專利名稱：燃料處理系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料處理系統(tǒng)，尤其涉及燃料電池的燃料處理系統(tǒng)，并且涉及包括凈化殘余氣體的功能的燃料處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，燃料電池或利用燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)的研究正在持續(xù)進步。所述燃料電池(或所述系統(tǒng))被廣義地分類為燃料電池主單元和向該燃料電池主單元供給燃料的燃料處理系統(tǒng)。
概略而言，所述燃料處理系統(tǒng)將原燃料(比如城市燃氣、石油或丙烷)轉(zhuǎn)化為富氫已重整氣體，并且隨后將該富氫已重整氣體供給給所述燃料電池主單元。
例如，所述燃料處理系統(tǒng)包括脫硫器、重整反應(yīng)器、一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)移反應(yīng)器、一氧化碳(CO)選擇性氧化反應(yīng)器等。
脫硫器是一種主要用來從所述原燃料中移除硫化合物的設(shè)備。所述重整反應(yīng)器是主反應(yīng)器，用于產(chǎn)生富氫氣體，也就是，包括來自所述原燃料的作為主要成分的氫氣的已重整氣體，其中，利用所述脫硫器已經(jīng)從所述原燃料中移除硫化合物。
另一方面，所述CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器和所述CO選擇性氧化反應(yīng)器是用于移除在所述重整反應(yīng)器中產(chǎn)生的所述已重整氣體中包含的一氧化碳(CO)的反應(yīng)器。
同時，已經(jīng)確認的是，如果硫化合物被包含在所述原燃料中，則所述硫化合物中的硫被在所述重整反應(yīng)器、CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器、CO選擇性氧化反應(yīng)器、燃料電池主單元等中使用的催化劑吸收，并且催化能力降低。其中硫化合物被催化劑等吸收的此種狀態(tài)有時被稱為硫中毒。
此外，已經(jīng)確認的是，如果一氧化碳(CO)被包含在所述已重整氣體中，則燃料電池主單元中的電極的催化劑將會處于CO中毒狀態(tài)，并且由此催化能力降低。
因此，在所述燃料處理系統(tǒng)中，進行脫硫處理，其中，利用所述脫硫器移除所述原燃料中包含的硫化合物。而且，進行一種處理，在該處理中，利用所述CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器和所述CO選擇性氧化反應(yīng)器從所述已重整氣體中移除一氧化碳(CO)。
接著，當(dāng)所述燃料電池(或發(fā)電系統(tǒng))的操作停止時，隨著所述原燃料的供給停止，所述燃料處理系統(tǒng)停止向所述燃料電池主單元供給所述已重整氣體。
當(dāng)所述操作停止時，在所述燃料處理系統(tǒng)中，存在易燃的殘余氣體，比如已經(jīng)供給的所述原燃料和所述產(chǎn)生的已重整氣體。
因此，所述燃料處理系統(tǒng)具有一種功能當(dāng)所述原燃料的供給停止時，從所述設(shè)備中排出(凈化)殘余氣體。具體而言，已經(jīng)提出了一種方法，在該方法中，使氮氣流過所述設(shè)備中的氣體通道(包括所述各個反應(yīng)器)，以凈化所述殘余氣體(例如，參見日本專利申請KOKAI公開No.2000-277137)。
已經(jīng)提出了另一種方法，其中，當(dāng)所述燃料電池主單元的操作停止時，使水蒸汽流動來凈化所述殘余氣體，并且隨后將空氣引入以移除所述水蒸汽的凝結(jié)水(例如，參見日本專利申請KOKAI公開No.2002-151124)。
