專利名稱：燃料處理器及其運(yùn)行方法和具有該處理器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料處理器，其包括利用氣體燃料或液體燃料產(chǎn)生用于燃料電池的氫的重整器、用于降低由重整器產(chǎn)生的副產(chǎn)品的CO的濃度的轉(zhuǎn)換反應(yīng)器、及優(yōu)選氧化(PROX)反應(yīng)器。更具體地說，涉及一種具有用于重整器的可移動(dòng)燃燒器的燃料處理器。本發(fā)明還涉及這種燃料處理器的運(yùn)行方法和具有這種燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種通過氧和包含在如甲醇、乙醇或天然氣之類的烴類材料中的氫之間的化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電系統(tǒng)。
燃料電池系統(tǒng)包括作為主要部件的燃料電池堆和燃料處理器，以及作為輔助部件的燃料箱和燃料泵。燃料電池堆具有由幾個(gè)到幾十個(gè)單元電池疊置的結(jié)構(gòu)，其中，每一單元電池包括膜電極組件(MEA)和隔板。
燃料處理器通過重整燃料產(chǎn)生氫，并將所產(chǎn)生的氫供給燃料電池堆。在燃料電池堆中，氫與氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電能。燃料處理器利用催化劑對碳?xì)浠衔镞M(jìn)行重整。若碳?xì)浠衔锖辛虻幕衔?，催化劑很容易因?yàn)榱虻幕衔锒卸?。因此，在燃料處理器中對碳?xì)浠衔镞M(jìn)行處理之前，需要從碳?xì)浠衔镏谐チ虻幕衔?。?jù)此，在碳?xì)浠衔锉凰腿肴剂咸幚砥髦?，?yīng)對碳?xì)浠衔镞M(jìn)行脫硫處理。
對碳?xì)浠衔镞M(jìn)行重整時(shí)產(chǎn)生氫，同時(shí)也產(chǎn)生二氧化碳和少量一氧化碳(CO)。而CO可使燃料電池堆中電極的催化劑層的催化劑中毒。因此，在將燃料供給燃料電池堆前必需使重整后的燃料經(jīng)過去除CO的工藝處理。可將供給燃料電池堆的燃料中的CO含量減少到低于10ppm。
通常，可利用高溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)(shift reaction)和低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)式1去除CO。
CO+H2O→CO2+H2
高溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)在400至500℃的溫度下進(jìn)行，而低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)在200至300℃下進(jìn)行。但是，雖然燃料經(jīng)過了這些轉(zhuǎn)換反應(yīng)，燃料中的CO濃度仍保持在約5000ppm的水平。
為了將CO的濃度降低到10ppm的水平，可利用PROX{優(yōu)選氧化(preferential oxidation)}反應(yīng)(反應(yīng)2)和甲烷反應(yīng)(反應(yīng)3)。
CO+1/2O2→CO2[反應(yīng)3]CO+3H2→CH4+H2O圖1示出了包括燃料處理器的傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的配置。
參考圖1，在使用氣體燃料的燃料電池系統(tǒng)中，氣體燃料從氣體燃料箱10被供給重整器40和重整器燃燒器30。由于城市煤氣中含硫，進(jìn)入重整器40的如城市煤氣之類的氣體燃料需要脫硫器14以便脫硫。經(jīng)過脫硫器14的城市煤氣的含硫量應(yīng)低于10ppm。
重整器燃燒器30加熱重整器40，以將重整器40維持在約750℃的溫度。由重整器燃燒器30燃燒的氣體通過第一和第二熱交換器71和72被排放到外側(cè)。
液體泵22將來自水箱20的水供給重整器40。由液體泵22供給重整器40的水經(jīng)過第一和第二熱交換器71和72時(shí)預(yù)熱。
