專(zhuān)利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其重整器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種燃料電池系統(tǒng)，尤其地涉及一種燃料電池系統(tǒng)的重整器。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過(guò)氧氣和包含在羥族材料，例如甲醇、乙醇和天然氣中的氫的電化學(xué)產(chǎn)生電能的用于產(chǎn)生電力的系統(tǒng)。
近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC具有良好的輸出特性、低工作溫度和快速啟動(dòng)和響應(yīng)特性。PEMFC可以作為交通工具、家庭和建筑物、以及電子設(shè)備的電源。因此，PEMFC用途廣泛。
PEMFC由疊層、重整器、燃料箱和燃料泵組成。疊層形成多個(gè)燃料電池單元的集合體。燃料泵將燃料箱中的燃料提供給重整器。重整器重整燃料生成氫氣，并將氫氣提供給疊層。
重整器通過(guò)熱能引起的化學(xué)催化反應(yīng)將燃料生成氫氣。重整器具有產(chǎn)生熱量的熱源組件、用于吸收熱能并從燃料中產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)器以及執(zhí)行降低包含在氫氣中的一氧化碳濃度的一氧化碳降低組件。
然而，在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器中，熱源組件、重整反應(yīng)器、和一氧化碳降低組件以容器的形式形成，且通過(guò)管道互連。因此，不直接執(zhí)行反應(yīng)器之間的熱交換導(dǎo)致效率低的熱交換。
更進(jìn)一步，由于反應(yīng)器在空間上是相互分離的，所以整個(gè)的燃料電池系統(tǒng)不能作得緊湊，以及由于管道的連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的總體性能。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種重整器和具有該重整器的燃料電池，該重整器可以用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)提高整個(gè)系統(tǒng)性能和效率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，燃料電池系統(tǒng)的所述重整器包括多個(gè)分別具有通道且被堆疊的反應(yīng)器。
反應(yīng)器的通道可以部分形成于一個(gè)路徑。
反應(yīng)器可以用熱導(dǎo)體形成。
反應(yīng)器可以以平板形式形成。
反應(yīng)器包括第一反應(yīng)器，通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器，通過(guò)第一反應(yīng)器產(chǎn)生的熱來(lái)汽化燃料；第三反應(yīng)器，通過(guò)重整催化第二反應(yīng)器汽化的燃料產(chǎn)生氫氣；第四反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)初步降低包含在氫氣中的一氧化碳濃度；和第五反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)二次降低包含在氫氣中的一氧化碳濃度。
第一反應(yīng)器設(shè)置在中央，第三和第四反應(yīng)器堆疊在第一反應(yīng)器的上面，第二和第五反應(yīng)器堆疊在第一反應(yīng)器的下面。
重整器還包括和第四反應(yīng)器組合的蓋。
第一反應(yīng)器包括第一主體；第一通道，形成于第一主體的上表面且具有始端和終端；入口，形成于第一通道始端；出口，形成于第一通道終端；和第一和第二通道口，形成于出口區(qū)域。
第二反應(yīng)器包括第二主體；形成于第二主體的上表面且具有始端和終端的第二通道；形成于第二通道始端的入口；和第一通道口連通的第三通道口；和形成于第二通道終端和第二通道口連通的第一凹槽。
第三反應(yīng)器包括第三主體；第三通道，形成于第三主體上表面且具有始端和終端；第四通道口，形成于第三通道始端和第二通道口連通；第二凹槽，形成于第三通道終端；以及第四通道口，和第一通道口連通。
第四反應(yīng)器包括第四主體；第四通道，形成于第四主體上表面且具有始端和終端；第七通道口，形成于第四通道始端和第四通道口連通；和第六通道口，形成于第四通道終端且和第二凹槽連通。
第五反應(yīng)器包括第五主體；第五通道，形成于第五主體的上表面且具有始端和終端；入口，形成于第五通道始端；和出口，形成于第五通道終端。
反應(yīng)器包括熱能發(fā)生器，通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；和氫氣發(fā)生器，通過(guò)分別吸收熱能發(fā)生器的燃料和吸收熱能發(fā)生器產(chǎn)生的熱來(lái)產(chǎn)生氫氣。
另一方面，燃料電池系統(tǒng)包括疊層，通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能；重整器，通過(guò)熱能的化學(xué)催化反應(yīng)從燃料中產(chǎn)生氫氣；燃料供應(yīng)組件，給重整器供應(yīng)燃料；和空氣供應(yīng)組件，給重整器和疊層供應(yīng)空氣，其中重整器包括具有通道并被堆疊的多個(gè)反應(yīng)器。


