專利名稱：重整器和具有其的燃料電池系統(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)，且更具體地涉及燃料電池系統(tǒng)的板型重整器。
背景技術(shù)：
眾所周知，燃料電池是直接將氧和在諸如甲醇、乙醇等碳?xì)浠衔锊牧匣蛱烊粴庵兴臍涞幕瘜W(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。
近來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(下文稱為PEMFC)，其具有卓越的輸出特性、低操作溫度和快速啟動(dòng)和響應(yīng)特性。PEMFC具有廣泛的應(yīng)用，包括車輛的移動(dòng)電源、住宅和辦公樓的分布電源以及電子設(shè)備的小型電源。
使用PEMFC方案的燃料電池系統(tǒng)包括堆體、重整器、燃料罐和燃料泵。堆體包括發(fā)電器且具有多個(gè)單元電池，且燃料泵將存儲(chǔ)于燃料罐中的燃料提供給重整器。然后，重整器重整燃料來(lái)產(chǎn)生氫且將氫提供給堆體，該堆體通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
重整器是從包含氫的燃料利用熱能通過(guò)催化化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生氫的裝置。一般地，重整器包括產(chǎn)生熱能的熱源、利用熱能從燃料產(chǎn)生氫氣的重整器反應(yīng)器、和減少氫氣中所含的一氧化碳的濃度的一氧化碳去除器。
在燃料電池系統(tǒng)的傳統(tǒng)的重整器中，熱源、重整反應(yīng)器和一氧化碳去除器每個(gè)形成為管(vessel)狀且通過(guò)管路(pipe)連接和分開(kāi)。因此，難于緊密地實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)和迅速地將從熱源產(chǎn)生的熱能傳送至重整器反應(yīng)器，由此惡化整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)效率和熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供一種重整器，其用一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以提高反應(yīng)效率和熱效率。依據(jù)另一實(shí)施例，提供具有該重整器的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括重整器，用于從包含氫的燃料產(chǎn)生氫；至少一個(gè)發(fā)電器，用于通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供給單元，用于將燃料提供給重整器；和氧供給單元，用于將氧提供給重整器和發(fā)電器。重整器包括多個(gè)板和至少一個(gè)催化劑層，所述多個(gè)板堆疊來(lái)形成至少一個(gè)通道(passage)，用于允許從包括燃料和氣體的組選擇的材料通過(guò)其流動(dòng)，而至少一個(gè)催化劑層形成于至少一個(gè)通道的整個(gè)表面上，這里，所述氣體包括空氣、氧氣、氫氣等。
這里，至少一個(gè)溝道(channel)可以形成于多個(gè)板的至少一個(gè)的至少一表面上，且多個(gè)板的不同的一個(gè)板與至少一個(gè)表面接觸，其中形成至少一個(gè)溝道來(lái)由此形成所述至少一個(gè)通道。
至少一個(gè)催化劑層可以形成于至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分上，所述不同的一個(gè)板接觸所述的多個(gè)板的至少一個(gè)的至少一個(gè)表面，其中形成所述的至少一個(gè)溝道，且其中所述的多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分相應(yīng)于所述的至少一個(gè)溝道。或者，所述至少一個(gè)催化劑層可以形成于所述的至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和所述的多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面上，所述板接觸所述的多個(gè)板的一個(gè)的形成所述至少一個(gè)溝道的至少一個(gè)表面。
重整器可以具有用于產(chǎn)生熱能的熱源和與熱源層疊的用于從燃料產(chǎn)生氫的重整器反應(yīng)器。
多個(gè)板可以包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的一表面且具有第二溝道；和蓋板，接觸第二反應(yīng)板的一表面。這里，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層且所述催化劑層可以包括氧化催化劑層，形成于通道之一的整個(gè)表面上，該通道由第一溝道和第二反應(yīng)板形成；和重整催化劑層，形成于通道的另一個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第二溝道和蓋板形成。
重整器可以具有用于產(chǎn)生熱能的熱源、用于從燃料產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)器、和至少一個(gè)用于減少氫氣中所含的一氧化碳濃度的一氧化碳減少器，且其中重整器、重整反應(yīng)器和至少一個(gè)一氧化碳減少器彼此堆疊。
