專利名稱：具有隔膜分離器的燃料處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料處理系統(tǒng)，且更具體而言涉及具有用于幫助進(jìn)行燃料重整的隔膜分離器的燃料處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池已被提出用于多種應(yīng)用，包括代替內(nèi)燃機(jī)的電動(dòng)車輛動(dòng)力設(shè)備，的動(dòng)力源。在質(zhì)子交換膜(PEM)型燃料電池中，氫氣被供應(yīng)至燃料電池的陽(yáng)極且氧氣作為氧化劑被供應(yīng)至燃料電池的陰極。質(zhì)子交換膜燃料電池包括膜電極組件(MEA)，所述膜電極組件包括薄的可傳送質(zhì)子的非導(dǎo)電性固體聚合物膜-電解質(zhì)，所述膜-電解質(zhì)具有在其一個(gè)面上的陽(yáng)極和在相對(duì)面上的陰極。膜電極組件被夾在一對(duì)導(dǎo)電元件之間，所述導(dǎo)電元件用作陽(yáng)極和陰極的集電器，且包含在其中的用于將燃料電池的氣體反應(yīng)物分配在相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極催化劑表面上的適當(dāng)?shù)耐ǖ篮?或孔。在共同轉(zhuǎn)讓給Swathirajan等的美國(guó)專利Nos.5,272,017和5,316,817中對(duì)一種典型的質(zhì)子交換膜燃料電池及其膜電極組件進(jìn)行了描述。多個(gè)單個(gè)燃料電池通常被層疊在一起以形成質(zhì)子交換膜燃料電池堆。
在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氫氣(H2)被實(shí)施作為陽(yáng)極反應(yīng)物且氧氣(O2)被實(shí)施作為陰極反應(yīng)物。氧氣可以純氧的形式或作為空氣(一種主要包括O2和N2的混合物)被供應(yīng)。對(duì)于車輛應(yīng)用，所希望的是使用液體燃料，例如甲醇、汽油、柴油等類似物，作為燃料電池的氫源。其它燃料包括乙醇和天然氣。這些燃料優(yōu)選用于車載儲(chǔ)存且用以供應(yīng)一些這種燃料的國(guó)內(nèi)和國(guó)際基礎(chǔ)設(shè)施中。然而，這些燃料必須進(jìn)行分解用以釋放其氫含量。分解反應(yīng)通常在自動(dòng)熱重整器中完成。常規(guī)的典型工藝是蒸汽/汽油重整器，其中汽油和水(蒸汽)理想地進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。也可能存在附加的組分例如一氧化碳。
燃料處理系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是已公知的。通常的燃料處理系統(tǒng)通過(guò)使用一系列重整器以將烴燃料變成含氫重整產(chǎn)物流而發(fā)揮作用。這些重整器傾向于較大且難以進(jìn)行封裝。因此，所希望的是提供用于提取氫氣的其它可選方式。
已公知的是可通過(guò)使用涂覆有鈀或鈀合金的隔膜從重整產(chǎn)物流中除去氫氣。然而，氫分離隔膜傾向于不能提供燃料電池所需的用以保持與內(nèi)燃機(jī)相匹敵的性能水平的氫氣流。
因此，存在對(duì)具有減小的部件尺寸和不限制性能的氫分離裝置的燃料處理系統(tǒng)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種與燃料處理系統(tǒng)一起使用的隔膜。所述燃料處理系統(tǒng)使用反應(yīng)器以將烴燃料重整成含氫重整產(chǎn)物流。所述重整產(chǎn)物流流動(dòng)通過(guò)隔膜分離器用以除去分解出的氫氣。當(dāng)前消耗了氫的剩余重整產(chǎn)物流動(dòng)通過(guò)重整系統(tǒng)，所述重整系統(tǒng)進(jìn)一步從重整產(chǎn)物流中分解出氫氣。隔膜分離器允許減小重整系統(tǒng)的尺寸。從CO減少和清除系統(tǒng)上游的重整產(chǎn)物流中的氫氣去除足以在這種下游系統(tǒng)中將更大量的重整產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成氫氣。這種隔膜分離器和重整系統(tǒng)二者結(jié)合以將氫氣分離出重整產(chǎn)物流的情況允許性能有所改進(jìn)。


