CN107431228B - 用于燃料电池的燃料处理装置及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的示范性的实施例的用于燃料电池的燃料处理装置包括重整反应器、燃烧器、水气反应器以及阀。重整反应器用水与用于发电的原料的气体混合物生产出重整气。燃烧器将热量供给至重整反应器。水气反应器包括：反应器主体，其被由重整反应器供给重整气，并且，降低重整气中的一氧化碳的浓度；和冷却流路，其安装于反应器主体中。在区分水气反应器的启动和正常运行时，阀控制了冷却介质至冷却流路的供给。

Description

用于燃料电池的燃料处理装置及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及用于将氢气供给至燃料电池的燃料处理装置和具有该燃料处理装置的燃料电池系统。
背景技术
通过允许氢气与空气中的氧气起化学反应而产生电力的燃料电池是一种高效下一代能源，其既不排出污染物，也不发出噪声，并且，只要始终供给氢气，就可以长期使用。燃料电池系统大体上包括燃料电池和燃料处理装置，燃料处理装置用于将氢气供给至燃料电池。
典型的燃料处理装置包括：重整反应器，其将蒸汽与用于发电的原料的气体混合物转化成氢气；燃烧器，其将热量供给至重整反应器；以及水气反应器和部分氧化反应器，其降低从重整反应器排放的重整气中的一氧化碳(CO)的浓度。由水气反应器和部分氧化反应器处理的重整气的一氧化碳的浓度为大约50 ppm或更低。
水气反应器中的水气变换反应(CO + H2O → CO2 + H2)是释放热量的放热反应。由于水气反应器需要维持恒定的反应温度，以获得减少CO的明显的效果，因而管道典型地安装于水气反应器的外壁上，并且供给冷却介质至管道，以防止过度加热。
然而，冷却介质抑制水气反应器启动时的温度的升高，因而，启动时间延长，并且，在通过冷却介质而从水气反应器吸收的热量排放至外侧的情况下，燃料电池系统的总效率变差。另外，由于冷却介质而在水气反应器的外壁与内部之间存在温度偏差，因而，由于温度偏差增大，减少CO的效率就降低。
公开
技术问题
本发明致力于提供用于燃料电池的燃料处理装置和提供具有该燃料处理装置的燃料电池系统，该燃料处理装置通过使用冷却介质而防止水气反应器的过度加热，其中，通过重复利用从水气反应器吸收的热量，从而可以缩短水气反应器的启动时间，可以提高燃料电池系统的总效率，并且，通过减小水气反应器的温度偏差，从而可以提高减少CO的效率。
技术解决方案
本发明的示范性的实施例提供用于燃料电池的燃料处理装置，其包括：重整反应器；燃烧器；水气反应器；以及阀。重整反应器用水与用于发电的原料的气体混合物生产出重整气。燃烧器将热量供给至重整反应器。水气反应器包括：反应器主体，其被由重整反应器供给重整气，并且，降低重整气中的一氧化碳的浓度；和冷却流路，其安装于反应器主体中。在区分水气反应器的启动和正常运行时，阀控制了冷却介质至冷却流路的供给。
可以通过燃料管和空气管而给燃烧器供给燃烧器燃料和燃烧器空气，并且，冷却介质可以是供给至燃烧器的燃烧器空气。冷却流路可以连接至反应器主体的外侧的供给管和排放管。供给管可以连接至空气管，并且，排放管可以连接至空气管和燃料管中的任一个。
阀可以是三通阀，其连接至空气管和供给管，当水气反应器启动时，阀可以通过空气管提供冷却介质至燃烧器，并且，当水气反应器正常地运行时，阀可以通过供给管提供冷却介质至冷却流路。可以通过与水气反应器换热而提高提供至冷却流路的冷却介质的温度，且然后，可以通过排放管而将冷却介质提供至燃烧器。
反应器主体可以在其中具有催化剂。用于重整气的入口管和出口管可以连接至反应器主体的紧靠着催化剂的侧壁上端和侧壁下端。
冷却流路可以包括：第一盖板，其覆盖催化剂的上端；第二盖板，其覆盖催化剂的下端；以及多个冷却管，其连接至第一盖板和第二盖板并且穿透催化剂。用于冷却介质的供给管和排放管可以连接至反应器主体的下端和上端。可以将第一盖板的边缘和第二盖板的边缘密封，以防止输入至催化剂的重整气的泄漏。
