CN1841830A - 燃料重整装置和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料重整装置，其包括：绝热容器、重整器、被构造成减少气体中的CO的CO处理单元、重整器加热单元、绝热元件和催化剂单元。该绝热容器具有开口。该重整器被提供在绝热容器中并且将燃料重整而得到含有H2和CO的气体。该重整器加热单元被构造成含有用于氢气燃烧反应的第一催化剂并且被构造成利用该燃烧反应将重整器加热。该绝热元件覆盖了绝热容器的开口。该催化剂单元被构造成提供在绝热容器中并且被构造成含有用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂。

Description

燃料重整装置和燃料电池系统
                   相关申请的交叉引用
本申请基于并且要求了于2005年3月30日提交的在先日本专利申请No.2005-097970的优先权，该在先申请的整个内容在此引入作为参考。
                       发明背景
1.发明领域
本发明涉及了一种适用于微型化的燃料重整装置和燃料电池系统。
2.相关技术的描述
近年来，随着半导体技术的发展，各种电子器件例如手机、摄影机和计算机已经被微型化并且还对它们的可携带性作出了要求。作为满足这些要求的电源，传统上使用了可携带的一次电池和二次电池。然而从它们的功能的观点出发，一次电池和二次电池的使用时间有限，使用了这些电池的电子器件等的运行时间也受到限制。
即是说，尽管如果使用了一次电池和放电结束，则可以通过更换电池来驱动电子器件，但一次电池的使用时间相对于它的重量而言仍然短，因此一次电池并不适用于便携式的器件。虽然二次电池可以在放电结束后重新充电，但电子器件的使用场所还是受到了限制，因为需要用于重新充电的电源并且要花费很多时间将电池重新充电。特别而言，引入了二次电池的电子器件的使用时间是有限的，因为即使电池的放电结束也不能更换电池。因此难以用常规的一次电池或二次电池来长时间地驱动各种小的器件，并且需要一种适用于更长时间地驱动的电池。
作为该问题的一种解决方式，燃料电池近年来已经引起了公众的注意。燃料电池不仅具有能够仅仅通过提供燃料和氧化剂而发电的优点，而且还具有能够仅仅通过更换燃料而连续发电的优点。出于该原因，如果要实现便携式电子器件的微型化，据信燃料电池是一种极其有效的用于驱动便携式电子器件的系统。
在常用的燃料电池领域中，已经开发了使用燃料电池的燃料电池系统。在燃料电池中，燃料通过内部装有重整催化剂的重整器进行重整以生成含有氢气的重整气体。燃料的例子包括水和轻质烃例如天然气和石脑油，以及水和醇例如甲醇。将重整气体供送到燃料电池的燃料电极，并且将空气供送到氧化剂电极。由于这种燃料电池系统与使用液体燃料例如甲醇的直接甲醇燃料电池等相比而具有更高的电压并且确保了更高的效率，因此可以期待其减少的尺寸和增强的性能。
带有重整器的燃料电池系统使用包括水和可燃物质例如碳氢化物和醇的燃料。通过重整获得的气体(重整气体)含有作为副产物的约1％-2％的一氧化碳以及氢气。因此，对于将带有重整器的燃料电池系统用作便携式电子器件的电源而言，则需要充分的安全措施。该措施的一个例子披露于日本专利申请特开Nos.2002-93435和2003-45457中。
日本专利申请特开No.2002-93435描述了通过将用于从燃料电池等中泄漏的氢气燃烧反应的贵金属催化剂提供到容纳燃料电池的壳体中而防止壳体中泄漏的氢气免于沉积，因为即使当燃料电池系统的通风机停机时，也可以通过该燃烧反应将壳体中泄漏的氢气转化成水。
日本专利申请特开No.2003-45457披露了这样一种燃料电池系统：其中具有蒸发单元(30)和用于将重整器(6)加热的燃烧器(31)的重整装置(5)被由绝热材料形成并且底部具有圆柱形的泄漏气体收集单元(20)密封。日本专利申请特开No.2003-45457中披露的该燃料电池系统中的燃烧器(31)将从重整装置(5)中泄漏的气体燃烧。
如果将带有重整器的燃料电池系统装在便携式器件上，则会由于尺寸和成本的限制而难以使用高精度流动速率的监控器和控制单元。这使得仅仅采用催化燃烧的热量难以准确地控制重整器的温度。一般而言，重整器是绝缘的以减少热损耗；并且由于催化燃烧量的轻微差异，重整器的温度容易极大地变化。控制重整器温度的方法的例子已经披露于日本专利No.2715500和日本专利申请特开No.11-86893中。
日本专利No.2715500描述了以下内容：通过用甲醇重整装置的燃烧器将燃料电池的未反应的氢气燃烧而提供用于甲醇重整装置的催化层的最佳热量，并且当甲醇重整装置的催化层温度降低至特定的控制温度范围或者更低时用加热体将催化层加热。
