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，本发明专利技术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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
燃料电池转化装置用水蒸汽传递装置
技术介绍
本专利技术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，本专利技术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。 专利技术概述本专利技术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，本专利技术提供一种用于从烃类燃料生产氢的发电设备的燃料处本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
US 2001-7-20 09/910,3071.一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...
【专利技术属性】
技术研发人员：SD伯奇，JR福尔特，MA布伦戴奇，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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