本发明的另一示范性的实施例提供燃料电池系统，其包括：燃料电池；和燃料处理装置，其给燃料电池供给含有氢气的重整气。燃料处理装置包括重整反应器、燃烧器、水气反应器以及阀。重整反应器用水与用于发电的原料的气体混合物生产重整气。燃烧器将热量供给至重整反应器。水气反应器包括：反应器主体，其被由重整反应器供给重整气，并且，降低重整气中的一氧化碳的浓度；和冷却流路，其安装于反应器主体中。在区分水气反应器的启动和正常运行时，阀控制了冷却介质至冷却流路的供给。
可以通过燃料管和空气管而给燃烧器供给燃烧器燃料和燃烧器空气，并且，冷却介质可以是供给至燃烧器的燃烧器空气。冷却流路可以连接至反应器主体的外侧的供给管和排放管。供给管可以连接至空气管，并且，排放管可以连接至空气管和燃料管中的任一个。
阀可以是三通阀，其连接至空气管和供给管，当水气反应器启动时，阀可以通过空气管提供冷却介质至燃烧器，并且，当水气反应器正常地运行时，阀可以通过供给管提供冷却介质至冷却流路。可以通过与水气反应器换热而提高提供至冷却流路的冷却介质的温度，且然后，可以通过排放管而将冷却介质提供至燃烧器。
反应器主体可以在其中具有催化剂。用于重整气的入口管和出口管可以连接至反应器主体的紧靠着催化剂的侧壁上端和侧壁下端。
冷却流路可以包括：第一盖板，其覆盖催化剂的上端；第二盖板，其覆盖催化剂的下端；以及多个冷却管，其连接至第一盖板和第二盖板并且穿透催化剂。用于冷却介质的供给管和排放管可以连接至反应器主体的下端和上端。可以将第一盖板的边缘和第二盖板的边缘密封，以防止输入至催化剂的重整气的泄漏。
有利的效果
根据本发明的示范性的实施例，当启动水气反应器时，可以通过截断至水气反应器的冷却流路的冷却介质的供给，从而缩短启动时间，并且，当使水气反应器正常地运行时，可以通过将冷却介质供给至冷却流路，从而防止水气反应器的过度加热。
另外，被输入至冷却流路中且在水气反应器的正常运行的期间被加热的冷却介质供给至燃烧器，而不是排放至外侧，因而，可减少燃烧器燃料的使用量，并且，改进燃料电池系统的总效率。
附图描述
图1是根据本发明的示范性的实施例的燃料电池系统的配置图。
图2是图1中所图示的燃料电池系统的水气反应器的示意横截面图。
图3是图2中所图示的水气反应器的冷却流路的透视图。
图4是图示对比示例的水气反应器的横截面图。
发明模式
接下来，将在下文中参考附图而更全面地描述本发明，其中，示出本发明的示例实施例。如本领域技术人员将认识到的，在所有不背离本发明的实质或范围的情况下，可以按各种不同的方式修改所描述的实施例。
而且，在本说明书中，当诸如层、膜、区域以及板的部件存在于另一个部件的“上部上”或“上部处”时，该情况不仅包括部件“直接地存在于另一个部件上”的情况，而且还包括在其间仍然存在另一个部件的情况。而且，“一个物体定位于另一个物体上”意味着，一个物体定位于另一个物体的上方或下方，但不一定意味着一个物体基于重力方向而定位于另一个物体的上方。
在整个说明书中，除非明确地相反地描述，否则单词“包含”和诸如“包括”或“含有”之类的变型将被理解为暗示包括所述的元件。为了理解且容易描述，任意地示出了在附图中图示的各构件的尺寸和厚度，但本发明不限于此。
图1是根据本发明的示范性的实施例的燃料电池系统的配置图。
参考图1，燃料电池系统100包括燃料电池200和燃料处理装置300，燃料处理装置300将氢气供给至燃料电池200。燃料处理装置300以用于发电的原料产生含有大量的氢气的重整气，并且，将重整气供给至燃料电池200，并且，燃料电池200允许所供给的氢气与空气中的氧气起化学反应，从而产生电能。
燃料处理装置300包括：重整反应器310，其将水(蒸汽)与用于发电的原料的气体混合物转化成氢气；燃烧器320，其将热量供给至重整反应器310；水气反应器330，其降低从重整反应器310排放的重整气中的一氧化碳的浓度；以及阀340，其控制了水气反应器330中的冷却介质的供给。燃料处理装置300可以进一步包括部分氧化反应器350，部分氧化反应器350连接至水气反应器330。
