專利名稱：具有雙燃燒器的氫發(fā)生器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有雙燃燒器的氫發(fā)生器和一種操作該氫發(fā)生器的方法，更具體來說，涉及一種具有雙燃燒器以便減少變換反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間的氫發(fā)生器和一種操作該氫發(fā)生器的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種發(fā)電系統(tǒng)，它能把氫和氧的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。氫包含在烴類材料比如甲醇、乙醇和天然氣中。燃料電池系統(tǒng)包括利用液態(tài)氫的燃料電池系統(tǒng)和利用氫氣的燃料電池系統(tǒng)。
利用氫氣的燃料電池包括燃料電池組和燃料處理器。燃料電池組構(gòu)成燃料電池的主體，并具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，其中包括數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)電池單元，每個(gè)電池單元包括薄膜電極組件(MEA)和隔板。
圖1是燃料電池系統(tǒng)的框圖。
參照?qǐng)D1，包含氫原子的燃料在燃料處理器內(nèi)被重組成氫氣，供應(yīng)給燃料電池組。燃料電池組通過氫氣和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
燃料處理器包括脫硫器和氫發(fā)生器。氫發(fā)生器包括燃料重組器和變換反應(yīng)器脫硫器去除燃料中的硫，防止在燃料重組器和變換反應(yīng)器中的催化劑被硫化合物中毒。
燃料重組器通過重組烴類產(chǎn)生氫，但同時(shí)也產(chǎn)生二氧化碳和一氧化碳。一氧化碳會(huì)毒害燃料電池組的電極使用的催化劑。因此，被還原的燃料不能直接提供給燃料電池組，必須通過一個(gè)可以移除一氧化碳的裝置，稱為變換反應(yīng)器。該變換反應(yīng)器可能將燃料中的一氧化碳減少至少于10ppm。
為移除一氧化碳，需采用以下三種反應(yīng)，即轉(zhuǎn)化反應(yīng)/甲烷化反應(yīng)/PROX反應(yīng)。
CO+H2O→CO2+H2 CO+2H2→CH4+1/2O2[反應(yīng)3]CO+1/2O2→CO2為了利用上述轉(zhuǎn)化反應(yīng)使燃料中含有的一氧化碳少于10ppm，變換反應(yīng)器必須維持在高于200℃的溫度。把變換反應(yīng)器的溫度升高到200℃需要耗時(shí)約一個(gè)小時(shí)。但是，考慮到需要電能時(shí)應(yīng)能立即使用，等一個(gè)小時(shí)才能使用電能是一種時(shí)間浪費(fèi)。因此，很多研究人員在改善這種不利影響。
日本公開專利No.2004-31280已經(jīng)公開了一種采用一個(gè)燃燒器連續(xù)加熱燃料重組器和變換反應(yīng)器的裝置。當(dāng)采用加熱燃料重組器的燃燒器加熱變換反應(yīng)器時(shí)，變換反應(yīng)器與燃燒器分開定位，需要長時(shí)間才能把變換反應(yīng)器溫度升高到工作溫度。
日本公開專利No.2001-354404公開了一種用附加的電加熱器加熱變換反應(yīng)器的系統(tǒng)。不過，該系統(tǒng)消耗大量電能。
于是，需要開發(fā)一種氫發(fā)電器，它具有簡單的結(jié)構(gòu)并且能迅速升高變換反應(yīng)器的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有雙燃燒器的氫發(fā)生器，以便減少變換反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間。
本發(fā)明還提供了一種操作該氫發(fā)生器的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在此提供了一種具有雙燃燒器的氫發(fā)生器，包括殼體；用來把殼體內(nèi)部空間分為第一室和第二室的阻擋壁；安裝在第一室內(nèi)的燃料重組器和加熱燃料重組器的第一燃燒器；安裝在第二室內(nèi)的變換反應(yīng)器和安裝在阻擋壁上用于加熱變換反應(yīng)器的第二燃燒器；分別點(diǎn)燃第一燃燒器和第二燃燒器的第一點(diǎn)火器和第二點(diǎn)火器。
第二燃燒器可包括在阻擋壁的對(duì)應(yīng)于變換反應(yīng)器的區(qū)域內(nèi)形成的多個(gè)孔。
該第二燃燒器上的孔直徑各自為3毫米或更小。
用于使來自第一燃燒器燃燒氣體穿過的氣體入口/出口設(shè)置在阻擋壁上。
第二點(diǎn)火器可以是火花塞。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的方法，包括通過在第二燃燒器內(nèi)燃燒提供給第一燃燒器的燃料來加熱變換反應(yīng)器；當(dāng)變換反應(yīng)器溫度高于預(yù)定溫度時(shí)點(diǎn)燃第一燃燒器來加熱燃料重組器；其中第一燃燒器點(diǎn)燃時(shí)，通過切斷向第二燃燒器的燃料供給來關(guān)閉第二燃燒器。
