專利名稱：重整器和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)，更具體地說，涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)中的重整器的絕熱結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。在燃料電池中，包含在碳?xì)浠衔镌先缂状?、乙醇和天然氣中的氧和氫之間的化學(xué)反應(yīng)的能量被直接轉(zhuǎn)換成電能。
根據(jù)燃料電池中使用的電解質(zhì)類型，可將燃料電池分為不同種類，它們包括磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、和聚合物電解質(zhì)或堿性燃料電池。盡管這些不同種類的燃料電池中的每一種都是利用相同的原理工作，但它們在所使用的燃料、催化劑和電解質(zhì)、及驅(qū)動(dòng)溫度上是不同的。
最近已開發(fā)出聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池(PEMFC)。與其它燃料電池相比，PEMFC具有極好的輸出特性、低工作溫度、快速啟動(dòng)和快速響應(yīng)特性。PEMFC可以用于車輛、家庭和建筑物中，還可用作電子裝置的電源。因此，PEMFC具有廣闊的應(yīng)用范圍。
PEMFC的基本組成部分為堆疊體、重整器、燃料罐、和燃料泵。堆疊體構(gòu)成燃料電池的主體。燃料泵將燃料罐中的燃料供給重整器。重整器重整燃料以產(chǎn)生氫氣，并將氫氣提供給堆疊體。因此，PEMFC通過燃料泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，將燃料罐中的燃料供給重整器。燃料在重整器中被重整以產(chǎn)生氫氣，氫氣和氧氣在堆疊體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。
在這種燃料電池系統(tǒng)中，重整器是一種通過化學(xué)催化反應(yīng)重整液體燃料以產(chǎn)生氫氣的裝置。重整器還可降低如一氧化碳之類的有害物質(zhì)的濃度，這些有害物質(zhì)將損壞燃料電池、縮短燃料電池的使用壽命。重整器包括產(chǎn)生氫氣的重整部分和排除包含在氫氣中的一氧化碳的排除部分。重整部分通過蒸汽重整、部分氧化、和/或自然反應(yīng)的催化反應(yīng)從液體燃料中產(chǎn)生富含氫的氣體。為了降低氫氣中所含的一氧化碳的濃度，排除部分采用如水氣轉(zhuǎn)化方法、選擇氧化方法、和/或使用分離層的提純氫的方法之類的催化反應(yīng)。
在這種燃料電池系統(tǒng)中，重整部分被分為放熱反應(yīng)部分和吸熱反應(yīng)部分，放熱反應(yīng)部分引起燃料和空氣的催化氧化反應(yīng)以產(chǎn)生熱燃燒(thermalcombustion)，吸熱反應(yīng)部分引起催化重整反應(yīng)并和放熱反應(yīng)部分的熱燃燒產(chǎn)生富含氫的氣體。吸熱反應(yīng)部分利用來自放熱反應(yīng)部分的預(yù)定的熱反應(yīng)，以促進(jìn)與液態(tài)燃料和水混合的燃料混合物的催化重整反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)換為富含氫的氣體。因此，為了提高氫氣的產(chǎn)品反應(yīng)效率，重整器需要絕熱部分，以防止重整部分中產(chǎn)生的熱能泄漏。
然而，在傳統(tǒng)的燃料電池中，絕熱部分為與重整部分表面接觸的單層構(gòu)造。由此所存在的問題是，由于通過絕熱部分的熱傳遞路徑很短，從重整部分的表面?zhèn)鬟f的熱量很多。此外，在傳統(tǒng)的燃料電池中，重整器反復(fù)工作，所以在重整部分的表面上形成滯留熱應(yīng)力(heat residence stress)并在所述表面上造成局部集中。所以，存在的另一問題是，絕熱部分和重整部分的結(jié)合性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是提供一種具有阻止反應(yīng)熱泄漏的絕熱結(jié)構(gòu)以有利于產(chǎn)生重整氣體的重整器和使用這種重整器的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的一方面是提供一種具有能均勻擴(kuò)散局部分布于彼此連接的各部分上的滯留熱應(yīng)力的絕熱結(jié)構(gòu)的重整器和使用這種重整器的燃料電池系統(tǒng)。
