專利名稱：燃料重整器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料重整器，更具體地，涉及一種通過燃料的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的燃料重整器。
背景技術(shù)：
眾所周知，燃料電池構(gòu)成一種使用燃料產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。
在燃料電池中，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(polymer electrolyte membranefuel cell)具有優(yōu)良的輸出特性、低的操作溫度、快速啟動(dòng)和響應(yīng)的特性。另外，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池有利于具有廣泛的使用范圍，包括運(yùn)用在車輛的移動(dòng)電源中，運(yùn)用在住宅或者建筑物中的分布式電源中，以及運(yùn)用在電子儀器的小型電源中。
使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池系統(tǒng)包括稱為堆的燃料電池主體(以下為了方便，稱為“堆”)；燃料重整器，該重整器重整燃料以生成含氫的重整氣體，并將該重整氣體提供給燃料電池主體；向堆提供氧化劑氣體的氧化劑氣體提供單元。
因此，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)通過重整氣體和氧化劑氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能，所述重整氣體來自堆中的燃料重整器，所述氧化劑氣體由氧化劑氣體提供單元提供。
燃料電池重整器包括熱源單元，其使用通過氧化催化劑氧化燃料的方法來產(chǎn)生熱能；重整反應(yīng)單元，其使用所述熱能使燃料發(fā)生重整反應(yīng)來生成重整氣體。
這時(shí)，熱源可通過氧化諸如甲醇和乙醇的液體燃料或諸如LPG和LNG的氣體燃料的方法來產(chǎn)生熱能。特別地，使用液體燃料的熱源通過燃料的氧化反應(yīng)，可以在預(yù)定的溫度范圍中產(chǎn)生熱能，在使用氧化催化劑的條件下，甚至在室溫下產(chǎn)生熱能。
另一方面，在常規(guī)的燃料重整器所包含的熱源使用氧化氣體燃料的方法時(shí)，由于所述熱源不能在室溫下使用氧化催化劑來發(fā)生氣體燃料的氧化反應(yīng)，因此需要一個(gè)附加的預(yù)熱器將氧化催化劑預(yù)熱到一預(yù)定的溫度，使氣體燃料能夠發(fā)生氧化反應(yīng)。
另外，在常規(guī)的燃料重整器所包含的熱源使用點(diǎn)火和燃燒液體燃料的方法時(shí)，由于燃料重整器的能量效率隨熱源的位置而變化，則熱源被火焰氧化，因此熱源的耐用性被損壞，而不得不頻繁替換新熱源，進(jìn)而降低燃料重整器的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種燃料重整器，其能在燃料電池系統(tǒng)開始驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過點(diǎn)燃和燃燒燃料來預(yù)熱氧化催化劑，并使用預(yù)熱過的氧化催化劑發(fā)生氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供有一種燃料重整器，其包括第一管；置于所述第一管中的第二管；主熱源，其包括填充在所述第二管中的氧化催化劑，并使用所述氧化催化劑使燃料發(fā)生氧化反應(yīng)以產(chǎn)生具有預(yù)定溫度范圍的熱能；輔助熱源，其包括與所述第二管相連接的點(diǎn)火器，該點(diǎn)火器點(diǎn)燃和燃燒所述氣體燃料，并因此將所述氧化催化劑預(yù)熱到反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍；以及重整反應(yīng)單元，其包括填充在所述第二管和所述第一管之間的空間中的重整催化劑，并使用所述重整催化劑和所述主熱源產(chǎn)生的熱能，使所述燃料發(fā)生重整反應(yīng)生成含氫的重整氣體。
在本發(fā)明的上述方面中，所述燃料重整器進(jìn)一步包括一氧化碳減少單元，其構(gòu)造用來在所述第一管和所述第二管之間的空間中填充水煤氣變換催化劑以降低所述重整氣體中含有的一氧化碳的濃度。
另外，所述燃料重整器進(jìn)一步包括置于所述第一管和所述第二管之間的隔板，該隔板將所述第一管和所述第二管之間的空間分為一個(gè)填充有重整催化劑的區(qū)域和一個(gè)填充有水煤氣變換催化劑的區(qū)域。
另外，所述隔板具有網(wǎng)狀外形。
另外，所述氧化催化劑的反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍是從150℃到300℃。
另外，所述由主熱源產(chǎn)生的熱能的溫度范圍是從600℃到700℃。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供有一種燃料重整器，其包括包含多個(gè)反應(yīng)襯底的反應(yīng)堆體，所述反應(yīng)襯底通過包含有一種燃料的第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，并通過包含有所述燃料的第二反應(yīng)物的重整反應(yīng)生成重整氣體；和置于所述的反應(yīng)堆體中的預(yù)熱單元，其點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物以便預(yù)熱所述反應(yīng)堆體。
