專利名稱：含有多重脫硫器的燃料處理設(shè)備以及具有該設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及通過氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池系統(tǒng)，特別地，涉及一 種在燃料電池系統(tǒng)中重整燃料并有效去除燃料中含硫成分的創(chuàng)新的燃料處理設(shè)備，以及一 種包含該設(shè)備的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)利用含氫的燃料以及含有氧氣的空氣，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。燃料電池系統(tǒng)通常包括以下部件。燃料電池系統(tǒng)包括作為主要部件的氫和氧在其 中進行電化學(xué)反應(yīng)的燃料電池堆，用于重整燃料使其轉(zhuǎn)換為包含氫氣的重整氣體并將該重 整氣體提供給燃料電池堆的燃料處理設(shè)備，以及為燃料電池堆提供含有氧的空氣的空氣提 供設(shè)備。燃料處理設(shè)備包括若干個適于在將燃料轉(zhuǎn)化為含有氫的重整氣體的過程中去除 那些能破壞燃料電池容量的元素的反應(yīng)器。烴，例如LNG或者LPG，作為燃料使用，由含硫的 化合物制成的氣味劑被加入烴中。因此，傳統(tǒng)的燃料處理設(shè)備必須在反應(yīng)器中包括脫硫器， 以用于去除燃料中含硫的成分或者化合物。如果燃料處理設(shè)備不能將燃料中含硫的成分或者化合物降低到低于特定水平的 量，那些含硫的成分或者化合物就會流入重整器。那么，燃料中含硫的成分或者化合物被重 整器中的重整催化劑吸附或者使其中毒，引起重整催化劑的能力退化。如上文所述，重整催 化劑能力的退化與產(chǎn)生含有氫的重整氣體的能力有關(guān)，這會引起燃料電池堆中產(chǎn)生電能的 效率降低的問題。而且，含硫的成分或者化合物的濃度會隨著環(huán)境發(fā)生很快的變化。因此， 傳統(tǒng)的燃料處理設(shè)備存在的問題是由于含硫的成分或者化合物濃度的很快變化不能正常 地工作。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明力爭提供一種改進的燃料處理設(shè)備，其甚至在燃料中含硫的成分和化合物 的濃度變化很快的情況下也能夠?qū)⒑虻某煞只蛘呋衔锏臄?shù)量降低到特定的水平，以及 一種包含該燃料處理設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)。另外，本發(fā)明力爭提供一種燃料處理設(shè)備和燃料電池系統(tǒng)，其中重整器中的重整 催化劑的能力的退化小于傳統(tǒng)的燃料處理設(shè)備，并且重整器的更換周期會變得相對延長， 甚至在催化劑使用了很長時間的情況下。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的用于燃料電池系統(tǒng)的燃料處理設(shè)備包括用于燃料電 池系統(tǒng)的燃料從其中通過的第一脫硫器，該第一脫硫器中包括用于吸附燃料中含硫成分的 吸附劑，以及燃料從其中通過的第二脫硫器，該第二脫硫器中包括能與燃料中含硫的成分發(fā)生放熱反應(yīng)的脫硫催化劑，并且第二脫硫器與第一脫硫器相連。用于燃料電池系統(tǒng)的燃 料處理設(shè)備進一步包括重整器，燃料從其中通過并重整為含有氫的重整氣體，其中重整器 與第二脫硫器相連。燃料處理設(shè)備還可進一步包括容納第二脫硫器和重整器的箱體(case body)，其 中第一脫硫器位于該箱體之外。第一管道連接到第一脫硫器，這樣燃料就可以從外部流入第一脫硫器，第一脫硫 器和第二脫硫器通過第二管道相連，并且第一管道和第二管道通過第三管道相連，這樣燃 料也可以繞開第一脫硫器。使燃料的流入通路改變的轉(zhuǎn)向閥設(shè)置在第一管道與第三管道連 接的點上。第二脫硫器和重整器通過第四管道相連，第二管道和第四管道通過第五管道相 連，這樣燃料就可以繞開第二脫硫器。第一電磁閥設(shè)置在第二管道上，第一電磁閥選擇性地 用于控制燃料的流動，第二電磁閥設(shè)置在第五管道上，第二電磁閥選擇性地控制燃料的流 動，其中第二電磁閥的操作與第一電磁閥的操作相關(guān)聯(lián)?；钚蕴?、合成沸石、以及氧化鐵中的至少一種在第一脫硫器中用作吸附劑。
