專利名稱：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)，其將燃料重整成富氫的氣體，并通過(guò)富氫氣體與氧反應(yīng)而發(fā)電。
背景技術(shù)：
根據(jù)所采用的電解質(zhì)的類型，燃料電池分為聚合物電解質(zhì)燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池等。加到燃料電池單元中的氫可以由在重整器中重整成的富氫氣體的燃料提供而不是由集氣筒提供。至于燃料，可以采用天然氣、丙烷氣體、甲醇以及類似氣體。為將燃料重整成富氫氣體，將水和燃料分別加到重整器中，通過(guò)采用一種催化劑來(lái)產(chǎn)生富氫氣體。
然而，近幾年的燃料電池系統(tǒng)不必要地顯示出用于燃料重整成富氫氣體時(shí)高的催化活性。因此，增大重整器的尺寸，以提供發(fā)電所必需的合適的氫氣量由于重整器增大了，使得整個(gè)燃料電池系統(tǒng)也增大了。
另外，在這樣的燃料電池系統(tǒng)中，需要提供用于重整反應(yīng)的燃料和水的泵。因此需要留給泵的空間。因?yàn)轵?qū)動(dòng)泵的電源可能由燃料電池所產(chǎn)生的電來(lái)提供，所以燃料電池發(fā)電的總效率將會(huì)降低。
本發(fā)明用來(lái)解決前面的問(wèn)題。本發(fā)明的目的就在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，其以小型且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)高效率地將燃料重整為富氫氣體，且高效率地發(fā)電。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)方面在于燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)包括醚、水和醇的燃料的燃料槽；汽化該燃料的汽化器；將汽化后的燃料和水重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于除去或減少富氫氣體中的CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。
本發(fā)明的另一個(gè)方面在于燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)著包括醚的第一燃料的第一燃料槽；存儲(chǔ)著包括甲醇和水的第二燃料的第二燃料槽；汽化第二燃料的汽化器；將第一和第二燃料重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于從富氫氣體中除去或減少CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電。
本發(fā)明的另一個(gè)方面在于燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)著包括醚的燃料的第一槽；存儲(chǔ)著水的第二槽；存儲(chǔ)著氫的第三槽；汽化水的汽化器；重整器用于將燃料、水和氫導(dǎo)入以將該燃料重整成富氫氣體；CO去除裝置，用于從富氫氣體中除去或減少CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。
本發(fā)明的另一個(gè)方面在于用于燃料電池系統(tǒng)的燃料，包括二甲醚；水和5-10wt％的甲醇，其中二甲醚和水的混合比例在1∶3到1∶4的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面在于用于燃料電池單元的燃料槽，包括二甲醚、水和甲醇。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料槽的剖視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例第一改進(jìn)方式的框圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例第二改進(jìn)方式的框圖。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例的框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例改進(jìn)方式的框圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示例的框圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例第一改進(jìn)方式的框圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例第二改進(jìn)方式的框圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例第三改進(jìn)方式的框圖。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例電池燃料系統(tǒng)的示例的框圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例改進(jìn)方式的框圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖對(duì)本發(fā)明各種實(shí)施例進(jìn)行描述。要說(shuō)明的是相同或相似的標(biāo)記代表附圖中相同或相似的部分及元件，并且省略或簡(jiǎn)單描述了相同或相似部分及元件的說(shuō)明。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然沒有那些特殊細(xì)節(jié)本發(fā)明也是可以實(shí)施的。
(第一實(shí)施例)如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1a包括燃料槽(第一燃料槽)13，其用于儲(chǔ)存包括醚、水、醇的燃料；汽化器17，其用于汽化燃料；重整器11，其用于將汽化的燃料重整成富氫氣體；CO去除裝置19，其用于除去或減少富氫氣體中的CO氣體；和燃料電池單元9，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。
第一燃料槽13是一個(gè)可存儲(chǔ)包括液體和氣體的燃料的容器。如圖2所示，第一燃料槽13具有一個(gè)用于存儲(chǔ)燃料的盒單元131，和一個(gè)用于將盒單元135相對(duì)于盒單元131固定的保持單元135。從盒單元131突出的凸起131a設(shè)置在盒單元131的一端。凸起131a在其外側(cè)壁上具有螺紋用來(lái)與保持單元135連接。用于將燃料從盒單元131內(nèi)部釋放出去的開口131b設(shè)置在凸起131a的中心?！癟”形閥門元件132從第一燃料槽13內(nèi)部插入到開口131b中。彈簧134的一端固定到閥門元件上。彈簧元件的另一端固定到凸起131a的內(nèi)壁上。在燃料槽13的內(nèi)壁上，第一O形環(huán)133設(shè)置在凸起131a內(nèi)壁上的小凹槽中。因?yàn)殚y門元件132受到燃料的壓力，并由彈簧134的彈力拉到O形環(huán)133處，因此防止存儲(chǔ)在盒單元131中的燃料漏出去。
