CN1801515A - 燃料电池系统的重整器、反应基板及反应基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于燃料电池系统的重整器、反应基板及反应基板的制造方法。所述用于燃料电池系统的重整器，包括至少一个具有用于允许燃料在其表面上流动的沟槽的反应基板；和与该反应基板的表面紧密接触从而通过沟槽形成通道的紧密接触组件，其中反应基板包括铝。

Description

燃料电池系统的重整器、反应基板及反应基板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统的重整器，且更具体而言，涉及一种板型重整器。
背景技术
燃料电池是用于通过氧与包含在碳氢化合物族材料例如甲醇、乙醇和天然气中的氢的电化学反应产生电能而产生电功率的系统。
最近已经开发了聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC具有优异的输出特性、低工作温度和快速启动和相应特性。PEMFC可以用作汽车的移动电源，或者作为家用和建筑物用的分布电源，或者作为例如电子器件的便携电源。因此，PEMFC具有广泛的应用范围。
PEMFC的部件是堆体、重整器、燃料箱和燃料泵。该堆体形成多个单元燃料电池的发电聚集体。燃料泵将燃料箱中的燃料供应到重整器。重整器重整燃料以产生含氢的重整化气体，并供应该重整化气体到堆体。此外，空气通过独立的泵供应到堆体。
因此，堆体通过包含在空气中的氧与包含在重整化气体中的氢的电化学反应产生电能。
重整器通过使用热能的化学催化反应从燃料产生氢，且其具有用于产生热能的热源组件。重整反应器被用于吸收该热能并从燃料产生氢，且一氧化碳减少组件减小了包含在重整化气体中的一氧化碳浓度。
然而，在常规燃料电池系统的重整器中，热源组件、重整反应器和一氧化碳减少组件分别具有预定内部空间的反应管形状。为了增加重整器的体积，需要增加每个相应的内部空间，产生了总体更大的重整器和燃料电池。因此，需要紧凑的重整器来最小化总体的燃料电池系统结构。
发明内容
本发明的一个实施例是一种用于燃料电池系统的重整器，其允许总尺寸减小。
另一实施例提供了一种用于该重整器的反应基板和该反应基板的制造方法。
根据本发明的一实施例，用于燃料电池系统的重整器包括至少一个具有用于允许燃料在其表面流动的沟槽的反应基板，和紧密接触该反应基板表面以通过沟槽形成通道的紧密接触组件，其中该反应基板包括铝。
在另一实施例中，反应基板在沟槽的内表面上可以具有由铝制成的催化剂支持层。
在另一实施例中，催化剂层可以形成在所述催化剂支持层上。
在又一实施例中，所述紧密接触组件可以具有紧密接触所述反应基板表面的盖板。
在一实施例中，多个反应基板可以以将其堆叠设置，且所述紧密接触组件具有与反应基板或多个反应基板的最上面的反应基板的表面紧密接触的盖板。
在另一实施例中，反应基板和紧密接触组件可以形成热源组件，以通过燃料的氧化催化反应产生热能。
在另一实施例中，反应基板和紧密接触组件可以形成重整反应器，以通过采用热能的燃料的重整化催化反应，由燃料产生含氢的重整化气体。
在又一实施例中，反应基板和紧密接触组件可以形成至少一个一氧化碳减少组件，以进行包含在重整化气体中的一氧化碳浓度的减少。
根据本发明的一实施例，用于重整器的反应基板包括具有允许燃料流动以产生氢的沟槽的板型主体、形成在所述沟槽的内表面上的催化剂支持层、和形成在所述催化剂支持层上的催化剂层。所述主体由包含铝的材料制成，且所述催化剂支持层由通过对所述沟槽的内表面进行氧化处理而形成的氧化铝制成。
在另一实施例中，所述主体可以用于重整器的热源组件、重整反应器或一氧化碳减少组件。
此外，根据本发明的另一实施例，制造用于重整器的反应基板的方法包括如下步骤：制备基板；蚀刻所述基板的顶表面以形成沟槽；对所述沟槽的内表面进行氧化处理以形成催化剂支持层；以及在所述催化剂支持层上形成催化剂层。
附图说明
从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的这些和/或其他方面和优点将更为明显和更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明的一实施例的燃料电池系统的总体示意图；