在本發(fā)明的上述方面中，所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；置于所述外殼中的燃燒器，其用于在所述反應(yīng)堆體的外部點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供有一種燃料重整器，其包括一個(gè)或者多個(gè)第一反應(yīng)襯底，其包括用于允許包含有一種燃料的第一反應(yīng)物流動(dòng)的第一溝道，在其中氧化催化劑層形成在所述第一溝道的表面上；一個(gè)或者多個(gè)第二反應(yīng)襯底，其包括用于允許包含有所述燃料的第二反應(yīng)物流動(dòng)的第二溝道，在其中一個(gè)重整催化劑層形成在所述的第二溝道的表面上；通過粘合所述第一反應(yīng)襯底和第二反應(yīng)襯底構(gòu)成的反應(yīng)堆體；預(yù)熱單元，其置于所述反應(yīng)堆體中，以點(diǎn)燃和燃燒所述第一反應(yīng)物，以便將所述氧化催化劑層預(yù)熱到一反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍。
在本發(fā)明的上述方面中，所述反應(yīng)堆體包括通過將所述第一反應(yīng)襯底和第二反應(yīng)襯底相粘合構(gòu)成的一個(gè)或者多個(gè)單元體。
另外，所述反應(yīng)堆體包括與所述單元體的第二反應(yīng)襯底相粘合的蓋板。
另外，所述反應(yīng)堆體由順序相互粘合的所述單元體構(gòu)成。
另外，所述反應(yīng)堆體包括與置于所述的反應(yīng)堆體頂部的第二反應(yīng)襯底相粘合的蓋板。
另外，所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；燃燒器，其置于所述外殼中，用于在所述反應(yīng)堆體的外部點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物。
另外，所述外殼包括第一部分，其呈喇叭形并且位于所述反應(yīng)堆體一端；第二部分，其呈喇叭形并且位于所述反應(yīng)堆體另一端；第三部分，其與所述反應(yīng)堆體的兩端以外的部分相粘合。
另外，所述反應(yīng)堆體包括通道，該通道通過使用所述第一溝道和第二反應(yīng)襯底的粘合表面構(gòu)成，以允許第一反應(yīng)物流過，并且所述通道包括形成在所述反應(yīng)堆體一端處的多個(gè)注入孔，和形成在所述的反應(yīng)堆體另一端處與所述注入孔相連接的多個(gè)排放孔。
另外，所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；以及燃燒器單元，其置于所述外殼中，用于點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物，從而將火焰噴入到所述注入孔中。
另外，所述外殼包括第一部分，其呈喇叭形并且位于所述注入孔側(cè)；第二部分，其呈喇叭形并且位于所述排放孔側(cè)；第三部分，其與所述反應(yīng)堆體的兩端以外的部分相粘合。
另外，所述燃燒器置于所述第一部分中。
另外，在所述外殼中，在第一部分中形成有一個(gè)注入孔，其用于將第一反應(yīng)物注入第一部分，在第二部分中形成有一個(gè)排放孔，其用于排放由所述燃燒器燃燒第一反應(yīng)物生成的燃燒氣體和由所述氧化催化劑層氧化第一反應(yīng)物生成的反應(yīng)氣體。
另外，所述氧化催化劑層的反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍是從150℃到300℃。
另外，通過第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)，所述第一反應(yīng)襯底可產(chǎn)生的熱能的溫度范圍是從600℃到700℃。


圖1是描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料重整器的透視圖。
圖2是圖1所示的燃料重整器的剖視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料重整器的剖視圖。
圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料重整器的透視圖。
圖5是圖4所示的燃料重整器的反應(yīng)堆體的分解透視圖。
圖6是其中結(jié)合有圖4所示的反應(yīng)堆體的結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖7是圖6所示的反應(yīng)堆體的縱向剖視圖。
圖8是圖4所示的燃料重整器的橫向剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在下文的描述中，通過舉例，展示和說明了本發(fā)明的特定的示例性的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到的是，所描述的示例性的實(shí)施例可以各種方式進(jìn)行改造，但均不得超出本發(fā)明的精神和范圍。因此，附圖和說明實(shí)質(zhì)上應(yīng)被認(rèn)為是例證性的，而并非意在限制。
圖1是描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料重整器的透視圖。圖2是圖1所示的燃料重整器的剖視圖。
參照?qǐng)D1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料重整器100具有一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于燃燒諸如LPG或LNG的氣體燃料或丁烷氣以產(chǎn)生熱能，并使用所產(chǎn)生的熱能使燃料氣體發(fā)生重整反應(yīng)從而生成含氫的重整氣體。
燃料重整器100運(yùn)用于使用了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池系統(tǒng)中，所述燃料電池系統(tǒng)通過重整氣體的氧化反應(yīng)和氧化劑氣體的還原反應(yīng)來產(chǎn)生電能。因此，燃料重整器100具有向聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)中的堆提供重整氣體的功能。
