CN100345329C - 重整器及具有该重整器的燃料电池系统 - Google Patents

重整器及具有该重整器的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统包括重整器、至少一个发电体、燃料供应单元和供氧单元，重整器用于从燃料产生氢，发电体用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能，燃料供应单元用于将燃料供应给重整器，供氧单元用于将氧供应给发电体。重整器包括主体，该主体具有内部空间，该内部空间具有重整器入口和重整器出口。反应部分设置在主体的内部空间中。该反应部分包括发热元件，该发热元件用于从外部施加的能量，例如电流产生热能。发热元件具有波纹状结构，表面上形成有催化剂层。该波纹状结构界定多个燃料流动通道，并促进均匀的流动分布和湍流。

Description

重整器及具有该重整器的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种具有改善的重整器的燃料电池系统。
背景技术
通常，燃料电池是一种通过氧和烃材料，诸如甲醇、乙醇和天然气中含有的氢之间的电化学反应产生电能的系统。
最近开发的高分子电解质膜燃料电池(在下文称为PEMFC)已经展现出极好的输出特性、低运转温度和快速的启动和响应特性。PEMFC具有多种应用，包括用作汽车的移动能源，用作住宅或办公楼的分布式能源以及用作电子设备的小型能源。
使用PEMFC方案的燃料电池系统基本上需要堆体、重整器、燃料罐和燃料泵。堆体构成了具有多个单位单元的发电装置。燃料泵将燃料从燃料罐供应给重整器。重整器重整燃料，产生供应给堆体的氢。
重整器利用热能通过催化化学反应从含氢燃料中产生氢。因此，重整器可以包括用于产生热能的热源和用于吸收热能并从燃料中产生氢的重整反应部分。
在常规燃料电池系统的重整器中，热源和重整反应部分提供在分开的容器中，该容器通过管道彼此连接。每个热源和重整反应部分通常都形成为单个的模块，模块具有平行于燃料流向的蜂窝结构的(honeycombed)通道，在通道上形成用于促进反应的催化剂层。这样的模块可以通过注射成型陶瓷材料并在通道表面上形成催化剂层来制作。不过，在常规的重整器中，由于燃料通过的通道是彼此隔离的，因此燃料的流量分布是不均匀的。此外，由于燃料在催化剂层中的扩散速率降低了，重整器的整体反应效率就下降了。而且，由于模块的制造工艺复杂，制造生产率下降了。
发明内容
根据本发明，提供了一种能够凭借简单结构提高反应效率和热效率的重整器以及具有该重整器的燃料电池系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统的重整器。重整器包括界定内部空间的主体、重整器入口和重整器出口。在内部空间之中是反应部分，它形成了燃料通道。反应部分包括发热元件和催化剂层，发热元件用于从外加能量产生热能，催化剂层形成在发热元件的表面上。
重整器可以进一步包括电源，用于向发热元件供应电流。发热元件可以由具有良好电导率的金属制作。
发热元件可以具有褶层或波纹形状。
支撑层可以形成于发热元件和催化剂层之间以支撑催化剂层。
用于电绝缘发热元件和主体的绝缘层可以形成于主体的内部表面上。
根据本发明的另一实施例，燃料电池系统配备有重整器、至少一个发电体、燃料供应单元和供氧单元，重整器用于从燃料产生氧，发电体用于通过氢和氧的电化学反应产生电能，燃料供应单元用于将燃料供应给重整器，而供氧单元用于将氧供应给发电体。重整器如上所述。
燃料供应单元和主体的重整器入口可以通过第一供应管路连接，而主体的重整器出口和发电体可以通过第二供应管路连接。
燃料供应单元可以包括燃料罐和燃料泵，燃料罐用于存储含氢燃料，燃料泵连接到燃料罐，以将燃料传输到重整器。
供氧单元可以包括用于将空气供应到发电体的气泵，且所述气泵和发电体可以通过第三供应管路连接。
多个发电体可以堆叠起来形成堆体。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其他特性和优势将会更加明显，在附图中：
图1是示意性示出根据本发明实施例的燃料电池系统的方框图；
图2是示出图1所示的堆体的分解透视图；
图3是根据本发明实施例的燃料电池系统的重整器的透视图；以及
图4是图3所示的重整器的横截面图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的示范性实施例，从而本领域的技术人员能够将本发明付诸实践。不过，本发明不仅仅局限于示范性实施例，而可以以多种形式实现。
图1是示意性示出根据本发明实施例的燃料电池系统的方框图。
参考图1，其所描绘的燃料电池系统100为聚合物电极膜燃料电池(PEMFC)设计，其中重整燃料以产生氢，生成的氢与氧发生电化学反应，产生电能。
用于燃料电池系统100的燃料可以包括包含氢的液体或气体燃料，例如甲醇、乙醇或天然气。不过，为了便于论述，如下所述的燃料是一种液体燃料。