在本發(fā)明一實(shí)施方式中，燃料電池的重整器包括使含氫燃料轉(zhuǎn)換成富含氫的氣體的重整部分和完全覆蓋(substantially covering)所述重整部分的絕熱部分，該絕熱部分具有第一和第二絕熱層。第一和第二絕熱層彼此相對設(shè)置，并且在第一和第二絕熱層之間至少設(shè)有一隔離件(spacer)。
隔離件可以是多孔整體件(porous block)，多孔整體件內(nèi)形成有可被抽成真空的空腔。隔離件可以包括多個(gè)間隔件(plurality of spacers)，每一間隔件為一空腔型柱體，柱體具有可被抽成真空的空腔。間隔件可以是空腔型六角形柱體，柱體內(nèi)可保持真空。
每一間隔件可以彼此緊密接觸以形成蜂巢形結(jié)構(gòu)，或者被布置成之間有空間的預(yù)定圖形。
同樣，用于至少一個(gè)間隔件的阻擋部分(barrier portion)可以是多孔型或?qū)嵭男偷摹?shí)心型間隔件可以為具有圓形、方形、橢圓形、或六角形橫截面的柱體，或所述柱體都可以具有六角形橫截面。
可將各實(shí)心型柱體布置成之間具有空間的預(yù)定圖形，并且可使所述圖形構(gòu)成其中可保持真空的蜂巢形結(jié)構(gòu)。也就是說，可將多個(gè)實(shí)心型柱體布置成至少兩組，且在形成于所述至少兩組實(shí)心型柱體之間的空間內(nèi)保持真空。所述間隔件也可以是多孔型柱體。
絕熱部分的第一和第二絕熱層中至少一層完全覆蓋重整部分。
絕熱部分可以由陶瓷、不銹鋼、和/或鋁材制成。同樣，絕熱部分可以具有設(shè)置于第一和第二絕熱層中至少一層上的第三絕熱層。第三絕熱層可以由玻璃纖維材料制成。
在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，重整反應(yīng)部分包括借助燃料和空氣的催化氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)部分；和吸收從第一反應(yīng)部分產(chǎn)生的熱能以通過汽化燃料混合物的催化重整反應(yīng)生成富含氫的氣體的第二反應(yīng)部分。重整反應(yīng)部分可與至少一個(gè)一氧化碳還原部分匹配(aligned)。
依照本發(fā)明一實(shí)施方式，采用重整器的燃料電池系統(tǒng)包括用來產(chǎn)生富含氫的氣體的重整器；用來使富含氫的氣體和空氣發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生電能的堆疊體；用來為重整器提供燃料的燃料供給部分；和用來向重整器和堆疊體提供空氣的空氣供給部分。重整器包括將包含氫的燃料轉(zhuǎn)化成富含氫的氣體的重整部分和完全覆蓋重整部分的絕熱部分。絕熱部分具有彼此相對設(shè)置的第一和第二絕熱層，并且在第一和第二絕熱層之間設(shè)有至少一個(gè)間隔件。
所述燃料電池系統(tǒng)可以是聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的實(shí)施方式，在使用所述重整器的燃料電池系統(tǒng)中，間隔件可以是多孔型整體件，其中形成于多孔型整體件中的空腔被抽成真空，并且每一間隔件都是空腔型柱體。優(yōu)選這些柱體具有可抽真空的空腔，更優(yōu)選的是，這些間隔件是空腔型六角柱體，柱體內(nèi)可保持真空。


圖1是本發(fā)明示例性實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1所示的重整器的橫截面圖；圖3是圖1所示的堆疊體的分解透視圖；圖4A、4B、4C、4D、4E、和4F是間隔件的實(shí)施方式的透視圖；圖5為圖1所示的絕熱部分的局部剖視圖；圖6、7和8是絕熱部分幾種可供選擇的實(shí)施方式的局部剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照圖1，在本發(fā)明此示例性實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)100采用聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池(PEMFC)方法，在這種方法中，通過重整器20產(chǎn)生氫氣并將氫氣提供給堆疊體10，以便通過氧和氫之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