然而，當(dāng)僅僅使凈化氣體(比如氮氣、水蒸汽或空氣)如同現(xiàn)有技術(shù)方法中一樣流動時，很有可能的是，所述硫中毒在所述設(shè)備的氣體通道中擴散。因此，存在一個問題在所述重整反應(yīng)器等中使用的催化劑的催化能力降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料處理系統(tǒng)，該燃料處理系統(tǒng)確保殘余氣體被凈化，并且防止硫中毒在所述設(shè)備中擴散。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的燃料處理系統(tǒng)，包括反應(yīng)器，該反應(yīng)器引入原燃料，將所述原燃料轉(zhuǎn)化為富氫己重整氣體，并且供給該富氫已重整氣體；凈化氣體供給裝置，用于當(dāng)所述原燃料的供給停止時，供給凈化氣體來凈化所述反應(yīng)器中的殘余氣體；以及流通(distribute)控制裝置，用于在包括所述反應(yīng)器的氣體通道中，沿已重整氣體的正常流動方向的相反方向流通從所述凈化氣體供給裝置供給的所述凈化氣體。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是示出根據(jù)本實施例的所述燃料處理系統(tǒng)的特定結(jié)構(gòu)的方框圖；圖3是用于說明根據(jù)本實施例的凈化處理的示圖；圖4A到圖4C是示出關(guān)于根據(jù)本實施例的所述燃料處理系統(tǒng)中的硫中毒的實驗數(shù)據(jù)的示圖；和圖5是用于說明根據(jù)另一實施例的凈化處理的示圖。
發(fā)明詳述將會參照附圖在下文描述本發(fā)明的實施例。
圖1是示出根據(jù)本實施例的燃料處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)的方框圖。
對本實施例進行說明，其中，將水蒸汽和空氣的組合作為將要在后面描述的凈化氣體使用。然而，作為凈化氣體，可以單獨應(yīng)用水蒸汽、應(yīng)用水蒸汽、空氣和惰性氣體的組合，應(yīng)用水蒸汽和惰性氣體的組合，應(yīng)用惰性氣體和空氣的組合，或者燃燒廢氣。應(yīng)該注意的是，所述惰性氣體例如是氮氣、二氧化碳氣體及其混合氣體。
此外，在本實施例中，在所述燃料處理系統(tǒng)中的氣體通道中，正向方向是與其中已重整氣體流動的方向相同的方向，而相反方向是與已重整氣體的方向相反的方向。
在本實施例中的燃料處理系統(tǒng)10向燃料電池主單元20供給氫氣燃料(已重整氣體)，其中燃料電池主單元20作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1的組件。
如稍后所述，所述燃料處理系統(tǒng)10將從外部供給的原燃料100轉(zhuǎn)化為富氫已重整氣體，并且隨后將該富氫已重整氣體供給給所述燃料電池主單元20。所述原燃料100例如是城市燃氣、石油、丙烷、消化氣體或煤油。
此外，本實施例的燃料處理系統(tǒng)10具有氣體流通控制器，以控制已重整氣體以及凈化氣體200的氣體通道。所述氣體流通控制器示意性地包括氣體通道控制部件30A、30B以及所述已重整氣體的通道控制部件30C，其中氣體通道控制部件30A、30B控制所述凈化氣體200的流通。
當(dāng)所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1處于操作時，也就是，當(dāng)所述原燃料100被供給時，所述氣體流通控制器控制通道控制部件30A、30B進入阻斷狀態(tài)。此外，所述氣體流通控制器控制所述通道控制部件30C進入打開狀態(tài)，并且使得由所述燃料處理系統(tǒng)10產(chǎn)生的所述已重整氣體被供給給所述燃料電池主單元20。
另一方面，當(dāng)所述系統(tǒng)1的操作停止時，也就是，當(dāng)所述原燃料100的供給停止時，所述氣體流通控制器控制所述通道控制部件30C進入阻斷狀態(tài)，并且由此停止向所述燃料電池主單元20供給所述已重整氣體。
此外，所述氣體流通控制器控制通道控制部件30A、30B來引入所述凈化氣體200，并且在所述燃料處理系統(tǒng)10中通過所述氣體通道(包括如后所述的各種反應(yīng)器)來流通所述凈化氣體200。并且隨后將所述凈化氣體200排出到所述燃料處理系統(tǒng)10的外部。
簡而言之，所述氣體流通控制器沿與所述已重整氣體的流通方向(正向方向)相反的方向流通所述凈化氣體(在本實施例中的空氣)，由此排出所述燃料處理系統(tǒng)10中的殘余氣體。
(燃料處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu))接著，參考圖2和圖3來描述本實施例中的燃料處理系統(tǒng)10的具體結(jié)構(gòu)。
