CN100446322C - 燃料电池热回收重整器和系统 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统包括：重整器，用于重整燃料和产生氢气；叠层，通过氢气和氧气之间的电化学反应发电；燃料供给单元，给重整器供给燃料；空气供给单元给重整器和叠层供给空气。重整器包括用于产生氢气的重整反应器单元和具有真空区域的绝热单元，所述真空区域覆盖重整反应器单元并且回收从重整单元中产生的热。

Description

燃料电池热回收重整器和系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，并且尤其涉及一种燃料电池系统的重整器结构。
背景技术
众所周知，燃料电池是一种直接将化学能转化成电能的发电系统，通过氧气或者包含氧的空气与包含在例如甲醇和天然气的烃族材料中的氢气之间的电化学反应。具体地，燃料电池具有如下特征：它通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能而没有燃烧，且提供作为其副产品的热，电热可以被同时利用。
依据使用的电解质类型，燃料电池被分类为在大约150℃至200℃温度下工作的磷酸盐燃料电池，在大约600℃至700℃高温下工作的熔融碳酸盐燃料电池，在大约1000℃或更高的高温下工作的固体氧化物燃料电池，在室温或者100℃或更低的温度下工作的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和碱性燃料电池。这些燃料电池基于相同的原理工作，但是他们在燃料的类型、运行温度、催化剂和电解质方面彼此不同。
最近发展的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其它燃料电池比较具有极好的输出特性、低运行温度、以及快速启动和响应特性，并且使用通过重整甲醇、乙醇、天然气等获得的氢气。因此，PEMFC具有广泛的应用范围，例如车辆的移动电源、家庭或者建筑的分散式电源和电子设备的小型电源。
上述PEMFC具有燃料电池主体(下文中，称作叠层)、燃料罐和将燃料罐中的燃料提给叠层的燃料泵，以组成典型的系统。这种燃料电池还包括重整器，该重整器重整燃料以产生氢气且将氢气提供给叠层。因此，在PEMFC中利用燃料泵的抽汲力将储存在燃料罐中的燃料提供给重整器。然后重整器重整燃料并产生氢气。叠层使氢气和氧气相互之间发生电化学反应，从而产生电能。
可选择的，这种燃料电池可以使用直接甲醇燃料电池(DMFC)设计，其将包含氢的液体燃料直接供给给叠层并产生电能。不像PEMFC，采用直接甲醇燃料电池设计的燃料电池不需要重整器。
在上面描述的燃料电池系统中，基本发电的叠层具有数个或数十个单元电池的堆叠结构，单元电池具有膜电极组件(MEA)和隔板(或者双极板)。MEA具有这样的结构，使得阳极和阴极通过在其间的电解质膜彼此连接。隔板同时起到通路的功能，通过该通路供给燃料电池反应所需要的氧气和氢气，并且也起到导体的功能，彼此串联每个MEA的阳极和阴极。
因此，通过隔板，氢气提供给阳极且氧气提供给阴极。在阳极上发生氢气的氧化反应和在阴极上发生氧气的还原反应。由于那时产生的电子的流动，从而同时获得电流、热和水。
上面所述的重整器是一种装置，其通过催化重整反应将包含氢和水的液体燃料转化成叠层发电所需要的氢气，且另外，除去有害物质例如一氧化碳，其能使燃料电池中毒并且缩短其寿命。重整器包括：重整部件，用于重整燃料并产生氢气；和一氧化碳去除部件，用于从氢气中除去一氧化碳。重整部件通过催化反应例如蒸汽重整、部分氧化、自然反应等将燃料转化成富含氢的重整气体。一氧化碳去除部件利用催化反应例如水气转换反应、氧化反应等或者利用分离膜的氢净化从重整气体中除去一氧化碳。
在燃料电池系统的传统重整器中，重整部件包括：放热反应部分，其引发燃料和空气之间的催化氧化反应并产生燃烧热；和吸收燃烧热的吸热反应部分，其引发燃料的催化重整反应，并且产生氢气。因此，在重整部件中，吸热反应部分从放热反应部分中吸收预定的反应热，并且通过催化重整反应从液体燃料和水的混合燃料中产生富含氢的重整气体。
然而，因为燃料电池系统的传统重整器具有一种结构使得反应热能够轻易地泄漏至外部，所以需要均衡温度分布的重整部件显示了不均匀的温度分布，从而恶化整个重整器的反应效率和热效率。
发明内容
参考本发明，提供了一种燃料电池系统的重整器和使用该重整器的燃料电池系统，所述重整器能够有效率地回收反应热用于形成重整气。
依照本发明的一个方面，燃料电池系统的重整器包括：用于重整燃料并产生氢气的重整反应器单元。和绝热单元，该绝热单元具有覆盖重整反应器单元并且回收重整器反应器所产生的热的真空区域。