具體而言，燃料電池系統(tǒng)100包括用來重整含氫燃料以生成富含氫的氣體的重整器20；將氫氣和空氣中的氧氣的化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化為電能從而發(fā)電的堆疊體10；向重整器20提供燃料的燃料供給組件30；和向堆疊體10和重整器20提供空氣的氧氣供給組件40。
在本實(shí)施方式的上下文中，用于發(fā)電的燃料可以是含氫的燃料，如甲醇、乙醇、和/或天然氣。另外，燃料可以是液態(tài)形式，也許還混合有水。
再者，在燃料電池系統(tǒng)100中，用來與燃料中含有的氫進(jìn)行反應(yīng)的氧氣可以是儲(chǔ)存在單獨(dú)的儲(chǔ)存容器中的純氧，或者簡單地僅為空氣中的氧氣。在以下的實(shí)施方式中，使用空氣中的氧氣。
燃料供給組件30包括用來儲(chǔ)存液體燃料的第一貯存罐31、用來儲(chǔ)存水的第二貯存罐32、和連接第一貯存罐31和第二貯存罐32的燃料泵33。氧氣供給組件40包括用來獲取空氣的空氣泵41。
圖2是圖1所示的重整器的橫截面圖。
參照圖1和圖2，在燃料電池系統(tǒng)100中，重整器20包括用來從液態(tài)燃料中產(chǎn)生富含氫的氣體的重整反應(yīng)部分21。在重整反應(yīng)部分21的外表面設(shè)有(或與其連接或其被包圍)絕熱部分60，它用于阻止其內(nèi)部所產(chǎn)生的熱能在其外表面上向外輻射。
重整反應(yīng)部分21包括通過燃燒燃料混合物產(chǎn)生具有預(yù)定溫度的反應(yīng)熱量的第一反應(yīng)部分22，和吸收第一反應(yīng)部分22所產(chǎn)生的反應(yīng)熱量、以從燃料混合物中產(chǎn)生富含氫的氣體的第二反應(yīng)部分23。第一反應(yīng)部分22是放熱反應(yīng)部分，它可以形成制備重整氣體所需的熱源，而且可導(dǎo)致燃料混合物進(jìn)行催化氧化反應(yīng)。
第一反應(yīng)部分22可以是帶有可使燃料混合物和空氣流動(dòng)的流道(未示出)的板式結(jié)構(gòu)。流道上有氧化催化劑層(未示出)，以加快燃料混合物的催化氧化反應(yīng)。同樣，第一反應(yīng)部分22可以分別通過第一輸送管51與燃料供給部分30的第一貯存罐31相連、以及通過第二輸送管52與空氣供給部分40相連。另外，第一反應(yīng)部分22可以與排放管59相連，從而通過催化氧化反應(yīng)使燃燒氣體燃燒，殘留的未反應(yīng)的燃料混合物和殘留空氣將排出重整器20。
第二反應(yīng)部分23起吸收由第一反應(yīng)部分22產(chǎn)生的熱能、使燃料混合物汽化的作用。另外，第二反應(yīng)部分23的作用是通過蒸汽重整(SR)催化反應(yīng)從汽化的燃料混合物中產(chǎn)生富含氫的氣體。
第二反應(yīng)部分23可以是帶有可使燃料混合物流動(dòng)的流道(未示出)的板式結(jié)構(gòu)，其具有順序堆疊在第一反應(yīng)部分22的一側(cè)的堆疊體結(jié)構(gòu)。流道上具有催化劑層(未示出)，以加快燃料混合物的催化重整反應(yīng)。這里，第二反應(yīng)部分23可以與燃料供給部分30的第一和第二貯存罐31和32連接。
當(dāng)然，本發(fā)明的實(shí)施方式不只局限于上面所述的板式結(jié)構(gòu)，還可以為圓柱形結(jié)構(gòu)或圓柱形器皿。也就是說，第一反應(yīng)部分22可以在圓柱形反應(yīng)器的內(nèi)部處設(shè)有氧化催化劑層，同時(shí)，第二反應(yīng)部分23可以在該圓柱形反應(yīng)器的外部處設(shè)有催化劑層。此外，第一反應(yīng)部分22與第二反應(yīng)部分23匹配，并且第一反應(yīng)部分22可以具有設(shè)置在其外表面或內(nèi)表面上的第二反應(yīng)部分23。
在圖1和圖2的實(shí)施方式中，重整器20在堆疊體10和重整反應(yīng)部分21之間至少設(shè)置一個(gè)一氧化碳還原部分24。一氧化碳還原部分24具有第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器(未示出)，第一反應(yīng)器通過蒸汽重整(SR)催化反應(yīng)初次還原包含在氫氣中的一氧化碳，第二反應(yīng)器用于再次還原包含在氫氣中的一氧化碳。通過選擇的一氧化碳氧化(PROX)催化反應(yīng)(preferentialCO oxidation catalytic reaction)第二反應(yīng)器可降低氫氣中含有的一氧化碳濃度。第一和第二反應(yīng)器可通過預(yù)定的流路彼此連接。