多個(gè)板可以包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的一表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸第二反應(yīng)板的一表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸第三反應(yīng)板的一表面。這里，催化劑層可以包括氧化催化劑層，形成于通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第一溝道和第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第二溝道和第三反應(yīng)板形成；和水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第三溝道和蓋板形成。
多個(gè)板可以包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的一表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的另一表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸第二反應(yīng)板的另一表面。這里，催化劑層可以包括氧化催化劑層，形成于通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第一溝道和第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第二溝道和蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化(preferential CO oxidation)催化劑層，形成于通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第三溝道和第一反應(yīng)板形成。
多個(gè)板可以包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的一表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸第二反應(yīng)板的一表面且具有第三溝道；第四反應(yīng)板，接觸第一反應(yīng)板的另一表面且具有第四溝道；和蓋板，接觸第三反應(yīng)板的一表面。這里，催化劑層可以包括氧化催化劑層，形成于通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第一溝道和第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第二溝道和第三反應(yīng)板形成；水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第三溝道和蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化催化劑層，形成于通道的第四個(gè)的整個(gè)表面上，該通道由第四溝道和第一反應(yīng)板形成。
燃料供給單元可以包括用于存儲(chǔ)含氫燃料的燃料罐；和連接至燃料罐的燃料泵。
氧供給單元可以包括用于抽吸空氣的空氣泵。
燃料電池系統(tǒng)可以使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)方案。


本發(fā)明的以上和其它特征將通過(guò)參考附圖和對(duì)示范性實(shí)施例詳細(xì)描述變得更加明顯。
圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是示出圖1所示的重整器的結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖3是示出圖2所示的重整器的耦合結(jié)構(gòu)的橫截面圖；
圖4是示出圖1所示的堆體結(jié)構(gòu)的分解透視圖；圖5是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第一改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖；圖6是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第二改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖；圖7是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第三改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖；圖8是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第四改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖；圖9是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第五改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下文，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本發(fā)明容易地賦予實(shí)踐。但是，本發(fā)明不限于示范性實(shí)施例，且可以以各種形成實(shí)現(xiàn)。
圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)的示意圖。
依據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100中所使用來(lái)產(chǎn)生電的燃料可以包括液體或氣體含氫燃料，諸如甲醇、乙醇或天然氣。但是，在以下描述中液體燃料作為例子。
燃料電池系統(tǒng)100可以利用存儲(chǔ)于附加的存儲(chǔ)裝置中的純氧用于與燃料中所含的氫反應(yīng)，或可以利用含氧的空氣作為需要的氧源。但是，在以下描述中后者作為例子。
參考圖1，燃料電池系統(tǒng)100包括重整器30，用于從包含氫的燃料產(chǎn)生氫；堆體10，用于通過(guò)氫和空氣中所含的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供給單元50，用于將燃料提供給重整器30；和氧供給單元70，用于將氧提供給堆體10和重整器30。
