专利名称：含有多重脱硫器的燃料处理设备以及具有该设备的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及通过氢与氧的电化学反应产生电能的燃料电池系统，特别地，涉及一 种在燃料电池系统中重整燃料并有效去除燃料中含硫成分的创新的燃料处理设备，以及一 种包含该设备的燃料电池。
背景技术：
燃料电池系统利用含氢的燃料以及含有氧气的空气，通过电化学反应产生电能。燃料电池系统通常包括以下部件。燃料电池系统包括作为主要部件的氢和氧在其 中进行电化学反应的燃料电池堆，用于重整燃料使其转换为包含氢气的重整气体并将该重 整气体提供给燃料电池堆的燃料处理设备，以及为燃料电池堆提供含有氧的空气的空气提 供设备。燃料处理设备包括若干个适于在将燃料转化为含有氢的重整气体的过程中去除 那些能破坏燃料电池容量的元素的反应器。烃，例如LNG或者LPG，作为燃料使用，由含硫的 化合物制成的气味剂被加入烃中。因此，传统的燃料处理设备必须在反应器中包括脱硫器， 以用于去除燃料中含硫的成分或者化合物。如果燃料处理设备不能将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会流入重整器。那么，燃料中含硫的成分或者化合物被重 整器中的重整催化剂吸附或者使其中毒，引起重整催化剂的能力退化。如上文所述，重整催 化剂能力的退化与产生含有氢的重整气体的能力有关，这会引起燃料电池堆中产生电能的 效率降低的问题。而且，含硫的成分或者化合物的浓度会随着环境发生很快的变化。因此， 传统的燃料处理设备存在的问题是由于含硫的成分或者化合物浓度的很快变化不能正常 地工作。
发明内容
技术问题本发明力争提供一种改进的燃料处理设备，其甚至在燃料中含硫的成分和化合物 的浓度变化很快的情况下也能够将含硫的成分或者化合物的数量降低到特定的水平，以及 一种包含该燃料处理设备的燃料电池系统。另外，本发明力争提供一种燃料处理设备和燃料电池系统，其中重整器中的重整 催化剂的能力的退化小于传统的燃料处理设备，并且重整器的更换周期会变得相对延长， 甚至在催化剂使用了很长时间的情况下。技术方案根据本发明的优选实施例的用于燃料电池系统的燃料处理设备包括用于燃料电 池系统的燃料从其中通过的第一脱硫器，该第一脱硫器中包括用于吸附燃料中含硫成分的 吸附剂，以及燃料从其中通过的第二脱硫器，该第二脱硫器中包括能与燃料中含硫的成分发生放热反应的脱硫催化剂，并且第二脱硫器与第一脱硫器相连。用于燃料电池系统的燃 料处理设备进一步包括重整器，燃料从其中通过并重整为含有氢的重整气体，其中重整器 与第二脱硫器相连。燃料处理设备还可进一步包括容纳第二脱硫器和重整器的箱体(case body)，其 中第一脱硫器位于该箱体之外。第一管道连接到第一脱硫器，这样燃料就可以从外部流入第一脱硫器，第一脱硫 器和第二脱硫器通过第二管道相连，并且第一管道和第二管道通过第三管道相连，这样燃 料也可以绕开第一脱硫器。使燃料的流入通路改变的转向阀设置在第一管道与第三管道连 接的点上。第二脱硫器和重整器通过第四管道相连，第二管道和第四管道通过第五管道相 连，这样燃料就可以绕开第二脱硫器。第一电磁阀设置在第二管道上，第一电磁阀选择性地 用于控制燃料的流动，第二电磁阀设置在第五管道上，第二电磁阀选择性地控制燃料的流 动，其中第二电磁阀的操作与第一电磁阀的操作相关联。活性炭、合成沸石、以及氧化铁中的至少一种在第一脱硫器中用作吸附剂。
第二脱硫器可将含硫的成分转化为硫化氢(H2S)，并且引起脱硫催化剂参与的放 热反应。氧化锌可用作脱硫催化剂。根据本发明的优选实施例的燃料电池系统包括通过氢气与氧气的电化学反应而 产生电能的燃料电池堆，将燃料重整为含有氢气的重整气体的燃料处理设备，以及为燃料 电池堆提供空气的空气提供设备。燃料处理设备包括燃料经过的其中含有用来吸附燃料中 含硫的成分的吸附剂的第一脱硫器，以及燃料经过的其中含有能与燃料中含硫的成分发生 放热反应的脱硫催化剂的第二脱硫器，其中第二脱硫器与第一脱硫器相连，燃料处理设备 还包括燃料经过的重整器，该重整器将燃料重整为含有氢的重整气体，其中该重整器与第 二脱硫器相连。有益效果根据本发明的优选实施例的燃料处理设备，包括多重脱硫结构，这样重整器中的 重整催化剂的能力的退化就会小于传统技术中重整催化剂能力的退化，甚至在燃料中含硫 的成分或者化合物的浓度变化很快时也是这样。因此，重整器的能力的耐久性就大于传统 技术，根据本发明的优选实施例的燃料处理设备的稳定性和耐久性也得到提高。而且，根据本发明的实施例，重整催化剂的能力的退化不象现有技术中那样快，重 整器的更换周期也变得相对延长。因此，根据本发明的实施例的维护成本要更小，并且也更 便于维护。
