CN101295794A - 燃料重整装置、其驱动方法及包括该装置的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料重整装置，其包括：其中包括氧化催化剂的氧化反应单元、其中包括重整催化剂的重整反应单元和用于在初始驱动阶段对含烃燃料与氧化剂进行点火并预热所述氧化催化剂的点火单元。所述氧化反应单元具有分别彼此相对形成的第一部件和第二部件以及插在所述第一部件与第二部件之间的所述氧化催化剂，并且形成从所述第一部件通过所述氧化催化剂流向所述第二部件的所述燃料与氧化剂的流，所述点火单元位于所述第二部件中。

Description

燃料重整装置、其驱动方法及包括该装置的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及重整装置、其驱动方法及包括该重整装置的燃料电池系统。更具体地，本发明涉及使用催化剂从燃料的氧化反应中产生热能的氧化反应堆。
背景技术
众所周知，燃料电池是用于使用燃料和氧化剂气体产生电能的发电系统。所述燃料电池可以是聚合物电解质膜燃料电池或直接氧化膜燃料电池。
所述聚合物电解质膜电池接收在重整装置中产生的重整气体和不同于所述重整气体的氧化剂气体，并在包含在所述重整气体中的氢的氧化反应和包含在所述氧化剂气体中的氧的电化学反应中产生电能。
所述重整装置具有通过燃料燃烧产生热能的加热器和利用该热能在燃料的重整反应中产生重整气体的重整反应堆。
所述加热器可以是火炉型加热器或氧化型加热器。所述火炉型加热器通过燃料的直接燃烧产生热能，该燃料包含：诸如甲醇和乙醇的液体燃料，和诸如LPG和LNG的气体燃料，而氧化型加热器从燃料的氧化反应产生热能。
由于火焰导致火炉的热点现象，因此火炉型加热器具有难以驱动和降低整个重整装置的寿命周期的缺陷。因此，要求火炉具有充足的空间用于消除所述热点现象，并且相应地，整个装置的体积增加。
所述氧化型加热器包括通过利用燃料的氧化方法产生热能的氧化反应堆。然而，特别是在利用气体燃料时，氧化反应堆不能在室温下通过氧化催化剂发生气体燃料的氧化反应，因此需要将所述氧化催化剂预先加热到预定的温度。
按照惯例，已经公开了用于利用诸如热导线的电加热器直接或间接加热氧化催化剂的预热装置或用于利用诸如火炉的火焰直接加热氧化催化剂的预热装置，以便解决上述问题。
然而，利用电加热器的传统氧化反应堆需要增加数量的部件，并消耗燃料电池的能量。
另外，利用火炉的传统氧化反应堆难以驱动，以致于氧化剂由于火焰而被粘结或损害。
发明内容
本发明设法提供一种燃料重整装置、其驱动方法以及包括该装置的燃料电池系统，该燃料重整装置具有在不使用预热装置的情况下，在所述燃料重整装置的初始驱动阶段容易地将火焰扩散到氧化催化剂的优点。
根据本发明一个实施例的示例性燃料重整装置包括：氧化反应单元、重整反应单元和点火单元。所述氧化反应单元中具有氧化催化剂。所述重整反应单元中具有重整催化剂。所述点火单元对含烃燃料和氧化剂进行点火，并预热所述氧化催化剂。所述氧化反应单元中具有彼此相对形成的第一部件和第二部件，以及插在所述第一部件与第二部件之间的所述氧化催化剂，并形成从所述第一部件通过所述氧化催化剂流入所述第二部件的所述燃料与氧化剂的流。所述点火单元位于所述第二部件中。
所述点火单元可以在所述第二部件中通过利用电火花对所述燃料与氧化剂进行点火。
所述氧化反应单元可以从所述燃料与氧化剂通过所述氧化催化剂进行的氧化反应中产生热能。
所述重整反应单元可以接收所述热能，并从所述燃料与水蒸汽通过所述重整催化剂进行的重整反应中产生含氢的重整气体。
根据本发明另一个实施例的示例性燃料重整装置包括：重整反应单元、氧化反应单元和点火单元。所述重整反应单元具有第一主体，其中形成第一催化剂和重整催化剂，并从含烃燃料与水蒸汽通过所述重整催化剂进行的重整反应中产生含氢的重整气体。所述氧化反应单元具有包围所述第一主体的第二主体和形成在所述第一主体与第二主体之间的氧化催化剂，该氧化反应单元从所述含烃燃料与氧化剂通过所述氧化催化剂进行的氧化反应中产生热能，并向所述重整反应单元供应所述热能。所述点火单元形成火焰以将所述氧化催化剂预热到反应初始温度。
所述氧化反应单元具有分别连接到所述第二主体的侧端的第一部件和第二部件，其连接到在所述第一主体与所述第二主体之间形成的区域，其形成通过所述氧化催化剂从所述第一部件流入所述第二部件的所述燃料与氧化剂的流，并将所述火焰沿与所述燃料和氧化剂的流相反的方向扩散。所述点火单元位于所述第二部件中。
所述第一主体和第二主体的形状分别为管状，并且所述第一主体可以位于所述第二主体中。
所述重整催化剂和氧化催化剂可以分别由涂覆催化剂材料的整体式支撑构件形成。
所述重整催化剂和氧化催化剂可以由球型单元催化剂形成。
