燃料电池系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统及其运行方法。该燃料电池系统包括一氧化碳吸附设备，其被设置在转换反应器出口处并去除转换反应器中未完全去除的一氧化碳，因此，这种燃料电池系统的起动时间可减少，燃料电池电极的催化剂不会中毒。由于一氧化碳吸附设备仅在起动过程中工作，因此可以减小燃料电池系统的体积，借此燃料电池系统的制造和运行都很经济。另外，一氧化碳吸附剂还可再生，由此可提高这种燃料电池系统的经济效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池系统及其运行方法，尤其涉及一种不使电极的催化剂中毒并且起动时间显著缩短的燃料电池系统及运行该燃料电池系统的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将甲醇、乙醇或天然气之类的以碳氢化合物为基的材料中含有的氢和氧之间发生化学反应得到的能量直接转化为电能的能量生成系统。燃料电池系统包括作为主部件的燃料电池堆和燃料处理器(FP)，此外还包括作为辅助部件(sub-elements)的燃料罐、燃料泵等。堆叠体(stack)形成燃料电池的主体，并且包括含薄膜电极组件(MEA)和隔板的一些单元电池的多层。燃料泵将燃料罐中存储的燃料供应到FP中。FP对这些燃料进行重整和纯化从而生成氢，并将生成的氢供应给燃料电池堆。在燃料电池堆中，被提供的氢和氧发生电化学反应，从而产生电能。在FP中，利用催化剂对碳氢化合物进行重整。如果碳氢化合物包括硫化物，则催化剂很容易因硫化物而中毒。于是，必须在将碳氢化合物供应给FP前去除硫化物。因此，在重整工序之前进行脱硫工序(参见图1)。当对碳氢化合物进行重整时不仅生成氢还生成二氧化碳和少量一氧化碳。不管怎样，不应将经重整的燃料直接供应给燃料电池堆。由于一氧化碳将使用于燃料电池堆的电极的催化剂中毒，因此必须进行转换(shift)工序，以去除一氧化碳。优选使一氧化碳的浓度小于5000ppm。在下面的反应式1至3中描述的如转换反应、甲烷化反应以及PROX之类的反应可用来去除一氧化碳(CO)。反应式1CO+H2O→CO2+H2-->反应式2CO+3H2→CH4+H2O反应式3CO+1/2O2→CO2转换反应器(shift reactor)的温度必须达150℃或更高，以将一氧化碳浓度降到低于5000ppm。可是，使转换反应器的温度升高到期望的温度需要花费大概一个小时。在燃料电池系统中，使用电能之前一个小时的等候是不利的，由此需要缩短等候时间。可是，还没有关于具有足够低的一氧化碳浓度且能快速起动的燃料电池系统的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有短起动时间的燃料电池系统，其中电极的催化剂不会因一氧化碳而中毒。本专利技术还提供一种燃料电池系统的高效运行方法。根据本专利技术的一方面，提供一种燃料电池系统，其包括：包括重整器和转换反应器的燃料处理器；燃料电池堆；内部装有一氧化碳吸附剂的一氧化碳吸附设备；将来自转换反应器的一氧化碳富气选择性地供应给一氧化碳吸附设备的第一供应单元；将从一氧化碳吸附设备得到的一氧化碳贫气可选择地供应给燃料电池堆的第二供应单元；以及将从转换反应器得到的一氧化碳贫气可选择地直接供应给燃料电池堆的第三供应单元。该燃料电池系统还可以包括：将解吸气体(desorption gas)可选择地供应给一氧化碳吸附设备的第四供应单元；以及选择性地排出来自一氧化碳吸附设备中的一氧化碳吸附剂的被吸附一氧化碳气体(desorbed carbonmonoxide gas)的第一排放单元。根据本专利技术的另一方面，提供一种运行上面所描述的燃料电池系统的方法，包括起动运行和稳定状态运行，起动运行包括将来自转换反应器的一氧化碳富气通过第一供应单元供应给一氧化碳吸附设备、将从一氧化碳吸附设备得到的一氧化碳贫气通过第二供应单元供应给燃料电池堆、以及中断第三供应单元；稳定状态运行包括当转换反应器出口温度为150℃或更高时中断第一和第二供应单元并利用第三供应单元将从转换反应器得到的-->一氧化碳贫气供应给燃料电池堆。另外，上面所描述的燃料电池系统还包括：将解吸气体供应给一氧化碳吸附设备的第四供应单元；以及能选择性地排出来自一氧化碳吸附设备中的一氧化碳吸附剂的被吸附一氧化碳气体的第一排放单元，并且该燃料电池系统的方法还包括：通过第四供应单元将解吸气体供应给一氧化碳吸附设备而再生一氧化碳吸附剂；以及通过第一排放单元排出来自一氧化碳吸附设备中的一氧化碳吸附剂的被吸附一氧化碳气体。附图说明通过结合附图详细描述本专利技术的一些示例性实施方式，本专利技术的上述和其它特征以及优点将变得更加清晰。附图中图1是传统的燃料电池系统的流程图；图2是本专利技术一实施方式的燃料电池系统的流程图；图3A和3B是本专利技术一些实施方式的燃料电池系统的流程图；图4A至4C是本专利技术一实施方式的燃料电池系统的运行流程图；图5的曲线示出了一氧化碳吸附设备的试验结果。具体实施方式以下将参照附图对本专利技术进行更充分的描述。在传统的燃料电池系统中，对供应的燃料进行预处理的燃料处理器包括重整器和转换反应器。通常，直到系统起动后该燃料电池系统达到稳定运行状态时才开始进行下列工序。首先，将燃料气体供应给重整器，起动重整反应。在重整器出口处一氧化碳的浓度大约为10％。