專利名稱：燃料重整系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料重整系統(tǒng)(fuel reforming system)。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)已知一種燃料重整系統(tǒng)，包括膜型氫氣發(fā)生器，它使用可滲透氫性膜(膜氫分離器)從重整氣體中分離氫。日本專利局2001年發(fā)布的Tokkai 2001-135336號(hào)專利公開了使用這種膜型氫氣發(fā)生器的燃料重整系統(tǒng)。
氫可滲透膜的強(qiáng)度，更具體地說，氫可滲透金屬膜的強(qiáng)度在氫滲透的過程中被降低。這種現(xiàn)象稱為氫脆。因此，燃料重整系統(tǒng)必須在考慮這種氫脆現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，施加氫至氫可滲透膜。在金屬膜氫分離器中氫脆現(xiàn)象趨向于在低溫T，例如鈀膜或鈀合金膜中發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
但是，上述現(xiàn)有技術(shù)的那種燃料重整系統(tǒng)不包含解決氫脆問題的充分方案。特別地，當(dāng)啟動(dòng)燃料重整系統(tǒng)時(shí)，在膜氫分離器的溫度處于低水平時(shí)，重整器產(chǎn)生的氫被提供給膜氫分離器。因此當(dāng)氫提供給處于低溫的膜氫分離器時(shí)，在膜氫分離器中產(chǎn)生氫脆，這降低膜氫分離器的滲透性。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供可以避免低溫氫脆的燃料重整系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供燃料重整系統(tǒng)，本系統(tǒng)含有膜反應(yīng)器，膜反應(yīng)器具有重整催化劑部件，它用來把所提供燃料氣體重整為重整氣體，膜氫分離器，它用來從重整氣體中分離氫，氫通道，用來把通過膜氫分離器分離的氫傳送至燃料電池，和燃燒催化劑部件，用來加熱重整催化劑部件；第一供給設(shè)備，用來提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器，第一供給設(shè)備具有用來產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒器；第二供給設(shè)備，用來提供燃料氣體至重整催化劑部件；傳感器，用來檢測(cè)膜氫分離器的溫度；和控制器。
控制器的功能是在重整催化劑部件啟動(dòng)燃料氣體的重整反應(yīng)之前，判定膜氫分離器的溫度是否大于或等于目標(biāo)溫度；當(dāng)膜氫分離器的溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備提供燃燒氣體至重整催化劑部件和氫通道至少其中之一；當(dāng)膜氫分離器中重整催化劑部件的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備停止提供燃燒氣體，并命令第二供給設(shè)備開始提供燃料氣體至膜反應(yīng)器。
本發(fā)明的上述和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)，在本說明書的剩余部分中加以描述，并顯示在附圖中。


圖1表示按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料重整系統(tǒng)。
圖2表示施加膜氫分離器的壓力與膜氫分離器的目標(biāo)溫度之間的關(guān)系。
圖3表示描述按照第一實(shí)施方式的控制例程的流程圖。
圖4表示按照本發(fā)明第二實(shí)施方式的燃料重整系統(tǒng)。
圖5表示描述按照第二實(shí)施方式的控制例程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料重整系統(tǒng)的示意圖。
按照本實(shí)施方式的燃料重整系統(tǒng)包括汽化器1，用來產(chǎn)生燃料氣體，膜反應(yīng)器2，用來產(chǎn)生純氫，即膜型氫發(fā)生器，燃料電池7，用來通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，和燃燒器14，用來產(chǎn)生熱量以加熱系統(tǒng)。
膜反應(yīng)器2包括燃燒催化劑部件3，用來施加重整反應(yīng)所需的熱量，重整催化劑部件4，用來執(zhí)行重整反應(yīng)，氫通道6，使通過膜氫分離器5從重整催化劑部件4中滲透分離的氫，從膜反應(yīng)器2中排出。
