对用于燃料电池系统的燃料原料进行预处理的预处理组件的制作方法

专利名称：对用于燃料电池系统的燃料原料进行预处理的预处理组件的制作方法
对用于燃料电池系统的燃料原料进行预处理的预处理组件
本发明涉及对用于燃料电池系统的含烃的燃料原料的处理，特别 地，涉及用于进行燃料原料的预处理的预处理组件。
燃料电池是通过电化学反应直接将贮存于烃燃料中的化学能转化 为电能的单元。通常，燃料电池包括由电解质分隔的阳极和阴极，所 述电解质用来传导荷电的离子。熔融的碳酸盐燃料电池通过使反应物 燃料气体流经阳极，同时使氧化气体流经阴极来进行操作。为了产生 有用的功率水平，许多个单独的燃料电池被串联堆叠，在各电池之间
有导电性的隔板。
目前的燃料电池要求由氢或氢与一氧化碳的混合物组成的清洁气 体作为反应物燃料气体。反应物燃料气体通常由含烃原料使用重整方
法来产生。含烃原料通常含有显著数量的低级烃，即具有2个或更少 的碳的烃如甲烷，以及少量的氢、二氧化碳、氮和更高级烃，即具有 多于2个碳的烃。例如当燃料原料是天然气、高峰补偿气体(peak shaving gas)、沼气和煤层甲烷时，确实如此。
燃料原料通常经历预处理来减少或消除高级烃并将一部分低级烃 转化为甲烷、氢和二氧化碳。然后将所述原料在重整单元中进一步处 理来产生富氢的燃料气体。
常规的预处理使用脱氧器组件并随后使用预重整组件来进行。脱 氧器组件在原料进入预重整组件之前减少在燃料原料中的氧的浓度。 这保护了在预重整组件中使用的催化剂(通常为Ni基催化剂)，否则所 述催化剂在氧存在下会失活。
在预重整组件中，重整反应是一个转化过程，其根据燃料组成和 蒸汽可能不利地导致碳的形成。当燃料原料含有丙烯时碳的形成是特 别令人关注的，因为随着丙烯浓度的增加形成碳的倾向增加。产生的 碳沉积在预重整组件的重整催化剂的活性部位上，从而使催化剂失活。这减少了预重整组件的寿命。
为了减少在常规预重整组件中碳的形成，含有碱或基于活性氧化
镁载体的特殊催化剂已被提出。另一技术是使用绝热处理。在这种情 况下，固定床绝热预重整组件将高级烃组分在低温下用蒸汽转化成甲 烷、氢和碳氧化物。
含丙烯的燃料原料通常具有高浓度的含硫化合物。这些化合物也 趋向于使在预重整组件中的重整催化剂失活。虽然燃料原料在进入预 重整组件之前通常被在脱硫单元中脱硫，但在燃料原料中高的硫浓度 和丙烯降低了脱硫单元的能力。
还必须由氢源给被供给到预重整组件中的燃料原料提供附加的 氢。要求这一点是为了在原料中提供足够浓度的氢，来为重整催化剂 保持还原环境，从而保持催化剂活性。
如可以理解的，由于需要附加单元或特殊组件来提供氢、减少碳 的形成和除去丙烯，和需要附加单元来除去进入预重整组件的氧，常 规的燃料原料预处理复杂且昂贵。因而需要更简单设计、更低成本和 更长寿命的预处理组件。
因此本发明的一个目的是提供一种预处理组件，其能够更好地处 理含烃和氧的燃料原料而不会使预处理催化剂失活。
本发明的另一目的是提供一种预处理组件，其能够在没有附加氢 源的情况下操作并具有增加的操作寿命。
本发明的再一目的是提供一种预处理组件，其特别适用于阻止在 含烃燃料原料中丙烯和其它烯烃的影响。
发明简述
按照本发明的原理，上述和其它的目的在预处理组件和用于对含 烃(包括高级烃组分)燃料原料进行预处理的方法中实现，其中一个 共用的容器容纳了用于降低燃料原料中的氧含量的脱氧单元和用于接 收流经脱氧单元后的燃料原料并降低燃料原料中的高级烃含量的预处 理单元。在进行该预处理的过程中，所述组件还减少了所述原料中的 低级烃组分的一部分，并增加了氢含量。在这里公开的本发明的实施方案中，沿燃料原料的流动路径，将 预重整单元布置在脱氧单元之后，且这两个单元均呈床的形式。另外，
在这一实施方案中，脱氧床的催化剂是在三氧化二铝上的Pt-Pd催化 剂或Pt-Rh-基催化剂或Rh-Pt基三氧化二铝催化剂之一，且预重整床 的催化剂是镍基的并是Cll-PR(Sud Chemie) 、 CRG-F(Johnson Mat they) 、 CRG-LH (Johnson Matthey)和G-180 (BASF)之一。
在本发明的另一方面中，预处理组件还包括用于处理燃料原料中 的丙烷和丙烯的丙烷处理器单元。在所述公开的实施方案中，所述丙 烷处理器单元是呈床的形式，并设置在脱氧床和预重整床之间。所述 丙烷处理器床具有镍基耐碳催化剂，如FCR-HC59 (Sud Chemie)。
附图简要说明
在结合附图阅读了如下详细说明后，本发明的以上和其它特征和 方面将变得更清楚，其中


图1显示了具有燃料输送系统的燃料电池系统，所述燃料输送系 统使用按照本发明原理的预处理组件；
图2显示了图1的预处理组件的第一实施方案的详细示意图3显示了图2的脱氧器的性能数据表；