用于发电的原料可以是诸如液化天然气(LNG)或液化石油气(LPG)之类的烃基燃料，并且，重整反应器310可以是蒸汽重整反应器。重整反应器310通过允许烃在高温气氛下与氧气起反应，使用于发电的原料中的烃重整成氢气。在这种情况下，一氧化碳CO作为反应副产物生成。重整反应器310所执行的化学反应如下。
反应1
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2(△H298 = 205.813kJ/mol)
CO + H2O ↔ CO2 + H2(△H298 = -41.15kJ/mol)
重整反应器310排放包括氢气、一氧化碳以及二氧化碳的重整气，并且，所排放的重整气输入至水气反应器330中。
燃烧器320将热量供给至重整反应器310，并且，允许重整反应器310维持重整反应所要求的高温。通过燃料管361而给燃烧器320供给燃烧器燃料(诸如，城市燃气)，并且，空气管362连接至燃料管361。燃烧器320通过使燃烧器燃料和燃烧器空气燃烧而生成燃烧热。
水气反应器330通过使用水气变换反应，从而将重整气中的一氧化碳转化成二氧化碳。水气反应器330包括在其中具有催化剂的反应器主体331。催化剂可以由各种催化剂配置，诸如，Cu-Zn基催化剂、具有担载有铂的金属氧化物载体的催化剂以及包括Cu和铂基金属的催化剂。由水气反应器330所执行的化学反应如下。
反应2
CO + H2O ↔ CO2 + H2(△H298 = -41.15kJ/mol)
当在水气反应器330中一氧化碳的浓度降低时，燃料电池系统100可以变得稳定。部分氧化反应器350被从水气反应器330供给以重整气，将一氧化碳的浓度降低至50 ppm或更小，具体地，10 ppm或更小，并且，将一氧化碳供给至燃料电池200。由部分氧化反应器350所执行的化学反应如下。
反应3
CO + ½O2 ↔ CO2(△H298 = -282.984kJ/mol)
燃料处理装置300所产生的最终的重整气供给至燃料电池200，且用于发电，并且，而未用于发电的排放的未反应的气体供给至燃烧器320，并且，用于提高重整反应器310的温度。
水气反应器330需要预定的时间(启动时间)，直到催化剂达到反应温度，并且，当燃料电池系统100启动时，水气反应器330正常地运行。水气反应器330可以包括用于缩短启动时间的加热器(未图示)。而且，当正常地运行时，水气反应器330持续地生成热量，并且，在特定的温度或更高的温度下，二氧化碳被转化回到一氧化碳，并且因此，有必要通过使用冷却介质而维持恒定的温度。
水气反应器330包括冷却流路370，冷却流路370安装于反应器主体331中。冷却流路370提供封闭流路，以便冷却介质不与重整气混合，并且，冷却流路370连接至反应器主体331的外侧的供给管363和排放管364。通过供给管363而输入至冷却流路370中的冷却介质与催化剂换热，以致于提高冷却介质的温度，且然后，通过排放管364排放冷却介质。
阀340安装于冷却流路370的供给管363中，并且在水气反应器330的启动与正常运行之间区分时，控制冷却介质的供给。具体地，当水气反应器330启动时，阀340截断冷却介质的供给，从而防止冷却介质阻碍水气反应器330的温度的升高。另外，当水气反应器330正常地运行时，阀340供给冷却介质，从而允许水气反应器330维持恒定的温度。
假定在水气反应器330的启动的同时，输入冷却介质，则冷却介质阻碍水气反应器330的温度的升高，以致于需要很长的一段时间直到催化剂达到反应温度。即，增加了启动时间。然而，在本示范性的实施例的燃料处理装置300中，仅当水气反应器330正常地运行时，阀340才供给冷却介质，并且因而，可以缩短水气反应器330的启动时间。
另外，在正常运行的期间，输入至冷却流路370中且从水气反应器330获得热量的冷却介质在燃料电池系统100中重复利用，而不排放至外侧。为此，供给至燃烧器320的燃烧器空气可以用作水气反应器330的冷却介质。具体地，阀340可以是三通阀，其连接至冷却流路370的空气管362和供给管363，并且，冷却流路370的排放管364连接至空气管362或燃料管361。