燃燒催化劑部件3包括催化劑，例如鉑(Pt)，鈀(Pd)，或銠(Rh)，它燃燒從燃料電池7的陽(yáng)極排出物中的氫。重整催化劑部件4包括催化劑，例如鎳(Ni)，銅鋅(Cu-Zn)，或釕(Ru)。膜氫分離器5分離膜反應(yīng)器2中的重整催化劑部件4和氫供給通道6。膜氫分離器5是由金屬制成的，例如鈀(Pd)，鈀合金，釩(V)，鉭(Ta)，或鈮(Nb)。這種金屬具有在其中存儲(chǔ)氫的性質(zhì)，這導(dǎo)致對(duì)氫的滲透性，并在低溫下比高溫下更易于產(chǎn)生氫脆。在膜氫分離器5上提供溫度傳感器16和壓力傳感器17。
汽化器1為熱交換器，提供水和液烴燃料作為原材料，以生產(chǎn)燃料氣體。在汽化器1中，由燃燒催化劑部件3或氫通道6施加的燃燒氣體的熱量通過熱交換生成燃料氣體，燃料氣體包含來自水和液烴燃料的蒸汽和烴燃料的氣態(tài)混合物。燃料氣體通過燃料氣體通道33被施加至膜反應(yīng)器2中的重整催化劑部件4。通過燃燒催化劑部件3和重整催化劑部件4之間的熱交換執(zhí)行燃料氣體的重整反應(yīng)。膜氫分離器5允許所產(chǎn)生的重整氣體中的氫選擇性滲透。氫通過氫通道6被施加至燃料電池7。燃料電池7通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。過量氫，即陽(yáng)極排出物，從燃料電池7中排出，并施加至膜反應(yīng)器2中的燃燒催化劑部件3，以把過量氫與空氣燃燒?？諝馔ㄟ^空氣壓縮機(jī)(未顯示)施加，通過由控制器15操作的閥31控制空氣數(shù)量。
膜反應(yīng)器2中的重整催化劑部件4執(zhí)行烴燃料上的重整反應(yīng)。烴燃料可包括甲醇，汽油或天然氣。下面將以甲醇重整反應(yīng)為例描述重整反應(yīng)。當(dāng)甲醇進(jìn)行汽化反應(yīng)時(shí)，如化學(xué)方程式(1)所示的甲醇分解反應(yīng)和化學(xué)方程式(2)所示的CO轉(zhuǎn)化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。總反應(yīng)如化學(xué)方程式(3)所示?；瘜W(xué)方程式(2)所示的反應(yīng)稱為轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
(1)(2)(3)燃料電池7包括一對(duì)電極，它們之間夾有電解層。其中一個(gè)電極，稱作陽(yáng)極，被施加含氫氣體。另一電極，稱作陰極，被施加含氧的氣體。通過在在兩個(gè)電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。
燃料電池7中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下所示。
(4)(5)(6)方程式(4)代表發(fā)生在陽(yáng)極的反應(yīng)，而方程式(5)代表發(fā)生在陰極的反應(yīng)。方程式(6)表示燃料電池7中發(fā)生的總反應(yīng)。
按照本實(shí)施方式的燃料電池7為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，它的電極具有包含鉑的催化劑。如果施加至燃料電池的重整氣體中含有較大濃度的一氧化碳(CO)，作為CO被鉑催化劑吸收的結(jié)果，陽(yáng)極中催化劑的功能被逆向影響。因此，膜氫分離器5把施加至燃料電池7的重整氣體中的CO濃度降低為幾十ppm的水平。
一般地，在燃料重整系統(tǒng)的開始階段，膜氫分離器5的溫度較低。如果重整催化劑部件4中氫在這種條件下通過重整反應(yīng)產(chǎn)生，膜氫分離器5的氫脆可能是由于在低溫下施加氫至膜氫分離器5而引起的。氫脆降低膜氫分離器5的滲透性能。
當(dāng)啟動(dòng)燃料重整系統(tǒng)以防止膜氫分離器5的氫脆時(shí)，按照本發(fā)明的燃料重整系統(tǒng)快速增加膜氫分離器5的溫度至目標(biāo)溫度?？刂破?5根據(jù)應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力，即重整催化劑部件4上的壓力，設(shè)定目標(biāo)溫度。低于目標(biāo)溫度，當(dāng)氫通過重整催化劑部件4中的重整反應(yīng)產(chǎn)生時(shí)，膜氫分離器5產(chǎn)生氫脆。燃料重整系統(tǒng)分別施加由燃燒器14產(chǎn)生的燃燒氣體至膜反應(yīng)器2的燃燒催化劑部件3、重整催化劑部件4和氫通道6。這種燃料重整系統(tǒng)具有主通道，以從燃燒器14提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器2。主通道沿主通道分為三路通道。這三路通道包括連接至重整催化劑部件4的第一燃燒氣體通道10，它含有第一流量控制閥11，連接至氫通道6的第二燃燒氣體通道12，它含有第二流量控制閥13，和連接至燃燒催化劑部件3的第三燃燒氣體通道8，它含有第三流量控制閥9。