第二脫硫器可將含硫的成分轉(zhuǎn)化為硫化氫(H2S)，并且引起脫硫催化劑參與的放 熱反應(yīng)。氧化鋅可用作脫硫催化劑。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池系統(tǒng)包括通過氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)而 產(chǎn)生電能的燃料電池堆，將燃料重整為含有氫氣的重整氣體的燃料處理設(shè)備，以及為燃料 電池堆提供空氣的空氣提供設(shè)備。燃料處理設(shè)備包括燃料經(jīng)過的其中含有用來吸附燃料中 含硫的成分的吸附劑的第一脫硫器，以及燃料經(jīng)過的其中含有能與燃料中含硫的成分發(fā)生 放熱反應(yīng)的脫硫催化劑的第二脫硫器，其中第二脫硫器與第一脫硫器相連，燃料處理設(shè)備 還包括燃料經(jīng)過的重整器，該重整器將燃料重整為含有氫的重整氣體，其中該重整器與第 二脫硫器相連。有益效果根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備，包括多重脫硫結(jié)構(gòu)，這樣重整器中的 重整催化劑的能力的退化就會小于傳統(tǒng)技術(shù)中重整催化劑能力的退化，甚至在燃料中含硫 的成分或者化合物的濃度變化很快時也是這樣。因此，重整器的能力的耐久性就大于傳統(tǒng) 技術(shù)，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備的穩(wěn)定性和耐久性也得到提高。而且，根據(jù)本發(fā)明的實施例，重整催化劑的能力的退化不象現(xiàn)有技術(shù)中那樣快，重 整器的更換周期也變得相對延長。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例的維護成本要更小，并且也更 便于維護。


圖1是燃料電池系統(tǒng)中各部件的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。<附圖中用于指代基本部件的附圖標(biāo)記說明>100，200，300 燃料處理設(shè)備
101，201，301 箱體110，210，310 第一脫硫器120，220，320 第二脫硫器130，230，330 重整器140，240，340 一氧化碳消減器150，250，350 —氧化碳去除器最佳方式下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述，使本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以毫無困難地實施該發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到，所記載的實施例可以通過多種 不同的方式來改進，所有這些改進都屬于本發(fā)明的精神和保護范圍內(nèi)。圖1是燃料電池系統(tǒng)中各部件的示意圖。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燃料電池系統(tǒng)包括通過氫與氧的電化學(xué) 反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池堆10，將燃料重整為含有氫的重整氣體的燃料處理設(shè)備100，以 及為燃料電池堆10提供氧氣的空氣提供設(shè)備30。進一步地，燃料電池系統(tǒng)還包括用于將直 流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的電能轉(zhuǎn)換器40，用于冷卻燃料電池堆10到特定溫度以下的冷卻 器50，其他設(shè)備(Β0Ρ，周邊設(shè)備)，以及控制器。燃料電池系統(tǒng)使用烴類例如液化天然氣(LNG)或者液化石油氣(LPG)作為燃料。 烴燃料中要加入氣味劑，這樣如果氣體泄漏的話可以很容易地察覺。氣味劑主要有含硫的 化合物構(gòu)成。