一氧化碳氧化装置的制作方法

本发明涉及权利要求1前序部分中界定的一氧化碳氧化装置。

背景技术：

燃料电池电化学地从外部提供的反应物产生电力。具体地，氢气通常用作燃料，并被供应到燃料电池阳极。氧气或空气用作氧化剂，并被供应到燃料电池阴极。氢气可以储存在氢气存储器中，但是对于移动应用，已经证明可以从液体烃燃料产生氢气，例如从燃料重整器(fuelreformer)中的柴油。不幸地，离开燃料重整器的富氢重整气体含有显著量的一氧化碳，该一氧化碳对燃料电池中使用的催化剂有毒，因此必须将其去除或至少降低至非常低的浓度。

已知通过在位于重整器下游的一个或多个单独的变换反应器中通常发生的所谓“水煤气变换”反应，可以减少重整产物一氧化碳含量。在水煤气变换反应中，水(即蒸汽)根据以下理想的放热转变反应与重整产物中的一氧化碳反应：

co+h2o->co2+h2

另外，已知布置两个串联的水煤气变换反应器，其中第一变换反应器是高温绝热的变换反应器，在其中重整产物在第一温度下进入重整器并在稍高的温度下将其排出。此后，将重整产物冷却并进入第二变换反应器，该反应器是等温低温变换反应器，在其中重整产物的入口和出口温度基本上相同。这些变换反应器通常包括含有催化剂床的壳体，重整产物流过该催化剂床，并且可以加入另外的蒸汽，或者其中使用包含在重整气体中的蒸汽。

另外或替代地，已知使用至少一种优选氧化反应器(prox)，其中富氢重整产物的一氧化碳含量在低于280℃的温度下选择性地与空气反应。因此，为了在不使燃料电池催化剂中毒的情况下在燃料电池中使用重整产物，可以将重整产物中的一氧化碳浓度降低至低于0.00005摩尔分数的期望量。在prox反应器中，空气优先在氢气的存在下氧化一氧化碳，但不消耗/氧化大量的氢气。prox反应是放热的并进行如下：

co+1/2o2->co2

当系统达到稳定状态并且一氧化碳水平足够低时，将prox反应器流出物供应到燃料电池。在一氧化碳水平足够低之前，prox流出物在燃料电池周围分流，以便暂时在系统的其他地方使用。

在所有上述系统中，一氧化碳氧化的效率取决于重整气体和氧化剂(即空气或蒸汽)的气体混合物的均匀性。此外，期望由于过量的氧气或蒸汽与氢气反应而使氧化剂的添加最小化，因此降低了可用于燃料电池的富氢气体中的氢气量。另外，已经证明，特别是在已知的水煤气变换反应器中，在反应器的横截面上，温度分布应尽可能恒定以建立最大效率。

从现有技术，例如，us2006/115394公开了一种一氧化碳氧化剂，其包括适于混合至少两种气体作为混合气体的混合单元。因此，混合单元包括多个板的堆叠体，其中堆叠体包括由形成在每个板中的通孔提供的旋转通道，以使混合气体的流动旋转。此外，该文件公开了一种形式为孔板形式的氧化剂气体供应单元，其具有在中心的矩形开口和径向设置的氧化剂通道，其使氧化剂气体向开口旋转。包括堆叠板的混合单元设置在孔板的下游，由此在混合单元和孔板之间限定一个室。混合单元依次设置在催化剂附近。

已知的一氧化碳氧化剂的缺点在于，孔板、室以及特别是混合单元的堆叠板需要大量空间，因此一氧化碳氧化剂变得体积非常大。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一氧化碳氧化装置，其需要较少的空间并提供重整气体和/或氧化剂的最佳混合和/或提供在氧化装置的横截面上改进的温度分布。此外，本发明的目的是提供一种从入口到出口具有低压降的一氧化碳氧化装置，从而可以降低一氧化碳氧化装置的能量消耗。

该目的通过根据权利要求1的一氧化碳氧化装置来实现。

在本申请中，提出了用于氧化富氢重整气体中所含的一氧化碳的一氧化碳氧化装置。下面描述的氧化装置包括一个壳体，该壳体包含氧化催化剂，用于通过氧化剂将重整气体的一氧化碳氧化成二氧化碳。在催化剂的上游处，壳体包括至少一个气体入口，用于将至少所述重整气体的气流供到壳体中，并且在催化剂的下游，壳体包括用于从该壳体排出经处理的气体的气体出口。壳体进一步包括气流扰动装置，其布置在催化剂的上游并且适于在气流中提供扰动。即使表示为重整气体，对于本领域技术人员显而易见的是，可以使用任何流体，而不仅仅是气态流体。