保持單元135具有用于插入凸起131a的凹槽135a，這樣可以固定盒單元131。與凸起131連接的螺紋形成在凹槽135a的內(nèi)壁上。閥門推進(jìn)單元135b從凹槽135a底面中心處突出出來(lái)。將燃料從盒單元131中釋放出去的延長(zhǎng)單元(producing unit)135c圍繞著閥門推進(jìn)單元135b設(shè)置。第二O形環(huán)136d設(shè)置在凹槽135a底面上的小凹槽中。盒單元131固定到保持單元135上，且通過(guò)第二O形環(huán)136d彼此密封附著。當(dāng)盒單元131和保持單元135通過(guò)第二O形環(huán)136d附著或連接時(shí)，閥門推進(jìn)單元135c向上推動(dòng)閥門元件132的端部。這樣，存儲(chǔ)在盒單元131中的燃料被引入延長(zhǎng)單元135c或通道中。燃料引到與延長(zhǎng)單元135c或通道連接的供給單元136中。
在燃料槽13中，存儲(chǔ)著含有醚、水和醇的液體燃料。對(duì)于這種燃料，例如，可以向1∶4摩爾比例的二甲醚(DME)和水(H2O)的溶液提供含有大約5％重量的甲醇(CH3OH)的溶液。如下面的化學(xué)平衡方程式(1)所示，DME與水以1∶3的摩爾比例進(jìn)行化學(xué)計(jì)量比的反應(yīng)，產(chǎn)生氫(H2)和二氧化碳(CO2)。
......(1)為了實(shí)現(xiàn)高效率地產(chǎn)生氫，與DME混合的水量需要大約H2O∶DME＝1∶3的化學(xué)計(jì)量摩爾比例。另外，為了徹底地將DME重整，水和DME的化學(xué)計(jì)量比可以設(shè)定成大于3。因此，需要將DME和水的混合比例設(shè)定在1∶3到1∶4摩爾比例范圍左右。然而，DME在室溫(25℃)只有在大約1∶7摩爾比例時(shí)才溶解。因此，加入令DME和水具有更強(qiáng)親合力力的甲醇使得DME和水在1∶4的摩爾比例時(shí)溶解。加入的甲醇的量少于大約10wt％，更優(yōu)的是在5-10wt％范圍。當(dāng)燃料中的甲醇的量降低到少于5wt％的時(shí)候，DME和水將會(huì)分成兩相。將DME重整成氫的所需燃料比例為大約小于10wt％甲醇，更優(yōu)的是在5-10wt％范圍內(nèi)。
眾所周知，室溫(25℃)時(shí)DME的蒸汽壓力為6atm，這高于大氣壓力。當(dāng)DME、水和甲醇的混合溶液作為燃料在室溫條件下存儲(chǔ)在第一燃料槽13中時(shí)，第一燃料槽13中的蒸汽壓力依賴于燃料的組成。在5wt％甲醇，與1∶4摩爾比例的DME和水的情況下，第一燃料槽13中會(huì)有大約4atm的蒸汽壓力產(chǎn)生。
如圖1所示，可改變流速的導(dǎo)通程度可變閥門15通過(guò)管道與第一燃料槽13的下游側(cè)聯(lián)接。質(zhì)量流控制閥門47同聯(lián)接到導(dǎo)通程度可變閥門15下游側(cè)上的管道聯(lián)接。聯(lián)接到質(zhì)量流控制閥門47上的管道與汽化器17聯(lián)接。當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥門15和質(zhì)量流控制閥門47打開時(shí)，存儲(chǔ)在第一燃料槽13中的燃料混合溶液借助第一燃料槽13中的蒸汽壓力主動(dòng)地供給到汽化器17中。因此，可以省去提供燃料的泵，并且整個(gè)系統(tǒng)縮小了，且由此省去用于泵的能源。因?yàn)榈谝蝗剂喜?3中的燃料混合溶液是的液態(tài)提供的，因此燃料的混合比例可以在適當(dāng)?shù)臈l件下維持不變。
汽化器17通過(guò)加熱使液態(tài)燃料汽化。利用設(shè)置在系統(tǒng)外面的加熱器或后面將提到的燃燒器23將汽化器17加熱到150-250℃。另外，第一燃料槽13中的壓力使汽化器17受的壓力高于大氣壓力。汽化器17中的蒸汽燃料經(jīng)由管道到達(dá)重整器11中。
設(shè)置重整器11用于讓在汽化器17中汽化后的燃料和水反應(yīng)，并將燃料重整成富氫氣體。利用設(shè)置在系統(tǒng)外面的加熱器(未示出)或燃燒器23將重整器11加熱到大約300-400℃，或者更優(yōu)的是加熱到約350℃?！爸卣呋瘎焙汀稗D(zhuǎn)化催化劑”可以加到重整器中?！爸卣呋瘎奔涌烊剂系闹卣磻?yīng)?！稗D(zhuǎn)化催化劑”加快了從CO和H2O產(chǎn)生H2和CO2的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。對(duì)于重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑，可以采用含有氧化鋁(Al2O3)以及從銠(Rh)、鈀(Pd)、鉑(Pt)和銅(Cu)組中選出的一種金屬的催化劑。在如圖1所示的重整器中，采用的是含有氧化鋁(γ-氧化鋁)和Rh的催化劑。另外，含有γ-氧化鋁和Cu/Zn的催化劑可以作為轉(zhuǎn)化催化劑加入。
在重整器11中，進(jìn)行了下面的化學(xué)平衡方程式(2)、(3)和(4)......(2)......(3)......(4)這里，方程式(2)和(3)稱作“重整反應(yīng)”。方程式(4)稱作“轉(zhuǎn)化反應(yīng)”。
通常，方程式(2)表示的DME水解反應(yīng)的反應(yīng)速度要低于方程式(3)和(4)表示的反應(yīng)速度。當(dāng)來(lái)自DME水解反應(yīng)的水解產(chǎn)物甲醇分解時(shí)，會(huì)促進(jìn)方程式(2)表示的DME水解反應(yīng)。因?yàn)闅浒诋a(chǎn)品氣體中，所以氫原子吸附到催化劑的表面上，并且吸附到催化劑上的氫原子加快了方程式(2)表示的DME水解反應(yīng)。
因?yàn)槿剂习状?，所以反?yīng)速度快于方程式(2)的反應(yīng)的方程式(3)的分解反應(yīng)發(fā)生并產(chǎn)生氫。氫提示了反應(yīng)(2)表示的DME重整反應(yīng)的效率，改進(jìn)了從DME到富氫氣體的轉(zhuǎn)化。因此，圖1中示出的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)1a在DME到富氫氣體的重整反應(yīng)中可以實(shí)現(xiàn)很高的效率。
另外，由于重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑是混合在一起處于同一容器中的，因此重整反應(yīng)和轉(zhuǎn)化反應(yīng)是在同一時(shí)間進(jìn)行的。換句話說(shuō)，當(dāng)進(jìn)行方程式(4)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)時(shí)，CO發(fā)生反應(yīng)并被去除了。當(dāng)重整器11中的CO濃度降低時(shí)，加快了方程式(3)的分解甲醇的反應(yīng)。當(dāng)甲醇分解反應(yīng)在重整器11中被加快時(shí)，方程式(2)的DME水分解反應(yīng)也被加快。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了DME高效重整反應(yīng)。因此，圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)1a可以實(shí)現(xiàn)燃料到富氫氣體的高效重整。而且，由于重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑處于同一容器中，因此可以使燃料電池系統(tǒng)1a的尺寸最小化。
