專利名稱：用于燃料電池動力設(shè)備中的燃料脫硫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的脫硫系統(tǒng)，該脫硫系統(tǒng)用于對原始烴類燃料流進行脫硫，從而使該燃料適于在移動的車用燃料電池動力設(shè)備組件中使用。更具體地講，根據(jù)本發(fā)明的脫硫系統(tǒng)可用于將原燃料蒸汽中的有機硫化合物清除至一定程度，從而避免燃料電池動力設(shè)備組件中燃料處理部分的觸媒發(fā)生中毒。
背景技術(shù)：
原燃料，如天然氣、汽油、柴油、粗揮發(fā)油、重油等烴類燃料可能不適于作為燃料電池動力設(shè)備的處理燃料，這是因為這些燃料具有較高含量的天然存在的復(fù)雜有機硫化合物或作為芳香劑添加的硫化合物，如硫醇和硫茂。在有硫存在的情況下生產(chǎn)氫氣會導(dǎo)致對該氫氣產(chǎn)生系統(tǒng)中的所有觸媒產(chǎn)生毒化作用，通常包括燃料電池的陽極觸媒。固定式燃料電池動力設(shè)備中使用的傳統(tǒng)燃料處理系統(tǒng)包括一個如美國專利No.5,516,344所描述的熱蒸汽重整器。在這種燃料處理系統(tǒng)中，通過采用傳統(tǒng)的加氫脫硫技術(shù)進行脫硫，該技術(shù)一般需要依靠在處理過程中進行一定程度的氫氣再循環(huán)。再循環(huán)的氫氣與有機硫化合物相結(jié)合，從而在觸媒床上生成硫化氫。然后生成的硫化氫通過與一個氧化鋅床發(fā)生反應(yīng)生成硫化鋅而被除去。美國專利No.5,292,428對一般的加氫脫硫處理過程進行了詳細說明。盡管這種系統(tǒng)可以有效地在大型固定式應(yīng)用設(shè)備中使用，但由于系統(tǒng)的尺寸、成本以及復(fù)雜程度的原因，該系統(tǒng)不適用于移動的運輸設(shè)備。另外如上所述，被處理的氣體必須使用處理再循環(huán)，從而向氣體流中提供氫氣。
其它的燃料處理系統(tǒng)，如一種傳統(tǒng)的自供熱重整器(該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的熱蒸汽重整器相比，使用較高的工作溫度)，能夠在有前述復(fù)雜有機硫化合物存在的情況下生產(chǎn)出氫氣含量高的氣體，而不需要預(yù)先脫硫。但是當(dāng)使用一個自供熱重整器對含有復(fù)雜有機硫化合物的原燃料進行處理時，會降低自供熱重整器觸媒的效率，同時會縮短該燃料處理系統(tǒng)中其它觸媒的壽命。作為重整處理的一部分，有機硫化合物被轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹?。然后可通過使用一個固體吸收滌氣器(如氧化鐵床或氧化鋅床)，使硫化氫生成硫化鐵或硫化鋅，從而除去該硫化氫。對于將硫在處理組件中的集中程度降低至不會對處于重整器下游的處理組件(如轉(zhuǎn)換器等)中的觸媒產(chǎn)生不良影響的水平的能力而言，前述固體滌氣器系統(tǒng)受到熱動力條件的限制。
或者，也可以使氣體流通過一個液體滌氣器(例如氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨)，從而除去該氣體蒸汽中的硫化氫。液體滌氣器體積和重量都較大，因此僅僅主要用于固定式燃料電池動力設(shè)備中。如前所述，目前用于對燃料電池動力設(shè)備中使用的原燃料蒸汽中含有的復(fù)雜有機硫化合物進行處理的方法會明顯增加燃料處理系統(tǒng)的復(fù)雜程度、體積和重量，因此該方法不適合在移動的運輸系統(tǒng)中使用。
1967年5月16-18日召開的“21世紀動力能源會議”的會刊中(第21-26頁)有一篇H.J.Setzer等人所寫的題為“烴類-空氣系統(tǒng)的脫硫”的文章，該文章涉及燃料電池動力設(shè)備在廣泛的軍事領(lǐng)域內(nèi)的各種不同應(yīng)用。該文描述了使用高鎳含量的氫化觸媒對一種被稱為JP-4的軍用燃料進行脫硫的方法，這種軍用燃料是一種噴氣式發(fā)動機使用的燃料，與煤油類似，經(jīng)過脫硫后，該燃料就可被用作燃料電池動力設(shè)備所需的氫氣源。該文中所述的系統(tǒng)工作在600°F(301℃)至700°F(357℃)的相對較高的溫度范圍內(nèi)。該文還指出，由于反應(yīng)器中存在碳堵塞現(xiàn)象，所以被測試的系統(tǒng)不能夠?qū)渭兊脑剂线M行脫硫，而是必須要加入水或氫氣。碳堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為在大約550°F(274℃)至大約750°F(385℃)的溫度范圍內(nèi)，碳的生成趨勢會急劇上升。如該文所述，工作在600°F(301℃)至700°F(357℃)的溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)極易發(fā)生碳堵塞現(xiàn)象，這正如在該文所述的系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的問題。添加氫氣或蒸汽能夠促使氣態(tài)碳化物的生成，從而降低碳的生成趨勢，因此可以對造成碳堵塞問題的碳的沉積進行限制。
從環(huán)境的角度來講，我們十分希望能夠使用燃料電池發(fā)出的電對車輛(例如汽車)進行電力驅(qū)動；同時希望車用燃料電池動力設(shè)備使用汽油、柴油、粗揮發(fā)油之類的燃料或丁烷、丙烷、天然氣之類的輕烴類燃料以及類似的燃料作為發(fā)電所消耗的原料。為了能夠提供這種車用動力源，燃料氣體中的硫含量必須被降至并保持在低于百萬分之0.05的水平。
