CN101453027A - 移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 - Google Patents
移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101453027A CN101453027A CNA2008102149759A CN200810214975A CN101453027A CN 101453027 A CN101453027 A CN 101453027A CN A2008102149759 A CNA2008102149759 A CN A2008102149759A CN 200810214975 A CN200810214975 A CN 200810214975A CN 101453027 A CN101453027 A CN 101453027A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuel
- carbon
- hydrogen
- chamber
- hydrogen production
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
一种移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，以集成于紧凑型随行制氢装置中的气液管状分离膜，从催化反应腔中及时导出富氢混合气而获得低温重整条件，燃料电池所用燃料为经一氧化碳转化腔除去一氧化碳或和除碳系统除去部分二氧化碳的净化富氢混合气，并提出以无焰燃烧为热源的技术方案。本发明从系统角度克服和解决了燃料电池的移动制氢单元技术在实用化中无法克服的屏障，使移动制氢燃料电池机车和移动电源的实用化成为可能。
Description
本发明引用或延续了本发明人申请中的200810091438X《紧凑型随行制氢装置》专利技术。本发明人于此前申请的移动制氢技术相关文件涉及的移动制氢术语使用“随行”一词，如随行制氢、随行制氢装置、紧凑型随行制氢装置，与本申请文件使用的“移动”含义等同，并在本申请文件中继续引用。本发明涉及的移动制氢装置、随行制氢装置和重整器同义；除碳系统指除二氧化碳系统。
所述技术领域
本发明涉及一种以液态含氢燃料(低碳醇、烃、醚等)机载移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，以集成于紧凑型随行制氢装置中的气液管状分离膜，从催化反应腔中及时导出富氢混合气而获得低温重整条件，燃料电池所用燃料为经一氧化碳转化器除去一氧化碳或和除碳系统除去部分二氧化碳的净化富氢混合气，并提出以无焰燃烧为热源的技术方案。本发明从系统角度克服和解决了燃料电池的移动制氢单元技术在实用化中无法克服的屏障，使移动制氢燃料电池机车和移动电源的实用化成为可能。属燃料电池燃料系统和能源技术领域。
背景技术
作为提高热效率或节能减排的机车动力方案，氢燃料电池动力已受到全球越来越多国家的广泛关注。由于地面充氢技术在机车储氢和配给两方面存在难以跨越的障碍，机载移动(随行)制氢将成为氢燃料电池动力机车和移动电源的主要供氢技术。
在多种燃料电池技术中，最适合移动机车使用的燃料电池为具有高电流密度和低温启动特性的质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池中主要使用铂金催化剂，燃料电池运行过程中，铂金催化剂在一氧化碳和硫化合物的作用下极易中毒失活，而且几乎所有的中毒情况都是不可逆转的。因此，要求供给质子交换膜燃料电池的氢燃料，不含一氧化碳和硫化物或其含量低至不至于影响铂金催化剂的程度。
就目前技术而言，脱硫或除硫技术相对成熟，通常技术都能达到质子交换膜燃料电池的使用要求。所以，移动制氢技术的热点都集中在如何制取无CO或CO含量极低(<10ppM)的氢燃料上。
在公知的催化重整技术中，除去富氢混合气中的CO的后续方法主要有高效钯膜分离法(分离提取高纯氢)、选择性(优先)一氧化碳氧化法、一氧化碳甲烷化法、水蒸气再重整法和变压吸附法等。变压吸附法，由于装置体积相对庞大，加上频繁的切换操作，用于机车移动制氢的技术较少。
目前上述提纯或净化氢气的公知单元技术实际应用时还存在以下不足：
其一，燃料重整单元技术，无论使用低碳醇或是烃燃料，燃料蒸汽或预热燃料在随行制氢装置(重整器)中所产的富氢混合气不能及时与催化剂层分离，重整气中的部分H2、CO和CO2会发生甲烷化反应(尤其是烃燃料在温度低于800℃重整时)，燃料重整制氢的氢气选择性低，甲烷收率高。因此，现有技术的烃燃料重整技术均为高温(>750℃)重整，这种高温重整技术，首先对重整器的材质要求较高；其次，运行能耗也大，机车的热效率低。
其二，钯膜分离提纯氢气单元技术，为了获得CO含量至少低于10ppM的高纯氢气，较多的技术使用了钯膜分离技术，如本发明人申请中的专利技术2008100839957《随行制氢燃料电池燃料系统及其装置》和雷敏宏先生申请中的专利技术200310123937X等。要获得能够真正实用化的钯膜分离器，钯膜的H2/N2的分离系数至少要大于10000，其通量必然极小，钯膜分离器占用的空间非常庞大；而最大的缺点还在于金属钯昂贵的价格导致钯膜极高的制造成本，难于实用化。
其三，选择性一氧化碳氧化法除去一氧化碳的单元技术，如200610013034.X、ZL02800372.1等，尽管其技术发明人通过多种手段筛选不同的催化剂，试图寻找尽可能低的氧平衡浓度，将富氢混合气中的CO选择性地氧化为CO2。但这类方法始终存在至少三方面的不足，一是转化过程中通入过量(通常为CO平衡量的1-3倍)的氧气是必须的，而过剩氧气最终会消耗氢气，使得重整氢气收率降低；二是在运行中必须严格控制氧气的含量在氢氛围气体中安全的范围内，以防止爆炸的发生；三是经过CO转化的富氢混合气中，CO2的浓度较高，高CO2含量的富氢混合气进入燃料电池，在极板Pt催化剂的作用下，部分H2和CO2会发生甲烷化反应，而这一反应为平衡反应，CO2浓度越高，产生甲烷化反应越严重，从而导致氢气的有效利用率降低。
其四，一氧化碳甲烷化单元技术，在催化剂的存在条件下进一步将富氢混合气中的CO转化为CH4，从而除去或降低CO的含量，此类技术如ZL2004100862279等。但甲烷化除去CO的技术通常需要较低的CO含量，同时往往富氢混合气中的CO2也全部或部分参与甲烷化反应，增加了甲烷化反应所需要的氢气，使重整气的产氢收率减少，机车的热效率下降；此外，CH4含量较高的富氢混合气进入燃料电池时，CH4可能在阳极极板的催化剂层发生CO逆转，也可能导致燃料电池催化剂失活。
其五，水蒸气再重整单元技术，将富氢混合气中的一氧化碳在催化剂的作用下，与水蒸气混合后再重整为氢气和二氧化碳。这种技术的不足在于，使用普通的低温催化剂(如铜-锌基或铜-铬基)时，启动需要较长时间的还原过程，并不耐频繁的启动过程的高温冲击，必须使用缓慢升温技术；使用高温催化剂(如铁-铬基)时，虽然可以耐受频繁启动的高温冲击，但由于水蒸气和一氧化碳重整的反应为放热反应，高温(>300℃)水蒸气再重整将一氧化碳转为二氧化碳时，不利于反应向减少CO的平衡方向移动，富氢混合气中CO的浓度难于降到低于100ppM，不能满足质子交换膜燃料电池的需要。
此外，现有移动制技术，还应存在以下不足：
一是在随行制氢装置催化反应腔中进行的催化重整反应，引入部分氧化反应时，用于发热的燃料为初始燃料，不是本发明分离纯化富氢混合气过程中的可燃性尾气，热效率相对较低。
二是对于源于隧道和车辆拥堵路段大气中的CO的毒害，较多的技术未加考虑。如美国专利US5938800等。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，使得重整系统繁复。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，对于某些情况可能会出现燃料电池提供的电力不足的现象，并导致机车行驶性能下降。
三是使用烃燃料时，在移动制氢系统中需要增加专门的脱硫装置或除去富氢混合气中一氧化碳的后续处理的一氧化碳转化器，系统设备装置较多、占用空间大。尽可能地减少或简化系统设备装置、管道对于移动机车有限的空间和减少自重十分重要。美国专利US5938800中提出一种典型的紧凑型重整器，仅仅考虑了集成管状分离膜(钯膜)，没有有效利用该紧凑型重整器的富余空间，在系统中使用时，对于烃燃料必须使用独立脱硫装置，这种集成管状分离膜的紧凑重整器+独立脱硫装置的技术方案的空间效果，仅与采用集成脱硫腔的紧凑型重整器+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