所述燃料重整装置进一步包括蒸发器，所述蒸发器具有包围所述第二主体的管型第三主体，并且利用从所述氧化反应单元接收的热能使水蒸发。
所述蒸发器包括第三部件和传递构件。所述第三部件通过所第三主体形成在所述第二主体与第三主体之间，并且连接到所述第二部件。所述传递构件在所述第三部件中沿着所述第二主体的外表面的方向形成为线圈形状，并传递水。
所述燃料重整装置可以进一步包括第四部件，其分离地形成在所述第二部件和蒸发器之间，并在所述第四部件中混合所述燃料和水蒸汽。
所述混合单元可以包括燃料入口，其用于将所述燃料注入所述第四部件。
所述传递构件可以连接到所述第四部件。
所述燃料重整装置可以进一步包括通道单元，其形成在所述蒸发器与氧化反应单元之间，并向所述重整反应单元供应由所述混合单元混合的所述燃料和水蒸汽。
所述通道单元可以包括螺旋槽，其形成在所述第二主体的外表面上；和螺旋型通路，其形成为包围所述第二主体外表面的管型第四主体。所述通路可以连接到所述混合单元和重整反应单元。
所述燃料重整装置可以进一步包括燃烧气体流通单元，其具有包围所述第三主体的管型第五主体，并使经过所述第三部件的所述燃料和氧化剂的燃料气体流通。
所述燃料气体流通单元可以通过所述第五主体形成在所述第三主体与所述第五主体之间，并且可以形成为连接到所述第三部件的第五部件。所述燃烧气体流通单元可以包括用于排放所述燃烧气体的燃烧气体出口。
所述燃料重整装置可以进一步包括一氧化碳减小单元，其具有包围所述第五主体的管型第六主体，并减小所述重整气体中一氧化碳的浓度。所述燃烧气体流通单元可以向所述一氧化碳减小单元供应所述燃烧气体的热能。
所述一氧化碳减小单元可以包括第六部件，其通过所述第六主体形成在所述第五主体和第六主体之间；和水气转换(WGS)催化剂，其形成在所述第六部件中，并促进所述一氧化碳的WGS反应。
所述重整反应单元可以包括用于排放所述重整气体的第一重整气体出口，并且所述第一重整气体出口可以连接到所述第六部件。
所述一氧化碳减小单元可以包括第二重整气体出口，其用于排放使所述一氧化碳浓度减小的所述重整气体。
所述燃料重整装置可以使用在室温下处于气态的液化气体作为所述含烃燃料。可以选择甲烷、乙烷、丙烷及丁烷中的至少一种作为所述燃料的主要成分。
根据本发明另一实施例的驱动燃料重整装置的方法包括：设置氧化反应单元、重整反应单元和点火单元；启动所述点火单元；通过利用所述点火单元对所述第二部件中的所述燃料和氧化剂进行点火来形成火焰；和沿与所述燃料和氧化剂的流相反的方向引入火焰。
所述驱动方法可以包括当所述氧化催化剂已经被预热到高于250℃的温度时，关闭所述点火单元。
所述氧化反应单元的温度可以维持在650到700℃。
所述氧化反应单元可以从所述燃料与氧化剂通过所述氧化催化剂进行的氧化反应中产生热能。
所述重整反应单元的温度可以维持在700到750℃，并且所述重整反应单元可以从所述燃料与水蒸汽的重整反应中产生重整气体。
根据本发明以上示例性实施例的一种具有所述燃料重整装置的燃料电池系统，包括通过氢与氧之间的反应产生电能的堆，并且所述燃料重整装置利用热能从燃料产生氢，并向所述堆供应所产生的氢。
附图说明
对本发明的更完整理解及其很多伴随的优点将从参照以下结合附图的详细描述中变得明显和更易于理解，在附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元件，其中：
图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料重整装置的透视图；
图2是图1的横截面图；
图3是根据本发明示例性实施例的用于描述其驱动方法的燃料重整装置的横截面图。
图4是根据本发明第二示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
图5是根据本发明第三示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
图6是根据本发明第四示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
图7是根据本发明第五示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
图8是根据本发明第六示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
图9是根据本发明示例性实施例的具有燃料重整装置的燃料电池系统的示意性结构图。
具体实施方式
在下文中，将更加充分地参照示出本发明示例性实施例的附图来描述本发明。如本领域技术人员将认识到的，可以以各种不同的方式对所描述的实施例进行修改，而均不脱离本发明的精神或保护范围。
