CN101425595A - 燃料重整装置、燃料电池系统及加热器温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料重整装置、燃料电池系统及加热器温度的控制方法。其中，防止反闪现象的燃料重整装置包括重整反应器和加热器。重整反应器重整燃料，加热器通过催化层和氧化反应原料之间的催化氧化反应产生热能，供应热能到重整反应器。加热器包括接收氧化反应原料的流入管、输出由催化氧化反应产生的废气的输出管和连接流出管和流入管以引导废气到流入管的废气回流管。

Description

燃料重整装置、燃料电池系统及加热器温度的控制方法

技术领域

本发明的方面涉及燃料电池系统，更具体涉及到燃料重整(reforming)装置，其实现催化蒸汽重整反应并且在其中防止来自燃料重整装置的加热器的反闪现象(flash-back phenomenon)。

背景技术

燃料电池利用烃类族燃料产生电能。燃料电池被分类为聚合物电解质薄膜燃料电池和直接氧化薄膜燃料电池。直接氧化薄膜燃料电池一般被称为直接甲醇燃料电池(DMFC).

聚合物电解质薄膜燃料电池具有出众的输出特性、低的工作温度和快速启动及响应特性。聚合物电解质薄膜燃料电池已广泛应用为汽车的便携式电源、住宅和公共建筑物的分布式电源(distributed power source)和电子装置的迷你型电源。

使用聚合物电解质薄膜燃料电池的燃料电池系统典型包括燃料电池主体、燃料重整装置、燃料供应和氧化剂供应。燃料供应包括燃料罐和供应燃料到燃料重整装置的燃料泵。燃料重整装置通过重整燃料产生氢气并把氢气供应到燃料电池主体。燃料电池主体通过引发来自燃料重整装置的氢气和氧化剂之间的电化学反应而产生电能。

在燃料电池系统中，燃料重整装置包括产生热的加热器和利用热能重整燃料的重整反应器。加热器可以是火炉法(burner method)或催化氧化反应器。火炉作为加热器是不利的，因为火炉法需要预定的燃烧空间使得热量不是直接应用到重整反应器上，并因此难以减小反应器的尺寸。因为利用较低的温度，催化氧化反应器的尺寸可以减小。然而，因为催化层上可能容易产生反闪现象并且加热器喷嘴入口周围可能产生火焰，催化氧化反应器是不利的。因此，当传统的燃料重整装置使用催化氧化反应器时，其使用寿命是短的。

在背景部分公开的以上信息仅为增进本发明背景的理解。这部分中描述的内容并不解释为这些描述形成现有技术的代表，现有技术在本国对于本技术领域一般技术人员而言已知的。

发明内容

本发明各方面提供一种燃料重整装置，其有计划的将从加热器输出的废气供应回到加热器并防止加热器中引起的反闪现象，和一种包括该燃料重整装置的燃料电池系统。

根据本发明实施方式，燃料重整装置包括重整反应器和加热器。重整反应器重整燃料。加热器供应热能到重整反应器并通过催化层和氧化反应原料之间的催化氧化反应产生热能。加热器包括接收氧化反应原料的流入管、输出由催化氧化反应产生的废气的输出管和连接流出管和流入管以引导废气到流入管的废气回流管。

根据本发明的一个方面，废气是从流出管被吸入或者推入到流入管中的。

根据本发明的一个方面，燃料重整装置还包括推动废气从流出管到流入管的泵。

根据本发明的一个方面，流入管包括具有受限内部直径的区域，且其中废气回流管在具有受限内部直径的区域连接到流入管，使得氧化原料经过流入管的流动产生将废气吸入流入管中的吸力。

根据本发明的一个方面，燃料重整装置还包括选择性切换废气流的阀门。该阀门可被定位在流出管中以引导废气经过流出管或进入废气回流管，或者可被定位为选择性引导废气从废气回流管进入流入管。

