本發(fā)明總體上涉及通過燃料電池產(chǎn)生電能的領(lǐng)域。更具體地，其涉及一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池堆、用于將要被送過催化重整裝置以便形成游離氫部分的甲醇和水的混合物蒸發(fā)的蒸發(fā)器，所述燃料電池堆是由許多質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)成的，每個質(zhì)子交換膜燃料電池具有呈陽極和陰極形式的用于傳送電流的電極，游離氫和陽極接觸形成離子形式的反應(yīng)與電極之間的電流流量成比例。

背景技術(shù)：

在電化學(xué)中，燃料電池將原始燃料轉(zhuǎn)化成電能和熱量，并且只要持續(xù)提供原始燃料將持續(xù)產(chǎn)生。

燃料電池的基本轉(zhuǎn)化技術(shù)被熟知已經(jīng)至少一個世紀(jì)，但是最新的改進(jìn)和對燃料節(jié)省和環(huán)保技術(shù)的需求已經(jīng)使其重獲新生。此外，燃料電池技術(shù)對于在移動的或偏遠(yuǎn)的平臺上供電和對于備份方案是有利的。

簡要的解釋來說，使用質(zhì)子交換膜技術(shù)，燃料電池需要提供氫氣以使其沿著形成陽極的第一電極通過，并且提供氧氣(一般直接用外界空氣)以使其沿著形成陰極的第二電極通過。離子導(dǎo)電層(一般是包括鉑和磷酸的聚合物薄膜)設(shè)置在這些電極之間。提供氫氣和氧氣，在電極之間產(chǎn)生電壓，并且電流將能夠在這些電極之間流動并對相連的耗電體供電。與電流的牽拉(draw)對應(yīng)地，許多氫氣和氧氣分子將反應(yīng)，隨后當(dāng)在排氣裝置中結(jié)合時，氫離子和氧將形成作為最終產(chǎn)品的水。此外，該系統(tǒng)會產(chǎn)生熱量。

因?yàn)楸匾难鯕夤?yīng)是通過獲取包含氧氣的足夠量的外界空氣來實(shí)現(xiàn)的，所以利用燃料電池的總需求是要形成穩(wěn)定且足夠的氫氣供應(yīng)。供應(yīng)氫氣可以由小的或大的壓力缸實(shí)現(xiàn)，但是氫氣的分配和存放是關(guān)鍵的，因?yàn)闅錃馐歉叨纫妆瑲怏w。增壓氫氣是相當(dāng)耗能的，甚至增壓形式的氫氣也占據(jù)相對多的空間。一個更好的解決方案是通過將更穩(wěn)定形式的燃料轉(zhuǎn)化成包含大量氫氣的合成氣體(下文中稱作合成氣)來就地直接產(chǎn)生氫氣。

注意到使用甲醇來產(chǎn)生包含氫氣的合成氣的工藝在其開始分配時是顯然有利的。該技術(shù)描述了高低溫燃料電池堆，其中120攝氏度的溫度是通常理解的技術(shù)之間的分界溫度。更具體地，低溫系統(tǒng)通常工作在大約70攝氏度的溫度區(qū)域內(nèi)，高溫系統(tǒng)通常工作在大約160攝氏度的溫度區(qū)域內(nèi)。然而，對于這兩種技術(shù)，應(yīng)用這種工藝需要用于處理燃料和供應(yīng)包含游離氫的合成氣的重整裝置。被處理的燃料是甲醇水溶液，下文中稱作液體燃料。在第一階段中，加熱器使液體燃料蒸發(fā)并將氣體運(yùn)送到所述重整裝置。所述重整裝置包括含有銅的催化劑，其除了加熱之外，還將液體燃料轉(zhuǎn)化成主要由氫氣組成的合成氣，該合成氣具有相對大的二氧化碳含量和少量的水霧和一氧化碳。該合成氣可以直接用作用于向燃料電池供應(yīng)燃料的燃料源。

