CN1533360A - 燃料电池转化装置用水蒸汽传递装置 - Google Patents

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Abstract

一种烃类燃料转化装置(1)，它从转化装置流出物流中提取水蒸汽来取得水蒸汽供应。具体地说，本发明提供一种发电设备燃料处理器，用于从烃类燃料产生氢，包括利用氧化剂、水和烃类燃料产生氢的反应器(1)，和水传递装置(2)，后者从所述反应器产生的转化产物传递水蒸汽给所述反应器(1)使用的氧化剂，且包含水传递膜。

Description

燃料电池转化装置用水蒸汽传递装置
                        背景技术
本发明涉及由烃类燃料产生氢的转化装置。此种转化装置可用于产生发电设备中燃料电池用的氢。具体地说，本发明涉及这样一种转化装置，它具有从该转化装置产生的含氢转化产物传递水蒸汽给转化装置的燃料/空气输入口的装置。
燃料电池是将还原和氧化化学品的反应产生的电化学能转变为电能的装置。燃料电池已在许多领域被用作电源，可提供比其他电能源显著优越的好处，例如，改进的效率、可靠性、耐久性、成本和环境的好处。特别是，由燃料电池供电的电动机已被建议用于汽车和其他车辆来替代内燃机。
燃料电池通常利用氢和空气作为还原和氧化材料来产生电能，还有水。电池一般包括阳极和阴极，二者由电解质隔开。氢气供应给阳极，而氧气(或空气)供应给阴极。氢气在阳极被分成电子和氢离子(质子)。氢离子穿过电解质来到阴极；电子则穿过电源电路(powercircuit)到达阴极(例如，到马达)。在阴极，氢离子、电子和氧随后彼此结合而生成水。阳极和阴极的反应利用催化剂，典型地用铂，来加速。
燃料电池的阳极和阴极由电解质分开。有几种类型燃料电池，各自包括不同的电解质体系，且各自有其特别适合的给定商业领域的优点。一种类型是质子交换膜(PEM)燃料电池，它采用质子可透但电子不可透过的薄聚合物膜。PEM燃料电池特别适合用在车辆中，因为它们能以比其他燃料电池系统轻的重量提供高电能。
PEM燃料电池中的膜是膜电极组件(MEA)的一部分，在膜的一面具有阳极，其反面是阴极。典型膜由离子交换树脂如全氟化磺酸制成。MEA被夹在一对作为阳极和阴极的集电极并含有用于将燃料电池的气体反应物沿着相应阳极和阴极催化剂表面分布的适当沟槽和/或开孔的导电元件之间。
典型的阳极和阴极包含由碳颗粒支撑并与质子传导性树脂相掺混的精细分散的催化剂颗粒。典型的催化剂颗粒是贵金属，例如，铂。因此，这种MEA制造成本很高并要求控制操作条件以防止膜和催化剂的降解。这些条件包括适当控制水分和增湿，以及控制催化剂污损成分，例如，一氧化碳。典型的PEM燃料电池和MEA描述在美国专利5,272,017，Swathirajan等人，1993-12-21授予，以及美国专利5,316,871，Swathirajan等人，1994-05-31授予。
单个电池发出的电压仅有约1V。因此，为满足车辆和其他商业领域较高电力的要求，将几个电池按串联组合起来。此种组合通常以“堆(stack)”形式排列，外面包裹着电气绝缘框架，在框架上具有引导氢气和氧气(空气)反应物以及水流出物流动的通道。由于氧和氢之间的反应还产生热量，故燃料电池堆还必须冷却。多个电池的堆式排列描述在美国专利5,763,113，Meltser等人，1998-06-09授予；以及美国专利6,099,484，Rock，2000-08-08授予。