依據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)方案，其中重整器30產(chǎn)生氫且將氫供給至堆體10，且堆體10通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
燃料供給單元50包括第一罐51，用于存儲(chǔ)燃料；第二罐53，用于存儲(chǔ)水；和燃料泵55，連接到第一和第二罐51和53。氧供給單元70包括空氣泵，用于用預(yù)定的抽汲功率抽吸空氣。
從含氫燃料產(chǎn)生氫的重整器30的結(jié)構(gòu)將參考圖1、2和3首先描述，而通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的堆體10的結(jié)構(gòu)將隨后參考圖1和4描述。
圖2是示出圖1所示的重整器30的結(jié)構(gòu)的分解透視圖，且圖3是示出圖2所示的重整器30的耦合結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
依據(jù)本發(fā)明的重整器30通過(guò)催化化學(xué)反應(yīng)利用從諸如蒸汽重整反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)或自熱反應(yīng)(auto-thermal reaction)的反應(yīng)的熱能來(lái)重整燃料來(lái)產(chǎn)生氫氣，且通過(guò)利用諸如水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)或優(yōu)先CO氧化反應(yīng)或諸如利用分開(kāi)的膜的純化工藝的催化反應(yīng)來(lái)降低氫氣中所含的一氧化碳濃度。
依據(jù)本實(shí)施例的重整器30包括熱源31、重整反應(yīng)器32以及第一和第二一氧化碳減少器33和34。熱源31產(chǎn)生催化化學(xué)反應(yīng)所需的熱能，重整反應(yīng)器32吸收從熱源31產(chǎn)生的熱能，氣化燃料且產(chǎn)生氫氣。而且，第一一氧化碳減少器33通過(guò)水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)(WGS)產(chǎn)生附加的氫氣來(lái)減少氫氣中所含的一氧化碳濃度。第二一氧化碳減少器34通過(guò)從第一一氧化碳減少器33中釋放的空氣和氫氣的優(yōu)先CO氧化(PROX)催化反應(yīng)來(lái)減少氫氣中所含的一氧化碳濃度。在重整器30的一實(shí)施例中，第一一氧化碳減少器33是主要的一氧化碳濃度的減少器，而第二一氧化碳減少器34是輔助的一氧化碳濃度的減少器。
重整器30還可以包括氣化部分(未顯示)，其利用從熱源31產(chǎn)生的熱能氣化燃料，位于熱源31和重整反應(yīng)器32之間。
依據(jù)本實(shí)施例，重整器30包括多個(gè)板狀部分，包括彼此相鄰層疊的熱源31、重整反應(yīng)器32、第一一氧化碳減少器33、第二一氧化碳減少器34和蓋35。熱源31、重整反應(yīng)器32、第一一氧化碳減少器33和第二一氧化碳減少器34分別具有形成于通道31d、32d、33d和34d的整個(gè)內(nèi)表面上的催化劑層31e、32e、33e和34e，所述通道用于允許燃料、空氣和氫氣流動(dòng)。將通過(guò)說(shuō)明多個(gè)反應(yīng)板31a、32a、33a、34a和蓋板36和說(shuō)明在其上形成的催化劑層31e、32e、33e和34e來(lái)更加詳細(xì)地描述相應(yīng)的反應(yīng)部分31、32、33和34。
用于使燃料和空氣流動(dòng)的第一溝道31c形成于第一反應(yīng)板31a的一表面上。液體燃料和空氣的燃燒氣體流入的入口31f形成于第一溝道31c的始端；而液體燃料和空氣的燃燒氣體流出的出口31g形成于第一溝道31c的另一端或末端。入口31f和第一罐51可以通過(guò)第一供給管路81連接，且入口31f和空氣泵71可以通過(guò)第二供給管路82連接。
用于使燃料和空氣流動(dòng)的第二溝道32c形成于第二反應(yīng)板32a的頂表面上。來(lái)自第一和第二罐51和53的燃料和水的混合物(下文稱為燃料混合物)流入的入口32f形成于第二溝道32c的始端；而從燃料混合物產(chǎn)生的氫流出的出口32g形成于第二溝道32c的末端。入口32f與第一和第二罐51和53可以通過(guò)第三供給管路83連接，且入口32f可以通過(guò)附加的管路(未顯示)連接至第一反應(yīng)板31a的出口31g。
用于使從反應(yīng)重整器32產(chǎn)生的氫氣流動(dòng)的第三溝道33c形成于第三反應(yīng)板33a的預(yù)表面上。氫氣流入的入口33f形成于第三溝道33c的始端；而其一氧化碳濃度已經(jīng)被首次減少的氫氣流出的出口33g形成于第三溝道33c的末端。入口33f通過(guò)附加的連接機(jī)構(gòu)(未顯示)，例如管路或穿通孔，可以連接至第二反應(yīng)板32a的出口32g。
用于使氫氣流動(dòng)的第四溝道34c形成于第四反應(yīng)板34a的頂表面上。氫氣流入的入口34f形成于第四溝道34c的始端；而其一氧化碳濃度已經(jīng)被二次減少的氫氣流出的出口34g形成于第四溝道34c的末端。入口34f和空氣泵71可以通過(guò)第四供給管路84連接，且入口34f通過(guò)附加的連接機(jī)構(gòu)(未顯示)，例如管路或穿通孔，可以連接至第三反應(yīng)板33a的出口33g。后述的出口34g和堆體10可以通過(guò)第五供給管路85連接。
各自的溝道31c、32c、33c和34c形成于各自的反應(yīng)板31a、32a、33a和34a上來(lái)具有平行的直的流動(dòng)管路，在各自反應(yīng)板31a、32a、33a、34a的頂表面上的相鄰的流動(dòng)管路之間具有預(yù)定的間隙。每個(gè)各自的溝道31c、32c、33c和34c的相鄰的流動(dòng)管路在端部連接，使得流動(dòng)管路一起界定蜿蜒的形狀。當(dāng)然，溝道31c、32c、33c和34c的布置不限于這一蜿蜒形狀。