燃料重整器100包括主熱源10，其在一個(gè)預(yù)定的溫度范圍中通過使用氧化催化劑11使氣體燃料發(fā)生氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能；輔助熱源20，其用于將主熱源10中的氧化催化劑11預(yù)熱到反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍內(nèi)；重整反應(yīng)單元30，其使用主熱源10產(chǎn)生的熱能通過重整催化劑31使氣體燃料發(fā)生重整反應(yīng)來生成含氫的重整氣體。
燃料重整器100包括同心雙管形的重整器主體50。重整器主體50包括第一管51和位于第一管51中的第二管52。
第一管51為圓筒形，其具有預(yù)定的截面積并且端部基本封閉。第二管52為圓筒形，其所具有的截面積小于第一管51的截面積并且端部基本封閉。第一管51和第二管52沿著第一管51的軸向(同心軸向)布置，這樣第二管52的外表面與第一管51的內(nèi)表面分開一個(gè)預(yù)定的間距。
在根據(jù)本實(shí)施例的燃料重整器100中，主熱源10用于產(chǎn)生重整反應(yīng)單元30中的重整反應(yīng)所需的熱能，并將產(chǎn)生的熱能提供給重整反應(yīng)單元30。主熱源10產(chǎn)生熱能用來使重整反應(yīng)單元30中的重整反應(yīng)的溫度保持在所需的從大約600℃到大約700℃的溫度范圍中。
主熱源10通過在第二管52的內(nèi)部空間中填充氧化催化劑11來進(jìn)行構(gòu)造，并使用氧化催化劑11使氣體燃料和空氣之間發(fā)生氧化反應(yīng)，以產(chǎn)生上述溫度范圍的熱能。
氧化催化劑11用來加速氣體燃料和空氣之間的氧化反應(yīng)。在氧化催化劑11的結(jié)構(gòu)中，諸如鉑(Pt)和釕(Ru)的催化材料包含在由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或二氧化鈦(TiO2)制成的丸形載體中。
在主熱源10中，第二管52的一端布置有第一注入孔13，通過第一注入孔13，氣體燃料和空氣被注入第二管中。
另外，在主熱源10中，第二管52的另一端布置有第一排放孔15，其用于排放燃燒氣體，所述燃燒氣體通過燃燒空氣和氣體燃料時(shí)發(fā)生的燃料和空氣之間的氧化反應(yīng)生成。
根據(jù)本實(shí)施例，輔助熱源20用于在燃料重整器100開始驅(qū)動(dòng)時(shí)，將主熱源10中的氧化催化劑11預(yù)熱到反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍。
輔助熱源20通過點(diǎn)燃和燃燒氣體燃料和空氣來產(chǎn)生熱能，將主熱源10中的氧化催化劑11預(yù)熱到用于啟動(dòng)反應(yīng)的從大約150℃到大約300℃的溫度范圍內(nèi)。
當(dāng)燃料重整器100開始驅(qū)動(dòng)時(shí)，因?yàn)樵谑覝叵轮鳠嵩?0中的氧化催化劑11不能產(chǎn)生氣體燃料和空氣之間的氧化反應(yīng)，輔助熱源20預(yù)熱主熱源10中的氧化催化劑11，以便向主熱源10中的氧化催化劑11提供熱能，來維持氣體燃料和空氣可以開始發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度范圍。
在這個(gè)實(shí)施例中，輔助熱源20包括與第二管52的一端相連接的點(diǎn)火器21。點(diǎn)火器21具有的功能是點(diǎn)燃和燃燒在第二管52中的氣體燃料和空氣。
點(diǎn)火器21包括用于將氣體燃料和空氣點(diǎn)燃的常規(guī)點(diǎn)火塞(未顯示)。
另外，在輔助熱源20中，在點(diǎn)火器21處形成有用于將氣體燃料和空氣注入第二管52中的第二注入孔23。當(dāng)在第二管52中的氣體燃料和空氣被點(diǎn)燃和燃燒時(shí)，所生成的燃燒氣體通過上文所述的主熱源10的第一排放孔15排放出去。
在本實(shí)施例中，重整反應(yīng)單元30通過在第一管51和第二管52之間的空間中填充重整催化劑31來進(jìn)行構(gòu)造，因此，含氫的重整氣體通過使用重整催化劑31使氣體燃料發(fā)生重整反應(yīng)來生成。
這里，重整反應(yīng)單元30具有一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過一種諸如蒸汽重整反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)、自動(dòng)熱反應(yīng)或者使用熱能的燃料和水之間的蒸汽重整反應(yīng)的催化反應(yīng)，從燃料中生成含氫的重整氣體。
在重整反應(yīng)單元30中，在重整催化劑31的結(jié)構(gòu)中，諸如銅(Cu)、鎳(Ni)、鉑(Pt)的催化材料包含在由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或二氧化鈦(TiO2)制成的丸形載體中。
另外，在重整反應(yīng)單元30中，在第一管51的一端形成有第三注入孔33，其用于將氣體燃料和水注入到第一管51和第二管52之間的空間中。
另外，在重整反應(yīng)單元30中，第一管51的另一端形成有第二排放孔35，其用于排放生成的重整氣體，所述重整氣體通過使用重整催化劑31使氣體燃料和水蒸汽之間發(fā)生重整反應(yīng)，在第一管51和第二管52之間的空間中生成。
這時(shí)，第二排放孔35可通過常規(guī)管線與上文提到的形成聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的堆(未顯示)相連接。
在本實(shí)施例中，重整反應(yīng)單元30通過使用重整催化劑31使氣體燃料和水蒸汽之間發(fā)生重整反應(yīng)，生成了含氫的重整氣體，但是本發(fā)明并不限于此。重整反應(yīng)單元30可通過諸如甲醇和乙醇的液體燃料和水蒸汽之間的重整反應(yīng)來生成重整氣體。
