具有氢气缓冲的燃料电池燃料处理器制造技术

一种燃料电池系统，包括产生在燃料电池中使用的氢的烃燃料处理器。系统还包括存储燃料处理器所产生一部分氢的氢缓冲器。然后可在系统启动期间，或者当燃料处理器输出临时低于燃料电池运行要求所需要的量时，以多种方法例如供应到燃料电池而使用此存储的氢。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种燃料电池系统，其组合用于产生在燃料电池中使用的 氢的烃燃料处理器。尤其是，本专利技术改进了这种系统的启动和瞬态特性，所述系统特别是净皮i殳计用于受限空间例如"车载"交通工具的系统。技术背景可在燃料处理器例如蒸汽重整器、部分氧化反应器或者自热重整器中 从烃制备氢，并且已经提出了组合这些烃燃料处理器的燃料电池系统。在蒸汽重整的情况下，蒸汽与含烃原料反应产生富氯合成气体。以曱 烷为例，通常的化学计量为CH4 + H20 — CO + 3H2 (1)通常，使用过量的蒸汽以使平衡向右移动.当用于氢制造时，过量蒸 汽同样能增加水气变换反应CO + H20 —C02 + H2 (2)因为反应的高吸热性，蒸汽重整通常在催化剂填充的管中进行，这些 管位于所占空间体积远大于管体积的炉中。这种常规蒸汽重整器的大尺寸 为限制其在受限空间燃料电池例如车载交通车辆中使用的一个因素，气相部分氧化烃以产生氢包括向燃烧炉中供给烃和不足化学计量的 氧，在燃烧炉中其燃烧产生合成气体混合物。以曱烷为例，理想气体相部 分氧化反应为CH4 + 1/2H20 — CO + 2H2 (3 )然而，气相反应动力学趋向于过氧化一些原料，导致产生过热和大量的 H20、 C02、未反应的烃和煤烟。由于这些原因，当气相部分氧化化学作用施加至清洁原料时，优选向原料中加入蒸汽并向气相部分氧化反应器容 器中加入蒸汽重整催化剂床。气相部分氧化和蒸汽重整的结合称作自热重 整。在自热重整过程中采用氧源例如空气，其产生使气体更不适合用于受 限空间中的燃料电池的氮稀释合成气体。Sederquist (美国专利4,200,682、 4,240,805、 4,293,315、 4，642，272和 4，816，353)公开了一种蒸汽重整过程，其中通过在循环的燃烧和重整阶段 之间循环在催化剂床中产生重整热。如Sederquist所述，重整床中高质量的热量回收产生约97%的理论效 率。然而，这些专利描述了一个在极^f氐生产率下运行的过程，而空速约为 100hr"(按d等价物料)。另夕卜，此过程要求压缩机将产物合成气体压缩 至高压。Sederquist低空速的一个后果为导致高热损失，这限制了该技术 实现理论高效率的能力。在2004年1月13日提交的美国专利申请10/756,647中描述了一种燃 料电池系统，这种系统结合了从含烃燃料制备氢的高效和高产出过程，称 作"变压重整"或者"PSR"，该专利在此引用作为参考。在2003年6月 10曰提交的公开美国专利申请2003/0235529中描述了 PSR，其也在此引 用作为参考。PSR为循环的两步过程，其中在第一重整步骤中，将含烃原料和蒸汽 一起iliX含重蒼維化剂的第一区入口。在重整步骤中，沿重整催化剂的温度梯度的峰值温度从大约700x:到2000x:。在引入反应物时，烃在第一区中重整为合成气体，可以以较高的压力进行此重整步骤。合成气体然后从 第一区送至笫二区，在第二区通过将其热量传送至第二再生区中的填充材 料而冷却气体。当气体引入第二区入口时再生步骤开始.通过回收区的填料中的积存 热量加热该气体。另外，含氧气体和燃料在两个区的交界面附近燃烧，产 生一种经过整个第一区的热烟道气体，因此再加热所述区至足够高的温度 以重整原料， 一旦完成再生热量，则循环即完成，并且再次开始重整， 因为PSR在紧凑空间内产生较高压力氩的效率以及和其它氢制备方 法相比反应成本较低，因此将PSR集成在燃料电池系统中特别有利。容易理解，在包括用于对燃料电池加燃料而将烃燃料转化为氢的燃料 电池系统中组合任何燃料处理方案，会产生与启动和瞬态特性相关的问题。 清楚的是，所期望的为快速启动重整器以及为燃料电,供足够氢以执行 快速瞬变的能力。本专利技术旨在满足这些需要。因此，本专利技术的 一个目标在于提供一种能够以快速启动的方式向燃料 电池供应氢燃料的燃料电池系统。另一个目标在于提供一种組合烃燃料处理器的燃料电池系统，所述燃料处理器允许燃料电池系统快速瞬变。从这里的公开内容可清楚本专利技术的这些及其它目标。