從詳細(xì)描述和附圖中將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是采用了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的隔膜分離器的燃料處理系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明原理的隔膜分離器的透視示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明原理的隔膜分離器的透視示意圖；圖4是采用了根據(jù)本發(fā)明原理的與水-氣轉(zhuǎn)換重整器結(jié)合成一體的隔膜分離器的另一種可選燃料處理系統(tǒng)的示意圖；圖5是采用了根據(jù)本發(fā)明原理的與初級(jí)反應(yīng)器結(jié)合成一體的隔膜分離器的第二種可選燃料處理系統(tǒng)的示意圖；圖6是采用了根據(jù)本發(fā)明原理的隔膜分離器的燃料處理系統(tǒng)的細(xì)節(jié)示意圖；和圖7是根據(jù)圖6所示的燃料電池系統(tǒng)而使用的輸水裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下列對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述本質(zhì)上僅是示例性的，且絕不是旨在限制本發(fā)明及其應(yīng)用或使用。
本發(fā)明針對(duì)一種燃料電池系統(tǒng)10，包括燃料處理系統(tǒng)12和燃料電池堆14?，F(xiàn)在將對(duì)燃料電池系統(tǒng)10進(jìn)行描述，如圖1-圖6所示，其中共有的附圖標(biāo)記被用以表示相同或相似的元件?？偟膩?lái)說(shuō)，燃料處理系統(tǒng)12包括自動(dòng)熱重整器16、隔膜分離器18、CO減少和清除部分20和燃燒器系統(tǒng)22。正如下面更詳細(xì)地討論的，燃料處理系統(tǒng)12作用以吸入燃料、空氣和水，從而產(chǎn)生含氫氣體。含氫氣體隨后用于燃料電池堆14中以便產(chǎn)生電流，正如本領(lǐng)域中已公知的。
現(xiàn)在參見圖1，自動(dòng)熱重整器16包括初級(jí)反應(yīng)器24。初級(jí)反應(yīng)器24具有三個(gè)入口26、28和30。初級(jí)反應(yīng)器24分別通過(guò)入口26、28和30接收燃料、空氣和水。初級(jí)反應(yīng)器24為任何能夠?qū)θ剂线M(jìn)行化學(xué)重整，例如蒸汽重整、部分氧化或自動(dòng)熱重整，且能夠輸出重整產(chǎn)物中的氫氣的類型。初級(jí)反應(yīng)器24與隔膜分離器18流體連通用以將含氫重整產(chǎn)物流從自動(dòng)熱重整器16輸運(yùn)至隔膜分離器18。
隔膜分離器18與CO減少和清除部分20流體連通用以輸運(yùn)重整產(chǎn)物，且隔膜分離器18與燃料電池堆14流體連通用以傳送純氫或氫氣-吹掃物混合物。