現(xiàn)在，將詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料重整器100的驅(qū)動(dòng)方法。
首先，當(dāng)燃料重整器100開始被驅(qū)動(dòng)時(shí)，氣體燃料和空氣通過輔助熱源單元20，換句話說是點(diǎn)火器21，的第二注入孔23被提供到第二管52中。
在這種情況下，點(diǎn)火器21的點(diǎn)火塞(未顯示)點(diǎn)燃空氣和注入到第二管52中的氣體燃料。這樣，輔助熱源產(chǎn)生預(yù)定的熱能，并將熱能提供給主熱源10的氧化催化劑11。因此，主熱源10的氧化催化劑11被預(yù)熱到從大約150℃到大約300℃的反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍內(nèi)。
接著，當(dāng)燃料重整器100被正常驅(qū)動(dòng)，通過點(diǎn)火器21的第二注入孔23向第二管52提供氣體燃料和空氣的供給被一個(gè)常規(guī)閥門(未顯示)的操作所終止。
當(dāng)燃料重整器100被正常驅(qū)動(dòng)，氣體燃料和空氣通過主熱源10的第一注入孔被供給到第二管中。然后，主熱源10通過使用預(yù)熱過的氧化催化劑11使氣體燃料和空氣之間發(fā)生氧化反應(yīng)，來產(chǎn)生熱能以便保持重整反應(yīng)單元30中的重整反應(yīng)所需的從大約600℃到大約700℃的預(yù)定溫度范圍。因此，保持前述的溫度范圍的熱能通過第二管52提供給重整反應(yīng)單元30的重整催化劑31。
經(jīng)過了上述的流程后，氣體燃料和水通過重整反應(yīng)單元30的第三注入孔33，被提供到第一管51和第二管52之間的空間中。接著，重整反應(yīng)單元30吸收由主熱源10產(chǎn)生的熱能，在在重整催化劑31的作用下產(chǎn)生氣體燃料和水之間的蒸汽重整反應(yīng)，進(jìn)而生成含氫的重整氣體。
因此，重整氣體從重整反應(yīng)單元30的第二排放孔35中被排放出來并提供給堆，于是在堆中發(fā)生反應(yīng)從而輸出預(yù)定的電能，所述反應(yīng)指的是包含在重整氣體中的氫的氧化反應(yīng)和分開提供的空氣的還原反應(yīng)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料重整器的剖視圖。
參照?qǐng)D3，根據(jù)本實(shí)施例的燃料重整器200進(jìn)一步包括一氧化碳減少單元550，其用于減少由重整反應(yīng)單元130生成的重整氣體中所含的一氧化碳的濃度。
與前述的實(shí)施例相似，燃料重整器200包括主熱源110和輔助熱源120，并且主熱源110和輔助熱源120具有的結(jié)構(gòu)和前述實(shí)施例中主熱源和輔助熱源相同，因此省略具體的描述。
在本實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝还?51和第二管152之間的空間被分為第一區(qū)域A和第二區(qū)域B時(shí)，重整反應(yīng)單元130通過在第一區(qū)域A中填充重整催化劑131來進(jìn)行構(gòu)造。
第一區(qū)域A和第二區(qū)域B被網(wǎng)狀的隔板180分開。隔板180呈環(huán)形，并包括多個(gè)孔181，第二管152從隔板180的中央部分穿過。隔板180除了具有以下功能，即，將第一管151和第二管152之間的空間分為第一區(qū)域A和第二區(qū)域B，還具有以下功能，即，允許重整反應(yīng)單元130生成的重整氣體經(jīng)過前述的孔181流入到將在下文將要描述的一氧化碳減少單元170中。
另外，在根據(jù)本實(shí)施例的重整反應(yīng)單元130中，第一管151的一端形成有注入孔113，其用于將氣體燃料和空氣注入第一區(qū)域A中。
在本實(shí)施例中，一氧化碳減少單元170通過在第一管151和第二管152之間的第二區(qū)域B中填充水煤氣變換催化劑171來進(jìn)行構(gòu)造。
水煤氣變換催化劑171加速包含在重整氣體中的一氧化碳的水煤氣變換反應(yīng)，以降低一氧化碳的濃度，在水煤氣變換催化劑171的結(jié)構(gòu)中，將諸如銅(Cu)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和鉻(Cr)的催化材料包含在由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或二氧化鈦(TiO2)形成的丸形載體中。
在一氧化碳減少單元170中，第一管151的另一端形成有排放孔173，其用于將一氧化碳濃度已被降低的重整氣體從第二區(qū)域B中排放出來。排放孔173可以通過常規(guī)管線連接到與前述的形成聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的堆(未顯示)。
在驅(qū)動(dòng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料重整器200的方法中，與前述的實(shí)施例相似，重整反應(yīng)單元130生成重整氣體，此時(shí)，生成的重整氣體經(jīng)過隔板180上的孔181提供給一氧化碳減少單元170，也就是在第一管151和第二管152之間的第二區(qū)域B。
因此，在一氧化碳減少單元170中，通過使用水煤氣變換催化劑171使包含在重整氣體中的一氧化碳發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)生成額外的氫，同時(shí)一氧化碳的濃度降低。降低了一氧化碳的濃度的重整氣體通過一氧化碳減少單元170的排放孔173排放出來，并提供給堆。
因?yàn)楦鶕?jù)本實(shí)施例的燃料重整器200的其它部分和操作與根據(jù)前述的第一實(shí)施例的燃料重整器100的相應(yīng)部分和操作相同，因此省略了其中的具體描述。
圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的燃料重整器的透視圖。
參照?qǐng)D4，燃料重整器300通過氣體燃料和空氣(下文中稱為“第一反應(yīng)物”)之間的氧化反應(yīng)來產(chǎn)生具有預(yù)定溫度范圍的熱能。燃料重整器300包括反應(yīng)堆體310，在反應(yīng)堆體310中通過使用所產(chǎn)生的熱能使氣體燃料和水(下文中稱為“第二反應(yīng)物”)發(fā)生反應(yīng)生成了重整氣體。
圖5是圖4所示的燃料重整器的反應(yīng)堆體310的分解透視圖。圖6是結(jié)合其中具有圖4所示的反應(yīng)堆體的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖7是圖4所示的反應(yīng)堆體的縱向剖視圖。
參照?qǐng)D5到7，根據(jù)第三實(shí)施例的反應(yīng)堆體310包括第一反應(yīng)襯底311，其提供第一溝道311a用于允許第一反應(yīng)物在其表面上流動(dòng)；和第二反應(yīng)襯底312，其提供第二溝道312a用于允許第二反應(yīng)物在其表面上流動(dòng)。
這里，第一反應(yīng)襯底311和第二反應(yīng)襯底312為具有預(yù)定寬度和長(zhǎng)度的矩形板，并且由具有導(dǎo)熱性的金屬制成，例如由鋁、不銹鋼、銅、鎳和鐵制成。
第一反應(yīng)襯底311被用來通過第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能以保持從大約600℃到大約700℃的預(yù)定的溫度范圍(反應(yīng)物的重整反應(yīng)所需的溫度范圍)，并將產(chǎn)生的熱能提供給第二反應(yīng)襯底312。
第一反應(yīng)襯底311包括其上表面上的多個(gè)第一溝道311a。第一溝道311a可以通過使用從第一反應(yīng)襯底311上表面突出的多個(gè)肋形成。
這樣，第一溝道311a為槽形，并從第一反應(yīng)襯底311的一端連接到另一端。于是，在第一溝道311a的表面上形成常規(guī)氧化催化劑層311b，其用于加速第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)。
第二反應(yīng)襯底312用于接收來自第一反應(yīng)襯底311的熱能，并使用所產(chǎn)生的熱能使第二反應(yīng)物發(fā)生重整反應(yīng)來生成含氫的重整氣體。
第二反應(yīng)襯底312粘附在第一反應(yīng)襯底311上，在第二反應(yīng)襯底312的上表面上具有第二溝道312a。第二溝道312a可以通過使用從第二反應(yīng)襯底312上表面突出的多個(gè)肋形成。
第二溝道312a為槽形，并與位于對(duì)角線方向上的一對(duì)歧管312c相連接。
于是，在第二溝道312a的表面上形成有常規(guī)重整催化劑層312b，其用于加速第二反應(yīng)物的重整反應(yīng)。
在第三個(gè)實(shí)施例中，通過將第二反應(yīng)襯底312的下表面粘合到第一反應(yīng)襯底311的上表面，形成了單元體319。通過將單元體319順序相互粘合可形成反應(yīng)堆體310。然后，蓋板318被粘合到位于反應(yīng)堆體310頂部的第二反應(yīng)襯底312的上表面。
可選地，反應(yīng)堆體310可以包括單一單元體319。這樣，蓋板318被粘合到第二反應(yīng)襯底312的上表面上，也就是單元體319的上表面上。
這里，第一反應(yīng)襯底311和第二反應(yīng)襯底312以及蓋板318通過諸如螺釘和螺母的常規(guī)連接部件或者通過諸如焊接和銅焊的常規(guī)連接方法進(jìn)行相互之間的粘合。
因此，在反應(yīng)堆體310中，第一反應(yīng)襯底311和第二反應(yīng)襯底312相互粘合形成了第一通道313，該通道由第一反應(yīng)襯底311的第一溝道311a和第二反應(yīng)襯底312的粘合表面構(gòu)成用于允許第一反應(yīng)物流動(dòng)。
這樣，由于第一溝道311a從第一反應(yīng)襯底311的一端連接到另一端，第一通道313包括多個(gè)注入孔313a，即，位于反應(yīng)堆體310的一端的開口，和多個(gè)排放孔313b(參照?qǐng)D8)，即，位于反應(yīng)堆體310的另一端的開口。
另外，在反應(yīng)堆體310中，第一反應(yīng)襯底311的下表面粘合到第二反應(yīng)襯底312的上表面，并且蓋板318粘合到位于反應(yīng)堆體310頂部的第二反應(yīng)襯底的上表面，以形成第二通道315，該通道由第二溝道312a和蓋板318的粘合表面構(gòu)成，以允許第二反應(yīng)物流動(dòng)。
當(dāng)具有上述結(jié)構(gòu)的燃料重整器300開始驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于第一反應(yīng)襯底311的氧化催化劑層311b不能在室溫下氧化第一反應(yīng)物，氧化催化劑層311b需要被預(yù)熱到第一反應(yīng)物能開始氧化反應(yīng)的溫度范圍內(nèi)。
如圖4所示，燃料重整器300包括預(yù)熱單元350，其用于通過點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物來預(yù)熱反應(yīng)堆體310。
圖8是圖4的橫向剖視圖。參照?qǐng)D8，當(dāng)燃料重整器300開始驅(qū)動(dòng)時(shí)，預(yù)熱單元350點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物，并將燃燒第一反應(yīng)物產(chǎn)生的熱能提供給第一反應(yīng)襯底311，進(jìn)而將第一反應(yīng)襯底311的氧化催化劑層311b預(yù)熱到啟動(dòng)反應(yīng)的從大約150℃到大約300℃的溫度范圍內(nèi)。
