TWI412172B - 燃料重組裝置及其方法 - Google Patents

Description

燃料重組裝置及其方法

本發明係關於一種燃料重組技術，特別是指一種蒸氣重組反應及自熱重組反應的串聯結構的燃料重組裝置及方法。

高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell,PEFC)已於產業應用上朝向分散式定置型發電、可攜式發電、或電動汽車動力等系統發展。定置型燃料電池發電系統或備用電力系統是燃料電池最早的市場，而這兩種應用系統都會需要用到燃料重組器產氫單元，且上述應用都強調高效率、低寄生電力、高氫氣濃度、最好能兼顧快速應答及啟動時間短等特性。

藉由燃料重組器(Fuel Reformer)可將碳氫化合物燃料轉換成一氧化碳(CO)濃度低於20ppm之富氫重組氣，供應PEFC發電系統所需之燃料。一般而言，燃料重組器系統包含燃料轉換成合成氣之重組反應、水移轉反應(Water gas-shift,WGS)、選擇性氧化反應(Preferential oxidation,PrOX)或甲烷化反應、及陽極廢氫氣氧化反應等單元；而習知的燃料重組器產氫單元幾乎都是以蒸氣重組反應(Steam reforming reaction,SR)或自熱式重組反應(Autothermal reforming reaction,ATR)設計，前者具有高氫氣濃度優點，但也伴隨啟動時間長及應答速率慢的缺點，主要發展的單位有東京瓦斯公司、日本東芝公司等；後者雖具有啟動時間短及應答快的優點，但也同時伴隨氫氣濃度低，以及因反應時需注入大量空氣使得寄生電力較大的缺點，主要發展的單位有英國Johnson Matthey公司等。既有以自熱式重組反應設計之燃料重組器系統，它是在重組反應器前端觸媒先誘發碳氫化合物與氧發生放熱的部份氧化反應，於重組反應器後端觸媒藉由前端部份反應產生的高溫進行蒸氣重組反應，參與重組反應的進料如天然氣、水及空氣經預熱汽化，是同步注入同一重組觸媒裝置，因此後端觸媒催化碳氫化合物進行蒸氣重組反應的比例，完全受制於前端部份氧化反應的氧/碳氫化合物莫耳比(O₂ /C莫耳比)，其重組氣中的氫氣濃度大多介於50%左右。既有以蒸氣重組反應設計之燃料重組器系統，必須先經由間接加熱方式，以使蒸氣重組觸媒處於可開始催化蒸氣重組反應發生的狀態，再通入參與重組反應的燃料進料如天然氣、水，因此啟動時間很冗長。因此，發展一套兼具啟動時間短且高氫氣濃度之重組器系統，乃是當前亟待發展的重要技術課題。

有鑑於此，在本發明的一方面，一實施例提供一種燃料重組裝置，包含：一自熱重組反應器，用以對一燃料進料(fuel supply)進行自熱重組反應，而形成一第一重組氣(reformate)；一蒸氣重組反應器，用以對該燃料進料進行蒸氣重組反應，而形成一第二重組氣；及一加熱單元，用以加熱該燃料進料及該蒸氣重組反應器；其中該燃料重組裝置的運轉初期係以自熱重組反應為主，以縮短該燃料重組裝置的催化重組反應時間，且在該燃料重組裝置的運轉穩定後則以蒸氣重組反應為主。

在本發明的另一方面，另一實施例提供一種氫氣產生裝置，包含：如上所述之燃料重組裝置；一水移轉反應單元(Water Gas Shift Reaction,WGS)，用以對該第一與第二重組氣中所含的一氧化碳，進行與水反應而轉換成氫氣及二氧化碳，而形成一第一輸出氣；一選擇性氧化反應單元(Preferential Oxidation Reaction,PrOX)，用以對該第一輸出氣中所含的一氧化碳或氫進行選擇性的氧化反應，而形成一第二輸出氣。

