CN1835270A - 具有重整功能的电池堆及具有该电池堆的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有重整功能的电池堆和具有这种电池堆的燃料电池系统，该系统包括：电池堆，其包括至少一个通过氢和氧之间的反应产生电能的发电体；与所述发电体整体地耦联的燃料处理单元，该燃料处理单元从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体；向燃料处理单元提供燃料的燃料供应单元；及向发电体和燃料处理单元提供氧的氧供应单元。根据本发明，由于从燃料中产生氢气的重整反应器和通过氢和氧的反应产生电能的发电体被一体地耦联于主体中，可使整个燃料电池系统的体积最小。由于可通过将发电体产生的热量送到重整反应器同时实现发电体的冷却和重整反应器的加热，因此，可使整个燃料电池系统的热效率最高。

Description

具有重整功能的电池堆及具有该电池堆的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及燃料电池系统的电池堆(stack)。
背景技术
众所周知，燃料电池是一种通过氧和如甲醇、乙醇、天然气等碳氢化合物中含有的氢之间的电化学反应发电的系统。
近来已开发出了聚合物电解质膜燃料电池(以下简称为PEMFC)，这类燃料电池具有优异的输出特性、低的工作温度以及快速启动和响应特性。因此，PEMFC可以被广泛用作包括用于车辆的移动电源、家用或建筑物的分配电源以及用于电子设备的小型电源。
采用PEMFC型式的燃料电池系统主要需要电池堆、重整器、燃料箱和燃料泵。电池堆由具有多个单元电池的发电组件(electricity generation set)组成，燃料泵将燃料箱中的燃料供应给重整器，然后与电池堆相连的重整器对燃料进行重整，以产生氢并将氢供给电池堆。
燃料泵将燃料箱的燃料提供给重整器，重整器对燃料进行重整以产生氢。产生的氢被供给电池堆，而且通过另一泵向电池堆供给空气。然后通过氢和空气中所含的氧之间的电化学反应产生电能。
按照惯例，由于电池堆和重整器分开设置而彼此耦联为系统，因此，结构复杂且供给面积大，这给系统制造及减小尺寸带来难度。
从热效率来看，在传统的燃料电池系统中，由于重整器和电池堆被设置和工作在不同地点，也就是说，由于重整器和电池堆分开设置，而且重整器产生的氢被提供给电池堆以产生电能，各部分产生的热量不能有效利用，因此很难提高整个系统的热效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种燃料电池系统的电池堆，该电池堆可使燃料电池系统的体积最小，且能提高具有这种电池堆的燃料电池系统的热效率。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统的电池堆。该电池堆包括：通过氢和氧之间的反应产生电能的发电体；用于从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体的燃料处理单元，其中，所述发电体和燃料处理单元整体地耦联于主体中。
发电体的工作温度范围可从100℃至250℃。
所述发电体可以包括多个发电体，燃料处理单元被设置在所述发电体之间。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统的电池堆。该电池堆包括：至少一个发电体和一重整反应器。发电体包括膜电极组件及第一和第二隔板，第一和第二隔板具有氢和氧传送通道，并分别与膜电极组件的第一和第二侧接触；重整反应器位于面向远离氢和氧传送通道的至少第一和第二隔板之一的一表面上。在此实施方式中，重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体。
所述发电体可以包括多个发电体。在这种情况下，氢的氢传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第一侧接触的第一隔板的一接触表面上，而氢的氧传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第二侧接触的第二隔板的一接触表面上。
可将重整反应器设置在发电体之一和相邻的一发电体之间，其可以第一和第二重整器通道的形式形成于面向远离氢和氧传送通道的第一和第二隔板的一些表面上；可使第一和第二重整器通道结合而形成反应通道。
反应通道可包括形成在第一和第二隔板中、从第一和第二隔板的第一边到面向远离第一边的第一和第二隔板的第二边的多条反应通道。
可以在每一反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
可在反应通道之一的内表面上形成氧化催化剂，而在与该反应通道相邻的另一反应通道的内表面上形成重整催化剂。
重整反应器可包括处于反应通道之间的汽化通道。
反应通道可包括出口和入口，所述入口和出口穿入(pierced into)各第一和第二隔板及与所述入口和出口相连的通道截面(channel section)。
可将反应通道形成为回旋形状。
可在所述反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
可在靠近入口的反应通道的内表面上形成氧化催化剂，并可在靠近出口的反应通道的内表面中形成重整催化剂。