图4显示了图1的预处理組件的第二实施方案的详细示意图5显示了图4的预处理組件的性能数据的图表；
图6显示了在不同燃料进口温度下离开图4组件的预处理过的燃 料原料中丙烷残余浓度的图表；
图7显示了在进口 HD-5丙烷燃料原料气体的不同气体空速下在排 出的预处理过的燃料原料中的组分浓度的柱状图8显示了在具有5%丙烯的进口 HD-5丙烷燃料原料气体的不同 气体空速下在排出的预处理过的燃料原料中的组分浓度的柱状图9显示了总结在性能试验过程中的条件和图4组件的性能结果
的表；
图IO显示了在具有5%丙烯的进口 HD-5丙烷燃料原料的不同蒸汽
与碳比值下在排出的预处理过的燃料原料中的组分浓度的柱状图；图11显示了向输入到图4组件的燃料原料气体中添加氢对排出的 预处理过的燃料原料气体组分浓度的影响的曲线。 详细说明
图1显示了一种燃料电池系统100，其包括燃料输送系统101，所 述输送系统具有按照本发明原理的预处理组件108。所述燃料输送系 统101向燃料电池组件112输送富氢燃料，并且包括燃料源102。燃 料源102提供一种燃料原料，其含有显著数量的甲烷和碳氧化物(CO 和C02)，及更高级烃组分如乙烷、丙烷和C4+烃，和一定数量的氧和氢。 典型地，燃料原料可以是天然气、高峰补偿气体、沼气、丙烷、煤层 甲烷、HD-5或LPG。
燃料输送系统101还包括脱硫器104、预加热器106和重整器110。 来自燃料源102的燃料原料被输送到脱硫器104，在此在所述燃料原 料中的含硫化合物被物理和/或化学法除去。脱硫的燃料原料然后流到 预加热器106，在此它被预加热到适当的温度，例如约3751C，然后祐: 输送到燃料预处理组件108。离开组件108的预处理过的燃料原料适 合在燃料电池组件112中使用。在燃料电池组件112中，富氢燃料经 历电化学反应来产生电力。
如在本文以下所详细讨论的，按照本发明的原理，所述预处理组 件108包括设置在或容纳于一个共用容器中的、用于使燃料原料脱氧 和用于使脱氧的燃料原料预重整来减少或基本上消除高级烃组分的多 个燃料处理单元。这种预重整加工还通过将低级烃组分转化为氢而降 低所述低级烃含量，这样由组件108排出的所得到的预处理过的燃料 原料具有增加的氢含量和适合高温燃料电池应用的甲烷。
图2中显示了预处理组件108的第一种实施方案的详细示意图。 如所示的，所述预处理组件108包括呈脱氧器床204和预重整床206 的形式的两个燃料处理单元。这些床布置在或容纳于一个共用容器 202中，所述共用容器202具有用来接收来自预加热器106的预加热 过的燃料原料的进口 208，和用来将预处理过的燃料原料排放到燃料 电池组件112的出口 210。如所示的，所述预重整床206沿所述原料的流动路径201设置在 脱氧器床204之后。再有，显示为筛网212的多孔部件分隔所述床并 提供对所述床204的支撑，所述筛网212通常可由10-14目的镍筛网 制成。所述预处理床206又支撑在容器202的底表面202a上。
所述脱氧器床204包括脱氧催化剂，其通常可以是在三氧化二铝 上的Pt/Pd，或G-74D,由Sud Chemie Inc.制造。也可以使用其它催 化剂，例如Pt-Rh基催化剂和Rh-Pd基三氧化二铝催化剂。
用于所述预重整床206的催化剂可以是标准的镍基催化剂。实例 是镍基三氧化二铝催化剂，或C11-PR催化剂，由Sud-Chemie Inc.制 造。另外，同样可以使用其它镍基催化剂，例如由Johnson Matthey 制造的CRG-F和CRG-LH，或由BASF制造的G-180。
在两个床中使用的催化剂的形状可以变化。例如，在图示的情况 下，在脱氧器床204和预重整床206中均采用丸粒形催化剂。另外， 基于整体的催化剂结构，包括具有催化剂涂层的陶瓷整体式基体，也 适合用在各个床中。
如上面提到的，预处理组件108减少或基本上消除在燃料原料中 的高级烃组分和氧组分。它还减少所述原料中的低级烃组分并增加氢 组分。由于在共用容器202中脱氧器和预重整床204和206的布置， 所述预处理降低了使在所述床中的催化剂失活的可能性，并且被进行 而不需要由氢源向所述燃料原料中添加氢。
特别地，脱氧器床204的催化剂促进了从所述燃料原料中除去氧。 在所述原料是煤层甲烷或沼气时，通过所述催化剂协助的氧与原料中 甲烷的如下反应来除去所述氧
2CH4 + 02 — 2C0 + 4H2 +热 CH4 + 02 ~> C02 + 2H2 +热
在所述原料是高峰补偿气体时，通过使所述原料中的丙烷与氧进 行如下反应，在脱氧器床204中除去氧
C3H8 + 202 — 2C0 + 2C02 + 4H2 +热
在脱氧器床204中除去氧防止了预重整床206中催化剂的失活。它还产生了为这样的催化剂保持还原环境所需的附加的氢。在预重整