對本發(fā)明的簡述本發(fā)明涉及一種未稀釋燃料的處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以大體除去未經(jīng)稀釋的烴類燃料中所有的硫成分，而該燃料用于向移動使用的燃料電池動力設(shè)備提供動力。該動力設(shè)備燃料可以是汽油、柴油、輕烴類燃料(例如丁烷、丙烷、天然氣)以及其它類似的燃料，這些燃料含有較高含量的有機硫化合物，如硫茂、硫醇、二硫化物等。這種未使用蒸汽或再循環(huán)氣體流進行稀釋的烴類燃料首先通過一個鎳脫硫床，其中有機硫化合物中的所有硫成分均與鎳發(fā)生反應(yīng)生成硫化鎳和脫硫的碳氫化合物，然后這些生成物繼續(xù)通過該燃料處理系統(tǒng)的其余部分。由于這種脫硫器不需要添加水或再循環(huán)成分，所以與其它方法相比，可以更為緊湊和簡單，并且它不受到有水存在時的熱動力條件的限制(不象其它吸收劑一樣，如氧化鋅或氧化鐵)。例如，經(jīng)常被用于除硫的氧化鋅的除硫過程反應(yīng)式為ZnO+H2S<=>ZnS+H2O在有水蒸汽存在時，氧化鋅的這種反應(yīng)不能充分降低H2S的含量，從而不能有效地保護產(chǎn)生的氫氣觸媒，這是因為該反應(yīng)在熱動力的作用下從右向左進行。同樣被經(jīng)常用于除去硫化氫的氧化鐵也受到同種限制的干擾。
這種脫硫后的燃料接著以蒸汽狀態(tài)通過一個重整器，例如自供熱重整器，其中該燃料被轉(zhuǎn)化為一種高氫氣含量的燃料，這種高氫氣含量的燃料適合于用在燃料電池動力設(shè)備中的燃料電池組件部分的陽極側(cè)。該燃料可在氣體狀態(tài)或液體狀態(tài)下被脫硫。用于對已脫硫的燃料流進行處理的蒸汽由一個蒸汽產(chǎn)生器來提供。受熱的周圍空氣和蒸汽被用在燃料氣體重整器中。經(jīng)過重整的氣體流通過一個轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以降低氣體流中CO的含量，同時提高H2的含量；然后，通過一個或多個可選擇使用的氧化步驟，進一步降低氣體流中CO的含量。最后的處理步驟是除氨步驟，其中被處理的燃料流中的氨在該燃料流被送入燃料電池組件的陽極之前被除去。該燃料處理系統(tǒng)可以在脫硫器和重整器之間安裝一個已脫硫的燃料的容器，從而保證汽車在停車后的重新起動時可以有已脫硫的燃料供應(yīng)。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種適于在移動的電動汽車中使用的燃料處理系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的燃料處理系統(tǒng)，其中一種原始烴類燃料中的硫成分可以被清除至一定程度，從而生成一種適于燃料電池動力設(shè)備使用的氣態(tài)燃料流。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的燃料處理系統(tǒng)，其中這種被脫硫的原始烴類燃料可以是汽油、柴油、粗揮發(fā)油和/或輕烴類燃料(如丁烷、丙烷、天然氣或其它類似的燃料)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的燃料處理系統(tǒng)，其中通過使該原燃料與一個鎳反應(yīng)床發(fā)生反應(yīng)，對該原始烴類燃料進行脫硫，該鎳反應(yīng)床可以將該原燃料中的硫化合物轉(zhuǎn)化為硫化鎳，生成的硫化鎳沉積在床上，而經(jīng)過脫硫的烴類燃料繼續(xù)通過該燃料處理系統(tǒng)的其余部分。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的燃料處理系統(tǒng)，其中當(dāng)該硫化合物為硫茂時，該鎳床可以收集的硫的重量為該鎳床重量的2-5％，而當(dāng)該硫化合物為硫醇時，該鎳床可以收集的硫的重量大約為該鎳床重量的15％。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種硫滌氣器單元，該硫滌氣器單元在尺寸、重量和復(fù)雜程度上適合在運輸應(yīng)用設(shè)備中使用，并且能夠允許串接在后面的燃料處理設(shè)備的尺寸保持在適合在運輸應(yīng)用設(shè)備中使用的范圍內(nèi)。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明，這將使本發(fā)明的上述目的和其它目的變得更加明了。
對附圖的簡要說明

圖1是一個根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)的第一個實施例的示意圖；圖2是一個根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)的第二個實施例的示意圖；圖3是一個根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)的第三個實施例的示意圖；圖4是一個根據(jù)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)的局部示意圖，該系統(tǒng)提供了一種用于系統(tǒng)起動的脫硫燃料的儲存供應(yīng)系統(tǒng)；圖5是一個根據(jù)本發(fā)明的與圖4所示系統(tǒng)類似的燃料處理系統(tǒng)的局部示意圖，但該系統(tǒng)表示了另外一種結(jié)構(gòu)的用于系統(tǒng)起動的脫硫燃料的儲存供應(yīng)系統(tǒng)；和圖6是一輛汽車的透視圖，該汽車裝備有一臺用于驅(qū)動汽車的電動機，和一個用于向該電動機提供電力的燃料電池組件。
優(yōu)選實施例的詳細說明參看附圖，圖1是一個燃料處理系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)適合在車輛(如汽車)中使用，在圖中用標號2進行了概括表示。如上所述，被處理的燃料可以是汽油。一個燃料泵4通過管道6將汽油泵入該系統(tǒng)2中，該管道6通向一個鎳脫硫床8。一個分支管道10用于分出一部分汽油，并將分出的汽油送入蒸發(fā)器14中的燃燒室12內(nèi)，而該蒸發(fā)器14用于生產(chǎn)燃料處理系統(tǒng)2所需的蒸汽。蒸發(fā)器14內(nèi)裝有水，所裝的水將在該蒸發(fā)器14內(nèi)被轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。空氣通過管道16進入燃燒室12。該燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的廢氣通過一個廢氣管道15被排出系統(tǒng)2。汽油中的有機硫化合物通過以下兩個典型的反應(yīng)被鎳反應(yīng)體分解