對于重整裝置的有效操作，現(xiàn)有技術(shù)建議重整裝置要布置為豎立的本體，使得進(jìn)入的氣體在不與重整裝置催化劑相互作用并且被重整成所需的合成氣的情況下不能溢出。不過這種設(shè)計方法在想要建立更緊湊的燃料電池系統(tǒng)并且優(yōu)選設(shè)計為具有明顯優(yōu)點(diǎn)的可更換支架單元時存在挑戰(zhàn)。

因此，需要一種改進(jìn)的重整裝置設(shè)計以便于獲得更緊湊的設(shè)計。還需要一種改進(jìn)的重整裝置設(shè)計，其以更可靠的方式確保由蒸發(fā)器傳送的全部量的供應(yīng)氣體混合物被重整成合成氣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的總體目的是提供一種燃料電池系統(tǒng)，其具有更緊湊的重整裝置設(shè)計，其還提供了更好的方式來確保將全部量的供應(yīng)氣體混合物重整成合成氣。

研究顯示，在現(xiàn)有重整裝置的豎立設(shè)計中，氣體會以最低的阻力在通道中流動。這一般是沿著重整裝置本體的豎向壁。催化劑(為添加有銅的碳丸)將易于在該本體中聚集成團(tuán)，這甚至?xí)怏w流引導(dǎo)到豎向壁處的通道并降低重整裝置的效果。催化劑的體積將進(jìn)一步取決于催化劑的溫度和氧化水平。因此，甚至在重整裝置中催化劑的體積達(dá)到頂點(diǎn)將不會確保重整裝置填充催化劑到最佳實(shí)現(xiàn)將液體燃料重整成合成氣的工藝水平。

根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的目的是通過在燃料電池系統(tǒng)中添加正如在權(quán)利要求1中限定的重整裝置的技術(shù)特征來達(dá)到的。

更具體地，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆、填充有催化劑的催化重整裝置、蒸發(fā)器，所述催化重整裝置具有用于接收氣體流的入口和用于將合成氣傳送到燃料電池堆的出口，所述蒸發(fā)器用于將要被送過所述催化重整裝置以便產(chǎn)生游離氫的部分的甲醇和水的混合物蒸發(fā)，所述燃料電池堆由許多質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)成，每個質(zhì)子交換膜燃料電池具有陽極和陰極形式的用于傳送電流的電極，游離氫和陽極接觸形成離子形式的反應(yīng)與電極之間的電流流量成比例，其中所述重整裝置包括用于包含催化劑的至少兩個腔室，每個腔室具有用于接收氣體流的入口和用于使氣體流通向后續(xù)腔室或者通向該重整裝置的出口的出口。

在一個實(shí)施方式中，通過插入壁從而將所述本體分成腔室來提供這些腔室。這樣具有引導(dǎo)氣體通過重整裝置并確保氣體流與催化劑接觸并將其重整成合成氣的效果。通過重整裝置的路徑做的較長以避免氣體找到通過該重整裝置的捷徑。

在一個實(shí)施方式中，在所述腔室之間在所述壁中設(shè)置至少一個開口以用作氣體流動路徑。該壁將會引導(dǎo)氣體流，所述開口會確保氣體流沿著通過該系統(tǒng)的旨在路徑流動。因?yàn)殚_口可以設(shè)置在重整裝置分隔壁的頂部和底部中，所以可以在重整裝置內(nèi)上或下行進(jìn)方向引導(dǎo)氣流，從而占用更少的空間，確保氣體足以與重整裝置催化劑接觸并被重整成合成氣。

在又一個實(shí)施方式中，通過限制重整裝置模塊內(nèi)的壁的長度來設(shè)置這些開口。更具體地，用于分隔的這些壁自所述本體的頂部向下突伸布置或者自所述整體的底部向上突伸布置。

