CN101743190A - 氢系统和启动氢系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢系统(10)，包括重整器(12)，以及氢消耗器(40)，在重整器(12)中重整蒸发烃燃料(50)以产生包括氢的重整气(62)，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气可送至氢消耗器，该氢消耗器在使用时至少消耗由重整器产生的部分氢，其中该氢系统还包括：-尾气燃烧器(35)，其布置为使得它流体连通氢消耗器和第一换热器(21)，当尾气燃烧器使用时，来自氢消耗器的尾气中的剩余重整气在其中燃烧，产生经过第一换热器的废气(53)；至少一个空气泵(30)，其布置为使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，当所述至少一个空气泵使用时，其向所述重整器和尾气燃烧器供应空气，以及水泵(31)，其布置为使得它流体连通第一换热器和其后的重整器，当水泵使用时，它向第一换热器供水，其中尾气燃烧器的废气中所含热能用于产生蒸汽，该蒸汽送至重整器。

Description

氢系统和启动氢系统的方法
技术领域
本发明涉及一种包括氢发生器和氢消耗器的氢系统，以及启动这样氢系统的方法。
更具体地说，本发明涉及一种使用或不使用产生热能，都产生电能的装置和方法。本发明基于产生电能和/或热量的结合，其中氢消耗器可包括用来自于自热重整器的处理气体操作的高温PEM燃料电池，该重整器使用液态烃燃油、柴油、生物燃料或其他适合液态燃料的燃料。本发明可用作APU系统和/或热电联产。术语PEM燃料电池是指质子交换膜燃料电池，它使用氢燃料和优选来自空气的氧气，以产生电力。除了包括燃料电池，氢消耗器还可包括其他设备形式，如氨生产或需要氢和/或一氧化碳和/或二氧化碳的其他工艺设备。
背景技术
当氢生成系统与燃料电池一起使用时，HT-PEM燃料电池比标准PEM燃料电池具有一些优点。将液态燃料重整为合成气/重整气的重整器与高温PEM燃料电池的组合优于现有技术的在低温下工作的燃料电池，因为高温PEM电池中的膜比PEM燃料电池中的膜更抗一氧化碳(CO)。与实际不耐CO、而需要引入去除该气体组分的严格措施的低温PEM电池相比，这是非常有利的。除了水移反应堆，这可为去除/氧化重整原料中CO的初始氧化(也称为SelOx，选择性氧化)，以防止CO破坏PEM燃料电池。这些措施难以控制，从而导致更高的成本(例如需要两个以上的催化剂)。
已知PEM燃料电池系统的一个缺点是，由于它们有较高的操作温度，在其冷启动时从而需要更长时间来将燃料电池系统加温到它的操作温度。现有技术的已知HT-PEM燃料电池系统需要45分钟以上来加温，其在需要更短启动时间的许多应用中会成为严重的缺陷。
本发明由此总的涉及一种方法，用于减少氢系统启动所需时间，特别是其氢消耗器包括燃料电池(尤其为HT-PEM燃料电池)的氢系统，并涉及适于实现更有效的启动过程这样的氢系统。
该类型的燃料电池重整器从US2005/0095544A1中已知。该公开文本披露了启动重整器的一种方法。但是，该重整器仅为启动过程中需要加温的HT-PEM燃料电池系统的一部分，且该公开文本并未披露如何加快系统的其余部分的加温。
发明内容
因此，本发明的目的是向整个氢系统提供有效启动过程，且提供布置为使得可执行更快的启动过程(即到达氢系统操作温度所化时间)的氢系统。
这根据如所附的独立权利要求1、16和18限定的本发明来实现。本发明进一步的实施方式由独立权利要求来限定。
以下我们使用重整气一词来表示气体混合物，其主要包括氢，但还包括一定量的CO、CO2、N2和H2O。应该理解的是，重整气的来源是重整器中的重整处理，但当氢系统操作时，重整气在经过氢系统时，重整气的确切成分可变化。此外，当本申请提及氢时，在大多数情况下也会存在一定量的CO，尽管可能没有明确提及。