圖1是本發(fā)明第一典型實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
圖2是圖1中的疊層的分解透視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一典型實(shí)施例的重整器的分解透視圖。
圖4是圖3的中重整器的組合透視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二典型實(shí)施例的重整器的分解透視圖。
圖6和7是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的示出其變化的分解示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施例，其中的例子在附圖中說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
參照?qǐng)D1所示第一典型實(shí)施例，在燃料電池系統(tǒng)100中采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)方法，通過(guò)重整包含氫的燃料產(chǎn)生氫氣和通過(guò)氫氣和氧化性氣體的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
在燃料電池系統(tǒng)100中，產(chǎn)生電能的燃料包含氫氣的液體或氣體燃料例如甲醇、乙醇或天然氣。在下述典型實(shí)施例中，采用的燃料是液體形式的，以及混合燃料可以理解為液體燃料和水的混合。
更進(jìn)一步，在燃料電池系統(tǒng)100中，和氫氣反應(yīng)的氧化性氣體可以是儲(chǔ)存在單獨(dú)儲(chǔ)存箱中的氧氣，或者也可以僅僅是包含氧氣的空氣。在下面的典型實(shí)施例中采用包含氧氣的空氣。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100包括通過(guò)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的疊層10、從燃料中產(chǎn)生氫氣并提供給疊層10的重整器30、給重整器30供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)組件50、以及分別給重整器30和疊層10供應(yīng)空氣的氧氣供應(yīng)組件70。
圖2是圖1中的疊層的分解透視圖，本發(fā)明的疊層具有通過(guò)連續(xù)安裝多個(gè)發(fā)電機(jī)11聚集形成的發(fā)電機(jī)。
發(fā)電機(jī)11通過(guò)在中央的膜電極組件(MEA)12和在其兩側(cè)的隔板16(也認(rèn)為是雙極板)形成一個(gè)燃料電池單元。
膜電極組件12具有進(jìn)行氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)的預(yù)定區(qū)域的活性區(qū)域17，且它具有在一個(gè)表面上的陽(yáng)極、在另一個(gè)表面上的陰極和插入在兩電極之間的電解質(zhì)層。
陽(yáng)極實(shí)現(xiàn)氫氣的氧化反應(yīng)以將氫氣轉(zhuǎn)換為氫離子(質(zhì)子)和電子。陰極實(shí)現(xiàn)用特定溫度使氫離子和氧氣產(chǎn)生水和熱的還原反應(yīng)。電解質(zhì)層將陽(yáng)極產(chǎn)生的氫離子遷移到陰極以交換離子。
隔板16作為將氫氣和氧氣提供給MEA 12兩側(cè)的供應(yīng)器，而且還起到串聯(lián)連接陽(yáng)極和陰極的導(dǎo)體的作用。
另外，單獨(dú)的壓合板13、13’可以安裝于疊層10的最外層以將多個(gè)發(fā)電機(jī)11壓在一起，使其之間更緊密接觸。然而，在本發(fā)明的典型實(shí)施例中疊層10中，可使得用設(shè)置于發(fā)電機(jī)11最外層的隔板16代替壓合板13、13’，在這種情況下壓合板不包括在結(jié)構(gòu)中。當(dāng)采用壓合板13、13’時(shí)，它們除了具有將多個(gè)發(fā)電機(jī)11緊壓在一起的功能還具有上述隔板16的功能，如圖2中的典型實(shí)施例所示。
壓合板13、13’中之一的壓合板13包括第一注入構(gòu)件13a，用于將氫氣提供給發(fā)電機(jī)11；和第二注入構(gòu)件13b，用于將空氣提供給發(fā)電機(jī)11。另一個(gè)壓合板13’包括第一排出構(gòu)件13c，用于將在發(fā)電機(jī)11中反應(yīng)后殘余的氫氣排出；和第二排出構(gòu)件13d，用于將在發(fā)電機(jī)11中氫氣和氧氣化合反應(yīng)產(chǎn)生的水，以及和氫氣反應(yīng)后殘余的空氣排出。第二注入構(gòu)件13b可以通過(guò)第六供應(yīng)管86連接到和空氣供應(yīng)組件70。
在這一實(shí)施例中，重整器30將含氫的燃料由熱能通過(guò)化學(xué)催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，并降低氫氣中一氧化碳的濃度。參照?qǐng)D3和圖4將在后面進(jìn)一步描述重整器30的結(jié)構(gòu)。