具體而言，預(yù)熱單元350包括用于封裝反應(yīng)堆體310和燃燒器357的外殼351，其中燃燒器357位于外殼351中，并用于在反應(yīng)堆體310外部點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物。
在本實(shí)施例中，外殼351用于封裝反應(yīng)堆體310，且該外殼由常規(guī)的絕熱材料制成，以防止熱能從外殼351釋放出去。
在外殼351中，在反應(yīng)堆310一端形成有喇叭狀的第一部分351a，在反應(yīng)堆體310的另一端形成有喇叭狀的第二部分315b，第三部分351c粘合到反應(yīng)堆體310除兩個(gè)末端外的地方。
由于第一部分351a與第三部分351c的一側(cè)結(jié)合在一起，第一部分351a的外形的截面從第三部分351c的一側(cè)開始減少，這樣，預(yù)定的內(nèi)部空間形成于反應(yīng)堆體310的一端，此處形成有第一通道313的注入孔313a。
接著，由于第三部分351c的另一端形成有第二部分351b，第二部分351b的外形的截面從第三部分351c的另一側(cè)開始減少，這樣，預(yù)定的內(nèi)部空間形成于反應(yīng)堆體310的另一端，此處形成有第一通道313的排放孔313b。
第一部分351a具有喇叭狀外形，以便于第一反應(yīng)物通過下文將要描述的第一注入孔353，沿著第一部分351a截面增長(zhǎng)的方向進(jìn)行擴(kuò)散，而注入到第一部分351a的內(nèi)部空間，并使第一反應(yīng)物注入到第一通道313的注入孔313a中。
另外，第二部分具有喇叭狀外形，以便于，通過收集第一反應(yīng)物的燃燒氣體和反應(yīng)氣體，經(jīng)過將在下文進(jìn)一步介紹的第一排放孔355，容易地排放第一反應(yīng)物的燃燒氣體和反應(yīng)氣體，其中，通過使用下文將要描述的燃燒器357燃燒第一反應(yīng)物而生成第一反應(yīng)物的燃燒氣體，通過第一通道313的注入孔313a將燃燒氣體注入到第一通道313中，并通過第一通道313的排放孔313b將燃燒氣體排放出去；其中第一反應(yīng)物的反應(yīng)氣體經(jīng)過第一通道313的注入孔313a而被注入到第一通道313中，并被氧化催化劑層311b氧化，再通過第一通道313的排放孔313b將反應(yīng)氣體排放出去。
在前述的外殼351中，第一部分351a中形成有第一注入孔353，其用于將第一反應(yīng)物注入到第一部分351a的內(nèi)部空間中。
然后，在第一部分351a的尖端處形成第一注入孔353。另外，第二部分351b中形成有第一排放孔355，其用于排放由燃燒器357燃燒第一反應(yīng)物生成的燃燒氣體和由第一反應(yīng)襯底311的氧化催化劑層311b氧化第一反應(yīng)物生成的反應(yīng)氣體。第一排放孔355形成于第二部分351b的尖端中。
如前所述，燃燒器375包括點(diǎn)火器358，點(diǎn)火器358置于第一部分351a中，并與第一注入孔353相連接，用于點(diǎn)燃和燃燒通過第一注入孔353注入到第一部分351的內(nèi)部空間中的第一反應(yīng)物。
點(diǎn)火器358帶有用于點(diǎn)燃第一反應(yīng)物的點(diǎn)火塞(未顯示)，該點(diǎn)火塞為一常規(guī)點(diǎn)火塞，其由附加控制器(未顯示)進(jìn)行控制產(chǎn)生火焰。
在圖8中，指向不明的參考號(hào)59a代表第二注入孔，其用于將第二反應(yīng)物注入到反應(yīng)堆體310的第二通道315中，指向不明的參考號(hào)59b代表第二排放孔，其用于排放重整氣體，其中所述重整氣體在第二反應(yīng)物經(jīng)過第二通道315時(shí)使用重整催化劑層312b發(fā)生重整反應(yīng)生成。
這樣，前述的第二注入孔359a和第二排放孔359b與如圖2所示的第二反應(yīng)襯底312的歧管312c相連接。
下文中將詳細(xì)描述一種驅(qū)動(dòng)具有前述結(jié)構(gòu)的燃料重整器300的方法。
當(dāng)燃料重整器300開始被驅(qū)動(dòng)時(shí)，第一反應(yīng)物通過外殼351的第一注入孔353被注入到第一部分351a的內(nèi)部空間。
點(diǎn)火器358的點(diǎn)火塞(未顯示)產(chǎn)生火焰以點(diǎn)燃被注入到第一部分351a的內(nèi)部空間中的第一反應(yīng)物。然后，第一反應(yīng)物在第一部分351a的內(nèi)部空間中燃燒，以產(chǎn)生預(yù)定的熱能。
因此，通過燃燒第一反應(yīng)物產(chǎn)生的高溫燃燒氣體經(jīng)第一通道313的注入孔313a注入第一通道313，沿著第一通道313流動(dòng)，并經(jīng)第一通道313的排放孔313b排放出去，從而將熱能提供給第一反應(yīng)襯底311的氧化催化劑層311b。
第一反應(yīng)襯底311的氧化催化劑層311b被預(yù)熱到從大約150℃到大約300℃的反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍內(nèi)，在該溫度范圍內(nèi)第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)可以開始。
然后，通過第一通道313的排放孔313b排放的燃燒氣體被收集到第二部分351b的內(nèi)部空間中，并通過第一排放孔355排出外殼351。
隨后，當(dāng)燃料重整器300被正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于第一反應(yīng)物被連續(xù)不斷地通過外殼351的第一注入孔353提供到第一部分351a的內(nèi)部空間中，點(diǎn)火塞由控制器控制著不開動(dòng)。