图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料重整装置的透视图。
参见图1，根据本发明第一示例性实施例的燃料重整装置100包括：燃料处理器，其对燃料进行重整，并产生富含氢的重整气体。
所述燃料重整装置100向聚合物电解质膜燃料电池供应重整气体，该聚合物电解质膜燃料电池通过利用重整气体的氧化反应和氧化剂(例如空气)的还原反应产生电能。
在这种情况下，燃料被部分液化，并在预定容器内压缩，并且所述燃料可以包括在室温下作为气体存在的液化气体。该燃料可以提供为诸如烃族气体(例如，甲烷、乙烷、丙烷和丁烷)的液态气体。
图2是图1的横截面图。
参见图1和图2，燃料重整气体100包括：重整反应单元10，其在燃料与水蒸汽的重整反应中产生重整气体；和氧化反应单元20，其在燃料与氧化剂的氧化反应中产生热能。
重整反应单元10从氧化反应单元20接收热能，并利用催化剂执行燃料的蒸汽重整(SR)反应。
这种重整反应单元10包括第一主体11和设置在第一主体11内部的重整催化剂12。
第一主体11具有通道，并且是侧端密封的圆柱形管道。
重整催化剂12促进燃料的水蒸汽重整反应，并产生含氢的重整气体。重整催化剂12包括整体型第一催化剂模铸框架12a和涂敷在第一催化剂模铸框架12a上的第一催化剂层12b。
第一催化剂模铸框架12a设置在第一主体11的内部空间，并通过陶瓷或金属材料的挤压模铸制造为整体模块。第一催化剂模铸框架12a形成多个与反应物流的方向平行的蜂窝状第一通路12c。
第一催化剂层12b涂敷在第一催化剂模铸框架12a的第一通路12c的内壁上。这种第一催化剂层12b由可以促进燃料的蒸汽重整反应的典型催化剂材料制成，例如铜(Cu)、镍(Ni)或铂(Pt)。
另外，重整反应单元10进一步包括设置在第一主体11第一端的第一入口14和设置在第一主体11第二端的第一出口16。
燃料和气流或蒸汽通过第一入口14注入第一主体11，在通过重整催化剂12的燃料蒸汽重整反应中所产生的重整气体通过第一出口16输出。
水蒸汽可以由水蒸发器(未示出)提供，并且水蒸汽可以通过第一入口14与燃料一起注入第一主体11。
在本示例性实施例中，氧化反应单元20在燃料与氧化剂通过催化剂进行的氧化反应中产生热能，并向重整反应单元10提供热能。
氧化反应单元20包括：包围第一主体11的第二主体21和形成在第一主体11与第二主体21之间的氧化催化剂22。
第二主体21是横截面线路面积大于第一主体11的圆柱形管道，并且第二主体21的侧端充分打开。第一主体11沿第二主体21的中心孔方向(同轴方向)设置，使得第一主体11的外表面距第二主体21的内表面具有恒定的间隔。
氧化催化剂22通过促进燃料与氧化剂之间的氧化反应来促进热能。氧化催化剂22包括整体型第二催化剂模铸框架22a和涂覆在第二催化剂模铸框架22a上的第二催化剂层22b。
第二催化剂模铸框架22a布置在第一主体11与第二主体21之间的区域，并且通过陶瓷或金属材料的挤压模铸制造为整体模块。第二催化剂模铸框架22a形成多个与反应物流的方向平行的蜂窝状第二通路22c。
第二催化剂层22b形成在第二催化剂模铸框架22a的第二通路22c的内壁上。第二催化剂层22b由典型的催化剂材料制成，例如铂(pt)或钌(Ru)，其可以促进燃料与氧化剂的氧化反应。
在燃料重整装置100的初始驱动阶段，在室温下不能通过氧化催化剂22来产生燃料与氧化剂的氧化反应，因此需要向氧化催化剂22提供高于250℃的热能以便开始燃料与氧化剂的氧化反应。
因此，根据本示例性实施例的燃料重整装置100包括点火单元30和流形成单元40。
在本示例性实施例中，点火单元30在初始驱动状态对燃料与氧化剂进行点火，并将氧化催化剂22预热到反应开始温度。
点火单元30设置在流形成单元40中，是利用电火花产生火焰的典型点火设备。点火单元30包括接收能量并产生电火花的电火花发生器31。
典型的点火设备为本领域技术人员所公知，并且因此没有提供进一步的描述。
在本示例性实施例中，流形成单元40形成燃料与氧化剂的流，使得该流可以通过氧化催化剂22，并由点火单元30点火。
另外，流形成单元40控制在点火单元30对燃料与氧化剂进行点火时产生的火焰和热能，使其流向与燃料与催化剂的流相反的方向。
流形成单元40包括在第二主体21第一端形成空间的第一部件41和在第二主体21第二端形成空间的第二部件42。第一部件41一体地连接到第二主体21的下部。第一部件41在第一主体11与第二主体21之间的区域中形成内部空间。
在第一部件41中形成第二入口43，以便将燃料与氧化剂注入所述内部空间。
第二部件42一体地连接到第二主体21的上部。第二部件42在第一主体11与第二主体12之间的区域中形成内部空间。
