專利名稱：重整器及具有該重整器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，且更具體地涉及一種其重整器具有改進(jìn)的供熱結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，燃料電池是用于通過氧和包含在碳?xì)浠衔锊牧侠缂状?、乙醇和天然氣中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)電系統(tǒng)。
最近發(fā)展出的聚合電解質(zhì)膜燃料電池(polymer electrolyte membrane fuel cell)(以下稱為PEMFC)具有優(yōu)異的輸出特性、低工作溫度和快速啟動和響應(yīng)特性。因此，PEMFC具有廣泛應(yīng)用范圍，包括用作機(jī)動車的移動電源、家用或建筑用配電電源和電子設(shè)備的小型電源。
采用PEMFC方案的燃料電池系統(tǒng)主要包括堆體(stack)、重整器(reformer)、燃料箱和燃料泵。堆體構(gòu)成具有多個單元電池的發(fā)電裝置。燃料泵將存儲在燃料箱中的燃料供應(yīng)到重整器。然后，重整器重整燃料以產(chǎn)生供應(yīng)給堆體的氫。
在常規(guī)燃料電池系統(tǒng)中，重整器使用熱能，通過催化化學(xué)反應(yīng)從含氫燃料產(chǎn)生氫。因此，重整器通常包括用于產(chǎn)生熱能的熱源部分、用于吸收熱能并從燃料產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)部分，和用于減少氫氣中一氧化碳濃度的一氧化碳減少部分。
在常規(guī)重整器中，由于熱源部分、重整反應(yīng)部分和一氧化碳減少部分通過管道分布和連接，從供熱的角度看，反應(yīng)部分之間的熱交換是低效率的。
此外，由于各個反應(yīng)部分是分布式的，難以使整個燃料電池系統(tǒng)小型化。此外，用于互聯(lián)各部分的管道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得制造復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有簡單結(jié)構(gòu)的改進(jìn)性能的重整器及使用該重整器的燃料電池系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供了用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括多個用于從含氫燃料產(chǎn)生氫的反應(yīng)部分；多個加熱部分，向多個反應(yīng)部分供應(yīng)熱能，每個加熱部分都具有催化劑；和容納多個反應(yīng)部分和多個加熱部分的主反應(yīng)體。各個加熱部分根據(jù)各個反應(yīng)部分的反應(yīng)需要而產(chǎn)生不同量的熱能。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，對于注入其中的不同量的燃料，各個加熱部分具有基本上同樣量的催化劑，因此產(chǎn)生不同量的熱能。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，多個反應(yīng)部分可以包括用于通過催化重整反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)部分，和至少一個一氧化碳減少部分，其與重整反應(yīng)部分相繼設(shè)置并減少包含在氫氣中的一氧化碳的濃度。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，加熱部分對應(yīng)于反應(yīng)部分形成且每個加熱部分具有用于注入燃料和氧的入口(inlet)。為了控制注入到不同加熱部分的燃料的量，通過控制器控制到每個加熱部分的燃料和/或空氣的量。
在一個實(shí)施例中，入口的截面積是不同的，因此充當(dāng)用于控制傳送到每個加熱部分的燃料和空氣量的控制器。在一個實(shí)施例中，供應(yīng)熱能到重整反應(yīng)部分的加熱部分的入口的截面積大于供應(yīng)熱能到一氧化碳減少部分的加熱部分的入口的截面積。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，主反應(yīng)體包括第一和第二反應(yīng)容器(vessel)，其中第二反應(yīng)容器設(shè)置在第一反應(yīng)容器中。加熱部分設(shè)置在第一反應(yīng)容器內(nèi)、第二反應(yīng)容器外，且重整部分設(shè)置在第二反應(yīng)容器內(nèi)，以在加熱部分和反應(yīng)部分之間提供好的熱傳遞。
更具體地，根據(jù)一個實(shí)施例，第一和第二反應(yīng)容器包括同軸設(shè)置的第一和第二導(dǎo)管(conduit)，第二導(dǎo)管在第一導(dǎo)管中。第二導(dǎo)管的內(nèi)部空間和第一導(dǎo)管與第二導(dǎo)管之間的空間可以分隔為多個彼此對應(yīng)的空間。
根據(jù)本實(shí)施例，反應(yīng)部分形成在第二導(dǎo)管中的分隔空間中，且加熱部分形成在第一導(dǎo)管和第二導(dǎo)管之間的空間中的分隔空間中。
用于注入燃料和氧到加熱部分的入口形成在第一導(dǎo)管中。如上所述，加熱部分的不同入口的截面積可以不同，以向相應(yīng)的反應(yīng)部分提供或多或少的熱能。例如，通向?qū)?yīng)于重整反應(yīng)部分的加熱部分的入口的截面積可以大于加熱部分向一氧化碳減少部分供應(yīng)熱能的入口的截面積。
第二導(dǎo)管的內(nèi)部空間可以通過一個或多個穿孔的阻隔件(barrier)例如網(wǎng)眼阻隔件分隔成多個空間。第一和第二導(dǎo)管之間的空間可以通過一個或多個阻隔壁(barrier wall)分隔成多個空間。
根據(jù)某些實(shí)施例，第一導(dǎo)管由從包含陶瓷、不銹鋼和鋁的組中選擇的至少一種材料制成，且第二導(dǎo)管由從包含不銹鋼、鋁、銅和鐵的組中選擇的材料制成。