燃料重整系統(tǒng)含有燃燒氣體排出通道18，它把來自燃燒催化劑部件3的廢氣施加至汽化器1，以施加水和燃料汽化所需的熱能。燃料重整系統(tǒng)還含有重整氣體通道22，它把來自重整催化劑部件4的廢氣施加至燃燒催化劑部件3。燃料重整系統(tǒng)還含有燃燒氣體排出通道20，它通過沿氫供給通道19的開關(guān)閥21，把來自氫通道6的氫施加至燃料電池。燃燒氣體排出通道20為用來在開始階段增加膜氫分離器5溫度的燃燒氣體的排出通道。
來自溫度傳感器16的信號(hào)、來自壓力傳感器17的信號(hào)和來自系統(tǒng)外部的系統(tǒng)啟動(dòng)命令信號(hào)被輸入控制器15?？刂破?5根據(jù)這些信號(hào)控制流量控制閥9，11，13的關(guān)/開。
控制器15包括含有中央處理器(CPU)的微型計(jì)算機(jī)，只讀存儲(chǔ)器(ROM)，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和輸入/輸出接口(I/O接口)。控制器15可能包含多個(gè)微型計(jì)算機(jī)。
在燃料重整系統(tǒng)啟動(dòng)之后和燃料氣體施加至重整催化劑部件4之前，控制器15打開流量控制閥9，11，13，以使燃燒器14產(chǎn)生的燃燒氣體被施加至氫通道6、重整催化劑部件4，和膜反應(yīng)器2中的燃燒催化劑部件3，通過燃燒氣體通道8至燃燒催化劑部件3，通過燃燒氣體通道10至重整催化劑部件4，通過燃燒氣體通道12至氫通道6。
另外，控制器15通過使用安裝在重整氣體通道22上的壓力控制閥34，控制重整催化劑部件4上的壓力，以使重整催化劑部件4上的壓力在重整系統(tǒng)的啟動(dòng)操作和正常操作期間保持固定值。因此，在膜氫分離器5上，燃燒氣體的壓力實(shí)質(zhì)上等于重整氣體的壓力。
本實(shí)施方式中施加的燃燒氣體包括不含燃料的貧燃燒氣體，以實(shí)質(zhì)上避免通過重整催化劑部件4產(chǎn)生氫。雖然燃料氣體的施加可能導(dǎo)致氫脆，貧燃燒氣體的施加不會(huì)導(dǎo)致膜氫分離器5中的氫脆。
通過在上述方式中提供燃燒氣體，膜氫分離器5的溫度被快速增加至目標(biāo)溫度，因此在燃料氣體施加至重整催化劑部件4時(shí)有可能避免膜氫分離器5中的氫脆。
控制器15還控制汽化器1的噴射閥27，它把燃料從燃料箱25中導(dǎo)入汽化器1，汽化器1的噴射閥28，它把水從水箱26中導(dǎo)入汽化器1，和燃燒器15大噴射閥29，它把燃料導(dǎo)入燃燒器14?？刂破?5還控制閥30，它把空氣從空氣壓縮機(jī)(未顯示)施加至燃料電池7。
控制器15利用溫度傳感器16和壓力傳感器17，監(jiān)控應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力和膜氫分離器5的溫度。換句話說，控制器15監(jiān)控重整催化劑部件4上的壓力。當(dāng)膜氫分離器5的溫度達(dá)到取決于壓力的目標(biāo)溫度時(shí)，控制器15控制流量控制閥9，11，13的打開取零值，以停止提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器2。目標(biāo)溫度達(dá)到之后，汽化器1立即通過施加水和燃料氣體生產(chǎn)燃料氣體，并施加此燃料氣體至重整催化劑部件4，以啟動(dòng)重整反應(yīng)。
為了避免膜氫分離器5的氫脆，在膜氫分離器5的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度之前不執(zhí)行重整反應(yīng)。當(dāng)氫在低溫和高壓下施加時(shí)，膜氫分離器5中的氫脆易于發(fā)生。圖2表示應(yīng)用至膜氫分離器5的壓力與膜氫分離器5的目標(biāo)溫度之間的關(guān)系。此圖存儲(chǔ)在控制器15的ROM中。
參照?qǐng)D2，氫脆產(chǎn)生區(qū)域位于圖中目標(biāo)溫度-壓力曲線的低溫端。由于膜氫分離器不能用于此區(qū)域，它被稱為“非可用區(qū)”。此圖近是簡(jiǎn)單示例，與鈀膜氫分離器的使用相對(duì)應(yīng)。對(duì)金屬膜氫分離器而言，目標(biāo)溫度通常隨壓力增加而增加。再參照?qǐng)D2，當(dāng)氫施加至膜氫分離器時(shí)，即使自高溫下高壓也導(dǎo)致氫脆。在鈀膜氫分離器的情況下，即使在200℃下，氫分壓為5大氣時(shí)也導(dǎo)致氫脆。