更詳細(xì)地說，一氧化碳還原部分24可被構(gòu)建成包括連接重整反應(yīng)部分21的圓柱形反應(yīng)器25和蒸汽重整(SR)催化層和/或選擇的一氧化碳氧化(PROX)催化層(未示出)。反應(yīng)器25設(shè)有用于使從重整反應(yīng)部分21排出的重整氣體流入的入口25a和將含有降低了一氧化碳濃度的重整氣體供給堆疊體10的出口25b。反應(yīng)器25的入口25a可以通過第四管路54與重整反應(yīng)部分21的第二反應(yīng)部分相連。反應(yīng)器25的出口25b可通過第五管路55與堆疊體10相連。
參照圖1和圖3，堆疊體10包括至少一個(gè)發(fā)電器件(generator)11，其通過使由重整器20重整的富含氫的氣體與空氣中的氧之間的氧化/還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。更詳細(xì)地說，每一發(fā)電器件11通過在兩個(gè)隔離板(separator)16之間放入一薄膜電極組件(MEA)12構(gòu)成用來發(fā)電的最小電池單元。多個(gè)這樣的電池單元結(jié)合在一起形成具有疊層結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式的堆疊體10。壓板13、13’被相對地安裝在多個(gè)發(fā)電器件11的最外層。但是，在本發(fā)明中，若構(gòu)造中不包括壓板13、13’，位于相對的最外層的隔離板16可以用來代替壓板13、13’。若使用壓板13、13’，它們除具有將多個(gè)發(fā)電器件11擠壓在一起的功能之外，還有一個(gè)功能，即如下面所述，壓板13、13’可作為有特殊功能的隔離板16。
在每一MEAs 12的相對表面上設(shè)有陽極和陰極，電解質(zhì)層位于陽極和陰極之間。陽極實(shí)現(xiàn)氫氣的氧化反應(yīng)并朝外吸引轉(zhuǎn)換電子，從而通過電子的流動(dòng)產(chǎn)生電流，借助電解質(zhì)層將氫離子移至陰極。陰極通過轉(zhuǎn)換反應(yīng)將氫離子、電子和氧轉(zhuǎn)化成水。此外，電解質(zhì)層將陽極產(chǎn)生的氫離子移至陰極。
每一隔離板16用作一通道，通過該通道可將進(jìn)行MEAs 12的氧化/還原反應(yīng)所需的氫氣和空氣提供給陽極和陰極。每一隔離板16還用作將相應(yīng)的陽極和陰極串聯(lián)起來的導(dǎo)體。更詳細(xì)地說，每一隔離板16提供一流道17，在與相應(yīng)的MEAs 12的陽極緊密接觸的表面上形成向陽極供應(yīng)氫氣的通道，而在與相應(yīng)的MEAs 12的陰極緊密接觸的表面上形成向陰極供應(yīng)空氣的通道。
壓板(或輸入壓板)13包括用于向相應(yīng)隔離板16的氫氣通道提供氫氣的第一入口13a，和用于向相應(yīng)隔離板16的空氣通道提供空氣的第二入口13b。壓板(或輸出壓板)13’包括用于排出相應(yīng)MEAs 12的陽極內(nèi)反應(yīng)后殘留的氫氣的第一出口13c，和用于排出相應(yīng)MEAs 12的陰極中的氫氧化合反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣與水的反應(yīng)后殘留的空氣的第二出口13d。
現(xiàn)在結(jié)合圖2、4A、4B、4C、4D、4E、4F、5、6、7和8更詳細(xì)地說明本發(fā)明示例性實(shí)施方式的重整器20的絕熱結(jié)構(gòu)。
參照圖2、4A、4B、4C、4D、4E和4F，絕熱部分60包括包圍重整反應(yīng)部分21的第一絕熱層61、與第一絕熱層61對置(或隔開)的第二絕熱層62、及設(shè)置在61、62兩層之間的間隔中的至少一間隔件64。
明確地說，第一絕熱層61被布置成完全包圍重整反應(yīng)部分21的整個(gè)外表面以覆蓋第一和第二反應(yīng)部分22、23。間隔件64垂直于第一絕熱層61的平面，以使第二絕熱層62和第一絕熱層61保持預(yù)定距離。
