利用水的吸附作用的快速启动燃料处理器的制作方法

专利名称：利用水的吸附作用的快速启动燃料处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过重整基于烃类的燃料来产生氢气的燃料处理器，更具体地说是涉及一种加热燃料处理器的方法和装置，诸如在燃料处理器启动过程中的水-煤气转换反应器。
背景技术：
燃料电池是一种把化学能直接转化成为电能和热量的装置。以它的或许是最简单的形式来说，燃料电池包括被电解质分开的两个电极-阳极和阴极。在使用过程中，流体分配系统为阳极提供燃料并为阴极提供一种氧化剂，后者通常是周围空气中的氧。借助于催化剂，燃料在阳极遭受氧化，产生质子和电子。质子通过电解质扩散到阴极，在那里，在第二种催化剂存在的条件下，它们与氧和电子化合而产生水和热量。因为电解质对电子流起着势垒的作用，所以电子将从阳极经过包含电子负载的外部电路而流向阴极，电子负载消耗由燃料电池所产生的功率。燃料电池产生的电势约为1伏或更低，因此要把各别的燃料电池串连“堆积”以达到所需的电压。
由于燃料电池比热机更为有效，并能在零污染或接近零污染排放的条件下产生电能，因此研究人员已经提议用燃料电池来代替运载工具中的内燃机。在已被考虑用作运载工具应用方面的燃料当中，氢气(H2)看来是最具吸引力的。氢气具有优良的电化学活性，由空气氧化体系中能提供足够的功率密度水平，并且在氧化时只产生水。然而，虽然它具有这些优点，它在运载工具中的应用却被在机贮存方面的困难以及缺乏建立好的零售供H2网络所阻碍。
因为这些理由，所以燃料电池发动机的设计中常常包括一种燃料处理器，它应用气流重整、自然重整或部份氧化等手段，把普通的基于烃类的燃料诸如汽油和甲醇等转化为氢气。大部分燃料处理器包括一个主反应器、一个水-煤气转换(WGS)反应器以及一个优先氧化(PrOx)反应器来产生“电池组等级”的氢(H2)。在气流重整中燃料处理器为主反应器提供水(蒸气)和基于烃类的燃料(例如汽油、甲醇等)，它们相互反应形式由H2、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和过量水蒸气组成的混合物。因为CO将毒化阳极催化剂，燃料处理器把主反应器的流出物(重整气流)引向水煤气转换(WGS)反应器，后者使气体混合物与催化剂和水接触以转化大部分CO成为CO2和H2O最后，燃料处理器在PrOx反应器中将残余的CO转化为CO2，PrOx反应器中包括在一定温度下(例如150℃至250℃)操作的催化剂床，后者促进CO被空气的优先氧化，伴随小量的H2的附带氧化。在气流重整中，离开PrOx反应器的燃气典型地含有(按摩尔％计)约70％H2、24％CO2、6％氮气(N2)以及痕量(＜20ppm)的CO。
自热重整和部份氧化共有许多气流重整的特色。例如，在一种自热重整的形式中，一部分基于烃类的燃料可在反应区域内用氧气或空气燃烧或部份氧化，该反应区域和重整反应是物理地分开的。来自氧化反应的热量驱动了水的吸热转化和基于烃类的燃料在重整反应区域转化为H2、CO2和CO的平衡。在另一种形式的自热重整过程中，一部份基于烃类的燃料在重整反应的同一反应区域被氧化。类似地，在部份氧化反应中，基于烃类的燃料和空气的富含燃料的混合物在主反应器中反应，产生主要包含H2、CO2和CO的气体混合物。自热重整和部份氧化反应也利用WGS和PrOx反应器来降低离开主反应器的重整气流中CO的水平；最终的重整气流组成为大约42％N2、38％H2、18％CO2、不到2％甲烷(CH4)和少于约20ppm的CO。为了解产生堆积等级H2的燃料处理器的进一步详情，可参看标题为“带有燃烧器加热的重整器的燃料电池体系”(“Full Cell System With Combustor HeatedReformer”)的美国专利No.6,077,620，它在此以其整体和所有的目的被引入作为参考。
