[发明专利]随行制氢燃料电池燃料系统及其装置

说明书

所属技术领域

本发明涉及随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，尤其是燃料电池所用燃料为以分离膜从液态含氢燃料(低碳醇、烃等)在随行制氢装置内催化转化的富氢混合气中分离提纯出的氢气，燃料电池所用氧化剂为经空气净化器将空气中可能存在的CO(车辆行径在隧道及用堵路段等)催化转化为CO₂的净化空气的随行制氢燃料电池燃料系统及其装置，本发明适用于燃料电池机车和燃料电池移动发电。

背景技术

作为提高热效率或替代能源和减少排放的机车动力方案，氢气燃料电池动力已受到全球越来越多国家的广泛关注。

根据使用燃料的不同，现有燃料电池主要分为三种类型：第一类是直接燃料电池，即燃料直接用氢或低碳醇内部重整；第二类是间接重整燃料电池，其燃料不是直接用氢，而是通过外部间接重整(或和直接裂解、或和部分氧化)低碳醇或烃类含氢燃料为富氢混合气后再供给燃料电池发电；第三类是再生式燃料电池，它是指把燃料电池反应生成的水，经过电分解为氢和氧，再将氢和氧供给燃料电池发电。

使用地面充氢的第一类氢气燃料电池机车的显著缺点是，机车必须携带十分庞大，压力非常高的储氢罐，这种机车存在造价高昂，氢气配给困难等诸多瓶颈问题。

使用低碳醇或烃类等内部直接重整的第一类燃料电池机车的显著缺点在于，由于重整催化剂处于直接运载碳氢化合物燃料的阳极通道，催化剂就通过阳极极板和阴极极板通道暴露于燃料电池的电介质中，这种长时间的暴露会大大降低催化剂的性能。因此，这种燃料电池对催化剂的要求极高，即使借助极其复杂的措施(美国专利No.4,365,007等)，其性能的改善也非常有限，这种燃料电池的结构复杂，制造成本高，催化剂运行周期仍然较短，效率低。

第三类再生燃料电池的不足在于电解水制氢的成本高昂，机车运行效率低。

较之第一、三类，第二类间接重整燃料电池机车可以在技术、制造成本、安全性、机车运行的经济性等方面，找到相对合理和推广应用的充分依据。在这种燃料电池的布局中，电化学催化剂位于阳极极板和阳极通道间的腔室中，燃料重整后的富氢混合气直接被送到这些阳极通道中进行电化学反应。由于这种燃料电池的重整催化剂与电介质相隔离，能较好好地保护催化剂免受来自燃料电池电介质所导致的毒害。

在众多的燃料电池中，聚合物电介质燃料电池(PEFC)因其具有较好的耐高温性能和高电流密度，并可以常温启动的优点，是目前最适合机车和移动发电使用的一种技术方案，极具应用推广价值。

但是，对于使用外部间接重整的聚合物电介质燃料电池(PEFC)作为车辆动力电源时，重整富氢混合气中大量的CO₂和即使极少量的CO，对于聚合物电介质膜上Pt等贵重金属催化剂的毒害，足以使其快速不可逆转地失活而中毒，大大缩短了燃料电池的使用寿命，甚至导致燃料电池根本不具实用价值。

因此，对于使用外部间接重整的聚合物电介质燃料电池(PEFC)作为动力电源的车辆，必须除去重整富氢混合气中所含的大量CO₂和少量CO，同时还必须考虑机车行径至隧道和车辆拥堵路段时，空气中所含CO(包括油雾等有害成分)对燃料电池贵重金属催化剂的影响。

对于来自燃料机载随行制氢的富氢混合气中大量的CO₂，由于其对燃料电池贵金属催化剂的影响相对较小，部份现有的技术采取不予处理CO₂的方案，这种技术是不可取的，因为虽然CO₂对贵重金属催化剂的影响不及CO，但持续高浓度的CO₂对燃料电池极板贵重金属催化剂的影响也是不可忽略的。

对于源于隧道和车辆拥堵路段大气中的CO的毒害，日本专利JP-A-H9-63620提出了对吸入空气进行CO处理的方法。在该处理方法中，需要燃烧额外的燃料，使用加热炉来对空气进行预热，并在催化剂的作用下将CO转化为CO₂。这种技术的不足在于，一是要额外增加CO处理能耗，加热炉要占用额外的空间，使得重整系统庞大复杂。

此外，日本专利JP-A-H9-180744中，提出当检测到有毒物质时，燃料电池就暂时停止生产电力。然而，这种类技术直接应用到机车中，会出现燃料电池提供的电力不足，并且会导致行驶性能下降。