一氧化碳減少部分可以包括用于通過氫氣的催化水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)減少包含在氫氣中的一氧化碳濃度的反應(yīng)部分。此外，一氧化碳減少部分可以包括至少一個用于通過氫氣和氧的催化優(yōu)先的CO氧化(catalytic preferentialCO oxidation，PROX)反應(yīng)減少包含在氫氣中的一氧化碳濃度的反應(yīng)部分。多個反應(yīng)部分還可以包括設(shè)置于重整反應(yīng)部分的前架(front stage)以蒸發(fā)燃料的蒸發(fā)部分。
多個反應(yīng)部分和多個加熱部分可以包括用于加速相應(yīng)反應(yīng)的丸狀或蜂巢狀催化劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于從含氫燃料產(chǎn)生氫的重整器和至少一個用于通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)電體。重整器包括多個用于從含氫燃料產(chǎn)生氫的反應(yīng)部分；向多個反應(yīng)部分供應(yīng)熱能的多個加熱部分。每個反應(yīng)部分和加熱部分包括用于加速相應(yīng)反應(yīng)的催化劑。主反應(yīng)體容納多個反應(yīng)部分和多個加熱部分。各個加熱部分根據(jù)支持各個反應(yīng)部分的反應(yīng)的需要而產(chǎn)生不同量的熱能。
加熱部分可以對應(yīng)于反應(yīng)部分形成，且每個加熱部分具有用于注入燃料和氧的入口。為了從加熱部分向相應(yīng)的反應(yīng)部分提供期望的熱傳遞，到每個加熱部分的燃料和氧的量可以通過使用一個或多個控制器而控制。在一個實(shí)施例中，控制器僅包括具有不同截面積的加熱部分入口，憑此具有大的截面積的入口允許更多空氣和燃料進(jìn)入相應(yīng)的加熱部分，且因此比具有小截面積的入口的加熱部分產(chǎn)生更多熱。
燃料電池系統(tǒng)還可以包括用于向重整器供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元，和用于向重整器和發(fā)電體供應(yīng)氧的氧供應(yīng)單元。
燃料供應(yīng)單元可以包括用于存儲燃料的箱，和至少一個連接到該箱的燃料泵，以通過多條供應(yīng)線向反應(yīng)部分和加熱部分供應(yīng)燃料。根據(jù)一個實(shí)施例，控制器包括多個與加熱部分關(guān)聯(lián)的燃料泵。對于此實(shí)施例，每條供應(yīng)線可以設(shè)置有具有與其他泵不同容量的燃料泵，使得能夠控制供給特定加熱部分或反應(yīng)部分的燃料的量。作為選擇，可以使用單個燃料泵，且供應(yīng)線可以設(shè)置有燃料調(diào)整閥，作為用于控制供應(yīng)到各個部分的燃料量的控制器。
氧供應(yīng)單元可以包括至少一個空氣泵，用于向重整器和發(fā)電體供應(yīng)空氣。作為選擇，分立的空氣泵可以連接到每個入口。在此實(shí)施例中，空氣泵可以具有對應(yīng)于相應(yīng)的反應(yīng)部分所需的熱量的不同容量，這樣充當(dāng)控制器。作為選擇，單個空氣泵可以使用多條供應(yīng)線，每個都具有流量調(diào)整閥，其中流量調(diào)整閥充當(dāng)控制器。


通過參照附圖對于示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)變得更為明顯。
圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)的方框圖；圖2是示出圖1所示的堆體的結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的重整器結(jié)構(gòu)的透視圖；圖4是示出圖3所示的重整器的截面圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一部分的示意圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一部分的示意圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖；以及圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
此后，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，使得本發(fā)明可以被本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地實(shí)施。然而，本發(fā)明不局限于這些示范性實(shí)施例，而是可以實(shí)施為各種形式。
圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)的方框圖，圖2是示出圖1所示的堆體的結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100具有聚合物電極膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)重整燃料以產(chǎn)生氫，并允許氫和氧化劑彼此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生電能。
用于在燃料電池系統(tǒng)100中產(chǎn)生電的燃料可以包括包含氫的液體或氣體燃料例如甲醇、乙醇或天然氣。然而，在下面的描述中示出了液體燃料的例子。
燃料電池系統(tǒng)100可以利用存儲在額外的存儲器件中的純氧作為與氫反應(yīng)所需的氧，或者可以利用空氣作為氧源。在下面的描述中示出了后者。