就许多用途而言，希望使用易得的烃类燃料，例如甲烷(天然气)、甲醇、汽油或柴油作为燃料电池使用的氢气来源。此类燃料比较容易贮存，并且其供应的商业基础设施是现成的。液态燃料如汽油，特别适合车辆使用。然而，烃类燃料必须先解离以释放出氢气，才能给燃料电池提供燃料。负责提供氢气的发电设备的燃料处理器包含一个或多个反应器或“转化装置(reformer)”，其中燃料与水蒸汽，以及有时还有空气，发生反应产生主要包含氢气和二氧化碳的反应产物。
一般而言，有两种类型转化系统：水蒸汽转化装置和自热转化装置。每种系统具有各自使之或多或少适合特定类型燃料，特别是用途的操作特征。在水蒸汽转化中，烃类燃料(典型的是甲烷或甲醇)和水(水蒸汽形式)彼此反应生成氢和二氧化碳。该反应是吸热反应，要求外加热量。在优选的系统中，该热量由燃烧通过燃料电池堆以后仍然未反应的氢气的燃烧器来提供。
在自热转化方法中，烃类燃料(典型的是汽油)、水蒸汽和空气被喂入到进行两种反应的主反应器中。一种是部分氧化反应，在该反应中，空气与燃料发生放热反应，另一种是吸热水蒸汽转化反应(如同在水蒸汽转化中那样)。放热反应放出的热量被用于吸热反应，从而尽量减少对外部热源的需要。
反应的副产物，包括来自水蒸汽和自热转化的，是一氧化碳。遗憾的是，一氧化碳会使燃料电池的操作恶化，特别是PEM燃料电池的。因此，要求在主反应器下游设置反应器，以便将富氢转化产物中一氧化碳的浓度降低到燃料电池堆容许的水平。下游反应器可包括水/煤气变换(WGS)反应器和选择性氧化(PrOx)反应器。WGS反应器将二氧化碳和水催化转化为氢和二氧化碳。PrOx反应器选择性地将一氧化碳氧化生成二氧化碳，其中利用来自空气的氧作为氧化剂。控制向PrOx反应器中喂入的空气量对于选择性氧化一氧化碳同时使氢气氧化为水的反应控制在最低限度具有重要作用。
将烃类燃料解离生成富氢转化产物以供PEM燃料电池使用的燃料电池系统在本领域是熟知的。此种系统描述在美国专利6,077,620，Pettit，2000-06-20；欧洲专利出版物977,293，Skala等人，2000-02-02发表；以及美国专利4,650,722，Vanderborgh等人，1987-03-17授予。
烃类转化产物燃料电池系统在汽车或其他车辆中的应用提出特殊的问题。除了希望采用上面讨论的易得液态燃料之外，转化装置和燃料电池系统还必须重量轻，和必须在宽范围环境条件下(例如在一定范围的温度和湿度条件下)高效地运转。它们还应当能快速启动，以便在车辆发动后短时间内产生动力。因此，希望对转化装置的反应物成分尽可能少地加热，特别是应避免向系统内补加水的需要。
如上面所讨论的，转化产物燃料电池系统中有几个组成部分要求水，特别是包括：转化装置，需要水蒸汽作为反应物；WGS反应器；以及燃料电池，要求对MEA加湿以便正常工作。一种改善燃料电池系统内的水平衡的一种常用做法是在系统内各个点采用冷凝热交换器。例如，热交换器可用于转化装置下游以冷却转化尾气至等于或低于其露点，从而使水沉降。从气态转化产物中分离出水并将其贮存在储罐中。该水随后返回到转化装置，并在其中被加热成水蒸汽。热交换器也可用来冷却从燃料电池阴极冒出的水蒸汽尾气，以便使其冷凝，用于给MEA增湿。然而，热交换器的应用却带来一些问题。例如，热交换器的水回收效率随着环境温度的升高而下降。为散掉冷凝热可能需要大散热器。况且，热交换器产生的液态冷凝物必须蒸发才能在系统内重复使用，从而带来额外的能量负荷和系统效率的降低。