为了提供具有合理安装空间的一氧化碳氧化装置，气流扰动装置被设计为至少一个螺旋桨形板，其具有面向气流的表面的板部分和至少一个连接到板部分的叶片(blade)并具有前缘和流出物边缘，其中限定在前缘和流出物边缘之间的表面相对于板部分的表面以预定的叶片倾斜角度倾斜，由此至少一个开口在板中被定义。通过气流扰动装置的新设计，可以显著减少一氧化碳氧化装置的空间需求。另外，所描述的气流扰动装置提供了流过由倾斜叶片限定的开口的气流的改进的混合。此外，本发明的气体扰动装置仅引起一低压降，由此一氧化碳装置的操作所需的能量，例如，空气压缩机的操作可以减少，这又使得一氧化碳氧化装置更具成本效益。

根据优选实施例，所述至少一个叶片在圆周方向上倾斜。通过沿圆周方向的倾斜，流入气流扰动装置的气流被引导穿过开口并沿着切向方向进入气流扰动装置下游的空间。因此，引入气流的旋涡运动，其提供气流扰动装置下游的气流的均匀混合。

应当注意，通常混合物可以是至少两种不同类型的流体的混合物，但是也可以将“混合物”理解为流过反应器的完整气体是混合流过的，从而可以提高气流的均匀性并且可以提供更均匀的温度分布。根据另一优选实施例，开口限定在叶片的前缘和流出物边缘之间。因此，定义了优选基本上轴向对准的开口，其提供扰动装置下游所需的扰动。此外，优选的是，前缘和流出物边缘被彼此轴向对准或重叠，使得实现所需的扰动。

此外，优选的是，气流扰动装置固定地安装在壳体内部，其外圆周边缘接触并被流体地密封到壳体的内壁。由此，到达气流扰动装置的气体被迫流过至少一个开口，从而提供上述的扰动。

根据另一优选实施例，气流扰动装置的板部分居中设置在壳体中，并且至少一个叶片设置在中心地设置的板部分和壳体的内壁之间。通过将开口设置在氧化装置的外圆周部分，可以实现特别好且均匀的混合。

根据另一优选实施例，气流扰动装置包括至少两个、优选四个等间隔的叶片，其对应地限定两个、相应为四个的开口，其中开口设置在相邻叶片的前缘和流出边缘之间。该设计优选地确保压降可以保持为低，这转而又允许降低压缩机功率。这转而又提高了整个系统的整体效率。

根据另一优选实施例，一氧化碳氧化装置具有基本上圆形或椭圆形的横截面，并且气流扰动装置基本上是盘形的。圆柱形壳体是优选的，因为其圆形或椭圆形横截面支撑气流扰动装置下游的气体的循环扰动运动。

根据另一优选实施例，气流扰动装置包括第一和第二螺旋桨形板，其中由倾斜板提供的第一和第二开口不对准。双板布置允许均匀混合以及重整器的设计，其中氧气剂入口不设置在气流扰动装置的上游，而是设置在第一和第二板之间。因此，第一板可以提供引入氧化剂的气流的扰动运动。因此，氧化剂已经与重整气体预混合。设置在第一板和氧化剂入口下游的第二板转而甚至改善氧化剂和重整气体的混合。

即使优选将氧化剂入口设置在气流扰动装置的上游，而气体入口的下游，也可以将氧化剂设置在气体入口的上游，由此将重整气体和氧化剂的混合物引入壳体。

根据另一优选实施例，气流扰动装置设置在离催化剂预定的距离处，由此提供用于气流的扰动开发室。由此，优选如果气流扰动装置离催化剂设置距离d，其中距离d与一氧化碳氧化装置的壳体长度l的比例大于等于0,2：

这种设置允许足够大的扰动开发室，而不增加一氧化碳氧化装置的总长度。

此外，应当注意，由预定叶片角度的至少一个倾斜叶片的倾斜角限定的至少一个开口的尺寸被校准为预期的气体流量和/或分布开发室的体积和/或叶片的总数和/或壳体的直径和/或壳体的长度。因此，优选地，扰动开发室的体积，特别地由气流扰动装置和催化剂之间的距离限定，被校准为预期的气体流量和/或壳体的直径和/或壳体的长度。