再次參照?qǐng)D1，用于給重整器30提供燃料的燃料供應(yīng)組件50包括儲(chǔ)存液體燃料的第一箱51、儲(chǔ)存水的第二箱53、以及燃料泵55，與第一箱51和第二箱53相連，用于分別排出第一箱51和第二箱53中的液體燃料和水。
空氣供應(yīng)組件70包括用預(yù)定泵吸力實(shí)現(xiàn)空氣的吸入和分別給發(fā)電機(jī)11的疊層10和重整器30提供空氣的空氣泵71。在這一實(shí)施例中，如圖所示，空氣供應(yīng)組件70具有一個(gè)結(jié)構(gòu)，使得通過(guò)一個(gè)空氣泵71將空氣供應(yīng)給疊層10和重整器30，但不限于此。例如，可以提供一對(duì)空氣泵來(lái)分別和疊層10和重整器30連接。
當(dāng)本發(fā)明的系統(tǒng)100將重整器30產(chǎn)生的氫氣提供給疊層10、并通過(guò)泵71將空氣提供給疊層10時(shí)，疊層10通過(guò)氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生預(yù)定量的電能、水和熱。
可以通過(guò)單獨(dú)提供的微型計(jì)算機(jī)型的普通控制單元(未示出)控制燃料電池系統(tǒng)100的驅(qū)動(dòng)，例如，燃料供應(yīng)組件50、空氣供應(yīng)組件70等等的運(yùn)行。
重整器30的結(jié)構(gòu)將在下面詳細(xì)描述。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的重整器的分解透視圖。圖4是圖3中重整器的組合透視圖。
參照附圖，在該典型實(shí)施例中，重整器30包括多個(gè)堆疊的反應(yīng)器31、32、33、34、35，其通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，將混合燃料由熱能通過(guò)多種催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，并降低氫氣中的一氧化碳濃度。
更詳細(xì)地，重整器30包括第一反應(yīng)器31，用于產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器32，通過(guò)熱能汽化混和燃料；第三反應(yīng)器33，通過(guò)蒸汽重整(SR)催化反應(yīng)從汽化的混和燃料產(chǎn)生氫氣；第四反應(yīng)器34，通過(guò)氫氣的水汽轉(zhuǎn)換(WGS)催化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)初步降低包含在氫氣中的一氧化碳濃度；以及第五反應(yīng)器35，通過(guò)氫氣和空氣的CO優(yōu)先氧化(PROX)催化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)二次降低氫氣中的一氧化碳濃度。
在該典型實(shí)施例中，構(gòu)成重整器30使得第一反應(yīng)器31設(shè)置于中央，第三反應(yīng)器33和第四反應(yīng)器34依次堆疊于第一反應(yīng)器31的上面，第二反應(yīng)器32和第五反應(yīng)器35依次堆疊于第一反應(yīng)器31的下面。每個(gè)反應(yīng)器具有允許燃料、空氣、氫氣等流動(dòng)的通道和用于彼此連接每個(gè)通道的機(jī)構(gòu)。下面結(jié)合出每個(gè)反應(yīng)器的具體解釋。
另外，蓋36可以設(shè)置于遠(yuǎn)離重整器30的第四反應(yīng)器34的一側(cè)。第一到第五反應(yīng)器31、32、33、34、35可以是具有預(yù)定長(zhǎng)度和寬度的四邊形板的形狀，且可以由具有熱導(dǎo)性的金屬構(gòu)成，例如鋁、銅和鋼。
第一反應(yīng)器31是加熱元件，其產(chǎn)生重整燃料所需的熱能和預(yù)熱整個(gè)重整器30。第一反應(yīng)器31通過(guò)氧化催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的燃燒。
第一反應(yīng)器31包括四邊形板的形狀的第一主體31p。第一流動(dòng)通道31a形成于第一主體31p以能夠使燃料和空氣流動(dòng)。第一流動(dòng)通道31a具有始端和終端，形成于第一主體31p的上表面。另外，催化劑層(未示出)形成于第一流動(dòng)通道31a的內(nèi)表面，用于促進(jìn)燃料和空氣的氧化反應(yīng)。
另外，第一入口31b形成于第一主體31p以給第一流動(dòng)通道31a提供燃料和空氣。第一出口31c也形成于第一主體31p以通過(guò)第一流動(dòng)通道31a排出燃料和空氣燃燒產(chǎn)生的燃燒氣體。第一入口31b形成于第一流動(dòng)通道31a的始端，第一出口31c形成于第一流動(dòng)通道31a的終端。另外，第一通道口31d和第二通道口31e形成于第一出口31c區(qū)域。
第一入口31b可以通過(guò)第一供應(yīng)管81連接到燃料供應(yīng)組件50的第一箱51且通過(guò)第二供應(yīng)管82連接到氧氣供應(yīng)組件70的空氣泵71(見(jiàn)圖1)。