當(dāng)燃料重整器300被正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，第一反應(yīng)物通過第一通道313的注入孔313a從第一部分351a的內(nèi)部空間中被注入到第一通道313中。然后，在第一反應(yīng)襯底311中，沿著第一通道313流動(dòng)的第一反應(yīng)物被氧化催化劑層311b氧化，從而產(chǎn)生熱能以保持第二反應(yīng)物的重整反應(yīng)所需的從大約600℃到大約700℃的預(yù)定溫度范圍。
在這時(shí)，由于第一反應(yīng)襯底311與第二反應(yīng)襯底312相粘合，熱能通過第一反應(yīng)襯底311傳送到第二反應(yīng)襯底312，進(jìn)而熱能被提供給第二反應(yīng)襯底312的重整催化劑層312b。
被氧化催化劑層311b氧化的第一反應(yīng)物的反應(yīng)氣體經(jīng)第一通道313的排放孔313b排放，收集在第二部分351b的內(nèi)部空間中，并通過第一排放孔355排出外殼351。
經(jīng)過了前述的流程后，第二反應(yīng)物經(jīng)第二注入孔359a向反應(yīng)堆體310的第二通道315供給。然后，當(dāng)?shù)诙磻?yīng)襯底312吸收在第一反應(yīng)襯底311中產(chǎn)生的熱能時(shí)，使用重整催化劑層312b使第二反應(yīng)物發(fā)生重整反應(yīng)從而生成含氫的重整氣體。
因此，由于重整氣體通過第二排放孔359b被排放到堆中，在堆中發(fā)生了在重整氣體中所含的氫的氧化反應(yīng)和分開供給的空氣的還原反應(yīng)，從而輸出預(yù)定的電能。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于燃料重整器包括輔助熱源，該輔助熱源通過在燃料重整器開始被驅(qū)動(dòng)時(shí)點(diǎn)燃和燃燒燃料來預(yù)熱氧化催化劑，在燃料重整器被正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，燃料重整器可以使用氧化催化劑使燃料發(fā)生氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能。
因此，由于在燃料重整器開始被驅(qū)動(dòng)時(shí)通過點(diǎn)燃和燃燒燃料預(yù)熱了氧化催化劑，燃料重整器的開始驅(qū)動(dòng)時(shí)間減少了，燃料重整器的能量效率得到提高，輔助熱源的防火的耐用性得到改進(jìn)，進(jìn)而燃料重整器的使用壽命得到延長(zhǎng)。
雖然本發(fā)明所描述的相關(guān)內(nèi)容目前被認(rèn)為是實(shí)用的、示例性的實(shí)施例，但是應(yīng)該了解的是，本發(fā)明并不限于公開的實(shí)施例，相反地，本發(fā)明旨在涵蓋包括在附帶的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種改造和等效安排。
權(quán)利要求
1.一種燃料重整器，其包括第一管；置于所述第一管中的第二管；主熱源，其包含填充在所述第二管中的氧化催化劑，所述主熱源使用所述氧化催化劑使燃料發(fā)生氧化反應(yīng)從而適于產(chǎn)生具有預(yù)定溫度范圍的熱能；輔助熱源，其包含點(diǎn)火器，所述點(diǎn)火器連接到所述第二管，從而點(diǎn)燃和燃燒氣態(tài)燃料，進(jìn)而將所述氧化催化劑預(yù)熱到反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍之中；重整反應(yīng)單元，其包括重整催化劑，所述重整催化劑被填充在所述第二管和所述第一管之間的空間中，所述重整反應(yīng)單元使用所述重整催化劑并使用所述主熱源產(chǎn)生的所述熱能，使所述燃料發(fā)生重整反應(yīng)，從而適于生成含氫的重整氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料重整器，進(jìn)一步包括一氧化碳減少單元，其通過在所述第一管和所述第二管之間的空間中填充水煤氣變換催化劑來降低所述重整氣體中所含一氧化碳的濃度來進(jìn)行構(gòu)造。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料重整器，進(jìn)一步包括置于所述第一管和所述第二管之間的隔板，所述隔板將所述第一管和所述第二管之間的空間分為一個(gè)填充有所述重整催化劑的區(qū)域和一個(gè)填充有所述水煤氣變換催化劑的區(qū)域。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料重整器，其中所述隔板具有網(wǎng)狀外形。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料重整器，其中所述氧化催化劑的所述反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍是從150℃到300℃。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料重整器，其中由所述主熱源產(chǎn)生的熱能所具有的溫度范圍是從600℃到700℃。
7.一種燃料重整器，包括反應(yīng)堆體，其包括多個(gè)反應(yīng)襯底，其中所述反應(yīng)襯底通過包含有燃料的第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，并通過包含有所述燃料的第二反應(yīng)物的重整反應(yīng)產(chǎn)生重整氣體；和預(yù)熱單元，其置于所述反應(yīng)堆體中，用于點(diǎn)燃和燃燒所述第一反應(yīng)物以便預(yù)熱所述反應(yīng)堆體。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料重整器，其中所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；燃燒器，其置于所述外殼中，用于在所述反應(yīng)堆體的外部點(diǎn)燃和燃燒所述第一反應(yīng)物。