；和脫硫器8的工作壓力介于環(huán)境壓力和大約150psi(磅/平方英寸)之間，而工作溫度介于大約200°F(79℃)和525°F(260℃)之間，從而使以大約75°F(10℃)(環(huán)境溫度)的狀態(tài)進入脫硫器8的汽油能夠在脫硫器8內(nèi)被預(yù)熱和汽化。當(dāng)被汽化的燃料進入一個通向一個自供熱重整器20的管道18時，已脫硫的汽油的溫度將升至大約375°F(176℃)。該重整器20可以帶有一個如美國專利No.4,451,578所述的氧化鐵觸媒部分，而該專利在此處被整體并入本專利?？偟膩碇v，脫硫汽油的汽化燃料氣體通過下面的典型反應(yīng)被轉(zhuǎn)化為高氫氣含量的燃料氣體，該反應(yīng)包括一個將CO完全轉(zhuǎn)化為CO2的過程在重整器20內(nèi)，該燃料氣體在1,200°F(635℃)達到了一個熱動力平衡，此時將產(chǎn)生幾乎等量的CO和CO2以及少量的甲烷。重整器20的進口溫度大約為950°F(496℃)，在該進口處，燃料氣體蒸汽的一部分被燃燒掉，剩余部分被重整為高H2含量的氣體流，從而使經(jīng)過重整的氣體流以大約1,200°F(635℃)的溫度進入管道22。該高氫氣含量的燃料氣體經(jīng)由管道22被通入熱交換器24中，在該熱交換器24中，燃料氣體的溫度被降至大約760°F(390℃)。經(jīng)過冷卻的氣體流從熱交換器24經(jīng)由一個管道26被通入一個燃燒室燃油預(yù)熱器28中，在該預(yù)熱器28中，燃料氣體流的溫度被降至大約400°F(190℃)。經(jīng)過冷卻的氣體流接著流經(jīng)一個管道29被通入一個轉(zhuǎn)換器30中，在該轉(zhuǎn)換器30中，氣體流中的CO含量通過下面的反應(yīng)被降至大約0.5％至大約1.0％的范圍內(nèi)
；在該反應(yīng)中，氣體流的溫度升至大約525°F(260℃)。然后，經(jīng)過處理的燃料流流經(jīng)一個管道32和一個用于控制脫硫器8的溫度的熱交換器34。氣體流在熱交換器34中被冷卻至大約425°F(204℃)，然后流過管道36到熱交換器38，其中燃氣流的溫度下降到大約350°F(194℃)。然后，經(jīng)過冷卻的氣體流流經(jīng)一個管道40，并在該管道40中與經(jīng)由空氣進氣管道42進入管道40的空氣相混合。管道42中的氣流的氧氣含量大約為總氣流量的1.0％。然后該充氧的燃料氣體流流經(jīng)一個第一選擇性氧化器44，在該氧化器44中，氣體流被冷卻至大約300°F(135℃)，同時其中的CO通過下面的反應(yīng)被除去然后經(jīng)過冷卻和處理的燃料氣體流流經(jīng)一個管道46，并在該管道46中與經(jīng)由空氣進氣管道48進入管道46的空氣相混合。管道42中的氣流的氧氣含量大約為0.35％或更低。然后該充氧的燃料氣體流流經(jīng)一個第二選擇性氧化器50，在該氧化器50中，氣體流被冷卻至大約170°F(62℃)，同時其中CO的體積濃度被降至10ppm以下。然后，經(jīng)過冷卻的氣體流通過一個管道53被通入一個氨滌氣器52中，該氨滌氣器52可以是一個浸漬磷酸碳床。作為一個例子，美國專利No.4,379,036對前述過程進行了描述。在某些情況下，也可以單獨使用一個工作在170°F(62℃)左右的需要外加空氣和冷卻的氧化器。在170°F(62℃)左右的溫度下，滌氣器52內(nèi)的氣體流中的氨通過下面的反應(yīng)被除去或者，氣體蒸汽中的氨也可以被溶解在水中或與一種酸性聚合物(Nafion)相反應(yīng)，生成一種氨鹽，如(NH4)2SO4。然后，經(jīng)過充分處理的燃料氣體流流經(jīng)一個管道54被通入該燃料電池動力設(shè)備中的燃料電池組件55的陽極側(cè)，在此處，該燃料氣體流被用作在該動力設(shè)備的動力部分中進行的電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)燃料。
氨滌氣器52和選擇性氧化器50和44的溫度由汽車冷卻液進行控制，該汽車冷卻液流經(jīng)管道56和熱交換器58、60和62，而這些熱交換器分別與氨滌氣器52和選擇性氧化器50和44配合使用。汽車冷卻液在熱交換器58、60和62中的流向與氣體蒸汽的流向相反，從而冷卻液流的溫度將從進口處的約160°F(59℃)升至出口處的約270°F(118℃)。
自供熱重整器對經(jīng)由管道64進入系統(tǒng)2的空氣進行處理，在管道64中，空氣通過泵66被壓入系統(tǒng)2。進入系統(tǒng)2的空氣處于環(huán)境溫度，即大約75°F(10℃)。該空氣氣流流經(jīng)一個管道68被通入一個蒸發(fā)器14中的熱交換器70內(nèi)，在熱交換器70中，該空氣氣流的溫度被提升至225°F(93℃)左右。受熱的空氣從熱交換器70流入一個管道72，接著又流入第二個管道74中，在管道74中，空氣與蒸發(fā)器14中放出的蒸汽相混合。然后，該空氣-蒸汽混合物流經(jīng)熱交換器38，在熱交換器38中，該空氣-蒸汽混合物的溫度被提升至330°F(151℃)左右。受熱的空氣-蒸汽混合物接著流經(jīng)一個管道76和熱交換器24，在熱交換器24中，該空氣-蒸汽混合物的溫度被提升至950°F(496℃)左右。然后，受熱的空氣-蒸汽混合物流經(jīng)一個管道78并流入管道18，在該管道18中，汽油燃料蒸汽和空氣-蒸汽混合物發(fā)生混合。然后經(jīng)過混合的燃料-空氣-蒸汽混合物進入重整器20。
被用作一種能量源的陽極排放氣體在大約120°F(67℃)的溫度下經(jīng)由管道80進入燃燒室燃料預(yù)熱器28中。該陽極排放氣流在預(yù)熱器28中被預(yù)熱至700°F(357℃)左右。受熱的陽極排放氣流流經(jīng)一個管道82被通入燃燒室12中，并在燃燒室12中與空氣和汽油相混合。