根据本发明的一个方面，形成阀门以使得当废气中氮和水的量大于预定值时，废气流到废气回流管。

根据本发明的一个方面，氧化反应原料包括燃料和空气。

根据本发明的一个方面，氧化反应原料包括燃料和空气，流入管包括接收燃料的燃料流入管和接收空气的空气流入管，并且废气回流管被连接到空气流入管。

根据本发明的另一个实施方式，燃料电池系统包括燃料供应单元、燃料重整装置和燃料电池主体。燃料重整装置重整从燃料供应单元供应的燃料并产生包含氢的重整气体。燃料电池主体通过引发重整气体和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能。燃料重整装置包括重整燃料的重整反应器和供应热能到重整反应器并通过催化层和氧化反应原料之间的催化氧化反应产生热能的加热器。加热器包括接收氧化反应原料的流入管、输出由催化氧化反应产生的废气的流出管和连接流出管和流入管以引导废气到流入管的废气回流管。

根据本发明的一个方面，流入管包括接收燃料的燃料流入管和接收空气的空气流入管，并且流到燃料流入管和重整反应器的燃料是由燃料供应单元供应的。

燃料电池系统还包括氧化剂供应单元，其供应氧化剂气体到燃料电池主体。

根据本发明的一个实施方式，提供一种控制加热器温度的方法，该加热器通过催化层与由流入管进入加热器中的氧化反应原料之间的催化氧化反应向燃料电池系统的重整反应器供应热能。催化氧化反应产生废气和/或防止加热器的反闪现象，废气通过流出管离开加热器。该方法包括引导至少一部分废气从加热器的流出管到流入管。

在根据本发明的各方面的燃料重整装置和包括燃料重整装置的燃料电池系统中，加热器中产生的反闪现象可被防止。因此，根据本发明各方面的加热器的耐受性可被提高，并且可增加燃料重整装置的寿命。

本发明的其他方面和/或优势将在以下描述中部分阐明，部分地从描述中将明晰，或者可在本发明的实践中习知。

附图说明

通过结合附图对实施方式的以下描述，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得清楚和更加易于理解，附图中：

图1是根据本发明实施方式的燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明实施方式的燃料重整装置的示意图；

图3是包括设置到废气回流管的泵的图2燃料重整装置的示意图；

图4是包括设置在燃气回流管和流出管之间的阀门的图2燃料重整装置的示意图；

图5是包括设置在废气回流管和流入管之间的阻尼单元(orifice unit)的图2燃料重整装置的示意图；

图6是图5中所示阻尼单元A的放大截面图；

图7是根据本发明另一个实施方式的燃料重整装置示意图；

图8A是表示根据图2实施方式的燃料重整装置内部温度的数据图表；

图8B是表示传统燃料重整装置内部温度的数据图表；以及

图9A显示在空气-燃料比λ为1.4的条件下传统燃料重整装置的内部温度的照片，图9B和图9C显示在空气-燃料比λ为1.4的条件下，燃气供应分别为3L/min和5L/min时，根据图2实施方式燃料重整装置的内部温度的照片。

具体实施方式

现对本发明的本实施方式作详细参考，其实例在附图中得到阐明。通篇相似的附图标记指示相似的元件。为了解释本发明，以下通过参照附图描述实施方式。

图1是根据本发明实施方式的燃料电池系统示意图；燃料电池系统包括燃料电池主体10，其通过引发包含氢的重整气体与包含氧的氧化剂气体之间发生电化学反应以产生电能。燃料电池主体10典型包括多个单元电池连续堆叠其中的叠层结构。单元电池是产生电能的最小单元。一般而言，燃料电池主体10的叠层结构被称为燃料电池堆。尾板(end plate)可连接到该装置(the set)的最左端。

每一个单元电池包括其中发生电化学反应的薄膜电极组件(MEA)，盘状的分隔器设置在MEA的两面上。第一分隔器靠近MEA的阳极端，重整气体流到第一通道，该第一通道形成在第一分隔器靠近阳极端的表面上。第二分隔器靠近MEA的阴极端，氧化剂气体流到形成在第二分隔器靠近阴极端的表面上的第二通道。在上述构造的单元电池中，氢和氧通过MEA起电化学反应，可产生电能。需要理解的是，本发明并不限于上文描述的燃料电池堆，可以采用其它燃料电池构造和几何构型。