一氧化碳装置可以设计为高温wgs反应器、低温wgs反应器或prox反应器。气流扰动装置的新设计提高了所有一氧化碳氧化系统的效率。

示例性地，一氧化碳氧化装置可以是在高于280℃的温度下操作的高温水煤气变换反应器，包括贵金属催化剂，例如，含铂组合物的铂(platinumofaplatinumcontainingcomposition)，或非贵金属催化剂，例如fe3o4、cr2o3和mgo的混合物。蒸汽用作氧化剂，其可以通过气流扰动装置的至少一个螺旋桨形板的上游的单独的蒸汽入口引入壳体。可选地，没有蒸汽加入到重整气体中，但是可以使用在燃料重整期间提供并仍然包含在重整气体中的蒸汽。在没有加入蒸汽的情况下，气流扰动装置主要作为提供均匀的温度分布的温度分布装置。

来自重整产物的或作为添加物的蒸汽也可用于在低于280℃的温度下操作的低温水煤气变换反应器。此外，低温水煤气变换反应器包括贵金属或非贵重催化剂，但是其组成不同于高温水煤气变换反应器。

根据另一实施例，一氧化碳装置是在低于280℃的温度下操作的优先氧化反应器prox。prox包含非均相催化剂。催化剂可以包括贵金属如铂、铂/铁、铂/钌、金纳米颗粒以及氧化铜/陶瓷聚集体催化剂。与水煤气变换反应器相反，氧气或空气用作氧化剂，其通过气流扰动装置的至少一个螺旋桨形板的上游的单独的氧气/空气入口引入壳体。另外或替代地，也可以将重整气体和氧气/空气作为预混合物通过气体入口引入prox的壳体。

在说明书、附图和所附权利要求中限定了进一步优选的实施例。

附图说明

下文将通过附图中所示的示例性实施例来描述本发明。因此，所述实施例不旨在限定由所附权利要求单独限定的保护范围。

附图示出了：

图1：本发明的一氧化碳氧化装置的第一实施例；

图2：包含在图1所示的一氧化碳氧化装置中的气流扰动装置的放大示意图；以及

图3：本发明的一氧化碳氧化装置的另一优选实施例。

具体实施方式

下文采用相同的附图标记表示类似的或类似功能的元件。

图1示出了一氧化碳氧化装置1例如水煤气变换反应器或优先氧化反应器的示意图。一氧化碳氧化装置通常包括壳体2，壳体2可以具有如图1所示的圆柱形形状，但是也可以具有矩形或多边形横截面。壳体2进一步包括用于将气体或流体提供到壳体中的气体入口4，和用于排出经处理的气体或流体的气体出口6。壳体2进一步包括催化剂8，催化剂8适于处理流过一氧化碳氧化装置的气体。

如图1所示的一氧化碳氧化剂优选用于净化由用于在燃料电池中的烃燃料反应器产生的富氢重整气体。由于离开烃燃料反应器的重整气体仍然含有大量的对燃料电池的催化剂有毒的一氧化碳，必须从重整气体中除去一氧化碳。这通常在水煤气变换反应的随后优选的氧化反应的至少两步过程中完成。从而，重整气体中的一氧化碳量降低到小于0.00005摩尔分数，确保燃料电池催化剂不会中毒。在水煤气变换反应中，水通常以蒸汽形式按照以下理想的放热变换反应与重整气体中的一氧化碳进行反应：

co+h2o→co2+h2

为了进一步降低水煤气变换反应之后的一氧化碳浓度，进行优先氧化反应，其中一氧化碳根据以下放热反应被空气氧化：

co+1/2o2→co2

一氧化碳氧化装置中的元件的设计或设置是类似的，但是在所使用的氧化剂以及催化剂8的材料中，水煤气变换反应器和优先氧化反应器是不同的。

在所有已知的一氧化碳氧化装置中，装置的效率主要取决于含一氧化碳的重整气体与相应的氧化剂的混合物的均匀性。此外，期望流过反应器的气体在反应器的横截面上具有均匀分布的温度，由此避免了由于热点而导致的催化剂的损坏。

为了实现期望的均匀混合物和均匀的温度分布，图1所示的一氧化碳氧化装置包括气流扰动装置10，其设置在催化剂的上游，但在重整气体入口4的下游。从图1可以看出，氧化剂a与气体入口4上游的重整气体b预混合，并作为混合物c进入壳体2。重整气体/氧化剂混合物c从入口4流入室12其被气流扰动装置10阻挡。或者，氧化剂a也可以与气体入口4下游的室12中的重整气体b混合。根据另外的替代选，特别是在将一氧化碳氧化装置设计为水煤气变换反应器的情况下，可以使用已经包含在重整气体中的蒸汽作为氧化剂。在这种情况下可以省略单独的氧化剂入口。