本发明人充分认识到，任何试图通过优化包括燃料重整、和后续的膜分离提纯氢气或一氧化碳转化在内的单元技术，来达到通过移动制氢生产出满足质子交换膜燃料电池需要的氢气或富氢混合气在技术和制造成本两方面存在的实用化难度，而提出通过“系统技术”来综合解决这些单元技术无法克服的困难。
本发明的目的是提供一种机载移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，尤其是低温催化重整、不用钯膜获得低CO含量的富氢混合气、高产氢率、高热效率、和适应性强的的机载移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，具有确定的实用价值。
本发明的创新要点在于：1、将本发明人申请中的200810091438X《紧凑型随行制氢装置》专利技术中集成制取高纯氢气的钯膜改为集成能将重整富氢混合气(H2+CO+CO2)及时从催化反应腔导出的气液管状分离膜；2、或和用除碳系统除去富氢混合气中的部分CO2；3、或和将《紧凑型随行制氢装置》中集成的脱硫腔改为一氧化碳转化腔或一分为二成为脱硫腔+一氧化碳转化腔；4、或和于紧凑型随行制氢装置的燃烧室装载燃料催化燃烧催化剂；5、将除去燃料电池氧化剂的空气中的CO的除一氧化碳器内置于紧凑型随行制氢装置的燃烧室(或尾气腔)中。
本发明利用紧凑型随行制氢装置中集成的气液管状分离膜，将富氢混合气及时从催化反应腔中导出，使重整气中的H2、CO、CO2与催化剂隔离，可以收到四方面的有益结果：
其一，避免了燃料重整转化的富氢混合气组分(尤其在低温条件)可能发生的甲烷化反应，有效地提高了重整制氢的氢选择性和氢气产率。烃燃料低温(<800℃时)重整制氢的最大不足在于，重整气中的H2、CO和CO2在催化剂的作用下发生甲烷化反应，生成CH4，从而导致燃料重整转化过程的氢选择性差、氢气收率低。利用气液管状分离膜将重整气及时导出催化反应腔，使H2、CO、CO2与催化剂隔离，避免了重整气的甲烷化反应，有效地提高氢选择性和氢气产率。
其二，为烃类燃料低温(450-600℃)液态催化重整制氢创造了条件，并放宽了高温(800-1100℃)重整制氢技术对随行制氢装置材质的苛刻要求和减少了运行的能耗，降低了制造和运行成本。由于富氢混合气及时被气液管状分离膜导出催化反应腔，选用合适的高效催化剂(如添加La和Mg及其氧化物的Ni基催化剂等)，即使在较低的温度下(550℃)条件下，也可实现烃燃料的重整制氢，而不必担心发生严重的甲烷化反应导致的氢选择性低和产氢率低的问题，可以获得(干基)氢气含量接近75％v/v的富氢混合气。
其三，液态燃料和及时分离了富氢混合气组分的重整环境，可以耐受较宽范围的温度波动变化，有利于稳定重整制氢的产气组分。
其四，将重整富氢混合气从催化反应腔中及时导出，其目的是将富氢混合气与催化剂隔离，不是要获得高纯氢气，对分离膜的选择性要求低、通量大、不需要分离提纯高纯氢气的贵金属钯，相对于钯膜成本，造价极低。钯膜昂贵的造价，是用钯膜制取高纯氢气技术实用化难以逾越的屏障。此外，制取高纯氢要求分离膜具有较高的分离系数(H2/N2>10000)，在一定压力下的单位膜面积通氢量必然很小，因此需要有庞大的膜分离装置。
用除碳系统出去富氢混合气中的部分CO2，可以收到至少三方面的有益效果：
其一、(对后续除去CO使用甲烷化技术)可以减少后续除去CO甲烷化过程的氢气消耗量，以提高重整过程的产氢率；其二、减少富氢混合气中甲烷的浓度，防止过高的甲烷浓度在燃料电池极板上可能产生的CO逆转反应对燃料电池催化剂的毒害；其三、除去富氢混合气中的CO2，减少进入燃料电池中富氢混合气中的CO2含量，可以防止过高浓度的CO2在燃料电池极板上的甲烷化反应，有效提高机车的效率。
应用本发明人的集成气液管状分离膜、脱硫腔或和一氧化碳转化腔的紧凑型随行制氢装置，简化了系统结构、节约了有限的机车空间，更有利于机载移动重整制氢技术的实用化。
于紧凑型随行制氢装置的燃烧室装载燃料催化燃烧催化剂，无焰燃烧随行制氢装置排出的可燃性重整尾气(未参加催化重整反应的燃料蒸汽、甲烷等)，无焰燃烧的热气(二氧化碳、水蒸气)通过换热管管程，把热量间接传递给催化反应腔的重整催化剂为燃料的催化重整反应提供热能。与催化反应腔内引入部分氧化反应相比，因燃烧室燃烧的是燃料催化重整过程中不可避免产生的可燃性尾气，其热效率更高，而且将空气注入燃烧室催化燃烧不需要注入催化反应腔那样的高压，自耗能降低；与燃料有焰燃烧相比，可以减少排气的HC、NOx化合物含量，更有利于改善排气质量。
于紧凑型随行制氢装置的燃烧室(或尾气腔)中内置除去空气中的CO的除一氧化碳器(装载将CO转化为CO2的催化剂)，可以在不占用额外空间、和不增加能耗的情况下，净化燃料电池氧化剂的空气，防止燃料电池空气中CO中毒，增强燃料电池机车适应性。
此外，延续本发明人申请中的专利技术2008100839957《随行制氢燃料电池燃料系统及其装置》中回收利用燃料电池阴极排气和重整器尾气的再生水，从根本上解决了现有移动制氢燃料电池水蒸发产生结垢、续驶里程短或必须配置专用水箱的问题而导致移动制氢技术难于实用化的障碍。
本发明的技术方案
1本发明是由(独立脱硫器或集成于随行制氢装置的)脱硫腔、紧凑型随行制氢装置(重整器)、除碳系统、(独立一氧化碳转化器或集成于随行制氢装置的)一氧化碳转化腔、(净化空气的)除一氧化碳器、换热器和燃料电池组成的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置内集成(将燃料催化转化的富氢混合气及时从催化反应腔导出的)气液管状分离膜，气液管状分离膜的长度为3-L(cm)，L等于催化反应腔的长度；对H2含量≥20％(v/v，干基)的富氢混合气(H2、CO、CO2等)的通量≥80M3/M2.h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数≥2000，最佳≥5000，在重整条件下不透过液态烃和水；燃料电池所用燃气为经一氧化碳转化腔除去一氧化碳或和除碳系统除去部分二氧化碳的净化富氢混合气。
本发明涉及的紧凑型随行制氢装置(重整器)，优先使用本发明人申请中的专利技术200810091348X紧凑型随行制氢装置，并将原技术中集成的分离提纯高纯氢气的钯膜，改为本发明的气液管状分离膜。
本发明涉及的气液管状分离膜的支撑体为多孔不锈钢、或多孔陶瓷、或金属(含合金)无机复合材料，膜为金属或金属(含合金)无机复合材料在支撑体上再加工形成，金属或合金中不使用钯。
2(附图1、4、7、8、9、10)本发明特征1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置的富氢混合气管与除碳系统的二氧化碳吸收器的分布器连接，除去部分二氧化碳的中间富氢混合气管与(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔的入口连接。
本特征技术方案的一种系统连接方式为混合喷燃器喷出的燃烧火焰进入紧凑型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，再通过尾气管及尾气管上的再生水蒸发换热器热流通道、空气预热换热器热流通道，最后排空；燃料经燃料管、及燃料管上的燃料泵、燃料电池阴极排气再生水冷凝换热器冷流通道、净化空气冷却换热器冷流通道，进入(脱硫器的)脱硫腔；液态预热燃料经脱硫腔脱硫进入催化反应腔，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在催化重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜微孔进入气液管状分离膜的通透侧(管膜的内通道)，并进入富氢混合气腔，再经富氢混合气管及富氢混合气管上的一氧化碳转化器的管程，送至二氧化碳吸收器的分布器，富氢混合气富氢混合气经水吸收二氧化碳后，从引出器引出，经中间富氢混合气管送入(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔，(一氧化碳被再重整或选择性氧化为CO2或甲烷化为CH4后的净化富氢混合气)经净化富氢混合气管送至燃料电池阳极极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管送至混合喷燃器燃烧；催化反应腔中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管送至混合喷燃器燃烧；空气管将空气送入空气预热换热器冷流通道经加热尾气预热后，部分空气通过解吸空气管送入二氧化碳解吸器的空气分布器用于解吸二氧化碳，另一部分通过氧化剂空气管送入除一氧化碳器将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管及净化空气管上的空气冷却换热器热流通道降温后送入燃料电池阴极极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池阴极排气管进入再生水冷凝换热器热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵送至再生水蒸发换热器冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管送至紧凑型随行制氢装置催化反应腔入口；紧凑型随行制氢装置的加热尾气在空气预热器热流通道中的冷凝再生水通过再生补充水管及再生补充水管上的补充水泵向除碳系统补充再生水。