试图解决燃料电池系统中水平衡的尝试在文献中有所报道。例如参见德国专利公开42 01632，Strasser，1993-07-29发表；美国专利6,007,931，Fuller等人，1999-12-28授予；以及美国专利6,013,385，Dubose，2000-01-11授予。然而，在这些本领域已知的水管理系统当中尚没有一种充分地满足这些需要，问题在于例如，它们未能在宽操作范围内维持真正的水平衡，以及机械的复杂性和可靠性，系统能耗的增加以及安全隐患。
                       发明概述
本发明提供一种烃类燃料转化装置，它从提取自转化装置流出物流的水蒸汽获得水蒸汽供应。因此，本发明提供一种用于从烃类燃料生产氢的发电设备的燃料处理器，包括：
(a)利用氧化剂、水和烃类燃料产生氢的反应器；以及
(b)水传递装置，从所述反应器产生的转化产物传递水蒸汽给所述反应器使用的氧化剂，包含水传递膜。
现已发现，此种水传递装置提供与本领域已知的水管理系统相比显著的优点。特别是，此种系统提供在一系列操作条件下维持系统内总体水平衡、耗能较少、零部件较简单和可靠性好以及操作安全性改善的优点。
                     附图简述
图1是表示连接在燃料电池上的本发明烃类燃料处理器的示意图，其中画出物料进出反应器和水传递装置的流向。
图2是一种本发明优选实施方案的示意图，包括：主反应器、水/煤气变换(WGS)反应器，和选择性氧化(PrOx)反应器。
图3画出本发明水传递装置的一种实施方案的断面图。
图4是本发明优选实施方案的示意断面图，包括用于进入反应器的氧化剂用的压缩机。
                     发明详述
本发明提供一种烃类燃料处理器。当本文中提到“烃类燃料处理器”时，该术语包括任何能将烃类燃料转化为氢的装置，优选配合燃料电池使用。当本文中提到“燃料电池”时，指的是用于电化学发电的单一电池，优选使用氢气和氧化剂的PEM燃料电池，或者是排列成堆或其他构型从而允许串联起来产生更大电压的多个电池。本文中使用的术语“烃类燃料电池设备”是一种包含燃料电池和给燃料电池提供氢气的烃类燃料处理器的设备。在优选的实施方案中，烃类燃料电池设备适用于机动车中。在另一种优选的实施方案中，烃类燃料电池设备适用于静止设备，例如，用作家庭和商业用途的备用或辅助发电机。
优选的是，烃类燃料处理器利用氧化剂和水将烃类燃料转化，产生氢气流。优选的是，烃类燃料是任何能转化产生氢的燃料，包括汽油、柴油、天然气、甲烷、丁烷、丙烷、甲醇、乙醇或其混合物。(这里使用的“包括”一词及其变通说法，意在不具有限定性，以便让所列举的事项不排除其他可能也可用于本发明设备、装置、零部件、材料、组合物和方法的类似事项。)
特别是，如图1所示，本发明提供一种发电设备燃料处理器，包含：反应器(1)和水传递装置(2)，后者从反应器产生的转化产物传递水蒸汽给反应器的输入口。本文所使用的术语“转化产物”是反应器利用烃类燃料产生的含氢气态产物或流出物。在一种实施方案中，转化产物从反应器出来，流经水传递装置以后，流到燃料电池(3)。又，在该实施方案中，水蒸汽作为氧化剂流的一部分传递到反应器中。该传递可直接到反应器的输入口中或者到某一装置，例如，空气输送装置，后者再连接到反应器输入口上。水传递装置优选包含水传递膜。
反应器：
本发明设备包含能将烃类燃料转化为氢气的反应器以便用于燃料电池。优选的反应器包括大致如上面背景部分所描述的水蒸气转化反应器和自热反应器。可用于本发明的此类反应器当中，包括本领域已知的那些，例如下面文献-在此收入本文作为参考-中所描述的：美国专利4,650,722，Vanderborgh等人，1987-03-17授予；美国专利6,077,620，Pettit，2000-06-20授予；和美国专利6,132,689，Skala等人，1998-09-22；美国专利6,159,626，Keskula等人，1999-07-06授予；欧洲专利出版物977,293，Skala等人，2000-02-02授予；和欧洲专利出版物1,066,876，Keskula等人，2001-01-10发表。