所述燃料處理系統(tǒng)10從原燃料供給器2引入原燃料100，并且還從水蒸汽供給器3引入水蒸汽，以及從空氣供給器4引入空氣。所述水蒸汽和空氣被用作凈化氣體來凈化殘余氣體，如后所述。
其中，所述燃料電池主單元20具有陰極電極和陽極電極，該陰極電極和陽極電極包括包含比如鉑的貴重金屬的催化劑層。在由在所述電極之間疊夾的比如固態(tài)聚合膜之類的電解膜制成的電池的單元中，所述燃料電池主單元20包括大量堆棧電池。所述燃料電池主單元20使氧氣與氫氣反應(yīng)，以產(chǎn)生電能。
從燃料處理系統(tǒng)10向燃料電池主單元20供給氫氣，作為所述已重整氣體。此外，在所述燃料電池主單元20中，從陰極空氣供給器5向陰極電極供給空氣，如圖3中所示。應(yīng)該注意的是，所述陰極空氣供給器5可以包括鼓風(fēng)機等，該鼓風(fēng)機在高壓下供給空氣。
原燃料供給器2供給通常從碳氫化合物(比如城市燃氣)提取的原燃料100。硫化合物被原始地或人工地添加到這個原燃料100，以確保安全。
水蒸汽供給器3向包括重整反應(yīng)器12和一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13的氣體通道供給作為凈化氣體的水蒸汽。
空氣供給器4不僅供給作為所述凈化氣體的空氣，而且將空氣供給給一氧化碳(CO)選擇性反應(yīng)器14。應(yīng)該注意的是，空氣供給器4包括鼓風(fēng)機等，該鼓風(fēng)機在高壓下供給空氣。
所述燃料處理系統(tǒng)10包括脫硫器11、重整反應(yīng)器12、一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13、一氧化碳(CO)選擇性氧化反應(yīng)器14等，如圖2所示。
此外，所述燃料處理系統(tǒng)10具有控制器31和包括多個通道控制部件32到38的氣體通道控制器。如稍后參考圖3所述，通道控制部件32到38具體是電操作閥V32、V33、V35到V40，以控制氣體的流通?？刂破?1控制通道控制部件32到38的操作(打開/關(guān)閉操作)。
所述脫硫器11通過催化作用或吸收移除在所述原燃料100中包含的硫化合物。
所述重整反應(yīng)器12將原燃料100與水蒸汽反應(yīng)以產(chǎn)生富氫氣體，其中，硫化合物已經(jīng)在脫硫器11中從所述原燃料100中移除。
應(yīng)該注意的是，所述重整反應(yīng)器12可以是水蒸汽重整反應(yīng)器、部分氧化反應(yīng)器、自動熱壓反應(yīng)器(autothermal reactor)等。然而，在本實施例中，假定的是，重整反應(yīng)器12是水蒸汽型重整器。
其中，所述重整反應(yīng)器12在約為300℃到850℃的出口溫度下使原燃料和水蒸汽反應(yīng)，以產(chǎn)生富氫已重整氣體。因為在此種情況下的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以重整催化層的溫度被重整燃燒器15升高。
一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13使來自重整反應(yīng)器12的已重整氣體中包含的一氧化碳(CO)與水蒸汽在催化劑的作用下進行反應(yīng)，以減少一氧化碳。
應(yīng)該注意的是，所述已重整氣體通常包含大約10％的CO。所述CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13將CO減少到大約1％或更少。在這種情況下的反應(yīng)溫度是大約200℃到300℃。
一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14使從所述CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13輸送的所述已重整氣體中剩余的一氧化碳在催化劑的作用下與空氣中的氧氣反應(yīng)，以減少一氧化碳。
也就是，不能由CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13移除的CO被減少到10ppm或更少。在這種情況下的反應(yīng)溫度是大約100℃到200℃。
(發(fā)電操作)首先，將會參照圖2和圖3描述在所述系統(tǒng)1處于操作時燃料處理系統(tǒng)10的操作。