3(附图2、5、7、8、9、10)特征1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置的富氢混合气管与(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔的入口连接，(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔出口的中间富氢混合气管与除碳系统的二氧化碳吸收器的分布器连接。
本特征技术方案的一种系统连接方式为混合喷燃器15喷出的燃烧火焰进入紧凑型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，再通过尾气管及尾气管上的再生水蒸发换热器热流通道、空气预热换热器热流通道，最后排空；燃料经燃料管、及燃料管上的燃料泵、再生水冷凝换热器冷流通道、净化空气冷却换热器冷流通道，最后进入(脱硫器的)脱硫腔；液态预热燃料经脱硫腔脱硫进入催化反应腔，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜微孔进入气液管状分离膜的通透侧，并进入富氢混合气腔，再经富氢混合气管送入(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔，富氢混合气中的一氧化碳被再重整或选择性氧化为CO2后的净化富氢混合气，通过中间富氢混合气管送至二氧化碳吸收器的分布器，富氢混合气经水吸收二氧化碳后，从引出器引出，经净化富氢混合气管送至燃料电池阳极极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管送至混合喷燃器燃烧；催化反应腔中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管送至混合喷燃器燃烧；空气管将空气送入空气预热换热器冷流通道经加热尾气预热后，部分空气通过解吸空气管送入二氧化碳解吸器的空气分布器用于解吸二氧化碳，另一部分通过氧化剂空气管送入除一氧化碳器将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管及净化空气管上的空气冷却换热器热流通道降温后送入燃料电池阴极极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池阴极排气管进入再生水冷凝换热器热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵送至再生水蒸发换热器冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管送至紧凑型随行制氢装置催化反应腔入口；紧凑型随行制氢装置的加热尾气在空气预热器热流通道中的冷凝再生水通过再生补充水管及再生补充水管上的补充水泵向除碳系统补充再生水。
4(附图3、6、8、9、10)特征1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置的富氢混合气管与(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔的入口连接。
本特征技术方案的一种系统连接方式为混合喷燃器喷出的燃烧火焰进入紧凑型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，再通过尾气管及尾气管上的再生水蒸发换热器热流通道、空气预热换热器热流通道，最后排空；燃料经燃料管及燃料管上的燃料泵、再生水冷凝换热器冷流通道、净化空气冷却换热器冷流通道，最后进入(脱硫器的)脱硫腔；液态预热燃料经脱硫腔脱硫进入催化反应腔，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜微孔进入气液管状分离膜的通透侧，并进入富氢混合气腔，再经富氢混合气管送至(一氧化碳转化器的)一氧化碳转化腔，一氧化碳被再重整或选择性氧化转为CO2后的净化富氢混合气，经净化富氢混合气管送至燃料电池阳极极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管送至混合喷燃器燃烧；催化反应腔中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管送至混合喷燃器燃烧；空气管将空气送入空气预热换热器冷流通道经加热尾气预热后，通过氧化剂空气管送入除一氧化碳器将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管及净化空气管上的空气冷却换热器热流通道降温后送入燃料电池阴极极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池阴极排气管进入再生水冷凝换热器热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵送至再生水蒸发换热器冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管送至紧凑型随行制氢装置催化反应腔入口。
5、(附图9)特征1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(重整器)的平行双筒催化反应腔之间的两边外侧沿轴向集成有与催化反应腔相互隔离的一氧化碳转化腔。
将本发明人申请中的专利技术200810091438X《紧凑型随行制氢装置》中集成的脱硫腔与催化反应腔隔离，改脱硫腔为本发明的一氧化碳转化腔。
6(附图10)特征1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(重整器)的平行双筒催化反应腔之间的两边外侧，一侧沿轴向集成有一氧化碳转化腔，另一侧沿轴向集成有脱硫腔，一氧化碳转化腔与脱硫腔相互隔离。
7、特征1、2、3、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置内的催化反应条件，其特征在于集成有气液管状分离膜的催化反应腔004内，烃燃料在450-1100℃，最佳为500-580℃温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气，醇燃料在200-600℃，最佳为250-350℃温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气。催化剂可以选自多种市售催化剂，如高镍含量的Ni基催化剂、CuOZnAl2O3、K2O，NiO/Al2O3催化剂等。
使用不同的催化剂和控制条件，通过选择性(优先)一氧化碳氧化法将一氧化碳催化氧化为二氧化碳、或和通过甲烷化反应将一氧化碳催化重整为甲烷、或和通过水蒸气与一氧化碳反应再催化重整为二氧化碳和氢气，从而达到降低CO含量至符合燃料电池使用要求的目的。
使用特征1和2的系统技术，在一氧化碳转化腔中进行甲烷化反应，其优势在于：除获得低温重整条件外，由于大量CO2被除碳系统除去，甲烷化反应转化一氧化碳，生成的甲烷量少，氢气收率高；富氢混合气中CO2和CH4浓度均较低，燃料电池极板催化剂层上不易发生甲烷化副反应，和CO逆转。是从实现移动制氢功能的技术、制造成本和运行成本都为最佳效果的技术方案。