燃料電池系統(tǒng)100主要包括用于通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的堆體10、用于從燃料產(chǎn)生氫的重整器30、用于向重整器30供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元50、和用于向堆體10和重整器30供應(yīng)氧的氧供應(yīng)單元70。
堆體10具有其中多個發(fā)電體11依次設(shè)置的發(fā)電體組。發(fā)電體是用于產(chǎn)生電的單元燃料電池，并包括設(shè)置在膜電極組件(MEA)12的兩表面的分隔件(separator)(在本領(lǐng)域中也稱作“雙極板(bipolar plate)”)16。
MEA 12具有活性區(qū)(active area)，氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在該處。MEA 12包括形成在一個表面的陽極、形成在另一表面的陰極、和形成在兩電極之間的電解質(zhì)膜。
陽極通過氫的氧化反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化成氫離子(質(zhì)子)和電子。陰極通過氫離子和氧的還原反應(yīng)產(chǎn)生預(yù)定溫度的熱和水汽。電解質(zhì)膜執(zhí)行離子交換功能，將從陽極產(chǎn)生的氫離子移動到陰極。
分隔件16充當(dāng)著將陽極和陰極彼此串連連接的導(dǎo)體，并通過形成在陽極和陰極表面的通道17將氫和氧供應(yīng)到MEA 12。
堆體10的最外側(cè)可以設(shè)置有額外的擠壓板(pressing plate)13和13’，用于使多個發(fā)電體11彼此緊密接觸。根據(jù)本發(fā)明的堆體10可以構(gòu)建為使得位于多個發(fā)電體11最外側(cè)的分隔件16代替示出的擠壓板13和13’而充當(dāng)擠壓板。堆體10可以構(gòu)建為使得擠壓板13和13’除了具有使多個發(fā)電體11彼此緊密接觸的功能之外，還具有分隔件16所特有的功能。
一個擠壓板13設(shè)置有用于將從重整器30產(chǎn)生的氫供應(yīng)到發(fā)電體11的第一入口13a，和用于將從氧供應(yīng)單元70提供的空氣供應(yīng)到發(fā)電體11的第二入口13b。另一擠壓板13’設(shè)置有用于從發(fā)電體11釋放未反應(yīng)的氫氣的第一出口13c，和用于從發(fā)電體11釋放包含由氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水汽的未反應(yīng)的空氣的第二出口13d。
在本發(fā)明中，重整器30使用熱能，通過催化的化學(xué)反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫。在后面將參照圖3和4詳細(xì)描述重整器30的結(jié)構(gòu)。
向重整器30供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元50包括用于存儲液體燃料的第一箱51、用于存儲水的第二箱53、和連接到第一和第二箱51和53并從相應(yīng)的箱51和53釋放液體燃料和水的燃料泵55。
第一和第二箱51和53通過第一和第二供應(yīng)線91和93連接到重整器30。重整器30和堆體10的發(fā)電體11通過第五供應(yīng)線95彼此連接。
氧供應(yīng)單元70包括至少一個空氣泵71，用于向重整器30和堆體10的發(fā)電體供應(yīng)空氣。空氣泵71和重整器30通過第二和第四供應(yīng)線92和94彼此連接?？諝獗?1和堆體10的發(fā)電體11通過第六供應(yīng)線96彼此連接。
下面將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的重整器30的實(shí)施例。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的重整器結(jié)構(gòu)的透視圖，圖4是示出圖3所示的重整器的截面圖。
參照圖1到4，根據(jù)本實(shí)施例的重整器30包括多個反應(yīng)部分35和多個加熱部分37，作為限定內(nèi)部空間的同軸、雙導(dǎo)管主反應(yīng)體31。
具體地，主反應(yīng)體31具有包括第一導(dǎo)管32和第二導(dǎo)管33的圓柱結(jié)構(gòu)，其中第二導(dǎo)管33具有小于第一導(dǎo)管32的截面積并設(shè)置在第一導(dǎo)管32中，以預(yù)定間隙與第一導(dǎo)管32分隔開。多個用于從燃料產(chǎn)生氫的反應(yīng)部分35設(shè)置在第二導(dǎo)管33內(nèi)部，且多個用于向反應(yīng)部分35供應(yīng)熱能的加熱部分設(shè)置在第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間中。
具體地，第一導(dǎo)管32形成為具有預(yù)定截面積且兩端基本上封閉的管形形狀。第一導(dǎo)管32可以由具有相對小的熱導(dǎo)率的絕熱材料制成，例如，金屬如不銹鋼或鋯，或者非金屬如陶瓷。由于第一導(dǎo)管由這種絕熱材料制成，可以阻止從加熱部分37產(chǎn)生的熱能通過第一導(dǎo)管32泄漏到外部。因此，可以最小化從加熱部分37產(chǎn)生的熱能的損失，因此總體上提高重整器30的反應(yīng)效率和熱效率。
第二導(dǎo)管33具有小于第一導(dǎo)管32的截面積，并具有管形形狀，其中在一個末端形成反應(yīng)器入口33a，在另一末端形成反應(yīng)器出口33b，兩個末端都是基本上敞開的。第二導(dǎo)管33設(shè)置在第一導(dǎo)管32內(nèi)部，與第一導(dǎo)管32的內(nèi)部圓周表面分隔開，且其兩端通過第一導(dǎo)管32的兩端從第一導(dǎo)管32抽出。第二導(dǎo)管33可以由具有熱導(dǎo)率的鋁、銅或鐵制成。
應(yīng)該注意，雖然在本實(shí)施例中描述的加熱部分和反應(yīng)部分是一對同軸管形導(dǎo)管，但是可以采用任何類似的結(jié)構(gòu)，其中加熱部分包括基本上包圍形成反應(yīng)部分的第二反應(yīng)導(dǎo)管(reaction vessel)的第一反應(yīng)導(dǎo)管。