提供了一种氢系统，包括重整器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产生含氢重整气，以及氢消耗器，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气可送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少部分氢，该氢系统还包括：
-尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器的尾气中剩余的重整气，从而产生经过第一换热器的废气；
-至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；
-水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。
氢消耗器可提供有旁路流体管线，使得重整气可绕过氢消耗器。如果氢消耗器的部件被重整气破坏的话，这是有用且必要的。如果氢消耗器包括其膜不耐一氧化碳CO的燃料电池的话，这可能成为事实。因此可能需要在启动阶段旁通重整气，直到燃料电池的温度达到膜耐受CO的温度。在启动过程中，在任何情况下都需要旁通至少一些重整气，并将它送至可发热的尾气燃烧器，使得系统的其余部分也可加温。
对于氢消耗器的加热，旁路流体管线可提供有换热器和带加热-冷却回路的氢消耗器，其中加热-冷却回路优选布置成使得它流体连通换热器，从而在使用时，加热-冷却回路中流动的流体可与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。加热-冷却回路可用于在启动阶段加热氢消耗器，并在已达到系统操作温度并正以稳定方式工作时冷却氢消耗器。
氢系统还可包括第三换热器，其布置成使得系统在使用时，来自尾气燃烧器的热能可用于加热从空气泵至重整器的气流，即送至重整器的空气可通过使用尾气燃烧器中产生的热能被预热。
在本发明一实施方式中，氢系统还包括第二换热器，在使用时来自重整器的重整气和来自第一换热器的蒸汽和/或来自空气泵的空气流动通过第二换热器，使得重整气流中所含的热能可用于加热蒸汽和/或空气流，从而降低重整气的温度。在第一换热器中产生的蒸汽优选与空气在经过第二换热器之前混合，但可经分离的流体管线将蒸汽和空气送过第二换热器，并进一步抵达重整器。
在另一实施方式中，氢系统还包括水移反应堆，在使用时，重整气流流动通过水移反应堆，从而重整器中产生的一氧化碳用于产生氢和二氧化碳。如果氢消耗器包括具有对重整气中高CO含量敏感的膜的燃料电池，就会需要这种水移反应堆。
重整器本身优选提供有蒸发烃燃料与空气和/或蒸汽发生混合的混合空间，以及提供有重整处理发生的重整空间。混合空间包括蒸发液态烃燃料的蒸发器，供应空气和蒸汽的联合入口或分离入口，以及在氢系统加温期间点燃烃蒸汽与空气的混合物的电热塞。
在经蒸发器而被送入重整器之前，液态烃燃料可在必要时经过脱硫设备而脱硫。这样的设备是商业上可用设备，在此不作进一步解释。
重整处理发生在包括催化剂和重整器产物出口的重整空间中。
重整器的重整空间和混合空间可形成为之间设置成流体连通的分离部分或单元，或重整器可包括单个隔间，其中重整空间位于一端，且混合空间在另一端。
在本发明的又一实施方式中，第二换热器提供有向蒸汽供应附加的水的入口。向蒸汽添加水会导致经过第二换热器的重整气温度的进一步降低，也将产生更多注入重整器的蒸汽。
在本发明的又一实施方式中，氢消耗器包括带阳极侧和阴极侧的燃料电池，该阳极侧包括流体入口和流体出口，该阴极侧包括流体入口和流体出口，该燃料电池使用至少一些产生的氢来产生电能。
氢系统还包括连接阴极流体入口和风扇的流体管线，其中风扇向燃料电池阴极侧的流体入口提供空气。为了在空气进入阴极流体入口之前对其进行加温，通过提供冷空气和阴极热气体经其流动并交换热能的换热器，退出阴极流体出口的气体可用于在空气送至阴极流体入口之前对其进行加热。
在本发明的又一实施方式中，氢系统包括第四换热器，来自水移反应堆的产物和来自燃料电池阴极侧的产物经过第四换热器，使得来自水移反应堆的产物在进入燃料电池阳极侧之前被来自燃料电池阴极侧的产物冷却。在经过进一步连接尾气燃烧器的第四换热器后，来自燃料电池阴极侧的产物可传送到尾气燃烧器。