使用符合特征1和3的系统技术，在一氧化碳转化腔中进行水蒸气再重整，其优势在于：除获得低温重整条件外，将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气、或和选择性一氧化碳氧化法将一氧化碳氧化为二氧化碳，因较多二氧化碳被除去，富氢混合气中二氧化碳含量低，进入燃料电池催化极板后的甲烷化副反应少，可以提高燃料电池的效率。
使用符合特征1和4的系统技术，在一氧化碳转化器中采用水蒸气和一氧化碳反应的再重整技术，将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气的优势在于：除获得低温重整条件外，只要同时引入(与CO含量)接近化学平衡量的净化空气，即可获得CO<10ppm(干基v/v)的富氢混合气；不足在于富氢混合气中CO2含量较高，在燃料电池极板催化剂层上，容易产生甲烷化副反应。
8(附图7)特征1、2、3涉及的除碳系统，其特征在于具有至少一台二氧化碳吸收器和至少一台二氧化碳解吸器；除碳系统中的吸收剂为水，循环水管与连接于循环水管上的循环水泵、散热器、二氧化碳吸收器、二氧化碳解吸器构成水的循环通路；二氧化碳吸收器的内顶端设有水的吸收喷淋头，下端设有(二氧化碳浓度较高的初始富氢混合气的)分布器，上端设有(去除部分二氧化碳后的富氢混合气的)引出器，分布器和引出器之间装载有(为增大水的比表面积的)填料；二氧化碳解吸器内顶端设有二氧化碳水溶液的解吸喷淋头，下端设有空气分布器，空气分布器和喷淋头间或装载填料，二氧化碳解吸器外壳上端设有二氧化碳排出管(排出CO2、空气)；将二氧化碳吸收器内置于二氧化碳解吸器内构成一体化除碳系统。
引出器不是必须的构件，通常可以省略。
二氧化碳吸收器工作时，从吸收喷淋头自上而下经填料分散吸收二氧化碳后进入循环管；富氢混合气从分布器自下而上经填料释放二氧化碳(被水吸收)后从引出器排出。富氢混合气中的二氧化碳在水中的吸收遵从亨利定律：即在温度一定的条件下，二氧化碳在水中的溶解度与二氧化碳在气相中的分压成正比。由于进入二氧化碳吸收器的富氢混合气中，二氧化碳的浓度较高，其分压也较大，在水中有较大的溶解度，所以被吸收而溶入水中，并被循环水带走。二氧化碳在二氧化碳解吸器的解吸也遵从亨利定律：二氧化碳溶解于水后进入二氧化碳解吸器，空气从空气分布器自下而上通过填料与二氧化碳水溶液表面接触，由于空气中二氧化碳的分压极低，二氧化碳从水中解吸出来，并同空气一起经二氧化碳排出口排出。
在二氧化碳吸收器和二氧化碳解吸器之间的循环水管上设置只能通过液体的液相单通阀或疏水阀(附图未示出)是必要的，以防止富氢混合气经循环水管进入二氧化碳解吸器。
除碳系统工作过程中，部分(吸收剂)水随二氧化碳和空气排空蒸发而损失，可以通过本发明的紧凑型随行制氢装置的加热尾气的冷凝再生水补充。
9特征1、2、3、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置，其特征在于在燃烧室装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃烧为催化重整制氢提供热能方式为以无焰燃烧为催化重整制氢提供热源，无焰燃烧的燃料来自催化反应腔的可燃性尾气管的重整尾气。
催化燃烧催化剂可以选用多种市售催化剂，如：多种Ni-Fe催化剂、负载于二氧化硅等载体上的Pt、Pd及其混合物等催化剂。
燃烧室装载催化燃烧催化剂时，混合喷燃器改作冷启动时对空气的预热元件，利用被加热的空气对催化燃烧催化剂预热。
10特征1、2、3、4涉及的空气除一氧化碳器的特征在于内置于紧凑型随行制氢装置的燃烧室。
紧凑型随行制氢装置燃烧室内置除一氧化碳器，可以在不消耗额外能量和不占用多余空间的条件下，收到净化燃料电池氧化剂空气的效果，以增强移动至氢燃料电池机车的适应性。将除一氧化碳器移出紧凑型随行制氢装置燃烧室，必须更多地消耗额外的燃料，系统的热效率下降。取消除一氧化碳器，不除去空气中一氧化碳的系统技术机车，将不适应空气中高CO含量的隧道和拥堵路段工况。
本发明涉及的紧凑型随行制氢装置的催化反应腔内装载将燃料蒸汽催化重整为富氢气体的催化剂，脱硫腔装载脱硫剂，或和燃烧室装载可燃废气催化无焰燃烧的催化剂，除一氧化碳器内装载将空气中CO转化为CO2的催化剂。
本发明选用不同的催化剂，适用于多种液态含氢燃料，尤其是液态低碳醇、烃、醚等的移动制氢。
本发明，使用不含硫化物的低碳醇、醚等含氢燃料时，系统中可以取消脱硫腔或在脱硫腔中不装载脱硫剂。
本发明的优势之一是低温(即使对烃燃料也只在450-550℃温度范围)重整制氢，而将空气中CO在除一氧化碳器中催化转化为CO2的启动温度一般在350℃左右，因此将除一氧化碳器内置于随行制氢装置的燃烧室是合理的，比在内置于尾气腔效果更好。
本发明涉及的紧凑型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。
本发明可以与在非通透性重整尾气的可燃废气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。
本发明涉及的混合喷燃器上连接有来自从气液管状分离膜分离富氢混合气后的非通透性重整尾气(燃料蒸汽、过剩水蒸气、甲烷及少量未透过氢气等)的可燃废气管、燃料电池(未反应氢气和甲烷)阳极排气管、和辅助燃料管，辅助燃料管输送用于冷启动或补充燃料，辅助燃料来自燃料箱(附图未示出)的液态燃料；混合喷燃器上并有空气孔，以吸入燃料燃烧所需空气。
本发明的工作过程
现以特征2技术方案涉及的移动制氢发动机燃料系统及其装置为例，说明本发明的工作过程。
首先开启辅助燃料管送入辅助燃料，点燃混合喷燃器，预热紧凑型随行制氢装置、再生水蒸发换热器、空气预热换热器。当催化反应腔和再生水蒸发换热器达到设定工作温度，开启燃料泵和再生水泵，低流量向系统供应液态含氢燃料和再生水(预储存水，附图未示出)，催化重整反应逐渐启动，并产生富氢混合气；当富氢混合气通过富氢混合气管流经一氧化碳转化器时，开始对一氧化碳转化器进行加热，启动除碳系统；催化反应腔催化重整速率稳定后，产生的气液管状分离膜非通透性重整尾气(燃料蒸汽、过剩水蒸气、甲烷及少量未透过氢气)的可燃废气逐渐达到正常流量，并向混合喷燃器提供加热燃料，此时完全关闭或减小辅助燃料管的开启度，并将燃料和再生水流量开至正常开启度。
正常工作时，混合喷燃器喷出的燃烧火焰进入紧凑型随行制氢装置的燃烧室充分燃烧形成加热气，对燃烧室内的除一氧化碳器加热，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，再通过尾气管及尾气管上的再生水蒸发换热器热流通道间接加热再生水并使再生水蒸发，并继续进入空气预热换热器热流通道预热空气，最后排空。
来自附图未示出的空气泵的空气管将空气送入空气预热换热器冷流通道经加热尾气预热后，部分空气通过解吸空气管送入二氧化碳解吸器的空气分布器用于解吸二氧化碳，另一部分通过氧化剂空气管送入除一氧化碳器将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管及净化空气管上的净化空气冷却换热器降温后送入燃料电池阴极极板腔参加电池半反应，阴极极板侧的O2-与透过质子电介质膜的H+结合生成的水蒸气通过燃料电池阴极排气管进入再生水冷凝换热器热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管及再生水管上的再生水泵送至再生水蒸发换热器冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管送至紧凑型随行制氢装置催化反应腔入口。
紧凑型随行制氢装置的加热尾气在空气预热器热流通道中的冷凝再生水通过再生补充水管及再生补充水管上的补充水泵向除碳系统补充再生水。净化空气冷却换热器中，燃料间接吸收来自除一氧化碳器排出的净化空气的热量而预热，同时冷却了净化空气，使得净化除去空气中的CO几乎不消耗额外能量。
于紧凑型随行制氢装置的燃烧室装载燃料催化燃烧催化剂，改以明焰燃烧为催化重整制氢提供热能方式为以无焰燃烧为催化重整制氢提供热源，无焰燃烧的燃料为来自催化反应腔的可燃性尾气管的可燃性尾气。启动时，首先开启冷启动空气预热器(混合喷燃器)预热空气，预热空气进入燃烧室对催化燃烧催化剂进行加热，当催化燃烧催化剂达到启动等温度时，向燃烧室逐渐注入辅助燃料，辅助燃料发生催化燃烧反应并产生热能，进而通过换热管管程对催化反应腔内的重整催化剂进行加热，直至启动催化反应腔的燃料催化重整制氢反应。其余过程与明焰燃烧相同。