燃料电池发动机开发者所面对的一个挑战是，在室温启动燃料处理器(冷启动条件)时快速产生电池组等级H2的能力。虽然有许多因素会影响燃料处理器启动，但它特别是被为使反应器达到它的运作温度所需要的时间所限制。例如，低温水煤气转换反应器在它能够降低重整气流中CO至足够低的、能被PrOx反应器和燃料电池组所容忍的水平之前，它必须达到大约200℃。高温水煤气转换催化剂甚至需要更热(大约350℃)的温度。典型地，唯一可用来提升水煤气转换反应器温度的热量是主反应器流出物的显热。这一热量必须被用来提升主反应器下游的整个热质流，包括WGS反应器、PrOx反应器以及任何可能有的热交换器。
燃料处理器的启动由于存在于主反应器流出物和WGS反应器进料流中的水蒸气而被复杂化。因为水蒸气可能在冷的WGS催化剂上冷凝，在启动过程中必须提供额外的能量来在WGS催化剂被加热之前蒸发掉任何已冷凝的水分。虽然燃料处理器可以在启动过程中不用注入水来运行以限制水蒸气冷凝，但这种做法可能会导致主反应器达到过高的温度。如上所述，即使是在启动时在燃料处理器中没有水，但主反应器产生的水也可能会冷凝在水煤气转换反应器中。类似地，在冷启动过程中水也可能冷凝在冷的PrOx催化剂上，从而需要额外的能量来重新蒸发这些冷凝下来的水分。
研究人员已经提出过一些技术来增加燃料处理器反应器的加热速率，但每种方法都有缺点。例如，在启动时水煤气转换反应器可用电能加热，但电热需要第二个电源，这将增加燃料处理器的成本。另外，当主反应器流出物进入水煤气转换反应器中时可往其中注入空气或氧气，并且可以用一种电热催化剂(EHC)燃烧在主反应器流出物中的H2和CO，随后加热水煤气转换催化剂。然而，EHC需要第二个电源，并且空气或氧气的注入可能会导致催化剂活性的损失，因为许多WGS催化剂是对氧气敏感的。非引火性的水煤气转换催化剂在氧气存在的条件下可以“点燃”或反应，从而能产生足够的热量来启动水煤气转换反应。然而这类催化剂包含昂贵的贵金属，并且仍然要求达到大约130℃的点燃温度才能成为有活性的。
本发明克服、或至少是缓解了一种或多种上面讨论过的这些问题。
发明概述本发明提供一种装置或方法，为在室温条件下启动燃料处理器的过程中给燃料处理器部件—包括水煤气转换反应器-供应额外的热量。这种额外的热量的供应无需第二个电源，并且伴随着从燃料处理器的主反应器流出物中除去水分。额外的热量可以让水煤气转换反应器更快地达到它的运转温度，它减少了为使燃料处理器在启动过程中产生堆积级别的H2所需的时间。此外，通过除去主反应器流出物中的水分，也消除或减少了启动过程中在水煤气转换反应器催化剂上的水蒸气冷凝，这样就避免了对于提供额外热量来蒸发冷凝水的需要。
这样，本发明的一个方面是，提供一种燃料处理器，它包括主反应器和水-煤气-转换反应器。主反应器被用来把基于烃类的燃料转化为氢、二氧化碳、一氧化碳和水。水-煤气-转换反应器含有一种催化剂，用来转化至少一部份主反应器流出物中的一氧化碳成为二氧化碳和氢气。水-煤气-转换反应器的入口与主反应器的出口相连通。这种燃料处理器也包含一种水吸附剂，它被安置在主反应器的出口和水-煤气-转换反应器出口之间的流路中。在燃料处理器启动过程中，水吸附剂通过吸附至少一部分主反应器流出物中的水分而产生热量。有用的水吸附剂包括沸石。