第二反應(yīng)器32從燃料供應(yīng)組件50接收混合燃料的供應(yīng)，以及第二反應(yīng)器32從第一反應(yīng)器31接收熱能來(lái)汽化混合燃料。
第二反應(yīng)器32包括四邊形板的形狀的第二主體32p。第二流動(dòng)通道32a形成于第二主體32p使得混合燃料流動(dòng)。第二流動(dòng)通道32a具有始端和終端，并形成于第二組體32p的上表面。催化劑層(未示出)形成于第二流動(dòng)通道32a的內(nèi)表面，用于加速混合燃料的汽化。
另外，第二入口32b形成于第二主體32p以給第二流動(dòng)通道32a提供混合燃料。第二入口32b形成于第二流動(dòng)通道32a的始端。另外，與第一反應(yīng)器31的第一通道口31d相連通的第三通道口32c形成于第二主體32p，且與第二通道口32e相連通的第一凹槽32d形成于第二流動(dòng)通道32a的終端。
第二入口32b可以通過(guò)第三供應(yīng)管83與燃料供應(yīng)組件50的第一箱51和第二箱52連通(見(jiàn)圖1)。
第三反應(yīng)器33通過(guò)蒸氣重整催化反應(yīng)從反應(yīng)器32中的汽化混合燃料產(chǎn)成氫氣。
第三反應(yīng)器33包括四邊形板的形狀的第三主體33p。第三流動(dòng)通道33a形成于第三主體33p以能夠使汽化的混和燃料流動(dòng)。第三流動(dòng)通道33a具有始端和終端，并形成于第三主體33p的一表面。另外，催化劑層(未示出)形成于第三流動(dòng)通道33a的內(nèi)表面，用于加速汽化的混和燃料的重整反應(yīng)。
為了能夠從第二反應(yīng)器32接收汽化混合燃料，第三主體33p具有第四通道口33b，形成于第三流動(dòng)通道33a的始端，用于與第一反應(yīng)器31的第二通道口31e相連通的；第二凹槽33c，形成于第三流動(dòng)通道33a的終端；以及第五通道口33d，與第一反應(yīng)器31的第一通道口31d相連通。
第四反應(yīng)器34通過(guò)第三反應(yīng)器33產(chǎn)生氫氣的水-氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)產(chǎn)生附加的氫氣，并初步降低氫氣中一氧化碳的濃度。
第四反應(yīng)器34包括四邊形板的形狀的第四主體34p。第四流動(dòng)通道34a形成于第四主體34p使得氫氣能過(guò)流動(dòng)。第四流動(dòng)通道34a具有始端和終端，并形成于第四主體34p的上表面上。而且，催化劑層(未示出)形成于第四流動(dòng)通道34a，用于加速水-氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)。
另外，第四反應(yīng)器34具有第六通道口34b，形成于第四流動(dòng)通道34a的始端，與第三反應(yīng)器33的第二凹槽33c連通；和第七通道口34c，形成于第四流動(dòng)通道34a的終端，與第三反應(yīng)器33的第五通道口33d連通。
第五反應(yīng)器35通過(guò)在空氣和第四反應(yīng)器34中產(chǎn)生的氫氣的CO優(yōu)先氧化(PROX)催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳濃度的二次降低。
第五反應(yīng)器35包括四邊形板的形狀的第五主體35p。第五流動(dòng)通道35a形成于第五主體35p以能使第四反應(yīng)器34產(chǎn)生的氫氣流動(dòng)。第五流動(dòng)通道35a具有始端和終端，并形成于第五主體35p的上表面上。催化劑層(未示出)形成于第五流動(dòng)通道35a，用于加速上述的優(yōu)先CO氧化反應(yīng)。
另外，第五主體35p具有第三入口35b，用于提供空氣給第五流動(dòng)通道35a；和第二出口35c，用于通過(guò)第五流動(dòng)通道35a排出一氧化碳濃度降低的氫氣。第三入口35b形成于第五流動(dòng)通道35a的始端，以及第二出口35c形成于第五流動(dòng)通道35a的終端。
第三入口35b可以通過(guò)第四供應(yīng)管73連接于空氣供應(yīng)組件70的空氣泵71。第二出口35c可以通過(guò)第五供應(yīng)管85連接于疊層10的第一注入構(gòu)件13a(見(jiàn)圖1)。
當(dāng)堆疊反應(yīng)器31、32、33、34、35時(shí)，第一通道口31d、第三通道口32c、第五通道口33d、第七通道口34c和第三入口35b是互相連通設(shè)置的。另外，設(shè)置第二通道口31e、第四通道口33b和第一凹槽32d相互連通。第六通道34b和第二凹槽33c也彼此連通設(shè)置。這種設(shè)置使得反應(yīng)器31、32、33、34、35部分地連接它們自己的通道成為一個(gè)路徑(從第二反應(yīng)器到第五反應(yīng)器)。在這一實(shí)施例中，通過(guò)通道口或形成于每一個(gè)反應(yīng)器上的凹槽形成路徑，但它的結(jié)構(gòu)不限于以上。
將描述依據(jù)具有上述結(jié)構(gòu)的該典型實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的操作。
操作燃料泵55使得通過(guò)第一供應(yīng)管81將第一箱51中儲(chǔ)存的液體燃料提供給第一反應(yīng)器31。同時(shí)，操作空氣泵71使得通過(guò)第二供應(yīng)管82將空氣提供給第一反應(yīng)器31的第一入口31b。