作为以上的替代，氢系统的又一实施方式包括如上的第四换热器，但其进一步布置成使得它流体连通流至重整器的蒸汽空气混合物，使得来自燃料电池阴极侧的产物可传送到重整器。来自燃料电池阴极侧的产物包括蒸汽和空气，使用该布置需要供应较少的空气和来自第一换热器的蒸汽。
在本发明的又一实施方式中，燃料电池为HT-PEM燃料电池。
还提供有包括外壳的尾气燃烧器，该外壳带有用于空气和可燃尾气的至少一个入口，以及用于尾气燃烧器的废气的出口，其中尾气燃烧器提供有用于点燃可燃尾气的电热塞。
在本发明的又一实施方式中，尾气燃烧器提供有催化剂。
本领域技术人员通常认为不借助任何触发装置，可燃尾气在进入催化尾气燃烧器时就会氧化。发明人认识到并非总是如此，为了确保实际上氧化可燃尾气，尾气燃烧器提供有至少一个电热塞。电热塞优选定位靠近尾气燃烧器的入口。
如果尾气燃烧器提供有催化剂，催化剂温度太低(＜150℃)造成尾气未被氧化时，催化剂会被一氧化碳破坏，在启动阶段尾气燃烧器温度足够高之前这是一个问题。当尾气燃烧器提供有催化剂时，电热塞的提供因此特别有用。此外，电热塞会在CO进入催化剂之前开始氧化CO。这将减少进入催化剂的CO量，也帮助快速增加催化剂中的温度-两者都有助于防止CO破坏催化剂。催化尾气燃烧器的使用也有利于避免NOx和CO排放物。
还提供有启动氢系统的一种方法，包括，
其中该氢系统包括：
-从液态烃燃料中生产氢的重整器，其中重整器提供有混合空间和重整空间，混合空间包括用于蒸发液态烃燃料的蒸发器，用于供应蒸汽和空气的水和空气入口或多个入口，以及电热塞，重整空间包括用于重整处理的催化剂，以及用于重整器产物的出口；
-布置成流体连通重整器的氢消耗器；
-用于烧掉重整气的尾气燃烧器，尾气燃烧器提供有电热塞；以及
-向尾气燃烧器和重整器供应空气的至少一个空气泵；
-布置成流体连通尾气燃烧器的第一换热器，使得尾气燃烧器的尾气可经过第一换热器；
布置成流体连通第一换热器的水泵，使得水可经过第一换热器，还为第一换热器中产生的蒸汽在第一换热器和重整器之间设置流体连通，
其中该方法包括以下步骤：
-打开电热塞，从而加热烃燃料蒸发器；
-当烃燃料蒸发器达到预定温度时，液态烃燃料经过蒸发器，并在混合空间中将所得烃蒸汽与空气混合，从而开始烃蒸汽与空气的混合物的燃烧；
-继续燃烧过程，直到重整器的催化剂入口温度达到预定值，随后关闭燃料供应和电热塞来终止燃烧过程；
-冷却燃烧过程发生的混合空间，直到达到烃蒸汽和空气混合物的自燃不再发生的预定温度；
-打开尾气燃烧器中的电热塞以及至重整器的液态烃燃料供应，重整器从而通过催化部分氧化(CPO)开始产生重整气；
-向尾气燃烧器传送重整气，重整气在其中烧掉产生用于预热送至重整器的空气的热量，该预热发生在第三换热器中；
-当第一换热器温度达到预定温度，优选至少100℃时，打开水泵，尾气燃烧器的废气中所含热能从而用于产生蒸汽；
-向重整器送入蒸汽和空气的混合物使得蒸汽重整处理开始，此后逐渐增加送入重整器的蒸汽量，使得重整处理逐渐转换为自热重整(ATR)。
自热重整(ATR)是蒸汽重整和部分氧化的结合。
该方法的一实施方式包括向氢消耗器提供用于重整气的旁路流体管线的步骤，如果必要或期望的话，使重整气经过旁路流体管线。如上所述，如果氢消耗器的一个或更多部件不耐一氧化碳的话，可能需要旁通重整气。
又一实施方式包括向旁路流体管线提供换热器，以及向氢消耗器提供加热-冷却回路的步骤，如果必要或期望的话，让加热-冷却回路中流动的流体与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。在该方式中，加热-冷却回路可用于在启动阶段加温氢消耗器，并在随后氢系统正常操作期间冷却。
本发明进一实施方式包括提供第二换热器的步骤，重整气经过第二换热器，来自第一换热器的蒸汽，或者空气和来自第一换热器的蒸汽的混合物可在送至重整器前经过第二换热器，从而减少重整气温度，并增加蒸汽温度或蒸汽和空气混合物的温度。
本发明进一实施方式包括通过提供带有入口和出口的水移反应堆而至少部分去除重整气中一氧化碳的步骤，水移反应堆的入口布置成流体连通重整器或第二换热器(如果提供的话)，且水移反应堆的出口流体连通氢消耗器。例如，如果氢消耗器包括不耐一氧化碳的燃料电池，可提供该水移反应堆。当达到操作温度时，水移反应堆应随后去除足量的一氧化碳，使得燃料电池的膜不被破坏。重整气中耐受的CO比例将取决于燃料电池中所用膜的类型。现今商业上可用的HT-PEM燃料电池膜的典型值高达2％的一氧化碳。