本发明的另一方面，提供一种在启动过程中加热燃料处理器的方法。这种燃料处理器包括一个主反应器，它把基于烃类的燃料转化为H2、CO2、CO和H2O；还包括一个水-煤气-转换反应器，它在催化剂存在的条件下把至少一部份来自主反应器中的CO和H2O转化为CO2和H2。这种方法包括在主反应器的出口和水-煤气-转换反应器的出口之间的流路中提供一种水吸附剂。在燃料处理器启动过程中这种水吸附剂通过吸附至少一部份来自主反应器中的水分而产生热量。最好是，产生的热量足够用来提升水-煤气-转换催化剂的温度到达该催化剂能被注入水-煤气-转换反应器中的氧气或空气点燃的温度。在燃料处理器关闭后，为维持吸附能力，这种方法也可包括用干燥的气体来清扫邻近水吸附剂的空隙容积中的水分，例如在码垛堆积的吸附剂之间的间隙或单片的吸附剂的单元之间的间隙。
附图简述

图1是包括水吸附剂在内的燃料处理器的一部份的示意简图。
图2显示了模拟的重整气流与5A型、13X型沸石接触所产生的温度对时间的函数图形。
图3显示含有30摩尔％H2O、70摩尔％N2的气体通过含有4A型沸石单片的柱子时在柱子的入口和出口处测量到的温度对时间的函数图形。
优选实施方案的描述图1是燃料处理器100的一部份的示意简图，该处理器把基于一种或多种烃类的燃料转化为堆积等级的H2。这种燃料处理器100包括主反应器102、水-煤气-转换(WGS)反应器104和供选择的优先氧化(PrOx)反应器106。在正常(启动后)运作过程中，一条或数条进料管线107为主反应器102提供基于烃类的燃料-汽油、甲醇、甲烷、丙烷等-以及水(蒸气)，或许还提供空气。主反应器102把燃料、水分和空气(如果存在)转化为富含氢的重整气体，它通过主反应器102经出口108和排气管线110出口。如上所述，主反应器102的流出物中包括H2、CO2、CO、H2O和N2(来自空气，如果存在的话)。
排气管线110把主反应器102的流出物导向热交换器112，后者在燃料处理器100正常运作期间冷却主反应器的重整气体流出物。在主反应器102流出物通过热交换器112以后，第二根排气管线114把重整气体经入口116进入水-煤气-转换反应器104中，在那里，在WGS催化剂118存在的条件下，重整气体中的大部份CO被转化为CO2和H2。这种重整气再从WGS反应器104、经出口120和第三根排气管线122而使重整气进入PrOx反应器106中，该反应器像前面已讨论过的那样，通过用空气或氧气优先氧化CO而把残余的CO转化为CO2。第4根排气管线123把重整气体从PrOx反应器输送到燃料电池组(未显示)。在其它的实施方案中，从WGS反应器104出口的重整气体可直接进料到燃料电池组中。燃料处理器100也可包括控制温度、压力和各种工艺气流的流速的组件。这类组件包括阀门、额外的导管(排气和进料管线)、温度和压力传感器、热交换器、微处理器等。
如图1所示，这种燃料处理器100包括位于主反应器102下游、但在水-煤气-转换反应器催化剂118上游的水吸附剂124。由在水吸附剂124上吸附水而产生的热量加热主反应器102的流出物，从而在燃料处理器100启动过程中帮助WGS反应器104更快地达到它的操作温度。依赖于所用的催化剂118，水-煤气-转换反应器104典型地必须达到大约200℃和大约350℃之间的操作温度以后才能降低重整气体中CO浓度，使之达到PrOx反应器和燃料电池组可以接受的水平。如上所述，在没有水吸附剂124或其它补充的热源的情况下，主反应器102流出物的显热必须能提升主反应器102下游的整个热质所需的热量。这可能导致明显的时间迟缓-30分钟或更长-，即开始往主反应器102中输入基于烃类的燃料到在燃料电池组中出现具有所需CO浓度(少于大约50ppm CO)的富氢重整气体之间的时间。