反应通道可包括多条平行通道，可在所述反应通道的多条平行通道的每一条的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统的电池堆，该电池堆包括至少一个发电体和一重整反应器，发电体包括膜电极组件及第一和第二隔板，第一和第二隔板具有氢和氧传送通道并分别与膜电极组件的第一和第二侧接触；重整反应器连接到第一和第二隔板。在此实施方式中，重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体。
所述发电体可以包括多个发电体。在这种情况下，氢的氢传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第一侧接触的第一隔板的一接触表面上，而氢的氧传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第二侧接触的第二隔板的一接触表面上。
重整反应器可包括被设置在发电体之一和相邻的一发电体之间的至少一块反应板。
重整反应器可包括多条反应通道，所述多条反应通道从反应板的第一边到面向远离第一边的反应板的第二边穿过所述反应板。
可以在每一反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
可在反应通道之一的内表面上形成氧化催化剂，而在与该反应通道相邻的另一反应通道的内表面上形成重整催化剂。
所述反应板可包括形成于反应通道之间的汽化通道。
重整反应器可包括：第一反应板，该第一反应板具有多条形成于第一反应板中、从第一反应板的第一边到面向远离第一反应板的第一边的第一反应板的第二边的第一反应通道；设置在第一反应板的第一侧表面上的第二反应板，该第二反应板具有多条形成于第二反应板中、从第二反应板的第一边到面向远离第二反应板的第一边的第二反应板的第二边的第二反应通道；设置在第一反应板的第二侧表面上的第三反应板，该第三反应板具有多条形成于第三反应板中、从第三反应板的第一边到面向远离第三反应板的第一边的第三反应板的第二边的第三反应通道。
可在第一反应通道的内表面上形成氧化催化剂，可在第二和第三反应通道的内表面上形成重整催化剂。
可在第二和第三反应通道之间形成汽化通道。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：电池堆，其包括至少一个通过氢和氧之间的反应产生电能的发电体；与所述发电体整体地耦联的燃料处理单元，其中，所述燃料处理单元从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体；向燃料处理单元提供燃料的燃料供应单元；及向发电体和燃料处理单元提供氧的氧供应单元。
所述燃料可呈液态。
所述燃料可以是甲醇和水的混合物。
发电体的工作温度范围可从100℃至250℃。
所述发电体可以包括多个发电体。在这种情况下，可将燃料处理单元设置在所述发电体之间。
燃料供应单元可包括至少一个储存燃料的燃料箱和连接燃料箱并提供燃料的燃料泵。
氧供应单元可包括至少一台空气泵。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统。该燃料电池包括：用于从燃料中产生氢及用于通过氢和氧之间的反应产生电能的电池堆；向电池堆提供燃料的燃料供应单元；及向电池堆提供氧的氧供应单元。在该实施方式中，电池堆包括：至少一个发电体和一重整反应器，发电体包括膜电极组件及第一和第二隔板，第一和第二隔板具有氢和氧传送通道并分别与膜电极组件的第一和第二侧接触；重整反应器位于面向远离氢和氧传送通道的至少第一和第二隔板之一的一表面上，其中，重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体。
所述发电体可以包括多个发电体。在这种情况下，氢的氢传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第一侧接触的第一隔板的一接触表面上，而氢的氧传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第二侧接触的第二隔板的一接触表面上。
可将重整反应器设置在发电体之一和相邻的一发电体之间，其以第一和第二重整器通道的形式形成于面向远离氢和氧传送通道的第一和第二隔板的那些表面上。此时，可使第一和第二重整器通道结合而形成反应通道，可将燃料供应到反应通道，以从燃料中产生氢并将所产生的氢供给多个发电体。
本发明一实施方式提供一种燃料电池系统。该燃料电池包括：用于从燃料中产生氢及通过氢和氧之间的反应产生电能的电池堆；向电池堆提供燃料的燃料供应单元；及向电池堆提供氧的氧供应单元。在该实施方式中，电池堆包括：至少一个发电体和一重整反应器，发电体包括膜电极组件及第一和第二隔板，第一和第二隔板具有氢和氧传送通道，而且它们分别与膜电极组件的第一和第二侧接触；重整反应器与第一和第二隔板连接，其中，重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给发电体。
所述发电体可以包括多个发电体。在这种情况下，氢的氢传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第一侧接触的第一隔板的一接触表面上，而氢的氧传送通道和氧传送通道可位于与膜电极组件的第二侧接触的第二隔板的一接触表面上。
重整反应器可包括被设置在发电体之一和相邻的一发电体之间的至少一反应板。
所述反应板可包括多条从反应板的第一边穿到面向远离第一边的反应板的第二边的反应通道，燃料被供到反应通道以从燃料中产生氢并将所产生的氢供给多个发电体。
附图说明
附图连同说明书一起图解说明了本发明的示例性实施方式，这些附图与文字部分一起用于解释本发明的原理。
图1示意地示出了本发明一实施方式的燃料电池系统的结构框图；