由于控制器15控制重整催化劑部件4的壓力控制閥34順流，以把燃燒氣體的壓力或重整氣體的壓力控制為固定值，控制器15在開始階段根據(jù)應(yīng)用于膜氫分離器5上的燃燒氣體的壓力，而不是應(yīng)用于膜氫分離器5上的重整氣體的壓力，設(shè)定膜氫分離器5的目標(biāo)溫度。
盡管氫脆直接受重整氣體中的氫分壓影響，而不是重整氣體的壓力，燃燒氣體的壓力被用來設(shè)定目標(biāo)溫度，在本實(shí)施方式中燃燒氣體的壓力實(shí)質(zhì)上等于重整氣體的壓力。由于重整氣體的壓力大于重整氣體中的氫分壓，目標(biāo)溫度被設(shè)定為足夠高，以防止由重整氣體中的氫引起的膜氫分離器5的氫脆。
在大約100℃的相對(duì)低溫下，通過重整反應(yīng)產(chǎn)生氫。因此，重整反應(yīng)通常在溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后立即開始，此溫度是通過裝置在膜氫分離器5上的溫度傳感器16測(cè)量的。此外，膜氫分離器5的目標(biāo)溫度，在此溫度下重整反應(yīng)開始，隨裝置在膜氫分離器5上的壓力傳感器17測(cè)量的壓力增加而增加。通過這種方法，可以避免重整反應(yīng)開始時(shí)的氫脆。
盡管通過提供燃燒氣體至重整催化劑部件4和氫通道6，膜氫分離器5的溫度可以有效地增加，但增加膜反應(yīng)器2的整體溫度，是通過提供燃燒氣體至燃燒催化劑部件3，以及重整催化劑部件4和氫通道6實(shí)現(xiàn)的。因此通過抑制由膜反應(yīng)器2中的溫度分布引起的熱應(yīng)變，改善膜反應(yīng)器2的耐用性。
另外，當(dāng)燃燒器14中產(chǎn)生的燃燒氣體被施加至膜反應(yīng)器2的重整催化劑部件4、氫通道6和燃燒催化劑部件3時(shí)，控制器15通過重整催化劑部件4的第一流量控制閥11，氫通道6的第二流量控制閥13，燃燒催化劑部件3的第三流量控制閥9，控制施加至每個(gè)部件的燃燒氣體的流量達(dá)到相等的流量。燃燒催化劑部件3和重整催化劑部件4的壓力損失要大于氫通道6的壓力損失，因?yàn)榇呋瘎┲卧谌紵呋瘎┎考?和重整催化劑部件4中，諸如毛刺之類的殘留體被插入催化劑部件3，4中。因此控制器15設(shè)定流量控制閥9，11的開口大于流量控制閥13的開口，以使每個(gè)部件的流量相等，并優(yōu)化溫度增加的效力。
可以通過調(diào)整燃燒氣體通道8，10，12的截面積(它垂直于流動(dòng)方向)，以使每個(gè)部件的流量相等。換句話說，第一燃燒氣體通道10和第三燃燒氣體通道8的截面積可以設(shè)定為大于第二燃燒氣體通道10的截面積。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3所示的流程圖，將描述啟動(dòng)燃料重整系統(tǒng)的控制程序例。此程序通過控制器15執(zhí)行。
首先在S301步，通過控制器15，使用壓力傳感器17和溫度傳感器16，讀應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力和膜氫分離器5的溫度。接著程序前進(jìn)至第S302步，其中基于檢測(cè)到的壓力，通過查看圖2所示的溫度-壓力圖，設(shè)定目標(biāo)溫度。此后程序前進(jìn)至第S303步，其中確定檢測(cè)到的溫度是否低于第S302步設(shè)定的目標(biāo)溫度。在第S302步和第S303步執(zhí)行的程序確定檢測(cè)到的溫度和壓力是否處于非可用區(qū)，在非可用區(qū)可能產(chǎn)生氫脆。
當(dāng)在第S303步檢測(cè)到的溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，程序前進(jìn)至第S304步，其中命令開關(guān)閥21把氣體的流動(dòng)方向從朝燃料電池7的方向，切換至朝燃燒氣體排出通道20的方向。因此，通過停止為燃料電池7施加包括微量CO的燃燒氣體，防止燃料電池7中的鉑催化劑的惡化。
接下來程序前進(jìn)至第S305步，其中空氣和燃料被施加至燃燒器14。為了保證燃料的完全燃燒，空氣-燃料比率被設(shè)定為貧值(leanvalue)，在燃燒器14中執(zhí)行貧燃燒。其后程序前進(jìn)至第S306步，其中流量控制閥9，11，13被打開，不含燃料的貧燃燒氣體被施加至膜反應(yīng)器2。