如圖2所示，在操作中，控制器31控制來使通道控制部件32、33、36和38進入打開狀態(tài)，使得所述已重整氣體被從所述燃料處理系統(tǒng)10供給到燃料電池主單元20。在下文中，將會參照圖3來具體描述氣體流通控制。
如圖3所示，控制器31打開電操作閥V38，以經(jīng)由管道P9將來自空氣供給器4的空氣供給到CO選擇性氧化反應(yīng)器14。在此時，控制器31關(guān)閉電操作閥V37來阻斷空氣的流通。
此外，控制器31打開電操作閥V39，以經(jīng)由管道P2將來自水蒸汽產(chǎn)生器3的水蒸汽供給到重整反應(yīng)器12。
而且，控制器31控制來打開電操作閥V32、V33和V36。按照這種方式，在利用脫硫器11將硫化合物從原燃料100移除后，經(jīng)由管道P1將來自原燃料供給器2的原燃料100供給給重整反應(yīng)器12。
重整反應(yīng)器使已在脫硫器11中從其中移除了硫化合物的原燃料100與來自水蒸汽供給器3的水蒸汽反應(yīng)，以產(chǎn)生富氫已重整氣體。在此種情況中的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。
其中，如圖2所示，從燃料電池主單元20排出的所述使用的已重整氣體被用作重整燃燒器15中的燃料。
如圖3中所示，經(jīng)由管道P5將來自重整反應(yīng)器12的已重整氣體供給到CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13。在CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13中，執(zhí)行轉(zhuǎn)移反應(yīng)，在該轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，由一氧化碳(CO)和所述已重整氣體中包含的水蒸汽轉(zhuǎn)移為氫氣和二氧化碳(CO2)。隨后，經(jīng)由管道P6將所述已重整氣體從CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13供給到CO選擇性氧化反應(yīng)器14。
在CO選擇性氧化反應(yīng)器14中，利用經(jīng)由管道P9從空氣供給器4供給的空氣對所述已重整氣體中剩余的一氧化碳進行氧化，以生成二氧化碳。因此，其中CO被進一步減少的所述已重整氣體被作為用于陽極電極的燃料氣體另外供給給燃料電池主單元20。
按照這種方式，所述富氫已重整氣體被作為燃料氣體供給給所述燃料電池主單元20的陽極電極。另一方面，將空氣從陰極空氣供給器5供給給陰極電極，如上所述。
在燃料電池主單元20中，利用陽極電極中的催化劑來對氫氣進行電離，并且由此分離為質(zhì)子和電子。經(jīng)由固態(tài)聚合電離膜將質(zhì)子傳導(dǎo)到陰極電極。經(jīng)由外部電路將所述電子傳導(dǎo)到陰極電極。在這個陰極電極中，由質(zhì)子、電子和氧氣來發(fā)生水生成反應(yīng)(water-generatingreaction)。
另一方面，由于經(jīng)由外部電路的電子流動(電流)，所以可以得到DC能量。也就是，實現(xiàn)在燃料電池主單元20中的發(fā)電。
(凈化處理)接著，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)1的操作停止時，則隨著來自所述原燃料供給器2的原燃料的供給停止，燃料處理系統(tǒng)10執(zhí)行凈化處理來凈化(排出)殘余氣體。
本實施例中的燃料處理系統(tǒng)10利用控制器31的氣體流通控制，來使水蒸汽作為凈化氣體沿正向方向(與已重整氣體的方向相同的方向)流動，并且隨后使得空氣作為凈化氣體沿相反方向流動。所述空氣的這種供給使得能夠移除來自用于凈化殘余氣體的水蒸汽的水材料。
在下文中，將會參照圖3描述在所述凈化處理期間進行的氣體流通控制。
其中，本實施例的燃料處理系統(tǒng)10具有廢氣處理單元16，該廢氣處理單元16處理待凈化的殘余氣體(例如，移除氧化硫)，如圖3所示。
在所述凈化處理中，所述控制器31首先打開電操作閥V39，以引入來自水蒸汽產(chǎn)生器3的水蒸汽，并且經(jīng)由管道P2使所述水蒸汽流到重整反應(yīng)器12。同時，所述控制器31打開電操作閥V35，經(jīng)由管道P5、P6、P7和P10使所述水蒸汽沿正向方向(由實線指示的方向)從重整反應(yīng)器12流出。