通常情況下，隔膜分離器18提供用于通過(guò)選擇性地允許氫滲透通過(guò)隔膜而從氣體混合物中除去氫氣的機(jī)構(gòu)。在授權(quán)給Edlund的美國(guó)專利No.6,152,995中對(duì)可用于該目的的典型的隔膜分離器進(jìn)行了描述。隔膜分離器18受到所需組分在隔膜的進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的分壓差的驅(qū)動(dòng)。所需組分流是從高壓進(jìn)料側(cè)到壓力較低的滲透?jìng)?cè)的。在存在鈀或鈀合金膜的情況下，氫選擇性地可滲透通過(guò)致密的金屬隔膜?？赏ㄟ^(guò)增加進(jìn)料側(cè)的氫分壓、降低滲透?jìng)?cè)的氫分壓或減小金屬隔膜的厚度而增加通過(guò)隔膜的氫的流量或流速。隔膜厚度上的限制由通過(guò)隔膜中的孔的可接受的漏泄率決定。這些孔減小了允許所有組分無(wú)選擇性地通過(guò)的隔膜的選擇性。隔膜分離器18中包含的膜材料是氫可滲透的材料例如鈀或鈀合金。合金包括，但不限于，鈀-銀或鈀-銅。
可想到隔膜分離器18的任何構(gòu)型是可使用的。兩種用于隔膜分離器18和18′的可能構(gòu)型為圖2所示的管殼構(gòu)型和圖3所示的板狀構(gòu)型。
簡(jiǎn)要地參見圖2，圖中示出了隔膜分離器18的管殼構(gòu)型，其中管狀構(gòu)型包括多條被封入殼體34中的管道32。管道32由鈀、鈀合金或支承材料上的鈀層制成。所述支承材料可以是，但不限于，多微孔陶瓷、金屬支承物或它們的組合。管道32上的鈀或鈀合金層的厚度小于10微米。鈀或鈀合金層還可被涂覆在支承管道的內(nèi)部。來(lái)自自動(dòng)熱重整器16的重整產(chǎn)物通過(guò)管道32或在殼體34上通過(guò)而流動(dòng)通過(guò)隔膜分離器18。所述流動(dòng)可以是交叉流動(dòng)、反向流動(dòng)或同向流動(dòng)。含鈀管道32對(duì)于重整產(chǎn)物流中的非氫組分是不可滲透的。然而，氫氣在鈀中分解。滲透?jìng)?cè)具有較低的氫分壓且因此氫原子將自然地?cái)U(kuò)散通過(guò)隔膜且在低氫分壓側(cè)上重新結(jié)合，所述低氫分壓側(cè)為滲透?jìng)?cè)。吹掃流可在隔膜的滲透?jìng)?cè)上流動(dòng)以從重整產(chǎn)物流中除去氫氣。吹掃流通過(guò)具有比重整產(chǎn)物流更低的氫分壓而實(shí)現(xiàn)該除去氫氣的目的。氫氣流受到進(jìn)料側(cè)和滲透?jìng)?cè)之間的氫分壓差的驅(qū)動(dòng)。吹掃流可通過(guò)進(jìn)一步降低滲透?jìng)?cè)上的氫分壓而增強(qiáng)滲透性能。因此，吹掃流將氫氣從重整產(chǎn)物流中提取出來(lái)，留下與CO減少和清除部分20流體連通的貧氫重整產(chǎn)物流和與燃料電池堆14流體連通的富氫吹掃流。吹掃流可以是具有比重整產(chǎn)物流更低的氫分壓的任何流?？赏ㄟ^(guò)改變管道直徑、管道數(shù)量和管道長(zhǎng)度而調(diào)節(jié)管狀構(gòu)型中的隔膜分離器18的表面積。增加管道32的表面積增加了可被提取的氫氣量。此外，催化劑可被涂覆在殼體34上。
現(xiàn)在簡(jiǎn)要地參見圖3，圖中示出了隔膜分離器18′的板狀構(gòu)型。在該構(gòu)型中，板36被層疊，在每層之間具有通道，且具有來(lái)自自動(dòng)熱重整器16的重整產(chǎn)物或在板36的相對(duì)側(cè)上的富氫吹掃流。板36由鈀、鈀合金或支承材料上的鈀或鈀合金層制成。鈀或鈀層的厚度小于10微米。來(lái)自自動(dòng)熱重整器16的重整產(chǎn)物可以交叉流動(dòng)、反向流動(dòng)或同向流動(dòng)的方式被供給進(jìn)入板狀構(gòu)型隔膜分離器18′內(nèi)。與隔膜分離器18中的含鈀管道32相似的是，板36對(duì)于重整產(chǎn)物流中的非氫組分是不可滲透的。然而，氫氣分解進(jìn)入鈀內(nèi)。吹掃流具有較低的氫分壓且因此當(dāng)其在板36上流動(dòng)時(shí)，氫原子擴(kuò)散通過(guò)隔膜且在低氫分壓側(cè)上重新結(jié)合，所述低氫分壓側(cè)為滲透?jìng)?cè)。因此，吹掃流將氫氣從重整產(chǎn)物流中提取出來(lái)，留下與CO減少和清除部分20流體連通的貧氫重整產(chǎn)物流和與燃料電池堆14流體連通的富氫吹掃流。在板狀構(gòu)型中，可通過(guò)板的面積、板的數(shù)量以及通過(guò)歧管裝置而調(diào)節(jié)隔膜分離器18′的表面積。增加板36的表面積增加了可由吹掃流提取的氫氣量。此外，催化劑可被涂覆在板36或通道內(nèi)的基層上。