绝热单元包括：内壁，围绕重整反应器单元；和外壁，其由内壁以一间隙设置以形成真空区域。
重整反应器单元包括：第一反应器，用于通过催化氧化反应燃烧液体燃料和空气并产生热；和第二反应器，用于吸收第一反应部件中产生的反应热，汽化液体燃料和水的混合燃料，并且通过催化重整反应由汽化燃料产生重整气体。
内壁和外壁由选自不锈钢、陶瓷、铝和锆中选出的至少一种材料制成。
重整器还可以包括至少一个一氧化碳去除部件，其与重整反应器单元连接，并且降低由重整反应器单元产生的重整气体中一氧化碳的浓度。
绝热部件设置于真空区域中，并且绝热部件可以由玻璃纤维或者多孔陶瓷制成。
可以在内壁和外壁之间设置至少一个隔离物用于维持间隙，并且隔离物可以形成为穿入内壁和外壁的连接部件。
依照本发明的另一个方面，还提供一种燃料电池系统，包括：重整器，用于重整燃料并产生氢气；叠层，用于通过氢气与氧气之间的电化学反应发电；燃料供给单元，用于给重整器提供燃料；空气供给单元，用于给重整器和叠层提供空气，其中重整器包括用于产生氢气的重整反应器单元和绝热单元，所述绝热单元具有覆盖重整反应器单元并且回收重整反应器单元所产生的热的真空区域。
燃料供给单元包括：用于储存液体燃料的第一罐；用于储存水的第二罐；和连接第一罐和第二罐的燃料泵。
空气供给单元包括用于吸进外部空气的空气泵。
燃料电池系统可以采用PEMFC设计。
附图说明
图1是说明根据本发明实施例燃料电池系统的整个结构的简图。
图2是说明图1中所示重整器结构的截面图。
图3是说明图1中所示叠层结构的分解透视图。
图4和图5是说明本发明另外实施例的截面图。
具体实施方式
依照本发明燃料电池系统的示范性实施例使用PEMFC，其中通过重整含氢燃料产生富含氢的重整气体，并且通过允许重整气体与氧气相互发生电化学反应产生的化学能直接转化成电能。
现在参考图1，依照本发明实施例的燃料电池系统100包括：重整器20，其重整含氢燃料以产生富氢的重整气体；叠层10，将从重整器20中产生的重整气体与氧气之间的化学反应能转化成电能以发电；燃料供给单元30，给重整器20供给燃料；空气供给单元40，给叠层10和重整器20供给外部空气。
在燃料电池系统100中，用于发电的主要燃料是水加上烃族或者醇族燃料例如甲醇、乙醇、天然气等。方便起见，液体燃料和水的化合物被认为是混合燃料。
通过重整气体和从空气供给单元40供给的外部空气中氧气之间的电化学反应，燃料电池系统100能够发电。
可选择的，燃料电池系统100可以将储存罐或瓶中的氧气，和产生于重整器20中的重整气体，一并供给给叠层10，并且通过其间发生的电化学反应来发电。
在下面的描述中，采用外部空气作为所需要的氧气说明示范性实施例。
燃料供给单元30包括用于储存含氢液体燃料的第一罐31，也就是，碳氢族或者醇族氢燃料例如甲醇、乙醇、天然气等。储存水的第二罐32储存水。燃料泵33分别与第一罐31和第二罐32连接。空气供给单元40包括用于引入外部空气的空气泵41。
图2是说明图1中所示重整器结构的截面图。参考图1和2，用于燃料电池系统100中使用的重整器20包括重整反应器单元21，用于通过预定的催化反应从混合燃料中产生富氢的重整气体。
重整反应器单元21包括：第一反应器22，其燃烧液体燃料与空气来产生具有预定温度的反应热；和第二反应器23，其利用反应热产生富含氢气的重整气体。
第一反应器22是一个放热部件，用于提供产生重整气体所需要的热，并且通过催化氧化反应燃烧液体燃料和外部空气。
第一反应器22可以形成为平板形状，其构成能够使燃料和空气流动的流动通道(未示出)。常规的催化氧化层(未示出)形成于流动通道中，该催化氧化层用于促进燃料和空气之间的催化氧化反应。第一反应器22和燃料供给单元30的第一罐31可以通过第一供给管道51相互连接。第一反应器22和空气供给单元40可以通过第二供给管道52相互连接。连接到第一反应器22上的排放管道59将催化氧化反应中产生的燃烧气体和在反应中没有参加反应的剩余燃料和空气排放到重整器20的外部。
第二反应器23吸收第一反应器22产生的反应热并且汽化混合燃料。第二反应器23通过蒸汽重整(SR)催化反应由汽化燃料中产生富含氢的重整气体。第二反应器23可以形成为平板形状，其构成能够使催化重整反应所需要的混合燃料流动的流动通道(未示出)，并且与第一反应器22紧密设置。常规的催化氧化层(未示出)形成于流动通道中，用于促进混合燃料的催化重整反应。第二反应器23通过第三供给管道53与燃料供给单元30的第一罐31和第二罐32连接。