前述系統(tǒng)2被設(shè)計用于在脫硫器8中對供應(yīng)的汽化燃料進行處理。該系統(tǒng)2也可以用于在脫硫器8中對供應(yīng)的液態(tài)燃料進行處理。當(dāng)對供應(yīng)的液態(tài)燃料進行處理時，將在管道18中設(shè)置一個加壓閥19(如虛線所示)，從而保證燃料在脫硫器8的較高的工作溫度下能夠保持處于液態(tài)，該脫硫器8可在燃料泵4的作用下被加壓至150psig左右。
當(dāng)需要大幅度增加功率時，處在脫硫器8下游的閥19可以被增大開度，從而提供較高的燃料流動速率。閥19入口處的大部分燃料將在流經(jīng)該閥時急驟蒸發(fā)，其余部分將在蒸汽的作用下蒸發(fā)，因此可以迅速地提供氣體燃料，以響應(yīng)重整器20的要求。
現(xiàn)在參看圖2，該圖表示了系統(tǒng)2的另一個實施例。該系統(tǒng)沒有使用消耗源燃料的蒸發(fā)器生產(chǎn)重整器所需的蒸汽，而是采用了一個第一蒸汽產(chǎn)生器子組件84，該子組件84接受從管道86中流入的水并且利用熱交換器58、60和62將從管道86中流入的水轉(zhuǎn)化為蒸汽，該蒸汽經(jīng)由管道88從熱交換器62中流出。環(huán)境中的空氣經(jīng)過管道64和泵66被吸入系統(tǒng)2，并且經(jīng)過管道90進入管道88，在該管道88中，該空氣與管道88中的蒸汽相混合。轉(zhuǎn)換器前的熱交換器28通過使水蒸汽流經(jīng)一個穿過該熱交換器28的管道92，從而被用作一個第二蒸汽產(chǎn)生器。蒸汽經(jīng)由管道94從熱交換器28中排出，并且與管道88中的空氣和蒸汽相混合。然后，經(jīng)過混合的蒸汽流經(jīng)管道78進而流入重整器前的管道18，之后的處理過程按照前面所述的流程進行。
現(xiàn)在參看圖3，該圖表示了系統(tǒng)2的又一個實施例。在圖3所示的實施例中，氨滌氣器52采用了一種水吸收劑的形式，其中通過使用一個如美國專利No.4,816,040所述的接觸冷卻器，將燃料氣流中的氨溶解在滌氣器52的水中。水經(jīng)由管道96進入滌氣器52，而溶解有氨的水經(jīng)由管道98被排出滌氣器52，并且流入蒸發(fā)器14中，在蒸發(fā)器14中，氨在水中達到一種平衡狀態(tài)。使用前面所述的裝置，就可以控制送入陽極的氣體的溫度和露點。該系統(tǒng)2其余部分的運作模式大體與圖1所示系統(tǒng)的運作模式相同。
現(xiàn)在參看圖4和5，圖4和5分別表示了對系統(tǒng)2的一個部分進行的兩種改動，其中提供了脫硫燃料的儲存供應(yīng)裝置，從而使汽車在前一個運行循環(huán)結(jié)束后能夠順利地重新起動。在系統(tǒng)2的運行循環(huán)中，用于重新起動的脫硫燃料被抽入一個重新起動燃料箱100內(nèi)。用于重新起動的儲備脫硫燃料在燃料箱100內(nèi)保持處于液態(tài)。在兩種改動中，閥19都被設(shè)置在管道18中，用于使燃料箱100中的燃料保持處于液態(tài)，并且儲備的液態(tài)脫硫燃料經(jīng)由一個管道102被吸入燃料箱100中，該管道102與閥19上游的分支管道18相連通。
在圖4所示的實施例中，一個泵104被安裝在與燃料箱100相鄰接處，用于在起動時將脫硫燃料從燃料箱100中泵出，并且使該燃料流經(jīng)管道106和選通閥107后流回處于閥19下游的管道18中，該脫硫燃料從此處流入重整器20。
在圖5所示的實施例中，泵4被用于在閥21開啟后將脫硫燃料經(jīng)由管道106從燃料箱100中泵出。然后，泵4使燃料重新流經(jīng)脫硫器8，并進而經(jīng)過閥19流入重整器20。
圖6示意性地表示了一輛汽車(如圖中標號110所示)，該汽車經(jīng)過了改裝，從而能夠在運行中使用根據(jù)本發(fā)明的燃料電池電源和燃料處理組件。該汽車110由一個驅(qū)動橫軸114的電機112提供動力。圖中所示的汽車110的實施例使用了雙模式的電源來驅(qū)動電機112，該雙模式的電源包括該燃料電池動力設(shè)備組件116和一個附加電源122，該附加電源可以是蓄電池、氣體驅(qū)動的發(fā)電機等。該汽車還可以包括一個起動電池127，用于起動該動力系統(tǒng)2中的各組件。比較理想的情況是，該汽車110能夠只使用燃料電池動力設(shè)備組件116向電動機112提供電力。汽車110包括一個燃料箱118，該燃料箱118具有一個與燃料處理組件2相連通的管道120。圖6表示了燃料處理組件2、蒸發(fā)器14、氨滌氣器52、電池組55、冷卻液系統(tǒng)124和一個水軟化器126的布置方案。
我們將發(fā)現(xiàn)，通過使用一個初始鎳脫硫器，被處理的燃料流中的硫含量可以被降至大約百萬分之0.05以下，這種含量水平不會對重整器、選擇性氧化器以及轉(zhuǎn)換器中的觸媒床或該燃料電池組件的活性部分中的觸媒床造成嚴重的影響。其結(jié)果是，有機硫化合物含量相對較高的燃料，如汽油、柴油以及丁烷、丙烷、天然氣之類的輕烴類燃料或類似的燃料，能夠安全地、長期地被用作向汽車提供驅(qū)動電力的燃料電池動力設(shè)備中的烴類燃料氣體反應(yīng)物。我們還將發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以作為唯一的電力源用于驅(qū)動汽車或固定式的動力設(shè)備，或者也可以在混合動力系統(tǒng)中使用，該混合動力系統(tǒng)除包括燃料電池電力源之外，還可以包括動力電池或用于產(chǎn)生驅(qū)動電力的發(fā)電機。
由于在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的前提下可以對上述本發(fā)明的實施例進行許多種替換和修改，因此，本發(fā)明的范圍將在所附權(quán)力要求中進行詳細說明，除此之外，均不對本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制。
權(quán)利要求