現(xiàn)更具體地參考圖3，可以通過(guò)在第一反應(yīng)板31a上依次層疊第二反應(yīng)板32a和第三反應(yīng)板33a和在第一反應(yīng)板31a下層疊第四反應(yīng)板34a來(lái)構(gòu)建依據(jù)本實(shí)施例的重整器30。用作蓋35的蓋板36可以與第三反應(yīng)板33a的頂表面耦合且設(shè)置于重整器30的最上側(cè)。
即，在第一反應(yīng)板31a和第二反應(yīng)板32a之間，第一反應(yīng)板31a的第一溝道31c和第二反應(yīng)板32a的底部表面形成第一通道31d，用于輸送液體燃料和空氣。這里，用于促進(jìn)燃料和空氣的氧化反應(yīng)的氧化催化劑層31e形成于第一溝道31c的整個(gè)內(nèi)表面上和第二反應(yīng)板32a的整個(gè)底部表面上。
因此，在本實(shí)施例中，氧化催化劑層31e形成于包括第一通道31d的蓋表面的整個(gè)表面上。因此，液體燃料和空氣在第一通道31d中通過(guò)的區(qū)域通過(guò)與在第一通道31d的整個(gè)表面上的氧化催化劑層31e接觸而得到提高。
在第二反應(yīng)板32a和第三反應(yīng)板33a之間，第二反應(yīng)板32a的第二溝道32c和第三反應(yīng)板33a的底部表面形成用于輸送燃料的第二通道32d。這里，用于促進(jìn)燃料的蒸汽重整反應(yīng)的重整催化劑層32e形成于第二溝道32c的整個(gè)內(nèi)表面上和第三反應(yīng)板33a的整個(gè)底部表面上。
因此，重整催化劑層32e形成于包括第二通道的32d的覆蓋表面的整個(gè)表面上。因此，燃料在第二通道32d中通過(guò)的區(qū)域通過(guò)與在第二通道32d的整個(gè)表面上的重整催化劑層32e接觸而得到提高。
在第三反應(yīng)板33a和蓋板36之間，第三反應(yīng)板33a的第三溝道33c和蓋板36的覆蓋表面形成用于輸送從第二通道釋放的氫氣的第三通道33d。這里，用于促進(jìn)氫氣的水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的水氣轉(zhuǎn)換催化劑層33e形成于第三溝道33c的整個(gè)內(nèi)表面上和蓋板36的整個(gè)覆蓋表面上。
即，水氣轉(zhuǎn)換催化劑層33e形成于包括第三通道的33d的覆蓋表面的整個(gè)表面上。因此，氫氣在第三通道33d中通過(guò)的區(qū)域通過(guò)與第三通道33d的整個(gè)表面上的水氣轉(zhuǎn)換催化劑層33e接觸而得到提高。
在第四反應(yīng)板34a和第一反應(yīng)板31a之間，第四反應(yīng)板34a的第四溝道34c和第一反應(yīng)板31a的底部表面形成用于輸送從第三通道釋放的氫氣的第四通道34d。這里，用于促進(jìn)氫氣的優(yōu)先CO氧化反應(yīng)的優(yōu)先CO氧化催化劑層34e形成于第三溝道34c的整個(gè)內(nèi)表面上和第一反應(yīng)板31a的整個(gè)底部表面上。
因此，由于優(yōu)先CO氧化催化劑層34e形成于包括第四通道的34d的覆蓋表面的整個(gè)表面上，所以氫氣在第四通道34d中通過(guò)的區(qū)域與在第四通道34d的整個(gè)表面上的優(yōu)先CO氧化催化劑層34e接觸。
可以通過(guò)首先分別在反應(yīng)板31a、32a、33a和34a的溝道31c、32c、33c和34c的整個(gè)內(nèi)表面上形成催化劑層31e、32e、33e和34e，分別在反應(yīng)板32a、33a、36和31a的接觸表面上形成相同種類的催化劑層31e、32e、33e和34e，和將反應(yīng)板31a、32a、33a和34a以及蓋板36相互緊密接觸來(lái)形成各自的催化劑層31e、32e、33e和34e。但是，本發(fā)明不限于此，催化劑層可以利用各種其它方法形成。
在依據(jù)上述的本實(shí)施例的重整器中，各反應(yīng)相關(guān)的燃料或氣體與各自的催化劑層(例如，各自的催化劑層31e、32e、33e和34e)相接觸的相應(yīng)區(qū)域增加，由此在整體上提高反應(yīng)效率和重整器的熱效率。
圖4是示出圖1所示的堆體結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
參考圖1和4，燃料電池系統(tǒng)100的堆體10具有發(fā)電器11，其被連續(xù)地堆疊且用于通過(guò)從重整器30產(chǎn)生的氫和空氣中所含的氧的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。
每個(gè)發(fā)電器11是用于產(chǎn)生電的燃料電池的單元，其中在膜電極組件(MEA)12的兩個(gè)表面上設(shè)置隔板16。
MEA 12具有預(yù)定的活性區(qū)，其中發(fā)生氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)。MEA 12包括形成于一表面上的陽(yáng)極電極、形成于另一表面上的陰極電極和在陽(yáng)極和陰極電極之間形成的電解質(zhì)膜。
陽(yáng)極電極通過(guò)氫的氧化反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氫離子(質(zhì)子)和電子。陰極電極通過(guò)氫離子和氧的還原反應(yīng)產(chǎn)生預(yù)定溫度的熱和濕氣。電解質(zhì)膜執(zhí)行離子交換功能，用于將從陽(yáng)極電極產(chǎn)生的氫離子遷移至陰極電極。
隔板16充當(dāng)將陽(yáng)極電極和陰極電極彼此串聯(lián)連接的導(dǎo)體，且也充當(dāng)將MEA12的氧化和還原反應(yīng)所需的氫氣和空氣供給至陽(yáng)極電極和陰極電極的通道。