本发明又一实施方式包括向氢消耗器提供包括阳极侧和阴极侧的燃料电池的步骤。
本发明又一实施方式包括提供流体连通水移反应堆和燃料电池阳极侧的第四换热器，以及在重整气送入燃料电池阳极侧之前，让重整气和第一换热器的蒸汽交换热能的步骤。
在上一实施方式的替代实施方式中，本发明包括提供流体连通水移反应堆和燃料电池阳极侧的第四换热器，如上所述，以及在重整气送入燃料电池阳极侧之前，让重整气和燃料电池阴极侧的产物交换热能的步骤。燃料电池阴极侧的产物可在经过第四换热器之后被送入尾气燃烧器。
因此，第四换热器可用于控制重整气的温度，使得通过让重整气与第一换热器的蒸汽或燃料电池阴极侧的产物在第四换热器中换热，使得它不超过燃料电池的温度限制。
本发明又一实施方式包括提供向尾气燃烧器供应空气的分离空气泵的步骤。因此，用于尾气燃烧器中燃烧过程的空气可由向重整器提供空气的相同空气泵来提供，或者用于尾气燃烧器的空气可通过使用分离空气泵或风扇来提供。在燃料电池阴极侧产物经过第四换热器并然后传送到尾气燃烧器的情况下，一些空气也可通过这些产物简单地由向阴极送入与燃料电池中进行的过程所需的相比多余的空气来提供。
本发明又一实施方式包括向第二换热器额外供水的步骤，从而进一步降低重整气温度，并增加能送至重整器的蒸汽量。
根据所用燃料的类型，在液态烃燃料经蒸发器送入重整器混合空间之前，可能需要将其脱硫。因此，本发明又一实施方式包括提供在液态烃燃料经过蒸发器前对其进行脱硫的脱硫设备的步骤。如上所述，脱硫设备是商业上可用的，所以将不会在此进一步解释。
因此，本发明涉及一种氢系统和启动该系统的一种方法，其中在重整器中重整液态燃料而产生合成气或重整气，主要包括H2、H2O、CO、CO2和N2。如有必要，特别是如果氢消耗器包括燃料电池的话，重整气可从重整器传送到水移反应堆，其中使水和CO按照
Figure G2008800201179D00071
Figure G2008800201179D00072
来反应。如果燃料电池是高温PEM型燃料电池，在由水移反应堆传送至高温PEM燃料电池之前，水移反应器废水中的CO含量优选减少到低于2％容积，更优选低于1％容积。
如Koehne等的US6793693B1中所述的一种重整器可用于该氢系统。该重整器允许液态燃料的完全燃烧、催化部分氧化以及液态燃料的自热重整。通过使用这种类型的重整器，如上所述及图中简示的组合是有益的，因为当尾气燃烧器在启动阶段点火时，包括可为燃料电池的氢消耗器的氢系统可迅速加热。启动阶段中，随着氢系统温度逐渐增加，重整器执行催化部分氧化(CPO)，逐渐变为自热重整(ATR)。因此，高温水平从一开始(冷启动时)就可用。通过在催化尾气燃烧器的尾气蒸汽中集成分离换热器，实现高温水平下热能的利用。尾气直接流经用于产生蒸汽的第一换热器。这也确保第一换热器的温度快速上升，即意味着重整器中液态燃料自热重整所需的蒸汽生产，在氢系统启动后同样快速开始。
该系统具有以下独特的设计特点
-重整器能够进行液态燃料的完全燃烧、催化部分氧化和液态燃料的自热重整(全部在一个重整器中)。
-包括燃料电池的系统可极快地加热。此特点是用重整器内的完全燃烧来启动系统而实现的。通过空气氧化剂的直接预热和快速(燃烧阶段后紧接的)操作尾气燃烧器的蒸汽生产，使用电热塞和燃料蒸发器可快速进行启动。
此外：
-第三换热器集成在尾气燃烧器中，且通过该换热器的气流预热前往重整器的气流；
-产生蒸汽的蒸发器(即第一换热器，不要与燃料蒸发器混淆)位于尾气燃烧器的出口蒸汽中；
-如果包括转移阶段，转移阶段下游没有传热，其防止启动阶段里气体蒸汽的冷却；
-如果尾气燃烧器提供有催化剂，尾气燃烧器的电热塞，电热塞位于尾气燃烧器催化剂和回火保护之间(重整气的CO含量抑制了催化燃烧催化剂的自动点火)。
附图说明
以下参考附图，更详细地阐释了本发明，其中：
图1为本发明氢系统第一实施方式的示意图。
图2为本发明氢系统第二实施方式的示意图。