如前面已经说过的，主反应器102流出物中含有水分，它在WGS反应器104中被用来转化CO成为CO2。在燃料处理器100启动过程中，来自主反应器102的湿的重整气体接触水吸附剂124，后者吸附重整气体中主要部份的水。吸附过程释放出热量，它提升了WGS催化剂118上游重整气体的温度。当重整气体流经水-煤气-转换反应器104时，它提升WGS催化剂118的温度，以及位于WGS反应器104下游其它燃料处理器组件的温度(例如PrOx反应器)。图1中燃料处理器100中水-煤气-转换催化剂118的加热速率远快于没有水吸附剂124存在时的加热速率。
除了加热重整气体以外，水吸附剂124在启动过程中也帮助防止水在水-煤气-转换催化剂118上的冷凝。如前所述，迅速加热水-煤气-转换催化剂118的一个障碍就是水蒸气在相对较冷(室温)的催化剂118上的冷凝。即使在启动时燃料处理器100在没有注入水的条件下运行，水也会通过在主反应器102中发生的化学反应产生。如果水蒸气在水-煤气-转换催化剂118上冷凝，主反应器102流出物显热中的一部份就必须用来蒸发冷凝水，这部份热量就不能再用来加热水-煤气-转换催化剂118。
一旦重整气体和水-煤气-转换催化剂118到达它们的操作温度，吸附剂124将只吸附很少、如果有的话那么一点水。取而代之的是，在燃料处理器100启动过程中吸附的水当重整气体到达它的操作温度时就会脱附。水的脱附是依据温度摆动吸附原理，即物质的吸附能力随温度增高而降低。重整气体带走这些脱附的水，后者然后在WGS反应器104中与CO反应而形成CO2和H2。
如可以从图1中看到的那样，水-煤气-转换反应器104包括供选择的进料管线126，它正好安置在水吸附剂124的下游。在燃料处理器100启动期间，进料管线126往水-煤气-转换反应器104中注入空气(氧气)。WGS催化剂118促进氢和CO和氧的快速放热反应。这一快速的热量释放能让水-煤气-转换反应器104“点燃”或很快地达到它的正常操作温度。空气或氧气的注入对WGS催化剂118是合适的，后者是非点燃性的并且对氧也不敏感，所包括的催化剂含有铂或别的贵金属。当结合水的吸附来迅速加热WGS催化剂118时，催化剂的点燃是特别有用的，因为许多WGS催化剂118必须达到大约130℃的温度以后它们才能在有空气存在的条件下点燃。
这种燃料处理器100可能也包括有这样的系统，它能维持水吸附剂124在燃料处理器100关闭到随后的冷启动之间这段时间的吸附能力。一种有用的体系可能包括干燥气体(例如空气)的源。在燃料处理器关闭之后，干燥气体可被导向水-煤气-转换反应器104来从邻近水吸附剂124的空隙容积中清扫湿的重整气体。这种体系最好也包括断流阀来封闭水-煤气-转换反应器104-即隔离水吸附剂124-以及一种或多种控制器来调节断流阀和清扫气体的流动。
在图1所示的实施方案中，水吸附剂124是安置在水-煤气-转换反应器104的内部。但更一般的做法是，把水吸附剂安置在主反应器102的出口108和水-煤气-转换反应器104的出口120之间的流路内。例如，在另一种实施方案中，水吸附剂可被散布在WGS催化剂118中，或者安置在一个或多个分开的流通筒中，或者吸附剂(未显示)安放在主反应器102的下游。虽然每个筒体中加有热质，但它的使用将允许燃料处理器100把水吸附剂与其它处理器部件相隔离，并使燃料处理器100关闭后用来清扫吸附剂的水分所需的干燥气体的量减至最小。
显示在图1中的燃料处理器100，也包括PrOx反应器106，它位于水-煤气-转换反应器104的下游，用来降低离开水-煤气-转换反应器的重整气体气流中CO的浓度，使之低于50ppm、更优选低于20ppm。PrOx反应器106可包含单一步骤(等温操作)或多个步骤(等温或绝热操作)，并可包括控制氧(空气)入口128的装置。关于PrOx反应器及它们的控制可参看标题为“控制CO的优先氧化”(“ControlledCO Preferemtial Oxidation”)的美国专利No.5,637,415，它以其整体和所有的目的在此引入作为参考。