在本发明的一种实施方案中，正如图2大致所示，该反应器包括一个或多个反应器(4、5、6)。烃类燃料(流7)在水/水蒸汽存在下发生解离而生成转化产物。在一种此类具体方案中，空气被用于一种联合的部分氧化/水蒸气转化反应中。在此种情况下，反应器(4和6)还接受空气流。每个反应器(4、5、6)可包含一个或多个段或反应器床层。已知有且可采用各种各样的式样。因此，反应器(4、5、6)的选择和安排可以变化；下面将进一步描述示例燃料转化反应器(4)和下游反应器(5、6)。
燃料罐(9)优选常温地贮存烃类燃料。随后，该燃料被供应(流7)给燃料处理器。在某些实施方案中，对水蒸气转化反应器来说优选的是，燃料先蒸发再进入主反应器(4)。
在一种示例自热转化方法中，汽油、水(水蒸汽形式)和氧(空气)在主反应器(4)中起反应生成氢气和二氧化碳，正如前面在背景部分中所描述的。反应器(4)包括两段。一个反应器段主要是部分氧化反应器(POX)；而另一个反应器段主要是水蒸气转化装置(SR)，尽管在POX和SR段内发生的那些类型反应存在一定重叠。POX反应主要发生在燃料与空气之间，具有下列总反应式。
该反应用催化剂加速并且是放热的。优选的POX催化剂包含一种或多种贵金属，铂、铑、钯、铱、锇、金和钌。其他非贵金属类的金属或金属的组合，例如，镍和钴，也可使用。POX段中的反应优选是富燃料的。热POX反应产物，连同随燃料一起引入的水蒸汽被送入到SR段中，在此，烃类与水蒸汽按照下面的总反应式起反应，
水蒸气转化反应是吸热的。该吸热反应所要求的热量由POX放热反应产生的热量提供，并由POX段流出物向前带入到SR段中(因此而得名“自热反应器”)。
主反应器产生的一次转化产物(10)离开主反应器(4)，然后，在一种实施方案中，被热交换器冷却，该热交换器将热量从转化产物传递给主反应器的进料空气。在另一种实施方案中，该传热由水传递装置完成而不需要使用单独热交换器。在生成氢气的同时，汽油的转化反应还产生二氧化碳、水和一氧化碳。特别是一氧化碳，可能对燃料电池堆中使用的催化剂产生不利影响。因此优选的是，降低产物流中一氧化碳的含量。
于是，优选让燃料处理器还包含一个或多个下游反应器，例如，水/煤气变换(WGS)反应器(5)和选择性氧化(PrOx)反应器(6)，用来将一氧化碳转变为二氧化碳。优选的是，将一氧化碳降低到可接受的水平，优选低于约20ppm。
变换反应器(5)优选包括一个或多个段，在这些段中一氧化碳与水按照下列总反应式起反应。
在一种实施方案中，提供一种高温变换段和低温变换段。在一种此类具体实施方案中，高温变换反应器装有Fe3O4/Cr2O3催化剂并在约400℃(752°F)～约550℃(1022°F)的温度运转。在该实施方案中，低温变换反应器装有CuO/ZnO/Al2O3催化剂并在约200℃(392°F)～约300℃(572°F)的温度运转。优选的是，转化产物流在高温与低温段之间进行冷却。在另一种实施方案中，WGS反应器包括中温变换反应，在约300℃(572°F)～约400℃(752°F)的温度运转，用于替代高和低温反应器或作为其补充。
转化产物(11)离开变换反应器进入到选择性氧化PrOx反应器(6)，在此，它与来自空气进料(8)的氧发生催化反应，遵照下列总反应式。