使用本发明有益结果：
本发明利用紧凑型随行制氢装置中集成的气液管状分离膜，将富氢混合气及时从催化反应腔中导出，使重整气中的H2、CO、CO2与催化剂隔离，可以收到四方面的有益结果：
其一，避免了燃料重整转化的富氢混合气组分(尤其在低温条件)可能发生的甲烷化反应，有效地提高了重整制氢的氢选择性和氢气产率。
其二，为烃类燃料低温(450-600℃)液态重整制氢创造了条件，并放宽了高温(800-1100℃)重整制氢技术对随行制氢装置材质的苛刻要求和减少了运行的能耗，降低了制造和运行成本。
其三，液态燃料和及时分离了富氢混合气组分的重整环境，可以耐受较宽范围的温度波动变化，有利于稳定重整制氢的产气组分。
其四，将重整富氢混合气从催化反应腔中及时导出，其目的是将富氢混合气与催化剂隔离，不是要获得高纯氢气，对分离膜的选择性要求低、通量大、不需要分离高纯氢气的贵金属钯，相对于钯膜成本，造价极低，跨越了钯膜制取高纯氢气技术难以逾越的高昂造价的实用化屏障。
用除碳系统出去富氢混合气中的部分CO2，可以收到至少三方面的有益效果：
其一、(对后续除去CO使用甲烷化技术)可以减少后续除去CO甲烷化过程的氢气消耗量，以提高重整过程的产氢率；其二、减少富氢混合气中甲烷的浓度，防止过高的甲烷浓度在燃料电池极板上可能产生的CO逆转副反应对燃料电池催化剂的毒害；其三、除去富氢混合气中的CO2，减少进入燃料电池中富氢混合气中的CO2，可以防止过高浓度的CO2在燃料电池极板上的甲烷化反应，有效提高机车的效率。
于紧凑型随行制氢装置的燃烧室装载燃料催化燃烧催化剂，无焰燃烧随行制氢装置排出的可燃性尾气，与催化反应腔内引入部分氧化反应相比，因燃烧室燃烧的是燃料催化重整过程中不可避免产生的可燃性尾气，其热效率更高，而且将空气注入燃烧室催化燃烧不需要注入催化反应腔那样的高压，自耗能降低；与燃料有焰燃烧相比，可以减少排气的NOx化合物含量，有利于改善排气质量。
应用本发明人的集成气液管状分离膜、脱硫腔或一氧化碳转化器的紧凑型随行制氢装置，简化了系统结构、节约了有限的机车空间，更有利于机载移动重整制氢技术的实用化。
于紧凑型随行制氢装置的燃烧室(或尾气腔)中内置除去空气中的CO的除一氧化碳器(装载将CO转化为CO2的催化剂)，可以在不占用额外空间、和不增加能耗的情况下，净化燃料电池氧化剂的空气，防止燃料电池空气中CO中毒，增强燃料电池机车适应性。
附图说明 下面结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明富氢混合气被气液管状分离膜导出后先除去二氧化碳再作一氧化碳转化的移动制氢燃料电池燃料系统的方框示意图。
图2是本发明富氢混合气被气液管状分离膜导出后先作一氧化碳转化再除去二氧化碳的移动制氢燃料电池燃料系统的方框示意图。
图3是本发明富氢混合气被气液管状分离膜导出后只作一氧化碳转化的移动制氢燃料电池燃料系统的方框示意图。
图4是本发明的一种符合特征1、2技术方案的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置的示意图。
图5是本发明的一种符合特征1、3技术方案的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置的示意图。
图6是本发明的一种符合特征1、4技术方案的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置的示意图。
图7是本发明涉及的除碳系统示意图，其中图7-a为除碳系统示意图，图7-b为将二氧化碳吸收器内置于二氧化碳解吸器中的一体化除碳系统结构示意图。
图8是本发明涉及的一种集成气液管状分离膜和脱硫腔的紧凑型随行制氢装置的筒体剖视结构示意图(本发明人申请中的专利技术200810091438X《紧凑型随行制氢装置》，实施中使用时，系统省略独立脱硫器)。
图9是本发明涉及的一种集成气液管状分离膜和一氧化碳转化腔的紧凑型随行制氢装置的筒体剖视结构示意图(根据本发明人申请中的专利技术200810091438X《紧凑型随行制氢装置》改造而成，实施中使用时，系统省略独立一氧化碳转化器)。
图10是本发明涉及的一种集成气液管状分离膜、脱硫腔和一氧化碳转化腔的紧凑型随行制氢装置的筒体剖视结构示意图(根据本发明人申请中的专利技术200810091438X《紧凑型随行制氢装置》改造而成，实施中使用时，系统省略独立脱硫腔和一氧化碳转化器)。
图中：
1-紧凑型随行制氢装置 2-除碳系统 3-(独立)一氧化碳转化器 4-燃料电池 4A-燃料电池的阴极 4B-燃料电池的阳极
10-(独立)脱硫器 11-(除碳系统)补充水泵 12-空气预热换热器13-再生蒸发换热器 14-(空气)除一氧化碳器 15-混合喷燃器(冷启动空气预热器) 16-(净化空气)冷却换热器 17-(燃料电池阴极排气)再生水冷凝换热器 18-燃料泵 19-再生水泵
21-(二氧化碳)吸收器 22-散热器 23-(二氧化碳)解吸器 24-循环泵
a-吸收喷淋头 b-(吸附二氧化碳后富氢混合气的)引出器 c-(富氢混合气)分布器 d-(二氧化碳)解吸喷淋头 e-(空气)空气分布器 f-(一氧化碳转化腔与脱硫腔间的)隔板或密封焊缝) g-(脱硫腔与催化反应腔间的)通孔 h-换热管 m-气液管状分离膜
000-空气管 010-燃料管 111-补充燃料管
001-燃烧室 002-富氢混合气腔 003-脱硫腔 004-催化反应腔005-尾气腔 006-一氧化碳转化腔
101-加热尾气管 102-富氢混合气管 103-可燃性尾气管 104-净化空气管
200-循环水管 201-(脱除二氧化碳的)富氢混合气管 202-二氧化碳废气管
301-(一氧化碳转化器引出的)富氢混合气管
401-(燃料电池)阳极排气管 402-(燃料电池)阴极排气管
1201-氧化剂空气管 1202-(二氧化碳)脱气空气管 1203-再生补充水管
1301-(再生)水蒸汽管
1701-(燃料电池阴极排气)再生水管
实施例1
如附图1-10所示，一种由脱硫腔003、紧凑型随行制氢装置1、除碳系统2、一氧化碳转化腔006、(净化空气的)除一氧化碳器14、换热器12、13、16、17和燃料电池4组成的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1内集成气液管状分离膜m，气液管状分离膜m的长度为3-L(cm)，L等于催化反应腔004的长度；气液管状分离膜m对H2含量≥20％(v/v，干基)的富氢混合气(H2、CO、CO2等)的通量≥80M3/M2.h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数≥2000，最佳≥5000，在重整条件下不透过液态烃和水；燃料电池4所用燃气为经一氧化碳转化腔006除去一氧化碳或和除碳系统2除去部分二氧化碳的净化富氢混合气。
实施例2
如附图1、4、7、8、9、10所示，一种实施例1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1的富氢混合气管102与除碳系统2的二氧化碳吸收器21的分布器c连接，除去部分二氧化碳的中间富氢混合气管201与(一氧化碳转化器3的)一氧化碳转化腔006的入口连接。