当水气反应器330启动时，阀340关闭供给管363并打开空气管362，从而通过空气管362提供冷却介质至燃烧器320。此后，当水气反应器330的催化剂达到反应温度，且因而达到正常运行条件时，阀340关闭空气管362并打开供给管363，从而通过供给管363提供冷却介质至冷却流路370。
输入至冷却流路370中的冷却介质的温度通过与水气反应器330换热而提高，并且，通过换热而加热的冷却介质(燃烧器空气)供给至燃烧器320。由于加热后的燃烧器空气被供给至燃烧器320，因而可以减少燃烧器燃料的使用量，这导致燃料电池系统100的效率的改进。
例如，41 Nℓ/min的城市燃气和125 cc/min的蒸汽可以供给至重整反应器310，并且，水气反应器330所产生的热量可以是-34.52 kJ/min。在水气反应器330的正常运行的期间，200 Nℓ/min(25°C)的冷却介质(燃烧器空气)可以供给至冷却流路370，并且，在水气反应器330 的反应热被去除之后排放的冷却介质的温度可以是大约155°C。
高温空气被供给至燃烧器320，并且，如在以下的与发热量有关的关系式中所示出的，可节省大约0.95 Nℓ/min的燃烧器燃料。
CH4 + 2O2 ↔ CO2 + 2H2O(△H298 = -802.625kJ/mol)
上文的反应式是与由于甲烷与氧气之间的反应而生成的热量有关的关系式。
如上所述，由于区分水气反应器330的启动和正常运行的逐步运行方法应用于本示范性的实施例的燃料处理装置300，因而可缩短水气反应器330的启动时间。另外，通过换热而加热的冷却介质供给至燃烧器320，以致于燃烧器燃料的使用量减少，因而，可改进燃料电池系统100的总效率。
图2是图1中所图示的燃料电池系统的水气反应器的示意横截面图，并且，图3是图2中所图示的水气反应器的冷却流路的透视图。
参考图2和图3，水气反应器330包括：反应器主体331，其在其中具有催化剂332；和冷却流路370，其安装于反应器主体331中。
催化剂332以与反应器主体331的上端和下端相距的预定的距离定位于反应器主体331中。入口管334可以连接至反应器主体331的紧靠着催化剂332的侧壁上部，并且，出口管335可以连接至反应器主体331的紧靠着催化剂332的侧壁下部。
从重整反应器310排放的重整气通过入口管334而输入至反应器主体331，并且，所输入的重整气中的一氧化碳通过由催化剂332引起的水气变换反应而转化成二氧化碳。具有降低的浓度的一氧化碳的重整气通过出口管335而排放。
用于冷却介质的供给管363可以连接至反应器主体331的下端的中心，并且，用于冷却介质的排放管364可以连接至反应器主体331的上端的中心。冷却流路370包括：第一盖板371，其覆盖催化剂332的上端；第二盖板372，其覆盖催化剂332的下端；以及多个冷却管373，其连接至第一盖板371和第二盖板372并且穿透催化剂332。
第一盖板371可以与反应器主体331的上端间隔开，并且，第二盖板372可以与反应器主体331的下端间隔开。将第一盖板371的边缘和第二盖板372的边缘密封，以防止输入至催化剂332的重整气泄漏至第一盖板371和第二盖板372的外侧。
多个冷却管373可以形成以具有相同的直径，并且，多个冷却管373可以按相等的间隔设置。第一盖板371和第二盖板372中的每个是形成有多个开口的多孔板，并且，开放了多个冷却管373的端部。
通过供给管363而输入至反应器主体331的冷却介质分布至多个冷却管373，并且当经过多个冷却管373时与催化剂332换热。由于多个冷却管373穿透反应器主体331中的催化剂332，供给至冷却流路370的冷却介质可以均匀地冷却催化剂332。因此，通过减小催化剂332的各位置的温度偏差，可提高减少CO的效率。
图2以虚线图示催化剂332的温度分布。当冷却流路370的路径增大时，催化剂332的温度升高，并且，由于多个冷却管373穿透催化剂332，因而催化剂332的各位置的温度偏差不高。
图4是图示对比示例的水气反应器的横截面图。
参考图4，对比示例的水气反应器380包括：反应器主体331，其在其中具有催化剂332；和冷却流路385，其安装于反应器主体331的外壁上。冷却流路385以围绕反应器主体331缠绕的线圈的形式，并且，燃烧器的废气或水可以用作冷却介质。