该反应的进行消耗了基本上全部或至少大部分残余一氧化碳而不大量消耗氢气。
供应给燃料处理器的空气流(8)可用于一个或多个反应器中。在系统具有自热转化装置的情况下，空气被喂入反应器(4)。PrOx反应器(6)也在贵金属催化剂存在下利用空气将一氧化碳氧化为二氧化碳。优选的是，空气由空气输送装置，优选由压缩机(12)供应。该空气可利用一个或多个热交换器加热到主反应器(4)要求的温度。在此种实施方案中，供给主反应器(4)的空气优选以至少约700℃(1292°F)的温度供应，具体取决于操作条件。
在一种实施方案中，PrOx氢气流(13)从PrOx反应器(6)出来并被热交换器冷却至适合在燃料电池(3)中使用的温度。该氢气流优选冷却至低于约100℃(212°F)的温度。然后，该氢气流(13)再通过水传递装置(2)喂入到燃料电池(3)的阳极室，正如下面所讨论的。与此同时，来自氧化剂流(8)的氧(例如，空气)喂入到燃料电池(3)的阴极室。优选的是，空气利用压缩机进行压缩。来自转化产物流的氢气与来自氧化剂流的氧在燃料电池中起反应产生电，该反应是一种在催化剂存在下的电化学反应。水作为反应的副产物生成。从燃料电池(3)阳极侧出来的尾气或流出物(14)含有一些未反应氢气。从燃料电池(3)的阴极侧出来的尾气或流出物(15)还包含未反应氧。
反应器(4、5、6)中发生的反应，有些是吸热的，因此需要热量；另一些反应是放热的，因此要求撤热。典型地，PrOx反应器(6)要求撤热。视转化装置的类型而定，一种或多种在主反应器(4)中的反应是吸热的，因此要求加热。这通常是通过预热燃料、水和空气等反应物之一或多种，和/或对于水蒸气转化反应器而言，通过加热选择的反应器来实现的。系统优选包含将热能从产生热量的那些系统部分传递给需要热量的那些部分的热交换器。
燃料处理器任选和优选地包含燃烧器，它可加热进入反应器的燃料、空气和/或水等反应物。在燃料处理器具有水蒸气转化反应器的情况下，燃烧器优选加热转化装置，直接或间接地均可。在优选的水蒸气转化系统中，反应器床层由燃烧器的热尾气加热。优选的包含自热转化装置的实施方案则不具有燃烧器。
燃烧器优选包含一种具有进口、排气口和催化剂的室。优选的是，燃烧器中的燃料源是阳极流出物中的未反应氢。可直接向燃烧器提供附加燃料(流7)，以根据需要满足燃料电池设备瞬态和稳态的需要。
烃类燃料和/或阳极流出物在燃烧器的催化剂段内起反应。向燃烧器中提供的氧来自空气源和/或，优选地，阴极流出物流，取决于系统操作条件。优选的是，燃烧器的尾气流经调节器和消音器再排放到大气中。在系统的反应器由燃烧器加热的情况下，利用焓方程确定需要供应多少阳极尾气空气给燃烧器才能提供反应器(4、5)所需要的热量。阳极流出物不能满足的燃烧器所要求的任何氧需求量则优选地由压缩机供应，其数量应满足燃烧器所要求的加热和温度。
反应器需要的水优选由水传递装置(2)提供，正如下面进一步讨论的。然而，在某些情况下(例如，系统启动阶段)，可能需要附加的水。这部分水优选由阳极流出物和阴极流出物获得，例如利用冷凝器和水分离器。液态水随后贮存在储罐中。水也可从外部来源加入到储罐中。
优选的是，系统操作的各个方面利用适当微处理器、微控制器、个人电脑等加以控制，它们具有能执行存储在存储器中的控制程序和数据的中央处理单元。控制器可以是任何组成部分专用的专用控制器，或者作为存储在车辆的主电子控制模块中的软件来实现。另外，尽管基于软件的控制程序可用于将系统组成部分控制在上面描述的各种操作模式，但还应当知道，该控制也可部分或全部地由专用电子线路来实现。
水传递装置：