图2是本发明第一实施方式的燃料电池系统的电池堆的分解透视图；
图3是图2所示的电池堆的耦联透视图；
图4的前视图示意地示出了图2中重整反应器的结构；
图5A、5B、5C、5D和5E为前视图，它们示意地示出了本发明第一实施方式中重整反应器改型例中的隔板；
图6为本发明第二实施方式的电池堆结构的分解透视图；
图7是图6所示的重整反应器中反应板的横截面图；
图8A和8B的横截面图示意地示出了本发明第二实施方式的重整反应器的改型例；
图9的横截面图示意地示出了本发明第三实施方式的燃料电池系统的电池堆结构；
图10的横截面图示意地示出了本发明第四实施方式的燃料电池系统的电池堆结构。
具体实施方式
图1的方框图示意地示出了本发明一实施方式的燃料电池系统的结构。
参见图1，燃料电池系统100为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)型式，其重整燃料以产生氢、并使氢和氧彼此发生电化学反应以产生电能。
用于使燃料电池系统100发电的燃料可以包括含氢的液体或气体燃料，如甲醇、乙醇和天然气等。然而，作为举例说明，在以下的描述中采用液体燃料，当然本发明并不限于此。
燃料电池系统100可以利用储存在另外的储存设备中的纯氧作为与氢发生反应的氧化剂，或者可利用含氧空气作为氧化剂。虽然在以下的描述中以后者为例进行说明，但本发明不限于此。
燃料电池系统100包括：从燃料中产生氢并通过氢和氧之间的反应产生电能的电池堆10；向电池堆10供应燃料的燃料供应单元50；以及向电池堆10供应空气的氧供应单元70。
电池堆10具有使发电单元通过燃料电池和从燃料中产生氢的燃料处理单元的工作产生电能的结构。燃料电池和燃料处理单元被整体地耦联于主体中，其具有实现燃料重整及氢和氧之间的电化学反应的组合功能。下面将对它们的具体结构进行更详细的描述。
燃料供应单元50向电池堆10的燃料处理单元提供燃料及燃料和水的混合物(以下称之为燃料混合物)。燃料供应单元50包括：用来储存燃料的第一燃料箱51；用来储存燃料混合物的第二燃料箱52；以及连接到第一和第二燃料箱51和52、并将燃料和燃料混合物从第一和第二燃料箱51和52供应给电池堆10的燃料处理单元的燃料泵53。
氧供应单元70将氧供应给电池堆10的发电单元和燃料处理单元。氧供应单元70包括用于泵入空气并将空气供给电池堆10的空气泵71。
图2是本发明第一实施方式的燃料电池系统的电池堆的分解透视图，图3是图2所示的电池堆的耦联透视图，图4的前视图示意地示出了图2所示的重整反应器结构。
参见图2、3和4，电池堆10包括多个用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能的发电体20。每一发电体20构成燃料电池的单元电池。来自下面将描述的重整反应器30的重整气和来自氧供应单元70的空气被提供给燃料电池的单元电池，所述单元电池通过重整气中的氢和空气中的氧之间的电化学反应产生电能。
因此，在本实施方式中，通过相继堆叠多个发电体20，电池堆10可由多个发电体20构成。
可将发电体20构成为具有可产生用于车辆或建筑物的电力的高的工作温度。在一实施方式中，可将发电体20构成为具有约为120℃至200℃的工作温度范围，以降低由重整反应器30提供的重整气中的一氧化碳的浓度。
具体而言，每一发电体20可通过在膜电极组件(下面称之为MEA)21的两个表面上紧密地设置隔板(在本领域中也称为“双极板”)而构成。
MEA 21具有氢和氧发生电化学反应的预定的活性区域(active area)，MEA 21包括形成在一侧表面上的阳极、形成在另一侧表面上的阴极、以及形成在两电极之间的电解质膜。阳极通过氢的氧化反应将由重整反应器30提供的氢气中的氢转变成氢离子(质子)和电子。阴极通过由氧供应单元70提供的空气中的氧的还原反应产生具有预定温度的热量和水分，氢离子从阳极移动到阴极。电解质膜实现将阳极产生的氢离子移动到阴极的离子交换功能。
阳极由具有抵抗一氧化碳中毒的催化剂材料制成。也就是说，阳极由一种催化剂材料制成，这种催化剂材料通过利用在上面所描述的发电体20的工作温度条件下的催化作用能降低重整气中的一氧化碳浓度。
隔板22紧密地设置于MEA 21的每一侧上，其起将MEA 21的阳极和阴极彼此串联连接的导体的作用，其还可作为向阳极和阴极提供MEA 21氧化和还原反应所需要的氢气和空气的通路。
在本实施方式中，与相应的第一MEA 21接触的第一隔板22的表面相对的第一隔板22的表面应与相邻发电体20的MEA 21接触的第二隔板22的表面相对的第二隔板22的表面对置。
在每一隔板22中形成有用于向MEA 21的阳极提供氢的氢传送通道23和用于向MEA 21的阴极提供空气的氧传送通道24。氢传送通道23与重整反应器相连，氧传送通道24与氧供应单元70的空气泵71相连。
每一隔板22设有集合管型(manifold-type)的第一和第二入口22a和22b及集合管型的第一和第二出口22c和22d，入口用于将氢气和空气提供给氢传送通道23和氧传送通道24，出口用于在氢气和空气流过通道23和24的同时排出MEA 21中未进行化学反应的剩余的氢气和空气。
第一入口22a不与氧传送通道24连通而与氢传送通道23连通。第二入口22b不与氢传送通道23连通而与氧传送通道24连通。第一出口22c不与氧传送通道24连通而与氢传送通道23连通。第二出口22d不与氢传送通道23连通而与氧传送通道24连通。第一和第二入口22a和22b形成于每一隔板22的上部，第一和第二出口22c和22d形成于每一隔板22的下部。