图2是图1的堆体的分解透视图；
图3是根据本发明的一实施例的重整器的分解透视图；
图4是图3的装配横截面图；
图5是根据本发明的一实施例的重整器的横截面图；
图6是根据本发明的一实施例的重整器的横截面图；
图7是根据本发明的一实施例的重整器的横截面图；
图8是图7的装配横截面图；
图9是示出根据本发明的一实施例制造用于重整器的反应基板的方法的流程图；以及
图10A到10D是在根据本发明的一实施例的制造方法的中间步骤中重整器的反应基板的横截面图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其范例在附图中示出。这些实施例在下面描述以通过参照附图解释本发明。
图1是根据本发明的一实施例的燃料电池系统的总体示意图，且图2是图1的堆体的分解透视图。
参照附图中示出的实施例，在根据本发明的燃料电池系统100中，采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其中通过重整化含氢燃料而产生氢，且通过氢与氧化剂气体的电化学反应而产生电能。
在燃料电池系统100中，用于产生电的燃料考虑包括液体或气体燃料，例如甲醇、乙醇或天然气。在下面的实施例中，为了方便，应理解采用的燃料为液体形式。
此外，在燃料电池系统100中，与氢反应的氧化剂气体可以是存储在独立的存储容器中的氧，或者可以简单地是含氧的空气。在下面的实施例中采用空气。
在一实施例中，燃料电池系统100包括至少一个用于通过氢和氧的电化学反应产生电能的发电体11、用于从液体燃料产生氢并供应氢到发电体11的重整器30、用于供应燃料到重整器30的燃料供应组件50、和至少一个用于供应氧到重整器30和发电体11的氧供应组件70。
发电体11形成单元燃料电池，以膜电极组件(MEA)12在中心且分隔件16(也公知为双极板)设置在其两侧。
燃料电池系统100具有多个上述结构的发电体11，它们连续设置以形成堆体10。堆体10可以具有通常的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)中的堆叠结构，其细节在此处省略。
在一实施例中，重整器30在燃料电池领域中公知作为燃料处理器，且用于供应燃料到重整器30的燃料供应组件50包括用于存储液体燃料的第一箱51、用于存储水的第二箱53、和分别连接到第一箱51和第二箱53以释放燃料和水的燃料泵55。
氧供应组件70包括至少一个空气泵71，用于使用预定泵浦压力进行空气的引入且供应空气到发电体11和/或重整器30。
在燃料电池体100中，重整器30被从燃料供应组件50和氧供应组件70供应燃料、水和空气以产生氢。下面将参照附图详细描述重整器30的实施例。
图3是根据本发明的一实施例的重整器的分解透视图，且图4是图3的装配横截面图。
参照图，根据本发明的一实施例的重整器30A具有热源组件31以通过从燃料供应组件50和氧供应组件70供应的燃料和空气的氧化催化反应而产生预定热能。
根据本实施例，热源组件31包括具有用于允许燃料和空气流动的第一沟槽31c的板型第一反应基板31a，和紧密接触该第一反应基板31a的沟槽形成表面以形成用于通过燃料和空气的第一通道31d的紧密接触组件40。
第一反应基板31a具有由含铝材料例如铝或铝合金制成的矩形板形状的第一基板体31b。第一沟槽31c可以由第一肋31h之间的空间形成，该第一肋从第一基板体31b的顶表面突出并以预定距离分开。第一沟槽31c在第一基板体31b的顶表面上设置成以预定距离分开的直线型，且其两端交替地彼此连接，形成蜿蜒的路径。
用于加速燃料与空气的氧化反应的通用的氧化催化剂层31e形成在第一沟槽31c的内表面上，且用于支持该氧化催化剂层31e的第一催化剂支持层31f形成在第一沟槽31c与氧化催化剂层31e之间。第一催化剂支持层31f通过进行第一沟槽31c内表面的氧化处理而形成为氧化膜。在一实施例中，第一催化剂支持层31f由氧化铝(Al2O3)制成。