在本發明的又一方面，又一實施例提供一種用於燃料電池的燃料重組方法，其包括：提供一重組反應單元及一燃料進料，其中該重組反應單元包括：一自熱重組觸媒及一蒸氣重組觸媒；開啟一燃燒器，以加熱該重組反應單元及該燃料進料；當該自熱重組觸媒的入口溫度上升至90℃～200℃時，將該燃料進料通入該自熱重組觸媒，而產生第一重組氣；該燃料進料導入該蒸氣重組觸媒而產生第二重組氣；對該第一與第二重組氣進行水移轉反應及選擇性氧化反應而產生一輸出氣；若該輸出氣所含的一氧化碳濃度低於20 ppm，將該輸出氣通入該燃料電池的陽極，否則通入該燃燒器；當該自熱重組觸媒的出口溫度上升至450℃～550℃時，降低該燃料進料的O₂ /C莫耳比值；及當燃燒尾氣流經自熱重組觸媒外側溫度上升至650℃～750℃時，則該燃料進料停止提供空氣，且該重組反應單元實質上只有該蒸氣重組觸媒在進行作用。

為了能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後：請參照圖一，為根據本發明一實施例之燃料重組裝置100的結構示意圖。如圖一所示，本實施例包含：自熱重組反應器110、蒸氣重組反應器120、除氧反應器131/132、及加熱單元140；其中，自熱重組反應器110用以對燃料進料150進行自熱重組反應，而形成第一重組氣152；蒸氣重組反應器120用以對燃料進料150進行蒸氣重組反應，而形成第二重組氣154；除氧反應器131/132分別連接至自熱重組反應器110及蒸氣重組反應器120，用以去除第一重組氣152及第二重組氣154中的氧氣；及加熱單元140用以加熱燃料進料150及蒸氣重組反應器120；其中燃料重組裝置100的運轉初期係以自熱重組反應為主，以縮短燃料重組裝置100的催化重組反應時間，且在燃料重組裝置100的運轉穩定後則以蒸氣重組反應為主。

請參考圖一，在一實施例中，燃料重組裝置100係呈一圓柱狀，自熱重組反應器110設置於外圈，且蒸氣重組反應器120設置於中間層，加熱單元140設置於內圈中心，其中，除氧反應器131/132係分別連接於自熱重組反應器110與蒸氣重組反應器120，詳細來說，自熱重組反應器110與蒸氣重組反應器120係由一管道135相連接，除氧反應器131設置於自熱重組反應器110與蒸氣重組反應器120之間，且與自熱重組反應器110相連接；另一除氧反應器132設置於蒸氣重組反應器120相接於管道135的另一端，且與蒸氣重組反應器120相連接。自熱重組反應器110係包含一進料口112，以提供燃料進料150進入至自熱重組反應器110中進行反應。加熱單元140係包含一熱管142，其中熱管142係包覆在蒸氣重組反應器120與自熱重組反應器110外，以加熱燃料進料150及蒸氣重組反應器120。

自熱重組反應器110係包含自熱重組觸媒，蒸氣重組反應器120係包含蒸氣重組觸媒，除氧反應器131/132係包含除氧觸媒，加熱單元140係包含燃燒器。

自熱重組反應器110的自熱重組觸媒組成包含：貴金屬觸媒，其含有銠、鉑、或上述金屬的混合物，及觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中自熱重組反應溫度為300℃～800℃，其化學反應的表示式如下：

HC+O₂ +H₂ O→H₂ +CO+CO₂

蒸氣重組反應器120的蒸氣重組觸媒組成包含：貴金屬觸媒，其含有釕、銠、鉑、或至少二種的上述金屬的混合物，及觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中蒸氣重組反應溫度為600℃～800℃，其化學反應的表示式如下：

HC+H₂ O→H₂ +CO+CO₂

除氧反應器131/132主要係進行氧化反應，以避免氧氣對於蒸氣重組反應或後續可能的水移轉反應觸媒的劣化影響；其除氧觸媒組成包括：貴金屬觸媒，其含有鈀、銠、鉑、或至少二種的上述金屬的混合物；及觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、或二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中，除氧反應溫度為100℃～500℃，其化學反應的表示式如下：