根据本发明，重整反应器30被设置在具有上面所提到的结构的电池堆10中。重整反应器30被设置于多个发电体20之间，它从燃料混合物中产生重整气体并将所述重整气体提供给发电体20。
在本发明中，借助于燃料和空气的氧化反应重整反应器30可在200℃的条件下对整个电池堆10进行预热，并利用热能通过燃料混合物和空气的自热反应(auto-thermal reaction，ART)和燃料混合物的蒸汽重整(SR)反应从燃料混合物中产生氢。
明确地说，重整反应器30被设置在相邻的发电体20之间，它包括反应通道31，所述通道在使纯燃料和空气或燃料混合物和空气流过的时候，同时进行氧化反应、自热反应和蒸汽重整反应。反应通道31可由分别形成于与相邻发电体20紧密接触的隔板22的接触表面上的通道31a组成。此时，可将通道31a形成在与一个发电体20的相应第一MEA 21接触的第一隔板22的表面相对的第一隔板22的表面上，及形成在与所述第一隔板22接触的相邻发电体20的第二隔板22的接触表面上。
据此，通过将通道31a一体地耦联成使一个发电体20的隔板22与相邻于该一发电体20的另一发电体20的隔板22彼此相对的状态，可形成本实施方式的反应通道31。反应通道31从隔板22的一边穿到隔板22的另外边。纯燃料和空气及混合物燃料和空气被注入反应通道31的一个边；氢气、未参加反应的燃料、和水(通过氧化反应、自热反应和蒸汽重整反应产生)从另外边排出。
反应通道31既与第一燃料箱51和空气泵71连接，又与第二燃料箱52和空气泵71连接。在本实施方式的具有上面所提到的连接结构的电池堆10中，示例性地示出了燃料和空气及燃料混合物和空气从反应通道31的一个边被供入，而未参加反应的燃料、水和氢气从反应通道31的另外边排出的情况。在一实施方式中，可采用本领域技术人员熟知的、用于向一边供给燃料、燃料混合物和空气及用于从另外边排出氢气、未反应燃料和水的任一种合适的结构。
在本实施方式的反应通道31中，在反应通道31a的内表面上形成有铝制薄膜状载体32。通过在载体32中承载催化剂材料获得的氧化催化剂33和重整催化剂34沿反应通道31a的纵向交替形成(如图4所示)。
载体32起绝缘层的作用，用于防止由发电体20产生的电流通过液体燃料(燃料混合物)泄露，此外，该载体还用作承载催化剂材料的载体。
氧化催化剂33由可促进燃料和空气的氧化并能产生具有预定温度范围的热能的氧化催化剂材料构成。重整催化剂34由可促进燃料混合物的蒸汽重整反应并从燃料混合物中产生氢的重整催化剂材料构成。
还参见图1，本发明的燃料电池系统100还包括回收件90，该回收件回收通过重整反应器30的反应通道31附带利用热交换排出的氢、未参加反应的燃料和水，并将回收到的氢供给发电体20。
回收件90的实例可包括具有本领域技术人员熟知的合适结构的冷凝器和汽-液分离器。回收件90通过管路与隔板22的第一入口22a连接，以向发电体20提供被回收的氢气。
下面将详细描述本发明一实施方式的、具有上面所提到的结构的燃料电池系统的工作情况。
首先，在启动燃料电池系统100时，燃料泵53将储存在第一燃料箱51中的纯燃料供给重整反应器30的反应通道31。同时，空气泵71将空气供应给反应通道31。然后，燃料和空气在流过反应通道31的同时借助于氧化催化剂33进行氧化反应。
如此一来，伴随燃料和空气的氧化反应，本发明的重整反应器30产生具有预定温度范围的热能。由于本实施方式的电池堆10包括处于相邻发电体20之间的重整反应器30，可将热能分配给各发电体20。因此，可在温度从120℃至200℃的电池堆10的指定工作温度范围条件下预热整个电池堆10。
在这种预热状态下，燃料泵53将储存在第二燃料箱52中的燃料混合物供给重整反应器30的反应通道31。同时，空气泵71将空气供应给反应通道31。
之后，在燃料混合物流过反应通道31的同时所述热能使燃料混合物汽化。在此过程中，包含在被汽化的燃料混合物中的部分燃料和空气借助于氧化催化剂33进行自热反应(ATR)。
鉴于以上所述，由于自热反应中燃料和空气的反应，本实施方式的重整反应器30产生与电池堆10的工作温度相应的热能，还产生下面将更详细描述的蒸汽重整(SR)反应所需的热能。
另外，在燃料电池系统100中，可通过空气阀(未示出)来调节提供给重整反应器30的反应通道31的空气量。
在此燃料电池系统100中，由于可根据空气阀的关闭和开启程度改变提供给反应通道31的空气量，因此，可通过有选择地调节空气量来控制热能的温度范围。
此外，本实施方式的重整反应器30利用重整催化剂34通过被汽化的燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢。由于利用重整催化剂34的燃料混合物的蒸汽重整反应是吸热反应，可通过燃料和空气的自热反应向重整反应器30提供重整反应所需要的热能。
在本实施方式中，燃料电池系统100还可以通过有选择地调节提供给反应通道31的燃料混合物的浓度或重整催化剂34的量控制热能的温度范围。
然后，通过反应通道31的一端将氢气和未参加反应的燃料及水一道排出。
借助于回收件90可将氢气、未参加反应的燃料及水彼此分开。然后，通过管路将被回收的氢气供给隔板22的第一入口22a。
同时，空气泵71将空气供应给隔板22的第二入口22b。另外，氢气通过隔板22的氢传送通道被提供给MEA 21的阳极，空气通过隔板22的氧传送通道24被提供给MEA 21的阴极。
阳极通过氢的氧化反应将氢气分解成电子和质子(氢离子)，质子通过MEA 21的电解质膜被传送到阴极，电子通过隔板22或另外的端子(未示出)被传送到相邻MEA 21的阴极而不通过电解质膜。此时，电子的流动产生燃料电池系统100的电流。
