CN100459262C - 燃料电池重整器和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统的重整器和使用其的燃料电池系统。该重整器包括形成含氢燃料从中通过的独立空间的管道组件。其中所述管道组件包括：第一反应组件，用于通过所述燃料的氧化反应产生热能；第二反应组件，围绕所述第一反应组件，用于利用所述热能通过重整反应从所述燃料产生氢气；及热传导单元，用于将所述热能传输给供给至所述第二反应组件的燃料。

Description

燃料电池重整器和系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，且更具体地涉及使用具有改进结构的重整器的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是产生电能的系统。在燃料电池中，氧和在诸如甲醇、乙醇和天然气的碳氢化合物材料中所含的氢的化学反应能被直接转化为电能。
依据所使用的电解质的类型，燃料电池分为不同的类型，包括：磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和聚合物电解质膜燃料电池或碱性燃料电池。虽然每种这些不同类型的燃料电池利用相同的原理运行，它们在燃料的类型、催化剂、和所用电解质以及驱动温度上不同。
近来已经开发了一种聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。与其它燃料电池相比，PEMFC具有卓越的输出特性、低操作温度及快速启动和响应特性。PEMFC具有广泛的应用，其可以用于车辆、住宅和楼宇以及用于电子装置的电源。
PEMFC的基本部件是堆体、重整器、燃料罐和燃料泵。堆体形成燃料电池的主体。燃料泵将燃料罐中的燃料提供给重整器。重整器重整燃料来产生氢气且将氢气提供给堆体。因此，PEMFC将燃料罐中的燃料通过燃料泵的操作供给至重整器，燃料在重整器中被重整来产生氢气，且氢气与氧在堆体中进行电化学反应而由此产生电能。
在以上的燃料电池系统中，构建堆体(在那里产生发电)来包括用膜电极组件(MEA)实现的几个至几十个单元电池，具有在其两侧提供的隔板。MEA中，阳极电极和阴极电极彼此相对设置，电解质层介于其间。另外，隔板通常利用本领域中所谓的双极性板实现，且用于分开各个MEA。隔板还用于提供将氢气和氧供给至MEA的阳极电极和阴极电极的通道，氢气和氧是燃料电池反应所必须的。另外，隔板用作串联连接每个MEA的阳极电极和阴极电极的导体。因此，通过隔板氢气被供给至阳极电极而氧被供给至阴极电极。通过该过程，在阳极电极发生氢气的氧化反应，而在阴极电极发射氧的还原反应。该过程期间发生的电子迁移产生电。还产生热和水气。
上述的燃料电池系统中的重整器是一种装置，其通过热能实现的化学催化反应从含氢燃料产生氢气。重整器通常包括从燃料产生热能和氢气的重整反应器和减少氢气中所含一氧化碳的浓度的减少器。重整反应器利用了使用催化过程的热产生和热吸收特性。具体地，重整反应器包括通过催化氧化反应产生反应热的发热体和接收反应热且通过催化重整反应产生氢气的热吸收体。
但是，由于在传统的重整器中发热体和热吸收体配置为独立的单元，因为热交换不直接发生于发热体和热吸收体之间，导致热传导效率降低。发热体和热吸收体的分开形成还增加了系统的总尺寸。最后，在传统燃料电池系统的初试运行期间供给至重整器的燃料被预热，且该工艺所需的能量起到降低该系统总效率的作用。
发明内容
在本发明的一示范性实施例中，提供有一种燃料电池系统的重整器和一种包括该重整器的燃料电池系统，其中用于重整器的结构是简单的而且能够在产生氢气期间实现改进的反应和热效率。
在一方面，用于燃料电池系统的重整器具有至少一种形成含氢燃料从中通过的独立空间的管道结构，且包括：第一反应组件，用于通过燃料的氧化反应产生预定热能；第二反应组件，围绕第一反应组件，用于利用热能通过重整反应从燃料产生氢气；和热传导单元，用于将热能传输给供给至第二反应组件的燃料。
管道组件可以进一步包括第一管道和第二管道，第二管道的周长显著小于第一管道的周长，从而允许在第一管道内设置第二管道，第一和第二管道的长轴基本重叠，在第二管道中和在第一管道与第二管道之间分别形成独立的空间。
热传导单元可以包括：第一通过构件，以线圈的结构围绕第一管道的外周，且与第二管道中的空间相联；和至少一个第二通过构件，围绕第一管道的外周，与第一通过构件接触，且与第一管道和第二管道之间的空间相联。