間隔件64可以是實(shí)心球狀間隔件，和/或如圖4A至4F所示具有圓形、橢圓形、三角形、方形、和/或六角形的橫截面的柱體(pillar)。在一實(shí)施方式中，間隔件64可由多孔材料制成，和/或間隔件64內(nèi)可以具有空腔。在一實(shí)施方式中，間隔件64可以是具有如圖4A所示的六角形橫截面柱體的空腔型間隔件。
下文參照圖5詳細(xì)描述一示例性實(shí)施方式的絕熱部分60，參照圖6至圖8詳細(xì)描述可代替用在燃料電池系統(tǒng)100中的絕熱部分60的本發(fā)明的可供選擇的一些實(shí)施方式。當(dāng)然，本發(fā)明不局限于圖5至圖8所示的實(shí)施方式。
參照圖5，絕熱部分60具有按規(guī)則圖形排列的間隔件64。間隔件64是具有六角形橫截面的柱體的空腔型間隔件，所述柱體彼此接觸。因此，間隔件64具有形成于其中的封閉室65，封閉室65被成串排列成蜂巢形結(jié)構(gòu)。封閉室65的頂端和底端分別被第一和第二絕熱層61、62封閉，間隔件64的內(nèi)部空間66可維持真空。
反之，如果間隔件64是實(shí)心型間隔件，那么應(yīng)將間隔件64安排成彼此不連續(xù)接觸而應(yīng)分開。這是因?yàn)樵陂g隔件64之間應(yīng)該具有可被抽成真空的空間，以提高絕熱性能。因此，實(shí)心型間隔件64的布置應(yīng)不像圖5所示的那樣。
參照圖6，絕熱部分70具有間隔件64。這些間隔件64組成的組彼此分開和/或按預(yù)定圖形排列。封閉室65的頂端和底端分別被第一和第二絕熱層61、62封閉，按預(yù)定圖形排列的間隔件64的內(nèi)部空間66和間隔件64組之間的空間可維持真空。
圖6中，間隔件64可由多孔材料制成。反之，如果間隔件64是實(shí)心型間隔件，間隔件64可以作為封閉室65的阻擋壁。因此，間隔件64各組之間的空間和/或間隔件64的內(nèi)部空間66可以保持真空。另外，還可為絕熱部分70設(shè)置第三絕熱層63，以將熱泄漏進(jìn)一步減至最小。
明確地說，參照圖5，如果間隔件64被布置成蜂巢形結(jié)構(gòu)，與封閉室65接觸的第一和第二絕熱層61、62的區(qū)域最小。此外，可使各間隔件64的內(nèi)部空間66保持真空，于是，內(nèi)部空間66之間的真空可使第一和第二絕熱層61、62之間的傳熱量最少。最后，由于間隔件64具有圖5和圖6所示的上述結(jié)構(gòu)，可使施加于第一和第二絕熱層61、62上的壓力均衡，并使施加于第一和第二絕熱層61、62上的外力均勻分散。
在圖5和圖6的實(shí)施方式中，絕熱部分60、70首先通過第一絕熱層61、其次通過間隔件64各組之間的間隔、間隔件64的內(nèi)部空間66、和/或第二絕熱層62隔離重整反應(yīng)部分21產(chǎn)生的熱量。因而，通過第二絕熱層62向外輻射的傳熱量最少。也就是說，由于絕熱部分60、70具有蜂巢形結(jié)構(gòu)的間隔件64、封閉室65、間隔件64各組之間的真空間隔、和/或第一和第二絕熱層61、62之間的維持真空的內(nèi)部空間66，傳熱通道可被進(jìn)一步延伸。因此，重整反應(yīng)部分21能夠有效地防止反應(yīng)熱外泄，從而可提高總體熱效率和重整器20的反應(yīng)效率。
此外，在本實(shí)施方式中，間隔件64將壓力均衡地分布到絕熱層61，因此即使重整器20反復(fù)運(yùn)行，在重整反應(yīng)部分的表面可均衡地分布滯留的熱應(yīng)力。因此，本發(fā)明可以解決絕熱部分60、70和重整反應(yīng)部分21不良結(jié)合的問題。
絕熱部分60、70可以包括用于覆蓋重整部分21的整個(gè)外表面的至少兩層61、62。也就是說，絕熱部分60有如下結(jié)構(gòu)，即上述多個(gè)絕熱層61、62可以被安排成與重整反應(yīng)部分21的輪廓相適應(yīng)。例如，在重整反應(yīng)部分21是六面體的情況下，可將絕熱層61、62形成為六角形板狀以覆蓋上述結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)，可改變絕熱層61、62使之與重整反應(yīng)部分21的輪廓相適應(yīng)。在絕熱部分60、70是由金屬材料制成的情況下，可通過將各絕熱層61、62的接合部分焊接在一起的方法使它們彼此固定。反之，若絕熱部分60、70由非金屬材料制成，可借助于粘合劑將各絕熱層61、62的接合部分粘接在一起的方法使它們彼此固定。