如方程式(3)所示，重整器11中的重整后氣體含有很少量的CO氣體。為了除去或減少CO氣體，將CO去除裝置19聯(lián)接到重整器11的下游側(cè)上。在CO去除裝置中，將進(jìn)行下列方程式示出的“選擇性甲烷化反應(yīng)”......(5)這里，氣體中的CO減少到摩爾濃度少于10ppm?？梢栽贑O去除裝置19中使用加快CO與H2反應(yīng)產(chǎn)生CH4和H2O的甲烷化催化劑，該催化劑不會(huì)使CO2和H2反應(yīng)。可以采用釕(Ru)作甲烷化催化劑。需要采用一個(gè)與CO除去裝置19下游側(cè)聯(lián)接的背壓調(diào)節(jié)閥49對(duì)CO除去裝置加壓。對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥49的上游側(cè)可以受壓大約3atm。因此，當(dāng)給CO除去裝置19加壓時(shí)，重整和甲烷化反應(yīng)比在大氣壓力條件下的反應(yīng)進(jìn)行得更有效。
除去CO氣體的另外一種方式是通過(guò)下列反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的......(6)在方程式(6)的反應(yīng)中，當(dāng)將氧加到CO除去裝置19中時(shí)，可以選擇性地氧化和除去CO氣體。這樣，在CO去除裝置19中可以采用諸如釕(Ru)的部分氧化催化劑。諸如Ru的催化劑可以促進(jìn)CO與氧反應(yīng)，且不會(huì)使氫和氧不會(huì)大量反應(yīng)。
在背壓調(diào)節(jié)閥49的下游側(cè)，與燃料電池單元9聯(lián)接。燃料電池單元9可以采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。燃料電池單元9包括燃料極(陽(yáng)極)5、和燃料極5相對(duì)的空氣極(陰極)7和允許在燃料極5和空氣極7之間進(jìn)行離子傳導(dǎo)的聚合物電解質(zhì)膜(離子交換膜)3。聯(lián)接到背壓調(diào)節(jié)閥49上的管道與燃料極5的上游側(cè)聯(lián)接。富氫氣體經(jīng)由管道流到燃料極5。在燃料極5中，在燃料電池5中的陽(yáng)極催化劑附近氫離解成氫離子和電子。離解出的電子經(jīng)由外部電路經(jīng)過(guò)陰極(空氣極)7。離解出的氫離子經(jīng)過(guò)聚合物電解膜3并移動(dòng)到空氣極7。因此，空氣極7中，氫離子與氧和經(jīng)過(guò)外部電路的電子反應(yīng)并產(chǎn)生水。這樣，產(chǎn)生了電。
在燃料電池單元9的燃料極5中，提供含有氫的氣體。含有氫的氣體經(jīng)由管道35引入到燃燒器23中。使氣體燃燒的空氣是從第一泵25流入，通過(guò)與第一泵25連接的熱交換器29和與熱交換29連接的管道27，再經(jīng)與管道27連接的質(zhì)量流控制閥門33以及與空氣極5上游側(cè)管道連接的管道27B供給的。
燃燒器23是一個(gè)催化燃燒器，使用催化劑將從燃料極5經(jīng)管道35進(jìn)入到燃燒器中的氣體燃燒。燃燒器23可以被加熱到300-400℃。將催化燃燒產(chǎn)生的熱傳送到蒸餾器17和重整器11中，這些熱量可用于蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)。燃燒后的氣體供應(yīng)給與燃燒器23下游側(cè)連接的管道24和與管道24連接的熱交換器29。在熱交換器29內(nèi)部，氣體冷卻并產(chǎn)生水。在熱交換器29中產(chǎn)生的水存儲(chǔ)在與熱交換器29連接的貯水器39里。存儲(chǔ)在貯水器39中的水可以經(jīng)由連在貯水器39和聚合物電解質(zhì)膜3之間的管道供到聚合物電解質(zhì)膜3處。因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以維持聚合物電解質(zhì)膜的保濕性。
第一泵25對(duì)加到空氣極7上的空氣加壓?？諝饬鹘?jīng)連接到第一泵25上的熱交換器29、管道27、質(zhì)量流控制閥33和管道27B，流到空氣極7。從空氣極7流出的部分流出氣體經(jīng)由連接到空氣極7下游側(cè)上的管道37而流到熱交換器29中。流出的氣體在熱交換器29中冷卻，在空氣極7的下游側(cè)，管道37具有從管道37中間分出的分支管37A，使含有氫和氧的部分流出氣體能夠循環(huán)。分支管37A的下游側(cè)與質(zhì)量流控制閥41聯(lián)接。質(zhì)量流控制閥41經(jīng)由管道27B與聯(lián)接到空氣極7上游側(cè)上的第二泵43聯(lián)接。
根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1a中，含有DME、水和甲醇的燃料存儲(chǔ)在第一燃料槽13中。通常，在室溫條件下醚以1∶7的摩爾比例溶解于水。然而，甲醇使醚以1∶4的摩爾比例溶解于水。因此，可以得到重整燃料的所需的化學(xué)計(jì)量比。因此，由于只有用于重整反應(yīng)的最少量的水可以存儲(chǔ)在第一燃料槽13中，燃料混合溶液的體積可以減小。而且，由于用于汽化水所必需的汽化熱也可以以需要的量節(jié)省，提高了燃料電池系統(tǒng)1a的重整效率。由于汽化器17的加熱區(qū)域減小，汽化器17的整個(gè)尺寸可以減小。
另外，圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)1a可以在重整器11的同一容器中提供重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑。因此，方程式(2)和(3)中的重整反應(yīng)以及方程式(4)中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以同時(shí)進(jìn)行。這樣，同催化劑分別供給的系統(tǒng)相比，可以減小燃料電池系統(tǒng)1a整個(gè)系統(tǒng)。
另外，一部分從空氣極7排出的氣體由第二泵43抽吸，并送到空氣極7處。當(dāng)聚合物電解質(zhì)膜3的保濕性降低時(shí)，聚合物電解質(zhì)膜3的膜電阻增加同時(shí)允許質(zhì)子從燃料極5移到空氣極7。由于從空氣極7排出的部分氣體要進(jìn)行循環(huán)并送到空氣極處，所以聚合物電解質(zhì)膜3的保濕性可以保持在合適的條件。
另外，一部分未送到空氣極7處的氣體帶有的水在被熱交換器39凝結(jié)成水之后也被送到聚合物電解質(zhì)膜3那里。這樣，聚合物電解膜3的保濕性可以保持在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。
由于第一燃料槽13中的燃料的蒸汽壓力是分別作用在汽化器17、重整器11、CO去除裝置19和燃料電池單元9上的，因此可以省去提供燃料的泵。因此，不再需要用于泵的電源，并且整個(gè)燃料電池系統(tǒng)1a也可以減小以及簡(jiǎn)化。還省去了提供給泵的電能。另外，蒸汽氣壓力使得重整器11中重整反應(yīng)進(jìn)行的壓力高于大氣壓力，同大氣壓力條件下進(jìn)行重整反應(yīng)的系統(tǒng)相比，可以減小重整器11的尺寸。
下面，參考附圖1，將描述使用根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1a的方法。