參見圖1，CO減少和清除部分20與隔膜分離器18流體連通且可包括水-氣轉(zhuǎn)換裝置38和/或優(yōu)先氧化反應(yīng)器或PrOx 40或本領(lǐng)域中已公知的任何其它類型的CO減少和清除反應(yīng)器中的至少一個(gè)。如圖1所示，水-氣轉(zhuǎn)換裝置38與隔膜分離器18流體連通，所述水-氣轉(zhuǎn)換裝置的作用是從一氧化碳和水的反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣。水-氣轉(zhuǎn)換38為一種平衡反應(yīng)，所述平衡反應(yīng)致使形成氫氣。水-氣轉(zhuǎn)換裝置38與優(yōu)先氧化反應(yīng)器(PrOx)40流體連通以輸送含氫重整產(chǎn)物流。
優(yōu)先氧化反應(yīng)器40與水-氣轉(zhuǎn)換裝置38流體連通，且被用以從由水-氣轉(zhuǎn)換裝置38接收的重整產(chǎn)物中除去一氧化碳。優(yōu)先氧化反應(yīng)器40產(chǎn)生了堆級(jí)氫氣。優(yōu)先氧化反應(yīng)器40與燃料電池堆14流體連通，且來(lái)自優(yōu)先氧化反應(yīng)器40的重整產(chǎn)物被傳輸至燃料電池堆14。
燃料電池堆14與CO減少和清除部分20和隔膜分離器18或18′流體連通。燃料電池堆14接收來(lái)自隔膜分離器18的富氫流且接收來(lái)自CO減少和清除部分20的貧氫重整產(chǎn)物?？諝馔ㄟ^(guò)入口44進(jìn)入燃料電池堆14。燃料電池堆14從氫氣與來(lái)自空氣的氧氣的受控反應(yīng)中產(chǎn)生電力和熱量。燃料電池堆14與燃燒器系統(tǒng)22流體連通用以使空氣與任何未使用的氫氣、一氧化碳或烴發(fā)生反應(yīng)。
參見圖1，燃燒器系統(tǒng)22包括與燃料電池堆14流體連通的燃燒器46。具體而言，燃燒器46燃燒來(lái)自燃料電池堆14的剩余重整產(chǎn)物以產(chǎn)生用于自動(dòng)熱重整器16的熱量。燃燒器46與自動(dòng)熱重整器16存在熱傳遞關(guān)系，且將以來(lái)自燃燒器46的熱氣體形式存在的熱量傳送到自動(dòng)熱重整器16上，從而幫助保持自動(dòng)熱重整器16的初級(jí)反應(yīng)器24的入口蒸汽溫度。燃燒排出氣體通過(guò)出口48排出燃燒器46。
在車輛操作中，燃料、水和空氣進(jìn)入初級(jí)反應(yīng)器24且進(jìn)行化學(xué)重整。來(lái)自初級(jí)反應(yīng)器24的重整產(chǎn)物流入隔膜分離器18。隔膜分離器18從重整產(chǎn)物流中除去一些氫氣。富氫滲透物從隔膜分離器18流入燃料電池堆14內(nèi)。貧氫重整產(chǎn)物流流入水-氣轉(zhuǎn)換裝置38內(nèi)，且由重整產(chǎn)物流中的一氧化碳和水產(chǎn)生了更多的氫氣。來(lái)自水-氣轉(zhuǎn)換裝置38的重整產(chǎn)物進(jìn)入優(yōu)先氧化反應(yīng)器40，其中一氧化碳進(jìn)行選擇性氧化。具有很少的一氧化碳的重整產(chǎn)物進(jìn)入燃料電池堆14，其中所述重整產(chǎn)物與來(lái)自空氣的氧氣發(fā)生反應(yīng)且進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，致使產(chǎn)生了電。未被燃料電池堆14使用的氫氣重整產(chǎn)物流入燃燒器46內(nèi)。燃燒器46使未使用的重整產(chǎn)物與空氣混合并對(duì)其進(jìn)行消耗，致使產(chǎn)生了用以使初級(jí)反應(yīng)器24的蒸汽入口30變熱的熱量和通過(guò)出48排出系統(tǒng)的排出氣體。