图4以虚线图示催化剂332的温度分布。由于冷却介质紧靠着反应器主体331的外壁，且与反应器主体331换热，因而冷却介质的冷却效果几乎不影响催化剂332的中心部分。因此，对比示例的水气反应器380具有较高的温度偏差和较低的减少CO的效率。
虽然结合目前被认为是实用的示例实施例的内容而描述了本发明，但要理解到，本发明不限于所公开的实施例，而相反，旨在涵盖所附权利要求的实质和范围内所包括的各种修改及等效布置。
虽然结合目前被认为是实用的示例实施例的内容而描述了本发明，但要理解到，本发明不限于所公开的实施例，而相反，旨在涵盖所附权利要求的实质和范围内所包括的各种修改及等效布置。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的燃料处理装置，包含：
重整反应器，其由水与用于发电的原料的气体混合物生产重整气；
燃烧器，其将热量供给至所述重整反应器；
水气反应器，其包括反应器主体和冷却流路，所述反应器主体被供给来自所述重整反应器的所述重整气，并且，降低所述重整气中的一氧化碳的浓度，所述冷却流路安装于所述反应器主体中；以及
阀，其根据所述水气反应器的启动或正常运行而控制冷却介质至所述冷却流路的供给，其中
通过燃料管和空气管而为所述燃烧器供给燃烧器燃料和燃烧器空气，并且
所述冷却介质是被供给至所述燃烧器的所述燃烧器空气，并且其中
所述冷却流路连接至所述反应器主体的外侧的供给管和排放管，
所述供给管连接至所述空气管，并且
所述排放管连接至所述空气管和所述燃料管中的任一个，并且其中
所述反应器主体在其中具有催化剂，并且
用于所述重整气的入口管和出口管连接至所述反应器主体的邻靠所述催化剂的侧壁上端和侧壁下端，并且其中
所述冷却流路包括：第一盖板，其覆盖所述催化剂的上端；第二盖板，其覆盖所述催化剂的下端；以及多个冷却管，其连接至所述第一盖板和所述第二盖板并且穿透所述催化剂，并且
用于所述冷却介质的所述供给管和所述排放管连接至所述反应器主体的下端和上端。
2.根据权利要求1所述的燃料处理装置，其中：
所述阀是三通阀，其连接至所述空气管和所述供给管，当所述水气反应器启动时，所述阀通过所述空气管提供所述冷却介质至所述燃烧器，并且，当所述水气反应器正常地运行时，所述阀通过所述供给管提供所述冷却介质至所述冷却流路。
3.根据权利要求2所述的燃料处理装置，其中：
通过与所述水气反应器换热而提高提供至所述冷却流路的所述冷却介质的温度，且然后，通过所述排放管提供所述冷却介质至所述燃烧器。
4.根据权利要求1所述的燃料处理装置，其中：
将所述第一盖板的边缘和所述第二盖板的边缘密封，以防止输入至所述催化剂的重整气的泄漏。
5.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；和
燃料处理装置，其为所述燃料电池供给含有氢气的重整气，
其中，所述燃料处理装置包括：
重整反应器，其由水与用于发电的原料的气体混合物生产所述重整气；
燃烧器，其供给热量至所述重整反应器；
水气反应器，其包括反应器主体和冷却流路，所述反应器主体被供给来自所述重整反应器的所述重整气，并且，降低所述重整气中的一氧化碳的浓度，所述冷却流路安装于所述反应器主体中；以及
阀，其根据所述水气反应器的启动或正常运行而控制冷却介质至所述冷却流路的供给，其中
通过燃料管和空气管而为所述燃烧器供给燃烧器燃料和燃烧器空气，并且
所述冷却介质是被供给至所述燃烧器的所述燃烧器空气，并且其中
所述冷却流路连接至所述反应器主体的外侧的供给管和排放管，
所述供给管连接至所述空气管，并且
所述排放管连接至所述空气管和所述燃料管中的任一个，并且其中
所述反应器主体在其中具有催化剂，并且
用于所述重整气的入口管和出口管连接至所述反应器主体的邻靠所述催化剂的侧壁上端和侧壁下端，并且其中
所述冷却流路包括：第一盖板，其覆盖所述催化剂的上端；第二盖板，其覆盖所述催化剂的下端；以及多个冷却管，其连接至所述第一盖板和所述第二盖板并且穿透所述催化剂，并且
