气腔002，非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气腔002内的氢气经中间氢气管703进入氢气冷却换热器9管程，然后经氢气管903送入燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至燃料蒸发换热器6壳程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例3
如图3所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、氢气提纯分离器77、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置7，空气净化器73内置于紧凑型随行制氢装置7的尾气腔005，氢气提纯分离器74提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，预热燃料经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的脱硫腔003入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7脱硫腔003(出口)，与经过脱硫腔003脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管700送至氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006；氢气透过分离膜71进入氢气腔002，并经中间氢气管703送入氢气冷却换热器9管程，再通过氢气管903送至燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至燃料蒸发换热器6壳程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006中非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例4
如图4所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、氢气提纯分离器74、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化器73内置于随行制氢装置1的燃烧室001，氢气提纯分离器74提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，预热燃料经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的催化反应腔004入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7催化反应腔004入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管700送至氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006，氢气透过分离膜71进入氢气腔002，并经中间氢气管703送入氢气冷却换热器9管程，再通过氢气管903送至燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至燃料蒸发换热器6壳程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006中非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例5
如图5所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜71和脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置7，空气净化器73内置于紧凑型随行制氢装置7的尾气腔005，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入燃料蒸发换热器6管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的脱硫腔003入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7脱硫腔003，与经过脱硫腔003脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜71段时，氢气透过管状分离膜71的微孔进入氢气腔002，非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器0作为加热燃料燃烧；氢气腔002内的氢气经中间氢气管703进入氢气冷却换热器9管程，然后经氢气管903送入燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至再生水蒸发换热器5管程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例6
如图6所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜71的紧凑型随行制氢装置7，空气净化器73内置于紧凑型随行制氢装置7的燃烧室001，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入燃料蒸发换热器6管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的催化反应腔004入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7催化反应腔004入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜71段时，氢气透过管状分离膜71的微孔进入氢气腔002，非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气腔002内的氢气经中间氢气管703进入氢气冷却换热器9管程，然后经氢气管903送入燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至再生水蒸发换热器5管程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例7
如图7所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、氢气提纯分离器74、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔003的紧凑型随行制氢装置7，空气净化器73内置于紧凑型随行制氢装置7的尾气腔005，氢气提纯分离器74提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，预热燃料经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的脱硫腔003入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7脱硫腔003(出口)，与经过脱硫腔003脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管700送至氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006；氢气透过分离膜71进入氢气腔002，并经中间氢气管703送入氢气冷却换热器9管程，再通过氢气管903送至燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至再生水蒸发换热器5管程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006中非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例8
如图8所示，一种由燃料电池1，燃料预热换热器3，再生水蒸发换热器5，燃料蒸发换热器6、空气净化器73、氢气提纯分离器74、随行制氢装置7等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化器73内置于随行制氢装置7的燃烧室001，氢气提纯分离器74提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池1的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器10喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置7的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管72管程进入尾气腔005，再通过尾气管701进入再生水蒸发换热器5管程，最后经废气管501排出；燃料经燃料管020及燃料管020上的燃料泵2进入燃料预热换热器3管程，预热燃料经预热燃料管301进入燃料蒸发换热器6壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管602进入随行制氢装置7的催化反应腔004入口；燃料电池1的阴极排气经阴极排气管101进入燃料预热换热器3壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管302排出，冷凝再生水通过再生水管303及再生水管303上的再生水泵4进入再生水蒸发换热器5管程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管502进入随行制氢装置7催化反应腔004入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔004转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管700送至氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006，氢气透过分离膜71进入氢气腔002，并经中间氢气管703送入氢气冷却换热器9管程，再通过氢气管903送至燃料电池1阳极1B参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管102送至净化空气喷燃器8，与来自氢气冷却换热器9的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器73催化腔直接加热催化剂后经中间空气管7301送至再生水蒸发换热器5管程，最后通过净化空气管601送入燃料电池1阴极1A参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管101送入燃料预热换热器3壳程；氢气提纯分离器74的混合气体分离腔006中非通透组分经加热燃料管702送入喷燃器10作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器9壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管902送至喷燃器10。
实施例9
如图10所示，实施例1、2、3、4、5、6、7、8涉及随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于在加热燃料管702上串接涡轮减压机12，涡轮减压机12与空气管000前的增压泵11联动，以利用高压加热燃料(非透过组分)泄压过程在涡轮减压机12中产生的扭矩推动空气增压机11转动。
本发明涉及的燃料预热换热器、燃料蒸发换热器、再生水蒸发换热器和氢气冷却换热器中，壳程和管的流体不局限于第一至八技术方案所描述的局限，也包括壳程和管程的流体交换后的技术方案，壳程和管程的流体交换后的系统管道的连接作相应变化。

Claims (10)

1、本发明涉及一种由燃料电池(1)，燃料预热换热器(3)，再生水蒸发换热器(5)，燃料蒸发换热器(6)、空气净化器(73)、氢气提纯分离器(74)、随行制氢装置(7)等组成的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于燃料电池(1)所用燃料为经分离膜(71)从液态含氢燃料在随行制氢装置(7)内催化转化的富氢混合气中分离提纯出的氢气，氧化剂为经空气净化器(73)将CO催化转化为CO2的净化空气，空气净化器(73)内置于随行制氢装置(7)中，燃料水蒸气重整制氢反应水源为再生水。