反應(yīng)器入口33a通過第三供應(yīng)線93連接到燃料供應(yīng)單元50的第一和第二箱51和53。反應(yīng)器出口33b通過第五供應(yīng)線95連接到堆體10的發(fā)電體11。
第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間被阻隔件36分隔，且反應(yīng)部分35分別設(shè)置在分隔的空間中。對本實(shí)施例，阻隔件36由具有多個孔(bore)的網(wǎng)眼材料形成。阻隔件36用于將從各個反應(yīng)部分35產(chǎn)生的反應(yīng)氣體通過主反應(yīng)體流通到反應(yīng)器出口33b，同時(shí)基本上分隔第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間。
在本實(shí)施例中，第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間被阻隔件36分隔成三個空間。第一反應(yīng)部分41、第二反應(yīng)部分42和第三反應(yīng)部分43從反應(yīng)器入口33a到反應(yīng)器出口33b依次形成。然而，本發(fā)明并不局限于此。因此，第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間可以分隔成更多或更少個空間，且可以形成更多或更少個反應(yīng)部分。
第一反應(yīng)部分41是用于從燃料通過燃料的催化蒸汽重整(steamreforming，SR)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)部分41。第二反應(yīng)部分42和第三反應(yīng)部分43是充分減少包含在氫氣中的一氧化碳濃度的一氧化碳減少部分。
靠近反應(yīng)器入口33a設(shè)置的第一反應(yīng)部分41供應(yīng)有通過第三供應(yīng)線93從第一和第二箱51和53供應(yīng)的燃料和水。第一反應(yīng)部分41引起催化蒸汽重整反應(yīng)以從蒸汽燃料產(chǎn)生氫。第一反應(yīng)部分41包括用于加速燃料的蒸汽重整反應(yīng)的催化劑41a。對本實(shí)施例，催化劑41a具有丸形并填充對應(yīng)于第一反應(yīng)部分41的第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間。通過在第一反應(yīng)部分41中的催化劑41a而進(jìn)行的催化重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，且反應(yīng)溫度在約300℃到600℃的范圍內(nèi)。
第二反應(yīng)部分42與第一反應(yīng)部分41相繼設(shè)置，用于通過催化的水-氣轉(zhuǎn)化(WGS)反應(yīng)初次減小包含在從第一反應(yīng)部分41產(chǎn)生的氫氣中的一氧化碳濃度。第二反應(yīng)部分42包括用于加速氫氣的水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的催化劑42a。對本實(shí)施例，催化劑42a具有丸形并填充在對應(yīng)于第二反應(yīng)部分42的第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間。通過第二反應(yīng)部分中的催化劑42a而進(jìn)行的水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)溫度在約200℃到300℃的范圍內(nèi)。
靠近反應(yīng)器出口33b、與第二反應(yīng)部分42相繼設(shè)置的第三反應(yīng)部分43用于通過優(yōu)先CO氧化(PROX)催化反應(yīng)進(jìn)一步減小包含在氫氣中的一氧化碳濃度。第三反應(yīng)部分43包括加速優(yōu)先CO氧化反應(yīng)的催化劑43a。對本實(shí)施例，催化劑43a具有丸形并填充在對應(yīng)于第三反應(yīng)部分43的第二導(dǎo)管33的內(nèi)部空間中。通過第三反應(yīng)部分43中的催化劑43a而進(jìn)行的優(yōu)先CO氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)溫度在約150℃到200℃的范圍內(nèi)。第三反應(yīng)部分43通過第四供應(yīng)線94連接到氧供應(yīng)單元70的空氣泵71。
向反應(yīng)部分35供應(yīng)熱能的加熱部分37設(shè)置在第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間中，并通過燃料與空氣之間的催化氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能。第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間被阻隔壁49分隔成多個獨(dú)立的空間。阻隔壁49形成為與第一導(dǎo)管32的內(nèi)部圓周表面和第二導(dǎo)管33的外部圓周表面接觸的環(huán)形法蘭(flange)形。
在本實(shí)施例中，阻隔壁49彼此分隔開以將第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間分隔成三個獨(dú)立空間。各個獨(dú)立空間填充有用于加速燃料和空氣的氧化反應(yīng)的丸形催化劑37a，由此形成加熱部分37。
