氢系统和启动氢系统的方法技术方案

一种氢系统（１０），包括重整器（１２），以及氢消耗器（４０），在重整器（１２）中重整蒸发烃燃料（５０）以产生包括氢的重整气（６２），重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气可送至氢消耗器，该氢消耗器在使用时至少消耗由重整器产生的部分氢，其中该氢系统还包括：－尾气燃烧器（３５），其布置为使得它流体连通氢消耗器和第一换热器（２１），当尾气燃烧器使用时，来自氢消耗器的尾气中的剩余重整气在其中燃烧，产生经过第一换热器的废气（５３）；至少一个空气泵（３０），其布置为使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，当所述至少一个空气泵使用时，其向所述重整器和尾气燃烧器供应空气，以及水泵（３１），其布置为使得它流体连通第一换热器和其后的重整器，当水泵使用时，它向第一换热器供水，其中尾气燃烧器的废气中所含热能用于产生蒸汽，该蒸汽送至重整器。

【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包括氢发生器和氢消耗器的氢系统，以及启动这样氢系统的方法。更具体地说，本专利技术涉及一种使用或不使用产生热能，都产生电能的装置和方法。本专利技术基于产生电能和/或热量的结合，其中氢消耗器可包括用来自于自热重整器的处理气体操作的高温PEM燃料电池，该重整器使用液态烃燃油、柴油、生物燃料或其他适合液态燃料的燃料。本专利技术可用作APU系统和/或热电联产。术语PEM燃料电池是指质子交换膜燃料电池，它使用氢燃料和优选来自空气的氧气，以产生电力。除了包括燃料电池，氢消耗器还可包括其他设备形式，如氨生产或需要氢和/或一氧化碳和/或二氧化碳的其他工艺设备。
技术介绍
当氢生成系统与燃料电池一起使用时，HT-PEM燃料电池比标准PEM燃料电池具有一些优点。将液态燃料重整为合成气/重整气的重整器与高温PEM燃料电池的组合优于现有技术的在低温下工作的燃料电池，因为高温PEM电池中的膜比PEM燃料电池中的膜更抗一氧化碳(CO)。与实际不耐CO、而需要引入去除该气体组分的严格措施的低温PEM电池相比，这是非常有利的。除了水移反应堆，这可为去除/氧化重整原料中CO的初始氧化(也称为SelOx，选择性氧化)，以防止CO破坏PEM燃料电池。这些措施难以控制，从而导致更高的成本(例如需要两个以上的催化剂)。已知PEM燃料电池系统的一个缺点是，由于它们有较高的操作温度，在其冷启动时从而需要更长时间来将燃料电池系统加温到它的操作温度。现有技术的已知HT-PEM燃料电池系统需要45分钟以上来加温，其在需要更短启动时间的许多应用中会成为严重的缺陷。本专利技术由此总的涉及一种方法，用于减少氢系统启动所需时间，特别是其氢消耗器包括燃料电池(尤其为HT-PEM燃料电池)的氢系统，并涉及适于实现更有效的启动过程这样的氢系统。该类型的燃料电池重整器从US2005/0095544A1中已知。该公开文本披露了启动重整器的一种方法。但是，该重整器仅为启动过程中需要加温的HT-PEM燃料电池系统的一部分，且该公开文本并未披露如何加快系统的其余部分的加温。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是向整个氢系统提供有效启动过程，且提供布置为使得可执行更快的启动过程(即到达氢系统操作温度所化时间)的氢系统。这根据如所附的独立权利要求1、16和18限定的本专利技术来实现。本专利技术进一步的实施方式由独立权利要求来限定。以下我们使用重整气一词来表示气体混合物，其主要包括氢，但还包括一定量的-->CO、CO2、N2和H2O。应该理解的是，重整气的来源是重整器中的重整处理，但当氢系统操作时，重整气在经过氢系统时，重整气的确切成分可变化。此外，当本申请提及氢时，在大多数情况下也会存在一定量的CO，尽管可能没有明确提及。提供了一种氢系统，包括重整器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产生含氢重整气，以及氢消耗器，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气可送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少部分氢，该氢系统还包括：-尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器的尾气中剩余的重整气，从而产生经过第一换热器的废气；-至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；-水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。