CN1838460A - 未反应燃料分解装置和具有该装置的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种未反应组分的分解装置和具有该装置的燃料电池系统。未反应组分的分解装置包括具有容纳重整气的未反应组分和来自电池堆的水分的空间的分解容器。燃料电池系统包括通过氢和氧反应产生电能并排放氢和氧反应产生的水分的电池堆；通过利用热能的重整反应产生含氢重整气并排出含有未反应燃料组分的重整气的重整器；通过优选氧化反应降低重整气中一氧化碳浓度的一氧化碳净化器；和与电池堆和重整器连接的未反应燃料分解装置，以利用来自电池堆的水分分解重整气的未反应燃料组分并将基本上已降低了一氧化碳浓度的重整气供给一氧化碳净化器。利用本发明可改善一氧化碳净化器和燃料电池系统的性能，并可延长它们的循环寿命。

Description

未反应燃料分解装置和具有该装置的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地说，涉及一种用于分解从重整器中排放的燃料的未反应组分的分解装置。
背景技术
燃料电池系统是一种将氧和如甲醇之类的碳氢化合物材料中含有的氢的化学反应能直接转化为电能的发电系统。
通常，燃料电池系统使用通过对作为燃料的甲醇或乙醇进行重整产生的氢，燃料电池系统具有包括车辆移动电源、家用或建筑物的分布电源以及用于电子装置的小型电源在内的广泛的应用范围。
燃料电池系统主要包括电池堆(stack)、燃料处理单元、燃料箱和燃料泵。燃料处理单元包括重整器和一氧化碳净化器，重整器通过利用热能的催化重整反应对燃料进行重整产生含氢的重整气，一氧化碳净化器借助于优选氧化一氧化碳降低重整气中的一氧化碳浓度。一氧化碳净化器的一个实例是本领域公知的优选CO氧化(PROX)反应器。
在燃料电池系统中，燃料泵运行以将燃料箱中储存的燃料供应给重整器。重整器将燃料重整以产生重整气。一氧化碳净化器可降低重整气中含有的一氧化碳的浓度。
将降低了一氧化碳浓度的重整气供应给电池堆，同时，通过空气泵提供空气。在电池堆中，空气中含有的氧和重整气中含有的氢进行电化学反应产生电能。
然而，在传统的燃料电池系统中，重整器不能对全部燃料进行重整，于是，燃料的未反应组分随重整气一道排出。重整气和未反应燃料组分从重整器被送到一氧化碳净化器。
在一氧化碳净化器中，燃料的未反应部分可能和氧发生氧化反应产生不必要的热量。这些不必要的热量可使一氧化碳净化器中的PROX反应的活力降低。此外，还可能发生甲烷形成反应而消耗重整气，或者可能损坏一氧化碳净化器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种未反应燃料分解装置，该装置利用从电池堆中排出的水分除去(removing)从重整器排出的燃料的未反应组分，以防止将未反应燃料组分供应给一氧化碳净化器。在本说明书中，术语“未反应”是指重整气的未反应组分，不是指这些组分完全不反应或是惰性的，而是没有参加重整反应的组分。还应注意的是，在描述“除去”未反应组分时，并不意味着完全除去，采用该词是指至少除去大部分未反应组分。
本发明另一目的在于提供一种包括这种未反应燃料分解装置的燃料电池系统。
根据本发明一实施方式，将未反应燃料分解装置与重整器和电池堆连接，该装置利用从电池堆排出的水分使这些组分分解而除去从重整器中排出的未反应燃料组分。该装置包括具有容纳未反应燃料组分和水分的空间的分解容器。该容器与电池堆的水分排出口和重整器的重整气排出口相连。
根据本发明此实施方式，分解容器可以包括与电池堆的水分排出口连接的第一入口和与重整器的重整气排出口连接的第二入口。
此外，可将分解容器与一氧化碳净化器相连，在未反应燃料组分被分解容器除去之后将所述重整气供应到该一氧化碳净化器。
根据本发明此实施方式，分解容器包括与一氧化碳净化器的重整气注入口连接的排出口。