應(yīng)該注意的是，由于所述操作停止，所以控制器31控制電操作閥V32和V36進入阻斷狀態(tài)。
因此，使所述水蒸汽作為凈化氣體流動，使得所述殘余氣體被凈化到廢氣處理單元16，同時冷卻所述重整反應(yīng)器12、CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13和CO選擇性氧化反應(yīng)器14。
接著，控制器31打開電操作閥V37和V40，使得經(jīng)由管道P8和P5，使來自空氣供給器4的空氣沿相反方向流到重整反應(yīng)器12。也就是，空氣通過重整反應(yīng)器12，并且經(jīng)由管道P3和電操作閥V40沿相反方向(由點狀線指示的方向)流動。
應(yīng)該注意的是，來自空氣供給器4的空氣在管道P5上分支，以流到CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13、CO選擇性氧化反應(yīng)器14和管道P10。
因此，首先是使所述水蒸汽沿著正向方向作為凈化氣體流動，使得可以凈化殘余氣體，同時冷卻重整反應(yīng)器12、CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13和CO選擇性氧化反應(yīng)器14。
此外，使空氣沿相反的方向作為凈化氣體流動，使得來自所述水蒸汽的水材料尤其在重整反應(yīng)器12中被移除，并且所述殘余氣體被凈化。其中，使空氣沿相反方向流動，使得可以阻止硫中毒的擴散，在硫中毒的擴散中，由重整反應(yīng)器12的催化劑吸收的硫化合物被擴散到CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13、CO選擇性氧化反應(yīng)器14等。
也就是，使空氣作為凈化氣體沿相反方向流動，由此使得可能由于重整反應(yīng)器12的催化劑吸收的硫化合物與氧氣之間的反應(yīng)，而恢復(fù)催化劑的活性。而且，所述硫中毒可以被阻止在燃料處理系統(tǒng)10中擴散。并且因此可以延長所述設(shè)備的壽命。
(本實施例的效果)其中，參照圖4(A)到4(C)具體描述本實施例中的凈化處理的效果。
圖4(A)示出了指示在與重整反應(yīng)器12相關(guān)的催化劑層上的硫中毒的實驗結(jié)果。圖4(B)示出了與一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13有關(guān)的實驗結(jié)果。圖4(C)示出了與一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14有關(guān)的實驗結(jié)果。
在圖中，曲線400指示在發(fā)電之后的硫中毒量，而曲線401指示在使水蒸汽和空氣沿正向方向流動時的硫中毒量。曲線402指示在使空氣作為凈化氣體在本實施例的凈化處理中沿相反方向流動時的硫中毒量。應(yīng)該注意的是，垂直軸和水平軸是基于任意單位的。
如同從這些圖形可以理解的，不管是使所述水蒸汽和空氣沿正向方向流動還是沿相反方向流動，在所述發(fā)電之后的催化劑層的硫濃度分布都相對地指示了一個降低量。所述降低量在入口端附近特別顯著。這意味著中毒的催化劑中吸收的硫被移除且催化劑被激活(下文中，這個結(jié)果被稱為“催化劑激活現(xiàn)象”)。
另外，根據(jù)激活的催化劑和中毒的催化劑的研究活動，已經(jīng)確認的是通過移除硫，可以在重整反應(yīng)器12的催化劑和一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13的催化劑中恢復(fù)催化能力。
而且，空氣對催化劑激活現(xiàn)象的貢獻要多于水蒸汽。
當(dāng)使所述空氣和水蒸汽沿正向方向流動時，產(chǎn)生一個區(qū)域，其中所述硫濃度分布指示中途的量高于在發(fā)電之后的量，如圖4(A)和4(B)中可以明顯看出。這意味著，在發(fā)電之后還未處于中毒狀態(tài)的催化劑由于沿正向方向的凈化而中毒(在下文中，這個結(jié)果被稱為“中毒擴散現(xiàn)象”)。