本实施例的一种系统连接方式为混合喷燃器15喷出的燃烧火焰进入紧凑型随行制氢装置1的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管h管程进入尾气腔005，再通过尾气管101及尾气管101上的再生水蒸发换热器13热流通道、空气预热换热器12热流通道，最后排空；燃料经燃料管010、及燃料管010上的燃料泵18、燃料电池4阴极4A排气再生水冷凝换热器17冷流通道、净化空气冷却换热器16冷流通道，进入(脱硫器10的)脱硫腔003；液态预热燃料经脱硫腔003脱硫进入催化反应腔004，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管1301的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在催化重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜m微孔进入气液管状分离膜m的通透侧，并进入富氢混合气腔002，再经富氢混合气管102及富氢混合气管102上的一氧化碳转化器3的管程，送至二氧化碳吸收器21的分布器c，富氢混合气富氢混合气经水吸收二氧化碳后，从引出器b引出，经中间富氢混合气管201送入一氧化碳转化器3的一氧化碳转化腔006，经净化富氢混合气管301送至燃料电池4阳极4B极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管401送至混合喷燃器15燃烧；催化反应腔004中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管103送至混合喷燃器15燃烧；空气管000将空气送入空气预热换热器12冷流通道经加热尾气预热后，部分空气通过解吸空气管1202送入二氧化碳解吸器24的空气分布器e用于解吸二氧化碳，另一部分通过氧化剂空气管1201送入除一氧化碳器14将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管104及净化空气管104上的空气冷却换热器16热流通道降温后送入燃料电池4阴极4A极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池4阴极排气管402进入再生水冷凝换热器17热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管1701及再生水管1701上的再生水泵19送至再生水蒸发换热器13冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管1301送至紧凑型随行制氢装置1催化反应腔004入口；紧凑型随行制氢装置1的加热尾气在空气预热器12热流通道中的冷凝再生水通过再生补充水管1203及再生补充水管1203上的补充水泵11向除碳系统2补充再生水。
实施例3
如附图2、5、7、8、9、10所示，一种实施例1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1的富氢混合气管102与一氧化碳转化腔006的入口连接，一氧化碳转化腔006出口的中间富氢混合气管301与除碳系统2的二氧化碳吸收器21的分布器c连接。
本实施例的一种系统连接方式为混合喷燃器15喷出的燃烧火焰进入紧凑型随行制氢装置1的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管h管程进入尾气腔005，再通过尾气管101及尾气管101上的再生水蒸发换热器13热流通道、空气预热换热器12热流通道，最后排空；燃料经燃料管010、及燃料管010上的燃料泵18、再生水冷凝换热器17冷流通道、净化空气冷却换热器16冷流通道，最后进入脱硫腔003；液态预热燃料经脱硫腔003脱硫进入催化反应腔004，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管1301的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜m微孔进入气液管状分离膜m的通透侧，并进入富氢混合气腔002，再经富氢混合气管102送入一氧化碳转化腔006，富氢混合气中的一氧化碳被再重整或选择性氧化为CO2后的净化富氢混合气，通过中间富氢混合气管301送至二氧化碳吸收器21的分布器c，富氢混合气经水吸收二氧化碳后，从引出器b引出，经净化富氢混合气管201送至燃料电池4阳极4B极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管401送至混合喷燃器15燃烧；催化反应腔004中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管103送至混合喷燃器15燃烧；空气管000将空气送入空气预热换热器12冷流通道经加热尾气预热后，部分空气通过解吸空气管1202送入二氧化碳解吸器24的空气分布器e用于解吸二氧化碳，另一部分通过氧化剂空气管1201送入除一氧化碳器14将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管104及净化空气管104上的空气冷却换热器16热流通道降温后送入燃料电池4阴极4A极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池4阴极排气管402进入再生水冷凝换热器17热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管1701及再生水管1701上的再生水泵19送至再生水蒸发换热器13冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管1301送至紧凑型随行制氢装置1催化反应腔004入口；紧凑型随行制氢装置1的加热尾气在空气预热器12热流通道中的冷凝再生水通过再生补充水管1203及再生补充水管1203上的补充水泵11向除碳系统2补充再生水。
实施例4
如附图3、6、8、9、10所示，实施例特征1涉及的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1的富氢混合气管102与一氧化碳转化腔006的入口连接。
本实施例的一种系统连接方式为混合喷燃器15喷出的燃烧火焰进入紧凑型随行制氢装置1的燃烧室001充分燃烧形成加热气，加热气经换热管h管程进入尾气腔005，再通过尾气管101及尾气管101上的再生水蒸发换热器13热流通道、空气预热换热器12热流通道，最后排空；燃料经燃料管010及燃料管010上的燃料泵18、再生水冷凝换热器17冷流通道、净化空气冷却换热器16冷流通道，最后进入脱硫腔003；液态预热燃料经脱硫腔脱003硫进入催化反应腔004，并在催化剂表面扩散后与来自再生水蒸汽管1301的水蒸气混合，参与水蒸气重整反应催化重整为富氢混合气；在重整转化过程中，气态的富氢混合气及时透过气液管状分离膜m微孔进入气液管状分离膜m的通透侧，并进入富氢混合气腔002，再经富氢混合气管102送至一氧化碳转化腔006，一氧化碳被再重整或选择性氧化转为CO2后的净化富氢混合气，经净化富氢混合气管301送至燃料电池4阳极4B极板腔参与电池半反应，未反应的富余氢气和甲烷经阳极排气管401送至混合喷燃器15燃烧；催化反应腔004中产生的重整气中的部分非通透性重整尾气通过可燃废气管103送至混合喷燃器15燃烧；空气管000将空气送入空气预热换热器12冷流通道经加热尾气预热后，通过氧化剂空气管1201送入除一氧化碳器14将空气中的一氧化碳催化转化为二氧化碳后，经净化空气管104及净化空气管104上的空气冷却换热器16热流通道降温后送入燃料电池4阴极4A极板腔参加电池半反应，生成的水蒸气通过燃料电池4阴极排气管402进入再生水冷凝换热器17热流通道冷凝为再生水，再生水通过再生水管1701及再生水管1701上的再生水泵19送至再生水蒸发换热器13冷流通道受热后转变为再生水蒸气，并经再生水蒸汽管1301送至紧凑型随行制氢装置1催化反应腔004入口。
实施例5
如附图9所示，实施例1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1的平行双筒催化反应腔004之间的两边外侧沿轴向集成有与催化反应腔004相互隔离的一氧化碳转化腔006。
实施例6
如附图10所示，实施例1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置1的平行双筒催化反应腔004之间的两边外侧，一侧沿轴向集成有一氧化碳转化腔006，另一侧沿轴向集成有脱硫腔003，一氧化碳转化腔006与脱硫腔003相互隔离。
实施例7
7、特征1、2、3、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置内的催化反应条件，其特征在于集成有气液管状分离膜m的催化反应腔004内，烃燃料在450-1100℃，最佳为500-580℃温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气，醇燃料在200-600℃，最佳为250-350℃温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气。
实施例8