更具體地，將氫氣供給至陽(yáng)極電極的通道17形成于和MEA 12的陽(yáng)極電極緊密接觸的隔板16的表面上，且將空氣供給至陰極電極的通道17形成于和陰極電極緊密接觸的MEA 12的表面上。
堆體10的最外側(cè)可以提供附加的壓合板13合13’，用于使發(fā)電器11彼此緊密接觸。依據(jù)本發(fā)明可以構(gòu)建堆體10使得位于多個(gè)發(fā)電器11的最外側(cè)的隔板16執(zhí)行壓合板13和13’的功能，而不需提供壓合板13和13’?？梢詷?gòu)建堆體10使得壓合板13和13’具有除了將多個(gè)發(fā)電器11緊密接觸的功能之外的隔板16特有的功能，其將在后更詳細(xì)地描述。
一個(gè)壓合板13提供有第一注入孔13a和第二注入孔13b，第一注入孔13a用于將氫氣供給至隔板16的氫通道，而第二注入孔13b用于將空氣供給至隔板16的空氣通道。另一壓合板13’提供有第一放出孔13c和第二放出孔13d，第一放出孔13c用于放出在MEA 12的陽(yáng)極電極中未反應(yīng)的氫氣，而第二放出孔13d用于放出在MEA 12的陰極中通過(guò)氫和氧之間的耦聯(lián)反應(yīng)(coupling reaction)產(chǎn)生的含有濕氣的未反應(yīng)的空氣。
第二注入孔13b和空氣泵71可以通過(guò)第六供給管路86連接。第一放出孔13c可以通過(guò)附加的管路(未顯示)連接至第一反應(yīng)板31a的入口31f。
現(xiàn)將更加詳細(xì)地描述依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行。
首先，燃料泵55將存儲(chǔ)于第一罐51中的燃料通過(guò)第一供給管路81供給至重整器30的第一通道31d。同時(shí)，空氣泵將空氣通過(guò)第二供給管路82供給至第一通道31d。然后，當(dāng)通過(guò)第一通道31d流動(dòng)時(shí)，液體燃料和空氣在氧化催化劑層31e的作用下導(dǎo)致氧化催化反應(yīng)。因此，熱源31通過(guò)燃料和空氣的氧化催化反應(yīng)產(chǎn)生預(yù)定溫度的反應(yīng)熱。結(jié)果，從熱源31產(chǎn)生的熱能傳送至重整反應(yīng)器32和一氧化碳減少器33和34且預(yù)熱整個(gè)重整器30。
之后，當(dāng)完成重整器30的預(yù)熱時(shí)，燃料泵55將存儲(chǔ)于第一罐51中的燃料和存儲(chǔ)于第二罐53中的水通過(guò)第三供給管路83供給至重整器30的第二通道32d。然后，當(dāng)燃料和水流過(guò)第二通道32d時(shí)，用從熱源31供給的熱能氣化燃料和水。此時(shí)，重整反應(yīng)器32利用重整催化劑層32e通過(guò)蒸汽重整反應(yīng)從氣化的燃料產(chǎn)生氫氣。因?yàn)橹卣磻?yīng)器32不能徹底執(zhí)行蒸汽重整催化反應(yīng)，所以重整反應(yīng)器32產(chǎn)生含有作為副產(chǎn)品的一氧化碳的氫氣。
之后，包含一氧化碳的氫氣流過(guò)重整器30的第三通道33d。然后，第一一氧化碳減少器33利用水氣轉(zhuǎn)換催化劑層33e通過(guò)水氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)產(chǎn)生附加的氫氣，首次減少氫氣中所含的一氧化碳濃度。
隨后，通過(guò)第三通道33d的氫氣流過(guò)重整器30的第四通道34d。同時(shí)，空氣泵71將空氣通過(guò)第四供給管路84供給至第三通道34d。然后，第二一氧化碳減少器34利用優(yōu)先CO氧化催化層34e通過(guò)優(yōu)先CO氧化催化反應(yīng)進(jìn)一步減少氫氣中所含的一氧化碳濃度，且釋放氫氣。
隨后，將氫氣通過(guò)第五供給管路85供給至堆體10的第一注入孔13a。同時(shí)，空氣泵71將空氣通過(guò)第六供給管路86供給至堆體10的第二注入孔13b。
然后，將氫氣通過(guò)隔板16的通道17的氫氣通道供給至MEA 12的陽(yáng)極電極。將空氣通過(guò)隔板16的通道17的空氣通道供給至MEA 12的陰極電極。
陽(yáng)極電極通過(guò)氧化反應(yīng)將氫氣分解成電子和質(zhì)子(氫離子)。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜遷移至陰極電極，且電子通過(guò)隔板16而不是電解質(zhì)膜遷移至相鄰MEA 12的陰極電極。電子的流動(dòng)產(chǎn)生電流，且熱和水也由堆體10作為副產(chǎn)品產(chǎn)生。
因?yàn)橐罁?jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)具有多個(gè)反應(yīng)板的堆疊的結(jié)構(gòu)，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)可以是緊湊的。由此，可以簡(jiǎn)化制造工藝，由此進(jìn)一步改善燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)率。
在依據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，可以快速地傳送燃料的各種反應(yīng)的熱能。因此，可以提高燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)重整器的反應(yīng)效率和熱效率。
下面將描述第一實(shí)施例的改進(jìn)的實(shí)例。在改進(jìn)的實(shí)例中，與第一實(shí)施例所述的基本相同的元件將不會(huì)再次描述。相似的元件在附圖中由相似的參考標(biāo)記指示。
圖5是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第一改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