床206中，在经脱氧的原料中高级烃组分的减少由所述催化剂协助， 并且通过高级烃组分转化成氬、碳氧化物和甲烷的混合物而发生。通 过转化还发生了低级烃含量的降低，并导致氢和碳氧化物的增加。特 别地，在燃料中的曱烷的约10%被重整，以提供用于燃料电池组件中 的电化学反应的氢。在燃料中的其余甲烷在燃料电池组件中被内部重 整。以下反应举例说明了所述转化过程
CnHm + nH20 — nC0 + (m/2 + n)H2
CH4 + H20 ■> CO + 3H2
C3H8 + 2H20 4 2C02 + 2CH4 + 2H2
如上面提到的，脱氧器床204设置在容器202中就燃料原料的流 动或流动路径201的方向而言的第一位置，并靠近容器202的入口。 然后就流动路径201的方向而言预重整床206跟在脱氧器床204后面。 如前所述，这种排布使得在进入预重整床之前从所述燃料原料中除去 氧，从而防止了在所述床中的催化剂的失活。这样预处理组件108的 寿命被延长。
如从上面所述还可以看出的，在床204和206中的脱氧和预重整 反应增加了原料中的氢含量。这在预重整床206中保持了还原环境。 特别地，在预重整床206中氢的反扩散提供了这种还原环境，从而允 许组件108在不向燃料原料中额外提供氢的条件下进行操作。
在床206中氢的反扩散的量与燃料原料的空速负相关。因此，为 了在所述床中实现足够的氢的反扩散，希望保持低的经过预重整床 206的燃料原料的空速。
可以理解，空速直接与通过预重整床206的燃料的流量成正比， 并与在预重整床206中的催化剂的体积成反比。因此，可以使用如下 关系式，通过调节预重整床206中的催化剂的体积和/或通过改变流过 所述重整床206的燃料的量来控制燃料原料的空速
SV-每小时的燃料流量/催化剂体积
除控制燃料原料的空速以外，还需要控制燃料的表观速度以获得所需量的氢反扩散。表观速度是燃料所流经的容器直径的函数。特别
地，表观速度与燃料流量成正比并与预重整床206的直径成反比。
在本发明的预处理组件108中，已发现在预重整床206的操作中 2000至5000h^的空速和约1. 3ft/s的最大表观速度是理想的。
再有，另外还可以使所述预重整床206适合用作一种防护单元， 来捕获在燃料原料中存在的未被图1的脱硫器单元104除去的含硫化 合物。特别地，在预重整催化剂中的镍适合有效地捕获含硫化合物。 通过这种附加的硫脱除，可以增加在燃料电池组件112中的重整催化 剂的操作寿命。
预重整组件108的最佳设计取决于特定的用途。应考虑的一些重 要因素是燃料电池组件112的要求、被加工的燃料气体的类型和被处 理的气体的量。本文下面描述预重整组件108的一个示例性实例。
实施例1
预处理组件108已进行优化以便处理用于300kW Direct Fuel Cell发电厂的、包含氧和甲烷的燃料原料。脱氧器床204包含G-74D 催化剂并具有0. 7立方英尺的体积。预重整床206包含Cll-PR催化剂 并具有2. 5立方英尺的体积。脱氧器床204约4英寸厚，预重整床206 约14. 5英寸厚。共用容器202由304/310不锈钢制造，并具有4立方 英尺的体积和20英寸的直径。
经进口 208进入容器202的燃料原料和经出口 210排出容器202 的预处理过的燃料原料的最佳温度约为300至4901C。脱氧器床204 的最佳操作温度范围为300至600n，预重整床206的最佳操作温度 范围为320至540X:。流经脱氧器床204的燃料原料的空速为5000 至12000h—i，流经预重整床206的燃料原料的空速为2000至50001f1。 再有，为了在预重整床206中保持所需的氢反扩散，流经床206的燃 料原料的希望的最大表观速度在STP条件下是1. 3f t/s。
所述燃料原料包含6. 31 lb-摩尔/小时的甲烷、0.06 lb-摩尔/小时的 二氧化碳、12. 48 lb-摩尔/小时的水、0. 08 lb-摩尔/小时的氮、0.17lb-摩尔/小时的乙烷和0.03 lb-摩尔/小时的丙烷。进入所述脱氧器 床204的燃料原料的温度约为425X:，并且所述燃料原料的空速约为 10000小时—、离开预重整床206的经过预处理的燃料的温度为约320 匸，并且离开预重整床206的经过预处理的燃料的空速为约3000小时 —\使用所述预处理组件预处理过的燃料包含约1.67 lb-摩尔/小时的 氢、6.25 lb-摩尔/小时的甲烷、0.53 lb-摩尔/小时的二氧化碳、11.54 lb-摩尔/小时的水和0.08 lb-摩尔/小时的氮。由这些性能结果可以 看出，在所述燃料原料中存在的所有乙烷或丙烷在所述组件108中被 转化为甲烷、氢和二氧化碳。 实施例2