这种燃料处理器100也可包括第二种水吸附剂130，它被安置在水-煤气-转换反应器104的出口120和PrOx反应器106的出口132之间的流路内。在燃料处理器100启动期间，第二种水吸附剂130通过吸附至少一部分水-煤气-转换反应器流出物中的水分而产生热量。这些热量能使PrOx反应器106比没有水吸附剂130存在的情况下更迅速地达到它的操作温度。这第二种水吸附剂130的组成可以和WGS反应器104中的水吸附剂124相同或者不同。
有用的吸附剂124包括那些能容易和可逆地吸附水的材料，同时要求它比较少地或不吸附其它重整气体中的组份。也希望吸附剂124能经受住燃料处理器100内的操作条件(温度、压力、pH值等)，并能容忍在运载工具运动过程中产生的机械应力和振动。合适的吸附剂124也应具有比较高的吸附热(即，应大于约10千卡/摩尔H2O)。
合适的吸附剂124包括沸石分子筛，后者应具有高的水吸附能力和高的吸附热。沸石是具有基础结构网络的结晶铝硅酸盐，它可被看作是通过氧原子连接的由SiO4和[AlO4]-四面体组成的三维网络。
在一种特定的沸石中，结构网络围成腔孔并限定了管道或细孔，它们在尺寸上基本是均一的。为抵消结构网络的负电荷的阳离子占据着一些腔孔。这些阳离子可以是碱金属诸如钠或钾，也可以是碱土金属诸如钙或镁，它们是沸石内的活性部位，水分子就吸附在它们上面。由于细孔大小的均一性，沸石分子筛将接受具有某种尺寸的分子(例如，H2O)而排斥更大的分子。
有用的沸石中硅对铝的摩尔比率应小于大约5。这类亲水性沸石典型地含有第1和第2族的金属作为抵消电荷的阳离子。进一步，这种亲水性沸石应具有大于约10千卡/摩尔H2O的吸附热，最好具有大于约20千卡/摩尔H2O的吸附热。有用的吸附剂包括A型沸石和X型及Y型沸石(FAU结构类型)，它们具有约20千卡/摩尔H2O至约30千卡/摩尔H2O范围内的吸附热。特别有用的沸石分子筛包括3A型、4A型、5A型、13X、Y型以及类似的材料。
吸附剂124也可包括具有晶格的沸石，晶格中一种或多种除铝以外的元素同晶地取代了一些四面体配位的Si4+。同晶地取代是指用第二种(不同的)元素来置换某些(或全部)沸石结构中原有的元素(Si或Al)。这第二种元素应具有与原有元素相似的阳离子半径和配位方面的要求，从而仍能维持同样的基本晶体结构。除铝以外，合适的取代物包括，但不限于，硼、铁、锗和镓。
吸附剂124可以具有球珠或压出物的形式，但优选被制造成单片、泡沫等形式，所用的方法在本领域内是已知的，包括水热合成。水热合成一般地包括把多孔性载体与沸石前体及供选择地一种有机模板(例如，一种四烷基铵盐)相接触。沸石前体包括硅石、水和一种金属离子源(例如Al3+)。有用的多孔性载体包括耐熔性的无机氧化物，诸如α-、δ-、γ-、和θ-Al2O3，MgO，CaO，Ca2SiO4，BaO，Ca3SiO5，ZrO2，CeO2，Cr2O3，La2O3，ThO2，SiO2，NaBSiO4，TiO2，MgAl2O4，MgCr2O4，ZnCr2O4，ZnAl2O4，CaSiO3，各种硅酸盐、粘土等。这些沸石前体和有机模板(如果存在)被允许渗透到多孔性载体中，并把它们加热到足够诱导形成沸石的温度。得到的沸石层然后被煅烧以使层稳定化，并除去有机模板和任何残余的有机物质。