然而，如上文中所述，含硫的成分或者化合物會降低重整器的能力，并造成產(chǎn)生電 能的效率退化。因此，燃料處理設(shè)備100包括脫硫器，用于在進入重整器也就是用于將燃料 重整為含有氫的重整氣體的重整器之前將含硫的成分或者化合物的數(shù)量降低到低于預(yù)定 的水平。燃料處理設(shè)備100包括如下部件。圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。如圖2所示，燃料處理設(shè)備100包括燃料在第一位置通過的第一脫硫器110。第一 脫硫器110包括用于吸附燃料中含硫的成分的吸附劑，作為降低燃料中含硫的成分或者化 合物的數(shù)量的第一步驟?；钚蕴?，合成沸石(例如，分子篩)，和氧化鐵中的至少一種在第一 脫硫器110中用作吸附劑。也就是說，第一脫硫器110可通過將含硫的成分或化合物吸附 到吸附劑的表面來降低燃料中含硫的成分或化合物的含量。第一脫硫器110叫做低溫類型 的脫硫器，因為當(dāng)含硫的成分或化合物被吸附到吸附劑的表面時伴隨著低的熱量的產(chǎn)生。第二脫硫器120與第一脫硫器110相連。第二脫硫器120設(shè)計為使燃料通過，其中 包括能夠與燃料中含硫的成分或化合物發(fā)生放熱反應(yīng)的脫硫催化劑。第二脫硫器120將含 硫的成分或化合物通過加氫脫硫過程(HDS)轉(zhuǎn)化為硫化氫(H2S)，然后通過將硫化氫與作為 脫硫催化劑的氧化鋅(ZnO)結(jié)合的過程來去除含硫的成分或者化合物。與第一脫硫器110 相比，第二脫硫器120更適于去除含硫的成分或者化合物。而且，第二脫硫器120叫做高溫 類型的脫硫器，因為與第一脫硫器110相比，它伴隨著更多的熱量的產(chǎn)生。另外，第二脫硫器120設(shè)置在燃料處理設(shè)備100的箱體101的內(nèi)部，第一脫硫器 110設(shè)置在箱體101外部。這是因為，第一脫硫器110去除含硫的成分或者化合物的能力 小于第二脫硫器120，所以第一脫硫器110中的吸附劑要定期地更換。因此，在制造的過程中，將第二脫硫器120與燃料處理設(shè)備100的其他反應(yīng)器一起設(shè)置在箱體101的內(nèi)部。另 一方面，與箱體101內(nèi)的其他設(shè)備不同，第一脫硫器110還設(shè)置了使燃料流入的管道。燃料中含硫的成分或者化合物首先通過第一脫硫器110被減少，然后通過第二脫 硫器120被去除到低于預(yù)定的水平?？紤]到生產(chǎn)成本，第一脫硫器110持續(xù)地用于去除燃 料中含硫的成分或者化合物，只要其中的吸附劑定期更換即可。而且，第二脫硫器120在去 除燃料中含硫的成分或者化合物的過程中具有比第一脫硫器110更長的更換周期。因此， 第二脫硫器120設(shè)置在箱體101的內(nèi)部，雖然第二脫硫器120的更換要麻煩得多，但是第二 脫硫器120具有更長的更換周期。重整器130與第二脫硫器120相連，設(shè)計為使燃料通過其中。這樣，當(dāng)燃料通過第 一脫硫器110和第二脫硫器120后，其中的含硫的成分或者化合物被除去，然后作為不含含 硫的成分或者化合物的反應(yīng)氣體進入重整器130。重整器130引起反應(yīng)氣體的催化反應(yīng)，將 反應(yīng)氣體重整為含有大量氫氣的重整氣體。在第一位置的一氧化碳消減器140，降低由重整器130提供的重整氣體中一氧化 碳的濃度。隨后，一氧化碳去除器150將重整氣體中一氧化碳的濃度降低到低于lOppm。
另外，燃料處理設(shè)備100進一步包括輔助設(shè)備，如為重整反應(yīng)提供熱量的燃燒器， 用來點燃燃燒器的點火裝置，以及溫度傳感器。使用上文所述的結(jié)構(gòu)，燃料處理設(shè)備100可在第一位置通過第一脫硫器110來減 小含硫的成分或者化合物的量，然后通過第二脫硫器120將這些物質(zhì)去除使其濃度低于預(yù) 定的水平，甚至在燃料中含硫的成分或者化合物的濃度隨著環(huán)境條件變化而快速變化的情 況下也是這樣。特別地，燃料處理設(shè)備100通過更換第一脫硫器110中的吸附劑來延長第 二脫硫器120的更換周期。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備200具有繞過第一脫 硫器210的旁路的特征。