在这一实施例中，实施例1中的预处理组件108也已经被优化， 来处理被最高达10。/。氧污染了的烃燃料。经进口 208进入容器202的 燃料原料的最佳温度范围约为310r至500'C。
图2的预处理组件108的脱氧功能已经用含氧燃料如厌氧沼气、 煤层曱烷和高峰补偿气体证实。这一实施例的组件108的脱氧性能在 进入所述组件108的燃料原料的不同进口温度和烃燃料的不同氧含量 下测试。图3显示了总结这些测试结果的脱氧器性能的列表数据。在 测试程序中，测量进口燃料原料的氧含量，并且所述燃料原料在进入 组件108之前被预加热到在312至4391C范围内的各种温度。测量离 开脱氧器床204的预处理过的燃料原料气体中的氧浓度和在脱氧器与 预重整器床界面处的温度。通过所述组件的燃料原料的流量为15标准 立方英尺每分钟(scfm)的天然气，其含有按图3中所列出的添加的稀 释剂如二氧化碳、氮、丙烷和空气，或者对于高峰补偿气体，以预定 比值添加从而得到相同的加热值。在这些测试过程中使用的燃料原料 具有2. O的蒸汽与碳比值。
如图3中的列表数据所示，离开组件108的经过预处理的燃料原 料消耗了所有的氧。经过脱氧器床204的温度升高是氧与烃燃料原料 反应的一种指示。因而，这些测试表明，所述脱氧器床204能够在宽 的温度范围内和在进口燃料原料中污染物氧浓度的宽变化范围内从燃料原料中除去氧。
具有这一结构的预处理组件108估计有约5年的寿命，而常规组 件的操作寿命平均为3年。预处理组件108的寿命被延长，部分是由 于通过由脱氧器提供氢并通过优化的氢反扩散提供氢来保持预重整床 206在还原气氛下，从而增加了预重整催化剂的总寿命。
按照本发明的另一方面并且为了进一步改进预处理组件108的性 能和操作寿命，当燃料原料包括丙烷和/或丙烯时，所述组件108还如 图4中所示进行修改。更具体地说，图4显示了图2的预处理组件108 的第二种实施方案，所述预处理组件108被改变以包括适用于将燃料 原料中的丙烷和丙烯转化为甲烷和碳氧化物的丙烷处理器床301。
如图4中所示，丙烷处理器床301设置在容器202中脱氧器床204 和预重整床206之间。特别地，床301位于筛网212之下并支撑在另 一相似的筛网302上，所述筛网302将床301与所述床206分离开。 这样，燃料原料现在流经脱氧器床204，在其中发生氧的还原；流经 床301，在其中丙烷和丙烯通过转化为甲烷和碳氧化物而被除去；和 流经床206,在其中预重整使得高级烃含量下降，并且使部分低级烃 组分转化为氢。
在图4的实施方案中，床204和206含有与上面对图2的第一实 施方案所讨论的那些催化剂相同的催化剂。丙烷处理器床301又包含 镍基耐碳催化剂，该催化剂掺杂有促进剂如氧化铈、氧化镧、钯、铂 或这些化合物的组合。合适的镍基耐碳催化剂的一个实例是由Sud Chemie制造的FCR-HC59。在丙烷处理器床305中的所述耐碳催化剂 对丙烷和丙烯有选择性，并促进燃料原料中的丙烷和丙烯向曱烷和碳 氧化物的如下转化
C3H6 + 2H20 —C02 + 2CH4 + H2
C3H8 + 2H20 —C02 + 2CH4 + 2H2
图4的预处理组件108能够处理包含多达5%丙烯的商业级丙烷燃 料或HD-5气体。所述预处理组件的性能将根据燃料原料进口温度，床 204、 301、 206中的燃料原料的空速，和燃料原料的蒸汽与碳("S/C")比值而变化。
如图2的实施方案那样，图4的预重整组件108的最佳设计将根 据对图2的实施方案所讨论的因素和丙烯浓度的附加因素而变化。图 4的预处理组件108的构造的一个示例性实例在以下实施例3中进行 描述。
实施例3
图4的预处理组件已经被优化，用于处理用于300kW的Direct Fuel Cell发电设备的包含丙烷和多达5%丙烯的燃料。脱氧器床204 包含G-74D催化剂并具有0. 7立方英尺的体积。丙烷处理器床301包 含由Sud Chemie制造的FCR-HC59抗碳催化剂并具有0. 75立方英尺的 体积，并且所述预重整床206包含C11-PR催化剂并具有1.7立方英尺 的体积。容器202由304/310不锈钢制造并具有4立方英尺的体积。
经进口 208进入容器202的燃料原料的最佳温度约为350X:，且 经出口 210自容器202排出的预处理过的燃料的温度约为350n。脱 氧器床204适合于在300至600t:的温度下操作，而丙烷处理器床301 和预重整床206适合于在300至540匸的温度下操作。所述组件108 的床204、 301和206的最佳操作温度范围为3001C至4t)0。C。流经脱 氧器床204的燃料原料的所希望的空速为5000至12000小时—、流经 丙烷处理器床301的燃料原料的所希望的空速为5000至11000小时一1， 而流经预处理床206的燃料原料的所希望的空速为2000至5000小时 —\再有，优选进入所述组件的燃料原料的蒸汽与碳比约为3。