1．一種用于對未經(jīng)稀釋的烴類燃料流進行脫硫，從而將該烴類燃料流轉(zhuǎn)化為適于在燃料電池動力設(shè)備的電池組中使用的高氫氣含量的氣體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a)一個鎳脫硫器，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；b)用于將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中的裝置；和c)用于在所述系統(tǒng)的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)的裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中燃料流是汽油、粗揮發(fā)油、柴油或輕烴類燃料，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于液態(tài)。
3．如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括向鎳脫硫器加壓的加壓裝置，該裝置使鎳脫硫器內(nèi)部具有一定壓力，從而保證燃料流處于液態(tài)。
4．如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中鎳脫硫器的工作壓力介于環(huán)境壓力和大約150磅/平方英寸之間。
5．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中燃料流是汽油或柴油，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于汽化狀態(tài)。
6．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油以及在環(huán)境壓力下處于氣態(tài)的輕烴類燃料。
7．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油、丁烷、丙烷和天然氣。
8．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個自供熱重整器；用于產(chǎn)生蒸汽的裝置；和用于供應(yīng)空氣的裝置，由此，該自供熱重整器接受一種由來自所述鎳脫硫器的脫硫燃料、來自所述蒸汽產(chǎn)生裝置的蒸汽和來自空氣供應(yīng)裝置的空氣所組成的混合物，并且使用這種燃料、蒸汽和空氣的混合物生產(chǎn)一種高氫氣含量的氣體流。
9．如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個用于接收和處理來自自供熱重整器的高氫氣含量的氣體流的轉(zhuǎn)換器。
10．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個用于對所述轉(zhuǎn)換器的輸出物進行接收和處理的選擇性氧化器。
11．如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)換器的輸出物是一種CO含量在約0.5％至約1.0％之間的高氫氣含量的氣流。
12．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個用于對所述選擇性氧化器的輸出物進行接收和處理的氨滌氣器。
13．如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述氨滌氣器是一個接觸冷卻器。
14．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置是一個蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器使用燃料電池的陽極排放氣體和所述燃料流中未經(jīng)處理的燃料聯(lián)合進行加熱。
15．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置是一個使用燃料電池的陽極排放氣體進行加熱的蒸發(fā)器。
16．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置包括若干處于所述自供熱重整器下游的熱交換器。
17．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述選擇性氧化器至少包括兩個床，其中第一個的工作溫度大約為300°F，而第二個的工作溫度大約為170°F，并且其中從所述選擇性氧化器中排出的高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
18．如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述選擇性氧化器只包括一個單個的床，該床的工作溫度大約為170°F，并且其中從所述選擇性氧化器中排出的高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
19．如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述自供熱重整器至少包括兩個觸媒床，其中一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定劑的鋁上的氧化鐵觸媒，另一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定齊的鋁上的鎳觸媒。
20．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個蒸汽蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器用于生產(chǎn)所述系統(tǒng)中的自供熱重整器工作所需的蒸汽。
21．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述蒸汽蒸發(fā)器使用從所述未稀釋的燃料流中分出的一部分燃料進行加熱。
22．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，其中所述蒸汽蒸發(fā)器使用燃料電池的陽極排放氣體進行加熱。