图1是燃料电池系统中各部件的示意图。图2是根据本发明的第一优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。图3是根据本发明的第二优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。图4是根据本发明的第三优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。<附图中用于指代基本部件的附图标记说明>100，200，300 燃料处理设备
101，201，301 箱体110，210，310 第一脱硫器120，220，320 第二脱硫器130，230，330 重整器140，240，340 一氧化碳消减器150，250，350 —氧化碳去除器最佳方式下文中将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述，使本领域的技术人员 可以毫无困难地实施该发明。本领域技术人员应当意识到，所记载的实施例可以通过多种 不同的方式来改进，所有这些改进都属于本发明的精神和保护范围内。图1是燃料电池系统中各部件的示意图。如图1所示，根据本发明的优选实施例的燃料电池系统包括通过氢与氧的电化学 反应产生电能的燃料电池堆10，将燃料重整为含有氢的重整气体的燃料处理设备100，以 及为燃料电池堆10提供氧气的空气提供设备30。进一步地，燃料电池系统还包括用于将直 流电能转换为交流电能的电能转换器40，用于冷却燃料电池堆10到特定温度以下的冷却 器50，其他设备(Β0Ρ，周边设备)，以及控制器。燃料电池系统使用烃类例如液化天然气(LNG)或者液化石油气(LPG)作为燃料。 烃燃料中要加入气味剂，这样如果气体泄漏的话可以很容易地察觉。气味剂主要有含硫的 化合物构成。然而，如上文中所述，含硫的成分或者化合物会降低重整器的能力，并造成产生电 能的效率退化。因此，燃料处理设备100包括脱硫器，用于在进入重整器也就是用于将燃料 重整为含有氢的重整气体的重整器之前将含硫的成分或者化合物的数量降低到低于预定 的水平。燃料处理设备100包括如下部件。图2是根据本发明的第一优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。如图2所示，燃料处理设备100包括燃料在第一位置通过的第一脱硫器110。第一 脱硫器110包括用于吸附燃料中含硫的成分的吸附剂，作为降低燃料中含硫的成分或者化 合物的数量的第一步骤。活性炭，合成沸石(例如，分子筛)，和氧化铁中的至少一种在第一 脱硫器110中用作吸附剂。也就是说，第一脱硫器110可通过将含硫的成分或化合物吸附 到吸附剂的表面来降低燃料中含硫的成分或化合物的含量。第一脱硫器110叫做低温类型 的脱硫器，因为当含硫的成分或化合物被吸附到吸附剂的表面时伴随着低的热量的产生。第二脱硫器120与第一脱硫器110相连。第二脱硫器120设计为使燃料通过，其中 包括能够与燃料中含硫的成分或化合物发生放热反应的脱硫催化剂。第二脱硫器120将含 硫的成分或化合物通过加氢脱硫过程(HDS)转化为硫化氢(H2S)，然后通过将硫化氢与作为 脱硫催化剂的氧化锌(ZnO)结合的过程来去除含硫的成分或者化合物。与第一脱硫器110 相比，第二脱硫器120更适于去除含硫的成分或者化合物。而且，第二脱硫器120叫做高温 类型的脱硫器，因为与第一脱硫器110相比，它伴随着更多的热量的产生。另外，第二脱硫器120设置在燃料处理设备100的箱体101的内部，第一脱硫器 110设置在箱体101外部。这是因为，第一脱硫器110去除含硫的成分或者化合物的能力 小于第二脱硫器120，所以第一脱硫器110中的吸附剂要定期地更换。