日本专利申请特开No.11-86893披露了通过在启动或瞬变响应的时候将重整装置的重整催化层加热而在启动或瞬变响应时提前生成富含氢气的气体，由此减少了从启动到发电的时间。
顺便提及，已经需要非水二次电池例如锂离子二次电池以确保当由于过量充电或短路或者不正确的处理例如长时间置留于高温环境下而导致电池内压不正常升高时的安全性，并且以确保正常使用中的安全性。因此，非水二次电池包括通过电池内压驱动的安全阀或者防爆阀(例如日本专利申请特开Nos.5-314959和9-245759以及日本未审申请特开No.58-17332)。
                        发明简述
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料重整装置，其包括：
具有开口的绝热容器；
提供在绝热容器中并且将燃料重整得到含有H2和CO的重整气体的重整器；
减少重整气体中的CO的CO处理单元；
包含用于氢气燃烧反应的第一催化剂、被构造成利用该燃烧反应将重整器加热的重整器加热单元；
覆盖绝热容器的开口的绝热元件；和
提供在绝热容器中并且包含用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂的催化剂单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：
具有开口的绝热容器；
提供在绝热容器中并且将燃料重整得到含有H2和CO的重整气体的重整器；
减少重整气体中的CO的CO处理单元；
由CO处理单元提供重整气体的燃料电池；
包含用于氢气燃烧反应的第一催化剂、被构造成利用该燃烧反应将重整器加热的重整器加热单元；
覆盖绝热容器的开口的绝热元件；和
提供在绝热容器中并且包含用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂的催化剂单元。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到气体的重整器；
包含至少一个通过使用该气体进行发电反应的电池的燃料电池；
第一加热器，其包含有用于从燃料电池中放出的未使用气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热；
将重整器加热的第二加热器；
基于重整器的温度对第二加热器的输出功率实施反馈控制的温度控制器；和
根据下式(1)控制提供给第二加热器的功率的加热器功率控制单元：
             Wout＝Wcnt1-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)    (1)
其中Wout是提供给第二加热器的功率(W)；Wcnt1是由温度控制器的反馈控制得到的第二加热器的输出功率(W)；ΔHcmb是气体的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对所述至少一个电池的气体供送量(mol/s)；N是组成所述至少一个电池的电池数量；I是每个电池的电流(A)；n是发电反应中所涉及的电子的数量；F是法拉第常数。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到气体的重整器；
包含至少一个通过使用该气体进行发电反应的电池的燃料电池；
第一加热器，其包含有用于从燃料电池中放出的未使用气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热；
将重整器加热的第二加热器；
控制重整器温度的温度控制器；和
控制提供给第二加热器的功率以满足下式(2)的加热器功率控制单元：
           Wout＝Q1+Q2-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)    (2)
其中Wout是提供给第二加热器的功率(W)；Q1是用于在重整器中重整所必需的热量(W)；Q2是重整器的热损耗量(W)；ΔHcmb是气体的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对所述至少一个电池的气体供送量(mol/s)；N是组成所述至少一个电池的电池数量；I是每个电池的电流(A)；n是发电反应中所涉及的电子的数量；F是法拉第常数。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料重整装置，其包括：