H₂ +O₂ →H₂ O，

CO+O₂ →CO₂ ，及

HC+O₂ →H₂ O+CO₂

加熱單元140係以一燃燒器或以觸媒氧化放熱反應焚化燃料進料150來提供熱量，以加熱調控本實施例各反應器的溫度。本實施例可使用的燃料進料150為水、空氣、及燃料混合物，燃料混和物包含：天然氣、酒精、液化石油氣(LPG)、煤油、或柴油等化石燃料，或是厭氧反應產生之甲烷或生質能發酵產生之酒精等再生能源。

自熱重組反應器110用以對燃料進料150進行自熱重組反應，而形成第一重組氣152；蒸氣重組反應器120用以對燃料進料150進行蒸氣重組反應，而形成一第二重組氣154；除氧反應器131/132分別連接至自熱重組反應器110及蒸氣重組反應器120，用以去除第一重組氣152及第二重組氣154中的氧氣；及加熱單元140用以加熱燃料進料150及蒸氣重組反應器120；詳細來說，在燃料重組裝置100運轉初期，當燃料進料150由進料口112進入至燃料重組裝置100中，部分的燃料進料150會先在自熱重組反應器110中進行自熱重組反應，並產生第一重組氣152，而另一部分未反應的燃料進料150會接著進入到自熱重組反應器110後的蒸氣重組反應器120中，以進行蒸氣重組反應，並產生第二重組氣154，期間加熱單元140會對蒸氣重組反應器120加熱，以提升蒸氣重組反應器120的蒸氣重組反應速率；因此，燃料重組裝置100運轉初期係以自熱重組反應為主，以縮短燃料重組裝置100的催化重組反應時間，且在燃料重組裝置100的運轉穩定後則以蒸氣重組反應為主。

接著請參照圖二，為根據本發明另一實施例之氫氣產生裝置200的方塊示意圖。如圖二所示，本實施例包含：重組反應單元210、加熱單元140、水移轉反應單元260、及選擇性氧化反應單元270；其中，重組反應單元210與加熱單元140之組合係為前述實施例之燃料重組裝置100。重組反應單元210包含自熱重組反應器110、蒸氣重組反應器120與除氧反應器131/132，而自熱重組反應器110、蒸氣重組反應器120、及除氧反應器131/132之組成結構及功能與前一實施例類同，並已於前文中描述，在此不再贅述；加熱單元140用以加熱燃料進料150及重組反應單元210；重組反應單元210產生的重組氣體156為自熱重組反應器110與蒸氣重組反應器120產生的第一重組氣152與第二重組氣154組合而成，水移轉反應單元260用以對重組氣體156中所含的一氧化碳，進行與水反應而轉換成氫氣及二氧化碳，而形成第一輸出氣282；選擇性氧化反應單元270，用以對第一輸出氣282中所含的一氧化碳或氫進行選擇性的氧化反應，而形成第二輸出氣284，其中當第二輸出氣284中的一氧化碳濃度高於20 ppm時，將會送至加熱單元140燃燒；重組反應單元210的運轉初期係以自熱重組反應為主，以縮短裝置的催化重組反應時間，且在裝置的運轉穩定後則以蒸氣重組反應為主。

加熱單元140係燃燒燃料進料150或一氧化碳濃度高於20 ppm的第二輸出氣284中的至少一種；但並不以此為限，加熱單元140亦可以觸媒氧化放熱反應來進行焚化，以加熱燃料進料150及重組反應單元210，並調控本實施例之氫氣產生裝置200各個指定單元或位置的溫度。本實施例可使用的燃料進料150為水、空氣、及燃料的混合物，燃料包含：天然氣、酒精、液化石油氣、煤油、或柴油等化石燃料，或是厭氧反應產生之甲烷或生質能發酵產生之酒精等再生能源。本實施例亦可將重組反應單元210反應或燃燒後的高溫廢氣，透過熱交換器與燃料進料150進行熱交換，提高氫氣產生裝置200的熱轉換效率。