点火单元30设置在第二部件42的内部空间。第二部件42包括第二出口44，其用于排放由点火单元30点火的燃料与氧化剂的燃烧气体。
在下文中，将更详细地描述驱动根据本发明示例性实施例的燃料重整装置的方法。
图3是根据本发明示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图3，在初始驱动重整装置100期间，燃料与氧化剂通过第二入口43注入第一部件41的内部空间。
由于第一部件和第二部件连接到第一主体11与第二主体21之间的区域，燃料和氧化剂从第一部件41通过氧化催化剂22，并流向第二部件42，如图中的实箭头线所示。
也就是说，燃料和氧化剂通过氧化催化剂22的第二通路22c，从第一部件41的内部空间流向第二部件42的内部空间。
燃料和氧化剂可以如上所述同时注入第一部件41的内部空间，或者可以分别地利用给定时间断续注入。
在以上过程中，点火单元30产生电火花，并对引入第二部件42内部空间的燃料和氧化剂进行点火。
在点火单元30对燃料和氧化剂进行点火时产生的火焰对氧化催化剂22的上部进行加热。也就是说，火焰对第二部件42处的氧化催化剂22的端部进行加热。因此，氧化催化剂22上部的温度迅速被火焰升高。
然后，如附图的曲线所示，火焰通过氧化催化剂22的第二通路22c沿与燃料与氧化剂的流相反的方向移动。因此，施加到氧化催化剂22上部的热能移动到氧化催化剂22下部。
相应地，火焰和热能以从第二部件42到第一部件41的方向散布，并在短时间内对整个氧化催化剂22进行加热。
通过以上过程，氧化催化剂22被加热到反应初始温度，以便开始燃料与氧化剂的氧化反应。优选地，氧化催化剂被加热到高于250℃。在这种情况下，燃料与氧化剂的燃烧气体通过第二出口44排放。
在氧化催化剂22的温度高于250℃，并且点火单元30停止运行时，重整装置100被正常驱动。燃料与氧化剂通过第二入口43被连续地注入第一部件41的内部空间。
在氧化反应单元20中，当燃料与氧化剂的氧化反应通过氧化催化剂22充分进行时，产生650到700℃的热能。热能通过第一主体11传递到重整反应单元10的重整催化剂12。相应地，重整反应单元10的温度可以维持在用于进行水蒸汽重整反应的范围，即700到750℃。
随后，燃料与水蒸汽通过重整反应单元10的第一入口14注入第一主体11内部。然后，重整反应单元10从通过重整催化剂12进行的燃料的水蒸汽重整反应(吸热反应)中产生含氢的重整气体。
重整气体通过第一出口排放，然后供应给燃料电池。燃料电池从重整气体中包含的氢的氧化反应和额外提供的氧化剂的还原反应中产生电能。
图4是根据本发明第二示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图4，根据本发明第二示例性实施例的燃料重整装置200基本上与本发明第一示例性实施例的燃料重整装置100相似，但是其进一步包括接收由氧化反应单元120产生的热能并利用该热能使水蒸发的蒸发器150。
在第二示例性实施例中，蒸发器150设置在氧化反应单元120的外沿。蒸发器150包括包围第二主体121的第三主体151、设置在第二主体121与第三主体151之间的第三部件153和设置在第三部件153中的传递构件155。
第三主体151是线路面积大于第二主体121的圆柱形状管道。第二主体121沿第三主体151的中心孔方向(同轴方向)设置，以便在第二主体121的外表面与第三主体151的内表面之间保持恒定的距离。
第三部件153是设置在第二主体121与第三主体151之间的闭合空间。
第三部件153连接到第二部件142。第三主体151在其第一端(图4中的上端)包括多个排气孔154，用于连接第二部件142和其通过的第三主体151。
在燃料重整装置200被初始驱动时，由燃料与氧化剂通过点火单元130的燃烧产生的火焰通过排气孔154从第二部件142部分注入第三部件153，并且在燃料重整装置200被正常驱动时，来自燃料与氧化剂通过氧化催化剂122的氧化反应的热能也被供应给第三部件153。
在燃料与氧化剂通过点火单元130或氧化剂催化剂122被点火时产生的燃烧气体通过排气孔154从第二部件142注入第三部件153。在第三主体151的第二端形成多个出口144，以便排放从第二部件142注入第三部件153的燃烧气体。
传递构件155为沿第二主体121的外表面方向缠绕的螺旋形状，并形成水的通路。
传递构件155设置为以施加到第三部件153的热能来使水蒸发，并且为由导热性高的金属材料制成的管道。传递构件155的第一端连接到供水单元(未示出)，传递构件155的第二端连接到重整反应单元110的第一注入端口114，如图4的虚线箭头所示。
传递构件155沿第二主体121的外表面缠绕，并且传递构件155从第二主体121的外表面隔开。供应给第三部件153的热能可以容易地通过传递构件155传递。