燃料电池系统100可以使用辅助存贮器中存储的纯氧作为氧与氢反应，或者可以使用包含氧的空气。在以下的描述中以后者为例。
燃料电池系统100基本上包括用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能的堆体10、用于从燃料中产生氢的重整器20、用于向重整器20供应燃料的燃料供应单元30以及用于将氧供应到堆体10的供氧单元40。
图2是示出图1所示的堆体的分解透视图。
堆体10由发电装置构成，该发电装置通过依次堆叠多个发电体11形成。
每个发电体11都包括隔板16(在本领域中也称为“双极性板”)，其紧密接触膜电极组件(EMA)12的两个表面而设置。
MEA 12具有预定的活性区，氢和氧在这里彼此发生电化学反应，MEA12还具有这样的结构：阳极电极形成于一个表面上，阴极电极形成于另一个表面上，而电解质膜插置在两个电极之间。
阳极电极通过氢的氧化将氢转换成电子和氢离子。阴极电极通过还原氢离子和氧产生预定温度的热和水分。电解质膜执行离子交换功能，将产生的氢从阳极电极移动到阴极电极。
隔板16起着将阳极电极和阴极电极彼此串联的作用，还为MEA 12供应氢和氧。
施压板13和13′提供在堆体10的最外端，使多个发电体11彼此紧密接触。不过，还有其他的设计，堆体10可以这样构造：使其不包括施压板13和13’，而位于多个发电体11最外侧的隔板16可以执行施压板13和13’的功能。除了使多个发电体11彼此紧密接触的功能之外，施压板13和13’本质上还可以具有隔板16的功能。
第一入口13a和第二入口13b形成于施压板13和13′中一个施压板13中，第一入口13a用于将产生的氢从重整器20供应给发电体11，第二入口13b用于将空气从供氧单元40供应给发电体11。第一出口13c和第二出口13d形成于另一个施压板13′中，第一出口13c用于排放未参与发电体11反应的残留氢，第二出口13d用于排放来自氢和氧的成键反应的未反应的含水分空气。
在本发明中，重整器20利用热能通过化学催化反应从含氢燃料中产生氢。重整器20的结构随后参照图3和4更详细地描述。
用于将燃料供应到重整器20的燃料供应单元30包括用于存储液体燃料的燃料罐31和用于从燃料罐31抽吸燃料的燃料泵33。重整器20和燃料罐31通过管状第一供应管路81彼此连接。重整器20和堆体10的第一入口13a通过管状第二供应管路82彼此连接。
供氧单元40包括气泵41，该气泵41用于以预定泵浦功率将空气注入堆体10。气泵41和堆体10的第二入口13b通过第三供应管路83彼此连接。
以下参照附图详细描述重整器20的实例。
图3是根据本发明实施例的燃料电池系统的重整器的透视图，而图4是图3所示的重整器的横截面图。
参照附图，根据本发明的重整器20包括主体21、反应部分25和电源29，反应部分25设置在主体21内且从含氢燃料中产生氢，电源29示意性示出，用于向反应部分25供电以产生热能。
主体21界定一内部空间，其具有重整器入口22和重整器出口23，通过重整器入口22将燃料供应到内部空间，通过重整器出口23将氢从主体21排出。根据本实施例，主体21包括长方体外壳结构，重整器入口22和重整器出口23位于两端。不过，主体21不仅仅局限于上述形状，而是可以形成若干不同形状的任一种，圆筒形只是一个例子。
主体21可以由具有热屏蔽性能的材料制作，例如陶瓷、不锈钢或铝。
主体21的重整器入口22和燃料供应单元30的燃料罐31通过上述第一供应管路81彼此连接。主体21的重整器出口23和堆体10的发电体11通过上述第二供应管路82彼此连接。
反应部分25利用热能通过催化重整反应从燃料产生氢，其设置在主体21内部，形成多个通道24，燃料从这些通道通过。反应部分25包括发热元件26和催化剂层28，发热元件26用于从外加能量产生热能，催化剂层28形成于发热元件26的表面上，促进燃料的重整反应。
支撑催化剂层28的支撑层27可以形成于发热元件26和催化剂层28之间。支撑层27充当支撑催化剂层28的载体，可以由例如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或二氧化钛(TiO2)的材料制作。
发热元件26可以通过成形由例如不锈钢、铝、铜、镍、铁等以褶层或波纹状布置形成的金属板形成。因此，当从垂直于通道24的纵向的方向的横截面观察时，发热元件26具有波纹形状。
通过在主体21的内表面上形成绝缘层205，即使在主体21和发热元件26由导电材料制作时，它们也可以彼此电绝缘。不过，在一个实施例中，优选发热元件与主体21的内表面分开。
电源29串接到发热元件26的两端并向发热元件26提供电流。发热元件26的电阻产生了所需的热能。
在本实施例中，虽然例举了电源29作为向发热元件26提供能量的源，但是可以使用各种其他能源为发热元件26提供其他类型的能量。