23．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于將燃燒所需的空氣輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
24．如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于將陽極排放氣體輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
25．如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括布置在所述自供熱重整器和一個電池組件之間的熱交換器裝置，用于在高氫氣含量的氣體進入電池組件之前使該氣體的溫度達到170°F。
26．如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于在高氫氣含量的氣體進入電池組件之前對該氣體中的氨進行清除的裝置。
27．一種用于對未經(jīng)稀釋的烴類燃料流進行脫硫，從而將該烴類燃料流轉(zhuǎn)化為適于在燃料電池動力設(shè)備的電池組中使用的高氫氣含量的氣體的方法，所述方法包括以下步驟a)提供一種未經(jīng)稀釋的烴類燃料流；b)提供一個鎳脫硫器，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；c)將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中；和d)在所述系統(tǒng)的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)。
28．如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油以及在環(huán)境壓力下處于氣態(tài)的輕烴類燃料，例如天然氣、丙烷和類似燃料。
29．如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括向鎳脫硫器加壓的加壓步驟，該步驟使鎳脫硫器內(nèi)部具有一定壓力，從而保證燃料流處于液態(tài)。
30．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，其中所述烴類燃料流是汽油。
31．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，其中所述烴類燃料流是柴油。
32．如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括為實施該方法而提供自供熱重整器工作所需的蒸汽的步驟。
33．一種處理烴類燃料流的方法，所述方法包括a)提供一種未經(jīng)稀釋的烴類燃料流的步驟；b)提供一個鎳脫硫器的步驟，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；c)將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中的步驟；和d)在所述系統(tǒng)的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)的步驟。
34．一種輪式陸地車輛裝置，包括a)一個車載電動機，該電動機至少向該車輛裝置提供一部分驅(qū)動力；和b)一個車載燃料電池組件，該組件至少提供一部分電動機運轉(zhuǎn)所需的電力；和c)一種車載燃料處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于對未稀釋的烴類燃料流進行脫硫，從而將該烴類燃料流轉(zhuǎn)化為適于在燃料電池動力設(shè)備的電池組中使用的高氫氣含量的氣體，所述燃料處理系統(tǒng)包括ⅰ)一個鎳脫硫器，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；ⅱ)用于將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中的裝置；和ⅲ)用于在所述系統(tǒng)的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)的裝置。
35．一種使用一種未經(jīng)稀釋的烴類燃料流進行發(fā)電的裝置，所述裝置包括a)一個燃料電池組件；b)一個鎳脫硫器，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；c)用于將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中的裝置；和d)用于在所述裝置的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)的裝置。
36．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是汽油、粗揮發(fā)油、柴油或輕烴類燃料，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于液態(tài)。
37．如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于，還包括向鎳脫硫器加壓的加壓裝置，該裝置使鎳脫硫器內(nèi)部具有一定壓力，從而保證燃料流處于液態(tài)。
38．如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于，其中鎳脫硫器的工作壓力介于環(huán)境壓力和大約150磅/平方英寸之間。
39．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是汽油或柴油，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于汽化狀態(tài)。
40．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油以及在環(huán)境壓力下處于氣態(tài)的輕烴類燃料。
41．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油、丁烷、丙烷和天然氣。