在重整器40中，隨著氫一道產(chǎn)生一氧化碳。轉(zhuǎn)換反應(yīng)器60將產(chǎn)生的燃料中的CO濃度降低到預(yù)定水平，例如，降到5000ppm或更低，而且燃料中的CO濃度在PROX反應(yīng)器65處被降到低于10ppm，然后將經(jīng)過PROX反應(yīng)器65的燃料供給燃料電池堆50。
重整器燃燒器30對重整器40進(jìn)行加熱，同時(shí)利用燃燒氣體使轉(zhuǎn)換反應(yīng)器60的溫度保持在預(yù)定溫度，例如，保持在250℃。重整器燃燒器30加熱燃燒室的內(nèi)部空間(見圖2)和連結(jié)在燃燒室表面上的重整器。通常，重整器燃燒器30被固定于燃燒室處。
但是，當(dāng)供給燃料電池堆50的氫量增加時(shí)，由于重整器40中負(fù)載增加，重整器40的溫度降低。因此，為了保持重整器40的溫度處于預(yù)定溫度，使供給重整器燃燒器30的燃料量增加。重整器燃燒器30中的燃料量的增加使火焰范圍增大，而火焰范圍增大可能損壞燃燒室。同時(shí)，供給重整器燃燒器30的燃料量的增加可能導(dǎo)致燃燒室內(nèi)燃燒效率降低。
此外，若供給燃料電池堆50的氫量減少，則重整器燃燒器30的負(fù)載減小。據(jù)此，供給重整器燃燒器30的燃料量減少。然而，若重整器燃燒器30在燃燒室中的位置不是最合適的話，不能有效地將熱量傳給重整器催化劑，由此可降低燃燒室內(nèi)的燃燒效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器，以提高燃燒室中的燃燒效率，并根據(jù)燃料處理器的重整器的條件通過移動(dòng)重整器燃燒器的位置來保護(hù)燃燒室免受火焰的影響。
本發(fā)明的另一目的是提供一種運(yùn)行所述燃料處理器的方法。
本發(fā)明的又一目的是提供一種具有所述燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器，其包括燃燒室；一部分被設(shè)置在燃燒室內(nèi)側(cè)的重整器燃燒器；被燃燒室的熱量加熱的重整器；及使重整器燃燒器相對于燃燒室移動(dòng)的燃燒器移動(dòng)裝置。
燃燒器移動(dòng)裝置可以是使重整器燃燒器相對于燃燒室作線性運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)裝置。
本燃料處理器還可包括用于測量燃燒室中靠近重整器燃燒器火焰的區(qū)域的溫度的溫度傳感器，以及根據(jù)溫度傳感器檢測到的溫度利用燃燒器移動(dòng)裝置移動(dòng)重整器燃燒器的控制器。
此燃料處理器還包括燃燒室處的燃燒器孔一側(cè)的燃燒氣體出口。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種運(yùn)行具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器的方法，所述燃料處理器包括燃燒室；一部分被安裝在燃燒室內(nèi)部的重整器燃燒器；被燃燒室的熱量加熱的重整器；及使重整器燃燒器相對于燃燒室移動(dòng)的燃燒器移動(dòng)裝置。
所述方法包括在正常的運(yùn)行條件下根據(jù)測得的靠近重整器燃燒器的火焰的區(qū)域的溫度控制燃燒室中重整器燃燒器的位置。
當(dāng)檢測到的溫度高于預(yù)定溫度時(shí)，可使重整器燃燒器從燃燒室向后移動(dòng)，而當(dāng)檢測到的溫度低于所述預(yù)定溫度時(shí)，則使其相對于燃燒室向前移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種具有所述燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)。


通過參考附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，本發(fā)明所述的和其他的特點(diǎn)和優(yōu)越性將更加清晰。附圖中圖1為傳統(tǒng)的具有燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)的配置圖；圖2示意地示出了本發(fā)明一實(shí)施方式的具有可移動(dòng)的重整器燃燒器的燃料處理器的一部分；圖3的曲線示出了根據(jù)燃燒室內(nèi)重整器燃燒器的位置圖2所示的燃料處理器中的燃燒室的燃燒效率情況；圖4為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的圖2所示的燃料處理器的運(yùn)行方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的附圖更全面地描述本發(fā)明。