燃料供应单元20包括储存燃料的燃料罐和供应燃料到燃料重整装置30或50的泵。(如图2-6所示的燃料重整器30或图7中的燃料重整器50可以是图1的燃料重整器。)

燃料重整装置30或50接收来自燃料供应单元20的燃料，引发燃料中的重整反应，并产生包含源自燃料的氢的重整气体。燃料重整装置30和50之后将更详细的描述。

氧化剂供应单元40向燃料电池主体10供应氧化剂气体。氧化剂供应单元40可使用空气泵以将空气从大气供应到燃料电池主体10作为氧化剂气体。

图2是根据本发明实施方式的燃料重整装置的示意图。在图2-7所示的所有实施方式中，废气被供应到燃料重整装置的加热器使得可防止加热器中由催化氧化反应引起的反灼效应(back-fire effect)。

如图1和图2所示，燃料重整装置30重整由燃料供应单元20供应的燃料以产生重整气体，并将重整气体供应到燃料电池主体10。根据燃料重整方法，燃料重整装置30包括各种组成元件，在这些组成元件中，可设置蒸发器(未显示)、加热器31和重整反应器32以执行蒸汽重整反应。

蒸发器加热水并产生用以执行蒸汽重整反应的蒸汽。加热器31，其为催化充氧器(catalytic oxygenator)，具有催化层，并且当空气和燃料被供应到加热器31时，加热器31通过催化氧化反应产生热能。加热器31位于重整反应器32旁边以供应热能到重整反应器32。重整反应器32利用由加热器31供应的热能以催化燃料的重整反应并产生包含来自燃料的氢的重整气体。

具体地，根据图2-7描述的实施方式，形成加热器31以循环接收废气(flue gas)。也就是说，燃料和空气分别被供应到加热器31以执行催化氧化反应。因此，加热器31通过催化氧化反应产生热能，并输出作为催化氧化反应的结果的废气。加热器31包括吸纳燃料和空气的流入管33和输出作为催化重整反应结果产生的废气的流出管34。燃料和空气可以被混合以由一个流入管33供应或者可以分别由对应的流入管供应。需要理解的是，这里所用的术语“管”可以广泛指代任何形式的引导流体流动的导管(conduit)。

加热器31还包括废气回流管35，其将流出管34连接到流入管33，使得从流出管34输出的废气被导入流入管33。这种情况下，因为废气是燃料和空气被用以执行催化氧化反应后的残留气体，所以废气包括大量的氮化合物和水。

如传统技术中所述，当供应燃料和空气到被连接到催化充氧器流入管的加热器入口时，火焰可迅速向入口蔓延。因此，反闪现象可能容易发生在加热器入口。然而，在根据本发明实施方式的燃料重整装置30中，废气随同燃料和空气被供应到加热器。因此，由于相对于供应到加热器31的燃料和氧的量，氮的量增加了，在连接到流入管33的入口处产生反闪现象的可能减小。另外，在加热器31中，废气中的水防止入口处的温度迅速增加。

根据本发明实施方式的燃料重整装置30被构建为有效地供应废气到加热器31。

图3是包括如图2所示设置到废气回流管35以向流入管33供应废气的泵36的燃料重整装置30的示意图。泵36不受限并可以是本技术领域已知的任何结构。泵36可以被预先设定的操作条件或者控制器驱动以控制供应废气的量。

图4是包括设置在图2所示的废气回流管35和流出管34之间的阀门37的燃料重整装置30的示意图。阀门37设置到流出管34和废气回流管35相互连接的区域使得废气流可选择性改变。也就是说，阀门37根据控制器的操作选择性关闭流出管34使得废气可以被供应到废气回流管35，或者阀门37根据控制器的操作选择性关闭废气回流管35的入口使得废气可以通过流出管34向外部输出。此外，阀门37可控制开关程度使预定量的废气可供应到废气回流管35。另外，当废气中的氮和水的量比预定值大时，可控制阀门37使废气被供应到废气回流管35。