根据本示例性实施例，可以通过形成在氧化反应单元120外侧的蒸发器150使水蒸发，而非通过利用附加单元用于使水蒸发，从而减小部件的数量和整个装置的体积。
在根据本发明第二示例性实施例的燃料重整装置200中，在初始驱动期间，在燃料与氧化剂气体被点火单元130点火时产生的火焰和燃烧气体通过排气孔154从第二部件142注入第三部件153，并且在燃料重整装置200被正常驱动时，来自燃料与氧化剂通过氧化催化剂122的氧化反应的热能也被供应给第三部件153。
当水经过传递构件155时，供应给第三部件153的热能被传递到传递构件155，以便经过传递构件155的水被热能蒸发。燃烧气体通过第二出口144排放。
当水被蒸发时，产生水蒸汽，并且水蒸汽通过重整反应单元110的第一入口114注入第一主体111。燃料可以通过第一入口114分别地注入第一主体111。
重整催化剂112从燃料与水蒸汽的重整反应中产生重整气体。重整气体通过重整反应单元110的第一出口116排放。
燃料重整装置200的其它结构特征和操作与第一实施例的燃料重整装置相同，因此不再提供其进一步的描述。
图5是根据本发明第三示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图5，根据本发明第三示例性实施例的燃料重整装置300基本上与本发明第二示例性实施例的燃料重整装置200相同，其进一步包括：混合单元260，其对燃料和水蒸汽进行混合，并向重整反应单元210供应混合的燃料和水蒸汽。
混合单元260包括分别在第二部件242与水蒸发器250之间隔开的第四部件261和用于将燃料注入第四部件261的第三入口263。
第四部件261位于蒸发器250的上部，并且在蒸发器250的第二部件242和第三部件253之间形成独立分割的空间。
在本示例性实施例中，第四部件261连接到传递构件255的第一端，并连接到传递构件255的通路。
第三入口263连接到第四部件261，并连接到穿过第二部件242的管道。
第四部件261和重整反应单元210的第一入口214通过管道(未示出)彼此相连。也就是说，在第四部件261中混合的燃料和水蒸汽流经管道，并通过第一入口214供应给第一主体211。
因此，可以通过利用在第二部件242和蒸发器250之间隔开的混合单元260代替利用附加设备来对燃料和水蒸汽进行混合，从而减小零件的数量和燃料重整装置300的体积。
通过根据本发明第三示例性实施例的燃料重整装置300的操作，燃料通过第三入口263注入第四部件261。
同时，从经过传递构件255的水蒸发得到的水蒸汽注入第四部件261，并与其中的燃料进行混合。
因此，混合的燃料和水蒸汽从第四部件261排放以流经管道，并通过重整反应单元210的第一入口214供给第一主体211。
重整反应单元210从燃料与水蒸汽通过重整催化剂212的重整反应中产生重整气体。
燃料重整装置300的其它结构特征和操作与第一和第二示例性实施例的燃料重整装置相同，因此不再提供进一步的描述。
图6是根据本发明第四示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图6，根据本示例性实施例的燃料重整装置400基本上与本发明第三示例性实施例的燃料重整装置300相同，其进一步包括通道单元370，在混合单元360中混合的燃料与水蒸汽通过通道单元370供应给重整反应单元310。
通道单元370形成在蒸发器350与氧化反应单元320之间。混合的燃料与水蒸汽流经通道单元370，通道单元370连接到混合单元360的第四部件361和重整反应单元310的第一主体311。
在本示例性实施例中，通道单元370包括形成在第二主体321外表面上的螺旋槽371和由包围螺旋通路375外表面的管型第四主体373形成的螺旋通路375。
槽371以螺旋形状形成在第二主体321的外表面上，并且第四主体373接触第二主体321的外表面。
螺旋通路375由槽371和第四主体373以螺旋形状形成为燃料与水蒸汽流经的通道。
通路375以螺旋形状形成在第二主体321外表面上的原因是为了增加燃料与水蒸汽的持续时间，并容易向燃料与水蒸汽提供从氧化反应单元320产生的热能。
通路375的第一端连接到混合单元360的第四部件361，通路375的第二端连接到重整反应单元310的第一入口314。通路375的第二端和第一入口314通过由图6中的虚线箭头表示的管道连接。
通过燃料重整装置400的操作，在混合单元360中混合的燃料与水蒸汽从第四部件361流经螺旋形状的通路375，如同在第三示例性实施例中的那样。
因此，在流经通路375时，燃料与水蒸汽接收通过氧化反应单元320产生的热能。
燃料与水蒸汽通过重整反应单元310的第一入口314供应给第一主体311.