水移轉反應單元260係包含水移轉觸媒，其中水移轉觸媒組成包含：貴金屬觸媒，其至少含有鉑、錸、或銅；及觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中水移轉反應溫度為250℃～450℃，其化學反應的表示式如下：

CO+H₂ O→H₂ +CO₂

水移轉反應單元260的水移轉觸媒組成也可以是包含：卑金屬觸媒及觸媒載體，其含有銅鋅鋁氧化物或鐵鉻鋁氧化物，其中水移轉反應溫度為200℃～450℃。水移轉反應主要用以降低重組氣體156中的一氧化碳含量，以減輕後續選擇性氧化反應的負荷，亦有助於氫氣生成量的增加。

選擇性氧化反應單元270係包含氧化觸媒，其中氧化觸媒組成包含：貴金屬觸媒，其至少含有鉑、釕、或兩者組合；及觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、沸石氧化物、或上述氧化物的混合物；其中，選擇性氧化反應溫度為100℃～200℃，分別對第一輸出氣282中所含的一氧化碳或氫進行選擇性的氧化反應，其化學反應的表示式分別如下：

CO+O₂ →CO₂ 及

H₂ +O₂ →H₂ O

以使經過重組後之第二輸出氣284中所含的一氧化碳濃度降至20 ppm以下，甚至可達10 ppm以下。

請參照圖三，為根據本發明又一實施例之用於燃料電池的燃料重組方法300的流程示意圖。請一併參考圖二，如圖二、圖三所示，本方法實施例包含：步驟310提供重組反應單元210及燃料進料150，其中重組反應單元210包括：自熱重組觸媒110及蒸氣重組觸媒120；步驟320開啟一燃燒器140，以加熱重組反應單元210及燃料進料150；步驟330當自熱重組觸媒110的入口(即進料口112)溫度上升至90℃～200℃時，將燃料進料150通入自熱重組觸媒110，而產生第一重組氣152；步驟340燃料進料150導入蒸氣重組觸媒120而產生第二重組氣154；步驟350對第一與第二重組氣152、154進行水移轉反應及選擇性氧化反應而產生輸出氣，若輸出氣所含的一氧化碳濃度低於20 ppm，將輸出氣通入燃料電池的陽極，否則通入燃燒器140；步驟360當自熱重組觸媒110的出口溫度上升至450℃～550℃時，降低燃料進料150的氧碳莫耳比值(O₂ /C)；及步驟370當燃燒尾氣流經自熱重組觸媒110外側溫度上升至650℃～750℃時，則燃料進料150停止提供空氣，且重組反應單元210實質上只有蒸氣重組觸媒120在進行作用。