也就是說，第一脫硫器210與第一管道202連接，通過該管道燃料 可以從外部流入內(nèi)部。第一脫硫器210和第二脫硫器220通過第二管道240連接。第一管 道202和第二管道204通過第三管道260連接，這樣燃料可繞過第一脫硫器210。而且，用 于改變?nèi)剂系牧魅胪返霓D(zhuǎn)向閥270設(shè)置在第一管道202和第三管道260連接的點。在第 二管道204上設(shè)置有電磁閥271。這樣，在正常的操作條件下，燃料處理設(shè)備200通過轉(zhuǎn)向閥270使燃料流入第三管 道260，并且保持第一電磁閥271關(guān)閉。這樣，外部提供的燃料可繞過第一脫硫器210直接 流入第二脫硫器220。這樣，當(dāng)燃料含有大量的含硫的成分或者化合物時，第二脫硫器220 可引起更高的熱量產(chǎn)生，溫度會加熱到高于預(yù)定的水平。燃料處理設(shè)備200可通過溫度傳 感器探測第二脫硫器2210中的溫度，并且通過分別操作轉(zhuǎn)向閥270和第一電磁閥271來改 變?nèi)剂系牧鲃油?。這時，燃料就相繼通過第一脫硫器210和第二脫硫器220，處理大量的 含硫的成分或者化合物。如上文中所述，當(dāng)燃料中含硫的成分或者化合物的濃度隨著環(huán)境條件變化很快 時，根據(jù)第二優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備200可有效地通過第一脫硫器210和第二脫硫器 220對條件做出反應(yīng)和處理。特別地，根據(jù)第二優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備200可以使燃料 旁路繞過第一脫硫器210，使在操作燃料處理設(shè)備200的同時對第一脫硫器210中吸附劑的更換成為可能。在圖3中，附圖標(biāo)記201，230，240和250分別為箱體，重整器，一氧化碳消減器和
一氧化碳去除器。 圖4是根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備中各部件的示意圖。如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備300具有第二脫硫器 320被繞過的特征。也就是，第二脫硫器320和重整器330通過第四管道306連接。第二管 道304和第四管道306通過第五管道361連接，這樣燃料就可以繞過第二脫硫器320。而 且，用于選擇性的控制燃料的流動的第一電磁閥371設(shè)置在第二管道304上，用于選擇性地 控制燃料流動的第二電磁閥372設(shè)置在第五管道361上。另外，第二電磁閥372的操作和 第一電磁閥371的操作是相聯(lián)系的。而且，用于選擇性地控制燃料流動的第三電磁閥373 設(shè)置在第四管道306上。通過上述的結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備300保持第一和 第三電磁閥371，373關(guān)閉，同時第二電磁閥372打開。因此，通過第一脫硫器310的燃料不 通過第二脫硫器320而是直接流入重整器330。也就是，當(dāng)燃料的量很小時，燃料處理設(shè)備 300可使用第一脫硫器310來處理燃料。而且，燃料處理設(shè)備300可使燃料繞過第二脫硫器 220，使在燃料處理設(shè)備300工作的過程中更換第二脫硫器220成為可能。另外，根據(jù)本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的燃料處理設(shè)備300可在第二和第五管道 304,361連接的點包括一個轉(zhuǎn)向閥，替代第一和第二電磁閥371，372。在圖4中，附圖標(biāo)記 301,340和350分別表示箱體，一氧化碳消減器，和一氧化碳去除器。雖然結(jié)合被認為是可實施的優(yōu)選實施例對本發(fā)明做了詳細說明，應(yīng)當(dāng)明白本發(fā)明 并不局限于公開的實施例，而是相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)涵蓋包括在權(quán)利要求的范圍和精神中的 各種不同的改進和替代。
權(quán)利要求