借助于通过电解质膜被传送到阴极的氢离子和空气中所含的氧的反应，阴极还产生具有预定温度的热量和水分。
以此方式，通过重复上面所描述的过程，本发明的燃料电池系统100可向预定负载(如膝上型电脑)输出预定量的电能。
而且，在本发明的燃料电池系统100中，为使电池堆10保持在适当的工作温度范围内(约从120℃至200℃)，需要不断地导出发电体20所产生的热量。
在本实施方式中，重整反应器30被设置在相邻的发电体20之间。据此，热量通过发电体20被传送给重整反应器30，这部分热量与通过燃料和空气的自热反应所产生的热能一起用作燃料混合物的蒸汽重整反应所需的热能。
于是，通过燃料混合物的蒸汽重整反应可导出由发电体20所产生的热量。此外，提供蒸汽重整反应所需的热能不只取决于燃料和空气的自热反应，而且还取决于发电体20所产生的热量。
另外，在本发明的燃料电池系统100中，重整反应器30产生的重整气还包括作为副产品的很少量的一氧化碳。然而，由于发电体20工作在温度范围约从120℃至200℃的高温工作条件下，而MEA 21的阳极由可阻止一氧化碳中毒的催化剂材料制成，随着催化剂材料的激活可降低一氧化碳的浓度并减小一氧化碳的作用。
图5A至5E都为前视图，它们示意地示出了本发明第一实施方式中重整反应器改型例中的隔板。
参见图5A，在本实施方式的重整反应器30A的第一改型例中，多条反应通道31A从隔板22的一边穿到隔板22的另外边。可在一条反应通道31A的内表面上形成氧化催化剂33A，而在相邻的反应通道31A的内表面上形成重整催化剂34A。这样，在反应通道31A中交替地形成氧化催化剂33A和重整催化剂34A。
所以，在该第一改型例中，向一条反应通道31A供给纯燃料和空气时，借助于氧化催化剂33A通过燃料和空气的氧化反应可产生预定温度范围的热能。
这部分热能被送到相邻反应通道31A的重整催化剂34A。向相邻反应通道31A供给燃料混合物时，燃料混合物吸收所述热能并被汽化，因此，借助于重整催化剂34A通过燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢。
参见图5B，本实施方式的重整反应器130的第二改型例除在反应通道131之间形成汽化通道135外具有与第一改型例基本相同的结构。
也就是说，可将重整反应器130构成为使汽化通道135置于形成有氧化催化剂133的反应通道131和形成有重整催化剂134的反应通道131之间
此时，将借助于氧化催化剂133通过燃料和空气的氧化反应产生的热能供给汽化通道135，以汽化燃料混合物，并将被汽化的燃料混合物提供给形成有重整催化剂134的反应通道131。
所以，根据此第二改型例，向形成有氧化催化剂133的反应通道131提供纯燃料和空气时，借助于氧化催化剂133通过燃料和空气的氧化反应产生具有预定温度范围的热能。
根据本改型例，这部分热能被送到汽化通道135。向汽化通道135供给燃料混合物时，在燃料混合物流过汽化通道135的同时，利用所述热能使燃料混合物汽化。
将被汽化的燃料混合物供给形成有重整催化剂134的反应通道131。本第二改型例的重整反应器130借助于重整催化剂134通过燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢气。
参见图5C，按照本实施方式，在重整反应器230的第三改型例中，在相邻发电体(未示出)的隔板22的接触表面上的间隔处形成有多条直线形通路，这些直线形通路的两端交替连接，借此，作为整体，可将反应通道231构成为具有回旋形状。反应通道231呈连接穿过每一隔板22的入口237和出口239的形状。氧化催化剂233和重整催化剂234沿反应通道231的延伸方向被交替地形成在反应通道231的内表面上。
在图5C中，附图标记22a和22b分别表示用于向每一隔板22的氢传送通道(未示出)和氧传送通道(未示出)注入氢气和空气的集合管型第一和第二入口。附图标记22c和22d表示用于排出通道中未参加反应的氢气和空气的集合管型第一和第二出口。
所以，在此第三改型例中，在启动燃料电池系统的同时通过入口237向反应通道231提供纯燃料和空气时，借助于氧化催化剂233通过燃料和空气的氧化反应产生热能，利用这部分热能可预热整个系统。
在这种状态下，若将燃料混合物和空气提供给反应通道231，利用所述热能使燃料混合物汽化，借助于氧化催化剂233通过部分燃料和空气的自热反应(ATR)产生热能，并借助于重整催化剂234通过被汽化的燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢气。然后，通过出口239排出所产生的氢气，并将其供给隔板22的第一入口22a。
参见图5D，按照本实施方式，在重整反应器330的第四改型例中，入口337和出口339以与上面所提到的第三改型例基本相同的方式通过反应通道331相连。在反应通道331的内表面上从反应通道331的中心到入口337形成氧化催化剂333，而在反应通道331的内表面上从其中心到出口339形成重整催化剂334。
根据此第四改型例，将燃料混合物和空气注进入口337时，借助于氧化催化剂333通过燃料混合物中所含的部分燃料和空气的氧化反应产生预定温度范围的热能。
据此，利用所述热能使燃料混合物汽化。然后，本第四改型例的重整反应器330借助于重整催化剂334通过被汽化的燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢气。
参见图5E，按照本实施方式，在重整反应器的第五改型例中，形成多条连接于入口437和出口439之间的平行反应通道431，氧化催化剂433和重整催化剂434被交替地形成于反应通道431的内表面之间。