42．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，還包括一個自供熱重整器；用于產(chǎn)生蒸汽的裝置；和用于供應(yīng)空氣的裝置，由此，該自供熱重整器接受一種由來自所述鎳脫硫器的脫硫燃料、來自所述蒸汽產(chǎn)生裝置的蒸汽和來自空氣供應(yīng)裝置的空氣所組成的混合物，并且使用這種燃料、蒸汽和空氣的混合物生產(chǎn)一種高氫氣含量的氣體流。
43．如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于接收和處理來自自供熱重整器的高氫氣含量的氣體流的轉(zhuǎn)換器。
44．如權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于對所述轉(zhuǎn)換器的輸出物進行接收和處理的選擇性氧化器。
45．如權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)換器的輸出物是一種CO含量在約0.5％至約1.0％之間的高氫氣含量的氣流。
46．如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于對所述選擇性氧化器的輸出物進行接收和處理的氨滌氣器。
47．如權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，其中所述氨滌氣器是一個接觸冷卻器。
48．如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置是一個蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器由燃料電池的陽極排放氣體和所述燃料流中未經(jīng)處理的燃料聯(lián)合進行加熱，或由燃料電池的陽極排放氣體單獨進行加熱。
49．如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置包括若干處于所述自供熱重整器下游的熱交換器。
50．如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，其中所述選擇性氧化器至少包括兩個床，其中第一個的工作溫度大約為300°F，而第二個的工作溫度大約為170°F，并且其中該高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
51．如權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，其中所述選擇性氧化器只包括一個單個的床，該床的工作溫度大約為170°F，并且其中從所述選擇性氧化器中排出的高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
52．如權(quán)利要求42所述的裝置，其特征在于，其中所述自供熱重整器至少包括兩個觸媒床，其中一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定劑的鋁上的氧化鐵觸媒，另一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定劑的鋁上的鎳觸媒。
53．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，還包括一個蒸汽蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器用于生產(chǎn)所述系統(tǒng)中的自供熱重整器工作所需的蒸汽。
54．如權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽蒸發(fā)器使用從所述未稀釋的燃料流中分出的一部分燃料進行加熱。
55．如權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于，還包括用于將燃燒所需的空氣輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
56．如權(quán)利要求53所述的裝置，其特征在于，還包括用于將陽極排放氣體輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
57．如權(quán)利要求45所述的裝置，其特征在于，還包括布置在所述自供熱重整器和一個電池組件之間的熱交換器裝置，用于在高氫氣含量的氣體進入電池組件之前使該氣體的溫度達到170°F
58．如權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，其中所述燃料電池組件包括質(zhì)子交換薄膜電解質(zhì)。
59．一種由電動機驅(qū)動的輪式陸地車輛裝置，所述裝置包括a)一個燃料電池組件；b)一個鎳脫硫器，該脫硫器包括一個可將該燃料流中含有的有機硫化合物中的硫轉(zhuǎn)化為硫化鎳的鎳反應(yīng)體；c)用于將未稀釋的烴類燃料流引入所述鎳脫硫器中的裝置；和d)用于在所述裝置的工作過程中使所述鎳脫硫器保持處于250°F至525°F的工作溫度范圍內(nèi)的裝置。
60．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是汽油、粗揮發(fā)油、柴油或輕烴類燃料，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于液態(tài)。
61．如權(quán)利要求60所述的裝置，其特征在于，還包括向鎳脫硫器加壓的加壓裝置，該裝置使鎳脫硫器內(nèi)部具有一定壓力，從而保證燃料流處于液態(tài)。
62．如權(quán)利要求61所述的裝置，其特征在于，其中鎳脫硫器的工作壓力介于環(huán)境壓力和大約150磅/平方英寸之間。
63．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是汽油或柴油，該燃料流在鎳脫硫器中保持處于汽化狀態(tài)。
