利用水的吸附作用的快速启动燃料处理器制造技术

公开了一种装置和方法，用来在以燃料电池作动力的运载工具启动过程中迅速地加热燃料处理器组件。迅速加热是通过在燃料处理器的主反应器（１０２）的下游放置一种水吸附剂（１２４、１３０）而达成的，主反应器把基于烃类的燃料转化为富氢燃料。除氢气以外，重新形成的燃料（重整燃料）中还包括二氧化碳、一氧化碳和水。具有高的吸附热的水吸附剂（１２４、１３０）当它吸附重整燃料中的水时即产生热量。水吸附所产生的热量增进了燃料处理器组件，诸如水煤气转换反应器（１０４）达到其操作温度的速率。此外，水吸附作用也减少了水在水煤气转换反应器中的催化剂（１１８）上的冷凝。一旦处理器组件达到它的操作温度，水就由吸附剂（１２４）脱附，并可用来在水煤气转换反应器（１０４）中转化一氧化碳成为二氧化碳和氢气。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过重整基于烃类的燃料来产生氢气的燃料处理器，更具体地说是涉及一种加热燃料处理器的方法和装置，诸如在燃料处理器启动过程中的水-煤气转换反应器。
技术介绍
燃料电池是一种把化学能直接转化成为电能和热量的装置。以它的或许是最简单的形式来说，燃料电池包括被电解质分开的两个电极-阳极和阴极。在使用过程中，流体分配系统为阳极提供燃料并为阴极提供一种氧化剂，后者通常是周围空气中的氧。借助于催化剂，燃料在阳极遭受氧化，产生质子和电子。质子通过电解质扩散到阴极，在那里，在第二种催化剂存在的条件下，它们与氧和电子化合而产生水和热量。因为电解质对电子流起着势垒的作用，所以电子将从阳极经过包含电子负载的外部电路而流向阴极，电子负载消耗由燃料电池所产生的功率。燃料电池产生的电势约为1伏或更低，因此要把各别的燃料电池串连“堆积”以达到所需的电压。由于燃料电池比热机更为有效，并能在零污染或接近零污染排放的条件下产生电能，因此研究人员已经提议用燃料电池来代替运载工具中的内燃机。在已被考虑用作运载工具应用方面的燃料当中，氢气(H2)看来是最具吸引力的。氢气具有优良的电化学活性，由空气氧化体系中能提供足够的功率密度水平，并且在氧化时只产生水。然而，虽然它具有这些优点，它在运载工具中的应用却被在机贮存方面的困难以及缺乏建立好的零售供H2网络所阻碍。因为这些理由，所以燃料电池发动机的设计中常常包括一种燃料处理器，它应用气流重整、自然重整或部份氧化等手段，把普通的基于烃类的燃料诸如汽油和甲醇等转化为氢气。大部分燃料处理器包括一个主反应器、一个水-煤气转换(WGS)反应器以及一个优先氧化(PrOx)反应器来产生“电池组等级”的氢(H2)。在气流重整中燃料处理器为主反应器提供水(蒸气)和基于烃类的燃料(例如汽油、甲醇等)，它们相互反应形式由H2、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和过量水蒸气组成的混合物。因为CO将毒化阳极催化剂，燃料处理器把主反应器的流出物(重整气流)引向水煤气转换(WGS)反应器，后者使气体混合物与催化剂和水接触以转化大部分CO成为CO2和H2O最后，燃料处理器在PrOx反应器中将残余的CO转化为CO2，PrOx反应器中包括在一定温度下(例如150℃至250℃)操作的催化剂床，后者促进CO被空气的优先氧化，伴随小量的H2的附带氧化。在气流重整中，离开PrOx反应器的燃气典型地含有(按摩尔％计)约70％H2、24％CO2、6％氮气(N2)以及痕量(＜20ppm)的CO。自热重整和部份氧化共有许多气流重整的特色。例如，在一种自热重整的形式中，一部分基于烃类的燃料可在反应区域内用氧气或空气燃烧或部份氧化，该反应区域和重整反应是物理地分开的。来自氧化反应的热量驱动了水的吸热转化和基于烃类的燃料在重整反应区域转化为H2、CO2和CO的平衡。在另一种形式的自热重整过程中，一部份基于烃类的燃料在重整反应的同一反应区域被氧化。类似地，在部份氧化反应中，基于烃类的燃料和空气的富含燃料的混合物在主反应器中反应，产生主要包含H2、CO2和CO的气体混合物。自热重整和部份氧化反应也利用WGS和PrOx反应器来降低离开主反应器的重整气流中CO的水平；最终的重整气流组成为大约42％N2、38％H2、18％CO2、不到2％甲烷(CH4)和少于约20ppm的CO。为了解产生堆积等级H2的燃料处理器的进一步详情，可参看标题为“带有燃烧器加热的重整器的燃料电池体系”(“Full Cell System With Combustor HeatedReformer”)的美国专利No.6,077,620，它在此以其整体和所有的目的被引入作为参考。