根据此第五改型例，在启动燃料电池系统的同时通过入口437向反应通道431提供纯燃料和空气时，借助于氧化催化剂433通过燃料和空气的氧化反应产生热能，利用这部分热能可预热整个电池堆。
在这种状态下，若将燃料混合物和空气提供给反应通道431，利用所述热能使燃料混合物汽化。借助于氧化催化剂433通过部分燃料和空气的自热反应(ATR)产生热能，并借助于重整催化剂434通过被汽化的燃料混合物的蒸汽重整反应产生氢气。
图6为本发明第二实施方式的电池堆结构的分解透视图。
参见图6，在本实施方式的燃料电池系统的电池堆510中，在相邻发电体520的隔板522之间设有反应板540，并在反应板540中形成有多条反应通道531，从而形成重整反应器530。此时，反应通道531可从一边到相对边穿入反应板540。
图7是图6所示的重整反应器中反应板的横截面图。参见图7，在重整反应器530中，在穿入反应板540的反应通道531的内表面上形成有铝制薄膜状载体(未示出)，由载体中承载催化剂的材料形成的氧化催化剂533和重整催化剂534沿反应通道531的纵向交替地形成。
本实施方式的电池堆的结构和工作情况与第一实施方式的有关描述基本相同，在此不再赘述。
图8A和8B的横截面图示意地示出了本发明第二实施方式的重整反应器的改型例。
参见图8A，在本实施方式的重整反应器530A的第一改型例中，多条反应通道531A从一边到相对边穿入反应板540A。可在一条反应通道531A的内表面上形成氧化催化剂533A，而在相邻的反应通道531A的内表面上形成重整催化剂534A。这样，在反应通道531A中交替地形成有氧化催化剂533A和重整催化剂534A。
图8A的改型例的重整反应器530A的其他结构和工作情况与图5A所示的第一改型例的有关描述基本相同，在此不再赘述。
参见图8B，本实施方式的重整反应器530B的第二改型例除在穿入反应板540B的反应通道531A之间形成汽化通道535外具有与图8A所示的第一改型例基本相同的结构。
也就是说，可在形成有氧化催化剂533A的反应通道531A和形成有重整催化剂534的反应通道531A之间形成汽化通道535。
图8B所示的此改型例的重整反应器530B的其他结构和工作情况与图5B所示的第二改型例的有关描述基本相同，在此不再赘述。
图9的横截面图示意地示出了本发明第三实施方式的燃料电池系统的电池堆结构。
参见图9，在本实施方式的燃料电池系统的电池堆610中，除在相邻发电体620的隔板622之间设有多块反应板641、642、和643外具有与第二实施方式基本相同的结构，借此形成重整反应器630。
本实施方式的重整反应器630包括：第一反应板641，多条第一反应通道631A穿入该反应板中；紧密地设置在第一反应板641的一侧表面上的第二反应板642，多条第二反应通道631B穿入该反应板中；紧密地设置在第一反应板641的另一侧表面上的第三反应板643，多条第三反应通道631C穿入该反应板中。
氧化催化剂633被形成在第一反应通道631A的内表面上，重整催化剂634被形成在第二和第三反应通道631B和631C的内表面上。
下面将详细描述具有上面所提到的结构的本实施方式的燃料电池系统的电池堆610的工作情况。
首先，将纯燃料和空气供给第一反应板641的反应通道631A。然后，借助于氧化催化剂633通过燃料和空气的氧化反应第一反应板641产生预定温度范围的热能。所述热能通过第一反应板641被传送到第二和第三反应板642和643。
将燃料混合物供给第二和第三反应板642和643的第二和第三反应通道631B和631C。之后，燃料混合物吸收热能并被汽化。借助于重整催化剂634通过被汽化的燃料混合物的蒸汽重整反应第二和第三反应板642和643产生氢气。
图10的横截面图示意地示出了本发明第四实施方式的燃料电池系统的电池堆结构。
参见图10，在本实施方式的燃料电池系统的电池堆710中，除在第二和第三反应板742和743的第二和第三反应通道731B和731C之间形成汽化通道735外具有与第三实施方式基本相同的结构，借此形成重整反应器730。也就是说，在重整反应器730中，氧化催化剂733被形成在第一反应板741的第一反应通道731A中，重整催化剂734被形成在紧密地设置在第一反应板741的两侧表面上的第二和第三反应板742和743的反应通道731B和731C中，汽化通道735被附加地设置在第二和第三反应通道731B和731C之间。
将借助于氧化催化剂733通过燃料和空气的氧化反应产生的热能供给汽化通道735，以使燃料混合物汽化，并将被汽化的燃料混合物提供给第二和第三反应通道731B和731C。
所以，根据本实施方式，将纯燃料和空气供给第一反应通道731A时，借助于氧化催化剂733通过燃料和空气的氧化反应，第一反应板741产生预定温度范围的热能。
根据本实施方式，将热能送到汽化通道735。然后，在燃料混合物被供给汽化通道735时，在燃料混合物通过汽化通道735的同时借助于热能所述燃料混合物被汽化。
将被汽化的燃料混合物供给第二和第三反应通道731B和731C。借助于重整催化剂734通过所述燃料混合物的蒸汽重整反应第二和第三反应板742和743产生氢气。
根据上面所述的本发明，由于从燃料中产生氢气的重整反应器和通过氢和氧的反应产生电能的发电体被一体地耦联于主体中而构成电池堆，可使整个燃料电池系统的体积最小。
根据本发明，由于可通过将发电体产生的热量送到重整反应器同时实现发电体的冷却和重整反应器的加热，因此，可使整个燃料电池系统的热效率最高。