将燃料重整得到含有氢气的重整气体的重整器；
包含用于可燃气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热的燃烧器；和
释压元件，其当重整器的内压升高时破裂，由此起到从重整器到燃烧器的气体通道的作用。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到含有氢气的重整气体的重整器；
通过使用氢气发电的燃料电池；
包含用于可燃气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热的燃烧器；和
释压元件，其当重整器的内压升高时破裂，由此起到从重整器到燃烧器的气体通道的作用。
                    几个附图的简述
图1是表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的结构示意图；
图2是用于图1中所示的燃料电池系统的空气泵的示意图；
图3是图解表示了用于图1中所示的燃料电池系统的绝热容器的透视图；
图4是表示本发明的燃料电池系统的不正常检测过程的流程图；
图5是表示本发明第二实施方案的燃料重整装置的结构示意图；
图6是表示提供在示于图5中的燃料重整装置上的氧气供给元件的实施方案的结构示意图(俯视图)；
图7是表示提供在示于图5中的燃料重整装置上的氧气供给元件的实施方案的结构示意图(侧视图)；
图8是表示提供在示于图5中的燃料重整装置上的氧气供给元件的另一个实施方案的结构示意图；
图9是表示根据本发明第三实施方案的燃料电池系统的结构示意图；
图10是表示根据本发明第四实施方案的燃料电池系统的结构示意图；
图11是表示装配在图10中所示的燃料电池系统上的蒸发器、重整器、燃烧器和加热器的排列的示意图；
图12是表示装配在图10中所示的燃料电池系统上的蒸发器、重整器、燃烧器和加热器的排列的示意图；
图13是表示装配在图10中所示的燃料电池系统上的蒸发器、重整器、燃烧器和加热器的排列的示意图；
图14是表示用于根据本发明第五实施方案的燃料重整装置的重整器和燃烧器的透视示意图；
图15是表示在图14的燃料重整装置中的燃烧器气体循环通道与重整器的释压元件之间的位置关系的一个例子的平面图；
图16是表示图15的释压元件的一个构型例子的截面图；
图17是表示在图14的燃料重整装置中的燃烧器气体循环通道与重整器的释压元件之间的位置关系的另一个例子的平面图；
图18是表示图17的释压元件的一个构型例子的截面图。
                        发明详述
(第一实施方案)
本发明的实施方案可以提供一种具有优良的安全性并且适用于微型化的燃料重整装置和燃料电池系统。
在下文中，将参照图1-3来描述本发明的第一实施方案。图1是表示根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的结构示意图。图2是用于图1中所示的燃料电池系统的空气泵的示意图。图3是图解表示了用于图1的燃料电池系统的绝热容器的透视图。
该燃料电池系统包括燃料重整装置1和燃料电池2。
燃料重整装置1包括：在其侧面具有开口3a的绝热容器3；装配在绝热容器3中的蒸发器4；重整器5；包括CO转化设备6和CO去除设备7的CO处理单元；燃烧器8；安置在绝热容器3的内壁上的催化剂单元9；覆盖绝热容器3的开口3a的绝热元件3b；和安置在绝热容器3外面的燃料供给单元10，其将要被重整的燃料提供给蒸发器4。
如图3中所示，绝热容器3具有扁平形状、与平面方向(厚度方向)垂直的主面3c是矩形的，并且开口3a形成于与径向方向垂直的表面上。绝热容器3与开口3a垂直的宽度长于绝热容器3沿着开口3a的宽度。绝热容器3是在其内壁表面与外壁表面之间具有中空部分的真空绝热容器。另一方面，绝热元件3b由例如石纤维、陶瓷纤维、硅酸钙、真空绝缘材料(例如在陶瓷纤维的两个面上层压铝层或者硅酸钙层)、发泡的聚氨酯、瓦片、硬质聚氨酯泡沫、陶瓷粉末等形成。该陶瓷粉末用无机纤维增强并且具有0.1μm或更小的非闭合胞状结构(例如商品名：Microtherm，由Nippon Microtherm Co.，Ltd.生产)。在它们当中，用无机纤维增强并且具有0.1μm或更小的非闭合胞状结构的陶瓷粉末在150℃的高温下可以实现充足的耐热性。尽管与绝热容器3的径向方向垂直的表面以扁平形状形成，但它也可以形成为正方形或圆形的形状。如果绝热容器3的开口3a附近的外周面被含有铝的层压薄膜覆盖，则绝热容器3的开口3a附近的绝热作用得到增强，使得保持了开口3a附近的温度低。