紧密接触组件40具有用于覆盖第一反应基板31a的第一基板体31b的顶表面的盖板41，且用于通过燃料和水的第一通道31d由第一沟槽31c和盖板41的盖表面形成。在一实施例中，盖板41由与第一反应基板31a相同的材料制成。
根据一实施例的重整器30A具有热源组件31和紧密接触组件40。当燃料电池系统工作时，通过燃料供应组件50和氧供应组件70的工作，水和空气被供应到热源组件31的第一通道31d。然后，通过采用氧化催化剂层31e的燃料和空气的氧化反应，热源组件31产生具有预定温度范围的热能。热能可以供应到独立的重整器以使重整器能产生氢。
图5是根据本发明的一实施例的重整器30B的横截面图。如图所示，重整器30B包括具有与以上实施例的热源组件相同结构的热源组件31A，且还包括重整反应器32，以吸收从热源组件31A产生的热能，并通过从燃料供应组件50供应的燃料的重整催化反应例如蒸汽重整(SR)催化反应，而从燃料产生含氢的重整化气体。
根据一实施例，重整反应器32包括具有用于允许燃料流动的第二沟槽32c的板型第二反应基板32a。
第二反应基板32a具有由含铝材料例如铝或铝合金制成的矩形板形状的第二基板体32b。
第二沟槽32c可以由第二肋32h之间的空间形成，该第二肋从第二基板体32b的顶表面突出并以预定距离分可。第二沟槽32c在第二基板体32b顶表面上设置成以预定距离分开的直线，且其两端交替地彼此连接，形成蜿蜒的路径。
用于加速燃料与空气的氧化反应的通用的氧化催化剂层32e形成在第二沟槽32c的内表面上，且用于支持该氧化催化剂层32e的第二催化剂支持层32f形成在第二沟槽32c与氧化催化剂层32e之间。第二催化剂支持层32f通过进行第二沟槽32c内表面的氧化处理而形成为氧化膜。在一实施例中，第二催化剂支持层32f由氧化铝(Al2O3)制成。
此外，根据一实施例的重整器30B包括紧密接触第二反应基板32a的沟槽形成表面以形成用于通过燃料的第二通道32d的紧密接触组件40A。在一实施例中，该紧密接触组件40A可以具有与上述紧密接触组件相同的盖板。
根据一实施例的重整器30B具有热源组件31A、重整反应器32和紧密接触组件40A。当燃料电池系统工作时，通过燃料供应组件50的工作，燃料和水供应到重整反应器32的第二通道32d。然后，重整反应器32吸收从热源组件31A产生的热能，并通过采用蒸汽重整催化层32e的蒸汽重整催化反应从燃料产生含氢的重整化气体，以将其供应到图1所示的堆体10。
图6是根据本发明的一实施例的重整器30C的横截面图。如图所示，重整器30C包括具有与以上的实施例的热源组件和重整反应器相同结构的热源组件31B和重整反应器32A，且还可以包括第一一氧化碳减少组件33，以通过来自重整器32A的氢的水煤气转换(water-gas shift，WGS)催化反应而从来自重整反应器32A的氢产生额外的氢，并进行在含氢的重整化气体中所含的一氧化碳浓度的减少。
根据一实施例，第一一氧化碳减少组件33包括具有用于允许从重整反应器32A产生的氢流动的第三反应沟槽33c的板型第三反应基板33a。
在一实施例中，第三反应基板33a具有由含铝材料例如铝或铝合金制成的矩形板形状的第三基板体33b。第三沟槽33c可以由第三肋33h之间的空间形成，该第三肋从第三基板体33b的顶表面突出并以预定距离分开。该第三沟槽33c在第三基板体33b的顶表面上设置成以预定距离分开的直线，且其两端交替地彼此连接，形成蜿蜒的路径。
用于加速氢的水煤气转换反应的通用的水煤气转换催化层33e形成在第三沟槽33c的内表面上，且用于支持该水煤气转换催化层33e的第三催化剂支持层33f形成在第三沟槽33c与水煤气转换催化剂层33e之间。第三催化剂支持层33f通过对第三沟槽33c的内表面进行氧化处理而形成为氧化膜。在一实施例中，第三催化剂支持层33f由氧化铝制成(Al2O3)。
此外，根据第三实施例的重整器30C包括紧密接触第三反应基板33a的沟槽形成表面以形成用于通过燃料的第三通道33d的紧密接触组件40B。在一实施例中，该紧密接触组件40B可以具有与上述紧密接触组件相同的盖板。