重整反应单元310从燃料与水蒸汽通过重整催化剂312进行的重整反应中产生重整气体。
根据本发明的第四示例性实施例，设置通道单元370来向燃料与水蒸汽提供氧化反应单元所产生的热能，以便使燃料与水蒸汽的重整反应所需的热能传输中的效率最大化，从而提高整个装置的热效率。
燃料重整装置400的其它结构特征和操作与第一和第二示例性实施例的燃料重整装置相同，因此不再提供进一步的描述。
图7是根据本发明第五示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图7，根据本发明示例性实施例的燃料重整装置500与本发明先前的示例性实施例的燃料重整装置基本上相似，其进一步包括：燃烧气体流通单元480，用于进行燃料与氧化剂的燃烧气体的流通；和一氧化碳减少单元490，用于减少由重整反应单元410产生的重整气体中的一氧化碳。
在本示例性实施例中，燃料气体流通单元480对已经经过蒸发器450的燃料与氧化剂的燃烧气体进行流通，并向一氧化碳减少单元490供应燃烧气体的热能。
燃烧气体流通单元480包括第五主体481，其包围蒸发器450的第三主体451；和由第五主体481在第三主体451与第五主体481之间形成的第五部件483。
第五主体481形成为容纳第四示例性实施例的燃料重整装置400的形状。第五主体481是线路面积比第三主体451更大的圆柱形状管道。
第三主体451是以第五主体481的中心孔方向(同轴方向)设置的，使得第三主体451的外表面距第五主体481的内表面具有恒定的间隔。
第五部件483是由第五主体481在第三主体451与第五主体481之间形成的闭合空间。
第五部件483连接到蒸发器450的第三部件453。在第三主体451的第一端(图7中第三主体451的下部)，形成至少一个排气孔485以用于将第三部件453连接到第五部件483。
因此，引入第三部件453的燃料与氧化剂的燃烧气体通过排气孔485流通到第五部件483。
流通到第五部件483的燃烧气体可以通过多个形成在第五主体481的第一端(图7中的第五主体481的下部)的第二出口444来排放。
如所述，根据第五示例性实施例的燃料重整装置500包括：燃烧气体流通单元480，其用于对燃料与氧化剂的燃烧气体进行流通，以便混合气体的热能可以供给一氧化碳减小单元490，并将一氧化碳减小单元490预热到反应初始温度。
在本示例性实施例中，一氧化碳减小单元490接收由重整反应单元410产生的重整气体(在下文中称为第一重整气体)，并通过包含在第一重整气体中的一氧化碳的水气转换(WGS)产生一氧化碳浓度减小的重整气体(在下文中称为第二重整气体)。
一氧化碳减小单元490包括包围第五主体481的第六主体491和形成在第五主体481与第六主体491之间的水气转换(WGS)催化剂492。
第六主体491是线路面积比第五主体481更大的圆柱形状管道。第六主体491容纳第五主体481，除了如图7中所示的第五主体481的下部。
第五主体481以第六主体491的中心孔方向(同轴方向)设置，使得第六主体491的外表面距第六主体491的内表面具有恒定的间隔。也就是说，第六主体493形成在第五主体481与第六主体491之间，以容纳水气转换催化剂492。
WGS催化剂492促进一氧化碳的WGS反应。WGS催化剂492包括整体式第三催化剂模铸框架492a和涂覆在第三催化剂模铸框架492a上的第三催化剂层492b。
第三催化剂模铸框架492a设置在第六部件493中，并制造为通过陶瓷或金属材料挤压模铸的整体模块。第三催化剂模铸框架492a形成多个与第一重整气体的流向平行的蜂窝状第三通路492c。
第三催化剂层492b涂覆在第三催化剂模铸框架492a的第三通路492c的内壁上。这种第三催化剂层492b由可以促进一氧化碳的WGS反应的典型催化剂材料制成，例如铜(Cu)、锌(Zn)、铁(Fe)或铬(Cr)。
重整反应单元410包括用于排放第一重整气体的第一出口416，并且第一出口416连接到第六部件493。
一氧化碳减小单元490形成用于排放第二重整气体的第二出口494。第二出口494形成在第六主体492中，以连接到第六部件493。
通过本发明第五示例性实施例的燃料重整装置500的操作，引入蒸发器450的第三部件453的燃料与氧化剂的燃烧气体通过排气孔485流通到第五部件483，如在本发明第二示例性实施例中的那样。
一氧化碳减小单元490接收流通到第五部件483的燃烧气体的热能，并被预热到反应初始温度，例如230到280℃。
在以上过程中，由于第一出口416连接到第六部件493，由重整反应单元410产生的第一重整气体通过第一出口416排放，并引入第六部件493。
因此，由于第一重整气体中的一氧化碳的WGS反应被WGS催化剂492加速，一氧化碳减小单元490减小了一氧化碳的浓度。
一氧化碳浓度减小的第二重整气体通过第二出口494排放。第二重整气体通过附加的管道供应给燃料电池。