加熱變換反應(yīng)器可以包括關(guān)閉形成在阻擋壁上的氣體入口/出口，而加熱燃料重組器可以包括打開氣體入口/出口。


本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)勢將通過參照附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述變得更加清楚，其中圖1是傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的示意圖；和圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器和傳統(tǒng)的具有一個(gè)燃燒器的氫發(fā)生器的變換反應(yīng)器的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照本發(fā)明的實(shí)施例的附圖更加充分的說明本發(fā)明。在圖中，為表達(dá)清楚起見，層的厚度和區(qū)域進(jìn)行了夸張。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的示意圖。
參照?qǐng)D2，燃料重組器30和變換反應(yīng)器60設(shè)置于殼體10內(nèi)。燃料重組器30和變換反應(yīng)器60分別包括燃料重組和轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的催化劑(未顯示)。第一燃燒器20安裝在燃料重組器30的一側(cè)(圖2中的下側(cè))，烴類氣體，比如甲醇和空氣(或富氧空氣)被從外界供給至第一燃燒器20。點(diǎn)燃第一燃燒器20的第一點(diǎn)火器22安裝在第一燃燒器20上。
用來把殼體的空間分成第一室和第二室的阻擋壁40設(shè)置在殼體10內(nèi)。第二燃燒器50安裝在阻擋壁40上。燃料重組器30安裝在第一室內(nèi)且變換反應(yīng)器60安裝在第二室內(nèi)。變換反應(yīng)器60安裝在第二燃燒器50上方。第二燃燒器50用來初始加熱變換反應(yīng)器60。點(diǎn)燃第二燃燒器50的第二點(diǎn)火器52，即，火花塞安裝在第二燃燒器50的一側(cè)。同時(shí)，阻擋壁40包括氣體入口/出口44。多個(gè)孔42形成在阻擋壁40上或阻擋壁40上的附加元件也可作用為第二燃燒器50。所述孔42可形成為直徑小于約3毫米以防止逆火。
該氫發(fā)生器包括第一管道70，通過該管道向燃料重組器30提供烴類氣體比如甲醇和水；第二管道80，該第二管道80用來把重組的氫氣、二氧化碳、一氧化碳和水蒸汽從燃料重組器30傳輸?shù)阶儞Q反應(yīng)器60，以及第三管道90，該第三管道90用來把氫氣從變換反應(yīng)器60排放到外界。第一熱交換器72安裝在第一管道70和第三管道90之間，第二熱交換器74安裝在第一管道70和第二管道80之間。熱交換器72和74可以設(shè)置成不同形式，例如，第一管道70可設(shè)置為穿過在第二管道80和第三管道90處形成的室(未示出)。
在殼體10上形成將來自第一和第二燃燒器20和50的氣體排出而經(jīng)過的氣體出口14。來自第一燃燒器20的廢氣用來預(yù)熱變換反應(yīng)器60、第一管道70和第二管道80。殼體10、阻擋壁40和燃燒器50可以采用耐火且熱傳導(dǎo)率低的材料制成。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器和傳統(tǒng)的具有一個(gè)燃燒器的氫發(fā)生器的變換反應(yīng)器的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。
參照?qǐng)D3，具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的變換反應(yīng)器60需要約35分鐘達(dá)到200℃的工作溫度。但是，具有單一燃燒器的氫發(fā)生器的變換反應(yīng)器60需要35分鐘達(dá)到100℃，需要多于60分鐘的時(shí)間達(dá)到200℃。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器可以減少啟動(dòng)時(shí)間。同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明制成的氫發(fā)生器不需要額外的用于第二燃燒器的燃料供應(yīng)線，這是因?yàn)槿剂虾脱鯕馔ㄟ^用于燃料重組器30的第一燃燒器20供應(yīng)。
以下說明根據(jù)本發(fā)明的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的操作方法。
在氣體入口/出口44關(guān)閉的情況下，通過與第一燃燒器20連接的燃料管道和空氣管道向第一室提供燃料氣體和空氣。提供給第一室的燃料氣體和空氣通過第二燃燒器50的多個(gè)孔42向第二室移動(dòng)。此時(shí)，當(dāng)?shù)诙c(diǎn)火器52點(diǎn)燃時(shí)，第二燃燒器50被點(diǎn)燃。于是，變換反應(yīng)器60被加熱。當(dāng)變換反應(yīng)器60達(dá)到約100℃時(shí)，第一燃燒器20利用第一點(diǎn)火器22點(diǎn)燃。與第一燃燒器20被點(diǎn)燃的同時(shí)或者從第一燃燒器20被點(diǎn)燃起經(jīng)過一段短時(shí)間滯后，氣體入口/出口44被打開。