氢消耗器可提供有旁路流体管线，使得重整气可绕过氢消耗器。如果氢消耗器的部件被重整气破坏的话，这是有用且必要的。如果氢消耗器包括其膜不耐一氧化碳CO的燃料电池的话，这可能成为事实。因此可能需要在启动阶段旁通重整气，直到燃料电池的温度达到膜耐受CO的温度。在启动过程中，在任何情况下都需要旁通至少一些重整气，并将它送至可发热的尾气燃烧器，使得系统的其余部分也可加温。对于氢消耗器的加热，旁路流体管线可提供有换热器和带加热-冷却回路的氢消耗器，其中加热-冷却回路优选布置成使得它流体连通换热器，从而在使用时，加热-冷却回路中流动的流体可与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。加热-冷却回路可用于在启动阶段加热氢消耗器，并在已达到系统操作温度并正以稳定方式工作时冷却氢消耗器。氢系统还可包括第三换热器，其布置成使得系统在使用时，来自尾气燃烧器的热能可用于加热从空气泵至重整器的气流，即送至重整器的空气可通过使用尾气燃烧器中产生的热能被预热。在本专利技术一实施方式中，氢系统还包括第二换热器，在使用时来自重整器的重整气和来自第一换热器的蒸汽和/或来自空气泵的空气流动通过第二换热器，使得重整气流中所含的热能可用于加热蒸汽和/或空气流，从而降低重整气的温度。在第一换热器中产生的蒸汽优选与空气在经过第二换热器之前混合，但可经分离的流体管线将蒸汽和空气送过第二换热器，并进一步抵达重整器。在另一实施方式中，氢系统还包括水移反应堆，在使用时，重整气流流动通过水移反应堆，从而重整器中产生的一氧化碳用于产生氢和二氧化碳。如果氢消耗器包括具有对重整气中高CO含量敏感的膜的燃料电池，就会需要这种水移反应堆。重整器本身优选提供有蒸发烃燃料与空气和/或蒸汽发生混合的混合空间，以及提供有重整处理发生的重整空间。混合空间包括蒸发液态烃燃料的蒸发器，供应空气和蒸汽的联合入口或分离入口，以及在氢系统加温期间点燃烃蒸汽与空气的混合物的电热塞。在经蒸发器而被送入重整器之前，液态烃燃料可在必要时经过脱硫设备而脱硫。这样的设备是商业上可用设备，在此不作进一步解释。重整处理发生在包括催化剂和重整器产物出口的重整空间中。重整器的重整空间和混合空间可形成为之间设置成流体连通的分离部分或单元，-->或重整器可包括单个隔间，其中重整空间位于一端，且混合空间在另一端。在本专利技术的又一实施方式中，第二换热器提供有向蒸汽供应附加的水的入口。向蒸汽添加水会导致经过第二换热器的重整气温度的进一步降低，也将产生更多注入重整器的蒸汽。在本专利技术的又一实施方式中，氢消耗器包括带阳极侧和阴极侧的燃料电池，该阳极侧包括流体入口和流体出口，该阴极侧包括流体入口和流体出口，该燃料电池使用至少一些产生的氢来产生电能。氢系统还包括连接阴极流体入口和风扇的流体管线，其中风扇向燃料电池阴极侧的流体入口提供空气。为了在空气进入阴极流体入口之前对其进行加温，通过提供冷空气和阴极热气体经其流动并交换热能的换热器，退出阴极流体出口的气体可用于在空气送至阴极流体入口之前对其进行加热。在本专利技术的又一实施方式中，氢系统包括第四换热器，来自水移反应堆的产物和来自燃料电池阴极侧的产物经过第四换热器，使得来自水移反应堆的产物在进入燃料电池阳极侧之前被来自燃料电池阴极侧的产物冷却。在经过进一步连接尾气燃烧器的第四换热器后，来自燃料电池阴极侧的产物可传送到尾气燃烧器。作为以上的替代，氢系统的又一实施方式包括如上的第四换热器，但其进一步布置成使得它流体连通流至重整器的蒸汽空气混合物，使得来自燃料电池阴极侧的产物可传送到重整器。来自燃料电池阴极侧的产物包括蒸汽和空气，使用该布置需要供应较少的空气和来自第一换热器的蒸汽。在本专利技术的又一实施方式中，燃料电池为HT-PEM燃料电池。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢系统，包括重整器，以及氢消耗器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产生含氢重整气，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气能送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少部分氢；其特征在于，该氢系统还包括：－尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器尾气中剩余的重整气，从而产生经过第一换热器的废气；－至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；以及－水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-4-13 60/911,5291.