以下進一步描述上述的實施步驟，請同時參照圖2的氫氣產生裝置200，其中的燃料進料150、自熱重組觸媒110、蒸氣重組觸媒120、除氧觸媒131/132、加熱單元燃燒器140、水移轉反應單元260、及選擇性氧化反應單元270之組成結構及功能與前一實施例類同，並已於前文中描述，在此不再贅述。首先點燃作為加熱單元的燃燒器140，以間接加熱的方式加熱自熱重組觸媒110、蒸氣重組觸媒120、或除氧觸媒131/132，其尾氣再經熱交換器排出，所得之熱量可透過傳導方式對燃料進料150(水、空氣及碳氫化合物)進行預熱。待自熱重組觸媒110的入口端(即進料口112)溫度上升至90℃～200℃時，則將燃料進料150通入氫氣產生裝置200，而依序流經自熱重組觸媒110、除氧觸媒131、蒸氣重組觸媒120、除氧觸媒132、水移轉反應單元260、及選擇性氧化反應單元270。若此第二輸出氣284中的一氧化碳含量濃度未低於20 ppm時，則導致燃燒器140進行燃燒。當燃料進料150被加熱至300℃~400℃，會在自熱重組觸媒110先發生部份氧化反應，而消耗掉大部份的氧氣，並產生第一重組氣152；剩餘的氧氣將在後續的除氧觸媒131/132及蒸氣重組觸媒120氧化掉，並可加速預熱後續的水移轉反應單元260，使水移轉反應單元260、及選擇性氧化反應單元270可儘早達到預設的操作溫度。接著燃料及水再經過處於高溫度狀態下的蒸氣重組觸媒120，導致第二重組氣154的產生，其中第二重組氣154為富氫重組氣。若重組第二輸出氣284所含的一氧化碳濃度低於20 ppm，將其通入燃料電池280的陽極，否則再通入燃燒器140將其燃燒掉。當自熱重組觸媒110的出口端溫度上升至450℃～550℃時，逐次降低燃料進料的O₂ /C莫耳比值；自熱重組觸媒110的出口端溫度亦可在550℃～650℃時才降低燃料進料的O₂ /C莫耳比值，端視實際需要而定。當燃燒尾氣流經自熱重組觸媒110外側溫度上升至650℃～750℃時，可停止供應燃料進料中的空氣，此時重組反應單元210實質上只有蒸氣重組觸媒120進行作用。重組反應單元210啟動初期O₂ /C莫耳比值低，空氣泵浦負荷小且寄生電力低，但本實施例可於較短時間即可產生一氧化碳濃度低於20 ppm之重組氣，而可通入燃料電池280發電。當再持續升載並維持低O₂ /C莫耳比之自熱式重組反應操作模式運轉，待系統各單元反應已趨近操作溫度設定值時，再轉換成以蒸氣重組反應操作模式運轉，此時即可產生高濃度氫氣，又可避免自熱式重組反應全負載操作時的空氣泵浦的寄生電力。

圖四是上述實施例以天然氣作為燃料之重組氣的氫氣及一氧化碳濃度與重組反應單元啟用時間的量測數據圖。重組反應的啟動初期係以自熱式重組反應操作模式運轉，在啟動後20分鐘內即可產生一氧化碳濃度低20 ppm的富氫重組氣，雖然此時重組氣的氫氣濃度並不高，但已可通入燃料電池組發電。之後再持續升載並維持低O₂ /C莫耳比之自熱式重組反應操作模式運轉，重組氣的氫氣濃度可快速提高至45%。待重組反應各單元反應已趨近操作溫度設定值時，在啟動後約55分鐘時，即可轉換成以蒸氣重組反應為主的操作模式運轉，此時重組氣的氫氣濃度也再快速提高至70%左右。由此實驗數據可更加驗證本實施例以串聯蒸氣重組反應及自熱重組反應的型式，確可綜括之蒸氣及自熱兩者燃料重組器的優點。

本發明有別於既有以自熱式重組反應設計之燃料重組器系統。本發明燃料重組裝置是由自熱式重組反應器及蒸氣重組反應器串聯而成，燃料重組裝置中心有一加熱單元，可燃燒天然氣、液化石油氣、或含有氫氣的尾氣等氣態可燃性氣體，透過燃燒可提供熱能給予熱管所包覆的蒸氣重組反應器，可讓蒸氣重組反應器中的蒸氣重組觸媒進行催化吸熱的蒸氣重組反應，此外，同樣由熱管所包覆的自熱重組反應器，可藉由燃燒所提供的熱能，經熱管將燃料進料如天然氣、水或空氣預熱與汽化。由於蒸氣重組反應器中催化吸熱的蒸氣重組反應所需的熱源，主要是來自高溫的燃燒氣體(即加熱單元所提供)，而非依賴前段的自熱式重組觸媒熱能，使得蒸氣重組觸媒得以獨立催化蒸氣重組反應產生高氫氣濃度(大於70%)的重組氣體。