首先，打開導(dǎo)通程度可變閥門15和質(zhì)量流控制閥門47以適當(dāng)控制流量。當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥門和質(zhì)量流控制閥門47打開時(shí)，液態(tài)燃料被第一燃料槽13中的蒸汽壓力主動(dòng)地送到汽化器17中。接著，液態(tài)燃料受熱并在加熱到大約150℃～250℃范圍的汽化器17中汽化。汽化后的燃料經(jīng)由聯(lián)接到汽化器17上的管道導(dǎo)入重整器11中。
接下來(lái)，重整器11將汽化后的燃料重整成富氫氣體。將重整器11加熱到300-400℃的范圍。在重整器11中，進(jìn)行的是由方程式(2)和(3)表示的DME重整反應(yīng)和甲醇分解反應(yīng)和通過(guò)方程式(4)表示的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。因此，產(chǎn)生了富氫氣體。富氫氣體經(jīng)由聯(lián)接到重整器11的管道導(dǎo)入CO去除裝置中。
接著，CO除去裝置19將富氫氣體中的CO氣體減小到摩爾濃度小于10ppm。在CO去除裝置19中，進(jìn)行的是反應(yīng)方程式(5)或(6)。在這種情況下，通過(guò)對(duì)背壓調(diào)節(jié)閥49施加3atm的壓力可以改進(jìn)CO去除裝置19和重整器11中進(jìn)行的反應(yīng)。同時(shí)，諸如CO、CO2、H2和H2O的氣體通過(guò)調(diào)整背壓調(diào)節(jié)閥49的流速而流到燃料極5處。
接著，通過(guò)送到燃料極5那里的氫與送到空氣極7那里的氧反應(yīng)，電池單元9可以產(chǎn)生電。通過(guò)對(duì)從第一泵25送出流經(jīng)熱交換器29、管道27、導(dǎo)通程度控制閥33和管道27B的空氣加壓，將氧送到空氣極7。從空氣極7排出的部分氣體經(jīng)由管道37導(dǎo)入到熱交換器29中，并在熱交換器29中冷卻。在熱交換器29中由氣體凝結(jié)而成的水存儲(chǔ)在貯水器39中。水經(jīng)由聯(lián)接到貯水器39上的管道流到聚合物電解質(zhì)膜3中。同時(shí)，從空氣極7排出的另一部分氣體經(jīng)由管道37流到分支管37A中。流到分支管37A中的氣體受到第二泵43的抽吸并再次送到空氣極7那里。
接著，從燃料極5排出的含有剩余氫的氣體與從第一泵25送出流經(jīng)熱交換器29、管道27、27A、質(zhì)量流控制閥31和與管道35聯(lián)接的管道的空氣混合在一起。此后，將混合物送到燃燒器23中。剩余氫氣在燃燒器23中被催化燃盡。在這種情況下，燃燒器中產(chǎn)生的熱量傳遞到汽化器17和重整器11中并用作汽化燃料的能量、重整和加熱的反應(yīng)能量。隨后，從燃燒器23排出的燃燒后的氣體導(dǎo)入到管道24中并導(dǎo)入到熱交換器29中。氣體通過(guò)熱交換器29得到冷卻和凝結(jié)。熱交換器29中從氣態(tài)凝結(jié)而成的水存儲(chǔ)在貯水器39中并送到聚合物膜3那里。
(第一實(shí)施例的第一種改進(jìn))如圖3所示，在根據(jù)第一實(shí)施例第一種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1b中，包括一個(gè)聯(lián)接到CO去除裝置19b下游側(cè)的管道34、聯(lián)接到管道34下游側(cè)的背壓調(diào)節(jié)閥21和聯(lián)接到背壓調(diào)節(jié)閥21下游側(cè)的管道36。管道36下游側(cè)聯(lián)接管道35。除了上面的其它部分基本上與圖1中的那部分結(jié)構(gòu)相同，因此，將省去這部分的描述。
CO去除裝置19b選擇性地通過(guò)從重整器11排出地富氫氣體中的氫。因此，主要含有氫的氣體送到燃料極5那里。沒有通過(guò)半透膜的其它氣體經(jīng)由管34、背壓調(diào)節(jié)閥21、管35和36送到燃燒器23中。實(shí)質(zhì)上僅選擇濾過(guò)氫的半透膜設(shè)置在CO去除裝置19b的里面。至于半透膜可以采用例如具有半透膜的二氧化硅。通過(guò)在大約350μm厚度的α-Al2O3板上沉積出的大約0.6μm厚度的γ-Al2O3膜上沉積一個(gè)具有大約0.2μm厚度的二氧化硅膜，這樣來(lái)得到具有半透膜的二氧化硅。這樣，當(dāng)半透膜安裝到CO去除裝置19b中時(shí)，其內(nèi)部溫度可以保持在大約250-350℃。利用燃料槽11和背壓調(diào)節(jié)閥21中的汽化壓力，CO去除裝置19b中的壓力將保持在高于大氣壓強(qiáng)的壓強(qiáng)。管34受到背壓調(diào)節(jié)閥213atm的壓力。由于半透膜上游側(cè)受到的壓力高于大氣壓力，所以半透膜上游側(cè)和下游側(cè)之間的壓力差會(huì)增加，并且氣體透過(guò)的速度也增加了。
在根據(jù)第一實(shí)施例第一改進(jìn)方式的燃料電池系統(tǒng)1b中，設(shè)置在CO去除裝置19b中的半透膜實(shí)質(zhì)上濾過(guò)富氫氣體中的氫。因此，具有高濃度氫的氣體導(dǎo)入到燃料極5中，并且可以提高燃料電池單元9的效率。
(第一實(shí)施例的第二種改進(jìn))如圖4所示，根據(jù)第一實(shí)施例第二種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)真空熱絕緣容器101。在真空熱絕緣容器101中，汽化器17、重整器11、CO去除裝置19和燃燒器23彼此相鄰設(shè)置。真空熱絕緣容器101具有外部容器101a和設(shè)置并連接到外部容器101a上的內(nèi)部容器101b。外部容器101a和內(nèi)部容器101b可以由玻璃制成。外部容器101a和內(nèi)部容器101b之間的空間壓力降低到低于10-3托以降低通過(guò)氣體的熱傳導(dǎo)性。外部容器101a和內(nèi)部容器101b可以由不銹鋼制成?？梢韵蛲獠咳萜?01a的內(nèi)壁和內(nèi)部容器101b的外壁上施加薄的銀(Ag)層以降低熱輻射。
在內(nèi)部容器101b中設(shè)置一個(gè)重整單元102。汽化器17、重整器11、CO去除裝置19和燃燒器23在重整單元102中彼此相鄰設(shè)置。從第一燃料槽13中供出燃料(DME+H2O+CH3OH)的管103a聯(lián)接汽化器17的上游側(cè)。在CO除去裝置19的下游側(cè)，聯(lián)接管103b以將CO去除裝置19產(chǎn)生的富氫氣體(H2+CO2+H2O+CH4+O2)導(dǎo)入到燃料極5處。在燃燒器23的上游側(cè)，聯(lián)接管104a以提供含有剩余氫的氣體(H2+CO2+H2O+CH4+O2)。在燃燒器23的下游側(cè)，連接管104b以將排出氣體(CO2+H2O)導(dǎo)入到管24中。管103a、103b、104a、104b分別穿過(guò)設(shè)在真空熱絕緣容器101開口處的熱隔離器105。為控制燃燒體23中的溫度，加熱器106可以與燃燒器23相鄰設(shè)置。
在根據(jù)第一實(shí)施例第二改進(jìn)方式的燃料電池系統(tǒng)中，汽化器17、重整器11、CO去除裝置19和燃燒器23設(shè)置在真空熱絕緣容器101中。因此，由燃燒器23產(chǎn)生的熱量不會(huì)輻射到外面，并且很容易將熱量從燃燒器23分別傳遞到汽化器17和重整器11中。因此，整個(gè)設(shè)備的熱效率提高了。