虽然上面结合一些示例性实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应懂得，本发明并不限于所公开的这些实施方式，相反，本发明将涵盖包括在所附权利要求的构思和保护范围以及其等同范围内的各种改型。

Claims (42)

1.一种燃料电池系统的电池堆，包括：
通过氢和氧之间的反应产生电能的发电体；及
用于从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体的燃料处理单元，
其中，所述发电体和燃料处理单元被整体地耦联于主体中。
2.如权利要求1所述的电池堆，其中，所述发电体的工作温度范围从100℃至250℃。
3.如权利要求1所述的电池堆，其中，所述发电体包括多个发电体，其中所述燃料处理单元被设置在所述发电体之间。
4.一种燃料电池系统的电池堆，包括：
至少一个发电体，其包括膜电极组件及第一和第二隔板，所述第一和第二隔板具有氢和氧传送通道，而且它们分别与所述膜电极组件的第一和第二侧接触；及
一重整反应器，其位于面向远离所述氢和氧传送通道的至少所述第一和第二隔板之一的一表面上，其中，所述重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体。
5.如权利要求4所述的电池堆，其中，所述发电体包括多个发电体，
其中所述氢的氢传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第一侧接触的所述第一隔板的一接触表面上，所述氢的氧传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第二侧接触的所述第二隔板的一接触表面上。
6.如权利要求5所述的电池堆，其中，所述重整反应器被设置在所述发电体之一和相邻的一发电体之间，其以第一和第二重整器通道的形式形成于面向远离所述氢和氧传送通道的所述第一和第二隔板的表面上，
其中所述第一和第二重整器通道结合而形成反应通道。
7.如权利要求6所述的电池堆，其中，所述反应通道包括形成在所述第一和第二隔板中、从所述第一和第二隔板的第一边到面向远离所述第一边的第一和第二隔板的第二边的多条反应通道。
8.如权利要求7所述的电池堆，其中，在每一所述反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
9.如权利要求7所述的电池堆，其中，在所述反应通道之一的内表面上形成氧化催化剂，在与该反应通道之一相邻的另一反应通道的内表面上形成重整催化剂。
10.如权利要求9所述的电池堆，其中，所述重整反应器包括处于所述反应通道之间的汽化通道。
11.如权利要求6所述的电池堆，其中，所述反应通道包括出口和入口，所述入口和出口穿入各所述第一和第二隔板及与所述入口和出口相连的通道截面。
12.如权利要求11所述的电池堆，其中，所述反应通道形成为回旋形状。
13.如权利要求12所述的电池堆，其中，所述反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
14.如权利要求12所述的电池堆，其中，在靠近所述入口的所述反应通道的内表面上形成氧化催化剂，在靠近所述出口的所述反应通道的内表面中形成重整催化剂。
15.如权利要求11所述的电池堆，其中，所述反应通道包括多条平行通道，所述反应通道的所述多条平行通道的每一条的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
16.一种燃料电池系统的电池堆，包括：
至少一个发电体，其包括膜电极组件及第一和第二隔板，所述第一和第二隔板具有氢和氧传送通道并分别与所述膜电极组件的第一和第二侧接触；及
一与所述第一和第二隔板相连的重整反应器，其中，所述重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体。
17.如权利要求16所述的电池堆，其中，所述发电体包括多个发电体，
其中所述氢的氢传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第一侧接触的所述第一隔板的一接触表面上，而所述氢的氧传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第二侧接触的所述第二隔板的一接触表面上。
18.如权利要求17所述的电池堆，其中，所述重整反应器包括被设置在所述发电体之一和相邻的一所述发电体之间的至少一块反应板。
19.如权利要求18所述的电池堆，其中，所述重整反应器包括多条反应通道，所述多条反应通道从所述反应板的第一边到面向远离所述第一边的所述反应板的第二边穿过所述反应板。
20.如权利要求19所述的电池堆，其中，在每一所述反应通道的内表面上交替且连续地形成氧化催化剂和重整催化剂。
21.如权利要求19所述的电池堆，其中，在所述反应通道之一的内表面上形成氧化催化剂，在与该反应通道之一相邻的另一反应通道的内表面上形成重整催化剂。
22.如权利要求21所述的电池堆，其中，所述反应板包括形成于所述反应通道之间的汽化通道。
23.如权利要求17所述的电池堆，其中，所述重整反应器包括：
第一反应板，其具有多条形成于所述第一反应板中、从所述第一反应板的第一边到面向远离所述第一反应板的所述第一边的所述第一反应板的第二边的第一反应通道；
设置在所述第一反应板的第一侧表面上的第二反应板，其具有多条形成于所述第二反应板中、从所述第二反应板的第一边到面向远离所述第二反应板的第一边的所述第二反应板的第二边的第二反应通道；
设置在所述第一反应板的第二侧表面上的第三反应板，其具有多条形成于所述第二反应板中、从所述第三反应板的第一边到面向远离所述第三反应板的所述第一边的所述第三反应板的第二边的第三反应通道。