在上述方法中，為膜反應(yīng)器2提供燃燒氣體使膜氫分離器5的溫度增加。其后程序返回至第S301步，執(zhí)行第S301至S303步的程序。當(dāng)在第S303步膜氫分離器5的溫度不低于目標(biāo)溫度時(shí)，也就是說，當(dāng)膜氫分離器5可用時(shí)，程序前進(jìn)至第S307步。在第S307步，第一流量控制閥11，第二流量控制閥13和第三流量控制閥9被關(guān)閉。另外，停止施加燃料和空氣至燃燒器14，因而停止生產(chǎn)燃燒氣體。其后在第S308步，燃料和水被施加至汽化器1，因而包含蒸汽和汽態(tài)燃料的燃料氣體被施加至膜反應(yīng)器2的重整催化劑部件4，以啟動(dòng)重整催化劑部件4中的重整反應(yīng)。另外，閥31被打開，以施加空氣至膜反應(yīng)器2的燃燒催化劑部件3。其后在第S309步，通過開關(guān)至燃料電池7的開關(guān)閥21，施加由膜反應(yīng)器2生產(chǎn)并分離的氫至燃料電池7。同時(shí)，施加空氣至燃料電池7，因而作為施加空氣和氫的結(jié)果，燃料電池7產(chǎn)生電能。
此方法中，在燃料重整系統(tǒng)的開始階段，通過使用不含燃料的燃燒氣體加熱膜反應(yīng)器2，防止膜反應(yīng)器2中的氫脆。
下面參照?qǐng)D4，將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖4中，與圖1相同的元件以同樣的標(biāo)號(hào)表示，并將省略附加描述。相對(duì)第一實(shí)施方式的不同點(diǎn)是，在第二實(shí)施方式中，從燃燒器14至膜反應(yīng)器2的燃燒氣體通道沒有分支，僅由通向燃燒催化劑部件3的燃燒氣體通道8組成。從燃燒催化劑部件3伸出的燃燒氣體通道分為通向重整催化劑部件4的第一燃燒氣體通道10和通向氫通道6的第二燃燒氣體通道12。
下面將描述第二實(shí)施方式的效果。在此實(shí)施方式中，在燃料重整系統(tǒng)的開始階段，通過第三燃燒氣體通道8，僅把由燃燒器14產(chǎn)生的燃燒氣體施加至膜反應(yīng)器2的燃燒催化劑部件3。以這種方法施加的燃燒氣體為富燃燒氣體，它包含在燃燒催化劑部件3中燃燒的燃料。通過根據(jù)施加至燃燒器14的空氣和燃料，富化空氣-燃料比率，生產(chǎn)含有殘余未燃燒燃料的富燃燒氣體。在添加復(fù)燃燒氣體的同時(shí)，通過施加足夠量的空氣至燃燒催化劑部件3，在燃燒催化劑部件3中執(zhí)行貧氣燃燒，以燃燒富燃燒氣體中的未燃燒燃料。接著，由燃燒催化劑部件3產(chǎn)生的貧燃燒氣體，通過連接至重整催化劑部件4的第一燃燒氣體通道10和連接至氫通道6的第二燃燒氣體通道12，被施加至膜反應(yīng)器的氫通道6和重整催化劑部件4。
由于此時(shí)施加的貧燃燒氣體不含燃料，在重整催化劑部件4中不產(chǎn)生由重整反應(yīng)導(dǎo)致的氫。在此方法中，提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器2的每個(gè)元件，導(dǎo)致膜氫分離器5的溫度迅速增加，這使系統(tǒng)的啟動(dòng)性能得到改善?？刂破?5監(jiān)控應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力和膜氫分離器5的溫度，并當(dāng)膜氫分離器5的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，進(jìn)一步執(zhí)行啟動(dòng)重整反應(yīng)的控制。目標(biāo)溫度根據(jù)應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力設(shè)定。當(dāng)壓力變高時(shí)，膜氫分離器5啟動(dòng)重整反應(yīng)的目標(biāo)溫度隨之增加。通過這種方法，使確保避免氫脆發(fā)生成為可能。
參照?qǐng)D5所示的流程圖，將描述啟動(dòng)燃料重整系統(tǒng)的控制程序例，此程序通過控制器15執(zhí)行。
在S501步，以與第一實(shí)施例相同的方法，通過控制器15，使用壓力傳感器17和溫度傳感器16，讀應(yīng)用于膜氫分離器5的壓力和膜氫分離器5的溫度。接著程序前進(jìn)至第S502步，通過查看圖2所示的溫度-壓力圖，基于檢測(cè)到的壓力，設(shè)定目標(biāo)溫度。在第S503步，確定檢測(cè)到的溫度是否低于目標(biāo)溫度。當(dāng)在第S503步確定的結(jié)果為肯定時(shí)，程序前進(jìn)至第S504步，其中開關(guān)閥21切換至燃燒氣體排出通道20的方向。然后在第S505步，開始施加空氣和燃料至燃燒器14，并產(chǎn)生富燃燒氣體。