(第二實(shí)施例)如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1c中包括第一燃料槽(第一槽)13用于存儲(chǔ)包括醚的第一燃料、第二燃料槽(第二槽)71用于存儲(chǔ)包括甲醇和水的第二燃料、汽化器17用于汽化第二燃料、重整器11用于將第一和第二燃料重整成富氫氣體、CO去除裝置19用于除去富氫氣體中的CO氣體、和燃料電池單元9用于通過(guò)允許富氫氣體與氧的反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電。
在第一燃料槽13中，存儲(chǔ)著液態(tài)DME。導(dǎo)通程度可變閥52與聯(lián)接到第一燃料槽13上的管34聯(lián)接。管53與導(dǎo)通程度可變閥52的下游側(cè)聯(lián)接。第二燃料槽71聯(lián)接到管53上。管53具有一個(gè)分支管以及該分支管聯(lián)接到可自由釋放到空氣的導(dǎo)通程度可變閥54上。當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥52打開且導(dǎo)通程度可變閥54關(guān)閉時(shí)，管53中的氣體由第一燃料槽13中的壓力推動(dòng)。在第二燃料槽71中，例如，利用諸如活塞或隔膜的可動(dòng)分隔物71c將其分成第一腔71a和第二腔71b。第一腔71a中具有氣體，第二腔71b中具有包括甲醇和水的第二燃料。
當(dāng)氣體從管53流到第二腔71a中時(shí)，分隔物71c在第一腔71a中受壓并且被推向第二腔71b。當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥55聯(lián)接到第二腔71b上時(shí)，第二腔71b中的第二燃料導(dǎo)入到汽化器17中。至于第二腔71b中的第二燃料，可以采用乙醇和水。
汽化器對(duì)第二燃料進(jìn)行汽化。圖5中示出的汽化器17的詳細(xì)結(jié)構(gòu)與圖1中的汽化器部分是一樣的，因此將省略這部分的描述。在汽化器17中汽化的第二燃料經(jīng)由管導(dǎo)入到重整器11中。這時(shí)，第一燃料槽13中的DME通過(guò)打開第一燃料槽導(dǎo)入到重整器中。除了上面的其它部分大體上與圖1中的燃料電池系統(tǒng)1的部分相同。
在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1c中，第二燃料槽71中的第二燃料(CH3OH+H2O)由第一燃料槽13中地汽化壓力主動(dòng)地送到汽化器17和重整器11中。因此，提供燃料的泵可以省略，泵所需的電源也不再是必需的了。另外，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)1c可以減小和簡(jiǎn)化。
而且，在圖5中所示的燃料電池系統(tǒng)1c中，作為第一燃料的DME和作為第二燃料的甲醇和水同時(shí)導(dǎo)入到重整器11中。因此，在重整器11中，重整反應(yīng)和轉(zhuǎn)化反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的。由于甲醇的重整反應(yīng)可以分別加快DME的重整反應(yīng)，因此將DME重整成富氫氣體的效率將提高。
另外，甲醇令醚以約1∶4的摩爾比例溶解于水。因此，可以得到將燃料重整成富氫氣體的所需的摩爾比例。因此，可以提高在燃料電池系統(tǒng)1c中產(chǎn)生電的效率。
接著，參考附圖5，將描述使用根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1c的方法。
首先，關(guān)閉導(dǎo)通程度可變閥15、52、54和55，且打開導(dǎo)通程度可變閥52。第一燃料槽13中的蒸汽壓力高于大氣壓力。因此，當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥52打開時(shí)，管53中的氣體導(dǎo)入到第一腔71a中。隨后，水槽71中的分隔物71c受壓并從第一腔71a側(cè)推到第一腔71b側(cè)。當(dāng)導(dǎo)通程度可變閥55打開時(shí)，第二腔中的第二燃料利用第二燃料槽13中的飽和壓力導(dǎo)入到汽化器17中。
接著，在汽化器17中，第二燃料(含有CH3OH和H2O)汽化。隨后，汽化后的燃料導(dǎo)入到重整器11中，導(dǎo)通程度可變閥15打開，燃料槽13中的第一燃料供給到重整器11中同時(shí)控制導(dǎo)通程度，且第一燃料與汽化后的第二燃料混合在一起。在這種情況下，作為第一燃料的DME與水的混合比例控制在1∶3到1∶4摩爾比例的范圍內(nèi)。除了上述部分之外的其它部分大體上與圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)的部分相同。
(第二實(shí)施例的改進(jìn)方式)如圖6所示，在根據(jù)第二實(shí)施例改進(jìn)方式的燃料電池系統(tǒng)1d中，包括聯(lián)接到CO去除裝置19d下游側(cè)的管34、聯(lián)接到管34下游側(cè)的背壓調(diào)節(jié)閥21、和聯(lián)接到背壓調(diào)節(jié)閥21下游側(cè)的管36。管36的下游側(cè)聯(lián)接到管35上。除了上述元件之外的其它部分大體上與圖3中所示結(jié)構(gòu)部分相同，因此省略了這部分的描述。選擇性的基本上僅濾過(guò)氫的半透膜如圖3所示設(shè)置在CO去除裝置19d的內(nèi)部。
在根據(jù)第一實(shí)施例第一改進(jìn)方式的燃料電池系統(tǒng)1d，安裝在CO去除裝置19d中的半透膜通過(guò)過(guò)濾實(shí)質(zhì)上將氫過(guò)濾到燃料電池單元9中。因此將具有高濃度的氫導(dǎo)入到燃料極5中，并且可以提高燃料電池單元9的效率。
(第三實(shí)施例)如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1e包括用來(lái)存儲(chǔ)包括DME的燃料的第一燃料槽(第一槽)13、用來(lái)存儲(chǔ)水的第二燃料槽(第二槽)71、用來(lái)存放甲醇的第三燃料槽(第三槽)72、用來(lái)汽化水和甲醇的汽化器17、重整器11，該重整器用來(lái)將水和甲醇重整為富氫氣體，用來(lái)將富氫氣體中CO過(guò)濾掉的CO去除設(shè)備19以及一個(gè)利用富氫氣體和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池單元9。
導(dǎo)通程度可變的閥門14與第一燃料槽13的下游側(cè)相連接。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門14打開時(shí)，氣體通過(guò)一個(gè)導(dǎo)管進(jìn)入第三燃料槽72。第三燃料槽72被分隔物72c分為一個(gè)第一腔72a和一個(gè)第二腔72b。氣體存儲(chǔ)于第一腔72a中，而甲醇存放在第二腔72b中。當(dāng)氣體通過(guò)導(dǎo)管供應(yīng)給第一腔72a時(shí)，在第一腔72a中分隔物72c受壓，且被推向第二腔72b。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門15與第三燃料槽72的下游側(cè)連接時(shí)，存放在第二腔72b中的甲醇被引入到汽化器17中。第三燃料槽72中的甲醇可以用乙醇代替。