在另一方面，第一反应组件可以包括氧化催化剂层，用于通过含氢燃料的氧化反应产生预定的热能，且第二反应组件可以包括：重整催化剂层，用于利用热能通过重整反应从燃料产生氢气，重整催化剂层形成于第一管道和第二管道之间的空间中；和热传导单元，用于将热能传输给供给至第二反应组件的燃料。
第一反应组件可以通过在第二管道的一端上连接具有注入孔的第一帽和在第二管道的另一端上连接具有排出孔的第二帽而形成。第二反应组件可以通过连接第三帽和连接第四帽形成，第三帽在第一管道的一端上具有注入孔，第四帽在第一管道的另一端上具有排出孔。
第三帽可以包括第二管道通过的连接孔，且注入孔从连接孔放射状地形成于第三帽中来由此围绕连接孔。
热传导单元可以包括第一通过构件，第一通过构件以线圈的结构围绕第一管道的外周，且连接至第二帽的排出孔。至少一个第二通过构件可以围绕第一管道的外周，与第一通过构件接触，且连接至第三帽的注入孔。
第二反应组件可以包括水气变换催化剂层，其相邻于重整催化剂层形成于第四帽的排出孔的附近。
每个第一管道和第二管道可以基本形成为圆柱管道，且由导电材料制成，该导电材料从包括不锈钢、铝、铜和铁的组中选择。但是，本领域的技术人员可以理解管道可以是任何形状，诸如椭圆形、矩形、六边形、八边形。
重整器还可以包括绝缘体，绝缘体完全包围第一和第二反应组件。绝缘体可以包括内壁和围绕内壁且与内壁保持预定间隙的外壁，其中真空形成于内壁和外壁之间的间隙。内壁和外壁可以由从包括陶瓷、不锈钢、铝和其混合物的组选择的一种材料制成。
绝缘体可以包括：基本为圆柱形式的管，具有敞开的第一端和封闭的第二端；和与管的第一端连接的密封帽来由此密封管。
热传导单元可以包括：第一通过构件，第一通过构件以线圈的结构围绕第一管道的外周，且与第二管道中的空间相联；和至少一个第二通过构件，以与第一通过构件交替的方式以线圈的结构围绕第一管道的外周，接触第一通过构件，且至少一个第二通过构件与第一管道和第二管道之间的空间相联。
第一通过构件可以连接至形成于第二管道的排出构件中的通过孔。
第二通过构件可以连接至形成于第一管道的注入构件中的通过孔。
在又一个方面，燃料电池系统可以包括：重整器，如上述，用于利用热能通过化学催化反应从含氢燃料产生氢气；和至少一个发电体，用于通过氢气与氧的电化学反应产生电能。其中所述重整器包括管道组件，所述管道组件具有：第一反应组件，用于通过所述燃料的氧化反应产生热能；第二反应组件，围绕所述第一反应组件，且用于利用所述热能通过重整反应从所述燃料产生氢气；和热传导单元，用于将所述热能传导给供给至所述第二反应组件的燃料。
燃料电池系统还可以包括燃料供给组件，用于将燃料供给至重整器。燃料供给组件可以包括用于存储含氢燃料的第一罐、用于存储水的第二罐和连接至第一罐和第二罐的燃料泵。第一罐和第二管道可以通过第一供给管线互连，且第一罐和第二罐通过第二供给管线连接至第一管道。
燃料电池系统还可以包括用于将氧供给至重整器的氧供给组件和至少一个发电体。氧供给组件可以包括空气压缩机，用于将空气供给至燃料电池系统。空气压缩机和第二管道可以通过第三供给管线互连，第一管道和至少一个发电体可以通过第四供给管线互连，且至少一个发电体和空气压缩机可以通过第五供给管线互连。
附图说明
图1是依据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的示意图；
图2是图1的重整器的分解透视图；
图3是图1的重整器的透视图，其中重整器示为部分安装状态；
图4是图1的重整器的截面图；
图5是图1的堆体的分解透视图；
图6是依据本发明的另一示范性实施例的重整器的透视图；
图7是图6的重整器的截面图。
具体实施方式
参考图1，用于在燃料电池系统100中产生电能的燃料包含氢，诸如甲醇、乙醇、天然气等，通常呈现液体形态，可能还与水混和。另外，在依据本发明的示范性实施例的燃料电池系统100中，与燃料中所含氢反应的氧可以是存储于分开的存储容器中的纯氧气，或简单地可以使用空气中所含的氧。在以下的描述中，使用空气中所含的氧。
燃料电池系统100包括：重整器20，用于从液体燃料产生氢气；堆体10，用于将氢气和氧的化学反应能转化为电能由此发电；燃料供给组件50，用于将燃料供给至重整器20；和氧供给组件70，用于将氧(即，空气所含氧)供给至堆体10。