本发明还提供一种从湿气流传递水蒸汽给干气流的水传递装置。本发明水传递装置包含这样一种结构，该结构包含用于第一气体的流道、用于第二气体的流道，以及具有第一和第二表面的水传递膜，其中膜的第一表面主要接触用于所述第一气体的流道，而第二表面主要接触第二流道。流动在一个流道(例如，第一流道)中的气体中的水蒸汽透过该膜转移到其他流道(例如，第二流道)中。优选的水传递装置，例如，图5中所画出的用于在燃料电池发电装置中第一气体和第二气体之间传递水蒸汽的系统(其一种实施方案的断面图表示于图3中)，包括：
(a)第一气体进口(20)；
(b)第一气体出口(21)；
(c)具有内孔(23)和外表面(24)的导管(22)，其壁包含水传递膜材料，其中所述导管一端连接所述第一气体的进口(20)，所述导管另一端连接第一气体的出口(21)，以便允许第一气体流经所述内孔；以及
(d)包围并围绕着所述导管(22)至少一部分外表面提供孔隙空间(26)的外壳(25)，其中所述外壳具有第二气体的进口(27)和第二气体的出口(28)，从而允许第二气体流经所述孔隙空间(26)流过；其中流经所述外壳孔隙空间的第二气体从所述导管的外表面流过但基本上不与流经所述导管内孔的第一气体混合。
导管可以是各种不同形状当中任何一种，包括基本圆柱形管和三维矩形通道。优选的是，水传递装置包含许多导管(29)，连接至第一气体进口处的集管(30)和第一气体出口处的集管(31)，从而允许第一气体流经全部导管。本文所使用的术语“连接”是指任何允许从一点通到另一点—优选基本上不损失流体—的机构。该装置优选还包含用于将各个导管支撑在外壳内的机构。优选的是，第一气体的流动方向基本上不同于，优选与第二气体的流动方向相反。
可用于本发明的水传递膜材料是任何允许水蒸汽从一种气体传递到另一种气体的材料。优选的是，此种材料选择性地让水蒸汽传递，却不允许其他气体传递。优选的水传递膜选择性地允许水蒸汽从第一气流传递到第二气流，但不允许显著数量其他成分从第一气流通入到第二气流中(泄漏)。优选的是，正如图3所示，第一气体是湿气流，水蒸汽从该气流传递到第二气体，也就是干气流中。优选的是，第一气体是转化产物，且优选的是，第二气体是空气。
优选的用于本发明的水传递膜材料包括由聚全氟磺酸、磺化(sulfonated)聚苯乙烯、聚醚砜、磺化聚醚酮、聚碳酸酯、其他磺化材料及其混合物制成的那些。优选的膜材料由聚全氟磺酸构成。一种特别优选的膜材料由杜邦公司以商品名NAFION销售。由NAFION膜制成、适合本发明使用的管由Perma Pure公司按商品名PD SERIESMOISTURE EXCHANGERS销售。
在本发明优选的实施方案中，第一气体是反应器产生的氢转化产物，包含水作为转化反应的副产物。因此，本发明的一种优选发电设备烃类转化装置包括：
a)具有反应物输入口和氢产物输出口的反应器；以及
b)水传递装置，包括(i)连接到反应器的所述氢产物输出口的传递装置输入口，(ii)连接到反应器的所述反应物输入口的传递装置输出口，以及(iii)水传递膜；其中所述水传递装置从所述氢产物输出口传递水给所述反应物输入口。本发明优选的方法包括水蒸汽从反应器产生的转化产物借助含水传递膜的水蒸汽传递装置向反应物的传递。
在图4断面图画出的实施方案中，氢气从反应器(1)流出，流过水传递装置(2)的导管(22)的孔隙空间(23)。空气通过空气进口(27)流入到水传递装置的外壳(25)中。该空气流过包围导管的外壳内的孔隙空间(26)并从空气出口(28)流出。随着氢转化产物流过导管，水不断透过包含水传递膜材料的导管壁(24)朝外传递。变干的氢转化产物随后流入到燃料电池(3)中。空气掠过导管外表面流过期间不断获得水蒸汽并流入到反应器(1)中，借此它提供转化反应所需要的水。优选的是，空气一边流过导管一边被加热，从而给反应器提供热量，同时将转化产物冷却。在另一种实施方案中，第二气体包含气态烃类燃料(例如，甲烷或蒸发的液态燃料)。