根据一实施例的重整器30C包括热源组件31B、重整反应器32A、第一一氧化碳减少组件33、和紧密接触组件40B。当燃料电池系统工作时，从重整反应器32A释放的重整化气体工艺被供应到第一一氧化碳减少组件33的第三通道33d。然后，第一一氧化碳减少组件33通过采用水煤气转换催化剂层33d的氢的水煤气转换反应产生额外的氢，并减少在含氢的重整化气体中所含的一氧化碳的浓度，从而将其供应到图1所示的堆体。
图7是根据本发明的一实施例的重整器的分解透视图，且图8是图7的装配横截面图。
参照图，根据一实施例的重整器30D包括具有与以上所述的实施例的热源组件、重整反应器、和第一一氧化碳减少组件相同结构的热源组件31C、重整反应器32B和第一一氧化碳减少组件33A，并还包括第二一氧化碳减少组件34。
第二一氧化碳减少组件34通过从第一一氧化碳减少组件33A释放的氢与从氧供应组件70供应的空气的优先CO氧化(PROX)催化反应，减少在从第一一氧化碳减少组件33A释放的含氢的重整化气体中所含的一氧化碳的浓度。
第二一氧化碳减少组件34包括具有用于允许空气和从第一一氧化碳减少组件33A产生的氢流动的第四通道34c的板型第四反应基板34a。
第四反应基板34a具有由含铝材料例如铝或铝合金制成的矩形板形状的第四基板体34b。该第四沟槽34c可以由第四肋34h之间的空间形成，该第四肋从第四基板体34b的顶表面突出并以预定距离分开。该第四沟槽34c在第四基板体34b的顶表面上设置成以预定距离分开的直线，且其两端交替地彼此连接，形成蜿蜒的路径。
在一实施例中，用于加速氢和空气的优先CO氧化反应的通用的优先CO氧化催化剂层34e形成在第四沟槽34c的内表面上，且用于支持该优先CO氧化催化剂层34d的第四催化剂支持层34f形成在第四沟槽34c的内表面与优先CO氧化催化剂层34e之间。第四催化剂支持层34f通过对第四沟槽34c的内表面进行氧化处理而形成为氧化层。在一实施例中，第四催化剂支持层34f由氧化铝(Al2O3)制成。
根据一实施例的重整器30D可以是堆叠的重整器，其中重整反应器32B和第一一氧化碳减少组件33A依次设置在热源组件31C的上部，且第二一氧化碳减少组件34设置在热源组件31C的下部。
在一实施例中，包括在重整器30D中的紧密接触组件40B设置在设置于重整器30D的最上侧的第一一氧化碳减少组件33A中。紧密接触组件40B也可以具有紧密接触第一一氧化碳减少组件33A的反应基板的沟槽形成表面的盖板400B，如以上实施例所述。
此外，在一实施例中，当第二一氧化碳减少组件34、热源组件31C、重整反应器32B和第一一氧化碳减少组件33A依次堆叠以彼此紧密接触时，它们中的每个的反应基板可以包括在紧密接触组件40B中。
这是因为，当反应基板彼此紧密接触时，形成第二一氧化碳减少组件34、热源组件31C和重整反应器32B的各个通道。
根据一实施例的重整器30D通过第二一氧化碳减少组件34进一步减少重整化气体中所含的一氧化碳浓度，因此供应高质量的重整化气体到图1所示的堆体。
在一实施例中，虽然未采用图示出，关于以上实施例的结构，根据本发明的重整器可以仅包括第二一氧化碳减少组件，而没有第一一氧化碳减少组件。
如上所述，根据本发明的重整器选择性地包括热源组件、重整反应器和一氧化碳减少组件作为其结构元件。
图9是示出根据本发明的一实施例制造用于重整器的反应基板的方法的流程图。
参照图9，根据本发明的一实施例制造用于燃料电池系统的重整器的反应基板的方法包括制备基板(S10)、蚀刻基板的顶表面以形成沟槽(S20)、对沟槽内表面进行氧化处理以形成催化剂支持层(S30)和在催化剂支持层上形成催化剂层(S40)。
图10A到10D是在根据本发明的一实施例的制造方法的中间步骤中重整器的反应基板的横截面图。
参照图10A，作为S10步骤，制备由含铝或铝合金的材料制成的基板61。
参照图10B，在S20步骤中，通过进行基板61的通用的各向同性或各向异性蚀刻，具有预定长度和深度的沟槽63形成在基板61的顶表面。然后，肋63b形成为从基板61的顶表面突出并以预定距离分开，且沟槽63形成在肋63b之间的空间。