如附图7所示，实施例特征1、2、3涉及的除碳系统，其特征在于具有至少一台二氧化碳吸收器21和至少一台二氧化碳解吸器24；除碳系统2中的吸收剂为水，循环水管200与连接于循环水管200上的循环水泵23、散热器22、二氧化碳吸收器21、二氧化碳解吸器24构成水的循环通路；二氧化碳吸收器21的内顶端设有水的吸收喷a淋头，下端设有分布器c，上端设有引出器b，分布器c和引出器b之间装载有填料；二氧化碳解吸器24内顶端设有二氧化碳水溶液的解吸喷d淋头，下端设有空气分布器e，空气分布器e和喷淋头d间或装载填料，二氧化碳解吸器24外壳上端设有二氧化碳排出管202；将二氧化碳吸收器21内置于二氧化碳解吸器24内构成一体化除碳系统2。
实施例9
实施例1、2、3、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置，其特征在于在燃烧室001装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃烧为催化重整制氢提供热能方式为以无焰燃烧为催化重整制氢提供热源，无焰燃烧的燃料来自催化反应腔的可燃性尾气管的重整尾气。
实施例10
实施例1、2、3、4涉及的空气除一氧化碳器，其特征在于内置于紧凑型随行制氢装置1的燃烧室001。
本发明的创造思想及权利要求包括以下不具创造性的改动：
将净化空气的除一氧化碳器移出紧凑型随行制氢装置燃烧室，甚至完全取消除一氧化碳器，或将除一氧化碳器内置于紧凑型随行制氢装置的尾气腔的技术方案。
在可燃废气管上设置燃料或空气的预热装置的改动。
解吸二氧化碳的空气不经预热处理的改动。
将二氧化碳解析器内置于二氧化碳吸收器构成的一体化除碳系统。
Claims (10)
1、一种由脱硫腔(003)、紧凑型随行制氢装置(1)、除碳系统(2)、一氧化碳转化腔(006)、除一氧化碳器(14)、换热器(12、13、16、17)和燃料电池(4)组成的移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)内集成气液管状分离膜(m)，气液管状分离膜(m)的长度为3-L(cm)，L等于催化反应腔(004)的长度；气液管状分离膜(m)对H2含量≥20％(v/v，干基)的富氢混合气的通量≥80M3/M2.h.bar，对氢气/水蒸气的分离系数≥2000，最佳≥5000，在重整条件下不透过液态烃和水；燃料电池(4)所用燃气为经一氧化碳转化腔(006)除去一氧化碳或和除碳系统(2)除去部分二氧化碳的净化富氢混合气。
2、根据权利要求1所述的一种移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)的富氢混合气管(102)与除碳系统(2)的二氧化碳吸收器(21)的分布器(c)连接，除去部分二氧化碳的中间富氢混合气管(201)与一氧化碳转化腔(006)的入口连接。
3、根据权利要求1所述的一种移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)的富氢混合气管(102)与一氧化碳转化腔(006)的入口连接，一氧化碳转化腔(006)出口的中间富氢混合气管(301)与除碳系统(2)的二氧化碳吸收器(21)的分布器(c)连接。
4、根据权利要求1所述的一种移动制氢燃料电池燃料系统及其装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)的富氢混合气管(102)与一氧化碳转化腔(006)的入口连接。
5、权利要求1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)的平行双筒催化反应腔(004)之间的两边外侧沿轴向集成有与催化反应腔(004)相互隔离的一氧化碳转化腔(006)。
6、权利要求1、2、3、4涉及的一种紧凑型随行制氢装置，其特征在于紧凑型随行制氢装置(1)的平行双筒催化反应腔(004)之间的两边外侧，一侧沿轴向集成有一氧化碳转化腔(006)，另一侧沿轴向集成有脱硫腔(003)，一氧化碳转化腔(006)与脱硫腔(003)相互隔离。
7、权利要求1、2、3、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置内的催化反应条件，其特征在于集成有气液管状分离膜(m)的催化反应腔(004)内，烃燃料在450-1100℃，最佳为500-580℃温度范围、0.3-3Moa压力范围催化重制取富氢混合气，醇燃料在200-600℃，最佳为250-350℃温度范围、0.3-3Mpa压力范围催化重制取富氢混合气。
8、权利要求1、2、3涉及的除碳系统，其特征在于具有至少一台二氧化碳吸收器(21)和至少一台二氧化碳解吸器(24)；除碳系统(2)中的吸收剂为水，循环水管(200)与连接于循环水管(200)上的循环水泵(23)、散热器(22)、二氧化碳吸收器(21)、二氧化碳解吸器(24)构成水的循环通路；二氧化碳吸收器(21)的内顶端设有水的吸收喷(a)淋头，下端设有分布器(c)，上端设有引出器(b)，分布器(c)和引出器(b)之间装载有填料；二氧化碳解吸器(24)内顶端设有二氧化碳水溶液的解吸喷(d)淋头，下端设有空气分布器(e)，空气分布器(e)和喷淋头(d)间或装载填料，二氧化碳解吸器(24)外壳上端设有二氧化碳排出管(202)；将二氧化碳吸收器(21)内置于二氧化碳解吸器(24)内构成一体化除碳系统(2)。
9、权利要求1、2、4、5、6涉及的紧凑型随行制氢装置，其特征在于在燃烧室(001)装载燃料催化燃烧的催化剂，改以明焰燃烧为催化重整制氢提供热能方式为以无焰燃烧为催化重整制氢提供热源，无焰燃烧的燃料来自催化反应腔(004)的可燃性尾气管的重整尾气。
10、权利要求1涉及的空气除一氧化碳器，其特征在于内置于紧凑型随行制氢装置(1)的燃烧室(001)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2008102149759A CN101453027A (zh) | 2008-07-13 | 2008-09-03 | 移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200810130387.7 | 2008-07-13 | ||
| CN200810130387 | 2008-07-13 | ||
| CNA2008102149759A CN101453027A (zh) | 2008-07-13 | 2008-09-03 | 移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101453027A true CN101453027A (zh) | 2009-06-10 |
Family
ID=40735132
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2008102149759A Pending CN101453027A (zh) | 2008-07-13 | 2008-09-03 | 移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101453027A (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102479967A (zh) * | 2010-11-30 | 2012-05-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统 |
| CN102721786A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-10-10 | 武汉巨正环保科技有限公司 | 一种测定水中氨氮含量的方法 |
| CN108940150A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-07 | 北京国能中林科技开发有限公司 | 一种适用于液态氢源材料的自热式脱氢反应系统 |
| CN110963463A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-07 | 北京蓝玖新能源科技有限公司 | 一种充气封装系统及其应用 |
| CN111326772A (zh) * | 2018-12-14 | 2020-06-23 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于广谱燃料的燃料电池系统及其运行方法 |