使用具有不同丙烯浓度的丙烷燃料原料测试图4的预处理组件 108的性能。在这些测试中使用的燃料原料包括无丙烯的纯丙烷、具 有2538ppm丙烯的HD-5气体和具有约5%丙烯的HD-5+气体。所述测试 在进入所述组件108的燃料原料的不同进口温度、不同空速和不同蒸 汽与碳比下进行。
图5显示了在不同燃料原料进口温度下测试图4的组件108得到 的性能数据的图表。在所述测试程序中，燃料原料在进入所述组件108 之前被预加热到不同温度，并且由所述组件排出的经过预处理的燃料原料气体的各种组分的浓度被测量。在该测试过程中使用的燃料原料
具有3. 0的蒸汽与碳比.通过所述组件的纯丙烷燃料原料气体的流量 为5. 0标准立方英尺/分钟("scfm" )， HD-5燃料原料气体和HD-5+ 燃料原料气体的流量为4. 5scfm，并且进入所述组件108的所述燃料 原料气体的进口温度在300至450°C的范围内。
如图5所示，离开所述组件108的经过预处理的燃料原料包括甲 烷、氢和二氧化碳组分。在图5中的X轴代表预处理组件进口温度， 而Y轴代表在经过预处理的燃料原料气体中排出的各组分的排出浓 度。
如由图5可看到的，由纯丙烷输入原料得到的在排出的经过预处 理的燃料原料气体中甲烷、氢和二氧化碳的各自浓度与由HD-5和 HD-5+输入原料得到的在排出的经过预处理的燃料原料气体中甲烷、氢 和二氧化碳的各自浓度大致相同。因此，这些试验表明，所述组件108 能够对具有高丙烯浓度的燃料原料进行预处理而不降低性能。
如可以看出的，随着原料的进口温度增加，在排出的经过预处理 的燃料原料气体中氢的浓度也增加，而在排出的经过预处理的燃料原 料气体中甲烷的浓度下降。而且，如图所示的，在所有的进口温度下， 由所述组件排出的预处理过的燃料原料气体包括足够浓度的氢来保持 预重整催化剂处于还原气氛中，从而延长了所述组件108的操作寿命。
图6显示了对应于原料的不同进口温度的、在图4的组件108排 出的预处理过的燃料原料气体中残余丙烷浓度的图表。如图6中所示， X-轴代表进入预处理组件108的原料的进口温度，Y-轴代表在排出的 预处理过的燃料原料气体中丙烷的百分浓度。如可以理解的，所述组 件的性能与在排出的预处理过的燃料原料气体中的残余丙烷浓度成反 相关性。
图6显示，在所有情况下，甚至在约300X:的较低进口温度下， 在排出的预处理过的燃料中丙烷浓度也是可接受的低的。而且，随着 燃料原料的进口温度增加，在排出的预处理过的燃料原料气体中丙烷 浓度下降，在进口温度高于425 。C时所述丙烷浓度下降至不能检测到丙烷的程度。
根据以上在不同的燃料原料进口温度下进行的试验，可以看出，
所述组件108的性能在宽的温度范围内是优异的，允许所述进口温度 按照所需的氢和曱烷出口浓度来改变。图4的预处理组件的最佳操作 温度为300至450 。C。
燃料原料空速对图4的预处理组件108的性能的影响也使用HD-5 和HD-5+输入燃料原料气体进行了测试。在这些测试中，燃料原料以 1900小时_1、 2660小时—\ 3420小时_1和9082小时—i的气体空速流经 所述组件108。燃料原料的进口温度恒定保持为375X:。记录在由所述 组件108排出的预处理过的燃料原料气体中甲烷、氢和二氧化碳的百 分浓度。
图7和8显示了在375r的恒定进口温度下，HD-5和HD-5+燃料 原料分别以不同的原料空速流经所述组件108时排出气体浓度的柱状 图。图7和8中的Y轴代表在排出的预处理过的燃料原料气体中各组 分的百分浓度。如可以看出的，所述组件108能够有效地预处理以在 1900小时—i至9082小时—、范围内的空速流经它的燃料原料，并证实在 这一空速范围中有过剩的能力。另外，这些试验表明，当燃料原料空 速在1900小时—i至9044小时_1的范围内时，HD-5+燃料原料中丙烯浓 度的增加对所述组件108的性能没有很大影响。
还在其它进口温度下，采用高空速的添加有丙烯的HD-5丙烷和天 然气，测试了图4的组件108的性能。图9显示了总结在这些试验过 程中的具体条件的表，包括燃料原料组成和进口温度，以及由图4的 组件108排出的预处理过的天然气和添加有丙烯气体的HD-5丙烷的排 出组成。特别地，天然气的进口原料组成包括2.23%的乙烷、0. 36%的 丙烷和0. 16%的丁烷，而添加有丙烯的HD-5丙烷的进口原料组成包括 7. 2%的乙烷、88%的丙烷、4. 02%的丙烯和0. 6%的丁烷。如图9中所示， 预处理组件108除去了所有这些高级烃。如这些试验所示，在脱氧器 204的空速在12000小时_1的范围内，丙烷处理器301的空速在11000 小时^的范围内，和预重整器206的空速在5000小时—i的范围内的情况下，图4的组件108具有优异的性能。