為了延長氣體流通過重整裝置模塊的路徑，用于提供重整裝置腔室的這些壁的形狀使得形成上下的Z字形路徑。獲得的效果是為通過該系統(tǒng)的氣流提供了延長的路徑以及與催化劑更好的接觸。達(dá)到的進(jìn)一步的效果是引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離所述壁并進(jìn)入催化劑材料的中間，從而提供與催化劑更好的接觸?？傮w的結(jié)果是更好地將燃料重整成合成氣。

此外，在一個實(shí)施方式中，將氣流分成兩個或更多個平行路徑的分隔壁插入該路徑中并改善了氣體與催化劑的接觸和富含氫氣的合成氣的形成。分隔壁還用作加熱元件。

在另一個實(shí)施方式中，這些壁成形為使得所述通道筆直豎向的。這具有為氣流提供長路徑的效果。所述通道的豎向取向?qū)⑦M(jìn)一步有助于氣流沿著通到催化劑材料中間的路徑流動。

在另一個實(shí)施方式中，這些壁成形為使得所述通道不是筆直豎向的。應(yīng)該理解的是，所述通道的延長將需要所述重整裝置的筆直豎向部段通過非筆直豎向取向的輸送部段相互連接。此外，所述通道的非筆直豎向取向部段的效果將引導(dǎo)氣流進(jìn)入催化劑材料的中間。

在一個實(shí)施方式中，這些壁成形為使得所述通道的各部段是筆直豎向的，可選地具有非筆直豎向部段。應(yīng)該理解的是該實(shí)施方式將用于引導(dǎo)氣流到達(dá)通道的中間以便于使氣流與催化劑接觸并將更大量的蒸發(fā)氣體重整成合成氣。

在一個實(shí)施方式中，這些壁成形為使得所述通道沿著遠(yuǎn)離直的水平或豎向方向傾斜的路徑。因此，該路徑將氣流引向該通道的中間，氣體將會更多地與催化劑接觸。

此外，這些壁可以形成直線或者它們可以彎曲或幾何地成形。

更明確地，所述通道的可以被意識到的實(shí)施方式在于這些壁成形為氣流被重新引向腔室或者所述通道的中間以確保氣流盡可能多地與催化劑接觸。

在另一個實(shí)施方式中，這些壁包括用于使氣流從重整裝置本體的入口到出口的行程最大化的突伸壁。突伸壁的應(yīng)用將避免構(gòu)造分路，確保氣流將會與催化劑接觸，并增強(qiáng)將燃料重整成合成氣的過程。

在另一個實(shí)施方式中，這些壁包括突出部形式的突伸元件，其用于重新引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離腔室的壁。因?yàn)闅饬鞅灰龑?dǎo)遠(yuǎn)離這些壁并被引向催化劑材料的中間，所以確保了氣體與催化劑接觸并增強(qiáng)將燃料重整成合成氣的過程。

正如解釋的，重整裝置殼體使用熱量和催化劑將霧化甲醇重整成富含氫氣的合成氣。包括所有所述壁的該殼體因此用作將熱能傳遞到該過程中的加熱元件。

所解釋的實(shí)施方式可以單獨(dú)獲得或者正如可以意識到的可以與其中使氣流盡可能多地與催化劑接觸的重整裝置的總體目的進(jìn)行結(jié)合，籍此產(chǎn)生具有非常有限的非重整氣體含量(如果有)的合成氣。通過便于獲得高質(zhì)量的重整合成氣，燃料電池堆的操作會更可靠和有效。