在具有以上基本结构的燃料电池系统100中，使用PEMFC方法，其中通过重整器20产生氢气，且将氢气供给至堆体10来由此通过氧和氢之间的电化学反应产生电能。
燃料供给组件50包括用于存储液体燃料的第一罐51、用于存储水的第二罐53和与第一罐51和第二罐53连接的燃料泵55。氧供给组件70包括利用预定的抽汲力将空气供给至燃料电池系统100的空压机71。
重整器20接收来自燃料供给组件50的燃料，从燃料产生氢气，且将氢气供给至堆体10。以下更详细地描述重整器20。
参考图1-4，利用至少两个基本共轴的管道的结构实现重整器20，使得在重整器20中提供分开的空间。重整器20包括第一反应组件23和第二反应组件27。第一反应组件23通过液体燃料和空气之间的氧化反应产生热能。第二反应组件27利用热能通过重整反应从混和的燃料产生氢气，且减少氢气中一氧化碳的浓度。
在示范性实施例中，重整器20包括第一管道21和设置于第一管道21内的第二管道22。第一管道21具有预定的横截面面积(或预定的周长)，且基本形成为两端敞开的圆柱管。第二管道22具有预定的横截面面积(或预定的周长)，其小于第一管道21的横截面面积，且相似地基本形成为两端敞开的圆柱管。第一和第二管道21、22基本共轴设置，如上所述，由此导致在第一和第二管道21、22之间的基本均匀的间隔。第一和第二管道21、22可以由诸如不锈钢、铝、铜和铁的导电材料制成。
采用上述的重整器20的基本结构，第一反应组件23包括形成于第二管道22内的氧化催化剂层24。注入孔25a形成于第一反应组件23的一端上且排出孔26a形成于其另一端上。
注入孔25a使液体燃料和空气供给入第二管道22，而排出孔26a允许燃烧后的气体从第二管道22的内部排出，已燃烧的气体是由液体燃料和空气之间的氧化反应所产生的。
更具体地，通过在第二管道22的一端上连接具有注入孔25a的第一帽25和在第二管道22的另一端上连接具有排出孔26a的第二帽26形成第一反应组件23。供给管线81、91连接于第一帽25的注入孔25a和第一罐51之间，且第三供给管线83连接于注入孔25a和空气压缩机71之间。在示范性实施例中，第一供给管线81和第三供给管线83通过单一连接管线91结合，且通过连接管线91连接至第一帽25的注入孔25a。在本例中，连接管线91可以通过绝缘体36(下文中加以说明)和用于连接注入孔25a的第一管道21。第一通过孔21a形成于第一管道21中来允许连接管线91从其中通过。
氧化催化剂层24填充于第二管道22中，且用于加速液体燃料和空气之间的氧化反应来由此产生预定温度的热源。氧化催化剂层24包括提供于载体上的催化剂材料，催化剂材料诸如铂(Pt)、铷(Ru)等，载体诸如片状的氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)或氧化钛(TiO2)等。
依据本发明的示范性实施例的第二反应组件27包括形成于第一管道21和第二管道22之间的空间中的重整催化剂层28。注入孔31a形成于第一管道21的一端上且排出孔32a形成于其另一端上。
注入孔31a形成为开口，通过该开口混和燃料(即，液体燃料和水)供给于第一管道21和第二管道22之间。排出孔32a是一开口，通过该开口由混和燃料的重整反应产生的氢气从重整器20排出。
更具体地，通过在第一管道21的一端上连接具有注入孔31a的第三帽31和连接第四帽32形成第二反应组件27，第四帽32具有排出孔32a且连接至第一管道21的另一端。第三帽31包括第二管道22通过的连接孔31b，且注入孔31a从连接孔31b放射状地形成于第三帽31中来由此围绕连接孔31b。第二供给管线82连接于注入孔31a与第一和第二罐51和53之间，且第四供给管线84连接于排出孔32a和堆体10的发电体11之间。发电体11将在以下更加详细地描述。第四供给管线84通过绝缘体36来由此互连发电体11和排出孔32a，绝缘体36将在以下描述。
重整催化剂层28填充于第一管道21和第二管道22之间的空间，且用于加速混和燃料的重整反应，即，加速混和燃料的分解反应和一氧化碳的衰变反应来由此从混和燃料产生氢气。重整催化剂层28包括提供于载体上的催化剂材料，催化剂材料诸如铜(Cu)、镍(Ni)或铂(Pt)等，载体诸如片状的氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)或氧化钛(TiO2)等。