依照本发明，第一和第二反应器22、23不局限于具有流动通道且相互之间紧密设置的平板形状，也可以形成圆柱形反应容器的形状。也就是，第一反应器22和第二反应器23可以通过以下来构造：第一反应器22具有一种结构，其中催化氧化层形成于反应容器内部；第二反应器23具有一种结构，其中催化重整层形成于反应容器的内部，并且第二反应器23的反应容器设置在第一反应器22的反应容器的内部。
而且，在依照示范性实施例的重整器20中，至少一个一氧化碳减少部件24设置于叠层10和重整反应器21之间，所述一氧化碳减小部件通过水气转换(WGS)催化反应或者优先CO氧化(PROX)催化反应减少重整气体中的一氧化碳浓度。
一氧化碳减少部件24包括：圆柱形反应容器25，连接于重整反应器单元21；典型的水气转换催化层(未示出)；或者优先CO氧化催化层(未示出)，形成于反应容器25内部。
反应容器25具有入口25a和出口25b，入口25a允许从重整反应器单元21供给的重整气体流到反应容器25的内部空间，出口25b允许重整气体供给给叠层，通过内部空间催化层引起的催化反应使得重整气体一氧化碳浓度减小。通过第四供给管道54，反应容器25的入口25a可以连接到第二反应器23上。通过第五供给管道55，反应容器25的出口25b可以连接于叠层10。
现在参照附图1和3，燃料电池系统100中使用的叠层10包括多个发电器11，其引发通过重整器20重整的重整气体与空气的氧化/还原反应来发电。
每一个发电器11组成一个产生电能的电池单元，并且包括用于氧化/还原重整气体和空气中氧气的MEA12，和用于给MEA12供给重整气体和空气的隔板16。
在每一个发电器11中，隔板16设置于MEA12的两个表面。通过连续堆叠发电器11形成叠层10。输入端板13和输出端板13’置于叠层10的最外侧。
在MEA12中，采用传统的MEA结构，其中电解质膜置于阳极和阴极之间，阳极和阴极构成电解质膜的各个侧面。通过隔板16给阳极供给重整气体，并且阳极包括：催化层，用于通过氧化反应转化重整气体为电子与氢离子；和气体扩散层(GDL)，用于顺利移动电子与氢离子。通过隔板16供给空气给阴极，并且阴极包括：催化层，用于通过还原反应将空气中的氧气转化为电子与氧离子；和气体扩散层，用于顺利移动电子与氧离子。电解质膜由50至200μm厚度的固体聚合物电解质制成，并且具有将产生于阳极催化层的氢离子移动到阴极催化层的离子交换功能。
隔板16置于MEA12的两个表面上，并且与MEA12的阳极和阴极紧密接触。流道17形成于与MEA12的阳极和阴极紧密接触的隔板16的表面上，用于给阳极供给重整气体和给阴极供给空气。
各个端板13、13’设置于叠层10最外侧上，并且具有紧密压合多个发电器11的功能。端板13包括：第一供给管13a，用于将从重整器20形成的重整气体注入到流道17；和第二供给管13b，用于将空气注入到流道17。端板13’包括：第一排放管13c，用于排放未参与反应且最后残存于多个发电器11中的氢气；和第二排放管13d，用于排放未参与反应且最后残存在多个发电器11中的空气。这里，一氧化碳减少部件24可以通过上述供给管道55连接于第一供给管13a。空气供给单元40可以通过第六供给管道56连接于第二供给管13b。
当具有上述结构的燃料电池系统100运行时，从重整反应器单元21的第一反应器22中产生的部分反应热可能不供给第二反应器23并且可能泄漏到外面，使得在第二反应器23中发生温度不均衡且因此恶化反应效率或热效率。
然而，依照本发明的示范性实施例，重整器包括回收热的绝热单元26，使得热不会从重整反应器单元21中外泄漏。
参考图2，依照典型实施例的绝热单元26包括：内壁27，围绕整个重整反应器单元21，和外壁28，从内壁27设置有预定的间隙且环绕内壁27。结果，在内壁27和外壁28之间形成空间，该空间通过传统的真空处理实现真空区域60。真空区域60覆盖重整反应器21。
内壁27和外壁28可以由选自不锈钢例如Steel Use Stainless(SUS)、绝热材料例如铝和锌、和绝热非金属中的至少一种材料制成。内壁27和外壁28可以采用相同的材料制成或者采用不同的材料制成。内壁27和外壁28可以具有相同的厚度或者具有不同的厚度。
绝热单元26包括：第一和第二连接构件29a、29b，穿透外壁28和内壁27并且将第一和第二供给管道51、52连接于第一反应器22；和第三和第四连接构件29c、29d，穿透外壁28和内壁27并且将第三和第四供给管道53、54连接于第二反应器23。
第五连接部件29e形成于绝热单元26中，所述部件29e穿透外壁28和内壁27并且将排放管道59连接于第一反应器22。
第一、第二、第三、第四、和第五连接部件29a、29b、29c、29d、29e用作隔离物，用于穿透内壁27和外壁28并且在其之间保持间隙，并且也用作连接装置，用于将供给管道和排放管道连于到重整反应器单元。隔离物不局限于上述连接部件的结构，而具有通过内壁27和外壁28支持的垫圈或肋状或凸起状的结构。