參照圖7，將絕熱部分70’構(gòu)成為使第三絕熱層位于第一和第二絕熱層61、62中的任一層上。例如，如圖7所示，第三絕熱層63位于第二絕熱層62上。第三絕熱層63可進(jìn)一步防止重整反應(yīng)部分21的熱能通過第二絕熱層62輻射，因此第三絕熱層63具有提高絕熱部分70’的絕熱性能的作用。第三絕熱層63可由玻璃纖維和/或其它合適的絕熱材料制成。本發(fā)明不局限于圖7所示的結(jié)構(gòu)，第三絕熱層63也可位于第一絕熱層61上，還可位于61、62兩層之上。
于是，圖6、7所示絕熱部分70、70’首先通過第一絕熱層61、其次通過在間隔件64各組之中的間隔、間隔件64的內(nèi)部空間66、和/或第二絕熱層62、再通過第三絕熱層63來隔離重整反應(yīng)部分21所產(chǎn)生的熱量。因此，絕熱部分70、70’可以使得熱量泄漏最少。也就是說，借助于第三絕熱層63可隔絕從第一絕熱層61向第二絕熱層62傳遞的熱能，從而可進(jìn)一步提高絕熱性能。
現(xiàn)在參照圖8，絕熱部分60’包括具有多孔板型的間隔件64’，它被設(shè)置于第一和第二絕熱層61、62之間。板型間隔件64’具有由兩絕熱層61、62的平面所確定的區(qū)域。另外，板型間隔件64’在它的上下表面上有至少兩個(gè)凹進(jìn)的可被抽成真空的半球體66a，以減少隔離件與兩絕熱層61、62的接觸面積。第一和第二絕熱層61和62充分接觸間隔件64’。
現(xiàn)在再重新參照圖1和圖2，所示出的絕熱部分60具有第一和第二連通孔67a、67b。第一和第二連通孔67a、67b與第一和第二輸送管51、52連通，因此第一貯存罐31可與第一反應(yīng)部分22連接，同時(shí)第一反應(yīng)部分22與空氣泵41連接。同樣，絕熱部分60具有第三和第四連通孔67c、67d。第三和第四連通孔67c、67d與第三和第四輸送管53、54連通，因此第一和第二貯存罐31、32可以與第二反應(yīng)部分23連接，同時(shí)第二反應(yīng)部分23與一氧化碳還原部分24連接。最后，絕熱部分60具有第五連通孔67e以通過排放管59與第一反應(yīng)部分22相連。
下面將描述具有以上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明示例性實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行。
首先，使燃料泵33運(yùn)轉(zhuǎn)，因此儲(chǔ)存在第一貯存罐31中的液體燃料通過第一輸送管51被輸送到第一反應(yīng)部分22。與此同時(shí)，使空氣泵41運(yùn)轉(zhuǎn)，而空氣通過第二輸送管52提供給第一反應(yīng)部分22。
液體燃料和空氣在第一反應(yīng)部分22中進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，發(fā)生熱反應(yīng)。然后，廢氣、未反應(yīng)的空氣和在第一反應(yīng)器22中生成的燃料通過排放管59被排除到重整器20之外。
接下來，燃料泵33運(yùn)轉(zhuǎn)，將儲(chǔ)存在第一貯存罐31的液體燃料和儲(chǔ)存在第二貯存罐32的水通過第三輸送管53提供給第二反應(yīng)部分23。第二反應(yīng)部分23接受第一反應(yīng)部分22中產(chǎn)生的熱量而被加熱到預(yù)定溫度。第二反應(yīng)部分23在進(jìn)行SR催化反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行混和燃料(液態(tài)氫和水)的分解反應(yīng)以及一氧化碳重整反應(yīng)產(chǎn)生包括二氧化碳和氫氣的重整氣體。而且由于第二反應(yīng)部分23不能將一氧化碳全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳，因此，所生成的重整氣體中含有非常少量的一氧化碳。
當(dāng)燃料電池系統(tǒng)用以上模式運(yùn)行時(shí)，絕熱部分60(或者70、60’、70’)可防止重整反應(yīng)部分21的熱反應(yīng)輻射到其外部。
接下來，將在第一反應(yīng)部分22中生成的重整氣體通過第四輸送管54送入一氧化碳還原部分24的反應(yīng)器25。而且，仍可使燃料泵33運(yùn)轉(zhuǎn)，以將重整氣體送入反應(yīng)器25。反應(yīng)器25通過水氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)(WGS)催化反應(yīng)(Water-Gas Shift Reaction catalytic reaction)或選擇的一氧化碳氧化(PROX)催化反應(yīng)使重整氣中含有的一氧化碳濃度降低。