加熱部分37包括第一加熱部分371，通過在包圍第一反應(yīng)部分41的、位于第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間中的空間中填充催化劑37a而形成，第二加熱部分372，通過在包圍第二反應(yīng)部分42的、位于第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間中的空間中填充催化劑37a而形成，和第三加熱部分373，通過在包圍第三反應(yīng)部分43的、位于第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的空間中的空間中填充催化劑37a而形成。第一加熱部分371、第二加熱部分372和第三加熱部分373通過第二導(dǎo)管33分別向第一反應(yīng)部分41、第二反應(yīng)部分42和第三反應(yīng)部分43供應(yīng)熱能。
加熱部分37還包括用于控制供應(yīng)到各個加熱部分的燃料和/或空氣的量的控制器。對本實(shí)施例，控制器包括用于將燃料和空氣注入到各個加熱部分371、372和373的入口32a1、32a2和32a3，以及用于釋放從加熱部分371、372和373產(chǎn)生的反應(yīng)氣體的出口32b1、32b2和32b3。具體而言，第一入口32a1和第一出口32b1設(shè)置在第一加熱部分371中。第二入口32a2和第二出口32b2設(shè)置在第二加熱部分372中，且第三入口32a3和第三出口32b3設(shè)置在第三加熱部分373中。
各個入口32a1、32a2和32a3與第一箱51通過第一供應(yīng)線91彼此連接。入口32a1、32a2和32a3與空氣泵71通過第二供應(yīng)線92彼此連接。
在本實(shí)施例中，同樣量的催化劑37a填充在各個加熱部分371、372和373中，且不同量的燃料和空氣供應(yīng)到加熱部分371、372和373，使得不同的加熱部分371、372和373向各個反應(yīng)部分35供應(yīng)不同量的熱能，以保持各個反應(yīng)部分35處在期望的溫度范圍內(nèi)。
為了在各個加熱部分371、372和373填充基本上同樣量的催化劑，各個加熱部分371、372和373的空間可以形成為基本上相同的體積。為了向不同加熱部分供應(yīng)不同量的燃料和空氣，可以調(diào)整流通燃料和空氣的入口32a1、32a2和32a3的截面積以控制燃料和空氣的量。這可以通過各種方法而完成，包括物理地改變實(shí)際入口的面積或通過在供應(yīng)線中使用不同尺寸的流動孔(flow orifice)而有效地改變?nèi)肟诘拿娣e。
對本實(shí)施例，第一入口32a1是最大的，第二入口32a2和第三入口32a3尺寸減小。在本實(shí)施例中，第一和第二供應(yīng)線91和92連接到入口32a1、32a2和32a3，并具有對應(yīng)于入口32a1、32a2和32a3的截面積。
當(dāng)燃料和空氣的供應(yīng)壓力恒定時(shí)，燃料和空氣的量隨著流通燃料和空氣的截面積的增加而增加。在本實(shí)施例中，由于燃料泵55和空氣泵71的泵壓相對恒定且截面積按照第一入口32a1、第二入口32a2和第三入口32a3的順序變小，相對大量的燃料和空氣注入到第一加熱部分371，依次減小量的燃料和空氣注入到第二加熱部分372和第三加熱部分373。
當(dāng)催化劑37a的量恒定時(shí)，隨著燃料和空氣量的增加，會產(chǎn)生更多熱能。因此，第一加熱部分371產(chǎn)生最大量的熱能，第二加熱部分372產(chǎn)生小于第一加熱部分371的量的熱能，且第三加熱部分373產(chǎn)生小于第二加熱部分372的量的熱能。結(jié)果，第一反應(yīng)部分41可以保持在對應(yīng)于該部分期望的反應(yīng)溫度的300℃到600℃范圍內(nèi)的溫度，第二反應(yīng)部分42可以保持在對應(yīng)于該部分期望的反應(yīng)溫度的200℃到300℃范圍內(nèi)的溫度，且第三反應(yīng)部分43可以保持在對應(yīng)于該部分期望的反應(yīng)溫度的150℃到200℃范圍內(nèi)的溫度。
即，具有上述結(jié)構(gòu)的重整器30能通過在重整器中一體地形成多個反應(yīng)部分35和多個加熱部分37并調(diào)整供應(yīng)到各個加熱部分37的燃料的量而產(chǎn)生不同量的熱能。因此，各個反應(yīng)部分35可以保持在相應(yīng)反應(yīng)的期望反應(yīng)溫度。因此，可以簡化重整器的結(jié)構(gòu)并使整個燃料電池系統(tǒng)緊湊。此外，可以簡化重整器的供熱結(jié)構(gòu)，因此最大化整個燃料電池系統(tǒng)的熱效率和反應(yīng)效率。
下面將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的工作。
首先，燃料泵55通過第一供應(yīng)線91將存儲在第一箱51中的液體燃料供應(yīng)到設(shè)置在第一導(dǎo)管32與第二導(dǎo)管33之間的第一加熱部分371、第二加熱部分372和第三加熱部分373。同時(shí)，空氣泵71通過第二供應(yīng)線92將空氣供應(yīng)到各個加熱部分371、372和373。然后，各個加熱部分371、372和373利用催化劑37a通過燃料與空氣之間的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生預(yù)定溫度的熱能。
由于燃料泵55和空氣泵71每個都具有恒定的泵浦功率，且與加熱部分371、3723和373相通的入口32a1、32a2和32a3具有不同的截面積，所以各個加熱部分371、372和373被供以不同量的燃料和空氣。由于各個加熱部分371、372和373填充有同樣量的催化劑37a，各個加熱部分371、372和373在不同量的燃料和空氣供應(yīng)下產(chǎn)生不同量的熱能。