因此，在制造的过程中，将第二脱硫器120与燃料处理设备100的其他反应器一起设置在箱体101的内部。另 一方面，与箱体101内的其他设备不同，第一脱硫器110还设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过第一脱硫器110被减少，然后通过第二脱 硫器120被去除到低于预定的水平。考虑到生产成本，第一脱硫器110持续地用于去除燃 料中含硫的成分或者化合物，只要其中的吸附剂定期更换即可。而且，第二脱硫器120在去 除燃料中含硫的成分或者化合物的过程中具有比第一脱硫器110更长的更换周期。因此， 第二脱硫器120设置在箱体101的内部，虽然第二脱硫器120的更换要麻烦得多，但是第二 脱硫器120具有更长的更换周期。重整器130与第二脱硫器120相连，设计为使燃料通过其中。这样，当燃料通过第 一脱硫器110和第二脱硫器120后，其中的含硫的成分或者化合物被除去，然后作为不含含 硫的成分或者化合物的反应气体进入重整器130。重整器130引起反应气体的催化反应，将 反应气体重整为含有大量氢气的重整气体。在第一位置的一氧化碳消减器140，降低由重整器130提供的重整气体中一氧化 碳的浓度。随后，一氧化碳去除器150将重整气体中一氧化碳的浓度降低到低于lOppm。
另外，燃料处理设备100进一步包括辅助设备，如为重整反应提供热量的燃烧器， 用来点燃燃烧器的点火装置，以及温度传感器。使用上文所述的结构，燃料处理设备100可在第一位置通过第一脱硫器110来减 小含硫的成分或者化合物的量，然后通过第二脱硫器120将这些物质去除使其浓度低于预 定的水平，甚至在燃料中含硫的成分或者化合物的浓度随着环境条件变化而快速变化的情 况下也是这样。特别地，燃料处理设备100通过更换第一脱硫器110中的吸附剂来延长第 二脱硫器120的更换周期。图3是根据本发明的第二优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。如图3所示，根据本发明的第二优选实施例的燃料处理设备200具有绕过第一脱 硫器210的旁路的特征。也就是说，第一脱硫器210与第一管道202连接，通过该管道燃料 可以从外部流入内部。第一脱硫器210和第二脱硫器220通过第二管道240连接。第一管 道202和第二管道204通过第三管道260连接，这样燃料可绕过第一脱硫器210。而且，用 于改变燃料的流入通路的转向阀270设置在第一管道202和第三管道260连接的点。在第 二管道204上设置有电磁阀271。这样，在正常的操作条件下，燃料处理设备200通过转向阀270使燃料流入第三管 道260，并且保持第一电磁阀271关闭。这样，外部提供的燃料可绕过第一脱硫器210直接 流入第二脱硫器220。这样，当燃料含有大量的含硫的成分或者化合物时，第二脱硫器220 可引起更高的热量产生，温度会加热到高于预定的水平。燃料处理设备200可通过温度传 感器探测第二脱硫器2210中的温度，并且通过分别操作转向阀270和第一电磁阀271来改 变燃料的流动通路。这时，燃料就相继通过第一脱硫器210和第二脱硫器220，处理大量的 含硫的成分或者化合物。如上文中所述，当燃料中含硫的成分或者化合物的浓度随着环境条件变化很快 时，根据第二优选实施例的燃料处理设备200可有效地通过第一脱硫器210和第二脱硫器 220对条件做出反应和处理。特别地，根据第二优选实施例的燃料处理设备200可以使燃料 旁路绕过第一脱硫器210，使在操作燃料处理设备200的同时对第一脱硫器210中吸附剂的更换成为可能。在图3中，附图标记201，230，240和250分别为箱体，重整器，一氧化碳消减器和