接著，燃料和空氣通過(guò)第一反應(yīng)器31的第一流動(dòng)通道31a流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的氧化反應(yīng)。因此，第一反應(yīng)器31由通過(guò)燃料和空氣的氧化反應(yīng)燃燒燃料和空氣在預(yù)定的溫度范圍產(chǎn)生熱能。
因此，在第一反應(yīng)器31中產(chǎn)生的熱能傳輸?shù)降诙磻?yīng)器32、第三反應(yīng)器33、第四反應(yīng)器34和第五反應(yīng)器35來(lái)預(yù)熱整個(gè)重整器30。
用這種方式完成重整器30的預(yù)熱后，操作燃料泵55使得通過(guò)第三供應(yīng)管83將儲(chǔ)存在第一箱51中的燃料和儲(chǔ)存在第二箱53中的水供應(yīng)給第二反應(yīng)器32的入口32b。
接著上述的操作，當(dāng)通過(guò)第二反應(yīng)器32的第二流動(dòng)通道32a流動(dòng)時(shí)，燃料和水的混和燃料被汽化。汽化的混合燃料依次通過(guò)第二反應(yīng)器32的第一凹槽32d、第一反應(yīng)器31的第二通道口31e，和第三反應(yīng)器33的第四通道口33b從而流動(dòng)通過(guò)第三反應(yīng)器33的第三流動(dòng)通道33a。
結(jié)果，第三反應(yīng)器33通過(guò)蒸氣重整催化反應(yīng)從混合燃料生成氫氣。然而，在這一過(guò)程中，對(duì)于第三反應(yīng)器33難于完全實(shí)現(xiàn)重整催化反應(yīng)使得產(chǎn)生含少量一氧化碳的氫氣作為二次生產(chǎn)材料。
接著，通過(guò)第三反應(yīng)器33的第二凹槽33c和第四反應(yīng)器34的第六通道口34b將氫氣提供給第四反應(yīng)器34。氫氣沿第四反應(yīng)器34的第四流動(dòng)通道34a流動(dòng)。
結(jié)果，第四反應(yīng)器34通過(guò)氫氣的水-氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)產(chǎn)生額外的氫氣，并實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的初步降低。
隨后，將氫氣提供給第五反應(yīng)器35。即，氫氣經(jīng)由第四反應(yīng)34的第七通道口34c、第三反應(yīng)器33的第五通道口33d、第一反應(yīng)器31的第一通道口31d、和第二反應(yīng)器32的第三通道口32c流入第五反應(yīng)器35的第五流動(dòng)通道35a。
同時(shí)，操作空氣泵71使得通過(guò)第四供應(yīng)管84將空氣注入第五反應(yīng)器35。結(jié)果，第五反應(yīng)器35通過(guò)優(yōu)先CO氧化催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了氫氣中所含的一氧化碳濃度的二次降低。一氧化碳濃度降低的氫氣通過(guò)第五反應(yīng)器35的第二出口35c排出。
接著，通過(guò)第五供應(yīng)感85將氫氣提供給疊層10的第一注入構(gòu)件13a。同時(shí)，操作空氣泵71使得通過(guò)第六供應(yīng)管86將空氣供應(yīng)給疊層10的第二注入構(gòu)件13b。
因此，通過(guò)發(fā)電機(jī)11的隔板16將氫氣提供給MEAs12的陽(yáng)極。另外，通過(guò)發(fā)電機(jī)11的隔板16將空氣提供給MEAs12的陰極。
因此，通過(guò)在陽(yáng)極的氫氣氧化反應(yīng)氫氣分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。另外，質(zhì)子通過(guò)MEAs12的電解質(zhì)層遷移到陰極，以及由于電子不能通過(guò)電解質(zhì)層，所以它們通過(guò)隔板16或單獨(dú)的端子(未示出)遷移到MEAs12的鄰近陰極。在這一操作中電子的流動(dòng)產(chǎn)生電流。另外，在陰極通過(guò)空氣中含有的氧氣和通過(guò)電解質(zhì)層遷移到陰極的氫離子的還原反應(yīng)產(chǎn)生預(yù)定溫度的水和熱。
因此，通過(guò)上述過(guò)程的描述，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100提供的預(yù)定輸出功率的電能，用于一種設(shè)備，例如，筆記本、諸如PDA的便攜式電子設(shè)備或移動(dòng)通訊終端裝置。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第二典型實(shí)施例的重整器的分解透視圖。重整器40包括如上述實(shí)施例中重整器堆疊的多個(gè)反應(yīng)器，。
在這一實(shí)施例中，重整器40具有相應(yīng)于上述實(shí)施例中第一反應(yīng)器的熱能發(fā)生器42，和相應(yīng)于上述實(shí)施例中第三反應(yīng)器的氫氣發(fā)生器44。