而且，在不同的蒸汽与碳比值下测试了图4的组件108的性能。 图IO显示了在不同的蒸汽与碳比值下衍生自HD-5+燃料原料的排出的 预处理过的燃料原料气体中组分浓度的柱状图。所述试验采用3751C 的恒定的燃料原料进口温度来进行。在图10中，Y轴代表排出的气体 组分的百分浓度。通过使蒸汽与碳比值为2. 9、 3. 0、 3. 2和3. 4的HD-5+ 燃料原料与蒸汽的混合物流经所述组件108，来进行性能测试。在所 述组件108的出口测量在排出的预处理过的燃料原料气体中甲烷、氢 和二氧化碳的浓度。如可以看出的，蒸汽与碳的比值由3. O增加到3.4 导致所述组件的氢的产量增加。
还釆用添加有不同浓度氢的丙烷燃料原料测试了所述组件108的 性能。在这一测试过程中使用的燃料原料包含5 scfm的丙烷和39 scfm 的蒸汽(蒸汽与碳的比值为2.6)，且具有310'C的进口温度。在所述组 件108的进口向所述燃料原料中添加不同数量的氢。图11显示了向燃
料原料中添加氢对在排出的预处理过的燃料原料气体中甲烷、丙烷、 氢和二氧化碳浓度的影响的曲线。如所图示的，随着在组件108的进
口添加的氢的数量增加，丙烷的浓度增加.这些试验表明，所述组件
108能够在无另外的氢供给的条件下操作，且添加氢导致丙烷转化率
下降，从而降低所述组件的性能。
在所有情况下应理解，上述方案仅是代表本发明应用的许多可能 的具体实施方案的例证性说明。在不偏离本发明精神和范围的条件下，
可按照本发明的原理容易地设计出许多不同的其它方案。例如，可对 本发明的催化剂床的结构进行各种改变，以优化燃料原料气体流经预 重整床时燃料原料气体的空速和表观速度。而且，在床202和204中 可以使用其它脱氧和预重整催化剂来代替上述的那些。
权利要求
1.对用于燃料电池的燃料原料进行处理的预处理组件，所述燃料原料包括氧和具有高级和低级烃组分的烃，所述预处理组件包括用于减少在所述燃料原料中的氧的脱氧单元；和用于减少在所述燃料原料中的高级烃组分的预重整单元；和共用的容器；其中所述脱氧单元和所述预重整单元设置在所述共用的容器内，使得所述燃料原料首先流经所述脱氧单元并随后流经所述预重整单元。
2. 按照权利要求1的预处理组件，其中所述脱氧单元包括脱氧 床，且所述预重整单元包括预重整床，沿所述燃料原料的流动路径， 所述预重整床在所述脱氧床之后。
3. 按照权利要求2的预处理组件，其中所述脱氧床包括脱氧催 化剂，和所述预重整床包括预重整催化剂。
4. 按照权利要求3的预处理组件，其中所述脱氧催化剂是在三 氧化二铝上的Pt-Pd催化剂、Pt-Rh-基催化剂和Rh-Pd-基三氧化二铝 催化剂中的一种。
5. 按照权利要求4的预处理组件，其中所述脱氧催化剂是 G-74D。
6. 按照权利要求4的预处理组件，其中所述预重整催化剂是镍 基催化剂。
7. 按照权利要求6的预处理组件，其中所述预重整催化剂是 C11-PR、 CRG-F、 CRG-LH和G-180中的一种。
8. 按照权利要求7的预处理组件，其中所述脱氧催化剂和所述 预重整催化剂是丸粒形催化剂。
9. 按照权利要求7的预处理组件，其中所述脱氧催化剂和所述 预重整催化剂各包括涂覆催化剂的整体陶瓷。
10. 按照权利要求1的预处理组件，其中在减少所述氧的过程中所述脱氧床产生氢，且所述预重整床将所述低级烃组分转化为氢，来 在所述预重整床中保持还原环境。
11. 按照权利要求IO的预处理组件，其中在所述预重整床中燃料原料的空速使得在所述预重整床中产生并保持氢反扩散。
12. 按照权利要求11的预处理组件，其中在所述预重整床中所述 燃料原料的空速为2000至5000小时人
13. 按照权利要求12的预处理组件，其中在所述脱氧床中所述燃 料原料的空速为5000至12000小时_1。
14. 按照权利要求13的预处理组件，其中 所述脱氧器床的体积为0. 7立方英尺；和 所述预重整床的体积为2. 5立方英尺。
15. 按照权利要求14的预处理组件，其中在进入所述组件时所述 燃料原料的温度约为375C。
16. 按照权利要求15的预处理组件，其中所述脱氧器床在3001C 和6001C之间的温度下操作，和所述预重整床在3201C和5401C之间的 温度下操作。
17. 按照权利要求16的预处理组件，其中所述燃料原料的蒸汽与 碳的比值为2. 9至3. 4。
18. 按照权利要求17的预处理组件，其中在所述预重整床中所述 燃料原料的表观速度在STP条件下为1. 3ft/s。
19. 按照权利要求1的预处理组件，其中所述预重整单元还适合 于从所述燃料原料中除去含硫化合物。