根据本发明另一实施方式，提供一种燃料电池系统，其包括通过氢和氧的反应产生电能并排放由氢和氧的反应产生的水分的电池堆。该燃料电池系统还包括产生含氢的重整气并排出含有未反应燃料组分的重整气的重整器。该燃料电池系统进一步包括与重整器和电池堆相连、利用从电池堆中排出的水分从重整气中除去未反应燃料组分的未反应燃料分解装置。从重整气中除去未反应燃料组分之后，所述重整气通过一氧化碳净化器，以便通过一氧化碳的优选氧化反应降低重整气中含有的一氧化碳浓度。然后，将来自一氧化碳净化器的重整气供给燃料电池系统的电池堆。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加显而易见。附图中：
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的示意性框图；
图2是图1所示的电池堆的分解透视图；
图3是图1所示的重整器的横截面图；
图4是图1所示的一氧化碳净化器的横截面图；
图5是本发明一实施方式的未反应燃料分解装置的横截面图；
图6是本发明另一实施方式的未反应燃料分解装置的横截面图。
具体实施方式
现在，参照附图详细描述本发明的实施方式，以使本领域技术人员容易实施。由于本发明可以用不同的形式实施，所以本发明不限于以下所描述的实施方式。
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统的示意性框图。
参照图1，燃料电池系统100重整含氢燃料以产生重整气，该系统采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其使重整气中的氢和氧化剂气体发生电化学反应从而产生电能。
在燃料电池系统100中，用于发电的燃料可以是如甲醇、乙醇和天然气之类的液体或气体燃料，或者可以是通过重整这些燃料产生的氢。在图示的那些实施方式中，用液体燃料举例说明。
作为氧化剂气体可以使用储存在单独的存储单元中的氧气或含氧空气。在图示的那些实施方式中，用空气举例说明。
燃料电池系统100包括通过氢和氧的电化学反应产生电能的电池堆10、通过利用热能的催化重整反应从液体燃料中产生含氢的重整气的重整器20、产生热能并将热能供应给重整器20的燃烧器30、降低重整气中一氧化碳浓度并将所述重整气供应给电池堆10的一氧化碳净化器40、将燃料供应给重整器20的燃料供应单元60、以及将氧供应给一氧化碳净化器40和电池堆10两者的氧供应单元70。
电池堆10是燃料电池，其通过经一氧化碳净化器40的重整器20提供的重整气和氧供应单元70提供的氧的电化学反应而产生电能。
图2是图1所示的电池堆结构的分解透视图。
参照图2，电池堆10可以具有通过连续配置多个彼此紧密接触的发电体11而构成的发电组件。这里，单个发电体11构成用于产生电能的单元电池。
更详细地说，每一发电体11包括膜电极组件(MEA)12和设置成与膜电极组件12的两个表面紧密接触的隔板13和13’(或双极板)。
MEA 12具有氢和氧发生电化学反应的活性区域，其包括配置在其两个侧面上的阳极和阴极以及设置在这些电极之间的电解质膜。
阳极包括将重整器20供应的重整气分离成氢离子(质子)和电子的催化剂层，以及利于电子和重整气运动的气体扩散层。
阴极包括通过氧供应单元70所提供的氧与从阳极迁移的氢离子和电子在预定温度下发生反应而产生热能和水分的催化剂层，以及利于氧运动的气体扩散层。
电解质膜具有离子交换功能，用于使阳极产生的氢离子迁移到阴极。
隔板13具有将氢供应给MEA 12的阳极的通道。隔板13’具有用于将氧供应给MEA 12的阴极的通道。此外，隔板13和13’还起串联连接阳极和阴极的导电体的作用。
此外，可在电池堆10的最外侧设置压板15和15’，以便对多个发电体施压使之彼此紧密接触。除将发电体11压在一起的功能外，压板15和15’还可以起隔板的作用。
在本发明中，电池堆不限于上面所提到的结构。例如，可以省去压板，而可使配置在电池堆最外侧的发电体起压板的作用。
在图示的此实施方式中，压板15和15’设有供应氢的第一注入口15a和供应氧的第二注入口15b、排放发电体11中反应后剩余氢的第一排出口15c以及排放发电体11中氢和氧反应产生的水分的第二排出口15d。