熱能發(fā)生器42和氫氣發(fā)生器44以上述發(fā)應(yīng)器相同的方式堆疊形成重整器40。在這一實(shí)施例中，氫氣發(fā)生器44設(shè)置于熱能發(fā)生器42的上面，以及和氫氣發(fā)生器44組裝的蓋46設(shè)置于氫氣發(fā)生器44上面。
另外，熱能發(fā)生器42和氫氣發(fā)生器44是和上述實(shí)施例中反應(yīng)器相同的方式的板狀，以及它們的每一個(gè)分別具有主體42p、44p，其中形成通道42a、44a。
主體42p、44p在始端具有入口42b、44b，和在終端具有出口42c、44c。
另外，催化劑層(未示出)形成于熱能發(fā)生器42的通道42a上用于加速燃料和空氣的氧化反應(yīng)，以及催化劑層(未示出)形成于氫氣發(fā)生器44的通道上用于加速混合燃料的重整反應(yīng)。
當(dāng)熱能發(fā)生器42通過(guò)它的入口42b接收燃料和空氣時(shí)，具有上述結(jié)構(gòu)的重整器40由通過(guò)氧化反應(yīng)燃燒它們?cè)陬A(yù)定溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生熱能。當(dāng)混合燃料流經(jīng)氫氣發(fā)生器44時(shí)，維持溫度范圍來(lái)直接蒸發(fā)以立即蒸發(fā)提供給氫氣發(fā)生器44的水和燃料的混和燃料。
如果氫氣發(fā)生器44通過(guò)它的入口44a接收水和燃料的混和燃料，當(dāng)氫氣發(fā)生器44通過(guò)熱能發(fā)生器42產(chǎn)生的熱能蒸發(fā)混合燃料時(shí)，通過(guò)蒸氣重整催化反應(yīng)氫氣發(fā)生器44從混合燃料中產(chǎn)生氫氣。通過(guò)氫氣產(chǎn)生器44的出口44c將氫氣提供給疊層?？蛇x擇地，重整器40可以具有反應(yīng)器48、49，適合于實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳濃度的降低，相應(yīng)于上述實(shí)施例中第四反應(yīng)器或第五反應(yīng)器，如圖6、7所示。
即，在這一實(shí)施例中，盡管通過(guò)堆疊熱能發(fā)生器和氫氣發(fā)生器形成重整器，但是重整器的元件被減到最小。因此，它提供了更多的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有通過(guò)一種結(jié)構(gòu)，使得通過(guò)堆疊每個(gè)反應(yīng)器改善了重整器的效率和整個(gè)系統(tǒng)的性能。
另外，由于本發(fā)明能夠簡(jiǎn)化重整器的結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)可以被制備得更加緊湊，因此也就提高了重整器的性能。
盡管結(jié)合特定的典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例，而是，相反，其旨在覆蓋在其所附得權(quán)利要求及其同等物的精神和范圍內(nèi)所包括的各種變形。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)的重整器，所述重整器包括多個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)所述反應(yīng)器具有各自的通道并且堆疊在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述反應(yīng)器各自的通道部分地形成一條路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述反應(yīng)器用熱導(dǎo)體形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述反應(yīng)器以板形式形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述反應(yīng)器包括熱能發(fā)生器，通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；和氫氣發(fā)生器，產(chǎn)生氫氣，通過(guò)分別從熱能發(fā)生器接收燃料和吸收通過(guò)熱能發(fā)生器產(chǎn)生的熱來(lái)產(chǎn)生氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述氫氣發(fā)生器設(shè)置于所述熱能發(fā)生器之上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，還包括和所述氫氣發(fā)生器組合的蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，還包括反應(yīng)器，所述反應(yīng)器適于進(jìn)行氫氣中所含的一氧化碳濃度的降低。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述反應(yīng)器包括第一反應(yīng)器，適于通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器，適于用所述第一反應(yīng)器產(chǎn)生的熱能汽化燃料；第三反應(yīng)器，適于通過(guò)所述第二反應(yīng)器中汽化的燃料的重整催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；第四反應(yīng)器，適于實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的初步降低；和第五反應(yīng)器，適于實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的二次降低。