一种氢系统，包括重整器，以及氢消耗器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产生含氢重整气，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使得重整气能送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少部分氢；其特征在于，该氢系统还包括：-尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器尾气中剩余的重整气，从而产生经过第一换热器的废气；-至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器，所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；以及-水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。2.如权利要求1所述的氢系统，其特征在于：氢消耗器提供有旁路流体管线，使得重整气能绕过氢消耗器。3.如权利要求2所述的氢系统，其特征在于：旁路流体管线提供有换热器，且氢消耗器提供有加热-冷却回路，加热-冷却回路布置成使得它流体连通换热器，从而在使用时，加热-冷却回路中流动的流体能与旁路流体管线中流动的重整气交换热能。4.如权利要求1-3之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括第三换热器，其布置成使得在使用时，来自尾气燃烧器的热能能用于加热从空气泵至重整器的气流。5.如权利要求1-4之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括第二换热器，在使用时来自重整器的重整气和来自第一换热器的蒸汽和/或来自空气泵的空气流动通过第二换热器，使得重整气流中所含的热能能用于加热蒸汽和/或空气流，从而降低重整气的温度。6.如权利要求1-5之一所述的氢系统，其特征在于：氢系统还包括水移反应堆，在使用时，重整气流动通过水移反应堆，从而重整器中产生的一氧化碳用于产生氢和二氧化碳。7.如权利要求1-6之一所述的氢系统，其特征在于：重整器提供有蒸发烃燃料与空气和/或蒸汽发生混合的混合空间，以及重整处理发生的重整空间。8.如权利要求7所述的氢系统，其特征在于：混合空间包括用于蒸发液态烃燃料的蒸发器，用于供应空气和蒸汽的联合入口或分离入口，以及用于在氢系统加温期间点燃烃蒸汽与空气的混合物的电热塞。9.如权利要求1-8之一所述的氢系统，其特征在于：重整空间包括催化剂和用于重整器产物的出口。10.如权利要求5-9之一所述的氢系统，其特征在于：第二换热器提供有向蒸汽供应附加水的入口。11.如权利要求1-10之一所述的氢系统，其特征在于：氢消耗器包括带阳极侧和阴极侧的燃料电池，该阳极侧包括流体入口和流体出口，该阴极侧包括流体入口和流体出口，该燃料电池使用至少一些产生的氢来产生电能。12.如权利要求11所述的氢系统，其特征在于：氢系统包括流体管线和向燃料电池的阴极侧的流体入口提供空气的风扇。13.如权利要求11或12所述的氢系统，其特征在于：氢系统包括第四换热器，来自水移反应堆的产物和来自燃料电池的阴极侧的产物经过第四换热器，使得来自水移反应堆的产物在进入燃料电池的阳极侧之前被来自燃料电池的阴极侧的产物冷却。14.如权利要求13所述的氢系统，其特征在于：第四换热器进一步连接尾气燃烧器，使得来自燃料电池的阴极侧的产物传送到尾气燃烧器。15.如权利要求13所述的氢系统，其特征在于：第四换热器进一步布置成使得它流体连通流至重整器的蒸汽和空气混合物，使得来自燃料电池的阴极侧的产物传送到重整器。16.如权利要求11-15之一所述的氢系统，其特征在于：燃料电池为HT-PEM燃料电池。17.包括外壳的尾气燃烧器，该外壳带有用于空气和可燃尾气的至少一个入口，以及用于尾气燃烧器的废气的出口，其特征在于：尾气燃烧器提供有用于点燃可燃尾气的电热塞。18.如权利要求17所述的尾气燃烧器，其特征在于：尾气燃烧器提供有催化剂。19.启动氢系统的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：K卢卡，S科恩，R鲁克，S鲍尔，A克劳斯曼，R沃伦韦伯，
申请(专利权)人：能量转换科技公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]