如上所述，水吸附剂可散布在水-煤气-转换反应器催化剂118中。在WGS反应器中应用一种催化剂颗粒的固定床，水吸附剂颗粒可以机械地与WGS催化剂相混合，并在使用前装入反应器中。另外，在WGS反应器中也应用支承在单片型载体上的催化剂，水吸附剂和催化剂可用本领域已知的技术施敷到载体上。有用的施敷技术包括，但不限于，喷雾、修补基面涂层法、和现场合成(例如溶胶-凝胶技术，水热合成等)，可以单独用一种方法或结合起来使用。例如在单片型载体上用修补基面涂层法施敷催化剂的说明可参看标题为“选择性去除一氧化碳的方法和装置”(“Method and Apparatus for Selective RemoralCarbom Monoxide”)的美国专利No.6,162,558和标题为“催化剂载体的陶瓷涂布”(“Ceramic coating for a Catalyst Support”)的美国专利No.5,114,901，它们均以其整体和所有目的在此引入作为参考。水吸限剂对水-煤气-转换催化剂的质量比率一般在约0.02至约0.20范围内。
以下实施例是说明性的而非限制性的，并且代表本发明具体的实施方案。这些实施例证实了使用沸石、通过水吸附释出的热量可迅速提升重整气流的温度。这样，人们可以通过适当选择水吸附剂、燃料处理器硬件和工艺条件来达到迅速加热燃料处理器组件的目的。
实施例1一套沸石与含有H2、N2、CO、CO2和5摩尔％的H2O的模拟重整气体相接触。接触是在3.5厘米填充着8×12目的5A型沸石或13X型沸石珠粒的圆柱形柱中发生的。沸石购自UOP and PQ Corporation，其商品名称为UOP 5A-HP和PQ Sieves 13X。在每次实验运行以前，柱子先放在80℃的烘箱中用干燥的H2或N2清扫以除去任何吸附在沸石珠粒上的水分。一支热电偶安放在柱的入口下游约2.5厘米处，以监测重整气流的温度对时间的函数关系。在每次实验过程中，重整气体在80℃温度条件下导入柱中，流速为每分钟13.7标准升。贯彻每次实验始终，柱出口的压力被保持在30.3psig并且柱体被保持在80℃的烘箱内。
图2显示模拟的重整气流分别与5A型和13x型沸石接触所得到的温度对时间的函数图形134和136。图形134和136显示重整气流在与沸石接触约5分钟内温度增高了大约100℃。如上所述，在每次实验过程中柱子只与80℃的烘箱热接触。如果代替这一条件，把柱子很好地绝缘(即近乎绝热过程)，则由于水吸附而导致的温度上升将会明显地更迅速，温度的峰值也将明显地更高，并且随后温度下降得也会更慢。增大重整气流中水的含量看来会在水吸附过程中产生更迅速的温度升高。
实施例2往实施例1中使用的柱子中填充6英寸从Mumters买来的4A型沸石单片的试样。热电偶放置在柱子的入口和出口处，以监测进入柱子的气体和离开柱子的气体温度对时间的函数关系。含有30摩尔％H2O和平衡的N2气的气流以每分钟25标准升的体积流速进料到柱子中，这将产生通过柱子的空速为10,500/小时。在实验过程中，气体进料温度在30分钟期间从30℃直线上升到200℃，并且柱子出口处的压力被维持在30psig。
图3显示分别在柱子的入口和出口处测量到的温度对时间的函数图形138、140。图3显示出，在气体开始流过柱子不到2分钟后，柱子出口处气体的温度已经超过190℃。当使用4A型沸石单片的较小试样时，有理由期望温度的提升可以甚至更快。在实验中达到的190℃的气体温度，已经超过了通常为点燃非引火性的水煤气转换催化剂所需的130℃这一低限温度。
以上描述是打算用作说明性的而非限制性的。除提供的实施例以外，许多实施方案和许多应用对于本领域的技术人员来说，在阅读了以上描述的基础上将是很明显的。因此本发明的范围不应参照上述描述来决定，而应代之以参照所附的权利要求，连同这些权利要求所赋予的等价物的整个范围来决定。所有论文和参考材料，包括专利申请和公开的公开内容，均以它们为所有目的的整体在此引入作为参考。