來自第一燃燒器20的燃燒氣體(CO2，H2O，空氣)通過氣體入口/出口44進(jìn)入第二室和第二燃燒器50。第二燃燒器50被關(guān)閉，且成為來自第一燃燒器20的燃燒氣體的通道。當(dāng)燃料重組器30的溫度升高到超過200℃時(shí)，水通過第一管道70提供。提供到第一管道70的水在通過第一管道70、第一熱交換器72和第二熱交換器74時(shí)蒸發(fā)。接著，變換反應(yīng)器60的溫度因穿過燃料重組器30的水蒸氣和來自第一燃燒器20的燃燒氣體而升高。當(dāng)燃料重組器30的溫度超過600℃且變換反應(yīng)器60的溫度達(dá)到超過200℃時(shí)，烴類氣體和水通過第一管道70。燃料重組器30和變換反應(yīng)器60的溫度不僅可以通過控制燃料的量來控制，還可以通過控制提供給第一管道70的水量來控制。同時(shí)，第一和第二熱交換器72和74可以預(yù)熱通過第一管道70的水。
進(jìn)入第二室的燃燒氣體通過氣體出口14排放到外界。穿過氣體出口14的燃燒氣體可用來預(yù)熱燃料堆(未示出)。穿過第三管道90的氫氣被提供給陽極。
根據(jù)本發(fā)明的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器可以減少氫發(fā)生器的啟動(dòng)時(shí)間。而且，用于變換反應(yīng)器并包括具有多個(gè)孔的阻擋壁的燃燒器利用提供給用于燃料重組器的燃燒器的燃料和氧。因此，一條燃料供應(yīng)線用于兩個(gè)燃燒器，簡化了氫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。
雖然參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體圖示和描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解到在不背離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精髓和范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種具有雙燃燒器的氫發(fā)生器，包括殼體；阻擋壁，該阻擋壁將殼體內(nèi)的空間分成第一室和第二室；安裝在所述第一室內(nèi)的燃料重組器和加熱燃料重組器的第一燃燒器；安裝在所述第二室內(nèi)的變換反應(yīng)器和形成在阻擋壁內(nèi)以加熱所述變換反應(yīng)器的第二燃燒器；和分別點(diǎn)燃第一燃燒器和第二燃燒器的第一點(diǎn)火器和第二點(diǎn)火器。
2.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中所述第二燃燒器包括多個(gè)孔，所述多個(gè)孔形成在阻擋壁的與變換反應(yīng)器相對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的氫發(fā)生器，其中所述第二燃燒器的孔的直徑各自小于3毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中在所述阻擋壁上形成用于穿過來自第一燃燒器的燃燒氣體的氣體入口/出口。
5.如權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中所述第二點(diǎn)火器為火花塞。
6.一種操作如權(quán)利要求1所述的具有雙燃燒器的氫發(fā)生器的方法，包括通過在第二燃燒器內(nèi)燃燒提供給第一燃燒器的燃料來加熱變換反應(yīng)器；在變換反應(yīng)器的溫度高于預(yù)定溫度時(shí)通過點(diǎn)燃第一燃燒器來加熱燃料重組器；其中通過在第一燃燒器被點(diǎn)燃時(shí)切斷向第二燃燒器的燃料供給來熄滅第二燃燒器。
7.如權(quán)利要求6所述的該方法，其中加熱變換反應(yīng)器包括關(guān)閉在阻擋壁內(nèi)形成的氣體入口/出口；且加熱燃料重組器包括打開所述氣體入口/出口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有雙燃燒器的氫發(fā)生器和操作該氫發(fā)生器的方法。具有雙燃燒器的氫發(fā)生器包括殼體；阻擋壁，用來將殼體內(nèi)空間分成第一室和第二室；安裝在第一室內(nèi)的燃料重組器和用來加熱燃料重組器的第一燃燒器；安裝在第二室內(nèi)的變換反應(yīng)器和安裝在阻擋壁上以加熱變換反應(yīng)器的第二燃燒器；分別點(diǎn)燃第一燃燒器和第二燃燒器的第一點(diǎn)火器和第二點(diǎn)火器。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1990379SQ20061012156
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者樸泰相, 李瞳雨, 金純澔, 李斗煥, 李弦哲 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社