本發明另又有別於既有以蒸氣重組反應設計之燃料重組器系統。本發明於燃料重組裝置啟動之初，除了同步藉由燃燒預熱蒸氣重組反應器、自熱重組反應器、以及參與重組反應的燃料進料如天然氣及水，藉由自熱式重組反應觸媒具有低溫催化部份氧化反應的特性，於燃料重組裝置啟動初期即通入空氣，讓自熱式重組反應觸媒先催化重組反應，雖然此時產生之重組氣的氫氣濃度偏低(≦50%)，但可大幅縮短重組器系統產生CO濃度低於20 ppm之合格富氫重組氣的時間，待蒸氣重組觸媒已達可催化蒸氣重組反應時，再停止通入參與重組反應的空氣，讓重組器系統改以蒸氣重組反應運轉。

然而在蒸氣重組反應及自熱式重組反應操作模式變更過程中，可能衍生的最大問題是重組反應、水移轉反應、以及CO選擇性氧化反應的各單元觸媒，是否會因接觸空氣導致活劣化的問題，特別是水移轉觸媒。因為有些專利或論文提到當重組反應、水移轉反應、以及選擇性氧化反應單元觸媒接觸到空氣，觸媒活性點可能鈍化而降低活性，嚴重會影響到觸媒的壽命。

傳統以自熱式重組反應設計之燃料重組器系統，系統啟動透過鎳鉻絲通電數分鐘或以火星塞點火後，即通入空氣、燃料及水，先誘發氧化放熱反應，讓觸媒快速達到開始反應溫度，由於自熱式重組反應是結合部份氧化及蒸氣重組反應，催化碳氫化合物進行重組反應產生水合氣(SynGas)，為了提供足夠的熱量或是讓觸媒可以快速達到催化蒸氣重組反應溫度，系統啟動初期的O₂ /C莫耳比會偏高，但於系統啟動初期的觸媒反應溫度不高，氧不會被完全消耗掉，殘存之氧氣會接觸後續的WGS及PrOX觸媒，因此，自熱式重組反應設計之燃料重組器系統大多選用具有抗氧特性之WGS及PrOX觸媒，但因自熱式重組反應為了能維持重組反應的轉化率，於穩態操作時仍需維持一定的O₂ /C莫耳比(0.3~0.6)，若以3瓩天然氣重組器系統為例，燃料進料之天然氣至少需達18 L/min以上，此時需通入之空氣量介於25~50 L/min，系統即需要可產生高靜壓及高風量之空氣泵浦，且其寄生電力理應不小。

因為本發明的燃料重組裝置是由具有低溫反應特性之自熱式重組觸媒及高溫之蒸氣重組觸媒串聯而成，又因燃料重組裝置中心有燃燒器，可透過燃燒直接預熱燃料進料及重組觸媒，其預熱速率不小，所以系統啟動初期進料的O₂ /C莫耳比值可比單純以自熱式重組反應設計之系統低，O₂ /C莫耳比低代表空氣泵浦可以處於低功率操作狀態。

由於本發明可以透過燃燒間接傳熱暨自熱式重組反應氧化放熱，加速重組觸媒快速產生重組反應，又因於自熱式重組觸媒暨蒸氣重組觸媒出口，各佈置一層氧化型觸媒，使得燃料進料中大部份氧氣於重組反應區即被消耗掉，而未反應之氧氣也會與重組反應產生之氫氣或一氧化碳，在含有貴金屬之前端WGS觸媒發生氧化反應除去，由於含有貴金屬之WGS觸媒活性比較不會因接觸氧氣而下降，如此一來即可免除殘氧造成WGS觸媒活性劣化的問題。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