燃料重整装置500的其它结构特征和操作与先前示例性实施例的燃料重整装置相同，因此不再提供进一步的描述。
图8是根据本发明第六示例性实施例的燃料重整装置的横截面图。
参见图8，根据本发明第六示例性实施例的燃料重整装置600与先前的示例性实施例基本相似，除了重整催化剂512、氧化催化剂522和WGS催化剂592分别组成由球型单元催化剂形成的重整反应单元510、氧化反应单元520和一氧化碳减小单元590。
也就是说，重整催化剂512由填充在重整反应单元510的第一主体511中的单元催化剂512a形成，氧化催化剂522由填充在第一主体511与第二主体521之间区域中的氧化催化剂522a构成，WGS催化剂592由填充在第六部件593中的单元催化剂592a构成。
这些单元催化剂512a、522a和592a以将催化剂材料涂覆在由铝制成的预定支撑构件表面的架构形成。
燃料重整装置600的其它结构特征和操作与先前示例性实施例的燃料重整装置相同，因此不再提供进一步的描述。
图9是根据本发明示例性实施例的具有燃料重整装置的燃料电池系统的示意性结构图。
参见图9，燃料电池系统700通过对燃料进行重整产生重整气体，并通过重整气体的氧化反应和氧化剂气体的还原反应产生电能。
用于燃料电池系统700的氧化剂气体可以是存储在分离的存储装置中的氧。作为替代地，含氧的空气可以用作氧化剂气体。
燃料电池系统700包括：堆710，用于通过氢与氧的反应产生电能；燃料重整装置720，用于通过对燃料进行重整来产生重整气体，并向堆710供应重整气体；燃料供应单元750，用于向燃料重整装置720供应燃料；和供氧单元770，用于向堆710供应氧。
堆710包括连接到燃料重整装置720和供氧单元770的发电机711。发电机711从燃料重整装置720接收重整气体，从供氧单元770供应氧，以通过氢与氧的反应产生电能。发电机711可以设置在电池单元中，因此，多个发电机711顺序地布置，从而以发电机711的堆叠架构形成堆710。
发电机711组成燃料电池的最小单元，其中隔板716被布置为紧密接触膜组件712的两个表面。
由于堆710可以被构造为传统聚合物电解质膜燃料电池的堆叠，省略其详细描述。燃料重整装置720可以是上述燃料电池重整装置中的一种。
用于向燃料重整装置720供应燃料的燃料供应单元750包括用于存储燃料的燃料箱751和用于释放存储在燃料箱751中的燃料的燃料泵753。
供氧单元70包括空气泵771，其用于吸取空气，并使用预定的泵压向堆710的发电机711供应空气。供氧单元770不局限于前述的空气泵771，作为替换的，供氧单元770可以包括具有传统结构的风扇。
根据本发明上述示例性实施例，可以在燃料重整装置的初始驱动阶段对氧化催化剂进行加热，以便可以减小初始驱动所需的能量，从而提高整个装置的驱动效率。
另外，根据本发明示例性实施例，火焰可以迅速传送到氧化催化剂，以便可以减小燃料重整装置的初始驱动时间。
另外，根据本发明示例性实施例，与传统的燃料重整装置不同，由火焰引起的对氧化催化剂的损害可以减小，并且氧化反应单元的热梯度和耐久性更加提高，从而增加整个装置的寿命周期。
此外，根据本发明示例性实施例，不需要附加的预热装置，因此燃料重整装置可以具有简单的结构和减小的体积。
虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施例对本发明进行了描述，应当理解，本发明不局限于所公开的实施例，但是，相反，本发明意在覆盖各种修改和等同方案，这些修改和等同方案都在所附权利要求的精神和保护范围之内。

Claims (25)

1、一种燃料重整装置，包括：
氧化反应单元，其包括用于承载氧化催化剂的氧化催化剂承载部分，该氧化反应单元用于加热包括重整催化剂的重整反应单元；和
点火单元，其用于对含烃燃料与氧化剂进行点火，并对所述氧化催化剂进行预热；
其中所述氧化反应单元包括第一部件和第二部件，其分别彼此对立地设置，所述第一部件和所述第二部件之间具有氧化催化剂承载部分，其便于所述燃料与氧化剂的流从所述第一部件通过所述氧化催化剂流入所述第二部件，其中所述点火单元设置在所述第二部件中。
2、根据权利要求1所述的燃料重整装置，其中所述点火单元在所述第二部件中利用电火花对所述燃料与氧化剂进行点火。
3、根据权利要求1所述的燃料重整装置，其中所述氧化反应单元从所述燃料与氧化剂通过所述氧化催化剂的氧化反应产生热能。
4、根据权利要求3所述的燃料重整装置，其中所述重整反应单元接收所述热能，并从所述燃料与水蒸汽通过所述重整催化剂进行的重整反应中产生含氢的重整气体。
5、一种燃料重整装置，其包括：
重整反应单元，其包括设置在第一主体中的第一催化剂和重整催化剂，所述重整反应单元从利用所述重整催化剂进行的含烃燃料与水蒸汽的重整反应中产生含氢的重整气体；