| CN113328485A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-08-31 | 刘长山 | 一种可降温加湿保护形象的移动电源及其使用方法 |
| CN114094242A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-02-25 | 重庆大学 | 处理脱硫废水同时还原二氧化碳的流动式光电化学电池 |
| CN114300709A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-04-08 | 上海恒劲动力科技有限公司 | 一种燃料电池及其热管理控制系统 |
| CN116514064A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-08-01 | 山东德仕化工有限公司 | 一种地下产氢分离提纯系统 |
| CN117352777A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 大连擎研科技有限公司 | 一种燃料电池系统及其低温启动方法 |
-
2008
- 2008-09-03 CN CNA2008102149759A patent/CN101453027A/zh active Pending
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102479967B (zh) * | 2010-11-30 | 2014-05-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统 |
| CN102479967A (zh) * | 2010-11-30 | 2012-05-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种为千瓦级燃料电池现场提供氢气的制氢集成系统 |
| CN102721786A (zh) * | 2012-05-24 | 2012-10-10 | 武汉巨正环保科技有限公司 | 一种测定水中氨氮含量的方法 |
| CN108940150A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-07 | 北京国能中林科技开发有限公司 | 一种适用于液态氢源材料的自热式脱氢反应系统 |
| CN111326772A (zh) * | 2018-12-14 | 2020-06-23 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于广谱燃料的燃料电池系统及其运行方法 |
| CN110963463B (zh) * | 2019-12-27 | 2023-10-20 | 广东蓝玖新能源科技有限公司 | 一种充气封装系统及其应用 |
| CN110963463A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-07 | 北京蓝玖新能源科技有限公司 | 一种充气封装系统及其应用 |
| CN113328485A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-08-31 | 刘长山 | 一种可降温加湿保护形象的移动电源及其使用方法 |
| CN114300709A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-04-08 | 上海恒劲动力科技有限公司 | 一种燃料电池及其热管理控制系统 |
| CN114094242B (zh) * | 2021-12-29 | 2023-09-15 | 重庆大学 | 处理脱硫废水同时还原二氧化碳的流动式光电化学电池 |
| CN114094242A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-02-25 | 重庆大学 | 处理脱硫废水同时还原二氧化碳的流动式光电化学电池 |
| CN116514064A (zh) * | 2023-07-04 | 2023-08-01 | 山东德仕化工有限公司 | 一种地下产氢分离提纯系统 |
| CN116514064B (zh) * | 2023-07-04 | 2023-11-21 | 山东德仕化工有限公司 | 一种地下产氢分离提纯系统 |
| CN117352777A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 大连擎研科技有限公司 | 一种燃料电池系统及其低温启动方法 |
| CN117352777B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-05 | 大连擎研科技有限公司 | 一种燃料电池系统及其低温启动方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101453027A (zh) | 移动制氢燃料电池燃料系统及其装置 | |
| CN105655612B (zh) | 一种封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统及制氢方法 | |
| US6984372B2 (en) | Dynamic sulfur tolerant process and system with inline acid gas-selective removal for generating hydrogen for fuel cells | |
| JP4463803B2 (ja) | Ｃｏ２固定を伴うディーゼルスチームリフォーミング | |
| US7648541B2 (en) | Desulfurisation of fuel | |
| CN105720285B (zh) | 一种封闭式燃料电池氢源系统 | |
| JPH07315801A (ja) | 高純度水素製造システム、高純度水素の製造方法及び燃料電池システム | |
| CN101271980A (zh) | 随行制氢燃料电池燃料系统及其装置 | |
| JP2002160904A (ja) | 燃料改質装置 | |
| KR20040038911A (ko) | 통합 연료 처리장치, 연료 전지 스택 및 이산화탄소제거를 겸비한 잔류기체 산화장치 | |
| US20100104903A1 (en) | Power Plant With Membrane Water Gas Shift Reactor System | |
| CN101289957A (zh) | 随行制氢发动机燃料系统及其装置 | |
| US20210126271A1 (en) | Multi-fuel fuel cell system and operation method thereof | |
| JP2004284875A (ja) | 水素製造システムおよび燃料電池システム | |
| CN101457715A (zh) | 移动制氢发动机燃料系统及其装置 | |
| JP5347330B2 (ja) | 水素生成装置 | |
| JP2002337999A (ja) | 燃料供給システム | |
| JPH06280695A (ja) | 車載用燃料改質器 | |
| KR20190118991A (ko) | 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법 | |
| CN101550866A (zh) | 直接再生水移动制氢发动机燃料系统及其装置 | |
| Farrauto | 3 From the internal combustion engine to the fuel cell: Moving towards the hydrogen economy | |
| CN214611518U (zh) | 一种甲醇水燃料重整制氢系统 | |
| AU2003201528B2 (en) | Desulfurisation of fuel | |
| JP5461880B2 (ja) | 燃料電池用改質装置 | |
| CN117326526A (zh) | 一种基于催化燃烧的甲醇重整制氢系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20090610 |