另外，第二反应组件27可以包括水气变换催化剂层29，水气变换催化剂层29位于第一和第二管道21和22之间的空间中且紧密相邻于重整催化剂层28。水气变换催化剂层29通过水气变换(water-gas shift，WGS)反应减少氢气中所含的一氧化碳的浓度。水气变换催化剂层29可以设置于第四帽32的排出孔32a的附近，第四帽32位于混和燃料在通过第三帽31的注入孔31a注入后传输的路径的最远端。因为首先通过重整催化剂层28，所以混和燃料以被转化为氢气的状态到达水气变换催化剂层29。水气变换催化剂层29在载体上由催化剂材料形成，催化剂材料诸如铜(Cu)、锌(Zn)、铁(Fe)、或铬(Cr)等，载体诸如片状的氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)或氧化钛(TiO2)等。
为了优化通过第一反应组件23产生的热能的使用效率，依据本示范性实施例的重整器20包括热传导单元33，其将热能供给至第二反应组件27。
热传导单元33包括第一通过构件34，用于沿第一管道21的外周的方向传输已燃烧的气体，已燃烧的气体处于比较高的温度且通过第二管道22的排出孔26a排出。热传导单元33还包括第二通过构件35，用于传输迁移通过第一通过构件34的热能至供给至第一管道21的注入孔31a的混和燃料。
第一通过构件34的一端连接至第二管道22的排出孔26a，即，至第二帽26的排出孔26a。第一通过构件34为管状且以线圈的结构围绕第一管道21的外周。第一通过构件34的相对端通过绝缘体36，且延伸至绝缘体36的外部，绝缘体36将在以下描述。
每个第二通过构件35的一端连接至各自的第一管道21的注入孔31a，即，连接至放射地形成于第三帽31的各个注入孔31a。在接触第一通过构件34的状态中，第二通过构件35也为管状且以线圈的结构围绕第一管道21的外周。第二通过构件35的相对端通过绝缘体36(下文加以说明)，且延伸至绝缘体46的外部以通过第二供给管线82连接至第一和第二罐51、53。
在如上述构造的重整器20的运行期间，第一反应组件23中产生的热能没有完全传导至第二反应组件27，且可能被排出重整器20的外部。因此第二反应组件27中的温度不均匀，这导致反应和热效率降低。
在本发明的示范性实施例的重整器20中进一步包括绝缘体36来克服该问题。即，绝缘体26防止第一反应组件23中产生的热能被排出重整器20。
绝缘体36包括圆柱形状的管37，具有敞开的第一端和封闭的第二端。管37围绕第一管道21和热传导单元33。绝缘体36还包括连接至管37的第一端的密封帽38来基本密封管37。
管37包括与第一管道21相邻的内壁37a，和外壁37b，外壁37b围绕内壁37a并与内壁37a保持预定的间隙。真空可以形成于内壁37a和外壁37b之间的间隙中。另外，内壁37a和外壁37b由从包括陶瓷、不锈钢、锆、铝和其混合物的组中选择的一种材料制成。
密封帽38可以螺旋连接至管37的第一端，或利用密封帽38部分地且紧密地插入管37的结构来连接至管37的第一端。将液体燃料和空气供给入第二管道22的连接管线91通过密封帽38和第一管道22来与第二管道22的注入孔25a连接。另外，第二通过构件35自管37内的空间通过密封帽38且延伸至管37的外部，第二通过构件35将混和的燃料供给至第一管道21和第二管道22之间的间隙。另外，第四供给管线84通过密封帽38用于与第一管道21的排出孔32a连接，第四供给管线84连接至堆体10的发电体11。另外，第一通过构件34自管37内的空间通过密封帽38且延伸至管37的外部，第一通过构件34排出在第二管道22中产生的液体燃料和空气的燃气。为了实现该结构，在密封帽38中形成第二通过孔38a、第三通过孔38b、第四通过孔38c和第五通过孔38d，连接管线91通过第二通过孔38a用于与注入孔25a连接，第二通过构件35通过第三通过孔38b用于延伸至管37的外部，第四供给管线84通过第四通过孔38c用于连接至排出孔32a，和第一通过构件34通过第五通过孔38d用于延伸至管37的外部。
现参考图1和5，堆体10包括至少一个发电体11，用于利用空气中所含的氧通过由重整器20产生的氢气的氧化/还原反应产生电能。