参照图10C，作为S30步骤，基板61在高温度气氛中通过通常的热氧化被氧化。氧或氧化剂溶液可以被用作氧化源。在一实施例中，基板61的沟槽63的内表面被氧或氧化剂溶液氧化，以在沟槽63的内表面形成膜型的催化剂支持层64，且催化剂支持层64由根据基板61的材料的氧化铝(Al2O3)制成。
参照图10D，作为S40步骤，通过浸涂(dip coat)或溅射或浆料法在催化剂支持层64上形成催化剂层65。催化剂层65可以包括用于加速燃料电池系统的热源组件、重整反应器和一氧化碳减少组件的独立反应的每层催化剂层。
因此，根据本发明实施例的反应基板60通过上述顺序制造步骤而制造。
根据本发明，重整器具有允许燃料流动的反应基板，且它们是被堆叠的，这允许重整器的尺寸可以为紧凑的。
此外，根据本发明的一实施例，由于氧化铝的催化剂支持层可以通过由含铝材料制成的基板体的氧化而在沟槽中形成，制造反应基板的整个工艺可以简化，与将不同于基板体材料的催化剂支持层单独地涂覆在沟槽中的常规工艺不同。因此，燃料电池系统和重整器的制造产率可以进一步增加。
虽然已经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该理解，本发明不局限于公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的精神和范畴内的各种改进。

Claims (17)

1、一种用于燃料电池系统的重整器，包括：
至少一个反应基板，包括铝，所述反应基板具有用于允许燃料在其表面流动的沟槽；和
紧密接触组件，与所述反应基板的表面紧密接触，以在所述沟槽中形成通道。
2、如权利要求1所述的用于燃料电池的重整器，其中所述反应基板在沟槽的表面上具有由氧化铝制成的催化剂支持层。
3、如权利要求2所述的用于燃料电池的重整器，其中催化剂层形成在所述催化剂支持层上。
4、如权利要求1所述的用于燃料电池的重整器，其中所述紧密接触组件具有紧密接触所述反应基板表面的盖板。
5、如权利要求1所述的用于燃料电池的重整器，其中将多个反应基板堆叠，且所述紧密接触组件具有接触所述多个反应基板的最上面的反应基板的表面的盖板。
6、如权利要求1所述的用于燃料电池的重整器，其中所述反应基板和紧密接触组件形成热源组件，以用于通过燃料的氧化催化反应产生热能。
7、如权利要求5所述的用于燃料电池的重整器，其中所述反应基板和紧密接触组件形成热源组件，以用于通过燃料的氧化催化反应产生热能。
8、如权利要求7所述的用于燃料电池的重整器，其中所述燃料是第一燃料且所述反应基板和紧密接触组件形成重整反应器，以用于通过由来自所述热源组件的热能的第二燃料的重整化催化反应，由所述第二燃料产生含氢的重整化气体。
9、如权利要求8所述的用于燃料电池的重整器，其中所述反应基板和紧密接触组件形成至少一个一氧化碳减少组件，以用于减少重整化气体中所含的一氧化碳浓度。
10、如权利要求8所述的用于燃料电池的重整器，其中所述第二燃料具有与第一燃料相同的组成。
11、如权利要求5所述的用于燃料电池的重整器，其中所述多个反应基板和紧密接触组件形成热源组件，重整反应器和至少一个一氧化碳减少组件。
12、如权利要求11所述的用于燃料电池的重整器，包括两个一氧化碳减少组件。
13、一种用于重整器的反应基板，包括：
板型主体，具有用于允许燃料流的沟槽；
催化剂支持层，形成在所述沟槽的表面上；和
催化剂层，形成在所述催化剂支持层上；
其中所述板型主体由包含铝的材料制成，且所述催化剂支持层由通过对所述沟槽的内表面进行氧化处理而形成的氧化铝制成。
14、如权利要求13所述的用于重整器的反应基板，其中所述重整器包括使用板型主体的热源组件、使用板型主体的重整反应器或使用板型主体的一氧化碳减少组件。
15、一种制造用于重整器的反应基板的方法，包括如下步骤：
制备基板；
蚀刻所述基板的顶表面以形成沟槽；
对所述沟槽的内表面进行氧化处理以形成催化剂支持层；和
在所述催化剂支持层上形成催化剂层。
16、如权利要求15所述制造用于重整器的反应基板的方法，其中所述基板包括铝。
17、如权利要求15所述制造用于重整器的反应基板的方法，其中所述催化剂支持层基板由氧化铝制成。
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