权利要求
1.一种燃料处理器，它包括把基于烃类的燃料转化为氢、二氧化碳、一氧化碳和水的主反应器；具有与主反应器出口液体连通的入口的水煤气转换反应器，这种水煤气转换反应器含有一种催化剂，它被用来转化来自主反应器中的至少一部份一氧化碳成为二氧化碳和氢；在位于主反应器出口和水煤气转换反应器出口之间的流路内的水吸附剂，这种水吸附剂在燃料处理器启动过程中，通过吸附来自主反应器的至少一部份水而产生热量。
2.权利要求1的燃料处理器，其中的水吸附剂被散布在水煤气转换反应器的催化剂中。
3.权利要求1的燃料处理器，其中的水吸附剂具有至少约10千卡/摩尔H2O的吸附热。
4.权利要求1的燃料处理器，其中的水吸附剂具有至少约20千卡/摩尔H2O的吸附热。
5.权利要求1的燃料处理器，其中的水吸附剂是一种单片型沸石。
6.权利要求1的燃料处理器，其中水吸附剂对水煤气转换反应器催化剂的质量比为大约0.02至约0.20。
7.权利要求1中的燃料处理器，它进一步包含一种干燥气体源，用来在燃料处理器关闭期间从与水吸附剂相邻的空隙容积中清除掉水分。
8.权利要求1的燃料处理器，它进一步包含优先氧化反应器，它有一个与水煤气转换反应器的出口流体连通的入口，这种优先氧化反应器含有一种催化剂，后者被用来转化来自水煤气转换反应器中的至少一部份一氧化碳成为二氧化碳；第二种水吸附剂，它位于水煤气转换反应器的出口和优先氧化反应器的出口之间的流路中。
9.权利要求1的燃料处理器，其中这种燃料处理器是燃料电池发动机的一部份，这种燃料电池发动机包括一个由氢产生电能的燃料电池组，氢是通过燃料处理器来产生的。
10.一种燃料处理器，包括为把基于烃类的燃料转化为氢气、二氧化碳、一氧化碳和水的主反应器；具有与主反应器的出口流体连通的入口的水煤气转换反应器，这种水煤气转换反应器含有一种催化剂，被用来把来自主反应器的至少一部份一氧化碳转化为二氧化碳和氢气；一种沸石水吸附剂，它被安置在流程中主反应器的出口和水煤气转换反应器的出口之间的流路中，这种沸石水吸附剂在燃料处理器的启动过程中，通过吸附至少一部份来自主反应器的水分而产生热量。
11.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂的硅对铝的摩尔比率小于大约5。
12.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂是一种A型沸石或者具有FAU结构。
13.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂具有如下的晶格，其中某些或所有的硅或铝原子都被一种不同的元素同晶地取代。
14.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂被散布在水煤气转换反应器的催化剂中。
15.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂所具有的吸附热大于或者大约等于10千卡/摩尔H2O。
16.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂所具有的吸附热大于或者大约等于20千卡/摩尔H2O。
17.权利要求10的燃料处理器，其中的沸石水吸附剂具有单片的形式。
18.权利要求10的燃料处理器，其中沸石水吸附剂对水煤气转换反应器催化剂的质量比率为大约0.02至0.20。