将更详细的描述依照本发明示范性实施例具有上述结构的燃料电池系统的操作。
首先，燃料泵33将储存在第一罐31中的液体燃料通过第一供给管道51供给给第一反应器22。空气泵41将外部空气通过第二供给管道52供给给第一反应器22。接下来，通过液体燃料和空气之间的催化氧化反应，第一反应器22产生预定的反应热。在这时，第一反应器22通过排放管道59将燃烧气体和没有参与反应的残余燃料与空气排放到重整器20外面。
同样，燃料泵33分别将储存在第一罐31中的液体燃料和储存在第二罐32中的水通过第三供应管道53供给给第二反应器23。将从第一反应器中产生的反应热供给给第二反应器23并且第二反应器23在预定的温度下保持预热状态。
然后，在第二反应器23中，通过蒸汽重整(SR)催化反应，同时发生分解混合燃料(其是液体燃料和水)的反应和转换一氧化碳的反应，因此产生包含一氧化碳和氢气的重整气体。在这时，第二反应器23不能够完全执行一氧化碳的转换反应，因此产生的重整气体包含作为副产品的微量一氧化碳。
在进行上述工艺的过程中，由于由重整反应器单元21产生的反应热可以被内壁27和外壁28，还有覆盖重整反应器单元21的真空区域60利用，所以重整器20能够防止从重整反应器单元21中产生的反应热损失，从而可以提高反应效率和重整反应器单元21的热效率成为可能。
为了进一步提高绝热效果，在真空区域60中可以设置绝热构件。绝热构件可以是由玻璃纤维62或多孔陶瓷64制成，围绕内壁27提供，如图4和5所示。
此外，为了提高绝热效果，外壁28的内表面可以涂布反射层或者可以形成内表面是粗糙的，以反射由重整反应器单元21产生的反应热。
通过第四供给管道54将重整气体供给给一氧化碳减少单元24的反应器25。在这时，依靠燃料泵33的抽汲功率能够将重整气体供给给反应器25。然后反应器25通过水气转换(WGS)催化反应或优先OC氧化(PROX)催化反应，减小重整气体中一氧化碳的浓度。
随后，通过第五供给管道55将重整气体供给给叠层10的第一供给管13a。在这时，依靠燃料泵33的抽汲功率可以将重整气体供给给叠层10的第一供给管13a。
同时地，通过第六供给管道56，空气泵41将外部空气供给给叠层10的第二供给管13b。
因此，当通过叠层10的第一供给管13a供给重整气体和通过叠层10的第二供给管13b供给外部空气时，叠层10产生电、热和水，参照下面的反应：
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O
总反应：H2+1/2O2→H2O+电流+热
参考上面的反应，通过隔板16给MEA12的阳极供给重整气体，和给阴极供给空气。当重整气体流过阳极时，在催化层中氢分解成电子和离子(氢离子)。当质子通过电解质膜时，电子、氧离子和质子在催化剂的作用下合成产生水。从阳极中产生的电子不通过电解质膜，而是通过外电路移动到阴极。通过这些过程，产生电、水和热。
在根据本发明的燃料电池系统中，因为提供能够回收重整反应器单元中产生的反应热的结构，所以可以提高重整器的反应效率和热效率。因此，可以进一步提高整个系统的性能和效率。
虽然对本发明示范性实施例进行了描述，但是本发明并不限于上述实施例，在不脱离本发明附带的权利要求、描述细节和附图的范围下，可以以各种形式进行修改。因此，本领域技术人员应意识到上述修改也属于本发明的范围。

Claims (22)

1.一种燃料电池系统的重整器，包括：
重整反应器单元，用于重整燃料和产生氢气；和
绝热单元，具有真空区域，所述真空区域覆盖所述重整反应器单元且回收从所述重整反应器单元产生的热，
其中所述重整反应器单元包括：
第一反应器，用于通过催化氧化反应燃烧液体燃料和空气并且产生热；和
第二反应器，用于吸收所述第一反应器中产生的热，汽化液体燃料和水的混合燃料，且通过催化重整反应由汽化燃料产生重整气体，
其中，所述第一反应器和第二反应器分别具有第一反应容器和第二反应容器，并且该第二反应容器设置在该第一反应容器的内部。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统的重整器，其中所述绝热单元包括：
内壁，围绕所述重整反应器单元；和