參考圖5，依據(jù)本改進(jìn)實(shí)例的重整器30A通過(guò)在熱源31上依次堆疊重整反應(yīng)器32和蓋35形成。
具體地，重整器30A具有這樣一種結(jié)構(gòu)，使得第二反應(yīng)板32a堆疊于第一反應(yīng)板31a上，且蓋板36堆疊于第二反應(yīng)板32a上。在第一反應(yīng)板31a和第二反應(yīng)板32a之間，第一反應(yīng)板31a的第一溝道31c和第二反應(yīng)板32a的底部表面形成第一通道31d。這里，氧化催化劑層31e形成于第一溝道31c的整個(gè)內(nèi)表面上和第二反應(yīng)板32a的底部表面上。因此，氧化催化劑層31e形成于包括第一通道31d的覆蓋表面的整個(gè)表面上。
在第二反應(yīng)板32a和蓋板36之間，第二反應(yīng)板32a的第二溝道32c和蓋板36的底部表面形成第二通道32d。這里，重整催化劑層32e形成于第二溝道32c的整個(gè)內(nèi)表面上和蓋板36的底部表面上。因此，重整催化劑層32e形成于包括第二通道32d的覆蓋表面的整個(gè)表面上。
圖6是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第二改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
參考圖6，依據(jù)本改進(jìn)實(shí)例的重整器30B具有這樣一種結(jié)構(gòu)，使得重整反應(yīng)器32、第一一氧化碳減少器33和蓋35依次堆疊于熱源31上。
圖7是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第三改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
參考圖7，依據(jù)本改進(jìn)實(shí)例的重整器30C具有這樣一種結(jié)構(gòu)，使得重整反應(yīng)器32和蓋35依次堆疊于熱源31上，且第二一氧化碳減少器34堆疊于熱源31下。圖3中，重整器30c不包括第一一氧化碳減少器33。
圖8是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第四改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
參考圖8，依據(jù)本改進(jìn)實(shí)例的重整器30D具有催化劑層131e、132e、133e和134e，其分別只形成于構(gòu)成相應(yīng)通道31d、32d、33d和34d的表面上。即，催化劑層131e、132e、133e和134e只形成于溝道31c、32c、33c和34c的整個(gè)內(nèi)表面上和接觸溝道31c、32c、33c和34c的不同的反應(yīng)板的接觸表面的部分上，溝道31c、32c、33c和34c形成于反應(yīng)板31a、32a、33a和34a中，接觸表面的部分相應(yīng)于溝道31c、32c、33c和34c。
可以通過(guò)首先分別在反應(yīng)板31a、32a、33a和34a的溝道31c、32c、33c和34c的整個(gè)內(nèi)表面上形成催化劑層131e、132e、133e和134e，然后分別在相應(yīng)于溝道31c、32c、33c和34c的板32a、33a、36和31a的部分上形成相同類型的催化劑層131e、132e、133e和134e，和然后將反應(yīng)板31a、32a、33a和34a相互緊密接觸來(lái)形成這樣一種類型的催化劑層131e、132e、133e和134e?；蛘撸梢詫⒎磻?yīng)板31a、32a、33a和34a以及不同的板32a、33a、36和31a彼此緊密接觸之后形成催化劑層131e、132e、133e和134e。但是，本發(fā)明不限于此，催化劑層131e、132e、133e和134e可以利用各種其它適當(dāng)?shù)?、本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方法形成。
圖9是示出依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的重整器的第五改進(jìn)實(shí)例的橫截面圖。
參考圖9，依據(jù)本改進(jìn)實(shí)例的重整器30E具有這樣一種結(jié)構(gòu)，使得溝道141c和142c形成于反應(yīng)板140的頂部和底部表面上，蓋板146a和146b與頂部和底部表面均緊密接觸，在頂部和底部表面中溝道141c和142c位于氧化催化劑層141e上，且重整催化劑層142e分別形成于通道141d和142d的整個(gè)表面上，通道141d和142d分別由溝道141c和142c以及蓋板146a和146b形成，由此形成熱源141和重整反應(yīng)器142。
雖然在本第五改進(jìn)實(shí)例中已經(jīng)描述和顯示了在兩個(gè)蓋板之間設(shè)置其頂部和底部表面均提供有溝道的反應(yīng)板，但是本發(fā)明不限于此，且重整器可以通過(guò)堆疊各種類型的適當(dāng)?shù)陌逍纬蔀槎喾N適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