尤其可以意識到的該系統(tǒng)的一個實(shí)施方式是這些元件形成了模塊，這些模塊以模塊化方式裝在一起形成系統(tǒng)。重整裝置模塊可以有利地由一塊材料形成，優(yōu)選鋁，一側(cè)上具有重整裝置腔體，該腔體具有上述的通過形成所述通道的壁提供的路徑，另一側(cè)上裝備有吸熱/輸熱翼片用于從該另一側(cè)上獲取熱能。用于提供液體燃料蒸發(fā)的被吸收的熱能可以從廢氣燃燒器的排氣中供應(yīng)。尤其可以意識到的是如果來自于廢氣燃燒器的排氣被沿著蒸發(fā)器模塊的翼片完全或部分地運(yùn)送則實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)更好的效能。應(yīng)該理解的是這些模塊可以在物理上使用各種生產(chǎn)方法制造，例如模鑄或通過在機(jī)械加工過程中刻出模塊通道。

正如所解釋的，所述重整裝置模塊優(yōu)選地由鋁制成，但是可以預(yù)見可以使用其他熱傳導(dǎo)材料，比如鐵合金、不銹鋼、鎂以及陶瓷材料。

附圖說明

將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中：

圖1示出了燃料電池系統(tǒng)的示意圖。

圖2示出了用于將霧化的液體燃料重整成合成氣的重整裝置模塊的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了一種燃料電池系統(tǒng)1，其包括燃料電池堆2、許多支撐模塊，這些支撐模塊用于向所述燃料電池堆2提供能夠使該燃料電池堆2產(chǎn)生穩(wěn)定電流流量的改良燃料。供應(yīng)到燃料電池堆2但沒有轉(zhuǎn)化成電流的過剩氣體被送到廢氣燃燒器3。廢氣在正常操作條件下在500攝氏度的溫度范圍內(nèi)，并且能量被回收以用于制備合成氣，該合成氣用于給燃料電池堆2加燃料。更詳細(xì)地，廢氣被運(yùn)送通過熱交換器模塊4，所述熱交換器模塊4獲取來自于廢氣的熱量并且將該熱量傳遞到燃料電池堆中相鄰的模塊，這里是蒸發(fā)器模塊5。

液體燃料，即甲醇和水的混合物，被處理成由在燃料電池堆2中使用的游離氫構(gòu)成的合成氣。在蒸發(fā)器模塊5中，燃料被霧化和蒸發(fā)成液體燃料的兩相階段。此外，將蒸發(fā)的氣體被運(yùn)送到催化重整裝置模塊6，該催化重整裝置模塊6將蒸發(fā)的氣體重整成主要由游離氫構(gòu)成的合成氣。該催化重整裝置模塊6包括含有銅的催化劑，其除了加熱之外將蒸發(fā)的液體燃料轉(zhuǎn)化成燃料電池堆2可直接使用的合成氣。燃料電池堆2和廢氣燃燒器3的廢熱被引導(dǎo)通過蒸發(fā)器模塊5和催化重整裝置模塊6中的通道。所述催化重整裝置6中需要的溫度最高，因此所述催化重整裝置6直接布置在廢氣燃燒器3之后。在廢氣通道的稍后階段，蒸發(fā)器模塊5獲取來自于廢氣的熱量以便于將液體燃料蒸發(fā)成氣體。

圖2示出了包括重整裝置7的重整裝置模塊6的示意圖。示出了該重整裝置模塊處于豎立位置中，其中工作系統(tǒng)中的該取向是逆時針傾斜了90度。換言之，附圖標(biāo)記6指向該系統(tǒng)的頂部。

現(xiàn)有系統(tǒng)的工作系統(tǒng)中的系統(tǒng)取向是處于豎立位置，其中氣體會從底部向上流到頂部并與重整裝置容器內(nèi)的催化劑接觸。正如所解釋的，缺點(diǎn)是該系統(tǒng)在豎向方向上占據(jù)很多空間，氣流沒有與催化劑足夠接觸且沒有被足夠重整成合成氣。不足夠的合成氣品質(zhì)對燃料電池系統(tǒng)的總體系統(tǒng)具有負(fù)面影響。