图3为本发明氢系统第三实施方式的示意图。
图4为本发明尾气燃烧器的示意图。
除非其他声明，下图中的参考标记是指不同图中相同的技术特征。
具体实施方式
图1简示了本发明的第一实施方式，其中氢系统10包括发生重整处理的重整器12。
重整器12包括混合空间14和重整空间15。混合空间和重整空间可形成为两个分离单元或隔间，如图1所示，但随后就要布置成流体从混合空间14流到重整空间15。可选地，重整器形成在单个单元或隔间中，其中混合空间14和重整空间15占据了该单元中不同的空间。
混合空间14还包括蒸发器16，用于蒸发经流体管线50送至蒸发器16的液态烃燃料，当燃料经过蒸发器16时，通过该蒸发器蒸发液态烃燃料。在混合空间14中，蒸发燃料与空气或空气和蒸汽的混合物相混合。在重整处理启动前，蒸发燃料在启动过程的初始阶段与空气混合。随后，当重整处理开始时，空气/蒸汽混合物被送入混合空间。
混合空间14还包括至少一个电热塞17，其提供为加热蒸发器16，并确保空气和蒸发燃料的混合物在启动过程中发生燃烧。
空气和空气/蒸汽混合物通过入口19送入混合空间14。流体管线64连接入口19，从而向混合腔提供空气或空气/蒸汽混合物。尽管示出了用于空气和空气/蒸汽混合物的仅一个入口19，但是显然可提供任何必要数量的入口。也可通过不同的入口将空气和蒸汽送到混合空间14。
重整空间15包括有助于重整处理发生的催化剂18和启动过程初始阶段里燃烧产物和重整气经其排出的出口20。当启动过程中催化剂达到足够高的温度时，电热塞17关闭。
出口20连接流体管线62，该管线将重整气从重整器12送到带入口48和出口49的氢消耗器40，入口48连接流体管线62，出口49连接流体管线58。氢消耗器可为燃料电池，制造氨的设备或消耗主要包括氢的重整气的其他类型设备。
还提供有旁路流体管线60，来自重整器12的至少一些重整气可以经过旁路流体管线60。如果氢消耗器40包括燃料电池，尤其是HT-PEM燃料电池，它需要通过旁路流体管线60来旁通重整气，以避免一氧化碳损坏燃料电池膜。
流体管线58的一端连接氢消耗器40，另一端连接尾气燃烧器35。经过氢消耗器40或旁路流体管线60的重整气由此送入尾气燃烧器，在其中重整气被燃烧。尾气燃烧器35中产生的热能对于实现氢系统10的快速启动过程十分重要。
尾气燃烧器35包括入口38和排出气体的出口39，并优选包括催化剂36，使得催化氧化过程可在尾气燃烧器35中发生。在尾气燃烧器35中还提供有至少一个电热塞37，其优选在催化剂36前接近入口38。
还提供有通过流体管线56供应空气的空气泵30。空气泵30用于向重整器12供应空气，以及可选的也向尾气燃烧器35供应空气。可从替代空气泵30的分离的空气泵或风扇向尾气燃烧器供应空气。
尾气燃烧器35产生热量，其用于在第三换热器23中加热来自空气泵30的空气。来自空气泵30的空气通过流体管线57送至第三换热器23。在第三换热器中空气被加温，然后通过连接第三换热器23的流体管线55送出。
来自尾气燃烧器35的废气通过连接尾气燃烧器35的出口39和第一换热器21的流体管线53送出。经过第一换热器21之后，废气经过排气流体管线54。
氢系统还提供有水泵31，其通过流体管线51供水。水泵31通过流体管线52将水泵送至第一换热器21，且当水流经第一换热器21时，水由来自尾气燃烧器35的废气所含热能而蒸发。由此产生的蒸汽通过流体管线64进一步送至重整器12。在启动过程中，供水并不立即打开。只有当第一换热器达到100℃以上时才启动水泵，使得可以开始产生蒸汽。当蒸汽生产开始时，重整处理也逐渐开始，且氢系统的加温变快。
如图1所示，含有来自于第三换热器23的空气的流体管线55，以及含有来自于第一换热器21的蒸汽的流体管线64可连接成使得送入重整器12的流体为空气和蒸汽的混合物。另一选择可为在分离流体管线中将蒸汽和空气送至重整器12。
整个氢系统由控制单元100根据系统操作员设置的规则以标准方法控制，在此不作进一步解释。
图2中示出了本发明的第二实施方式。该实施方式与图1所示实施方式基本相同，两个实施方式的共同特征不会再次讨论。