每个发电体11(在多于一个的情况下)通过在两个隔板16之间插入MEA 12形成最小的发电单元电池。在示范性实施例中，多个这样的单元电池组合来形成层状结构的堆体10。压合板13、13’安装于多个发电体11的最外相对层。但是，在本发明中，可从该结构省略压合板13、13’且使用设置于发电体11的最外相对层的隔板16代替压合板13。但是当在结构中包括压合板13、13’时，它们可以具有除了将多个发电体11压合在一起以外的功能。如在以下所述，压合板13、13’可以起到使隔板16做得具有特定功能的作用。
阳极电极和阴极电极安装于每个MEA 12的相对表面，且电解质层设置于两个电极之间。阳极电极实现氢气的氧化反应，且转化的电子被向外吸引使得通过电子的流动产生电流。通过该电流氢离子通过电解质层迁移至阴极电极。阴极电极实现氢离子、电子和氧的还原反应来实现转化为水。另外，电解质层使得离子交换成为可能，其中在阳极电极中产生的氢离子迁移至阴极电极。
每个隔板16作为通路，MEA 12的氧化/还原反应所需的氢气和空气通过该通路供给至阳极电极和阴极电极。每个隔板16还作为串联连接相应的阳极电极和阴极电极的导体。更具体地，每个隔板16在与阳极电极紧密接触的MEA 12的表面上形成氢通路，用于将氢气供给至阳极电极。每个隔板16提供流道17，其在与阴极电极紧密接触的MEA 12的表面上形成通路，用于将空气供给至阴极电极。
输入压合板13包括第一注入构件13a和第二注入构件13b，第一注入构件13a用于将氢气供给至隔板16的氢通路，第二注入构件13b用于将空气供给至隔板16的空气通路。输出压合板13’包括第一排出构件13c和第二排出构件13d，第一排出构件13c用于排出MEA 12的阳极电极中反应后保留的氢气，第二排出构件13d用于排出MEA 12的阴极电极中由氢和氧的化合反应产生的水和氢的反应后保留的空气。第一注入构件13a与重整器20的第一管道21的排出孔32a通过第四供给管线84连接，且第二注入构件13b与空气压缩机71通过第五供给管线85连接。在另一结构中，第一排出构件13c与重整器20的第二管道22的注入孔25a通过分开的管线(未显示)连接。
现将描述燃料电池系统100的重整器20的组装和总体运行。
为了组装重整器20，第一帽25连接至第二管道22的一端，然后将第二管道22设置于第一管道21内。优选地，执行定位使得第二管道22和第一管道21的长轴基本彼此重叠。
然后，连接管线91被连接至第一罐51，且空气压缩机71通过第二通过孔38a然后在通过形成于第一管道21中的第一通过孔21a之后连接至第一帽25的注入孔25a。
随后，第四帽32连接至第一管道21的一端，与第一注入构件13a连接的第四供给管线84被连接至第四帽32的排出孔32a，处于第四供给管线84通过密封帽38的第四通过孔38c的状态。
接着水气变换催化剂层29和重整催化剂层28以这种顺序填充在第一管道21和第二管道22之间的间隙中，且在第二管道22的另一端位于第三帽31的连接孔31b中的状态下，第三帽31被连接至第一管道21的另一端。
接着以上，第二帽26连接至通过第三帽31的连接孔31b的第二管道22的该另一端，处于氧化催化剂层24填充第二管道22中的空间的状态。
之后，第一通过构件34的一端连接至第二帽26的排出孔26a，然后第一通过构件34以线圈结构围绕第一管道21的外周，在其后第一通过构件34的另一端通过密封帽38的第五通过孔38d。
然后每个第二通过构件35的一端连接至第三帽31的各自的注入孔31a。然后，第二通过构件35围绕第一管道21的外周来由此接触已经以该方式设置于第一管道21上的第一通过构件34。第二通过构件35的另一端通过密封帽38的第三通过孔38b。
第一管道21(和如上述的与其连接的所有元件)设置于绝缘体36的管37内。然后密封帽38与管37的一端连接来由此密封管37的内部。
在重整器20的组装完成的情况下，运行燃料泵55使得将第一罐51中存储的液体燃料通过第一供给管线81供给至第二管道22的内部。同时，运行空气压缩机71使得将空气通过第三供给管线83供给至第二管道22的内部。因此，通过第一供给管线81的液体燃料和通过第三供给管线83的空气通过连接管线91以混和的状态被注入第二管道22。
因此，液体燃料和空气通过在第二管道22中的氧化催化剂层24来由此经历催化氧化反应。液体燃料和空气通过催化氧化反应被燃烧来由此产生预定温度的反应热。该反应热通过第二管道22被传输至第一管道21和第二管道22之间的间隙。
之后，比较高温度且在第二管道22中产生的燃气通过第一通过构件34排出。第一通过构件34被从其通过的燃气的热加热至预定的温度。