19.权利要求10的燃料处理器，它进一步还包括一种干燥气体源，用来在燃料处理器关闭期间从与水吸附剂相邻的空隙容积中清除掉水分。
20.权利要求10的燃料处理器，它进一步包括优先氧化反应器，它具有与水煤气转换反应器的出口流体连通的入口，这种优先氧化反应器含有一种催化剂，用来转化至少一部份来自水煤气转换反应器的一氧化碳成为二氧化碳；以及第二种水吸附剂，它位于水煤气转换反应器的出口和优先氧化反应器的出口之间的流路内。
21.权利要求10的燃料处理器，其中这种燃料处理器是燃料电池发动机的一部份，这种燃料电池发动机包括一个从氢气产生电能的燃料电池组，氢气是由燃料处理器产生的。
22.在启动过程中加热燃料处理器的方法，该燃料处理器包括把基于烃类的燃料转化为氢气、二氧化碳、一氧化碳和水的主反应器，以及具有与主反应器出口流体连通的入口的水煤气转换反应器，该水煤气转换反应器中含有一种用来把至少一部份来自主反应器的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气的催化剂，该方法包括在主反应器的出口和水煤气转换反应器的出口之间的流路中，提供一种水吸附剂在燃料处理器的启动过程中，这种水吸附剂通过吸附至少一部份来自主反应器的水分而产生热量。
23.权利要求22的方法，它进一步包括提供一种沸石水吸附剂。
24.权利要求22的方法，它进一步包括在燃料处理器关闭期间，用一种干燥气体来清除邻近水吸附剂的空隙体积中的水分。
25.权利要求22的方法，它进一步包括把空气或氧气引入水煤气转换反应器中来点燃催化剂。
26.权利要求22的方法，它进一步包括在水煤气转换反应器的出口和优先氧化反应器的出口之间的流路中，提供第二种水吸附剂。
27.一种启动燃料处理器的方法，它包括把烃类转化为含有氢气、二氧化碳、一氧化碳和水的流出物的主反应器，和水煤气转换反应器，后者含有一种催化剂，用来促进把所说的一氧化碳与水产生更多的氢和二氧化碳的水煤气转换反应，该方法包括以下步骤(a)安置水吸附剂在相邻于所说的位置上；(b)使所说的流出物流过所说的吸附剂，在所说的吸附剂上吸附水并释放出吸附热；(c)用所说的吸附热来加热所说的催化剂；(d)引入氧气进入到已加热的催化剂上以点燃所说的催化剂，并开始所说的水煤气转换反应。
28.权利要求27的方法，其中所说的吸附剂具有至少约10千卡/摩尔H2O的吸附热。
29.权利要求27的方法，其中所说的吸附剂是在所说的催化剂的上游，并且所说的热量是由所说的流出物带入所说的催化剂中。
30.权利要求27的方法，其中所说的吸附剂被散布在所说的催化剂中。
全文摘要
公开了一种装置和方法，用来在以燃料电池作动力的运载工具启动过程中迅速地加热燃料处理器组件。迅速加热是通过在燃料处理器的主反应器(102)的下游放置一种水吸附剂(124、130)而达成的，主反应器把基于烃类的燃料转化为富氢燃料。除氢气以外，重新形成的燃料(重整燃料)中还包括二氧化碳、一氧化碳和水。具有高的吸附热的水吸附剂(124、130)当它吸附重整燃料中的水时即产生热量。水吸附所产生的热量增进了燃料处理器组件，诸如水煤气转换反应器(104)达到其操作温度的速率。此外，水吸附作用也减少了水在水煤气转换反应器中的催化剂(118)上的冷凝。一旦处理器组件达到它的操作温度，水就由吸附剂(124)脱附，并可用来在水煤气转换反应器(104)中转化一氧化碳成为二氧化碳和氢气。
文档编号B01J20/18GK1509205SQ02809950
公开日2004年6月30日 申请日期2002年5月9日 优先权日2001年5月14日
发明者C·S·吉特勒曼, C S 吉特勒曼 申请人:通用汽车公司