導(dǎo)通程度可變的閥門52連接到與第一燃料槽13連接的導(dǎo)管。導(dǎo)管53與導(dǎo)通程度可變的閥門52的下游側(cè)連接。第二燃料槽71與導(dǎo)管53連接。導(dǎo)管53有分支管，這個(gè)分支管與導(dǎo)通程度可變的閥門54連接，閥門54自由地釋放到大氣中。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門52打開時(shí)，且導(dǎo)通程度可變的閥門54關(guān)閉，導(dǎo)管53中的氣體被第一燃料槽13產(chǎn)生的壓力推壓。第二燃料槽71也被可移動(dòng)的分隔物71c分為第一腔71a和第二腔71b。氣體存放在第一腔71a中，而水存放在第二腔71b中。
當(dāng)氣體由導(dǎo)管53供應(yīng)給第一腔71a時(shí)，分隔物71c在第一腔71a中受到壓力，被推向第二腔71b。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門55與第二腔71b連接時(shí)，第二腔71b中的第二燃料進(jìn)入汽化器17。與第二腔71b的另一個(gè)下游側(cè)連接的導(dǎo)管與一個(gè)導(dǎo)通程度可變的閥門58連接。這個(gè)導(dǎo)通程度可變的閥門與泵57連接。泵57通過(guò)導(dǎo)管56與貯水器39連接。除了上述各點(diǎn)外，其它各點(diǎn)與圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1基本相同。
在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1e中，甲醇和水通過(guò)第一燃料槽13中產(chǎn)生的蒸汽壓力主動(dòng)地提供給汽化器17和重整器11。因此，可以省略用于提供燃料的泵，這樣也不要提供給泵工作所需要的電源，且整個(gè)燃料電池系統(tǒng)1e可以縮小、簡(jiǎn)化。
而且，在圖7所示的燃料電池系統(tǒng)1e中，當(dāng)含有水和甲醇的混合氣體引入重整器11時(shí)，甲醇的重整反應(yīng)和水的轉(zhuǎn)化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。因?yàn)樗霓D(zhuǎn)化反應(yīng)可以促進(jìn)甲醇的重整反應(yīng)，產(chǎn)生富氫氣體的效率也將得到提高且燃料電池系統(tǒng)1e相對(duì)于反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行的系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化。
這里，甲醇和水的重整反應(yīng)總體上按照下面的方程式進(jìn)行.....(7)
如上面方程式(7)所示，甲醇和水的化學(xué)計(jì)量比大約為1∶1。作為提供給重整器11的燃料，甲醇和水按照大約1∶1到1∶2的摩爾比混合。因?yàn)閮H用于甲醇重整反應(yīng)的水會(huì)在重整器11中汽化，將節(jié)省蒸發(fā)的熱量，重整器中的氣體的保留時(shí)間將被延長(zhǎng)，燃料電池系統(tǒng)1e的重整效率將得到提高。因?yàn)槠?7的加熱面積可以減小，所以汽化器17的整體大小也可被減小。
并且，存儲(chǔ)在貯水器39中的水可用于潤(rùn)濕聚合物膜3。聚合物膜3的保濕性可以維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。
其次，參照?qǐng)D7，根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1e的使用方法說(shuō)明將在下面給出。
首先，關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門15和52，且打開傳導(dǎo)可變的閥門14。在第一燃料槽13中的比大氣壓力更大的蒸汽壓力推動(dòng)第一腔72a。分隔物72c被推向第二腔72b端。然后，關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門14，接著關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門54、55和58，打開導(dǎo)通程度可變的閥門52。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門52打開時(shí)，第一燃料槽13產(chǎn)生的壓力將管道53中的氣體推到第一腔71a。然后，水槽71的分隔物71c受到壓力，它被從第一腔71a端推到第二腔71b端。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門55打開時(shí)，作用于第一燃料槽13的壓力將第二腔71b中的水壓入到汽化器17中。接著，汽化器17中的水汽化且進(jìn)入重整器11中。
接著，導(dǎo)通程度可變的閥門15打開，在控制其導(dǎo)通程度時(shí)，第三燃料槽72中的甲醇被加入到重整器11中。在這種情況下，甲醇和水的混合比例控制在1∶1到1∶2的摩爾比。當(dāng)關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門52、55和58，打開導(dǎo)通程度可變的閥門54時(shí)，在第一腔71a產(chǎn)生的壓力被釋放，貯水器39中的水由泵57以大氣壓流到第二腔71b中。當(dāng)打開導(dǎo)通程度可變閥門58時(shí)，由泵57以靜水壓力狀態(tài)將水提供給第二腔71b。然后，泵57停止工作，關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門58，除上面所述的各點(diǎn)外，其它與圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1基本相同。
(第三實(shí)施例的第一改進(jìn)方式)如圖8所示，根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行的第一種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1f包括與CO去除裝置19f下游側(cè)相連的管道34、與管道34下游側(cè)相連的背壓調(diào)節(jié)閥門21、與背壓調(diào)節(jié)閥門21下游側(cè)連接的管道36。管道36的下游側(cè)與管道35連接。除上述各點(diǎn)外，其它與圖3和圖5所示的結(jié)構(gòu)基本相同。因此，說(shuō)明省略?；究梢杂羞x擇地過(guò)濾出氫氣的半透膜被設(shè)置在一氧化碳CO去除裝置19f的內(nèi)部，如圖8所示。
根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行的第一種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1f里，半透膜安放在一氧化碳CO去除裝置19f里，通過(guò)過(guò)濾將氫氣過(guò)濾到燃料電池單元9。因此，含高濃度氫的氣體被引入燃料極5，這樣燃料電池單元9的效率可以得到提高。