即，隨著入口32a1、32a2和32a3的截面積從第一入口32a1到第三入口32a3變小，使得量最大的燃料和空氣注入第一加熱部分371，量逐漸減小的燃料和空氣注入到第二加熱部分372和第三加熱部分373。結(jié)果，第一加熱部分371產(chǎn)生用于將第一反應(yīng)部分41保持在重整催化反應(yīng)所需的300℃到600℃范圍內(nèi)的溫度的熱能。第二加熱部分372產(chǎn)生用于將第二反應(yīng)部分42保持在水-氣轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)所需的200℃到300℃范圍內(nèi)的溫度的熱能。第三加熱部分373產(chǎn)生用于將第三反應(yīng)部分43保持在優(yōu)先CO氧化催化反應(yīng)所需的150℃到200℃范圍內(nèi)的溫度的熱能。
燃料泵51還將存儲在第一箱51中的液體燃料和存儲在第二箱53中的水通過第三供應(yīng)線93供應(yīng)到反應(yīng)部分35。
然后，第一反應(yīng)部分41通過蒸汽重整反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣。氫氣包含作為蒸汽重整反應(yīng)的副產(chǎn)品的一氧化碳。產(chǎn)生的氫氣通過阻隔件36的孔36a供應(yīng)到第二反應(yīng)部分42。第二反應(yīng)部分42通過水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)從氫氣產(chǎn)生額外的氫，并減小包含在氫氣中的一氧化碳的濃度。得到的氫氣通過阻隔件36的孔36a供應(yīng)到第三反應(yīng)部分43?？諝獗豢諝獗?1通過第四供應(yīng)線94也供應(yīng)到第三反應(yīng)部分43。在第三反應(yīng)部分43中，包含在氫氣中的一氧化碳濃度通過氫氣和空氣的優(yōu)先CO氧化反應(yīng)進(jìn)一步減小。
產(chǎn)生的氫通過第二導(dǎo)管33的反應(yīng)器出口33b從第三反應(yīng)部分43釋放。在各個加熱部分371、372和373中通過燃料與空氣的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的反應(yīng)氣體通過各個加熱部分371、372和373的出口32b1、32b2和32b3釋放。
隨后，從反應(yīng)器出口33b釋放的氫通過第五供應(yīng)線95供應(yīng)到堆體10的發(fā)電體11。同時(shí)，空氣通過第六供應(yīng)線被空氣泵71供應(yīng)到堆體10的發(fā)電體11。然后，通過發(fā)電體11的分隔件16將氫供應(yīng)到膜電極組件12的陽極。通過分隔件16將空氣供應(yīng)到膜電極組件12的陰極。
陽極通過氧化反應(yīng)將氫氣分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。然后，質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜被移動到陰極，且電子穿過分隔件16或額外端子(未示出)被移動到相鄰分隔件16，但不穿過電解質(zhì)膜。電流通過電子的流動而產(chǎn)生，且熱和水作為副產(chǎn)品產(chǎn)生。
此后，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)。由于本發(fā)明的另一實(shí)施例具有與第一實(shí)施例相似的基本結(jié)構(gòu)，將省略其詳細(xì)描述，并僅詳細(xì)描述不同的元件。在附圖中，與第一實(shí)施例相同的元件用同樣的標(biāo)號表示，且不示出與描述不直接相關(guān)的元件。
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一部分的示意圖。
參照圖5，在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200中，使用與前面實(shí)施例相同的第一導(dǎo)管32和第二導(dǎo)管33以及催化劑裝填。然而，為了控制提供到第一、第二和第三加熱部分的燃料的量，使用具有不同容量的第一、第二和第三燃料泵55A、55B和55C將來自第一箱51的燃料供應(yīng)到入口32a1、32a2和32a3，由此充當(dāng)控制器。類似地，具有不同容量的第一、第二和第三空氣泵71A、71B和71C供應(yīng)空氣到入口32a1、32a2和32a3。
對于這樣的實(shí)施例，燃料泵55A、55B和55C可以是能夠通過公知方法調(diào)整的隔膜泵(diaphragm pump)，從而以恒定速率控制到每個加熱部分的燃料量。
對于這樣的實(shí)施例，第一、第二和第三入口32a1、32a2和32a3可以是相同或不同尺寸。
根據(jù)本實(shí)施例，通過調(diào)整燃料泵55A、55B和55C以及空氣泵71A、71B和71C的泵浦功率，各個加熱部分371、372和373可以被供以不同量的燃料和空氣。因此，各個加熱部分371、372和373可以通過燃料與空氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生不同量的熱能，并將熱能供應(yīng)到各個反應(yīng)部分41、42和43。因此，各個反應(yīng)部分41、42和43可以保持在各個反應(yīng)的期望溫度范圍。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一部分的示意圖。
參照圖6，燃料電池系統(tǒng)300使用與前面實(shí)施例相同的第一導(dǎo)管32和第二導(dǎo)管33以及催化劑裝載。然而，對本實(shí)施例，將入口32a1、32a2和32a3連接到第一箱51的第一供應(yīng)線91設(shè)置有第一流量調(diào)整閥V1、V2和V3。將入口32a1、32a2和32a3連接到空氣泵的第二供應(yīng)線92設(shè)置有第二流量調(diào)整閥V4、V5和V6。第一流量調(diào)整閥V1、V2和V3和第二流量調(diào)整閥V4、V5和V6可以是節(jié)流閥(throttle valve)，且可以用來控制向使用單個燃料泵55和單個空氣泵71的第一、第二和第三加熱部分的燃料和空氣的流動，每個泵都向各個加熱部分371、372和373提供恒定的泵浦功率。