图1和2所示本发明实施方式之间的不同在于，图2所示实施方式提供有第二换热器22。第二换热器通过流体管线68连接第一换热器，还通过流体管线69连接重整器12。第一换热器21中产生的蒸汽通过流体管线68送出，其中蒸汽与来自流体管线55的空气混合，进一步通过第二换热器22，然后到达重整器12。第二换热器22还通过流体管线66连接重整器的出口20，并通过流体管线67连接氢消耗器40的入口48。重整器12中产生的重整气通过流体管线66送至第二换热器22，并经第二换热器22进一步通过流体管线67到达氢消耗器40。
当重整气和蒸汽空气混合物经过第二换热器22时，重整气中所含热能用于加热蒸汽和空气的混合物。换句话说，第二换热器22可用于减少并控制来自重整器12的重整气温度。同时意味着蒸汽/空气混合物的升温，其使得重整器12更快地加热。
如上述第一实施方式，氢系统由控制单元100控制。
本发明第三实施方式如图3所示。该实施方式与本发明上述两个实施方式具有许多相似点。三个实施方式共同的特征通常将不会再次讨论。
氢系统10的第三实施方式如图3所示，除了第二实施方式的特征之外，其还包括水移反应堆25、第四换热器24和向氢消耗器40供应空气的风扇32，本实施方式中的该氢消耗器包括燃料电池，优选为HT-PEM燃料电池41。
当氢消耗器40包括HT-PEM燃料电池时，它需要保持送入HT-PEM燃料电池的重整气中存在的一氧化碳量低于一定水平，以免破坏HT-PEM燃料电池的膜。这通过提供水反应堆25实现，该反应堆去除来自重整器12的重整气中存在的足够多的一氧化碳，以保持其低于重整气中燃料电池所需最大CO水平。水移反应堆25包含催化剂26，并优选通过流体管线72连接第二换热器，并连接第四换热器24，或可选地直接连接燃料电池。
直到催化剂26达到一定温度且在氢系统10启动中达到该温度时，水移反应堆25才开始工作，重整气需要通过旁路流体管线60绕过燃料电池，直到水移反应堆开始从重整气中去除CO。如果燃料电池的膜可耐受重整气中的CO含量，那么重整气可直接经过燃料电池。
HT-PEM燃料电池可包括带有入口44和出口45的阳极侧42，以及带有入口46和出口47的阴极侧43。空气通过连接风扇32的流体管线76送入阴极侧43的入口。风扇32通过流体管线75接收空气。通过燃料电池中发生的过程，经流体管线77离开阴极侧43的空气包含了蒸汽。该蒸汽可如下所述来送入重整器。
第四换热器24优选连接水移反应堆25和阳极侧42的入口44，使得重整气可经过第四换热器24。第四换热器还连接燃料电池41阴极侧43的出口47，以及与尾气燃烧器35相连的流体管线78，优选经由流体管线58或者直接连接。阴极气体，即通过流体管线77离开阴极侧43的气体，由此经过第四换热器24，在该处它与重整气交换热能。在重整气送入燃料电池阳极侧42之前，重整气的温度降低到燃料电池可耐受的水平，而阴极气体的温度会随之增加。
应该提到的是，第二换热器22和第四换热器24两者都可提供有用于注水的额外入口。这可用来进一步控制流过换热器22、24的重整气温度，同时产生可送至重整器12的蒸汽。
流体管线78可连接从流体管线78分支出来的流体管线79。流体管线79可连接流体管线80，使得包含由于燃料电池41中进行反应所产蒸汽的阴极气体可与第一换热器21中产生的蒸汽一起经由流体管线80送至重整器12。因此，第一换热器并不需要产生它原本要产生的那么多蒸汽。
图4中简示了尾气燃烧器35。尾气燃烧器有入口38和出口39。流体管线83连接入口38，并向尾气燃烧器35送尾气。流体管线84连接尾气燃烧器35的出口。尾气燃烧器中发生燃烧所产生的废气通过流体管线84去除。
尾气燃烧器35还提供有优选位于尾气燃烧器入口38附近的电热塞37。尾气燃烧器35还优选提供有催化剂，使得催化燃烧发生在尾气燃烧器35中。
如前所述，尾气燃烧器提供有电热塞37的原因是，确保送至尾气燃烧器的尾气实际发生燃烧，因为该尾气并非总是发生燃烧。
经由连接流体管线83的流体管线86，通过使用优选连接尾气燃烧器35的空气泵或风扇33还提供有空气供应，从而在混合物送入尾气燃烧器35之前来混合空气和尾气。风扇通过流体管线85供应空气。

Claims (32)