在根据本实施例的重整器20中，由于形成燃料通道24的发热元件26的截面形状具有波纹形状，通过通道24的燃料的分布是均匀的，且燃料的流动是湍动的，藉此增大了燃料与催化剂层28表面的接触面积。此外，由于其中发生重整反应的反应部分结构简单，因此制造简单且可以提高生产率。
现在将详细描述根据本发明的燃料电池系统的运转。
首先，从电源29向发热元件26施加预定量的功率。然后，因为其电阻，发热元件26产生热能。
燃料泵33通过第一供应管路81和重整器入口22将存储在燃料罐31中的燃料供应给主体21的内部空间。燃料流过由发热元件26形成的通道24，在那里吸收热能。在燃料通过催化剂层28时，通过燃料的重整反应产生氢。
接下来，通过主体21的重整器出口23将从燃料产生的氢排出，且通过第二供应管路82将氢供应给堆体10的第一入口13。同时，气泵41通过第三供应管路83将空气供应给堆体10的第二入口13b。
在堆体10中，通过隔板16将氢供应给膜电极组件12的阳极电极。通过隔板16将空气中的氧供应给膜电极组件12的阴极电极。
阳极电极通过氧化反应将氢分解为质子(氢离子)和电子。质子通过电解质膜移动到阴极电极，电子通过隔板16或另一个端部(未示出)，而不是通过电解质膜移动到相邻的膜电极组件12的阴极电极。电子的流动产生了电流，附带地产生了热和水。
虽然已经描述了本发明的示范性实施例，本发明不仅仅局限于实施例，而是能以各种形式改进，同时并不背离本发明的权利要求、详细的说明书和附图的范围。因此，此类改进自然是属于本发明的范围的。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池系统的重整器，包括：
主体，其界定内部空间、重整器入口和重整器出口；和
反应部分，其设置在所述主体的内部空间中并界定多个流动通道，所述反应部分包括发热元件，所述发热元件的表面上形成有催化剂层。
2.如权利要求1所述的重整器，进一步包括适于向所述发热元件提供电流的电源。
3.如权利要求2所述的重整器，其中所述发热元件由导电金属制成。
4.如权利要求1所述的重整器，其中所述发热元件具有波纹形状。
5.如权利要求4所述的重整器，其中所述波纹形状界定了所述多个流动通道，所述流动通道在所述重整器入口和所述重整器出口之间彼此大体平行地延伸。
6.如权利要求1所述的重整器，进一步包括形成在所述发热元件和所述催化剂层之间的催化剂支撑层。
7.如权利要求1所述的重整器，进一步包括所述主体内表面上的绝缘层。
8.一种燃料电池系统，包括：
至少一个发电体，其适于通过氢氧之间的电化学反应产生电能；
燃料供应单元；
供氧单元，其适于将氧供应给所述发电体；
重整器，用于从所述燃料供应单元供应的燃料中产生氢，所述重整器包括：主体，其界定内部空间、重整器入口和重整器出口；以及反应部分，其设置在所述主体的内部空间中并界定多个流动通道，所述反应部分包括发热元件，所述发热元件的表面上形成有催化剂层。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元和所述主体的重整器入口通过第一供应管路连接，而所述主体的重整器出口和所述发电体通过第二供应管路连接。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括燃料罐和燃料泵。
11.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述供氧单元包括气泵，且所述气泵和所述发电体通过第三供应管路连接。
12.如权利要求8所述的燃料电池系统，进一步包括适于向所述发热元件提供电流的电源。
13.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述发热元件由导电金属制成。
14.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述发热元件具有波纹形状。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述波纹形状界定了所述多个流动通道，所述流动通道在所述重整器入口和所述重整器出口之间彼此大体平行地延伸。
16.如权利要求8所述的燃料电池系统，进一步包括形成在所述发热元件和所述催化剂层之间的催化剂支撑层。
17.如权利要求8所述的燃料电池系统，进一步包括所述主体内表面上的绝缘层。
18.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中多个发电体布置成堆体。
19.一种用于燃料电池系统的重整器，包括：
主体，其界定一内部空间；
发热元件，位于所述主体的内部空间中，所述发热元件呈波纹形状且由导电金属制成；以及
催化剂层，形成在所述发热元件的表面上。
20.如权利要求19所述的重整器，进一步包括适于向所述发热元件提供电流的电源。
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