如圖1所示，通過(guò)繞過(guò)水-氣轉(zhuǎn)換裝置38和優(yōu)先氧化反應(yīng)器40而將堆級(jí)氫氣直接送至燃料電池堆14，使得縮短了車輛運(yùn)行的啟動(dòng)時(shí)間。進(jìn)一步地，通過(guò)使用水-氣轉(zhuǎn)換裝置38上游的隔膜分離器18，水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的平衡可被進(jìn)一步推向產(chǎn)物側(cè)，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的氫氣，從而提高了效率。此外，通過(guò)隔膜分離器18除去氫氣致使產(chǎn)生了更濃縮的反應(yīng)物流且可減小水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器38的尺寸或推動(dòng)平衡以使得更少的一氧化碳被送至優(yōu)先氧化反應(yīng)器40，從而允許優(yōu)先氧化反應(yīng)器40更小。還可通過(guò)增加燃料處理器的工作壓力，所述增加的工作壓力對(duì)于隔膜分離器18而言是更好的操作點(diǎn)，而減小優(yōu)先氧化反應(yīng)器40和水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器38的尺寸。
圖4示出了燃料處理系統(tǒng)12的另一種可選實(shí)施例，所述燃料處理系統(tǒng)包括自動(dòng)熱重整器16、隔膜分離器18、CO減少和清除部分20和燃燒器系統(tǒng)22。然而，在該實(shí)施例中，隔膜分離器18被包含在水-氣轉(zhuǎn)換裝置38內(nèi)。在該第二實(shí)施例中，氫氣在產(chǎn)生的同時(shí)被隔膜分離器18除去。該實(shí)施例提供了在單個(gè)單元中將水-氣轉(zhuǎn)換平衡更多地推向產(chǎn)物側(cè)的優(yōu)點(diǎn)。此外，該實(shí)施例致使更少的一氧化碳被送至優(yōu)先氧化反應(yīng)器40。
圖5示出了本發(fā)明的燃料處理器的另一實(shí)施例，包括自動(dòng)熱重整器16、隔膜分離器18、CO減少和清除部分20和燃燒器系統(tǒng)22，然而，隔膜分離器18被設(shè)置在初級(jí)反應(yīng)器24內(nèi)。相似地，在該實(shí)施例中，氫氣在產(chǎn)生的同時(shí)被隔膜分離器18除去。該實(shí)施例提供了推動(dòng)蒸汽重整平衡以產(chǎn)生更多的氫氣且致使減小水-氣轉(zhuǎn)換裝置和優(yōu)先氧化反應(yīng)器的體積的優(yōu)點(diǎn)。
圖6示出了燃料電池系統(tǒng)100的另一個(gè)實(shí)施例，所述燃料電池系統(tǒng)被示意性地示出使用蒸汽作為吹掃氣體。燃料電池系統(tǒng)100包括自動(dòng)熱重整部分102、隔膜系統(tǒng)104、CO減少和清除部分106、燃料電池堆系統(tǒng)108和燃燒器系統(tǒng)107。
自動(dòng)熱量整部分102包括自動(dòng)熱重整器110。自動(dòng)熱重整器110具有三個(gè)入口112、114和116，所述三個(gè)入口分別將燃料、空氣和蒸汽帶入自動(dòng)熱重整器110內(nèi)。自動(dòng)熱重整器110通過(guò)導(dǎo)管111與隔膜系統(tǒng)104形成流體連通。隔膜系統(tǒng)104具有兩個(gè)入口一個(gè)是含氫重整產(chǎn)物111且另一個(gè)是蒸汽120。隔膜系統(tǒng)104具有三個(gè)出口一個(gè)是空氣/蒸汽流129，另一個(gè)是氫氣流127，且再一個(gè)是重整產(chǎn)物流131。應(yīng)該注意，流129可用以供應(yīng)一些進(jìn)料，所述進(jìn)料換句話說(shuō)由流114和116提供。