雖然結(jié)合某些示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例，但是，相反，旨在覆蓋在所附的實(shí)施例和其等價(jià)物的精神和范圍內(nèi)所包括的各種改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，適于從包含氫的燃料產(chǎn)生氫；至少一個(gè)發(fā)電器，適于通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供給單元，適于將燃料供給至所述重整器；以及氧供給單元，適于將氧供給至所述重整器和所述發(fā)電器；其中所述重整器包括多個(gè)層疊的板和至少一個(gè)催化劑層，所述多個(gè)層疊的板形成至少一個(gè)通道，該通道適于允許從包括所述燃料和氣體的組選擇的材料通過(guò)其流動(dòng)，所述催化劑層形成于所述至少一個(gè)的通道的整個(gè)表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)溝道形成于所述多個(gè)板的至少一個(gè)板的至少一表面上，且所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板與所述至少一個(gè)表面接觸，其中形成至少一個(gè)溝道來(lái)由此形成所述至少一個(gè)通道。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)催化劑層位于所述至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分上，所述的板接觸形成所述的至少一個(gè)溝道的所述多個(gè)板的至少一個(gè)板的至少一個(gè)表面，且其中所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分相應(yīng)于所述的至少一個(gè)溝道。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)催化層位于所述的至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和所述的多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面上，所述板接觸其中形成所述至少一個(gè)溝道的所述多個(gè)板的不同一個(gè)板的至少一個(gè)表面。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述重整器包括熱源，適于產(chǎn)生熱能；和重整反應(yīng)器，適于從燃料產(chǎn)生氫且與所述熱源堆疊。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；和蓋板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道之一的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；和重整催化劑層，形成于所述通道的另一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述蓋板形成。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述重整器包括熱源，適于產(chǎn)生熱能；重整反應(yīng)器，適于從燃料產(chǎn)生氫氣；和至少一個(gè)一氧化碳減少器，適于減少氫氣中所含的一氧化碳濃度，且其中所述重整器、所述重整反應(yīng)器和所述至少一個(gè)一氧化碳減少器彼此堆疊。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸所述第三反應(yīng)板的一個(gè)表面，和其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述第三反應(yīng)板形成；和水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述蓋板形成。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的另一表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸所述第二反應(yīng)板的另一表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述第一反應(yīng)板形成。
10.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第三溝道；第四反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的另一表面且具有第四溝道；和蓋板，接觸所述第三反應(yīng)板的一個(gè)表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述第三反應(yīng)板形成；水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化催化劑層，形成于所述通道的第四個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第四溝道和所述第一反應(yīng)板形成。
11.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料供給單元包括燃料罐，適于存儲(chǔ)含氫燃料；和燃料泵，連接至所述燃料罐。
12.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述氧供給單元包括空氣泵，適于抽吸空氣。
13.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述燃料電池系統(tǒng)使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池方案。
14.一種燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括多個(gè)板，堆疊來(lái)形成至少一個(gè)通道，所述通道適于允許從包括燃料和氣體的組選擇的材料通過(guò)其流動(dòng)；和至少一個(gè)催化劑層，形成于所述至少一個(gè)通道的整個(gè)表面上。
15.如權(quán)利要求14所述的重整器，其中，至少一個(gè)溝道形成于所述多個(gè)板的至少一個(gè)板的至少一表面上，且所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板與其中形成所述至少一個(gè)溝道的所述至少一個(gè)表面接觸，來(lái)由此形成至少一個(gè)通道。