如圖2中示出的重整裝置模塊6包括重整裝置7，該重整裝置7包括容器8，容器8具有入口9，該入口9用于將要被重整成合成氣的霧化和蒸發(fā)的液體燃料供應(yīng)到所述容器8中催化劑的周圍10。還具有用于輸出合成氣的出口11。由于圖2的視角，所述出口不可見，在該位置處做出了參考標(biāo)記。合成氣被直接運(yùn)送到燃料電池堆2。

正如可以從圖1看出的，重整器模塊6和容器8形成為拉長的立方體。因此圖2中的視角畫出了重整裝置7的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。重整裝置的特點(diǎn)是從入口9到出口11的路徑上下延伸，由此將該路徑延長用于獲得長的氣流行程以便于使供應(yīng)的液態(tài)的、霧化的或蒸發(fā)的氣體與催化劑10接觸。為了將所述容器8分成腔室，插入壁12。這些壁12在本實(shí)施方式中從容器8的頂部或底部伸出，但是可以具有完整的長度并且可以在腔室之間提供穿透部。這些穿透部可以在特定的位置做出，迫使氣流沿著有助于氣流更多地接觸容器8中的催化劑10的特定路徑流動?？梢圆迦肓硗獾姆指舯?3以在容器內(nèi)將氣流分成單獨(dú)的幾股。所述壁12和分隔壁13還用作加熱元件，用于將催化劑10和供應(yīng)的氣體加熱到可以發(fā)生形成合成氣的反應(yīng)的溫度。在本實(shí)施方式中所述壁12和分隔壁13示出了是筆直豎向取向的。然而，所述壁的取向可以在所有方向上，所述壁12和分隔壁13可以具有不是直的而是可以以另一種合適的樣式彎曲或成形的形狀，例如形成蝸形或迷宮形式。所述壁12或分隔壁13還可以裝備有突伸壁14，該突伸壁14將會增強(qiáng)熱量形式的熱能傳遞到催化劑10或氣體。此外，所述突伸壁14將有助于延長氣流的行程，并因此提供與催化劑更大程度的接觸。這將會提供更好品質(zhì)的合成氣和更好的總體系統(tǒng)性能。此外，所述突伸壁14可以形成突出部15，該突出部15用于引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離所述壁并進(jìn)入所述路徑的中間，在所述路徑的中間氣流將更多地與催化劑接觸。所述突出部15可以采取開始是一段直的豎向線接著是一段斜線的形式，或者反之亦然。突出部還可以通過兩條斜線形成或者以旨在引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離所述壁的另一種方式成形。在圖2中示出了突出部15的更多的示例。

為了理解該系統(tǒng)，這些系統(tǒng)元件構(gòu)造為可以通過傳統(tǒng)的螺釘和螺栓固定在一起的模塊。例如用于廢氣的路徑從模塊到模塊延伸以便于獲取盡可能多的熱能并得到高效能的系統(tǒng)。因此，這些模塊可以使用它們之間的墊片連接，正如可以在圖1中在蒸發(fā)器模塊5與重整裝置模塊6之間看出的。

這些模塊可以通過機(jī)械加工材料條塊制造，但是也可以通過模鑄、擠壓、燒結(jié)等來提供。在本實(shí)施方式中，蒸發(fā)器模塊使用鋁質(zhì)條塊并在鋁質(zhì)條塊的第一側(cè)上刻出用于重整裝置的通道來提供。所述鋁質(zhì)條塊的另一側(cè)設(shè)有用于從燃燒器排氣中獲取熱能的翼片。

本發(fā)明提供了一種用于燃料電池系統(tǒng)的改進(jìn)的催化劑重整裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)一種緊湊的重整裝置設(shè)計，用于結(jié)合到平的可安裝支架的系統(tǒng)中。通過這種新的設(shè)計，解決了現(xiàn)有催化重整系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，以精細(xì)的方式提供了用于催化劑的容器，其用于提供通過該系統(tǒng)的特定路徑，這確保了氣流盡可能多地與催化劑接觸并被重整成合成氣。