來(lái)自自動(dòng)熱重整系統(tǒng)102的含氫重整產(chǎn)物111進(jìn)入如前面所論述的隔膜系統(tǒng)104中的隔膜分離器118。隔膜分離器118具有蒸汽入口120，所述蒸汽被用作吹掃氣體以利于從混合重整產(chǎn)物流111中分離出氫氣。來(lái)自入口120的蒸汽有利于從隔膜分離器118的表面中提取出氫氣，由此產(chǎn)生包括蒸汽和氫氣的流126。
氫氣和蒸汽流126從隔膜分離器118被傳送至隔膜系統(tǒng)104中的水蒸汽傳輸裝置122。
參見圖7，水蒸汽傳輸裝置122具有多個(gè)在此示出作為三維通道的導(dǎo)管123。這些導(dǎo)管123被連接以便允許第一氣體流通過(guò)所有導(dǎo)管123。第一流體的方向優(yōu)選與第二氣體流的方向相對(duì)。在該實(shí)施例中，第一氣體流126包括蒸汽和氫氣，且第二氣體流128為空氣，如圖所示。裝置122包括輸水膜124，所述輸水膜由允許將水蒸汽或蒸汽從一個(gè)流體流傳輸至另一個(gè)流體流的任何材料制成。這種材料選擇性地允許傳輸蒸汽，而不同時(shí)允許傳輸其它氣體例如氫氣。通常情況下，輸水膜124由包括那些由聚全氟磺酸、磺化聚苯乙烯、聚醚砜、磺化聚醚酮、聚碳酸酯、其它磺化材料及其混合物制成的材料制成。優(yōu)選的膜材料包括聚全氟磺酸。特別優(yōu)選的膜材料由E.I.Dupont deNemours公司出售，商標(biāo)名稱為“NAFION”。還在共有的申請(qǐng)，即于2001年7月20日申請(qǐng)的題目為用于燃料電池動(dòng)力設(shè)備的水蒸汽傳輸裝置的USSN 09/910,331和于2001年7月20日申請(qǐng)的題目為用于燃料電池重整器的水蒸汽傳輸裝置的USSN 09/910,307中對(duì)水蒸汽傳輸裝置進(jìn)行了描述，以上每個(gè)所述申請(qǐng)?jiān)诖俗鳛榻虒?dǎo)工具被整體參考和引用。
輸水膜124選擇性地允許將蒸汽從包含氫氣和蒸汽的流126傳輸至包含空氣的流128，而不允許氫氣從流126向空氣流128的顯著通過(guò)(泄漏)。具體而言，氫氣和蒸汽流126進(jìn)入水蒸汽傳輸裝置122?？諝饬?28也進(jìn)入水蒸汽傳輸裝置122。氫氣和蒸汽的第一流126流動(dòng)通過(guò)水蒸汽傳輸裝置122的導(dǎo)管123并穿過(guò)隔膜124表面。第二空氣流128流動(dòng)穿過(guò)隔膜124的相對(duì)面。流126中的蒸汽被選擇性地傳輸通過(guò)水蒸汽傳輸材料124并進(jìn)入空氣流128內(nèi)以形成蒸汽和空氣流129。通過(guò)從第一流126中除去蒸汽，氫氣剩余在流127中。該氫氣流127隨后被送至燃料電池堆系統(tǒng)108。
隔膜分離器118的出口131與CO減少和清除系統(tǒng)106流體連通，用以傳送貧氫重整產(chǎn)物流。CO減少和清除系統(tǒng)106可包括水-氣轉(zhuǎn)換裝置130和/或優(yōu)先氧化反應(yīng)器132。水-氣轉(zhuǎn)換裝置130與隔膜系統(tǒng)104流體連通，用以接收重整產(chǎn)物流。水-氣轉(zhuǎn)換130為平衡反應(yīng)，所述平衡反應(yīng)致使形成氫氣。來(lái)自水-氣轉(zhuǎn)換裝置130的重整產(chǎn)物流進(jìn)入優(yōu)先氧化反應(yīng)器132。優(yōu)先氧化反應(yīng)器132被用以從在水-氣轉(zhuǎn)換裝置130后接收的重整產(chǎn)物中除去一氧化碳。優(yōu)先氧化反應(yīng)器132與燃料電池堆系統(tǒng)108流體連通且產(chǎn)生了含有用于燃料電池堆系統(tǒng)108的氫氣的堆級(jí)流135。