100．．．燃料重組裝置

110．．．自熱重組反應器

112．．．進料口

120．．．蒸氣重組反應器

131/132．．．除氧反應器

135．．．管道

140．．．加熱單元

142．．．熱管

150．．．燃料進料

152．．．第一重組氣

154．．．第二重組氣

200．．．氫氣產生裝置

210．．．重組反應單元

110．．．自熱重組反應器/自熱重組觸媒

120．．．蒸氣重組反應器/蒸氣重組觸媒

131/132．．．除氧反應器/除氧觸媒

140．．．加熱單元/燃燒器

156．．．重組氣體

260．．．水移轉反應單元

270．．．選擇性氧化反應單元

280．．．燃料電池

282．．．第一輸出氣

284．．．第二輸出氣

300．．．燃料重組方法

步驟　310--370

圖一根據本發明一實施例之燃料重組裝置的結構示意圖。

圖二根據本發明另一實施例之氫氣產生裝置的方塊示意圖。

圖三根據本發明又一實施例之用於燃料電池的燃料重組方法的流程示意圖。

圖四以天然氣作為燃料之重組氣的氫氣及一氧化碳濃度與重組反應單元啟用時間的量測數據圖。

100．．．燃料重組裝置

110．．．自熱重組反應器

112．．．進料口

120．．．蒸氣重組反應器

131/132．．．除氧反應器

135．．．管道

140．．．加熱單元

142．．．熱管

150．．．燃料進料

152．．．第一重組氣

154．．．第二重組氣

Claims (18)