重整器20可以通过如利用热能的催化反应产生重整气，以将含氢的重整气供给电池堆10。这些反应的实例蒸汽重整反应、部分氧化反应和自热反应。
图3是图1所示的重整器的横截面图。
参照图3，重整器20可以包括用促进重整反应的重整催化剂25充填的圆柱形重整器主体21。
重整器主体21被构成为具有预定横截面积的管状，其两端具有开口。由于本实施方式的重整器主体21是暴露的，因此，重整器主体21优选由绝热金属或非金属制成。重整器主体21的一端设有燃料供应口22，通过该供应口将燃料供应单元60提供的燃料注入重整器主体21的内部空间。重整器主体21的另一端设有重整气排出口23，通过重整反应产生的含氢重整气通过该排出口排出。
值得注意的是，重整器主体21不限于上面所提到的形状，其可以构成为其他形状和配置，只要其包括具有反应器基底、形成在其上的一或多条通道、形成在通道内表面上的催化剂层的板即可。
可将重整催化剂25设置在由如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氧化钛(TiO2)之类的材料制成的球形载体上。重整催化剂25还可设置在蜂窝载体结构上。在该蜂窝结构中，在陶瓷或金属载体的表面上形成有多个通孔，重整催化剂25被形成在这些通孔的表面上。
如图1所示，产生热能并将热能供给重整器20的燃烧器30可基本上与重整器20连接。燃烧器30通过与空气的氧化反应燃烧如甲醇或乙醇之类的液体燃料或如甲烷气或丙烷气之类的气体燃料，以产生具有预定温度范围的热能。
值得注意的是，燃烧器30不限于氧化反应结构，它还可以包括使用单独的点火器点燃和燃烧上面所提到的燃料和空气而产生热能的点火-燃烧结构。
重整气含有少量一氧化碳。为了降低一氧化碳的浓度，一氧化碳净化器40采用利用氧供应单元70提供的氧的优选CO氧化(PROX)反应。
图4是图1所示的一氧化碳净化器结构的横截面图。
参考图4，一氧化碳净化器40包括具有预定容积的内部空间的圆柱形净化器主体41以及填充于净化器主体41的内部空间的氧化催化剂45。
根据本实施方式，净化器主体41被构成为具有预定横截面积的管状，其两端具有开口。净化器主体41的一端设有第一重整气注入口42和第二氧气注入口43，通过第一重整气注入口将来自重整器20的重整气注入净化器主体41的内部空间，通过第二氧气注入口将由氧供应单元70提供的氧注入净化器主体41的内部空间。
此外，净化器器主体41的另一端部设有重整气排出口44，该排出口排出通过用混合于氧化催化剂45中的氧气与一氧化碳发生优选CO氧化反应降低了一氧化碳浓度之后的重整气。净化器器主体41的重整气排出口44和电池堆10的第一注入口15a可以通过第四供应管路94相互连接。
与重整催化剂相似，可将用于促进一氧化碳的优选CO氧化反应的氧化催化剂45设置在由如氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)或氧化钛(TiO2)之类的材料制得的球形载体上，或者可设置在如前所述的蜂窝载体结构上。
如图1所示，用于向重整器20提供燃料的燃料供应单元60包括燃料箱61和与燃料箱61连接以将燃料从燃料箱61通过第一供应管路91排放到重整器20的燃料泵63。
如图1所示，用于给电池堆10和一氧化碳净化器40提供氧气的氧供应单元70包括空气泵71，该空气泵将空气供应给电池堆10的第二注入口15b和一氧化碳净化器40的氧气注入口43。电池堆10的第二注入口15b和空气泵71通过第二供应管路92相互连接。一氧化碳净化器40的氧气注入口43和空气泵7 1通过第三供应管路93相互连接。
在所示出的实施方式中，空气供应单元70包括将空气供应给电池堆10和一氧化碳净化器40两者的单台空气泵71。当然，空气供应单元不限于这种结构，空气供应单元还可以具有产生提供给电池堆10的空气的第一空气泵和产生提供给一氧化碳净化器40的空气的第二空气泵。
根据本发明，燃料电池系统100设有用于从重整气中除去燃料的未反应组分的分解装置80。更具体地说，分解装置80将从重整器20排出的未反应燃料溶解于从电池堆10中排出的水分中，并将基本上除去了未反应组分的重整气供应给一氧化碳净化器40。