一氧化碳去除器。 图4是根据本发明的第三优选实施例的燃料处理设备中各部件的示意图。如图4所示，根据本发明的第三优选实施例的燃料处理设备300具有第二脱硫器 320被绕过的特征。也就是，第二脱硫器320和重整器330通过第四管道306连接。第二管 道304和第四管道306通过第五管道361连接，这样燃料就可以绕过第二脱硫器320。而 且，用于选择性的控制燃料的流动的第一电磁阀371设置在第二管道304上，用于选择性地 控制燃料流动的第二电磁阀372设置在第五管道361上。另外，第二电磁阀372的操作和 第一电磁阀371的操作是相联系的。而且，用于选择性地控制燃料流动的第三电磁阀373 设置在第四管道306上。通过上述的结构，根据本发明的第三优选实施例的燃料处理设备300保持第一和 第三电磁阀371，373关闭，同时第二电磁阀372打开。因此，通过第一脱硫器310的燃料不 通过第二脱硫器320而是直接流入重整器330。也就是，当燃料的量很小时，燃料处理设备 300可使用第一脱硫器310来处理燃料。而且，燃料处理设备300可使燃料绕过第二脱硫器 220，使在燃料处理设备300工作的过程中更换第二脱硫器220成为可能。另外，根据本发明的第三优选实施例的燃料处理设备300可在第二和第五管道 304,361连接的点包括一个转向阀，替代第一和第二电磁阀371，372。在图4中，附图标记 301,340和350分别表示箱体，一氧化碳消减器，和一氧化碳去除器。虽然结合被认为是可实施的优选实施例对本发明做了详细说明，应当明白本发明 并不局限于公开的实施例，而是相反，本发明应当涵盖包括在权利要求的范围和精神中的 各种不同的改进和替代。
权利要求
一种燃料电池处理设备，包括用于燃料电池系统的燃料通过其中的第一脱硫器，其包括吸附燃料中含硫的成分的吸附剂；燃料通过其中的第二脱硫器，其包括与燃料中含硫的成分发生放热反应的脱硫催化剂，其中第二脱硫器与第一脱硫器相连；和燃料通过其中的重整器，其将燃料重整为含有氢气的重整气体，其中该重整器与第二脱硫器相连。
2.如权利要求1所述的燃料处理设备，进一步包括容纳第二脱硫器和重整器的箱体， 其中第一脱硫器位于该箱体之外。
3.如权利要求1所述的燃料处理设备，其中第一管道与第一脱硫器相连，使得燃料从 外部流入第一脱硫器，第一脱硫器和第二脱硫器通过第二管道相连，和第一管道和第二管道通过第三管道相连，使得燃料绕过第一脱硫器。
4.如权利要求3所述的燃料处理设备，其中用于改变燃料的流入通路的转向阀设置在 第一管道和第三管道连接的点。
5.如权利要求4所述的燃料处理设备，其中第二脱硫器和重整器通过第四管道相连，和第二管道和第四管道通过第五管道相连，使得燃料绕过第二脱硫器。
6.如权利要求5所述的燃料处理设备，其中第二管道上设置有第一电磁阀，第一电磁 阀选择性地控制燃料的流动，和第五管道上设置有第二电磁阀，其中第二电磁阀选择性地控制燃料的流动，和其中第二电磁阀的操作与第一电磁阀的操作相联系。
7.如权利要求1-6之一所述的燃料处理设备，其中活性炭、合成沸石和氧化铁中至少 一种在第一脱硫器中用作吸附剂。
8.如权利要求1-6之一所述的燃料处理设备，其中第二脱硫器将含硫的成分转化为硫 化氢(H2S),并引起脱硫催化剂参与的放热反应。
9.如权利要求8所述的燃料处理设备，其中氧化锌用作脱硫催化剂。
10.一种燃料电池系统，包括通过氢气和氧气的电化学反应产生电能的燃料电池堆；将燃料重整为含有氢气的重整气体并将该重整气体提供给该燃料电池堆的燃料处理 设备；和为燃料电池堆提供空气的空气提供设备，其中所述燃料处理设备包括燃料从其中通过的第一脱硫器，其包括吸附燃料中含硫的成分的吸附剂，燃料从其中通过的第二脱硫器，其包括与燃料中含硫的成分发生放热反应的脱硫催化 齐U，其中第二脱硫器与第一脱硫器相连，和燃料通过其中的重整器，其将燃料重整为含有氢气的重整气体，其中该重整器与第二 脱硫器相连。
全文摘要
本发明涉及多重脱硫器的燃料处理设备以及包含该设备的燃料电池系统。根据本发明的优选实施例的用于燃料电池系统的燃料处理设备包括燃料从其中通过的第一脱硫器，其中含有用于吸附燃料中含硫的成分的吸附剂，以及燃料从其中通过的第二脱硫器，其中含有能与燃料中的含硫的成分发生放热反应的脱硫催化剂，其中第二脱硫器与第一脱硫器相连。用于燃料电池系统的燃料处理设备进一步包括燃料从其中通过的重整器，用于将燃料重整为含有氢气的重整气体，其中重整器与第二脱硫器相连。
文档编号H01M8/04GK101849314SQ200880115059
公开日2010年9月29日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年11月6日
发明者崔明勋, 洪炳善, 辛美男, 金淏硕 申请人:燃料电池能量公司