[發明專利]燃料處理器及其運行方法和具有該處理器的燃料電池系統

有效

• 申請號: 200710001793.9
• 申請日: 2007-01-16
• 公開（公告）號: CN101079491A
• 公開（公告）日: 2007-11-28
• 發明（設計）人: 李弦哲;金純澔;李斗煥;李康熙
• 申請（專利權）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06;H01M8/04;H01M8/00
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 陶鳳波

技術領域

本發明涉及一種燃料處理器，其包括利用氣體燃料或液體燃料產生用于燃料電池的氫的重整器、用于降低由重整器產生的副產品的CO的濃度的轉換反應器、及優選氧化(PROX)反應器。更具體地說，涉及一種具有用于重整器的可移動燃燒器的燃料處理器。本發明還涉及這種燃料處理器的運行方法和具有這種燃料處理器的燃料電池系統。

背景技術

燃料電池是一種通過氧和包含在如甲醇、乙醇或天然氣之類的烴類材料中的氫之間的化學反應將化學能直接轉化成電能的發電系統。

燃料電池系統包括作為主要部件的燃料電池堆和燃料處理器，以及作為輔助部件的燃料箱和燃料泵。燃料電池堆具有由幾個到幾十個單元電池疊置的結構，其中，每一單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔板。

燃料處理器通過重整燃料產生氫，并將所產生的氫供給燃料電池堆。在燃料電池堆中，氫與氧發生電化學反應以產生電能。燃料處理器利用催化劑對碳氫化合物進行重整。若碳氫化合物含有硫的化合物，催化劑很容易因為硫的化合物而中毒。因此，在燃料處理器中對碳氫化合物進行處理之前，需要從碳氫化合物中除去硫的化合物。據此，在碳氫化合物被送入燃料處理器之前，應對碳氫化合物進行脫硫處理。

對碳氫化合物進行重整時產生氫，同時也產生二氧化碳和少量一氧化碳(CO)。而CO可使燃料電池堆中電極的催化劑層的催化劑中毒。因此，在將燃料供給燃料電池堆前必需使重整后的燃料經過去除CO的工藝處理。可將供給燃料電池堆的燃料中的CO含量減少到低于10ppm。

通常，可利用高溫轉換反應(shift?reaction)和低溫轉換反應根據反應式1去除CO。

[反應1]

CO+H₂O→CO₂+H₂

高溫轉換反應在400至500℃的溫度下進行，而低溫轉換反應在200至300℃下進行。但是，雖然燃料經過了這些轉換反應，燃料中的CO濃度仍保持在約5000ppm的水平。

為了將CO的濃度降低到10ppm的水平，可利用PROX{優選氧化(preferential?oxidation)}反應(反應2)和甲烷反應(反應3)。

[反應2]

CO+1/2O₂→CO₂

[反應3]

CO+3H₂→CH₄+H₂O

圖1示出了包括燃料處理器的傳統燃料電池系統的配置。

參考圖1，在使用氣體燃料的燃料電池系統中，氣體燃料從氣體燃料箱10被供給重整器40和重整器燃燒器30。由于城市煤氣中含硫，進入重整器40的如城市煤氣之類的氣體燃料需要脫硫器14以便脫硫。經過脫硫器14的城市煤氣的含硫量應低于10ppm。

重整器燃燒器30加熱重整器40，以將重整器40維持在約750℃的溫度。由重整器燃燒器30燃燒的氣體通過第一和第二熱交換器71和72被排放到外側。

液體泵22將來自水箱20的水供給重整器40。由液體泵22供給重整器40的水經過第一和第二熱交換器71和72時預熱。

在重整器40中，隨著氫一道產生一氧化碳。轉換反應器60將產生的燃料中的CO濃度降低到預定水平，例如，降到5000ppm或更低，而且燃料中的CO濃度在PROX反應器65處被降到低于10ppm，然后將經過PROX反應器65的燃料供給燃料電池堆50。

重整器燃燒器30對重整器40進行加熱，同時利用燃燒氣體使轉換反應器60的溫度保持在預定溫度，例如，保持在250℃。重整器燃燒器30加熱燃燒室的內部空間(見圖2)和連結在燃燒室表面上的重整器。通常，重整器燃燒器30被固定于燃燒室處。

但是，當供給燃料電池堆50的氫量增加時，由于重整器40中負載增加，重整器40的溫度降低。因此，為了保持重整器40的溫度處于預定溫度，使供給重整器燃燒器30的燃料量增加。重整器燃燒器30中的燃料量的增加使火焰范圍增大，而火焰范圍增大可能損壞燃燒室。同時，供給重整器燃燒器30的燃料量的增加可能導致燃燒室內燃燒效率降低。

此外，若供給燃料電池堆50的氫量減少，則重整器燃燒器30的負載減小。據此，供給重整器燃燒器30的燃料量減少。然而，若重整器燃燒器30在燃燒室中的位置不是最合適的話，不能有效地將熱量傳給重整器催化劑，由此可降低燃燒室內的燃燒效率。

發明內容