图5是本发明一实施方式的未反应燃料分解装置的横截面图。
参见图1和5，分解装置80包括与重整器20的重整气排出口23、电池堆10的第二排出口15d和一氧化碳净化器40的重整气注入口42连接的分解容器81。
分解容器81被构成为密封的密封容器，该容器存储从电池堆10的第二排出口15d排出的水分，并除去和贮存从重整器20的重整气排出口23已送入分解容器81的重整气的未反应燃料组分。在气态形式的重整气流过分解容器81的同时，提供给分解容器81的重整气的未反应组分和水分作为液态被保持在分解容器中。
分解容器81将基本上除去了未反应燃料组分的富氢重整气供应给一氧化碳净化器40。分解容器81包括第一入口82、第二入口83及排出口84，第一入口被设置为与重整器20的重整气排出口23连接的注入孔口(injection opening)，第二入口被设置为与电池堆10的第二排出口15d连接的注入孔口，排出口84被设置为通过其将基本上除去了未反应燃料组分之后的重整气送入一氧化碳净化器40的重整气注入口42。
这里，重整气排出口23和第一入口82通过第三供应管路95相互连接。第二排出口15d和第二入口83通过第六供应管路96相互连接。一氧化碳净化器40的重整气注入口42和分解容器81的排出口84通过第七供应管路97相互连接。
在具有前述结构的燃料电池系统100运行期间，电池堆10通过第二排出口15d排放出发电体11中氢和氧反应产生的水分。这些水分通过第六供应管路96流入分解容器81的内部空间并储存在该内部空间中。
来自燃料供应单元60的燃料被供应给重整器20，通过燃料的重整反应产生含氢重整气。通过重整气排出口23将重整气从重整器主体21排放到分解容器81。在重整反应后剩下的重整气的未反应组分和重整气一起通过重整气排出口23被供应到分解容器81中。
此后，未反应组分在分解容器81中被水分分解，而除去了未反应组分的重整气通过第七供应管路97被供应到一氧化碳净化器40。同时，空气泵71运转以将空气供给一氧化碳净化器40。一氧化碳净化器40通过空气中含有的氧和重整气中含有的一氧化碳发生的优选CO氧化反应降低了重整气中含有的一氧化碳浓度，并将降低了一氧化碳浓度的重整气供应给电池堆的发电体11。
因此，电池堆10可以将发电体11中通过氢和氧的反应所产生的电能供应给预定的负载，例如供给如膝上型计算机、个人数字助理(PDA)或移动通信终端之类的便携式电子装置。
本发明此实施方式的燃料电池系统100进行一系列前述过程来分解从重整器20排放的重整气的未反应组分，因而可以防止将对一氧化碳净化器40的运转工况起负面影响的未反应组分供给一氧化碳净化器40。
重整气通过分解容器81时其被冷却。借助于对供应给一氧化碳净化器40的重整气进行冷却，可以进一步提高优选CO氧化反应的选择性。
尽管在这些附图中没有详细示出，可使保持在分解容器81中的未反应燃料和水分再循环到另外的罐、现有的燃料箱或者所述重整器中。
图6是本发明另一实施方式的未反应燃料分解装置的横截面视图。如图6所示，为了改善未反应组分的去除，可通过将第五供应管路95’设置成延伸到分解容器81’的内部来增加供应到分解容器81’中的水分和未反应组分之间的接触面积。可在第五供应管路95’的远端设置由多孔材料制成的起泡部件101。通过将起泡部件101浸入到由分解容器81’供应的水分中，产生泡泡以促进未反应组分和水分的混合，并改善未反应燃料组分的去除。
根据本发明，为燃料电池系统提供一种利用电池堆排出的水分除去重整气的未反应组分的未反应燃料分解装置，从而有利于防止将未反应组分送入一氧化碳净化器。
结果，可避免未反应组分的氧化，进而可避免在一氧化碳净化器中产生不必要的热量。这可改善一氧化碳净化器和燃料电池系统的性能，并可延长它们的循环寿命(lifecycle)。
尽管已对本发明的一些示例性实施方式和一些改型的实例进行了描述，但本发明不限于这些实施方式和实例，在不超出本发明所附权利要求、详细的文字描述和附图的范围的前提下可以各种形式作出改型。显然，这些改动都属于本发明的范畴。

Claims (15)