24.如权利要求23所述的电池堆，其中，在所述第一反应通道的内表面上形成氧化催化剂，在所述第二和第三反应通道的内表面上形成重整催化剂。
25.如权利要求24所述的电池堆，其中，在所述第二和第三反应通道之间形成汽化通道。
26.一种燃料电池系统，包括：
包含至少一个通过氢和氧之间的反应产生电能的发电体的电池堆和与所述发电体整体耦联的燃料处理单元，其中，所述燃料处理单元从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体；
向所述燃料处理单元提供燃料的燃料供应单元；及
向所述发电体和所述燃料处理单元提供氧的氧供应单元。
27.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述燃料为液体。
28.如权利要求27所述的燃料电池系统，其中，所述燃料是甲醇和水的混合物。
29.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述发电体的工作温度范围从100℃至250℃。
30.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述发电体包括多个发电体，
其中所述燃料处理单元被设置在所述发电体之间。
31.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述燃料供应单元包括至少一个储存燃料的燃料箱和连接所述燃料箱用于提供燃料的燃料泵。
32.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述氧供应单元包括至少一台空气泵。
33.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，还包括与所述电池堆耦联的回收件，该回收件回收从所述燃料处理单元排出的氢，并将回收到的氢提供给所述发电体。
34.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述燃料包括纯燃料和含水的燃料混合物；所述燃料供应单元包括用于贮存纯燃料的第一燃料箱和用于贮存燃料混合物的第二燃料箱。
35.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中，在将所述燃料混合物供给所述燃料处理单元之前将所述纯燃料供给所述燃料处理单元。
36.一种燃料电池系统，包括：
用于从燃料中产生氢及用于通过氢和氧之间的反应产生电能的电池堆；
向所述电池堆提供燃料的燃料供应单元；
向所述电池堆提供氧的氧供应单元，
其中，所述电池堆包括：
至少一个发电体，其包括膜电极组件及第一和第二隔板，所述第一和第二隔板具有氢和氧传送通道并分别与所述膜电极组件的第一和第二侧接触；及
一重整反应器，其位于面向远离所述氢和氧传送通道的至少所述第一和第二隔板之一的一表面上，其中所述重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体。
37.如权利要求36所述的燃料电池系统，其中，所述发电体包括多个发电体，
其中所述氢的氢传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第一侧接触的所述第一隔板的一接触表面上，所述氢的氧传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第二侧接触的所述第二隔板的一接触表面上。
38.如权利要求37所述的燃料电池系统，其中，所述重整反应器被设置在所述发电体之一和相邻的一所述发电体之间，其以第一和第二重整器通道的形式形成于面向远离所述氢和氧传送通道的所述第一和第二隔板的表面上；
其中所述第一和第二重整器通道结合而形成反应通道；
其中所述燃料被供到所述反应通道以从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述多个发电体。
39.一种燃料电池系统，包括：
用于从燃料中产生氢并通过氢和氧之间的反应产生电能的电池堆；
向所述电池堆提供燃料的燃料供应单元；
向所述电池堆提供氧的氧供应单元，
其中，所述电池堆包括：
至少一个发电体，其包括膜电极组件及第一和第二隔板，所述第一和第二隔板具有氢和氧传送通道，并分别与所述膜电极组件的第一和第二侧接触；
一与所述第一和第二隔板连接的重整反应器，所述重整反应器从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述发电体。
40.如权利要求39所述的燃料电池系统，其中，所述发电体包括多个发电体，
其中所述氢的氢传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第一侧接触的所述第一隔板的一接触表面上，所述氢的氧传送通道和氧传送通道位于与所述膜电极组件的所述第二侧接触的所述第二隔板的一接触表面上。
41.如权利要求40所述的燃料电池系统，其中，所述重整反应器包括被设置在所述发电体之一和相邻的一所述发电体之间的至少一块反应板。
42.如权利要求41所述的燃料电池系统，其中，所述反应板包括从所述反应板的第一边穿到面向远离所述第一边的所述反应板的第二边的多条反应通道；
其中所述燃料被供到所述反应通道以从燃料中产生氢并将所产生的氢供给所述多个发电体。
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