一種燃料電池處理設(shè)備，包括用于燃料電池系統(tǒng)的燃料通過其中的第一脫硫器，其包括吸附燃料中含硫的成分的吸附劑；燃料通過其中的第二脫硫器，其包括與燃料中含硫的成分發(fā)生放熱反應(yīng)的脫硫催化劑，其中第二脫硫器與第一脫硫器相連；和燃料通過其中的重整器，其將燃料重整為含有氫氣的重整氣體，其中該重整器與第二脫硫器相連。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料處理設(shè)備，進一步包括容納第二脫硫器和重整器的箱體， 其中第一脫硫器位于該箱體之外。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料處理設(shè)備，其中第一管道與第一脫硫器相連，使得燃料從 外部流入第一脫硫器，第一脫硫器和第二脫硫器通過第二管道相連，和第一管道和第二管道通過第三管道相連，使得燃料繞過第一脫硫器。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料處理設(shè)備，其中用于改變?nèi)剂系牧魅胪返霓D(zhuǎn)向閥設(shè)置在 第一管道和第三管道連接的點。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料處理設(shè)備，其中第二脫硫器和重整器通過第四管道相連，和第二管道和第四管道通過第五管道相連，使得燃料繞過第二脫硫器。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料處理設(shè)備，其中第二管道上設(shè)置有第一電磁閥，第一電磁 閥選擇性地控制燃料的流動，和第五管道上設(shè)置有第二電磁閥，其中第二電磁閥選擇性地控制燃料的流動，和其中第二電磁閥的操作與第一電磁閥的操作相聯(lián)系。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的燃料處理設(shè)備，其中活性炭、合成沸石和氧化鐵中至少 一種在第一脫硫器中用作吸附劑。
8.如權(quán)利要求1-6之一所述的燃料處理設(shè)備，其中第二脫硫器將含硫的成分轉(zhuǎn)化為硫 化氫(H2S),并引起脫硫催化劑參與的放熱反應(yīng)。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料處理設(shè)備，其中氧化鋅用作脫硫催化劑。
10.一種燃料電池系統(tǒng)，包括通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的燃料電池堆；將燃料重整為含有氫氣的重整氣體并將該重整氣體提供給該燃料電池堆的燃料處理 設(shè)備；和為燃料電池堆提供空氣的空氣提供設(shè)備，其中所述燃料處理設(shè)備包括燃料從其中通過的第一脫硫器，其包括吸附燃料中含硫的成分的吸附劑，燃料從其中通過的第二脫硫器，其包括與燃料中含硫的成分發(fā)生放熱反應(yīng)的脫硫催化 齊U，其中第二脫硫器與第一脫硫器相連，和燃料通過其中的重整器，其將燃料重整為含有氫氣的重整氣體，其中該重整器與第二 脫硫器相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及多重脫硫器的燃料處理設(shè)備以及包含該設(shè)備的燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的用于燃料電池系統(tǒng)的燃料處理設(shè)備包括燃料從其中通過的第一脫硫器，其中含有用于吸附燃料中含硫的成分的吸附劑，以及燃料從其中通過的第二脫硫器，其中含有能與燃料中的含硫的成分發(fā)生放熱反應(yīng)的脫硫催化劑，其中第二脫硫器與第一脫硫器相連。用于燃料電池系統(tǒng)的燃料處理設(shè)備進一步包括燃料從其中通過的重整器，用于將燃料重整為含有氫氣的重整氣體，其中重整器與第二脫硫器相連。
文檔編號H01M8/04GK101849314SQ200880115059
公開日2010年9月29日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月6日
發(fā)明者崔明勛, 洪炳善, 辛美男, 金淏碩 申請人:燃料電池能量公司