1.一种适于利用来自燃料电池电池堆的水分从重整气中除去未反应组分的未反应燃料分解装置，该未反应燃料分解装置包括具有用于容纳重整气的未反应组分和来自燃料电池电池堆的水分的空间的分解容器。
2.如权利要求1所述的未反应燃料分解装置，其中，所述分解容器还包括：
与所述燃料电池电池堆的水分排出口相通的第一入口；及
与重整器的重整气排出口相通的第二入口。
3.如权利要求1所述的未反应燃料分解装置，其中，所述分解容器适于产生基本上去除了未反应组分的重整气，以将其提供给一氧化碳净化器。
4.如权利要求3所述的未反应燃料分解装置，其中，所述分解容器包括与所述一氧化碳净化器的重整气入口相通的出口。
5.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池电池堆，其通过氢和氧的反应产生电能并排放由氢和氧的反应所产生的水分；
重整器，其通过重整反应从燃料中产生含氢重整气并排出包含未反应组分和一氧化碳的重整气；
一氧化碳净化器，其通过所述重整气中含有的一氧化碳的优选氧化反应降低所述重整气中含有的一氧化碳浓度；及
未反应燃料分解装置，其与所述电池堆和重整器连通，以利用来自所述电池堆的水分基本除去所述重整气的未反应组分并将所述基本除去了未反应组分的重整气提供给所述一氧化碳净化器。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述未反应燃料分解装置包括容纳所述水分、未反应组分和重整气的分解容器；该分解容器包括与所述电池堆的水分排出口连通的第一入口、与所述重整器的重整气排出口连通的第二入口、以及与所述一氧化碳净化器的重整气入口连通的排出口。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，还包括：
将燃料供应给所述重整器的燃料供应单元；及
将氧供应给所述电池堆和一氧化碳净化器的氧供应单元。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述燃料供应单元包括适于储存燃料的燃料箱和适于将来自所述燃料箱的燃料送到所述重整器的燃料泵。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述重整器包括燃料注入口，通过该燃料注入口注入由所述燃料泵供应的燃料，而且所述燃料箱和该燃料注入口通过第一供应管路相互连通。
10.如权利要求7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。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，每一所述电池堆和所述一氧化碳净化器包括注入由所述空气泵供应的空气的空气注入口，所述电池堆的空气注入口通过第二供应管路与所述空气泵相互连通，所述一氧化碳净化器的空气注入口通过第三供应管路与所述空气泵相互连通。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述一氧化碳净化器包括排放基本上已降低了一氧化碳浓度的重整气的重整气排出口，所述电池堆包括注入重整气的重整气注入口，所述重整气排出口和所述重整气注入口通过第四供应管路相互连通。
13.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述电池堆的水分排出口和所述未反应燃料分解装置的第一入口通过第五供应管路相互连通。
14.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述重整器的重整气排出口和所述未反应燃料分解装置的第二入口通过第六供应管路相互连通。
15.如权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述一氧化碳净化器的重整气注入口和所述未反应燃料分解装置的排出口通过第七供应管路相互连通。
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