因此，燃料電池堆系統(tǒng)108與CO減少和清除系統(tǒng)106流體連通以接收包含氫氣的堆級(jí)流135，且包括燃料電池堆134。除了從隔膜系統(tǒng)104供應(yīng)的氫氣流127之外，來(lái)自CO減少和清除系統(tǒng)106的氫氣重整流135也進(jìn)入燃料電池堆134內(nèi)。燃料電池堆134具有空氣入口136。燃料電池堆134從氫氣和來(lái)自空氣的氧氣的受控反應(yīng)中產(chǎn)生電力和熱量。
本發(fā)明的描述本質(zhì)上僅是示例性的，且因此未偏離本發(fā)明的要點(diǎn)的變型旨在處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種變型不被視為偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料處理系統(tǒng)，包括用于將烴燃料流重整成包括氫和其它組分的重整產(chǎn)物流的反應(yīng)器；用于從所述重整產(chǎn)物流中除去氫氣的隔膜分離器，所述隔膜分離器包括對(duì)于氫相對(duì)可滲透的且對(duì)于所述其它組分則滲透性相對(duì)較弱的隔膜；和用于對(duì)所述重整產(chǎn)物流進(jìn)行進(jìn)一步重整的CO減少和清除系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述CO減少和清除系統(tǒng)包括水-氣轉(zhuǎn)換裝置和優(yōu)先氧化反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器包括多條用于使所述重整產(chǎn)物流動(dòng)穿過(guò)所述隔膜以導(dǎo)致從所述重整產(chǎn)物流中分離出所述氫氣的管道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器包括用于有利于氫的選擇性滲透的鈀或鈀合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述鈀或鈀合金以限定出所述多條管道中的每條管道的表面的層的形式存在。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器包括多個(gè)用于使所述重整產(chǎn)物流動(dòng)穿過(guò)所述隔膜以導(dǎo)致從所述重整產(chǎn)物流中分離出所述氫氣的板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述鈀或鈀合金以限定出所述多個(gè)板中的每個(gè)板的表面的層的形式存在。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述層小于10微米厚。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器與所述CO減少和清除系統(tǒng)結(jié)合成一體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器與所述反應(yīng)器結(jié)合成一體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，進(jìn)一步包括吹掃流體系統(tǒng)，所述吹掃流體系統(tǒng)與所述隔膜分離器連通以利于從所述隔膜分離器輸運(yùn)氫氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述吹掃流體系統(tǒng)包括流，所述流具有比所述重整產(chǎn)物更低的氫分壓用以引導(dǎo)從所述隔膜分離器中除去的氫氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料處理系統(tǒng)，進(jìn)一步包括輸水裝置，所述輸水裝置包括隔膜，所述隔膜對(duì)于水相對(duì)可滲透且對(duì)于所述氫則滲透性相對(duì)較弱用以從除去的氫氣中分離出蒸汽。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述輸水裝置進(jìn)一步包括為引導(dǎo)從所述輸水裝置中分離出來(lái)的蒸汽而提供動(dòng)力的空氣源。