在第S506步，至燃燒催化劑部件3的第三流量控制閥9被打開，從而使富燃燒氣體被施加燃燒催化劑部件3。在第S507步，施加空氣至燃燒催化劑部件3，并通過燃燒催化劑部件3產(chǎn)生高溫貧燃燒氣體。接下來，在第S508步，至重整催化劑部件4的第一流量控制閥11和至氫通道6的第二流量控制閥13被打開，從而施加貧燃燒氣體至重整催化劑部件4和氫通道6。為膜反應(yīng)器2提供燃燒氣體使膜氫分離器5的溫度增加。其后程序返回至第S501步，執(zhí)行第S501至S503步的程序。當(dāng)在第S503步檢測(cè)到的溫度不低于目標(biāo)溫度時(shí)，程序前進(jìn)至第S509步，其中所有的流量控制閥9，11，13被關(guān)閉。接著，在第S510步停止施加燃料和空氣至燃燒器14，因而停止提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器2。其后在第S511步，燃料和水被施加至汽化器1，因而汽化燃料氣體被施加至膜反應(yīng)器2的重整催化劑部件4。另外，在第S511步，開始施加空氣至膜反應(yīng)器2的燃燒催化劑部件3和燃料電池7。通過這種方法，氫被傳送至燃料電池7。通過被施加空氣和氫，燃料電池7產(chǎn)生電能。
如上述控制程序所示，通過燃燒器14產(chǎn)生的富燃燒氣體被施加至燃燒催化劑部件3，并在燃燒催化劑部件3中執(zhí)行貧氣燃燒。所產(chǎn)生的不含燃料的高溫燃燒氣體被施加至重整催化劑部件4和氫通道6。通過這種方法，氫催化劑分離器5的溫度被有效地增加，而啟動(dòng)燃料重整系統(tǒng)所需的時(shí)間被縮短。
盡管上文已經(jīng)參照本發(fā)明的特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，本發(fā)明并不限于上述具體實(shí)施方式
。
在上述兩種實(shí)施方式中，提供如圖2所示的圖，以確定重整反應(yīng)開始的目標(biāo)溫度與重整催化劑部件4上的壓力之間的關(guān)系?？刂破?5基于重整催化劑部件上的壓力，設(shè)定目標(biāo)溫度。但是可選地，可以設(shè)定表示目標(biāo)溫度與氫通道6和重整催化劑部件4之間的氫分壓關(guān)系的圖。在這種情況下，燃料重整系統(tǒng)可以包含傳感器，以檢測(cè)重整催化劑部件4和氫通道6中氣體成分和壓力。因此，可以通過傳感器的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算氫分壓，并基于氫分壓設(shè)定目標(biāo)溫度。
啟動(dòng)按照本發(fā)明的燃料重整系統(tǒng)的控制方法，適用于使用膜氫分離器5的其它燃料重整系統(tǒng)。例如，按照本發(fā)明的控制方法可以應(yīng)用于這種系統(tǒng)，其中提供獨(dú)立于膜氫分離器5的重整催化劑部件4。
在上述實(shí)施方式中，燃燒氣體被直接施加至重整催化劑部件4，以加熱膜氫分離器5。但是膜氫分離器5可以通過熱交換被加熱。
另外，在上述實(shí)施方式中，在開始階段，重整系統(tǒng)保持重整催化劑部件4上壓力為固定值，從而燃燒氣體的壓力等于重整氣體。但是，如果在開始階段重整系統(tǒng)不保持重整催化劑部件4上壓力為固定值，控制器15也可以不根據(jù)燃燒氣體的壓力，而根據(jù)重整氣體中的預(yù)計(jì)氫分壓或重整氣體的預(yù)計(jì)壓力，設(shè)定膜氫分離器5的目標(biāo)溫度。
這里以引用形式包含日本專利申請(qǐng)P2001-284350(2001年9月19日提交)的全部?jī)?nèi)容。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以根據(jù)上述說明，對(duì)上述具體實(shí)施方式
做出改變和修改。本發(fā)明領(lǐng)域按照下面的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種燃料重整系統(tǒng)，包括膜反應(yīng)器(2)，具有重整催化劑部件(4)，用來把所提供燃料氣體重整為重整氣體；膜氫分離器(5)，用來從重整氣體中分離氫；氫通道(6)，用來把膜氫分離器分離的氫傳送至燃料電池(7)；和燃燒催化劑部件(3)，用來加熱重整催化劑部件；第一供給設(shè)備(8，9，10，11，12，13，14，25，29)，用來提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器，第一供給設(shè)備具有用來產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒器(