[发明专利]氢系统和启动氢系统的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括氢发生器和氢消耗器的氢系统，以及启动这样 氢系统的方法。

更具体地说，本发明涉及一种使用或不使用产生热能，都产生电能 的装置和方法。本发明基于产生电能和/或热量的结合，其中氢消耗器可 包括用来自于自热重整器的处理气体操作的高温PEM燃料电池，该重整 器使用液态烃燃油、柴油、生物燃料或其他适合液态燃料的燃料。本发 明可用作APU系统和/或热电联产。术语PEM燃料电池是指质子交换膜 燃料电池，它使用氢燃料和优选来自空气的氧气，以产生电力。除了包 括燃料电池，氢消耗器还可包括其他设备形式，如氨生产或需要氢和/或 一氧化碳和/或二氧化碳的其他工艺设备。

背景技术

当氢生成系统与燃料电池一起使用时，HT-PEM燃料电池比标准 PEM燃料电池具有一些优点。将液态燃料重整为合成气/重整气的重整器 与高温PEM燃料电池的组合优于现有技术的在低温下工作的燃料电池， 因为高温PEM电池中的膜比PEM燃料电池中的膜更抗一氧化碳(CO)。 与实际不耐CO、而需要引入去除该气体组分的严格措施的低温PEM电 池相比，这是非常有利的。除了水移反应堆，这可为去除/氧化重整原料 中CO的初始氧化(也称为SelOx，选择性氧化)，以防止CO破坏PEM 燃料电池。这些措施难以控制，从而导致更高的成本(例如需要两个以 上的催化剂)。

已知PEM燃料电池系统的一个缺点是，由于它们有较高的操作温度， 在其冷启动时从而需要更长时间来将燃料电池系统加温到它的操作温 度。现有技术的已知HT-PEM燃料电池系统需要45分钟以上来加温，其 在需要更短启动时间的许多应用中会成为严重的缺陷。

本发明由此总的涉及一种方法，用于减少氢系统启动所需时间，特 别是其氢消耗器包括燃料电池(尤其为HT-PEM燃料电池)的氢系统， 并涉及适于实现更有效的启动过程这样的氢系统。

该类型的燃料电池重整器从US2005/0095544A1中已知。该公开文本 披露了启动重整器的一种方法。但是，该重整器仅为启动过程中需要加 温的HT-PEM燃料电池系统的一部分，且该公开文本并未披露如何加快 系统的其余部分的加温。

发明内容

因此，本发明的目的是向整个氢系统提供有效启动过程，且提供布 置为使得可执行更快的启动过程(即到达氢系统操作温度所化时间)的 氢系统。

这根据如所附的独立权利要求1、16和18限定的本发明来实现。本 发明进一步的实施方式由独立权利要求来限定。

以下我们使用重整气一词来表示气体混合物，其主要包括氢，但还 包括一定量的CO、CO₂、N₂和H₂O。应该理解的是，重整气的来源是重 整器中的重整处理，但当氢系统操作时，重整气在经过氢系统时，重整 气的确切成分可变化。此外，当本申请提及氢时，在大多数情况下也会 存在一定量的CO，尽管可能没有明确提及。

提供了一种氢系统，包括重整器，在重整器中重整蒸发烃燃料以产 生含氢重整气，以及氢消耗器，重整器和氢消耗器布置成流体连通，使 得重整气可送至氢消耗器，氢消耗器在使用时消耗由重整器产生的至少 部分氢，该氢系统还包括：

-尾气燃烧器，其布置成使得它流体连通氢消耗器和第一换热器，该 尾气燃烧器在使用时燃烧氢消耗器的尾气中剩余的重整气，从而产生经 过第一换热器的废气；

-至少一个空气泵，其布置成使得它流体连通重整器和尾气燃烧器， 所述至少一个空气泵在使用时向所述重整器和尾气燃烧器供应空气；

-水泵，其布置成使得它流体连通第一换热器及其后的重整器，水泵 在使用时向第一换热器送水，其中，尾气燃烧器的废气中所含热能用来 产生蒸汽，该蒸汽被送至重整器。

氢消耗器可提供有旁路流体管线，使得重整气可绕过氢消耗器。如 果氢消耗器的部件被重整气破坏的话，这是有用且必要的。如果氢消耗 器包括其膜不耐一氧化碳CO的燃料电池的话，这可能成为事实。因此可 能需要在启动阶段旁通重整气，直到燃料电池的温度达到膜耐受CO的温 度。在启动过程中，在任何情况下都需要旁通至少一些重整气，并将它 送至可发热的尾气燃烧器，使得系统的其余部分也可加温。