15.一種用于重整燃料的方法，包括以下步驟將烴燃料引入反應(yīng)器內(nèi)用以將所述烴燃料重整成包括氫和其它組分的重整產(chǎn)物流；使所述重整產(chǎn)物流沿隔膜分離器通過(guò)用以從所述重整產(chǎn)物流中除去氫氣；以及將剩余的流引導(dǎo)至CO減少和清除系統(tǒng)用以進(jìn)行進(jìn)一步重整。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括用流體對(duì)所述隔膜分離器的相對(duì)側(cè)進(jìn)行吹掃以從其中除去氫氣的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述CO減少和清除系統(tǒng)包括水-氣轉(zhuǎn)換裝置和優(yōu)先氧化反應(yīng)器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述其它組分包括一氧化碳(CO)和水(H2O)且其中所述水-氣轉(zhuǎn)換裝置使所述重整產(chǎn)物流中的所述CO和H2O進(jìn)行反應(yīng)，且所述優(yōu)先氧化反應(yīng)器從所述重整產(chǎn)物流中除去至少一部分的任何剩余一氧化碳。
19.一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于將烴燃料流重整成含氫重整產(chǎn)物流的反應(yīng)器；用于從所述含氫重整產(chǎn)物流中除去氫氣的隔膜分離器；用于對(duì)所述重整產(chǎn)物流進(jìn)行進(jìn)一步重整的水-氣轉(zhuǎn)換裝置；和與所述隔膜分離器流體連通用以接收由所述隔膜分離器除去的氫氣的燃料電池堆。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述水-氣轉(zhuǎn)換裝置下游的優(yōu)先氧化反應(yīng)器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器與所述水-氣轉(zhuǎn)換裝置結(jié)合成一體，由此提供了用于在所述轉(zhuǎn)換反應(yīng)器中形成所述氫氣的同時(shí)除去所述氫氣的鈀基隔膜分離和水-氣轉(zhuǎn)換催化劑。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述隔膜分離器與所述反應(yīng)器結(jié)合成一體。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料處理系統(tǒng)，進(jìn)一步包括吹掃流體，所述吹掃流體與所述隔膜分離器相連通以輸運(yùn)除去的氫氣遠(yuǎn)離所述隔膜分離器。
24.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料處理系統(tǒng)，其中所述流包括蒸汽。
全文摘要
提供了一種用于對(duì)烴燃料進(jìn)行重整的燃料處理系統(tǒng)。該燃料處理系統(tǒng)使用隔膜分離器以從重整產(chǎn)物流中分離出氫氣。CO減少和清除系統(tǒng)與所述隔膜分離器一起作用以增加氫氣的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)C01B3/50GK1748334SQ200480002532
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月21日
發(fā)明者A·M·布倫納, T·-C·于, Y·張, S·魯夫 申請(qǐng)人:通用汽車公司