14)；第二供給設(shè)備(1，25，26，27，28，33)，用來提供燃料氣體至重整催化劑部件；傳感器(16)，用來檢測(cè)膜氫分離器的溫度；和控制器(15)，功能為在重整催化劑部件啟動(dòng)燃料氣體的重整反應(yīng)之前，判定膜氫分離器(5)的溫度是否大于或等于目標(biāo)溫度；當(dāng)膜氫分離器的溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備提供燃燒氣體至重整催化劑部件和氫通道至少其中之一；當(dāng)膜氫分離器的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備停止提供燃燒氣體，并命令第二供給設(shè)備開始提供燃料氣體至膜反應(yīng)器的重整催化劑部件。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備包含第一通道(10)，用來把燃燒氣體從燃燒器傳送至重整催化劑部件，和裝備在第一通道中的第一控制閥(11)，以根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量；其中當(dāng)膜氫分離器的溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器(15)還起到命令第一控制閥(11)允許燃燒氣體流動(dòng)的作用。
3.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備包含第二通道(12)，用來把燃燒氣體從燃燒器傳送至氫通道，和裝備在第二通道中的第二控制閥(13)，以根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量；其中當(dāng)膜氫分離器的溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器(15)還起到命令第二控制閥允許燃燒氣體流動(dòng)的作用。
4.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備包含第三通道(8)，用來把燃燒氣體從燃燒器傳送至燃燒催化劑部件，和裝備在第三通道中的第三控制閥(9)，以根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量；其中當(dāng)膜氫分離器的溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器(15)還起到命令第三控制閥允許燃燒氣體流動(dòng)的作用。
5.按照權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備中的燃燒器(14)產(chǎn)生不含燃料的貧燃燒氣體。
6.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中燃燒器(14)產(chǎn)生的燃燒氣體含燃料；并且其中第一供給設(shè)備包含第一通道(10)，用來把燃燒氣體從燃燒催化劑部件(3)傳送至重整催化劑部件(4)，第一通道裝備有第一控制閥，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量，和第三通道(8)，用來把燃燒氣體從燃燒器(14)傳送至燃燒催化劑部件(3)，第三通道裝備有第三控制閥，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量；其中燃燒催化劑部件(3)燃燒包含在燃燒氣體的燃料；其中當(dāng)膜氫分離器(5)的溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器(15)還起到命令第一和第三控制閥(9，11)允許燃燒氣體流動(dòng)的作用。
7.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體含燃料；并且其中第一供給設(shè)備包含第二通道(12)，用來把燃燒氣體從燃燒催化劑部件(3)傳送至氫通道(6)，第二通道裝備有第二控制閥(13)，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量，和第三通道(8)，用來把燃燒氣體從燃燒器(14)傳送至燃燒催化劑部件(3)，第三通道裝備有第三控制閥(9)，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體的流量；其中燃燒催化劑部件(3)燃燒包含在燃燒氣體的燃料；其中當(dāng)膜氫分離器(5)的溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器(15)還起到命令第二和第三控制閥允許燃燒氣體流動(dòng)的作用。