(第三實(shí)施例的第二種改進(jìn))如圖9所示，根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行第二種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1g包括經(jīng)由導(dǎo)通程度可變的閥門55與第二燃料槽71的下游側(cè)相連的第一汽化器17a、和經(jīng)由導(dǎo)通程度可變的閥門15與第三燃料槽72的下游側(cè)連接的第二汽化器17b。在圖9所示的燃料電池系統(tǒng)1g中，通過(guò)第一燃料槽13產(chǎn)生的飽和氣壓將第二燃料槽71中的水在第一汽化器17a中汽化、將第三燃料槽72中的甲醇在第二汽化器17b中汽化。因此，可以省略提供燃料和水的泵，整個(gè)燃料電池1g可以被縮小和簡(jiǎn)化。
(第三實(shí)施例的第三種改進(jìn))如圖10所示，根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行第三種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1h包括經(jīng)由導(dǎo)通程度可變的閥門55與第二燃料槽71的下游側(cè)相連的第一汽化器17a、和經(jīng)由導(dǎo)通程度可變的閥門15與第三燃料槽72的下游側(cè)相連的第二汽化器17b、與CO去除裝置19h的下游側(cè)連接的管道34、與管道34下游側(cè)連接的背壓調(diào)節(jié)閥門21以及一個(gè)與背壓調(diào)節(jié)閥門21連接的管道36。管道36的下游側(cè)與管道35連接。
在根據(jù)第三實(shí)施例進(jìn)行第三種改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1h里，安裝在CO去除裝置19h的半透膜通過(guò)過(guò)濾將氫氣過(guò)濾到燃料電池單元9。因此送到然連電極5的是含高濃度氫的氣體，進(jìn)而燃料電池單元9的效率得到提高。
(第四實(shí)施例)如圖11所示，根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例的一個(gè)燃料電池系統(tǒng)1i包括用來(lái)存儲(chǔ)包括醚的燃料的第一燃料槽(第一槽)13、用來(lái)存儲(chǔ)用于重整燃料的水的第二燃料槽(第二槽)71、用來(lái)存放氫氣的第三燃料槽(第三槽)72、用來(lái)汽化水的汽化器17、用來(lái)引入燃料、水和氫氣并且將燃料重整得到富氫氣體的重整器11、用來(lái)將富氫氣體中CO去除掉的CO去除設(shè)備19以及利用富氫氣體和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的燃料電池單元9。
導(dǎo)通程度可變的閥門52連接與第一燃料槽13連接的管道。管道53與導(dǎo)通程度可變的閥門52的下游側(cè)連接。第二燃料槽71與管道53連接。管道53有分支管，這個(gè)分支管與導(dǎo)通程度可變的閥門54連接，閥門54自由地釋放到大氣中。當(dāng)打開導(dǎo)通程度可變的閥門52且關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門54時(shí)，管道53中的氣體被第一燃料槽13中的氣壓推動(dòng)。第二燃料槽71通過(guò)可移動(dòng)的分隔物71c分隔為第一腔71a和第二腔71b。第一腔71a中充滿著氣體，而第二腔71b中充滿著水。當(dāng)氣體通過(guò)管道53供給第一腔71a時(shí)，分隔物71c受第一腔71a壓迫，被推向第二腔71b。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門55連接到第二腔71b時(shí)，第二腔71b中的燃料被送到汽化器17中。
在第一燃料槽13的下游側(cè)，第三燃料槽72通過(guò)管道與導(dǎo)通程度可變的閥門63相連。第三燃料槽72也與重整器11的上游側(cè)連接。與第三燃料槽72的下游側(cè)連接的管道與導(dǎo)通程度可變的閥門63連接。
當(dāng)打開導(dǎo)通程度可變的閥門63且同時(shí)調(diào)節(jié)流動(dòng)速度時(shí)，第三燃料槽72中的氫流入重整器11中同時(shí)控制導(dǎo)通程度。這時(shí)，8-20wt％，最好是8-12wt％的氫氣可以提供給摩爾比范圍為1∶3到1∶4的DME和水混合物。在重整器11中，DME和水的重整反應(yīng)如方程式(2)、(3)所示，轉(zhuǎn)化反應(yīng)如方程式(4)所示，這可以通過(guò)重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑得到改善。
第三燃料槽72中的氫氣與DME和水提供到重整器11中。氫氣使DME的重整反應(yīng)加快，如方程式(2)所示。因此，將DME重整為富氫氣體的效率得到提高。除上面所述各點(diǎn)外，其它與圖1所示的燃料電池系統(tǒng)1a相同，詳細(xì)的解釋省略。
根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1i中，第三燃料槽72中的氫氣供給重整器11，分別與由第一燃料槽13供給的DME和由第二燃料槽71供給的水混合。在重整器11中，DME的重整反應(yīng)和轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以利用重整催化劑和轉(zhuǎn)化催化劑同時(shí)進(jìn)行。換句話說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)化反應(yīng)(4)發(fā)生時(shí)，一氧化碳反應(yīng)，并且被排除。當(dāng)重整器11中的CO濃度減小時(shí)，反應(yīng)(3)發(fā)生，甲醇分解。當(dāng)重整器11中的甲醇減小時(shí)，進(jìn)行反應(yīng)(1)，DME重整。因此，DME的重整反應(yīng)有效地進(jìn)行。因此如圖11所示的燃料電池系統(tǒng)1i可以實(shí)現(xiàn)高效的將燃料重整為富氫氣體。而且，因?yàn)槿コ呋瘎┖娃D(zhuǎn)化催化劑被提供給同一容器，可以使燃料電池系統(tǒng)1I減小。
其次，參照?qǐng)D1i，根據(jù)本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1i的使用方法說(shuō)明將在下面給出。
首先，關(guān)閉導(dǎo)通程度可變的閥門15、54、55和58，且打開導(dǎo)通程度可變的閥門52。第一燃料槽13產(chǎn)生的氣壓比外界的大氣壓高，因此當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門52打開時(shí)，管道53中的氣體進(jìn)入第一腔71a。然后，水槽71的分隔物71c受到壓迫，被從第一腔71a側(cè)推到第二腔71b側(cè)。當(dāng)導(dǎo)通程度可變的閥門55打開時(shí)，第二腔71b中的水被第一燃料槽13中產(chǎn)生的飽和壓力壓入汽化器17中。
接著，在汽化器17中，水被汽化。隨后，汽化的燃料進(jìn)入重整器11。打開導(dǎo)通程度可變的閥門15，在控制流速的同時(shí)將燃料槽13中的第一燃料流入到重整器11中，第一燃料與汽化的第二燃料混合。這時(shí)，作為第一燃料的DME與水的混合物的比例被控制為1∶3到1∶4的摩爾比。然后，導(dǎo)通程度可變的閥門63打開，在第三燃料槽72中的氫氣被送到重整器11。除上面所述的各點(diǎn)外，其它與圖1所示的燃料電池系統(tǒng)基本相同。