在本實(shí)施例中，供應(yīng)到各個加熱部分371、372和373的燃料和空氣的流量可以通過第一流量調(diào)整閥V1、V2和V3以及第二流量調(diào)整閥V4、V5和V6而調(diào)整，這樣不同量的熱能可以供應(yīng)到各個反應(yīng)部分41、42和43。對本實(shí)施例，流量調(diào)整閥充當(dāng)控制器。
與前面實(shí)施例一樣，對于本實(shí)施例，第一、第二和第三入口32a1、32a2和32a3可以具有相同或不同的尺寸。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
參照圖7，使用與前面相同的基本第二導(dǎo)管(basic second conduit)33。然而，根據(jù)本實(shí)施例的重整器30A的各個反應(yīng)部分35A，即第一反應(yīng)部分41A、第二反應(yīng)部分42A和第三反應(yīng)部分43A，采用以蜂巢結(jié)構(gòu)提供的催化劑。因此，各個反應(yīng)部分35A具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中催化劑材料41b、42b和43b承載在多個形成在陶瓷或金屬承載單元(carrier cell)內(nèi)表面上的平行穿透孔(penetrating hole)41c、42c和43c中。穿透孔41c、42c和43c構(gòu)成用于通過燃料的通道，且通道的表面承載催化劑材料41b、42b和43b，用于加速反應(yīng)部分35A的特定反應(yīng)。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
參照圖8，采用與前面相同的基本第二導(dǎo)管33。然而，此處，重整器30B的反應(yīng)部分35B包括第一反應(yīng)部分41B和至少兩個第三反應(yīng)部分43B。第一反應(yīng)部分41B和至少兩個第三反應(yīng)部分43B從第二導(dǎo)管33的反應(yīng)器入口33a向反應(yīng)器出口33b依次設(shè)置。兩個第三反應(yīng)部分43B的每個都用于通過氫氣和氧的優(yōu)先CO氧化反應(yīng)減少包含在從第一反應(yīng)部分41B產(chǎn)生的氫氣中的一氧化碳的濃度。
雖然在圖中示出了兩個第三反應(yīng)部分43B，但本發(fā)明不局限于此，而是可以設(shè)置更多第三反應(yīng)部分。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器的結(jié)構(gòu)的截面圖。
參照圖9，采用與前面相同的基本第二導(dǎo)管33。然而，此處，根據(jù)本實(shí)施例的重整器30C的反應(yīng)部分包括蒸發(fā)部分45、第一反應(yīng)部分41、第二反應(yīng)部分42和第三反應(yīng)部分43。蒸發(fā)部分45、第一反應(yīng)部分41、第二反應(yīng)部分42和第三反應(yīng)部分43從第二導(dǎo)管33的反應(yīng)器入口33a到反應(yīng)器出口33b依次設(shè)置。
蒸發(fā)部分45蒸發(fā)通過反應(yīng)器入口33a供應(yīng)的燃料，并向第一反應(yīng)部分41供應(yīng)燃料。蒸發(fā)部分45在約700℃或更高溫度下蒸發(fā)燃料。
根據(jù)本實(shí)施例的加熱部分37C包括對應(yīng)于蒸發(fā)部分45的第四加熱部分375，以及前面公開的分別對應(yīng)于第一、第二和第三反應(yīng)部分41、42和43的加熱部分371、372和373。由于各個加熱部分371、372、373和375包括同樣量的催化劑37a和不同量的燃料和空氣，所以各個加熱部分371、372、373和375向蒸發(fā)部分45和各個反應(yīng)部分41、42和43供應(yīng)不同量的熱能。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的重整器結(jié)構(gòu)的截面圖。
參照圖10，采用與前面所公開的相同的基本第二導(dǎo)管33。然而，此處，重整器30D的反應(yīng)部分包括蒸發(fā)部分45、第一反應(yīng)部分41和至少兩個第三反應(yīng)部分43。蒸發(fā)部分45、第一反應(yīng)部分41和至少兩個第三反應(yīng)部分43從第二導(dǎo)管33的反應(yīng)器入口33a到反應(yīng)器出口33b依次設(shè)置。
雖然描述了本發(fā)明的示范性實(shí)施例，但本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例，而是可以在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求、說明書和附圖所述的范疇內(nèi)以各種形式進(jìn)行改進(jìn)。因此，這些改進(jìn)自然屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括主反應(yīng)體，所述主反應(yīng)體包括多個反應(yīng)部分，共同從第一部分燃料產(chǎn)生氫；多個加熱部分，基于第二部分燃料的氧化向所述多個反應(yīng)部分供應(yīng)熱能，其中基于各個反應(yīng)部分的能量需求通過各個加熱部分產(chǎn)生的不同量的熱能。
2.如權(quán)利要求1所述的重整器，還包括一個或多個適于控制提供到各個加熱部分的燃料的量的控制器。
3.如權(quán)利要求2所述的重整器，其中每個加熱部分對應(yīng)于特定反應(yīng)部分。
4.如權(quán)利要求3所述的重整器，其中所述控制器包括多個到加熱部分的入口，其中所述入口具有不同截面積。
5.如權(quán)利要求4所述的重整器，其中所述多個反應(yīng)部分包括重整反應(yīng)部分和至少一個與所述重整反應(yīng)部分相繼設(shè)置的一氧化碳減少部分，且到對應(yīng)于重整反應(yīng)部分的加熱部分的入口的截面積大于到對應(yīng)于一氧化碳減少部分的加熱部分的入口的截面積。