1. 一種燃料重組裝置，其包括：一自熱重組反應器，用以對一燃料進料(fuel supply)進行自熱重組反應，而形成一第一重組氣(reformate)；一蒸氣重組反應器，用以對該燃料進料進行蒸氣重組反應，而形成一第二重組氣；及一加熱單元，用以加熱該燃料進料及該蒸氣重組反應器；其中，該燃料重組裝置的運轉初期係以自熱重組反應為主，以縮短該燃料重組裝置的催化重組反應時間，且在該燃料重組裝置的運轉穩定後則以蒸氣重組反應為主。
2. 如請求項1之燃料重組裝置，其中該燃料重組裝置係呈一圓柱狀，該自熱重組反應器設置於外圈，且該蒸氣重組反應器設置於中間層，該加熱單元設置於內圈中心，其中該加熱單元係包含一熱管，該熱管係包覆在該蒸氣重組反應器與該自熱重組反應器外。
3. 如請求項1或2之燃料重組裝置，其中部分的該燃料進料係先在該自熱重組反應器中進行自熱重組反應，另一部分未反應的該燃料進料會接著進入到該自熱重組反應器後的該蒸氣重組反應器中，以進行蒸氣重組反應。
4. 如請求項1或2之燃料重組裝置，更包括至少一除氧反應器，連接至該自熱重組或蒸氣重組反應器，用以去除該第一或第二重組氣中的氧氣。
5. 如請求項4之燃料重組裝置，包括二除氧反應器，其中該自熱重組反應器與該蒸氣重組反應器係由一管道相連接，其一之該除氧反應器設置於該自熱重組反應器與該蒸氣重組反應器之間，且另一之該除氧反應器設置於該蒸氣重組反應器相接於該管道的另一端。
6. 如請求項4之燃料重組裝置，其中該至少一除氧反應器主要係進行氧化反應，其中該至少一除氧反應器包括：一貴金屬觸媒，其含有鈀、銠、鉑、或至少二種的上述金屬的混合物；及一觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、或二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中，該至少一除氧反應器的反應溫度為100℃~500℃。
7. 如請求項1或2之燃料重組裝置，其中該自熱重組反應器包括：一貴金屬觸媒，其含有銠、鉑、或上述金屬的混合物；及一觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物；其中，該自熱重組反應溫度為300℃~800℃。
8. 如請求項1或2之燃料重組裝置，其中該蒸氣重組反應器包括：一貴金屬觸媒，其含有釕、銠、鉑、或至少二種的上述金屬的混合物；及一觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物燃料重組；其中，該蒸氣重組反應溫度為600℃~800℃。
9. 如請求項1或2之燃料重組裝置，其中該燃料進料包括：水、空氣、及燃料混和物，該燃料混和物包括天然氣、酒精、液化石油氣(LPG)、煤油、或柴油等化石燃料，或是厭氧反應產生之甲烷或生質能發酵產生之酒精等再生能源。
10. 如請求項1或2之燃料重組裝置，其中該加熱單元係以一燃燒器或以觸媒氧化放熱反應焚化至少該燃料進料來提供熱量。
11. 一種氫氣產生裝置，其包括：一燃料重組裝置，係為任一請求項1-10之燃料重組裝置；一水移轉反應單元，用以對該第一與第二重組氣中所含的一氧化碳，進行與水反應而轉換成氫氣及二氧化碳，而形成一第一輸出氣；及一選擇性氧化反應單元，用以對該第一輸出氣中所含的一氧化碳或氫進行選擇性的氧化反應，而形成一第二輸出氣。
12. 如請求項11之氫氣產生裝置，其中該加熱單元係以燃燒該燃料進料或一氧化碳濃度高於20 ppm的該第二輸出氣來提供熱量。
13. 如請求項11之氫氣產生裝置，其中該水移轉反應單元進一步包括：一貴金屬觸媒，其至少含有鉑、錸、或銅；及一觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、或上述氧化物的混合物； 其中，該水移轉反應溫度為250~450℃。
14. 如請求項11之氫氣產生裝置，其中該水移轉反應單元進一步包括：一卑金屬觸媒；及一觸媒載體，其含有銅鋅鋁氧化物或鐵鉻鋁氧化物；其中，該水移轉反應溫度為200℃~450℃。
15. 如請求項11之氫氣產生裝置，其中該選擇性氧化反應單元進一步包括：一貴金屬觸媒，其至少含有鉑或釕；及一觸媒載體，其含有氧化鋁、氧化鈰、二氧化鈰、氧化鋯、二氧化鋯、沸石氧化物、或上述氧化物的混合物；其中，該選擇性氧化反應溫度為100℃~200℃。
16. 如請求項11之氫氣產生裝置，其中該第二輸出氣所含的一氧化碳濃度小於20 ppm。
17. 一種用於燃料電池的燃料重組方法，其包括：提供一重組反應單元及一燃料進料，其中該重組反應單元包括：一自熱重組觸媒及一蒸氣重組觸媒；開啟一燃燒器，以加熱該重組反應單元及該燃料進料；當該自熱重組觸媒的入口溫度上升至90℃~200℃時，將該燃料進料通入該自熱重組觸媒，而產生第一重組氣；該燃料進料導入該蒸氣重組觸媒而產生第二重組氣；對該第一及第二重組氣進行水移轉反應及選擇性氧化反應而產生一輸出氣；若該輸出氣所含的一氧化碳 濃度低於20 ppm，將該輸出氣通入該燃料電池的陽極，否則通入該燃燒器；當該自熱重組觸媒的出口溫度上升至450℃~550℃時，降低該燃料進料的O₂ /C莫耳比值；及當燃燒尾氣流經自熱重組觸媒外側溫度上升至650℃~750℃時，則該燃料進料停止提供空氣，且該重組反應單元只有該蒸氣重組觸媒在進行作用。
18. 一種用於燃料電池的燃料重組方法，其包括：提供一重組反應單元及一燃料進料，其中該重組反應單元包括：一自熱重組觸媒及一蒸氣重組觸媒；開啟一燃燒器，以加熱該重組反應單元及該燃料進料；當該自熱重組觸媒的入口溫度上升至90℃~200℃時，將該燃料進料通入該自熱重組觸媒，而產生第一重組氣；該燃料進料導入該蒸氣重組觸媒而產生第二重組氣；對該第一及第二重組氣進行水移轉反應及選擇性氧化反應而產生一輸出氣；若該輸出氣所含的一氧化碳濃度低於20 ppm，將該輸出氣通入該燃料電池的陽極，否則通入該燃燒器；當該自熱重組觸媒的出口溫度上升至550℃~650℃時，降低該燃料進料的O₂ /C莫耳比值；及當燃燒尾氣流經自熱重組觸媒外側溫度上升至650℃~750℃時，則該燃料進料停止提供空氣，且該重組反應單元只有該蒸氣重組觸媒在進行作用。