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述第一反應(yīng)器設(shè)置于中央，所述第三反應(yīng)器和第四反應(yīng)器堆疊在所述第一反應(yīng)器的上面，所述第二反應(yīng)器和第五反應(yīng)器堆疊在所述第一反應(yīng)器的下面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，還包括和所述第四反應(yīng)器組合的蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述第一反應(yīng)器包括第一主體；第一通道，形成于所述第一主體上表面并且具有第一通道始端和第一通道終端；入口，形成于所述第一通道的始端；出口，形成于所述第一通道的終端；和第一通道口和第二通道口，形成于所述出口區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述第二反應(yīng)器包括第二主體；第二通道，形成于所述第二主體的上表面并且具有第二通道的始端和第二通道的終端；入口，形成于所述第二通道的始端；第三通道口，和所述第一通道口相連通；和第一凹槽，形成于所述第二通道的終端和所述第二通道口相連通。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中所述第三反應(yīng)器包括第三主體；第三通道，形成于所述第三主體的上表面并且具有第三通道的始端和第三通道的終端；第四通道口，形成于所述第三通道的始端和所述第二通道口相連；第二凹槽，形成于所述第三通道的終端；和第五通道口，和所述第一通道口相連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中第四反應(yīng)器包括第四主體；第四通道，形成于所述第四主體的上表面并且具有第四通道的始端和第四通道的終端；第七通道口，形成于所述第四通道的始端和所述第五通道口相連通；和第六通道口，形成于所述第四通道的終端和所述第二凹槽相連通。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池系統(tǒng)的所述重整器，其中第五反應(yīng)器包括第五主體；第五通道，形成于所述第五主體的上面并且具有第五通道的始端和第五通道的終端；入口，形成于所述第五通道的始端；和出口，形成于所述第五通道的終端。
17.一種燃料電池系統(tǒng)，包括疊層，用于通過(guò)氫氣和氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電能；重整器，用于由熱能通過(guò)化學(xué)催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣；燃料供應(yīng)組件，用于給所述重整器供應(yīng)燃料；和空氣供應(yīng)組件，用于給所述重整器和所述疊層供應(yīng)空氣，其中所述重整器包括多個(gè)反應(yīng)器，每個(gè)所述反應(yīng)器具有各自的通道并堆疊在一起。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括熱能發(fā)生器，通過(guò)燃料和氫氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；和氫氣發(fā)生器，產(chǎn)生氫氣，通過(guò)分別從熱能發(fā)生器接收燃料和吸收通過(guò)熱能發(fā)生器產(chǎn)生的熱來(lái)產(chǎn)生氫氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括第一反應(yīng)器，適于通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器，適于用所述第一反應(yīng)器產(chǎn)生的熱能汽化燃料；第三反應(yīng)器，適于通過(guò)所述第二反應(yīng)器中汽化的燃料的重整催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；第四反應(yīng)器，適于實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的初步降低；和第五反應(yīng)器，適于實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的二次降低。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器各個(gè)通道部分地形成一條路徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器具有各自的通道口以形成所述路徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器以板形式形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)器由熱導(dǎo)體材料制成并且包括形成有通道的主體。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的所述燃料電池系統(tǒng)，其中所述主體由選自于鋁.銅和鋼組成的組的一種制成。