在该状态中，运行燃料泵55使得在第一罐51中存储的液体燃料和在第二罐53中存储的水通过第二供给管线82被供给至第二通过构件35。因为第二通过构件35与如上所述被加热至预定温度的第一通过构件34接触，所以通过第二通过构件35的液体燃料和水的混和燃料接收在第一通过构件34中产生的热。混和燃料因此被该过程预热。
预热的混和燃料被注入第一管道21和第二管道22之间的间隙，且通过形成于该间隙中的重整催化剂层28来由此吸收供给自第二管道22的热能。在该过程期间，因为重整催化剂层28，混和的燃料反应发生于第一管道21和第二管道22之间的间隙来由此产生含有二氧化碳和氢的氢气。此时，在第一和第二管道21和22间的间隙中产生作为副产物的含一氧化碳的氢气。
随后，氢气通过水气变换催化剂层29。因此，通过水气变换催化反应在第一管道21的排出孔32a的附近产生附加的氢气，且该氢气中的一氧化碳的浓度减少。
在以上的过程期间，在第二管道22的空间中产生的反应热被绝缘体36阻挡，且被防止放出至第二管道22的外部。即，在第一反应组件23中产生的热能传输至第二反应组件27和传输至热传导单元33期间，热能通过管37的内壁37a经受初始绝热，然后通过管37的内和外壁37a和37b之间的真空空间以及外壁37b自身经受二级绝热。因此，通过如此防止在第一反应组件23中产生的热能损失而提高了重整器20的反应和热效率。
之后，具有减少的一氧化碳浓度的氢气通过第四供给管线84被供给至堆体10的第一注入构件13a。同时，运行空气压缩机71使得空气通过第五供给管线85被供给至堆体10的第二注入构件13b。
因此，将氢气通过隔板16的氢通路供给至MEA 12的阳极电极。另外，将空气通过隔板16的空气通路供给至MEA 12的阴极电极。
因此，氢气通过阳极电极中的氧化反应被分解为电子和质子(氢离子)。
而且，质子通过电解质层流至阴极电极，而电子，不能流过电解质层，改为通过隔板16流至相邻的MEA 12的阴极电极。电子的流动形成电流，这产生附加的热和水。
图6是依据本发明的另一示范性实施例的重整器的透视图，且图7是图6的重整器的截面图。
如上述的示范性实施例，依据该实施例的重整器120包括第一管道121和设置于第一管道121内的第二管道122来由此形成两个独立的空间。另外，重整器120包括第一反应组件123和第二反应组件127，第一反应组件123通过液体燃料和空气之间的氧化反应产生热能，第二反应组件127利用热能通过催化重整反应从混和燃料产生氢气，且减少氢气中一氧化碳的浓度。
第一反应组件123具有形成于第二管道122内的氧化催化剂层124。注入孔125形成于第二管道122的一端且排出孔126形成于其另一端上。
注入孔125使得将液体燃料和空气供给入第二管道122，而排出孔126允许从第二管道122的内部排出燃气，燃气通过液体燃料和空气之间的氧化反应产生。
另外，供给管线191连接至第二管道122的注入孔125来使得对其供给燃料和空气。供给管线191通过第一管道121，用于与第二管道122的注入孔125连接。第一通过孔121a形成于第一管道121中来允许供给管线191通过第一管道121。
第二反应组件127包括形成于第一管道121和第二管道122之间的空间中的重整催化剂层128。注入构件131形成于第一管道121的一端上，而排出构件132形成于其另一端上。
注入构件131形成为开口，混和的燃料(即，液体燃料和水)通过该开口供给至第一管道121和第二管道122之间。排出构件132是开口，通过该开口由混和燃料的催化重整反应产生的氢气从重整器120排出。另外，允许排出氢气的排出管线184连接至第一管道121的排出构件132。
第二反应组件127还包括水气变换催化剂层129，水气变换催化剂层129在第一和第二管道121和122之间的空间中且与重整催化剂层128紧密相邻。水气变换催化剂层129用于通过WGS反应减少氢气(由重整催化剂层128所产生)中所含的一氧化碳的浓度。
在该示范性实施例中，重整器120包括热传导单元133，其将由第一反应组件123产生的热能供给至第二反应组件127和供给至被供给于第二反应组件127的混和燃料。
热传导单元133包括第一通过构件134和第二通过构件135，第一通过构件134与第二管道122的内部连通且安装接触第一管道121的外周，第二通过构件135与第一管道121和第二管道122之间的间隙连通且安装接触第一管道121的外周。