技术实现思路
简单而言，提供一种燃料电池系统，包括 燃料电池；制备用于燃料电池的氢的烃燃料处理器；以及氢緩沖器，其存储在燃料处理器中制备的氢的一部分，所述一部分氢 在系统启动期间、或者在燃料电池系统运行中当燃料电池需要时供系统使 用。在优选实施例中，烃燃料处理器为PSR处理器，系统的尺寸适于在受 限空间例如车栽交通工具中应用.附图说明图l是本专利技术燃料电池燃料处理器系统的示意图；图2a和2b描述了变压重整的基本两步循环；图3是采用双床岡门系统的变压重整示意图；图4是对本专利技术燃料电池采用变压重整的工艺流程设计示意图；图5是包括氩緩沖器的、采用变压重整、变换反应和氢分离的本专利技术 系统的示意图；图6是描^L各种初始维持燃料电池功率输出下用于燃料过程的启动 时间的示图；以及图7和8为描述专利技术操作原理的示图。具体实施方式在图1中以燃料处理器中制备的富氢气体的最佳处理顺序示意性描述 本专利技术的组合烃燃料处理器并包括氬緩沖器的燃料电池系统。如所示出， 系统包括燃料处理器1，用于通过使烃燃料与蒸汽、含氧气体或者其混合 物反应而将烃燃料转化为富氢气体。通常，燃料处理器1是包含合适固相 蒸汽重，^:剂的蒸汽重整器。系统可以包括处理来自处理器1的富氢气 体的装置。因为处理可以包括化学反应例如水-气变换反应，或者物理处理 例如温度和压力，或者两种反应都包括，所以如图l所示，化学装置为产 物处理反应器2，物理装置为产物处理反应器3.产物处理反应器2可以是 多级水气变M应器，而产物处理反应器3可包括例如热交换器网。无论 是否处理，富氢气体被送至分离器以去除氢以外的气体，并提供几乎纯氢 气的气流，例如大于95%。分离设备4可以是本领域已知的从混合气体分 离氬的合适设备，例如膜分离设备或者变压吸附设备。至少一部分来自分 离设备4的富氢气体被导向氬緩冲器5以存储在那里并且随后用做燃料电 池6的原料。存储在緩沖器5中的氢可被物理吸附在緩冲器5中的固体上， 或者例如作为气体或液体存储在其中.因为优选以容易获得的形式存储氢， 所以优选将氬存储为高压气体。当然在运行中，将空气连同氩供应至燃料 电池6。分离器4发出的净4匕气流可选地送至燃烧炉7以提取热量，其在 燃料处理器系统中可用于提高处理器1热效率。将存储氢的緩冲器5的尺寸设置为在燃料处理器启动阶段向燃料电池 提供气体。可选地，緩冲器5发出的氢还可用做加热燃料处理器的燃料。 另外，存储在緩冲器5中的氢可用于调整燃料处理器1的氩供应以及燃料 电池6的需求。緩冲器的尺寸取决于期望存储在緩冲器中的氢量以及存储氢的压力。 当燃料重整器还未产生氢时，緩冲器在启动时可用于向燃料电池堆提供氢。 另外，緩冲器可向燃料重整器提供作为燃料的氢，以燃烧和加热燃料处理 器成分和催化剂。緩冲器的另 一个可选用途为当燃料电池对氢的需求和燃 料重整器对氢的供应不匹配时，调整向燃料电池供应氲的量。当在处理器产生氢之前使用緩冲器向PEM燃料电M供氢、同时启 动燃料处理器时，緩沖器的尺寸为足以满足PEM燃料电池在燃料处理器 启动时的氢需求的尺寸。对于在压力(Pb, atm)下将氢存储为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　　　　燃料电池；　　　　烃燃料处理器，其制备用于燃料电池中的氢；以及　　　　氢缓冲器，其存储在所述燃料处理器中制备的氢的一部分，所述一部分氢在系统启动期间、或者在系统运行中当燃料电池需要时供系统使用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ贝尔洛维茨，R阿格尼霍特里，F赫什科维茨，NS拉多斯，JW弗雷德里克，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]