接著，將降低了一氧化物濃度的重整氣體通過第五輸送管55提供至堆疊體10的第一入口13a。然后，仍可使燃料泵33運(yùn)行，以將重整氣體送入堆疊體10的第一入口13a。同時(shí)，使空氣泵41運(yùn)行，以將空氣送至堆疊體10的第二入口13b。
因此，氫氣通過隔離板16的氣體通道被提供給MEAs 12的陽極。此外，空氣也通過隔離板16的氣體通道被提供給MEAs 12的陰極。于是，通過在陽極處的氧化反應(yīng)將氫氣分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。此外，質(zhì)子通過電解質(zhì)層移動(dòng)到陰極，由于電子不能通過電解質(zhì)層，所以它們通過隔離板16移動(dòng)到MEAs 12的相鄰的陰極。在此過程中電子流動(dòng)產(chǎn)生電流。另外，在移動(dòng)的質(zhì)子、電子和氫的還原反應(yīng)中附加地生成水和產(chǎn)生熱量。
一般來說，如前所述，由于重整部分向外的傳熱量減少，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高絕熱性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體熱效率以及重整器的反應(yīng)效率再者，由于重整器和絕熱部分之間的結(jié)合性能增強(qiáng)，本燃料電池系統(tǒng)還能有效地提高絕熱性能。
盡管已結(jié)合特定的示例性實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于所公開的實(shí)施方式，相反，本發(fā)明將涵蓋包括在所附的權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍及其等同物之內(nèi)的各種變型。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括用來使含氫燃料轉(zhuǎn)換成富含氫的氣體的重整部分；和完全覆蓋所述重整部分的絕熱部分，該絕熱部分具有第一和第二絕熱層，其中，所述第一和第二絕熱層彼此相對設(shè)置；并且在所述第一和第二絕熱層之間至少設(shè)有一隔離件。
2.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括具有內(nèi)部被抽成真空的空腔的多孔整體件。
3.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件包括一空腔型柱體，該空腔型柱體具有被抽成真空的空腔。
4.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括空腔型六角柱體；所述空腔型六角柱體內(nèi)部保持真空。
5.如權(quán)利要求4所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件彼此接觸以形成蜂巢形結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求4所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件被布置成之間具有空間的預(yù)定圖形。
7.如權(quán)利要求4所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件具有多孔阻擋壁。
8.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件是實(shí)心型柱體。
9.如權(quán)利要求8所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件包括具有圓形、方形、橢圓形、或六角形橫截面的柱體。
10.如權(quán)利要求9所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述柱體具有六角形的橫截面。
11.如權(quán)利要求8所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述實(shí)心型柱體被布置成之間具有空間的預(yù)定圖形。