第一通过构件134用于沿第一管道121的外周方向传输比较高温度的燃气，所述燃气通过第二管道122的排出孔126排出。
第二通过构件135将燃气的热能传输至混和燃料，且将混和燃料通过第一管道121的注入构件131供给至第一和第二管道121和122。
更具体地，第一通过构件134和第二通过构件135以线圈的结构在第一管道121的外周形成并围绕第一管道121。第一通过构件134连接至形成于第二管道122的排出构件126中的第二通过孔122a，且第二通过构件135连接至形成于第二管道122的注入构件131中的第三通过孔121b。在连接至第二通过孔122a和第三通过孔121b之后，第一通过构件134和第二通过构件135以交替的方式和上述的线圈的结构分别围绕第一管道121。
由于重整器120的运行基本与前述实施例的运行相同，所以没有提供其详细的描述。
在上述的本发明的燃料电池系统中，双管道结构用于重整器使得它能够快速地传输系统中发生的各种燃料反应所需的热能。因此，系统的总体性能和热效率被改善。这样的双管道结构还允许重整器被做成小型的尺寸。
另外，使用一种结构，其中供给至重整器的燃料可以在燃料电池系统的初始运行期间被预热。这进一步增加了热效率且还增强了运行性能。
最后，提供有一种结构，该结构绝热重整反应所需的热能使得附加地提高了反应和热效率。
虽然结合某些示范性实施例描述了本发明，本领域的技术人员应理解本发明不限于所公开的示范性实施例，但是，相反，旨在覆盖如所附的权利要求所界定的本发明的精神和范围内所包括的各种改进和/或等价方案。

Claims (27)

1.一种用于燃料电池系统的重整器，包括：
由第一管道和第二管道形成的管道组件，所述第二管道的外周长小于所述第一管道的内周长，独立空间分别形成于所述第二管道中和所述第一管道与所述第二管道之间，所述管道组件包括：
第一反应组件，具有用于通过含氢燃料的氧化反应产生预定的热能的氧化催化剂层，所述氧化催化剂层形成于所述第二管道的内部空间中；
第二反应组件，具有用于利用所述热能通过重整反应从所述燃料产生氢气的重整催化剂层，所述重整催化剂层形成于所述第一管道和所述第二管道之间的空间中；和
热传导单元，用于将所述热能传导至供应到所述第二反应组件的燃料以预热供应到所述第二反应组件的燃料，所述热传导单元包括：
第一通过构件，以线圈的结构围绕所述第一管道的外周，且与所述第二管道中的内部空间连通；和
至少一个第二通过构件，围绕所述第一管道的所述外周，处于与所述第一通过构件接触的状态，且与所述第一管道和第二管道之间的空间相联。
2.如权利要求1所述的重整器，其中，
所述第一反应组件包括：在所述第二管道的一端上具有注入孔的第一帽；和在所述第二管道的另一端上具有排出孔的第二帽，且
所述第二反应组件包括：在所述第一管道的一端上具有注入孔的第三帽；和在所述第一管道的另一端上具有排出孔的第四帽。
3.如权利要求2所述的重整器，其中，所述第三帽包括：连接孔，所述第二管道通过所述连接孔；和注入孔，从所述连接孔放射状地形成于所述第三帽中来由此围绕所述连接孔。
4.如权利要求2所述的重整器，其中，第一通过构件连接至所述第二帽的所述排出孔，并且至少一个第二通过构件连接至所述第三帽的所述注入孔。
5.如权利要求2所述的重整器，其中，所述第二反应组件包括形成于所述第一管道与所述第二管道间的空间中的水气变换催化剂层，所述水气变换催化剂层用于减少所述氢气中的一氧化碳的浓度，所述水气变换催化剂层相邻所述重整催化剂层形成于所述第四帽的所述排出孔的附近。
6.如权利要求1所述的重整器，其中，
每个所述第一管道和所述第二管道基本形成为圆柱管道，且由选自不锈钢、铝、铜和铁的导电材料制成。
7.如权利要求1所述的重整器，还包括绝缘体，所述绝缘体完全包围所述第一和第二反应组件。
8.如权利要求7所述的重整器，其中，所述绝缘体包括：
内壁；和
外壁，围绕所述内壁且与所述内壁保持预定间隙，且
其中，真空形成于所述内壁和所述外壁之间的间隙。
9.如权利要求8所述的重整器，其中，所述内壁和所述外壁由选自陶瓷、不锈钢、锆、铝和其混合物的一种材料制成。
10.如权利要求7所述的重整器，其中，所述绝缘体包括：
圆柱管，具有敞开的第一端和封闭的第二端，和
密封帽，与所述圆柱管的所述第一端连接。
11.如权利要求1所述的重整器，其中，所述至少一个第二通过构件以与所述第一通过构件交替的方式以线圈的结构围绕所述第一管道的所述外周。
12.如权利要求11所述的重整器，其中，所述第一通过构件连接至形成于所述第二管道的排出构件中的通过孔。