燃料电池发动机开发者所面对的一个挑战是，在室温启动燃料处理器(冷启动条件)时快速产生电池组等级H2的能力。虽然有许多因素会影响燃料处理器启动，但它特别是被为使反应器达到它的运作温度所需要的时间所限制。例如，低温水煤气转换反应器在它能够降低重整气流中CO至足够低的、能被PrOx反应器和燃料电池组所容忍的水平之前，它必须达到大约200℃。高温水煤气转换催化剂甚至需要更热(大约350℃)的温度。典型地，唯一可用来提升水煤气转换反应器温度的热量是主反应器流出物的显热。这一热量必须被用来提升主反应器下游的整个热质流，包括WGS反应器、PrOx反应器以及任何可能有的热交换器。燃料处理器的启动由于存在于主反应器流出物和WGS反应器进料流中的水蒸气而被复杂化。因为水蒸气可能在冷的WGS催化剂上冷凝，在启动过程中必须提供额外的能量来在WGS催化剂被加热之前蒸发掉任何已冷凝的水分。虽然燃料处理器可以在启动过程中不用注入水来运行以限制水蒸气冷凝，但这种做法可能会导致主反应器达到过高的温度。如上所述，即使是在启动时在燃料处理器中没有水，但主反应器产生的水也可能会冷凝在水煤气转换反应器中。类似地，在冷启动过程中水也可能冷凝在冷的PrOx催化剂上，从而需要额外的能量来重新蒸发这些冷凝下来的水分。研究人员已经提出过一些技术来增加燃料处理器反应器的加热速率，但每种方法都有缺点。例如，在启动时水煤气转换反应器可用电能加热，但电热需要第二个电源，这将增加燃料处理器的成本。另外，当主反应器流出物进入水煤气转换反应器中时可往其中注入空气或氧气，并且可以用一种电热催化剂(EHC)燃烧在主反应器流出物中的H2和CO，随后加热水煤气转换催化剂。然而，EHC需要第二个电源，并且空气或氧气的注入可能会导致催化剂活性的损失，因为许多WGS催化剂是对氧气敏感的。非引火性的水煤气转换催化剂在氧气存在的条件下可以“点燃”或反应，从而能产生足够的热量来启动水煤气转换反应。然而这类催化剂包含昂贵的贵金属，并且仍然要求达到大约130℃的点燃温度才能成为有活性的。本专利技术克服、或至少是缓解了一种或多种上面讨论过的这些问题。专利技术概述本专利技术提供一种装置或方法，为在室温条件下启动燃料处理器的过程中给燃料处理器部件—包括水煤气转换反应器-供应额外的热量。这种额外的热量的供应无需第二个电源，并且伴随着从燃料处理器的主反应器流出物中除去水分。额外的热量可以让水煤气转换反应器更快地达到它的运转温度，它减少了为使燃料处理器在启动过程中产生堆积级别的H2所需的时间。此外，通过除去主反应器流出物中的水分，也消除或减少了启动过程中在水煤气转换反应器催化剂上的水蒸气冷凝，这样就避免了对于提供额外热量来蒸发冷凝水的需要。这样，本专利技术的一个方面是，提供一种燃料处理器，它包括主反应器和水-煤气-转换反应器。主反应器被用来把基于烃类的燃料转化为氢、二氧化碳、一氧化碳和水。水-煤气-转换反应器含有一种催化剂，用来转化至少一部份主反应器流出物中的一氧化碳成为二氧化碳和氢气。水-煤气-转换反应器的入口与主反应器的出口相连通。这种燃料处理器也包含一种水吸附剂，它被安置在主反应器的出口和水-煤气-转换反应器出口之间的流路中。在燃料处理器启动过程中，水吸附剂通过吸附至少一部分主反应器流出物中的水分而产生热量。有用的水吸附剂包括沸石。本专利技术的另一方面，提供一种在启动过程中加热燃料处理器的方法。这种燃料处理器包括一个主反应器，它把基于烃类的燃料转化为H2、CO2、CO和H2O；还包括一个水-煤气-转换反应器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料处理器，它包括：把基于烃类的燃料转化为氢、二氧化碳、一氧化碳和水的主反应器；　具有与主反应器出口液体连通的入口的水煤气转换反应器，这种水煤气转换反应器含有一种催化剂，它被用来转化来自主反应器中的至少一部份一氧化碳成为二氧化碳和氢；在位于主反应器出口和水煤气转换反应器出口之间的流路内的水吸附剂，这种水吸附剂在燃料处理器启动过程中，通过吸附来自主反应器的至少一部份水而产生热量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CS吉特勒曼，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]