在图3中画出的实施方案中，反应器包括主反应器(4)以及下游反应器(5)和(6)。在替代的实施方案中，反应器包括主反应器(4)和水/煤气变换反应器(5)，并且流经水传递装置的转化产物流入到PrOx反应器中。水传递装置(2)提供的水蒸汽流优选地提供给需要水的反应器。在一种实施方案中，物流供给主反应器(4)和WGS反应器(5)。
优选的是，导管内第一气体的压力相当于外壳内第二气体压力的约50％～约500％，更优选约100％～约300％，更优选约170％～约270％。还优选，干气流的温度小于或等于湿气流的温度。在优选的实施方案中，干气流是空气，优选其温度低于约85℃(185°F)，更优选低于约50℃(122°F)，更优选低于约30℃(86°F)。优选干气流是约常温和约常压的空气。
优选的是，湿气流在水传递装置输入口处的温度维持在高于该气体露点的温度，以便在在水传递装置内不发生水的凝结。优选的是，湿气流在水传递装置进口的温度比其露点高出约1℃(1.8°F)～10℃(18°F)，更优选约1℃(1.8°F)～约5℃(9°F)。
优选的是，本发明水传递装置的水传递效率至少约30％，优选至少约50％，更优选至少约80％，更优选至少约90％。当本文中提到“水传递效率”时，它指的是dW实际/dW最大比例，其中dW实际是从干气流实际传递到湿气流的水量，而dW最大是理论上可能传递的最大水量。传递的水量可采用本领域已知的传统气流含水量测定方法来确定。最大水量dW最大是干气流能够吸收的最大水量(在给定操作温度和压力下)，和输入口湿气流中的实际水量二者中较小者。
一种优选的燃料处理器实施方案也包括空气输送装置，例如，压缩机或鼓风机，用于将空气供应给反应器(例如，主反应器和WGS反应器)。如图2和4所示，空气输送装置在一种实施方案中是压缩机(12)，它提供带压空气给反应器(1)。在水传递装置给反应器用的空气增湿的实施方案中，水传递装置可给经过压缩以后的空气增湿(即，该装置连接到压缩机的出口)或者，优选地，它可在压缩之前给它增湿(即，该装置连接到压缩机的输入口)。
本文所描述的实施例或其他实施方案都是示例，不拟限制对本发明设备、装置、成分、材料、组成和方法的全部范围的描述。可制定出具体实施方案、材料、组成和方法的等价更换、修改和变化，却仍获得基本类似的结果。

Claims (24)

1.一种用于从烃类燃料生产氢的燃料处理器，包括：
(a)利用氧化剂、水和烃类燃料产生含氢转化产物的反应器；以及
(b)水传递装置，从所述反应器产生的转化产物传递水蒸汽给所述反应器使用的反应物，包含水传递膜。
2.权利要求1的燃料处理器，其中所述反应物是空气。
3.权利要求2的燃料处理器，其中所述空气处于低于约50℃的温度。
4.权利要求3的燃料处理器，其中所述空气处于约环境温度。
5.权利要求1的燃料处理器，其中所述水传递膜包含聚全氟磺酸。
6.一种用于从烃类燃料生产氢的燃料处理器，包括：
(a)具有反应物输入口和转化产物输出口的反应器；以及
(b)水传递装置，包括(i)连接到反应器的所述转化产物输出口上的传递装置输入口，(ii)连接到反应器的所述反应物输入口的传递装置输出口，以及(iii)水传递膜；其中所述水传递装置从所述转化产物输出口传递水给所述反应物输入口。