13.如权利要求11所述的重整器，其中，所述至少一个第二通过构件连接至形成于所述第一管道的注入构件中的通过孔。
14.一种燃料电池系统，包括：
重整器，用于利用热能通过化学催化反应从含氢燃料产生氢气；和
至少一个发电体，用于通过所述氢气与氧的电化学反应产生电能，
其中，所述重整器包括管道组件，所述管道组件具有：第一反应组件，用于通过所述燃料的氧化反应产生热能；第二反应组件，围绕所述第一反应组件，且用于利用所述热能通过重整反应从所述燃料产生氢气；和热传导单元，用于将所述热能传输给供给至所述第二反应组件的燃料以预热供给至所述第二反应组件的燃料，所述重整器包括：
第一管道；和
第二管道，所述第二管道的外周长小于所述第一管道的内周长，独立空间分别形成于所述第二管道中和所述第一管道与所述第二管道之间，
其中，所述第一反应组件包括氧化催化剂层，所述氧化催化剂层形成于所述第二管道的内部空间内，所述氧化催化剂层用于促进氧化反应，并且所述热传导单元包括：第一通过构件，以线圈的结构围绕所述第一管道的外周，且与所述第二管道中的内部空间连通；和至少一个第二通过构件，围绕所述第一管道的所述外周，处于与所述第一通过构件接触的状态，且与所述第一管道和第二管道之间的空间连通，
其中，所述第二反应组件包括重整催化剂层，所述重整催化剂层形成于所述第一管道与所述第二管道之间的空间中，所述重整催化剂层用于促进重整反应。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述第二反应组件还包括水气变换催化剂层，减少所述氢气中所含的一氧化碳的浓度。
16.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中，
所述第一反应组件包括：在所述第二管道的一端上具有注入孔的第一帽；和在所述第二管道的另一端上具有排出孔的第二帽，且
所述第二反应组件包括：在所述第一管道的一端上具有注入孔的第三帽；在所述第一管道的另一端上具有排出孔的第四帽。
17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述热传导单元包括：
第一通过构件，以线圈的结构围绕所述第一管道的外周，且连接至所述第二帽的所述排出孔；和
至少一个第二通过构件，在与所述第一通过构件接触的状态下围绕所述第一管道的所述外周，且连接至所述第三帽的所述注入孔。
18.如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括绝缘体，所述绝缘体完全包围所述第一和第二反应组件。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，所述绝缘体包括内壁和围绕所述内壁且与所述内壁保持预定间隙的外壁，真空能够形成于所述内壁和所述外壁之间的间隙中。
20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，所述绝缘体包括具有敞开的第一端和封闭的第二端的圆柱管，和与所述圆柱管的第一端连接的密封帽。
21.如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括用于将燃料供给至所述重整器的燃料供给组件，所述燃料供给组件包括：
第一罐，用于存储含氢燃料；
第二罐，用于存储水；和
燃料泵，连接至所述第一罐和所述第二罐。
22.如权利要求21所述的燃料电池系统，其中，所述第一罐与所述第二管道通过第一供给管线互连。
23.如权利要求22所述的燃料电池系统，其中，所述第一罐和所述第二罐通过第二供给管线连接至所述第一管道。
24.如权利要求14所述的燃料电池系统，还包括：氧供给组件，用于将氧供给至所述重整器；和至少一个发电体，其中所述氧供给组件包括空气压缩机。
25.如权利要求24所述的燃料电池系统，其中，所述空气压缩机与所述第二管道通过第三供给管线互连。
26.如权利要求25所述的燃料电池系统，其中，所述第一管道和所述至少一个发电体通过第四供给管线互连。
27.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述至少一个发电体和所述空气压缩机通过第五供给管线互连。
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