2、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜(71)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的尾气腔(005)，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的脱硫腔(003)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)脱硫腔(003)，与经过脱硫腔(003)脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜(71)段时，氢气透过管状分离膜(71)的微孔进入氢气腔(002)，非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气腔(002)内的氢气经中间氢气管(703)进入氢气冷却换热器(9)管程，然后经氢气管(903)送入燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至燃料蒸发换热器(6)壳程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
3、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜(71)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的燃烧室(001)，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的催化反应腔(004)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)催化反应腔(004)入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜(71)段时，氢气透过管状分离膜(71)的微孔进入氢气腔(002)，非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气腔(002)内的氢气经中间氢气管(703)进入氢气冷却换热器(9)管程，然后经氢气管(903)，送入燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至燃料蒸发换热器(6)壳程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
4、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的尾气腔(005)，氢气提纯分离器(74)提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，预热燃料经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的脱硫腔(003)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)脱硫腔(003)，与经过脱硫腔(003)脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管(700)送至氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)；氢气透过分离膜(71)进入氢气腔(002)，并经中间氢气管(703)送入氢气冷却换热器(9)管程，再通过氢气管(903)送至燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至燃料蒸发换热器(6)壳程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)中非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
5、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化器(73)内置于随行制氢装置(7)的燃烧室(001)，氢气提纯分离器(74)提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)入燃料预热换热器(3)管程，预热燃料经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)管程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的催化反应腔(004)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)催化反应腔(004)入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管(700)送至氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)，氢气透过分离膜(71)进入氢气腔(002)，并经中间氢气管(703)送入氢气冷却换热器(9)管程，再通过氢气管(903)送至燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至燃料蒸发换热器(6)壳程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)中非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器(90)程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
6、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜(71)和脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的尾气腔(005)，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入燃料蒸发换热器(6)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的脱硫腔(003)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)脱硫腔(003)，与经过脱硫腔(003)脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜(71)段时，氢气透过管状分离膜(71)的微孔进入氢气腔(002)，非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气腔(002)内的氢气经中间氢气管(703)进入氢气冷却换热器(9)管程，然后经氢气管(903)送入燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至再生水蒸发换热器(5)管程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)，
7、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成管状分离膜(71)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的燃烧室(001)，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入燃料蒸发换热器(6)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的催化反应腔(004)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)催化反应腔(004)入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)并转化为富氢混合气体，富氢混合气体经过管状分离膜(71)段时，氢气透过管状分离膜(71)的微孔进入氢气腔(002)，非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气腔(002)内的氢气经中间氢气管(703)进入氢气冷却换热器(9)管程，然后经氢气管(903)送入燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至再生水蒸发换热器(5)管程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
8、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于集成脱硫腔(003)的紧凑型随行制氢装置(7)，空气净化器(73)内置于紧凑型随行制氢装置(7)的尾气腔(005)，氢气提纯分离器(74)提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，预热燃料经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的脱硫腔(003)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)壳程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)脱硫腔(003)，与经过脱硫腔(003)脱硫的燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管(700)送至氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)；氢气透过分离膜(71)进入氢气腔(002)，并经中间氢气管(703)送入氢气冷却换热器(9)管程，再通过氢气管(903)送至燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至再生水蒸发换热器(5)管程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)中非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
9、根据权利要求1所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于空气净化(73)内置于随行制氢装置(7)的燃烧室(001)，氢气提纯分离器(74)提纯分离氢气，净化空气的直燃燃料为燃料电池(1)的阳极排气的富余氢气；系统连接及流程为：喷燃器(10)喷出的燃烧火焰进入随行制氢装置(7)的燃烧室(001)充分燃烧形成加热气，加热气经换热管(72)管程进入尾气腔(005)，再通过尾气管(701)进入再生水蒸发换热器(5)管程，最后经废气管(501)排出；燃料经燃料管(020)及燃料管(020)上的燃料泵(2)进入燃料预热换热器(3)管程，预热燃料经预热燃料管(301)进入燃料蒸发换热器(6)壳程并汽化为燃料蒸汽，燃料蒸汽通过燃料蒸汽管(602)进入随行制氢装置(7)的催化反应腔(004)入口；燃料电池(1)的阴极排气经阴极排气管(101)进入燃料预热换热器(3)壳程，阴极排气的水蒸气凝结为冷凝再生水，过剩空气和少量未凝结水蒸气通过阴极废气管(302)排出，冷凝再生水通过再生水管(303)及再生水管(303)上的再生水泵(4)进入再生水蒸发换热器(5)管程蒸发为再生水蒸气，再生水蒸气经蒸汽管(502)进入随行制氢装置(7)催化反应腔(004)入口，与燃料蒸汽混合后进入催化反应腔(004)转化为富氢混合气体，富氢混合气体经富氢混合气体管(700)送至氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)，氢气透过分离膜(71)进入氢气腔(002)，并经中间氢气管(703)送入氢气冷却换热器(9)管程，再通过氢气管(903)送至燃料电池(1)阳极(1B)参与电池半反应，未反应的富余氢气经阳极排气管(102)送至净化空气喷燃器(8)，与来自氢气冷却换热器(9)的过量预热氧化剂空气混合后燃烧，燃烧火焰进入空气净化器(73)催化腔直接加热催化剂后经中间空气管(7301)送至再生水蒸发换热器(5)管程，最后通过净化空气管(601)送入燃料电池(1)阴极(1A)参与电池半反应，阴极排气经阴极排气管(101)送入燃料预热换热器(3)壳程；氢气提纯分离器(74)的混合气体分离腔(006)中非通透组分经加热燃料管(702)送入喷燃器(10)作为加热燃料燃烧；氢气冷却换热器(9)壳程中的另一部分预热空气，经预热燃烧空气管(902)送至喷燃器(10)。
10、根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于在加热燃料管(702)上串接涡轮减压机(12)，涡轮减压机(12)与空气管(000)前的增压泵(11)联动，以利用高压加热燃料(非透过组分)泄压过程在涡轮减压机(12)中产生的扭矩推动空气增压机(11)转动。
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