7.权利要求5的发电设备燃料处理器，其中反应器的所述反应物输入口是氧化剂输入口。
8.权利要求6的发电设备燃料处理器，其中所述反应器是自热反应器。
9.权利要求6的发电设备，还包括压缩机，它具有反应物输入口和供应压缩的反应物输出口给反应器的所述反应物输入口，其中所述水传递装置传递水蒸汽给压缩机的所述反应物输入口。
10.权利要求7的发电设备燃料处理器，其中反应器的所述反应物输入口是氧化剂输入口。
11.权利要求8的发电设备，其中所述水传递装置包括处于低于约50℃的温度的空气输入口。
12.权利要求11的发电设备，其中所述水传递装置另外包括处于约环境温度的空气输入口。
13.权利要求6的发电设备燃料处理器，其中所述膜包含聚全氟磺酸。
14.一种对制造含氢转化产物的燃料处理器的反应物增湿的方法，包括使用一种包含水传递膜的水传递装置从所述转化产物传递水蒸汽给所述反应物。
15.权利要求14的反应物增湿方法，其中所述反应物是空气。
16.权利要求15的反应物增湿方法，其中当所述空气被所述水传递装置增湿时它处于低于约50℃的温度。
17.用于在燃料电池发电设备中从从第一气体传递水蒸汽给第二气体的水传递装置，具有第一气体进口、第一气体出口、第二气体进口和第二气体出口，包括：
(a)第一气体进口；
(b)第一气体出口
(c)第二气体进口；
(d)第二气体出口；
(e)具有内孔和外表面的导管，其壁包含水传递膜材料，其中导管一端连接所述第一气体的进口，所述导管另一端连接第一气体的出口，以便允许第一气体流经所述内孔；以及
(f)包围并围绕着所述导管至少一部分外表面提供孔隙空间的外壳，其中所述外壳具有第二气体的进口和第二气体的出口，从而允许第二气体经所述孔隙空间流过；其中流经所述外壳孔隙空间的第二气体从所述导管的外表面流过但基本上不与流经所述导管内孔的第一气体混合。
18.权利要求17的水传递装置，包括多个所述导管，它们都连接至所述第一气体进口和所述第一气体出口。
19.权利要求17的水传递装置，其中所述水传递膜材料包含聚全氟磺酸。
20.权利要求19的水传递装置，其中所述第一气体的流动方向与所述第二气体的所述流动方向基本上相反。
21.一种使用权利要求17的水传递装置给燃料处理器的反应物增湿的方法。
22.一种按照权利要求21给燃料处理器的反应物增湿的方法，其中所述第一气体进口接受反应器产生的转化产物供料，且所述第二气体进口接受空气进料，包括使用所述水传递装置从所述转化产物传递水蒸汽给所述空气，并从所述第二气体出口供应所述空气给所述燃料处理器中的反应器。
23.按照权利要求22给燃料处理器用反应物增湿的方法，其中所述空气的温度低于约50℃，且所述转化产物的压力是所述空气压力的约170％～约270％。
24.权利要求1的燃料处理器，其中所述水传递装置包括：
(a)连接到所述反应器的转化产物流出口的转化产物气体进口；
(b)转化产物气体出口；
(c)氧化剂气体进口；
(d)氧化剂气体出口；
(e)具有内孔和外表面的导管，其壁包含水传递膜材料，其中导管一端连接所述第一气体的进口，所述导管另一端连接至转化产物气体的出口，以便允许氢气流经所述内孔；以及
(f)包围并围绕着所述导管至少一部分外表面提供孔隙空间的外壳，其中所述外壳具有氧化剂气体的进口和氧化剂气体的出口，从而允许氧化剂气体经所述孔隙空间流过；其中流经所述外壳孔隙空间的氧化剂气体从所述导管的外表面流过但基本上不与流经所述导管内孔的氢气混合。
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