8.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備提供燃燒氣體至氫通道(6)，重整催化劑部件(4)和燃燒催化劑部件(3)，因此至氫通道、重整催化劑部件和燃燒催化劑部件的流量實(shí)質(zhì)上相等。
9.按照權(quán)利要求8所述的燃料重整系統(tǒng)，其中第一供給設(shè)備包含第一控制閥(11)，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體至重整催化劑部件(4)的流量，第二控制閥(13)，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體至氫通道(6)的流量，第三控制閥(9)，用來根據(jù)控制器(15)發(fā)出的命令調(diào)整燃燒氣體至燃燒催化劑部件(3)的流量；其中控制器(15)控制第一，第二和第三控制閥，以使至氫通道、重整催化劑部件和燃燒催化劑部件的流量實(shí)質(zhì)上相等。
10.按照權(quán)利要求8所述的燃料重整系統(tǒng)，其中用來傳送燃燒氣體至氫通道(6)的通道(12)的截面積，小于用來傳送燃燒氣體至重整催化劑部件(4)的通道(10)的截面積，也小于用來傳送燃燒氣體至燃燒催化劑部件(3)的通道(8)的截面積。
11.按照權(quán)利要求1所述的燃料重整系統(tǒng)，還包括傳感器(17)，用來檢測(cè)施加到膜氫分離器(5)的壓力；其中控制器(15)還根據(jù)施加到膜氫分離器的壓力，設(shè)定膜氫分離器的目標(biāo)溫度，以使目標(biāo)溫度隨壓力增加而升高。
12.一種用于燃料重整系統(tǒng)的啟動(dòng)控制方法；燃料重整系統(tǒng)包括膜反應(yīng)器(2)，具有重整催化劑部件(4)，用來把所提供燃料氣體重整為重整氣體，膜氫分離器(5)，用來從重整氣體中分離氫，氫通道(6)，用來把膜氫分離器分離的氫傳送至燃料電池(7)，和燃燒催化劑部件(3)， 用來加熱重整催化劑部件； 第一供給設(shè)備(8，9，10，11，12，13，14，25，29)，用來提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器，第一供給設(shè)備具有用來產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒器(14)；第二供給設(shè)備(1，25，26，27，28，33)，用來提供燃料氣體至重整催化劑部件；傳感器(16)，用來檢測(cè)膜氫分離器的溫度；該方法包括在重整催化劑部件啟動(dòng)燃料氣體的重整反應(yīng)之前，判定膜氫分離器(5)的溫度是否大于或等于目標(biāo)溫度；當(dāng)膜氫分離器的溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備提供燃燒氣體至重整催化劑部件和氫通道至少其中之一；當(dāng)膜氫分離器的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，命令第一供給設(shè)備停止提供燃燒氣體，并命令第二供給設(shè)備開始提供燃料氣體至膜反應(yīng)器的重整催化劑部件。
全文摘要
提供燃料重整系統(tǒng)，包括重整催化劑部件(4)，用來執(zhí)行所提供燃料氣體的重整反應(yīng)，膜氫分離器(5)，用來從重整氣體中提取氫，供給設(shè)備(14，8－12)，用來提供加熱膜反應(yīng)器(2)的燃燒氣體，傳感器(16)，用來檢測(cè)膜氫分離器(5)的溫度，和控制器。在膜反應(yīng)器(2)的開始階段，在重整催化劑部件啟動(dòng)重整反應(yīng)之前，供給設(shè)備提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器(2)。另外，當(dāng)膜氫分離器(5)的溫度大于或等于目標(biāo)溫度時(shí)，供給設(shè)備停止提供燃燒氣體至膜反應(yīng)器(2)。其后燃料供給設(shè)備提供燃料至燃料重整催化劑部件(4)。通過這種方法，可以避免膜氫分離器中的氫脆。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1484612SQ02802234
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月19日
發(fā)明者小川弘志 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社