圖2示意地示出了本發(fā)明一實(shí)施方式的具有可移動(dòng)的重整器燃燒器30的燃料處理器的一部分。圖中與圖1所示相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，而且在此不再贅述。
將重整器40安裝成與燃燒室90的表面接觸。重整器40被形成為連結(jié)于燃燒室90的表面上，當(dāng)然本發(fā)明不限于此，也就是說，可將重整器40形成為圍繞燃燒室90或形成于燃燒室90的上部。重整器燃燒器30可借助于燃燒器移動(dòng)裝置92穿過燃燒器孔90a相對于燃燒室90上下垂直移動(dòng)。燃燒器移動(dòng)裝置92可以是如直流電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、或電力致動(dòng)裝置之類被精確控制的裝置。
可在燃燒室90上形成氣體出口以排放燃燒氣體。該氣體出口可形成在燃燒器孔90a的一側(cè)，使燃燒氣體可以有效地加熱燃燒室90的內(nèi)部空間。
可在重整器40處安裝第一溫度傳感器94以檢測重整器40的溫度?？稍谌紵?0上與重整器燃燒器30的火焰接觸之處安裝第二溫度傳感器95。第一和第二溫度傳感器94和95可以是熱電偶，其可檢測從室溫到1300℃范圍內(nèi)的溫度?？蓪⒌谝粶囟葌鞲衅靼惭b在重整器40內(nèi)側(cè)。
本發(fā)明的燃料處理器包括控制器96，其通過根據(jù)接收到的來自第一和第二溫度傳感器94和95的溫度信息操作燃燒器移動(dòng)裝置92而使重整器燃燒器30相對于燃燒室90沿垂直方向移動(dòng)。
圖3的曲線示出了根據(jù)重整器燃燒器30在燃燒室90內(nèi)的位置所述燃燒室90內(nèi)的燃燒效率。
參考圖3，當(dāng)重整器燃燒器30從燃燒室90(第一位置)向后移動(dòng)且重整器40具有低負(fù)載時(shí)，燃燒效率很低。在同樣負(fù)載的情況下，當(dāng)重整器燃燒器30朝內(nèi)移進(jìn)燃燒室90(第二位置)時(shí)，燃燒效率得到提高。
這里，燃燒效率表示在重整器40內(nèi)產(chǎn)生的熱量(氫的量乘以氫的比熱值)與輸入重整器40和重整器燃燒器30內(nèi)的總熱量之比。
負(fù)載表示每小時(shí)產(chǎn)生的氫的量。
當(dāng)重整器40的負(fù)載增加時(shí)，重整器40和重整器燃燒器30內(nèi)的燃料消耗增加，而當(dāng)重整器燃燒器30位于第一位置時(shí)熱效率大幅增加。當(dāng)重整器燃燒器30位于第二位置時(shí)，根據(jù)負(fù)載熱效率的增長較小，但總的熱效率與當(dāng)重整器燃燒器30位于第一位置時(shí)相比要高，明確地說，處于第二位置的熱效率比處于第一位置的熱效率高得多。
重整器燃燒器30可根據(jù)由溫度傳感器94和95所測到的溫度與溫度傳感器94和95所設(shè)定的溫度之間的溫差移動(dòng)。這可保護(hù)燃燒室90使其免受重整器燃燒器30的火焰的影響而發(fā)生熱變形，因而在燃燒室90內(nèi)可獲得最佳燃燒效率。所述第一和第二位置為相對位置，它們可根據(jù)燃燒室90的尺寸、燃燒室90的材料、和使用的燃料類型而改變。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的圖2所示的燃料處理器的運(yùn)行方法流程圖。
根據(jù)第一溫度傳感器94檢測的溫度將燃料供給重整器燃燒器30。在最合適的運(yùn)行條件下，利用第二溫度傳感器95測量燃燒室90中緊靠重整器燃燒器30的火焰的區(qū)域的溫度(步驟201)。
確定步驟201中所測到的溫度是否高于預(yù)定的第一溫度(步驟202)。該第一溫度可根據(jù)燃燒室90的材料而改變。
作為步驟202的結(jié)果，若測得的溫度高于第一溫度，利用燃燒器移動(dòng)裝置92使重整器燃燒器30向后移動(dòng)一段預(yù)定距離(步驟203)。然后執(zhí)行步驟201。
在步驟202中，若測得的溫度低于第一溫度，確定測得的溫度是否低于比第一溫度低的第二溫度(步驟204)。