用于所述冷却介质的所述供给管和所述排放管连接至所述反应器主体的下端和上端。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中：
所述阀是三通阀，其连接至所述空气管和所述供给管，当所述水气反应器启动时，所述阀通过所述空气管提供所述冷却介质至所述燃烧器，并且，当所述水气反应器正常地运行时，所述阀通过所述供给管提供所述冷却介质至所述冷却流路。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中：
通过与所述水气反应器换热而提高提供至所述冷却流路的所述冷却介质的温度，且然后，将所述冷却介质通过所述排放管提供至所述燃烧器。
8.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中：
将所述第一盖板的边缘和所述第二盖板的边缘密封，以防止输入至所述催化剂的所述重整气泄漏。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1476155A (en) * 1973-10-01 1977-06-10 United Aircraft Corp Fuel cell shift converter/endothermic catalytic reaction apparatus
CN1735989A (zh) * 2002-11-22 2006-02-15 智慧能量有限公司 电化学燃料电池中的热能处理
WO2012029322A1 (ja) * 2010-09-02 2012-03-08 パナソニック株式会社 水素生成装置及びそれを備える燃料電池システム
WO2012032744A1 (ja) * 2010-09-10 2012-03-15 パナソニック株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3545254B2 (ja) * 1999-03-31 2004-07-21 三洋電機株式会社 燃料電池の一酸化炭素除去器
US20020114747A1 (en) * 2000-12-28 2002-08-22 Kevin Marchand Fuel processing system and apparatus therefor
JP4887021B2 (ja) * 2005-10-18 2012-02-29 出光興産株式会社 Ｃｏ除去装置，燃料改質装置及び燃料電池システム
JP2008115058A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Fuji Electric Holdings Co Ltd 燃料改質装置
US7622087B2 (en) * 2006-11-16 2009-11-24 H2Gen Innovations, Inc. Reactor air supply system and burner configuration

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1476155A (en) * 1973-10-01 1977-06-10 United Aircraft Corp Fuel cell shift converter/endothermic catalytic reaction apparatus
CN1735989A (zh) * 2002-11-22 2006-02-15 智慧能量有限公司 电化学燃料电池中的热能处理
WO2012029322A1 (ja) * 2010-09-02 2012-03-08 パナソニック株式会社 水素生成装置及びそれを備える燃料電池システム
WO2012032744A1 (ja) * 2010-09-10 2012-03-15 パナソニック株式会社 燃料電池システム

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