燃料电池使用的燃料——氢气可以由重整器提供。重整器使用的原料可以是天然气、汽油、柴油等各种烃类以及甲醇、酒精等各种醇类燃料。目前使用的重整技术主要有蒸汽重整、部分氧化重整、自动供热重整以及等离子体重整等。不同的重整技术在结构、效率和对燃料的适应性等方面有不同的特点,并在不同的使用条件下发挥出它们各自的优势。蒸汽重整是目前使用最广泛的制氢方式。 (1)蒸汽重整蒸汽重整是一个化学过程,其中,氢通过烃类化合物燃料和高温水蒸气之间的化学反应生成。蒸汽重整器的发展经历了常规型、热交换型和平板型3个过程。常规型蒸汽重整器的容量较大,目前已实现商业化,但工作条件高(850℃,1.5~2.5MPa),制造成本较高,容量大,启动时间长,如果生产出来的氢气不能及时使用,储存也有困难。热交换型重整器外形尺寸大大减小,工作条件降低(700℃,0.3MPa),制造成本下降,且随负荷变化性能较好,目前已成功应用于燃料电池系统中。近年来出现的平板型结构更加紧凑,成本进步降低,但目前技术还不成熟。如果在扩大催化剂的使用范围和延长使用寿命上有突破,将会在蒸汽重整装置中很有竞争力。 (2)部分氧化重整部分氧化重整将燃料与氧相结合制氢,并生成CO。部分氧化重整的产氢率比蒸汽重整的低,但它结构紧凑、成本低、启动时间短、动态响应速度快,对燃料的适应性也更强,因而更具潜力。但是,如果采用无催化系统,常有炭烟和其他副产物生成;而采用有催化剂系统,又常因催化剂表面的局部高温而损伤催化剂,在反应过程中的稳定性也是一大难题。部分氧化重整最好用纯氧,但价格较高;虽然它也可使用燃料气与空气混合,但反应后需加净化处理装置,其成本也很高。因此若能开发廉价的纯氧制取装置,部分氧化重整将得到很大突破。
(3)自动供热重整自动供热重整将燃料与水蒸气两者结合,因此,由蒸汽重整反应吸收的热量平衡了从部分氧化重整反应中所放出的热量。自动供热重整相对于蒸汽重整结构简单,无需庞大的换热装置,制造成本低,对燃料的要求也降低,可使用醇类和重烃类的液体燃料;相对于部分氧化重整来说,自动供热重整由于氧化反应放出的热量直接被吸热的蒸汽重整反应吸收,所以系统的效率也提高了。但自动供热重整要求同时调节好氧气、水蒸气和燃料之间的比例,控制比较困难,并且在重整中易产生积炭现象而损伤催化剂。
(4)等离子体重整等离子体重整是一种先进的制氢技术,它采用等离子激发重整反应的发生,可在满足制氢效率的情况下进行小规模生产,同时降低成本。一般等离子重整器在中小型制氢系统上经济效益比较明显,因为等离子的能
量密度很高,使得重整器结构紧凑、启动快、动态响应快,基本不需要催化剂,而且它对燃料的适应性很强,除轻质烃外,各种重质烃、重油、生物质燃料甚至垃圾燃料都可用。等离子制氢技术可分为热等离子和冷等离子两种,产生氢气的过程与传统技术一样,它也包括蒸汽重整、部分氧化和热分解等。采用热等离子技术,反应气体温度高,热损大且不易控制。温度升高也产生了对电极的腐蚀等离子重整器不宜工作在高压下,因为在高压下限制了电弧的灵活性,增加了电极的腐蚀,而减少电极寿命。