1.一种氢系统，包括重整器，以及氢消耗器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产生含氢重整气，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气能送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少部分氢；
其特征在于，该氢系统还包括：
-尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器尾气中剩余的重整气，从而产生经过第一换热器的废气；
-至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；以及
-水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。
2.如权利要求1所述的氢系统，其特征在于：氢消耗器提供有旁路流体管线，使得重整气能绕过氢消耗器。
3.如权利要求2所述的氢系统，其特征在于：旁路流体管线提供有换热器，且氢消耗器提供有加热-冷却回路，加热-冷却回路布置成使得它流体连通换热器，从而在使用时，加热-冷却回路中流动的流体能与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。
4.如权利要求1-3之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括第三换热器，其布置成使得在使用时，来自尾气燃烧器的热能能用于加热从空气泵至重整器的气流。
5.如权利要求1-4之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括第二换热器，在使用时来自重整器的重整气和来自第一换热器的蒸汽和/或来自空气泵的空气流动通过第二换热器，使得重整气流中所含的热能能用于加热蒸汽和/或空气流，从而降低重整气的温度。
6.如权利要求1-5之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括水移反应堆，在使用时，重整气流动通过水移反应堆，从而重整器中产生的一氧化碳用于产生氢和二氧化碳。
7.如权利要求1-6之一所述的氢系统，其特征在于：重整器提供有蒸发烃燃料与空气和/或蒸汽发生混合的混合空间，以及重整处理发生的重整空间。
8.如权利要求7所述的氢系统，其特征在于：混合空间包括用于蒸发液态烃燃料的蒸发器，用于供应空气和蒸汽的联合入口或分离入口，以及用于在氢系统加温期间点燃烃蒸汽与空气的混合物的电热塞。
9.如权利要求1-8之一所述的氢系统，其特征在于：重整空间包括催化剂和用于重整器产物的出口。
10.如权利要求5-9之一所述的氢系统，其特征在于：第二换热器提供有向蒸汽供应附加水的入口。
11.如权利要求1-10之一所述的氢系统，其特征在于：氢消耗器包括带阳极侧和阴极侧的燃料电池，该阳极侧包括流体入口和流体出口，该阴极侧包括流体入口和流体出口，该燃料电池使用至少一些产生的氢来产生电能。
12.如权利要求11所述的氢系统，其特征在于：氢系统包括流体管线和向燃料电池的阴极侧的流体入口提供空气的风扇。
13.如权利要求11或12所述的氢系统，其特征在于：氢系统包括第四换热器，来自水移反应堆的产物和来自燃料电池的阴极侧的产物经过第四换热器，使得来自水移反应堆的产物在进入燃料电池的阳极侧之前被来自燃料电池的阴极侧的产物冷却。
14.如权利要求13所述的氢系统，其特征在于：第四换热器进一步连接尾气燃烧器，使得来自燃料电池的阴极侧的产物传送到尾气燃烧器。
15.如权利要求13所述的氢系统，其特征在于：第四换热器进一步布置成使得它流体连通流至重整器的蒸汽和空气混合物，使得来自燃料电池的阴极侧的产物传送到重整器。
16.如权利要求11-15之一所述的氢系统，其特征在于：燃料电池为HT-PEM燃料电池。
17.包括外壳的尾气燃烧器，该外壳带有用于空气和可燃尾气的至少一个入口，以及用于尾气燃烧器的废气的出口，其特征在于：尾气燃烧器提供有用于点燃可燃尾气的电热塞。