20. 对用于燃料电池的燃料原料进行处理的预处理组件，所述燃 料原料包括氧和具有高级和低级烃组分的烃，所述预处理组件包括用于减少在所述燃料原料中的氧的脱氧单元； 用于减少在所述燃料原料中的丙烯的丙烷处理器单元；和 用于减少在所述燃料原料中的高级烃组分的预重整单元。
21. 按照权利要求20的预处理组件，其中所述丙烷处理器单元包 括镍基耐碳催化剂。
22. 按照权利要求21的预处理组件，其中所述脱氧单元、所述丙 烷处理器单元和所述预重整单元设置在共用的容器内。
23. 按照权利要求22的预处理组件，其中所述脱氧单元包括脱氧 床，所述预重整单元包括预重整床，且所述丙烷处理器单元包括丙烷 处理器床。
24. 按照权利要求23的预处理组件，其中所述脱氧床、所述丙烷 处理器床和所述预重整床设置在所述共用的容器内，使得所述燃料原 料首先流经所述脱氧床，然后流经所述丙烷处理器床和所述预重整床 之一，并且随后流经所述丙烷处理器床和所述预重整床中的另一个。
25. 按照权利要求24的预处理组件，其中所述脱氧床、所述丙烷 处理器床和所述预重整床设置在所述共用的容器内，使得所述燃料原 料首先流经所述脱氧床，然后流经所述丙烷处理器床，和随后流经所 述预重整床。
26. 按照权利要求24的预处理组件，其中所述脱氧床包括脱氧催 化剂，且所述预重整床包括预重整催化剂。
27. 按照权利要求26的预处理组件，其中所述脱氧催化剂是在三 氧化二铝上的Pt-Pd催化剂、Pt-Rh-基催化剂和Rh-Pd-基三氧化二铝 催化剂中的一种。
28. 按照权利要求27的预处理组件，其中所述脱氧催化剂是 G-74D。
29. 按照权利要求27的预处理組件，其中所述预重整催化剂是镍 基催化剂。
30. 按照权利要求29的预处理组件，其中所述预重整催化剂是 C11-PR、 CRG-F、 CRG-LH和G-180中的一种。
31. 按照权利要求30的预处理组件，其中所述耐碳催化剂是 FCR-HC59。
32. 按照权利要求31的预处理组件，其中 所述脱氧床的体积为0. 7立方英尺； 所述丙烷处理器床的体积为0. 75立方英尺；所述预重整床的体积为1. 7立方英尺。
33.按照权利要求32的预处理组件，其中 在所述脱氧床中所述燃料原料的空速为5000至10000小时—、 在所述丙烷处理器床中所述燃料原料的空速为1900至10000小时—；和在所述预重整处理器床中所述燃料原料的空速为2000至5000小时—\
34. 按照权利要求33的预处理组件，其中燃料进口温度为300 至450匸，
35. 按照权利要求34的预处理组件，其中所述脱氧器床适合于 在300和600 C之间的温度下操作，所述丙烷处理器床适合于在300 和540 n之间的温度下操作，并且所述预重整床适合于在300和540 r之间的温度下操作。
36. 按照权利要求35的预处理组件，其中在所述燃料原料中蒸 汽与碳的比值为2.9至3.4。
37. 按照权利要求20的预处理组件，其中所述预重整单元还适 合于从所述燃料原料中除去含硫化合物。
38. 对用于燃料电池的燃料原料进行处理的燃料处理方法，所 述燃料原料包括氧和具有高级和低级烃组分的烃，所述燃料处理方法 包括如下步骤提供所述燃料原料；使用脱氧单元减少在所述燃料原料中的氧； 使用预重整单元减少在所述燃料原料中的所述高级烃组分； 其中所述脱氧单元和所述预重整单元设置在共用的容器内，使得 所述燃料原料首先流经所述脱氧单元并随后流经所述预重整单元。
39. 按照权利要求38的燃料处理方法，其中所述脱氧单元包括 脱氧床，且所述预重整单元包括预重整床，沿所述燃料原料的流动路 径，所述预重整床在所述脱氧床之后。
40. 按照权利要求39的燃料处理方法，其中所述脱氧床包括脱氧催化剂，且所述预重整床包括预重整催化剂。
41. 按照权利要求40的燃料处理方法，其中所述脱氧催化剂是在 三氧化二铝上的Pt-Pd催化剂、Pt-Rh-基催化剂和Rh-Pd-基三氧化二 铝催化剂中的一种，且其中所述预重整催化剂是镍基催化剂。
42. 按照权利要求41的燃料处理方法，其中所述脱氧催化剂是 G-74D。
43. 按照权利要求41的燃料处理方法，其中所述预重整催化剂是 C11-PR、 CRG-F、 CRG-LH和G-180中的一种。
44. 按照权利要求39的燃料处理方法，还包括使用丙烷处理器单 元减少在所述燃料原料中的丙烯的步骤。
45. 按照权利要求34的燃料处理方法，其中所述丙烷处理器单元 设置在所述共用的容器中，并包括丙烷处理床。
46. 按照权利要求45的燃料处理方法，其中所述脱氧器床、所述 预重整床和所述丙烷处理器床设置在所述共用的容器中，使得所述燃 料原料首先流经所述脱氧床，然后流经所述丙烷处理床和所述预重整 床中之一，并随后流经所述丙烷处理床和所述预重整床中的另一个。