6.如權(quán)利要求1所述的重整器，其中所述加熱部分包括分為多個加熱部分的第一反應(yīng)容器，所述反應(yīng)部分包括分為多個反應(yīng)部分的第二反應(yīng)容器，且所述第二反應(yīng)容器被包圍在第一反應(yīng)容器內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的重整器，其中所述第一反應(yīng)容器包括第一導(dǎo)管且所述第二反應(yīng)容器包括第二導(dǎo)管，其中所述第二導(dǎo)管在第一導(dǎo)管中同軸排列。
8.如權(quán)利要求7所述的重整器，還包括多個適于控制供給到所述多個加熱部分的燃料的量的控制器。
9.如權(quán)利要求8所述的重整器，其中所述控制器包括多個到所述加熱部分的入口，其中所述入口具有不同截面積。
10.如權(quán)利要求9所述的重整器，其中所述多個反應(yīng)部分包括重整反應(yīng)部分和至少一個與所述重整反應(yīng)部分相繼設(shè)置的一氧化碳減少部分，且到對應(yīng)于重整反應(yīng)部分的加熱部分的入口的截面積大于到對應(yīng)于一氧化碳減少部分的加熱部分的入口的截面積。
11.如權(quán)利要求6所述的重整器，其中所述第二反應(yīng)容器被穿孔的阻隔件分隔為多個反應(yīng)部分。
12.如權(quán)利要求6所述的重整器，其中所述第二反應(yīng)容器被阻隔壁分隔為多個反應(yīng)部分。
13.如權(quán)利要求6所述的重整器，其中所述第一反應(yīng)容器包括從包含陶瓷、不銹鋼和鋁的組中選擇的材料。
14.如權(quán)利要求6所述的重整器，其中所述第二反應(yīng)容器包括從包含不銹鋼、鋁、銅和鐵的組中選擇的材料。
15.如權(quán)利要求1所述的重整器，其中所述多個反應(yīng)部分和多個加熱部分的每一個都包括用于加速相應(yīng)反應(yīng)的催化劑。
16.一種燃料電池系統(tǒng)，包括含氫燃料源；至少一個發(fā)電體；和重整器，從一部分含氫燃料產(chǎn)生氫，其中所述重整器包括多個反應(yīng)部分，共同產(chǎn)生用于發(fā)電體的氫，和多個加熱部分，基于第二部分含氫燃料的氧化向所述多個反應(yīng)部分供應(yīng)熱能，其中基于各個反應(yīng)部分的能量需求通過各個加熱部分產(chǎn)生不同量的熱能。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括一個或多個適于控制供應(yīng)到各個加熱部分的燃料的量的控制器。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中每個加熱部分對應(yīng)于特定反應(yīng)部分。
19.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括多個到所述加熱部分的入口，其中所述入口具有不同截面積。
20.如權(quán)利要求19所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述多個反應(yīng)部分包括重整反應(yīng)部分和至少一個與所述重整反應(yīng)部分相繼設(shè)置的一氧化碳減少部分，且到對應(yīng)于重整反應(yīng)部分的加熱部分的入口的截面積大于到對應(yīng)于一氧化碳減少部分的加熱部分的入口的截面積。
21.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括多個對應(yīng)于所述多個加熱部分的燃料泵。
22.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括多個對應(yīng)于所述多個加熱部分的空氣泵。
23.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括多個對應(yīng)于所述多個加熱部分的燃料調(diào)整閥。
24.如權(quán)利要求18所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器包括多個對應(yīng)于所述多個加熱部分的空氣調(diào)整閥。
25.如權(quán)利要求16所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述加熱部分包括分為多個加熱部分的第一反應(yīng)容器，且所述反應(yīng)部分包括分為多個反應(yīng)部分的第二反應(yīng)容器，其中所述第二反應(yīng)容器包圍在所述第一反應(yīng)容器內(nèi)。
26.如權(quán)利要求25所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一反應(yīng)容器包括第一導(dǎo)管，且所述第二反應(yīng)容器包括第二導(dǎo)管，其中所述第二導(dǎo)管同軸地設(shè)置于第一導(dǎo)管內(nèi)。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括多個適于控制供應(yīng)到所述多個加熱部分的燃料的量的控制器。
全文摘要
提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于從含氫燃料產(chǎn)生氫的重整器和至少一個用于通過氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)電體。該重整器包括多個用于從含氫燃料產(chǎn)生氫的反應(yīng)部分；多個向多個反應(yīng)部分供應(yīng)熱能并具有催化劑的加熱部分；和容納多個反應(yīng)部分和多個加熱部分的主體。各個加熱部分產(chǎn)生各個反應(yīng)部分的反應(yīng)所需的不同量的熱能。
文檔編號H01M8/00GK1753225SQ200510106848
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者樸真, 金周龍, 林炫廷, 韓知成, 趙殷淑, 權(quán)鎬真 申請人:三星Sdi株式會社