具體地，從圖4(C)中可見，在發(fā)電之后一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14的少量催化劑中毒，但是如果沿正向方向執(zhí)行所述凈化，則幾乎所有催化劑(從入口端到出口端的催化劑)中毒，同時如果使所述凈化沿相反方向流動，則催化劑的中毒很難被檢測到。
而且，從圖4(A)到4(C)的所有圖中，應(yīng)該理解的是硫濃度分布指示在使所述水蒸汽和空氣沿相反方向流動時的濃度量要小于使所述水蒸汽和空氣沿正向方向流動時的濃度量(在下文中，這個結(jié)果被稱為“中毒擴散阻止現(xiàn)象”)。
其中，將要描述其中使凈化氣體沿正向方向流動的情形，該凈化氣體是水蒸汽和空氣。
如果使水蒸汽和空氣流動，由于水蒸汽和空氣中包含的氧氣，重整反應(yīng)器12、一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13和一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14中吸收的硫?qū)⒊蔀槎趸?SO2)，由此暴露出金屬活動點(催化劑激活現(xiàn)象)。
如果此時二氧化硫與水蒸汽和空氣一起沿正向方向流動，則二氧化硫的一部分被其中已經(jīng)移除硫的下游催化劑以及未被初始中毒的催化劑吸收，由此產(chǎn)生中毒擴散。
即使由此使水蒸汽和空氣沿正向方向流動，所述催化劑激活現(xiàn)象也會發(fā)生，但是在正向方向的情況下，水蒸汽和空氣從硫濃度高的部分流到硫濃度低的部分。因此，已激活的催化劑再次中毒的可能性增加，使得在所有反應(yīng)器中，比如重整反應(yīng)器12、一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13和一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14，已中毒的催化劑的量高于激活的催化劑的量。因此，認為所述中毒被擴散，且催化劑激活現(xiàn)象的效果降低。
而且，在使水蒸汽和空氣如同先前沿正向方向流動時，冷卻效率低，其理由被認為如下。
也就是，重整反應(yīng)器12的反應(yīng)溫度是大約300℃到850℃。一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13的反應(yīng)溫度是大約200℃到300℃。一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14的反應(yīng)溫度是大約100℃到200℃。燃料電池主單元20的反應(yīng)溫度是大約50℃到100℃。也就是，沿著燃料電池主單元20的方向反應(yīng)溫度降低。
因此，當(dāng)使水蒸汽和空氣沿著正向方向流動時，它們從高溫側(cè)流到低溫側(cè)，從而冷卻效率降低。
例如，假定一種情形，在該情形中，水蒸汽冷卻重整反應(yīng)器12，并且隨后流到一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13。如果重整反應(yīng)器12的溫度為800℃，則已經(jīng)冷卻重整反應(yīng)器12且達到高溫度的水蒸汽流入處于大約300℃的一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13。因此，出現(xiàn)一種情形，在該情形中，一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13不能被充足地冷卻，并且一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13反而被加熱，導(dǎo)致冷卻效率降低。
根據(jù)上述結(jié)果，在本實施例中，在使空氣沿正向方向流動后，使作為凈化氣體的空氣沿相反方向流動，使得不僅可以凈化殘余氣體，而且可以防止中毒擴散，恢復(fù)催化能力和改進冷卻效率。
具體而言，在執(zhí)行被稱為每天開停操作(DSS操作)的操作的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1中，在延長所述系統(tǒng)的壽命方面存在顯著的效果，其中在DSS操作中每天重復(fù)打開和停止。
此外，由于由此可以激活催化劑，可以補償已經(jīng)被認為對硫中毒非常敏感的催化劑的貴重金屬催化劑的弱點。并且可以增加在選擇催化劑時的自由度。