47. 按照权利要求46的燃料处理方法，其中所述丙烷处理床包括 镍基耐碳催化剂。
48. 按照权利要求43的燃料处理方法，其中所述耐碳催化剂是 FCR-HC59。
49. 按照权利要求38的燃料处理方法，其中在所述脱氧床中减少 所述氧的步骤产生了氢，并且所述低级烃组分在所述预重整床中被转 化以生成氢。
50. 按照权利要求49的燃料处理方法，其中在所述预重整床中所述燃料原料的空速使得在所述预重整床中产生并保持了氢反扩散。
51. 按照权利要求38的燃料处理方法，还包括在所述预重整单元 中从所述燃料原料中除去含硫化合物的步骤。
52. 使用燃料原料的燃料电池系统，所述燃料原料包括氧和具有 高级和低级烃组分的烃，所述燃料电池系统包括用于处理所述燃料原料的预处理组件，该预处理组件包括用于 减少在所述燃料原料中的氧的脱氧单元；用于减少在所述燃料原料中 的高级烃组分的预重整单元；和一个共用的容器；其中所述脱氧单元 和所述预重整单元设置在所述共用的容器内，使得所述燃料原料首先 流经所述脱氧单元并随后流经所述预重整单元；和用于接收流经所述预处理组件之后的所述燃料原料的燃料电池。
53. 按照权利要求52的燃料电池系统，其中所述预处理组件还包 括用于处理在所述燃料中的丙烷和丙烯的丙烷处理器单元，所述丙烷 处理器单元设置在所述共用的反应容器中。
54. 按照权利要求53的燃料电池系统，其中所述脱氧单元包括脱 氧床，所述预重整单元包括预重整床，且所述丙烷处理器单元包括丙 烷处理器床。
55. 按照权利要求54的燃料电池系统，其中所述脱氧床、所述丙烷处理器床和所述预重整床设置在共用的容 器中，使得所述燃料原料首先流经所述脱氧床，然后流经所述丙烷处 理器床和所述预重整床中之一，并随后流经所述丙烷处理器床和所述预重整床中的另一个。
56. 按照权利要求55的燃料电池系统，还包括用于在由所述预处理组件对所述燃料原料进行处理之前对所述燃 料原料进行预加热的预加热器。
57. 按照权利要求56的燃料电池系统，还包括述燃料原料中的硫含量的脱硫器。
58. 按照权利要求57的燃料电池系统，其中所述脱硫器在所述预 加热器之前。
59. 按照权利要求56的燃料电池系统，其中所述预加热器将所述 燃料原料加热到约375 r。
60. 按照权利要求54的燃料电池系统，其中 所述脱氧器床包括在三氧化二铝上的Pt-Pd催化剂、Pt-Rh-基催化剂和Rh-Pd-基三氧化二铝催化剂中的一种； 所述预重整床包括镍基催化剂；和 所述丙烷处理器床包括镍基耐碳催化剂。
61. 按照权利要求60的燃料电池系统，其中所述镍基耐碳催化剂 掺杂有促进剂，所述促进剂包含氧化铈、氧化镧、钯和铂中的至少一 种。
62. 按照权利要求61的燃料电池系统，其中 脱氧床包含G-74D催化剂；所述预重整床包含C11-PR、 CRG-F、 CRG-LH和G-180中的一种；和所述丙烷处理器床包含FCR-HC59催化剂。
63. 按照权利要求52的燃料电池系统，其中所述脱氧单元在减少 所述氧的过程中产生氢，且所述预重整单元将一部分所述低级烃组分 转化为氢，以在所述预重整单元中保持还原环境。
64. 按照权利要求63的燃料电池系统，其中在所述预重整单元中 燃料原料的空速使得在所述预重整单元中产生并保持了氢反扩散。
65. 按照权利要求52的燃料电池系统，其中所述预重整单元还适 合于从所述燃料原料中除去含硫化合物。
66. 按照权利要求52的燃料电池系统，其中所述燃料电池是熔融 碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池中的一种。
67. 按照权利要求1的预处理组件，其中所述燃料原料是多重燃 料，例如天然气、高峰补偿气体、煤层甲烷、沼气、丙烷、LPG和HD-5。
68. 按照权利要求20的预处理组件，其中所述组件适合于处理天 然气、HD-5和LPG烃燃料原料，以产生用于高温燃料电池的富甲烷气
全文摘要
一种用于对用于燃料电池的含有氧和具有高级和低级烃组分的烃的燃料原料进行处理的预处理组件和方法，其中所述预处理组件具有用于减少在燃料原料中的氧的脱氧床，和用于减少燃料原料中的高级烃组分的预重整床，其中所述脱氧床和所述预重整床设置在共用的反应容器内，使得所述燃料原料首先流经所述脱氧床和随后流经所述预重整床。所述预重整组件还可以包括用于处理在燃料原料中的丙烷和丙烯的丙烷处理器床，其中丙烷处理器床设置在所述设有脱氧床和预重整床的共用的反应容器内。
文档编号C01B3/32GK101287815SQ200580037035
公开日2008年10月15日 申请日期2005年10月6日 优先权日2004年11月2日
发明者J·M·戴利, S·P·卡蒂卡内尼 申请人:燃料电池能有限公司