氧化反应单元，其具有包围所述第一主体的第二主体和设置在所述第一主体与所述第二主体之间的氧化催化剂，所述氧化反应单元从利用所述氧化催化剂进行的所述含烃燃料与催化剂的氧化反应中产生热能，并向所述重整反应单元供应所述热能；和
点火单元，其用于产生火焰，以将所述氧化催化剂预热到反应初始温度；
其中所述氧化反应单元具有第一部件和第二部件，其分别连接到所述第二主体的侧端，并连接到位于所述第一主体与第二主体之间的区域；
所述点火单元设置在所述第二部件中；
所述燃料与氧化剂的流通过所述氧化催化剂从所述第一部件流向所述第二部件。
6、根据权利要求5所述的燃料重整装置，其中所述第一主体和所述第二主体分别为管道形状，其中所述第一主体设置在所述第二主体内。
7、根据权利要求5所述的燃料重整装置，其中所述重整催化剂和所述氧化催化剂分别为涂覆催化剂材料的整体式支撑构件。
8、根据权利要求5所述的燃料重整装置，其进一步包括蒸发器，所述蒸发器具有包围所述第二主体的管型的第三主体，所述蒸发器利用从所述氧化反应单元接收的所述热能使水蒸发。
9、根据权利要求8所述的燃料重整装置，其中所述蒸发器包括：
第三部件，其设置在所述第二主体与第三主体之间，并连接到所述第二部件；和
线圈状传递构件，其在所述第三部件中沿所述第二主体的外表面方向设置，并传送所述水。
10、根据权利要求8所述的燃料重整装置，其进一步包括：第四部件，其分离地设置在所述第二部件与所述蒸发器之间；和混合单元，其用于在所述第四部件中混合所述燃料与水蒸汽。
11、根据权利要求10所述的燃料重整装置，其中所述混合单元包括燃料入口，其用于将所述燃料引入所述第四部件。
12、根据权利要求10所述的燃料重整装置，其中所述蒸发器包括：设置在第三部件中的线圈状传递构件，所述第三部件设置在所述第二主体与第三主体之间，其中所述混合单元包括用于将所述燃料引入所述第四部件的燃料入口，所述传递构件连接到所述第四部件。
13、根据权利要求10所述的燃料重整装置，其进一步包括设置在所述蒸发器与氧化反应单元之间的通道单元，所述通道单元向所述重整反应单元供应由所述混合单元混合的所述燃料与水蒸汽。
14、根据权利要求13所述的燃料重整装置，其中所述通道单元包括：设置在所述第二主体外表面的螺旋槽和设置为包围所述第二主体外表面的管型第四主体的螺旋通路。
15、根据权利要求14所述的燃料重整装置，其中所述螺旋通路连接到所述混合单元和重整反应单元。
16、根据权利要求8所述的燃料重整装置，其进一步包括燃烧气体流通单元，该燃烧气体流通单元具有包围所述第三主体的管型第五主体，所述燃烧气体流通单元对通过所述第三部件传送的所述燃料与氧化剂的燃烧气体进行流通。
17、根据权利要求16所述的燃料重整装置，其中所述燃烧气体流通单元设置在所述第三主体与第五主体之间，并且设置为连接到所述第三部件的第五部件。
18、根据权利要求16所述的燃料重整装置，其中所述燃烧气体流通单元包括用来排放所述燃烧气体的燃烧气体出口。
19、根据权利要求5所述的燃料重整装置，其中所述燃料重整装置采用室温下为气态的液化气体作为所述含烃燃料。
20、根据权利要求19所述的燃料重整装置，其中所述含烃燃料包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的至少一种。
21、一种驱动燃料重整装置的方法，该驱动方法包括：
设置根据权利要求5所述的氧化反应单元，重整反应单元和点火单元；
形成燃料与氧化剂的流，其经过氧化催化剂，并从第一部件流入第二部件，以便预热所述氧化反应单元的氧化催化剂；
使用所述点火单元对所述流点火，以用于通过燃烧所述第二部件中的所述燃料与氧化剂来形成火焰。
22、根据权利要求21所述的方法，其中当所述氧化催化剂已经被预热到高于250℃的温度时，关闭所述点火单元。
23、根据权利要求21所述的方法，其中所述氧化反应单元的温度维持在650到700℃。
24、根据权利要求23所述的方法，其中所述氧化反应单元从所述燃料与氧化剂通过所述氧化催化剂进行的氧化反应中产生热能。
25、一种燃料电池系统，其包括：
堆，其用于通过氢与氧之间的反应产生电能；和
燃料重整装置，其用于利用热能通过所述燃料的催化反应从燃料中产生氢，并向所述堆供应所产生的氢；
其中所述燃料重整装置包括：
氧化反应单元，其包括用于承载氧化催化剂的氧化催化剂承载部分，该氧化反应单元用于加热包括重整催化剂的重整反应单元；和
用于对含烃燃料与氧化剂进行点火来预热所述氧化催化剂的点火单元；
其中所述氧化反应单元包括分别彼此相对设置的第一部件和第二部件，和插在所述第一部件和第二部件之间的所述氧化催化剂承载部分，所述氧化反应单元产生从所述第一部件通过所述氧化催化剂流向所述第二部件的所述燃料与氧化剂的流，其中所述点火单元设置在所述第二部件中。
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