在燃料重整装置30中，除了阀门37连接到流出管34和废气回流管35互相连接的区域，第二个阀门38可被设置在流入管33和废气回流管35相互连接的位置。因此，两个阀门37和38互相配合使得废气可被供应到流入管33中。

可选择地，如图5所示，阻尼单元(orifice unit)A可以代替第二阀门38被设置以将废气吸入加热器31的流入管33中。

图6是图5所示的阻尼单元A的放大截面图。阻尼单元A是管状结构，其控制被吸入流入管33中的废气量并测量流速。在阻尼单元A中，除了在流入管33与废气回流管35连接的部分处流入管33内截面急剧下降到具有直径D2以外，流入管33的内截面直径为D1。因此，在阻尼单元A中，根据柏努利(Bernoulli)原则，流速增加，在具有窄的直径D2的内截面压力减小。因为废气回流管35被连接到流入管33中具有窄直径D2的内截面的区域，流入管33这部分产生的较低的压力帮助将废气吸入流入管中。

图7是根据本发明另一个实施方式的燃料重整装置的示意图。

如图1和图7中所示，燃料和空气作为氧化反应原料被供应到燃料重整装置50的加热器51。也就是说，加热器51包括接收空气的空气流入管53、接收燃料的燃料流入管56以及输出由催化氧化反应产生的废气的流出管54。燃料流入管56从燃料电池系统的燃料供应单元20供应燃料到加热器51和重整反应器52。

因此，当空气和燃料被供应时，加热器51通过催化氧化反应产生热能，且重整反应器52利用由加热器51在反应中供应的热能以产生包含来自燃料的氢的重整气体。

加热器51还包括废气回流管55，其连接流出管54和流入管53以使得从流出管54输出的废气被引导到流入管53。

图8A是表示图2所示的燃料重整装置实验操作中内部温度的数据图表。燃料重整装置30被设成使废气以5L/min的速率通过废气回流管35供应到流入管33。保持供应到加热器31的燃料量不变，改变空气量。另外，当到加热器31中发生催化氧化反应的预定时间时，检测器测量加热器31的C1到C10各个区域的温度。

图8B是表示传统燃料重整装置实验操作中内部温度的数据图表。传统的燃料重整装置在与图8A采用的相同条件下使用加热器，但废气不供应到加热器。在图8B中，保持供应到加热器的燃料的量不变，改变空气量。另外，当到加热器中发生催化氧化反应的预定时间时，检测器测量加热器的C1到C10的各个区域的温度。

如图8A和图8B所示，在C1-C10的各个区域内，图2中加热器31的温度一般低于传统加热器温度。此外，如图8A所示，随着空气-燃料比λ增加，图2加热器31的温度降低到低于传统加热器的温度，如图8B所示。当空气-燃料比λ为1.6时，图8A所示的加热器31的温度急剧下降到更低，但图8B所示的加热器温度在预定区域C4，C5，C6内仍然很高。

图9A显示当空气-燃料比λ为1.4时，传统燃料重整装置实验操作中内部温度的照片，图9B和图9C显示在空气-燃料比λ为1.4的条件下，分别以3L/min和5L/min供应废气时，根据图2实施方式燃料重整装置实验操作中内部温度的照片。

图9A至图9C所示的照片显示燃料重整装置的加热器的预定区域，且通过预定区域的明暗(shading)可以确定温度。

图9B案例1(废气3L/min)的温度和图9C案例2(废气5L/min)的温度分别为821℃和690℃，其低于未向其中供应废气的图9A的对比实例的847℃。

如数据图表所示，因为形成根据本发明实施方式的燃料重整装置30和50使得废气被供应到加热器31和51，所以加热器31和51的温度分别低于传统加热器的温度。也就是说，根据本发明与传统加热器比较的各方面，可抑制在加热器31和51中的反闪现象。

尽管展示并描述了本发明的几个实施方式，本领域的一般技术人员应该理解在不脱离由权利要求及其等价形式界定范围的本发明的原则和精神的情况下，可以改变其实施方式。

Claims (20)