18.如权利要求17所述的尾气燃烧器，其特征在于：尾气燃烧器提供有催化剂。
19.启动氢系统的一种方法，该氢系统包括：
-从液态烃燃料中生产氢的重整器，其中重整器提供有混合空间和重整空间，混合空间包括用于蒸发液态烃燃料的蒸发器，用于供应蒸汽和空气的一个入口或多个入口，以及电热塞，重整空间包括用于重整处理的催化剂，以及用于重整器产物的出口；
-布置成流体连通重整器的氢消耗器；
-烧掉重整气的尾气燃烧器，尾气燃烧器提供有电热塞；以及
-向尾气燃烧器和重整器供应空气的至少一个空气泵；
-布置成流体连通尾气燃烧器的第一换热器，使得尾气燃烧器的尾气可经过第一换热器；
-布置成流体连通第一换热器的水泵，使得水可经过第一换热器，还为第一换热器中产生的蒸汽在第一换热器和重整器之间设置流体连通，
该方法包括以下步骤：
-使液态烃燃料经过蒸发器，并在混合空间中将所得烃蒸汽与空气混合；
-当烃燃料蒸发器达到预定温度时，打开电热塞，从而开始烃蒸汽与空气混合物的燃烧；
-继续燃烧过程，直到重整器的催化剂入口温度达到预定值，随后关闭燃料供应和电热塞来终止燃烧过程；
-冷却燃烧过程发生的混合空间，直到达到烃蒸汽和空气混合物的自燃不再发生的预定温度；
-打开尾气燃烧器中的电热塞以及打开至重整器的液态烃燃料的供应，重整器从而通过催化部分氧化(CPO)开始产生重整气；
-向尾气燃烧器传送重整气，重整气在其中烧掉产生用于预热送至重整器的空气的热量，该预热发生在第三换热器中；
-当第一换热器温度达到预定温度，优选至少100℃时，打开水泵，尾气燃烧器的废气中所含热能从而用于产生蒸汽；
-向重整器送入蒸汽和空气的混合物使得蒸汽重整处理开始，此后逐渐增加送入重整器的蒸汽量，使得重整处理逐渐转换为自热重整(ATR)。
20.如权利要求18所述的方法，还包括如下的步骤：向氢消耗器提供重整气的旁路流体管线，如果必要或期望的话，使重整气经过旁路流体管线。
21.如权利要求19所述的方法，还包括如下的步骤：向旁路流体管线提供换热器，以及向氢消耗器提供加热-冷却回路，如果必要或期望的话，让加热-冷却回路中流动的流体与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。
22.如权利要求18-20之一所述的方法，还包括提供第二换热器的步骤，重整气经过第二换热器，来自第一换热器的蒸汽，或者空气和来自第一换热器的蒸汽的混合物可在送至重整器前经过第二换热器，从而减少重整气温度，并增加蒸汽温度或蒸汽和空气混合物的温度。
23.如权利要求18-21之一所述的方法，还包括通过提供带有入口和出口的水移反应堆而至少部分去除重整气中一氧化碳的步骤，水移反应堆的入口布置成流体连通重整器或如果提供的话流体连通第二换热器，且水移反应堆的出口流体连通氢消耗器。
24.如权利要求18-22之一所述的方法，还包括向氢消耗器提供包括阳极侧和阴极侧的燃料电池的步骤。
25.如权利要求23所述的方法，还包括提供流体连通水移反应堆和燃料电池的阳极侧的第四换热器，以及在重整气送入燃料电池阳的极侧之前，让重整气和第一换热器的蒸汽交换热能的步骤。
26.如权利要求23所述的方法，还包括提供流体连通水移反应堆和燃料电池的阳极侧的第四换热器，以及在重整气送入燃料电池的阳极侧之前，让重整气和燃料电池的阴极侧的产物交换热能的步骤。
27.如权利要求23-25之一所述的方法，还包括将燃料电池的阴极侧的产物送入尾气燃烧器的步骤。
28.如权利要求18-26之一所述的方法，还包括提供向尾气燃烧器供应空气的分离空气泵的步骤。
29.如权利要求21-27之一所述的方法，还包括向第二换热器额外供水，从而进一步降低重整气温度，并增加能送至重整器的蒸汽量的步骤。
30.如权利要求18-28之一所述的方法，还包括提供在液态烃燃料经过蒸发器前对其进行脱硫的脱硫设备的步骤。
31.如权利要求1-18中任一个所述氢系统的使用，其中，氢消耗器包括PEM燃料电池或HT-PEM燃料电池。
32.如权利要求19-29中任一个所述方法的使用，其中，氢消耗器包括PEM燃料电池或HT-PEM燃料电池。
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