而且，迄今為止，已經(jīng)成為必要的是使用具有高脫硫能力的貴重脫硫器11，以便防止硫中毒。然而，由于催化劑的激活行為，可以使用廉價的脫硫器11，并且降低燃料電池發(fā)電系統(tǒng)1的成本。
此外，由于冷卻效率方面的改進，冷卻所需要的水蒸汽等的量減少，并且可以實現(xiàn)能量節(jié)省。
應(yīng)該注意的是，在本實施例中，電操作閥被假定為氣體通道控制部件，但是氣體通道控制部件還可以是手動操作閥。然而，在手動操作閥的情況下，控制器31是不必要的。
此外，在本實施例中，在引入水蒸汽后開始引入空氣，并且這是因為如果空氣混入易燃氣體中，則會危險。因此，可以在一個點上開始引入空氣，在該點上，由于殘余氣體和空氣之間的反應(yīng)而造成風(fēng)險降低。在此點上引入空氣使得可以減少從水蒸汽凝結(jié)的水的量，并且可以在較短的時間內(nèi)完成廢氣的處理。
而且，認為利用氧氣進行的催化劑激活更容易發(fā)生在較高的溫度，并且如果在空氣的流動不包含風(fēng)險時且在催化劑的溫度不是足夠低時引入空氣，則催化劑可以被有效地激活。
舉例而言，在重整反應(yīng)器12中，此種溫度的范圍是200℃到900℃。在一氧化碳轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13中，此種溫度的范圍是大約為100℃到550℃。在一氧化碳選擇性氧化反應(yīng)器14中，此種溫度的范圍是80℃到250℃。
此外，在本實施例中，在已經(jīng)由廢氣處理單元16根據(jù)所述凈化處理進行處理后，所述殘余氣體被釋放進空氣中。在這種情況下，可以設(shè)置此種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，經(jīng)由重整燃燒器15將所述殘余氣體輸送到廢氣處理單元16。
(替換實施例)圖5是說明根據(jù)一個替換實施例的燃料處理系統(tǒng)10的凈化處理的示圖。在本實施例的凈化處理中，使水蒸汽與空氣一起作為凈化氣體沿著相反方向流動。
應(yīng)該注意的是，同樣的數(shù)字用于與圖3中相同的組件，并且所述組件的說明被近似省略。
在本實施例的結(jié)構(gòu)中，圖3中的電操作閥V35和管道P10被省略，并且電操作閥V41和V42以及管道P11被添加，如圖5中所示。
在此種結(jié)構(gòu)中，將會描述凈化處理，在該凈化處理中，使水蒸汽和空氣流動來凈化殘余氣體。
首先，圖2中示出的控制器31打開圖5中示出的電操作閥V39、V41、V42和V40，以引入來自水蒸汽產(chǎn)生器3的水蒸汽。也就是，控制器31使水蒸汽經(jīng)由管道P11和電操作閥V41沿相反方向(由實線指示的方向)流到重整反應(yīng)器12。
此外，控制器31使水蒸汽經(jīng)由管道P11和電操作閥V42沿相反方向(由實線指示的方向)流到CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13。
應(yīng)該注意的是，由于所述操作停止，所以控制器31控制電操作閥V32和V36進入阻斷狀態(tài)。
因此，使所述水蒸汽作為凈化氣體流動，使得所述殘余氣體被凈化到廢氣處理單元16，同時冷卻重整反應(yīng)器12和CO轉(zhuǎn)移反應(yīng)器13。
接著，控制器31打開電操作閥V37和V40來使來自空氣供給器4的空氣經(jīng)由管道P8和P5，沿相反方向流到重整反應(yīng)器12。也就是，空氣通過重整反應(yīng)器12，并且經(jīng)由管道P3和電操作閥V40，沿相反方向流動。
因此，在本實施例的所述結(jié)構(gòu)中，按照如空氣相同的方式，使作為凈化氣體的水蒸汽沿相反方向流動。因此，如上所述，不僅可以凈化殘余氣體，而且可以防止中毒擴散，并且激活所述催化劑。因此，可以延長燃料處理系統(tǒng)10的壽命，改善冷卻效率，并且由于冷卻所需要的水蒸汽等中的降低而節(jié)省能量。
另外，在上述實施例和替換實施例中已經(jīng)描述了其中水蒸汽和空氣的組合用作凈化氣體的情形。然而，如上所述，可以應(yīng)用水蒸汽、空氣和惰性氣體的組合，應(yīng)用水蒸汽和惰性氣體的組合，應(yīng)用惰性氣體和空氣的組合，或者燃燒廢氣作為凈化氣體。