25.一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整方法，包括構(gòu)成反應(yīng)器的疊層，使得第一反應(yīng)器設(shè)置于中央，第三反應(yīng)器和第四反應(yīng)器依次相鄰地堆疊于所述第一反應(yīng)器的上面，第二反應(yīng)器和第五反應(yīng)器依次相鄰地堆疊于所述第一反應(yīng)器的下面；提供空氣給所述第一反應(yīng)器和引導(dǎo)燃料和空氣通過(guò)第一反應(yīng)器產(chǎn)生熱能；通過(guò)所述熱能預(yù)熱所述反應(yīng)器的疊層；預(yù)熱之后，引導(dǎo)燃料和水的混合物通過(guò)所述第二反應(yīng)器，在所述第二反應(yīng)器內(nèi)汽化，且將汽化的燃料和水的混合物輸送到所述第三反應(yīng)器；引導(dǎo)汽化的燃料和水的混合物通過(guò)所述第三反應(yīng)器，從汽化的燃料和水的混合物中生成包含一氧化碳的氫氣并將包含一氧化碳的氫氣提供給所述第四反應(yīng)器；引導(dǎo)所述包含一氧化碳的氫氣通過(guò)所述第四反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的初步降低，并將具有初始降低的一氧化碳濃度的氫氣提供給所述第五反應(yīng)器；和注入空氣到所述第五反應(yīng)器，引導(dǎo)所述具有降低了一氧化碳濃度的氫氣和空氣通過(guò)所述第五反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)氫氣中所含的一氧化碳的濃度的二次降低，并排出具有進(jìn)一步降低的一氧化碳濃度的氫氣。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，其中通過(guò)燃料和空氣燃燒的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生所述熱能。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，其中預(yù)熱還包括所述第一反應(yīng)器產(chǎn)生的所述熱能傳輸給所述第二反應(yīng)器、所述第三反應(yīng)器、所述第四反應(yīng)器和所述第五反應(yīng)器。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，其中從第二反應(yīng)器汽化的燃料和水的混合物通過(guò)第三反應(yīng)器的蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生包含一氧化碳的氫氣。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，其中實(shí)現(xiàn)初步降低是通過(guò)含一氧化碳的氫氣的水-氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，其中實(shí)現(xiàn)二次降低是通過(guò)空氣和初始降低的一氧化碳濃度的氫氣的優(yōu)先一氧化碳氧化催化反應(yīng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的所述方法，還包括在所述第一反應(yīng)器通道的內(nèi)表面形成第一反應(yīng)器通道催化層來(lái)加速燃料和空氣的氧化反應(yīng)；在所述第二反應(yīng)器通道的內(nèi)表面形成第二反應(yīng)器通道催化層來(lái)加速燃料和空氣的混合物的汽化；在所述第三反應(yīng)器通道的內(nèi)表面形成第三反應(yīng)器催化層來(lái)加速汽化的燃料和空氣混合物的重整反應(yīng)；在所述第四反應(yīng)器的流動(dòng)通道形成第四反應(yīng)器催化層來(lái)加速水-氣轉(zhuǎn)換發(fā)應(yīng)；和在所述第五反應(yīng)器通道上形成第五反應(yīng)器催化層來(lái)加速通過(guò)優(yōu)先一氧化碳氧化反應(yīng)一氧化碳的濃度的二次降低。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)包括通過(guò)氫氣和氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生電能的疊層；借助熱能通過(guò)化學(xué)催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣的重整器；提供燃料給重整器的燃料供應(yīng)組件；和提供空氣給重整器和疊層的空氣供應(yīng)組件。該重整器包括多個(gè)分別具有通道并被堆疊的反應(yīng)器。
文檔編號(hào)C01B3/38GK1674342SQ200510071680
公開(kāi)日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月3日
發(fā)明者金周龍, 李東勛, 權(quán)鎬真 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社