尽管将一氧化碳浓度高的燃料气体供应给转换反应器以除去一氧化碳，由于转换反应器的温度没有高到去除一氧化碳的程度，因此一氧化碳的浓度超过5000ppm。据此，从转换反应器排出的气体没有供应给燃料电池堆，而是清除到外部。使转换反应器的温度上升到足够高需要大约一个小时，借此转换反应器出口处的一氧化碳浓度降至低于5000ppm。同时，根据本专利技术一实施方式的燃料电池系统的燃料处理器还包括一氧化碳吸附设备。启动燃料电池系统时，经重整的燃料气体直接通过一氧-->化碳吸附设备，以从供应给燃料电池堆的燃料气体中除去一氧化碳(起动模式)。当转换反应器的温度足够高而可以在小于一定时间内去除一氧化碳时，燃料气体绕过一氧化碳吸附设备(稳定运行模式)。另外，当该燃料电池系统未运行或当处于用来准备下一次起动的稳定运行模式时，可以对一氧化碳吸附设备中的一氧化碳吸附剂进行再生处理(再生模式)。因此，本专利技术一实施方式的燃料电池系统的一氧化碳吸附设备的使用具有一些优点。可以显著缩短起动时间，通过仅在起动过程中使用一氧化碳吸附设备可以减少燃料电池系统的容量，于是，可以经济地制造燃料电池系统。另外，可以使一氧化碳吸附剂再生，由此降低了燃料电池系统的制造成本。下面对每一运行模式进行详细描述。起动模式起动燃料电池系统时，将来自转换反应器的一氧化碳富气供应给一氧化碳吸附设备，由于转换反应器的温度低，因此转换反应器不能充分去除一氧化碳。一氧化碳吸附设备将一氧化碳浓度降至低于5000ppm，并且将燃料气体输送到燃料电池堆。因此，在重整反应开始之后不用等候就可以立刻产生并使用电能。可是，由于一氧化碳吸附设备中填充的一氧化碳吸附剂的量受到燃料电池系统的体积、重量和经济效率的限制，因此燃料电池系统以起动模式继续运行并不是优选的。当转换反应器的温度高到足以去除一氧化碳时，就可使起动模式转换到稳定状态运行模式。稳定状态运行模式当以起动模式的方式开始运行之后转换反应器出口的温度150℃或更高并且转换反应器出口处的一氧化碳浓度低于5000ppm时，一氧化碳不需要通过一氧化碳吸附设备，于是，燃料绕过一氧化碳吸附设备被直接供应给燃料电池堆。再生模式当燃料电池系统重新起动时，重新使用一氧化碳吸附设备。可是，一氧化碳已被吸附在一氧化碳吸附设备中的吸附剂中，使得一氧化碳吸附效率降低。于是，需要使一氧化碳吸附剂再生。为使一氧化碳吸附剂再生，可使解吸气体通过一氧化碳吸附设备。被吸附于一氧化碳吸附设备中的一氧化碳通过解吸气体被吸附并被排出。在-->稳定状态运行过程中或在燃料电池系统停本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：燃料处理器，其包括重整器和转换反应器；燃料电池堆；一氧化碳吸附设备，其内装有一氧化碳吸附剂；第一供应单元，其将来自所述转换反应器的一氧化碳富气可选择地供应给所述一氧化碳吸附设备；　 　第二供应单元，其将来自所述一氧化碳吸附设备的一氧化碳贫气可选择地供应给所述燃料电池堆；以及第三供应单元，其将来自所述转换反应器的一氧化碳贫气可选择地直接供应给所述燃料电池堆。

【技术特征摘要】
KR 2005-8-2 70646/051.一种燃料电池系统，包括：燃料处理器，其包括重整器和转换反应器；燃料电池堆；一氧化碳吸附设备，其内装有一氧化碳吸附剂；第一供应单元，其将来自所述转换反应器的一氧化碳富气可选择地供应给所述一氧化碳吸附设备；第二供应单元，其将来自所述一氧化碳吸附设备的一氧化碳贫气可选择地供应给所述燃料电池堆；以及第三供应单元，其将来自所述转换反应器的一氧化碳贫气可选择地直接供应给所述燃料电池堆。2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括第一排放单元，其选择地排出来自所述一氧化碳吸附设备中的所述一氧化碳吸附剂的被吸附一氧化碳气体。3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，还包括第四供应单元，其将解吸气体供应给所述一氧化碳吸附设备。4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述重整器包括燃烧器，所述第一排放单元连接该燃烧器，并将含有吸附有一氧化碳的一氧化碳富气供应给该燃烧器。5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述一氧化碳吸附剂包括从由以下材料组成的组中选取的一种吸附剂：Pt、Pd、Ru、Re、Ir或它们的组合物；Mo、W、V、Cr、Ta或它们的碳化物；Mo、W、V、Cr或Ta的氮化物；分子筛5A、分子筛13X或随意支撑在Y-沸石上的卤化铜；以及随意支撑在Y-沸石上的Ag。6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括第二排放单元，其可选择地排出所述燃料电池堆中生成的气体。7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述第二排放单元连接所述重整器的所述燃烧器，并将所述燃料电池堆中产生的气体供应给所述燃烧器。8.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：金纯澔，李斗焕，李弦哲，朴恩德，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]