工業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)，燃料被供給到燃料電池或燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，并且確保在所述操作停止時殘余氣體被凈化。
權(quán)利要求
1.一種燃料處理系統(tǒng)，包括反應(yīng)器，該反應(yīng)器引入原燃料，將所述原燃料轉(zhuǎn)化為富氫已重整氣體，并且供給該富氫已重整氣體；凈化氣體供給裝置，用于供給凈化氣體來凈化所述反應(yīng)器中的殘余氣體；以及流通控制裝置，用于在包括所述反應(yīng)器的氣體通道中，沿所述已重整氣體的正常流動方向的相反方向流通從所述凈化氣體供給裝置供給的所述凈化氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中，所述凈化氣體包括水蒸汽、空氣、惰性氣體或燃燒廢氣中的至少一種，該燃燒廢氣是通過燃燒所述已重整氣體或所述原燃料而獲得的。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料處理系統(tǒng)，其中，所述凈化氣體供給裝置供給包含水蒸汽的第一凈化氣體和包含空氣的第二凈化氣體；以及所述流通控制裝置進行控制以沿與所述已重整氣體的正常流動方向相同的方向流通所述第一凈化氣體，以及沿與之相反的方向流通所述第二凈化氣體。
4.如權(quán)利要求1或2所述的燃料處理系統(tǒng)，其中，按照連接多種反應(yīng)器的方式配置所述反應(yīng)器，所述多種反應(yīng)器包括將所述原燃料轉(zhuǎn)化為所述已重整氣體的重整反應(yīng)器；以及所述流通控制裝置進行控制以將來自所述各個反應(yīng)器的連接的所述凈化氣體供給給所述各個反應(yīng)器。
5.如權(quán)利要求1到4中任何一個權(quán)利要求所述的燃料處理系統(tǒng)，具有廢氣處理單元，用于排出包含由所述流通控制裝置從所述氣體通道排出的所述殘余氣體的廢氣，所述廢氣處理單元凈化所述廢氣，并且隨后排出所述廢氣。
6.如權(quán)利要求1到5中任何一個權(quán)利要求所述的燃料處理系統(tǒng)應(yīng)用于燃料電池，該燃料電池使用所述已重整氣體作為燃料來產(chǎn)生電能。
7.如權(quán)利要求1到6中任何一個權(quán)利要求所述的燃料處理系統(tǒng)，其中，所述流通控制裝置被設(shè)置在所述氣體通道中的多個地方，并且包括控制所述氣體的阻斷或通過的閥。
8.一種燃料處理系統(tǒng)的操作方法，該燃料處理系統(tǒng)具有反應(yīng)器，該反應(yīng)器引入原燃料，將所述原燃料轉(zhuǎn)化為富氫已重整氣體，并且供給該富氫已重整氣體；以及凈化氣體供給裝置，用于供給凈化氣體來凈化所述反應(yīng)器中的殘余氣體；所述方法包括當(dāng)所述原燃料的供給停止時，將所述凈化氣體引入包括所述反應(yīng)器的氣體通道；以及執(zhí)行流通控制以沿與所述已重整氣體的正常流動方向相反的方向流通所述凈化氣體。
9.如權(quán)利要求8所述的所述燃料處理系統(tǒng)的操作方法，其中所述凈化氣體包括包含水蒸汽的第一凈化氣體和包含空氣的第二凈化氣體；當(dāng)所述原燃料的供給停止時，所述第一和第二凈化氣體被引入所述氣體通道；所述第一凈化氣體沿與所述已重整氣體的正常流動方向相同的方向流通；以及流通控制被執(zhí)行以沿所述相反方向流通所述第二凈化氣體。
10.如權(quán)利要求8或9所述的所述燃料處理系統(tǒng)的操作方法，其中，所述燃料處理系統(tǒng)包括廢氣處理單元，該廢氣處理單元用于處理包括從所述氣體通道排出的所述殘余氣體的廢氣，并且將所述廢氣排出到外部；以及在所述廢氣被排出到外部時，所述廢氣是在所述廢氣處理單元中進行凈化后進行排出的。
全文摘要
公開了一種燃料處理系統(tǒng)10，用于向燃料電池主單元20供給富氫氣體。當(dāng)所述原燃料的供給停止時，所述燃料處理系統(tǒng)10執(zhí)行凈化處理來使水蒸氣作為凈化氣體沿正向方向流動，并且使得空氣沿相反方向流動。利用此種凈化處理來凈化所述設(shè)備中的殘余氣體。
文檔編號H01M8/06GK1823005SQ20048002029
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者宮原秀夫, 新井康弘, 田中正俊, 久世達也, 原田亮 申請人:東芝燃料電池動力系統(tǒng)公司