在步驟204中，若測得的溫度低于第二溫度，利用所述燃燒器移動(dòng)裝置92使重整器燃燒器30向前移動(dòng)一段預(yù)定距離(步驟205)。然后，執(zhí)行步驟201。
在步驟204中，如果測得的溫度高于第二溫度，則執(zhí)行步驟201。
本發(fā)明的具有可移動(dòng)的重整器燃燒器的燃料處理器可保護(hù)燃燒室免受重整器燃燒器火焰的損壞，并可通過移動(dòng)重整器燃燒器將重整器的溫度控制在最適宜的條件下。因此，這種具有可移動(dòng)的重整器燃燒器的燃料處理器可提高重整器燃燒器的燃燒效率并能保護(hù)燃燒室。
雖然參考本發(fā)明的示例性實(shí)施方式已具體示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，在不超出本發(fā)明的構(gòu)思和由所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的前提下，可在形式和細(xì)節(jié)上作出各種變換。
權(quán)利要求
1.一種具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器，其包括燃燒室；一部分被設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)側(cè)的重整器燃燒器；被所述燃燒室的熱量加熱的重整器；及使所述重整器燃燒器相對于所述燃燒室移動(dòng)的燃燒器移動(dòng)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中，所述燃燒器移動(dòng)裝置是使所述重整器燃燒器相對于所述燃燒室作線性運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中，還包括測量所述燃燒室中靠近所述重整器燃燒器的火焰的區(qū)域的溫度的溫度傳感器；及根據(jù)所述溫度傳感器檢測到的溫度利用所述燃燒器移動(dòng)裝置移動(dòng)所述重整器燃燒器的控制器。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中，還包括在所述燃燒室處的燃燒器孔一側(cè)上的燃燒氣體出口。
5.一種具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器的運(yùn)行方法，該燃料處理器包括燃燒室；一部分被設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)側(cè)的重整器燃燒器；被所述燃燒室的熱量加熱的重整器；及使所述重整器燃燒器相對于所述燃燒室移動(dòng)的燃燒器移動(dòng)裝置，所述方法包括在正常的運(yùn)行條件下根據(jù)測得的靠近所述重整器燃燒器的火焰的區(qū)域的溫度控制所述燃燒室中所述重整器燃燒器的位置。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，當(dāng)所述檢測到的溫度高于預(yù)定溫度時(shí)所述重整器燃燒器從所述燃燒室向后移動(dòng)，而當(dāng)所述檢測到的溫度低于所述預(yù)定溫度時(shí)，其相對于所述燃燒室向前移動(dòng)。
7.一種具有如權(quán)利要求1所述的燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有可移動(dòng)的燃燒器的燃料處理器，其包括燃燒室、一部分被設(shè)置在燃燒室內(nèi)側(cè)的重整器燃燒器、被燃燒室的熱量加熱的重整器、使重整器燃燒器相對于燃燒室移動(dòng)的燃燒器移動(dòng)裝置。本發(fā)明還公開了這種燃料處理器的運(yùn)行方法及具有這種燃料處理器的燃料電池系統(tǒng)。采用本發(fā)明的具有可移動(dòng)的重整器燃燒器的燃料處理器可提高重整器燃燒器的燃燒效率并能保護(hù)燃燒室。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101079491SQ20071000179
公開日2007年11月28日 申請日期2007年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者李弦哲, 金純澔, 李斗煥, 李康熙 申請人:三星Sdi株式會(huì)社