外壁，设置以在所述内壁与外壁之间提供间隙，所述间隙形成真空区域。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统的重整器，其中所述内壁或外壁由选自不锈钢、陶瓷、铝和锌的至少一种材料制成。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统的重整器，还包括至少一个一氧化碳减少部分，与所述重整反应器单元连接，用于减小从所述重整反应器单元产生的重整气体的一氧化碳的浓度。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统的重整器，其中绝热构件设置于所述真空区域中。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统的重整器，其中所述绝热构件由玻璃纤维制成。
7.如权利要求5所述的燃料电池系统的重整器，其中所述绝热构件由多孔陶瓷制成。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统的重整器，其中至少一个隔离物保持所述内壁和外壁之间的间隙。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统的重整器，其中所述至少一个隔离物形成作为穿透所述内壁和外壁的连接部件。
10.一种燃料电池系统，包括：
重整器，重整燃料和产生氢气；
叠层，通过氢气和氧气之间的电化学反应来发电；
燃料供给单元，给所述重整器供给燃料；和
空气供给单元，给所述重整器和叠层供给空气，
其中所述重整器包括用于产生氢气的重整反应器单元，和具有真空区域的绝热单元，所述真空区域覆盖所述重整反应器单元且回收从所述重整反应器单元中产生的热，
其中所述重整反应器单元包括：
第一反应器，用于通过催化氧化反应燃烧液体燃料和空气并且产生热；和
第二反应器，用于吸收所述第一反应器中产生的热，汽化液体燃料和水的混合燃料，且通过催化重整反应由汽化燃料中产生氢气，
其中，所述第一反应器和第二反应器分别具有第一反应容器和第二反应容器，并且该第二反应容器设置在该第一反应容器的内部。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述燃料供给单元包括：
第一罐，储存液体燃料；
第二罐，储存水；和
燃料泵，与所述第一罐和第二罐连接。
12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述空气供给单元包括用于引入外部空气的空气泵。
13.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述绝热单元包括：
内壁，围绕所述重整反应器单元；和
外壁，设置来在所述内壁与外壁之间提供间隙，所述间隙形成真空区域。
14.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中第一供给管道、第二供给管道和第三供给管道分别穿透所述绝热单元并且分别与所述重整反应器单元连接。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述第一供给管道与所述燃料供给单元连接，并且通过所述第一供给管道将液体燃料供给给所述第一反应器。
16.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述第二供给管道与所述空气供给单元连接，并且通过所述第二供给管道将外部空气供给给所述第一反应器。
17.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述第三供给管道与所述燃料供给单元连接，并且通过所述第三供给管道将液体燃料与水混合的混合燃料供给给所述第二反应器。
18.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述重整器还包括至少一个一氧化碳减少部件，与重整反应器单元连接，以减小从重整反应器单元产生的重整气体的一氧化碳的浓度。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中第四供给管道穿透所述绝热单元并且连接所述重整反应器单元和所述一氧化碳减少部件。
20.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中第五供给管道连接所述一氧化碳减少部件和所述叠层。
21.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中第六供给管道连接所述空气供给单元和所述叠层。
22.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统是聚合物电解质膜燃料电池系统。
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