9.一種燃料重整器，包括一個(gè)或者多個(gè)第一反應(yīng)襯底，其包括用于允許包含有燃料的第一反應(yīng)物流動(dòng)的第一溝道，并且在所述第一反應(yīng)襯底中，在所述第一溝道的表面上形成有氧化催化劑層；一個(gè)或者多個(gè)第二反應(yīng)襯底，其包括用于允許包含有所述燃料的第二反應(yīng)物流動(dòng)的第二溝道，并且在所述第二反應(yīng)襯底中，在所述第二溝道的表面上形成有重整催化劑層；通過粘合所述第一反應(yīng)襯底和所述第二反應(yīng)襯底構(gòu)成的反應(yīng)堆體；預(yù)熱單元，其置于所述反應(yīng)堆體中，用于點(diǎn)燃和燃燒所述第一反應(yīng)物，以便將所述氧化催化劑層預(yù)熱到一個(gè)反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料重整器，其中所述反應(yīng)堆體包括一個(gè)或者多個(gè)單元體，其通過將所述第一反應(yīng)襯底和所述第二反應(yīng)襯底相粘合構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料重整器，其中所述反應(yīng)堆體包括蓋板，其與所述單元體的所述第二反應(yīng)襯底相粘合。
12.如權(quán)利要求10所述的燃料重整器，其中所述反應(yīng)堆體由順序相互粘合的所述單元體構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料重整器，其中所述反應(yīng)堆體包括蓋板，其被粘合到置于所述反應(yīng)堆體頂部的所述第二反應(yīng)襯底。
14.如權(quán)利要求9所述的燃料重整器，其中所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；和燃燒器，其置于所述外殼中，用于在所述反應(yīng)堆體的外部點(diǎn)燃和燃燒第一反應(yīng)物。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料重整器，其中所述外殼包括第一部分，其呈喇叭形并且位于所述反應(yīng)堆體一端；第二部分，其呈喇叭形并且位于所述反應(yīng)堆體另一端；第三部分，其與所述反應(yīng)堆體的所述兩個(gè)端以外的部分相粘合。
16.如權(quán)利要求9所述的燃料重整器，其中所述反應(yīng)堆體包括通道，所述通道通過所述第一溝道和所述第二反應(yīng)襯底的所述被粘合的表面構(gòu)成，以允許所述第一反應(yīng)物流過；其中所述通道包括多個(gè)注入孔，所述注入孔是形成在所述反應(yīng)堆體一端處的開口；和多個(gè)排放孔，所述排放孔是形成在所述的反應(yīng)堆體另一端處并與所述注入孔相連接的開口。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料重整器，其中所述預(yù)熱單元包括封裝所述反應(yīng)堆體的外殼；和燃燒器，其置于所述外殼中，用于點(diǎn)燃和燃燒所述第一反應(yīng)物，將火焰噴入所述注入孔中。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料重整器，其中所述外殼包括第一部分，其呈喇叭形并且位于所述注入孔側(cè)；第二部分，其呈喇叭形并且位于所述排放孔側(cè)；第三部分，其與所述反應(yīng)堆體的所述兩個(gè)端以外的部分相粘合。
19.如權(quán)利要求15所述的燃料重整器，其中所述燃燒器置于所述第一部分中。
20.如權(quán)利要求15所述的燃料重整器，其中在所述外殼中，在所述第一部分中形成有一個(gè)注入孔，其用于將所述第一反應(yīng)物注入所述第一部分，在所述第二部分中形成有一個(gè)排放孔，其用于排放由所述燃燒器燃燒所述第一反應(yīng)物生成的燃燒氣體和由所述氧化催化劑層氧化所述第一反應(yīng)物生成的反應(yīng)氣體。
21.如權(quán)利要求9所述的燃料重整器，其中所述氧化催化劑層的反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍是從150℃到300℃。
22.如權(quán)利要求9所述的燃料重整器，其中所述第一反應(yīng)襯底通過所述第一反應(yīng)物的氧化反應(yīng)產(chǎn)生溫度范圍從600℃到700℃的熱能。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料重整器，其包括第一管；置于所述第一管中的第二管；主熱源，其包含填充在所述第二管中的氧化催化劑，所述主熱源使用所述氧化催化劑使燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，從而適于產(chǎn)生具有預(yù)定溫度范圍的熱能；輔助熱源，其包括與所述第二管相連接的點(diǎn)火器，用以點(diǎn)燃和燃燒所述的氣體燃料，并將所述氧化催化劑預(yù)熱到反應(yīng)啟動(dòng)溫度范圍；重整反應(yīng)單元，其包括重整催化劑，所述重整催化劑填充在所述第二管和所述第一管之間的空間中，所述重整反應(yīng)單元使用所述重整催化劑和所述主熱源產(chǎn)生的熱能，使所述燃料發(fā)生重整反應(yīng)生成含氫的重整氣體。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1941483SQ20061012789
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者李圣哲, 金周龍, 李贊鎬, 徐東明, 金鎮(zhèn)壙, 安鎮(zhèn)九, 韓萬錫, 李勇杰, 李東郁, 戈羅賓斯凱·利奧尼德 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社