16.如權(quán)利要求15所述的重整器，其中，所述至少一個(gè)催化劑層位于所述至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分上，所述的板接觸所述的多個(gè)板的至少一個(gè)板的其中形成所述的至少一個(gè)溝道的至少一個(gè)表面，且其中所述多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面部分相應(yīng)于所述的至少一個(gè)溝道。
17.如權(quán)利要求15所述的重整器，其中，所述至少一個(gè)催化層位于所述的至少一個(gè)溝道的整個(gè)內(nèi)表面上和所述的多個(gè)板的不同的一個(gè)板的表面上，所述板接觸所述多個(gè)板的不同一個(gè)板的其中形成所述至少一個(gè)溝道的至少一個(gè)表面。
18.如權(quán)利要求14所述的重整器，其中，所述重整器包括熱源，適于產(chǎn)生熱能；和重整反應(yīng)器，適于從燃料產(chǎn)生氫且與所述熱源堆疊。
19.如權(quán)利要求18所述的重整器，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，其中形成第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；和蓋板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道之一的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；和重整催化劑層，形成于所述通道的另一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述蓋板形成。
20.如權(quán)利要求14所述的重整器，其中所述重整器包括熱源，適于產(chǎn)生熱能；重整反應(yīng)器，適于從燃料產(chǎn)生氫氣；和至少一個(gè)一氧化碳減少器，適于減少氫氣中所含的一氧化碳濃度，且其中所述熱源、所述重整反應(yīng)器和所述至少一個(gè)一氧化碳減少器彼此堆疊。
21.如權(quán)利要求20所述的重整器，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸所述第三反應(yīng)板的一個(gè)表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述第三反應(yīng)板形成；和水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述蓋板形成。
22.如權(quán)利要求20所述的重整器，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的另一表面且具有第三溝道；和蓋板，接觸所述第二反應(yīng)板的另一表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述第一反應(yīng)板形成。
23.如權(quán)利要求20所述的重整器，其中，所述多個(gè)板包括第一反應(yīng)板，具有第一溝道；第二反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第二溝道；第三反應(yīng)板，接觸所述第二反應(yīng)板的一個(gè)表面且具有第三溝道；第四反應(yīng)板，接觸所述第一反應(yīng)板的另一表面且具有第四溝道；和蓋板，接觸所述第三反應(yīng)板的一個(gè)表面，且其中，所述至少一個(gè)催化劑層包括多個(gè)催化劑層，且所述諸催化劑層包括氧化催化劑層，形成于所述通道的第一個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第一溝道和所述第二反應(yīng)板形成；重整催化劑層，形成于所述通道的第二個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第二溝道和所述第三反應(yīng)板形成；水氣轉(zhuǎn)換催化劑層，形成于所述通道的第三個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第三溝道和所述蓋板形成；和優(yōu)先CO氧化催化劑層，形成于所述通道的第四個(gè)的整個(gè)表面上，所述通道由所述第四溝道和所述第一反應(yīng)板形成。
24.一種燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括多個(gè)板，彼此堆疊，所述多個(gè)板形成至少一重整反應(yīng)器且界定至少一個(gè)通道，所述至少一個(gè)通道包括所述重整反應(yīng)器的反應(yīng)通道；和至少一個(gè)催化劑層，形成于所述至少一個(gè)通道的整個(gè)表面上，其中形成于所述重整反應(yīng)器的所述反應(yīng)通道的整個(gè)表面上的所述至少一個(gè)催化劑層包括重整催化劑層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種重整器和使用其的燃料電池系統(tǒng)，所述燃料電池系統(tǒng)包括重整器，用于從包含氫的燃料產(chǎn)生氫；至少一個(gè)發(fā)電器，用于通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供給單元，用于將燃料提供給重整器；和氧供給單元，用于將氧提供給重整器和發(fā)電器。重整器包括多個(gè)板和至少一個(gè)催化劑層，所述多個(gè)板堆疊來(lái)形成至少一個(gè)通道，用于允許從包括燃料和氣體的組選擇的材料通過(guò)其流動(dòng)，而所述催化劑層形成于構(gòu)成每個(gè)各自的通道的整個(gè)表面上。
文檔編號(hào)C01B3/38GK1713428SQ20051007954
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者韓知成, 權(quán)鎬真, 金周龍, 樸真, 林炫廷 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社