64．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油以及在環(huán)境壓力下處于氣態(tài)的輕烴類燃料。
65．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，其中燃料流是一組烴類燃料中的一種，這組烴類燃料包括汽油、柴油、粗揮發(fā)油、丁烷、丙烷和天然氣。
66．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，還包括一個自供熱重整器；用于產(chǎn)生蒸汽的裝置；和用于供應(yīng)空氣的裝置，由此，該自供熱重整器接受一種由來自所述鎳脫硫器的脫硫燃料、來自所述蒸汽產(chǎn)生裝置的蒸汽和來自空氣供應(yīng)裝置的空氣所組成的混合物，并且使用這種燃料、蒸汽和空氣的混合物生產(chǎn)一種高氫氣含量的氣體流。
67．如權(quán)利要求66所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于接收和處理來自自供熱重整器的高氫氣含量的氣體流的轉(zhuǎn)換器。
68．如權(quán)利要求67所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于對所述轉(zhuǎn)換器的輸出物進行接收和處理的選擇性氧化器。
69．如權(quán)利要求67所述的裝置，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)換器的輸出物是一種CO含量在約0.5％至約1.0％之間的高氫氣含量的氣流。
70．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，還包括一個用于對所述選擇性氧化器的輸出物進行接收和處理的氨滌氣器。
71．如權(quán)利要求70所述的裝置，其特征在于，其中所述氨滌氣器是一個接觸冷卻器。
72．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置是一個蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器由燃料電池的陽極排放氣體和所述燃料流中未經(jīng)處理的燃料聯(lián)合進行加熱。
73．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽產(chǎn)生裝置包括若干處于所述自供熱重整器下游的熱交換器。
74．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，其中所述選擇性氧化器至少包括兩個床，其中第一個的工作溫度大約為300°F，而第二個的工作溫度大約為170°F，并且其中從所述選擇性氧化器中排出的高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
75．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，其中所述選擇性氧化器只包括一個單個的床，該床的工作溫度大約為170°F，并且其中從所述選擇性氧化器中排出的高氫氣含量氣體的CO含量低于大約10ppm。
76．如權(quán)利要求62所述的裝置，其特征在于，其中所述自供熱重整器至少包括兩個觸媒床，其中一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定劑的鋁上的氧化鐵觸媒，另一個包括一個附著在用鑭作為穩(wěn)定劑的鋁上的鎳觸媒。
77．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，還包括一個蒸汽蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器用于生產(chǎn)所述系統(tǒng)中的自供熱重整器工作所需的蒸汽。
78．如權(quán)利要求72所述的裝置，其特征在于，其中所述蒸汽蒸發(fā)器使用從所述未稀釋的燃料流中分出的一部分燃料進行加熱。
79．如權(quán)利要求72所述的裝置，其特征在于，還包括用于將燃燒所需的空氣輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
80．如權(quán)利要求72所述的裝置，其特征在于，還包括用于將陽極排放氣體輸送至所述蒸汽蒸發(fā)器的裝置。
81．如權(quán)利要求68所述的裝置，其特征在于，還包括布置在所述自供熱重整器和一個電池組件之間的熱交換器裝置，用于在高氫氣含量的氣體進入電池組件之前使該氣體的溫度達到170°F。
82．如權(quán)利要求59所述的裝置，其特征在于，其中所述燃料電池組件至少包括一種質(zhì)子交換薄膜電解質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對未經(jīng)稀釋的燃料進行處理的系統(tǒng),該系統(tǒng)可以大體除去未經(jīng)稀釋的烴類燃料中所有的硫成分,而該燃料用于向移動使用的燃料電池動力設(shè)備提供動力,例如汽車、公共汽車、卡車、船只等,或者也可用于固定式的動力設(shè)備中。該動力設(shè)備的氫氣燃料源可以是汽油、柴油、輕烴類燃料(例如丁烷、丙烷、天然氣)以及其它類似的燃料。這種未經(jīng)稀釋的烴類燃料通過一個鎳脫硫床,其中有機硫化合物中的所有硫成分均與鎳發(fā)生反應(yīng)生成硫化鎳,而經(jīng)過脫硫的有機剩余物繼續(xù)通過該燃料處理系統(tǒng)的其余部分。該系統(tǒng)在脫硫步驟之前無需向燃料流添加蒸汽或氫氣源。該系統(tǒng)工作在相對較低的溫度下,并且對于液態(tài)或氣態(tài)燃料流的脫硫均適用。
文檔編號C10G29/04GK1310639SQ99808960
公開日2001年8月29日 申請日期1999年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月24日
發(fā)明者萊昂納德·J·小邦維爾, 查爾斯·L·德喬治, 彼得·F·福利, 杰伊·加魯, 羅杰·R·勒西厄爾, 約翰·L·小普雷斯頓, 唐納德·F·希德沃夫斯基 申請人:國際燃料電池有限公司