(第四實(shí)施例的改進(jìn))如圖12所示，根據(jù)對(duì)第四實(shí)施例改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1j包括與CO去除裝置19j下游側(cè)連接的管道34，與管道34下游側(cè)連接的背壓調(diào)節(jié)閥門21以及與背壓調(diào)節(jié)閥門21下游側(cè)連接的管道36。管道36的下游側(cè)與管道35連接。除上面所述的各點(diǎn)外，其它與圖3所述的結(jié)構(gòu)基本相同，所以省略描述。
在根據(jù)對(duì)第四實(shí)施例改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)1j中，安裝在CO去除裝置19j里的半透膜通過(guò)過(guò)濾將大部分氫氣過(guò)濾到燃料電池單元9。因此引入到燃料極5的是含氫濃度高的氣體，這樣燃料電池單元9的效率得到改善。
在根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容的教導(dǎo)下在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)各種改進(jìn)方案都是可能的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)包括存儲(chǔ)著包括醚、水和醇的燃料的燃料槽；汽化該燃料的汽化器；將汽化后的燃料重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于除去富氫氣體中的CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料包括二甲醚。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料包括甲醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料包括乙醇
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料包括少于10wt％的甲醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料包括二甲醚；水；和5-10wt％的甲醇，其中二甲醚和水的混合比例在1∶3到1∶4的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料槽包括盒單元，用于存儲(chǔ)燃料；閥門單元，用于關(guān)閉盒單元的開口；對(duì)著該開口的保持單元，用于保持住該盒單元；和與該保持單元連接的供給單元，用于提供燃料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中該盒單元存儲(chǔ)二甲醚。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括燃燒器，用于燃燒從燃料電池單元提供的氣體；和包含該燃燒器的真空熱絕緣容器，其包含與該燃燒器鄰近設(shè)置的汽化器、重整器和CO去除裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含由氧化鋁和選自Rh、Pd、Pt和Cu組中至少一種材料構(gòu)成的重整催化劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含加快燃料重整反應(yīng)的重整催化劑，和使該重整反應(yīng)所產(chǎn)生的一氧化碳與水反應(yīng)的轉(zhuǎn)化催化劑。
12.一種燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)著包括醚的第一燃料的第一燃料槽；存儲(chǔ)著包括甲醇和水的第二燃料的第二燃料槽；汽化該第二燃料的汽化器；將第一和第二燃料重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于從富氫氣體中除去CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一燃料包括二甲醚。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一燃料包括二甲醚，該第二燃料包括5-10wt％的甲醇，并且二甲醚和水的混合比例在1∶3到1∶4的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一燃料槽包括盒單元，用于存儲(chǔ)燃料；閥門單元，用于關(guān)閉盒單元的開口；對(duì)著該開口的保持單元，用于保持住該盒單元；和與該保持單元連接的供給單元，用于提供燃料。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含由氧化鋁和選自Rh、Pd、Pt和Cu組中至少一種材料構(gòu)成的重整催化劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含加快燃料重整反應(yīng)的重整催化劑，和使該重整反應(yīng)所產(chǎn)生的一氧化碳與水反應(yīng)的轉(zhuǎn)化催化劑。
18.一種燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)著包括醚的燃料的第一槽；存儲(chǔ)著水的第二槽；存儲(chǔ)著氫的第三槽；汽化水的汽化器；將燃料、水和氫重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于從富氫氣體中除去CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中該第一槽包括盒單元，用于存儲(chǔ)燃料；閥門單元，用于關(guān)閉盒單元的開口；對(duì)著該開口的保持單元，用于保持住該盒單元；和與該保持單元連接的供給單元，用于提供燃料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含由氧化鋁和選自Rh、Pd、Pt和Cu組中至少一種材料構(gòu)成的轉(zhuǎn)化催化劑。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中該重整器包含加快燃料重整反應(yīng)的重整催化劑，和使該重整反應(yīng)所產(chǎn)生的一氧化碳與水反應(yīng)的轉(zhuǎn)化催化劑。
22.一種用于燃料電池系統(tǒng)的燃料，包括二甲醚；水；和5-10wt％的甲醇，其中二甲醚和水的混合比例在1∶3到1∶4的范圍內(nèi)。
23.一種用于燃料電池系統(tǒng)的燃料，包括二甲醚；水，和甲醇。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)著包括醚、水和醇的燃料的燃料槽；汽化該燃料的汽化器；將汽化后的燃料重整成富氫氣體的重整器；CO去除裝置，用于除去富氫氣體中的CO氣體；和燃料電池單元，用于利用富氫氣體和氧的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1540790SQ200410045170
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者佐藤裕輔, 二, 藤元薰, 義之, 朝見賢二, 五十崎義之 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