从图1以及从图2可以进一步看出，气流扰动装置10被设计成具有中心设置的板部分15的螺旋桨形板14，周边叶片16a、b、c和d设置在该板部分15处。叶片16的外缘18固定到壳体2的内壁，并将气流扰动装置10流体地密封到壳体2的内部。从图1，以及从图2中所示的气流扰动装置10的放大图可以进一步看出，叶片16还包括前缘20和流出物边缘22。一个叶片16a的前缘20a和相邻叶片16b的流出物边缘22b在它们之间限定开口24a，气流c可以通过该开口24a离开室12。在气流扰动装置10的下游，设置了所谓的气体扰动开发室26(参见图1)，气体混合物m接触催化剂8之前在其中扰动诱导均匀混合物m产生。

由此，优选如果气流扰动装置离催化剂设置距离l，其中距离d与一氧化碳氧化装置的壳体长度l的比例大于等于0,2：

这种设置允许足够大的扰动开发室，而不增加一氧化碳氧化装置的总长度。

从图1和图2可以看出，叶片16相对于板部分15的圆周方向的表面以预定的叶片倾斜角度α倾斜。因此，开口24被设置在或多或少的轴向方向上。这转而引起流到板部分15的气体径向向外偏转到或多或少轴向设置的开口24(参见箭头)。由于开口是轴向设置的，所以导致气流向切向方向的偏离，这转而导致扰动装置10下游的湍流。这些湍流提供在扰动开发室26中产生的均匀混合物。因此，气流的这种偏离导致流过壳体2的气流的有效混合。

因此应该注意，一般来说，均匀混合物可以依据不同的气体含量和/或依据温度是均匀的。

此外，从图1可以看出，扰动装置10的创造性设计通过壳体2的最小尺寸提供了最大化的均匀混合。此外，与已知的一氧化碳装置相反，仅需要一个板来提供在重整器的横截面上均匀分布的温度以及重整气体和氧化剂的均匀混合物。因此，可以确保催化剂的效率和催化反应的效率最大化。

图3示出了一氧化碳氧化装置1的另一优选实施例，其中催化剂8的上游，而不是单个螺旋桨形板14，但是螺旋桨形双板14-1、14-2被设置成限定气流扰动装置10。螺旋桨形板14-1、14-2彼此间隔开距离x，并且开口24-1、24-2彼此不对准。如图所示，优选的是使开口不对准，使得第二板14-2的开口24-2设置在第一板14-1中的两个对应的开口24-1之间的中间。

此外，所示一氧化碳氧化装置1的氧化剂入口28不设置在气体入口4的上游，而是被设计为分离的氧化剂入口28，通过氧化剂入口28将氧化剂a引入壳体2。重整气体b转而通过气体入口4进入。即使氧化剂入口28也可以设置在两个板14-1、14-2的上游，图3的双板装置允许所示的实施例，其中氧化剂入口28设置在两个板14-1和14-2之间。因此，通过气体入口4进入壳体的重整气体流过第一板14-1。然后将氧化剂a引入到在第一板14-1下游的扰动的重整气体流b中，由此进行重整气体b和氧化剂a的预混合。然后将该预混合物c强制通过第二板14-2的开口24-2，由此将期望的均匀混合物m提供给催化剂8。

然而，即使氧化剂入口28被示出为设置在板14-1和14-2之间，如图1所示，氧化剂入口28也可以设置在气体入口4的上游，其中氧化剂a和重整气体b在气体混合物c进入壳体2之前混合。还应该指出的是，在图1所示的设置中，氧化剂入口28也可以设置在气体扰动装置10的上游但在气体入口4的下游。

利用上述气体分配装置，可以提供具有高效率但最小长度的一氧化碳氧化装置。从而，气流扰动装置仅混合少量的氧化剂并且显示出极低的压降。这转而允许减小的压缩机功率，这也提高了系统的效率。由于气流扰动装置还提供非常均匀的混合物，仅需要将最少量的氧化剂引入重整气体中用于氧化一氧化碳，使得由过量氧化剂氧化的氢气的量进一步降低。

附图标记清单

1一氧化碳氧化装置

2壳体

4气体入口

6气体出口

10气流扰动装置

12室

14板部分

16叶片

18叶片边缘

20前缘

22流出物边缘

24开口

26气体扰动开发室

28氧化剂入口

a氧化剂

b重整气体

c氧化剂/重整气体混合物

m均匀混合物

d气流扰动装置与催化剂之间的距离

l一氧化碳氧化装置的壳体长度

x螺旋桨形板之间的距离