12.如權(quán)利要求8所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述多個(gè)間隔件被形成為內(nèi)部保持真空的蜂巢形圖形。
13.如權(quán)利要求12所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述實(shí)心型間隔件被安排為至少兩組；所述實(shí)心型間隔件的至少兩組之間的空間中保持真空。
14.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件包括多孔柱體。
15.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述絕熱部分的所述第一和第二絕熱層中的至少一層完全覆蓋所述重整部分。
16.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述絕熱部分由陶瓷、不銹鋼、和/或鋁材制成。
17.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述絕熱部分具有被設(shè)置在所述第一和第二絕熱層的至少一層上的第三絕熱層。
18.如權(quán)利要求17所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述第三絕熱層由玻璃纖維材料制成。
19.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，所述重整部分包括借助燃料和空氣的催化氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)部分；和吸收由所述第一反應(yīng)部分產(chǎn)生的熱能，通過汽化燃料混合物的催化重整反應(yīng)生成富含氫的氣體的第二反應(yīng)部分。
20.如權(quán)利要求1所述的用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其中，還包括至少一個(gè)一氧化碳還原部分，所述重整部分與所述至少一個(gè)一氧化碳還原部分匹配。
21.一種燃料電池系統(tǒng)，包括生產(chǎn)富含氫的氣體的重整器；使富含氫的氣體和空氣反應(yīng)以產(chǎn)生電能的堆疊體；向所述重整器提供燃料的燃料供給部分；和向所述重整器和堆疊體提供空氣的空氣供給部分，所述重整器包括用來使含氫燃料轉(zhuǎn)換成富含氫的氣體的重整部分和完全覆蓋所述重整部分的絕熱部分，其中，所述絕熱部分包括第一和第二絕熱層；所述第一和第二絕熱層彼此相對設(shè)置；及在所述第一和第二絕熱層之間至少設(shè)置一隔離件。
22.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件包括多個(gè)多孔整體件；在所述多個(gè)多孔整體件中形成多個(gè)空腔；所述多個(gè)空腔被抽成真空。
23.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件中的每一間隔件包括空腔型柱體；所述柱體具有被抽成真空的空腔。
24.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述至少一隔離件包括多個(gè)間隔件；所述多個(gè)間隔件包括多個(gè)空腔型六角柱體；所述多個(gè)空腔型六角柱體內(nèi)部保持真空。
25.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)是聚合物電解質(zhì)薄膜燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器和使用該重整器的燃料電池系統(tǒng)，該重整器包括用來使含氫燃料轉(zhuǎn)換成富含氫的氣體的重整部分和完全覆蓋所述重整部分的絕熱部分，絕熱部分包括彼此相對設(shè)置的第一和第二絕熱層及位于第一和第二絕熱層之間的至少一隔離件。據(jù)此，本燃料電池系統(tǒng)可提高用于產(chǎn)生重整氣體的熱反應(yīng)的絕熱性能并可使滯留熱應(yīng)力均勻地分布在重整器的所述表面上。
文檔編號(hào)C01B3/38GK1744365SQ200510069799
公開日2006年3月8日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者李東勛 申請人:三星Sdi株式會(huì)社