1、一种燃料重整装置，包括：

重整燃料的重整反应器；以及

加热器，向所述重整反应器供应热能，和通过催化层和氧化反应原料之间的催化氧化反应产生所述热能；

其中所述加热器包括：流入管，接收所述氧化反应原料；流出管，输出通过所述催化氧化反应产生的废气；和废气回流管，其连接所述流出管和所述流入管以引导所述废气进入所述流入管。

2、如权利要求1所述的燃料重整装置，其中所述废气从所述流出管被吸入或推入所述流入管。

3、如权利要求2所述的燃料重整装置，还包括将所述废气从所述流出管推入到所述流入管的泵。

4、如权利要求3所述的燃料重整装置，其中所述泵设置在所述废气回流管中。

5、如权利要求2所述的燃料重整装置，其中所述流入管包括具有受限内部直径的区域，其中在所述具有受限内部直径的区域，所述废气回流管连接到所述流入管以使氧化原料经过所述流入管的流动产生将废气吸入所述流入管的吸力。

6、如权利要求1所述的燃料重整装置，还包括切换所述废气流动的阀门。

7、如权利要求6所述的燃料重整装置，其中所述阀门被定位在所述流出管中以选择性引导所述废气经过所述流出管或进入所述废气回流管。

8、如权利要求7所述的燃料重整装置，其中所述阀门被定位在所述流入管中以选择性引导所述废气从所述废气回流管进入所述流入管。

9、如权利要求7所述的燃料重整装置，其中形成所述阀门以使得所述废气中氮和水的量大于预定值时，所述废气流到所述废气回流管。

10、如权利要求1所述的燃料重整装置，其中所述氧化反应原料包括所述燃料和空气。

11、如权利要求1所述的燃料重整装置，其中所述氧化反应原料包括所述燃料和空气，所述流入管包括接收所述燃料的燃料流入管和接收所述空气的空气流入管，并且所述废气回流管被连接到所述空气流入管。

12、一种燃料电池系统，包括：

燃料供应单元；

燃料重整装置，其重整从所述燃料供应单元供应的燃料并产生包含氢的重整气体；以及

燃料电池主体，其通过引发所述重整气体和氧化剂气体的电化学反应产生电能，

其中所述燃料重整装置包括重整所述燃料的重整反应器和通过在催化层和氧化反应原料之间的催化氧化反应产生热能从而供应所述热能到所述重整反应器的加热器，其中所述加热器包括接收所述氧化反应原料的流入管、输出所述催化氧化反应产生的废气的流出管以及连接所述流出管和所述流入管以引导所述废气进入所述流入管的废气回流管。

13、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述氧化反应原料包括燃料和空气，所述流入管包括接收所述燃料的燃料流入管和接收所述空气的空气流入管，并且流到所述燃料流入管和所述重整反应器的所述燃料由所述燃料供应单元供应。

14、如权利要求12所述的燃料电池系统，还包括氧化剂供应单元，其供应所述氧化剂气体到所述燃料电池主体。

15、一种加热器温度的控制方法，所述加热器通过催化层与由流入管进入所述加热器中的氧化反应原料之间的催化氧化反应供应热能到燃料电池系统的重整反应器，所述催化氧化反应产生经过流出管离开所述加热器的废气和/或防止所述加热器的反闪现象，所述方法包括：

引导至少一部分所述废气从所述加热器的流出管到流入管。

16、如权利要求15所述的方法，其中根据所述加热器的温度控制所述引导至少一部分所述废气从所述加热器的流出管到流入管。

17、如权利要求15所述的方法，其中当所述废气中氮和水的量大于预定值时，所述废气被引导到所述加热器的流入管。

18、如权利要求15所述的方法，其中所述引导所述废气从所述加热器的流出管到流入管由泵控制。

19、如权利要求15所述的方法，其中所述引导至少一部分所述废气从所述加热器的流出管到流入管包括控制形成在所述流出管中的阀门以从所述流出管选择性引导所述废气。

20、如权利要求15所述的方法，其中所述引导至少一部分所述废气从所述加热器的流出管到流入管包括控制形成在所述流入管中的阀门以选择性引导所述废气进入所述流入管。

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