连接到蒸发器4上的燃料供给管11伸出穿过绝热元件3b并且与燃料供给单元10相连。该燃料供给管11装有阀12。当阀12打开时，通过燃料供给管11从燃料供给单元10供送到蒸发器4的燃料被燃烧器8加热，使得燃料蒸发。
燃料供给单元10储存了燃料重整系统的燃料。燃料的例子包括：甲醇和水的混合物、二甲醚和水的混合物，以及二甲醚、水和醇的混合物。尽管优选将甲醇、乙醇等用作醇，但由于提高了二甲醚与水之间的溶解性而特别优选使用甲醇。
作为燃料供给单元10，可以采用例如可以连接到燃料重整装置上/从燃料重整装置上卸下的压力容器。如果燃料中有二甲醚，则可以通过利用二甲醚的压力将燃料送入蒸发器4。在这种情况下，从化学计量的观点出发，二甲醚与水之间的混合比(摩尔比)理想地为1∶3。然而如果该混合比在1∶3附近，则实际的燃料重整系统提高了所生成的一氧化碳的量。此外，如果可以使用过量的水用于将在后面描述的转化反应和发电，则该混合比优选为1∶3.5或更大。然而，由于用于在蒸发器4中将燃料加热并且蒸发的能量增加，因此该混合比优选为1∶3.5-1∶5.0，并且理想地为1∶3.5-1∶4.0。
通过供送通道13比如管子将蒸发器4连接到重整器5上。蒸发的燃料通过重整器5重整并且转化成含有氢气的气体(重整气体)。重整器5的内部包括有用于蒸发的燃料通过的通道，并且该通道的内壁面装有用于促进蒸发的燃料重整反应成重整气体的重整催化剂作为第一催化剂。
当燃料含有甲醇时，可允许将Cu/ZnO/γ-氧化铝、Pd/ZnO等用作重整催化剂。这些重整催化剂促进了蒸汽重整反应，在该反应中如式(1)所示，甲醇被重整成氢气和二氧化碳。
          (1)
当燃料含有二甲醚时，可允许使用Pd/ZnO和γ-氧化铝的混合物或者铂-氧化铝基催化剂(Pt/Al2O3)。这些重整催化剂可以促进如式(2)中所示的二甲醚的蒸汽重整反应。
      (2)
该铂-氧化铝基催化剂的Pt数量优选为0.25wt％或更多和1.0wt％或更少。
为了提高重整器5的耐腐蚀性，使用贵金属是有效的。重整催化剂的有效温度范围为200-400℃。优选地，控制重整器5的温度以使得重整催化剂的表面温度为200-400℃。
通过供送通道14比如管子将重整器5连接到CO转化设备6上。重整气体含有作为副产物的二氧化碳和一氧化碳以及氢气。一氧化碳可以使燃料电池的阳极催化剂分解，由此降低了燃料电池系统的发电性能。因此，借助于CO转化设备6使一氧化碳和二氧化碳与氢气转化反应以降低CO的浓度并且提高氢气的浓度。该CO转化设备6包括有用于重整气体通过的通道，并且该通道的内壁面装有用于促进含于重整气体中的一氧化碳转化反应的转化催化剂。
将详细描述CO转化设备6。该CO转化设备6的内部包括有其中重整气体流过比如重整器5的螺旋形或平行线的通道。该通道的内壁面装有包含有负载贵金属包括Pt的固体基质的转化催化剂。该转化催化剂可以通过由式(3)表示的反应来促进一氧化碳转化成二氧化碳的转化反应，由此提高了所生成的氢气的数量。
     (3)
将详细描述该转化催化剂。固体基质的例子包括负载有选自Ce、Re、K、Mg、Ca和La的至少一种元素的氧化铝。即使使用Pd和Ru的任意一种来代替Pt，也可以获得相同的效果。
可以使用其他非常公知的Cu/ZnO基催化剂来代替该转化催化剂。为了提高CO转化设备6的耐腐蚀性，优选使用含有贵金属，包括Pt、Pd或Ru的催化剂。此外，该CO转化催化剂的有效温度范围为200-300℃。优选地，控制CO转化设备6的温度以使得CO转化催化剂的表面温度为200-350℃。
通过供送通道15比如管子将CO转化设备6连接到CO去除设备7上。通过CO转化设备6转化反应并且被送入CO去除设备7的重整气体仍然含有1％或更少的一氧化碳。CO是降低如上所述的燃料电池系统的发电性能的一个因素。因此，借助于CO去除设备7除去一氧化碳直到一氧化碳的浓度为100ppm或更少。该CO去除设备7包括有使重整气体通过的通道，并且该通道的内壁面装有用于促进含于重整气体中的一氧化碳的甲烷化反应的甲烷化催化剂。
将详细描述CO去除设备7。该CO去除设备7的内部包括有其中重整气体流过比如重整器5和CO转化设备6的螺旋形或平行线的管道。该通道的内壁面装有甲烷化催化剂，包括Ru。
通过重整器5重整、通过CO转化设备6转化反应并且被送入CO去除设备7的重整气体含有作为副产物的二氧化碳和一氧化碳以及氢气。一氧化碳是燃料电池的阳极催化剂分解，由此降低了如上所述的发电性能的一个因素。因此，在重整器5将含有氢气的气体供送给燃料电池2之前，CO去除设备7使一氧化碳如式(4)所示的那样甲烷化以除去一氧化碳直到其浓度为100ppm或更少。
    (4)
将详细描述甲烷化催化剂。甲烷化催化剂的优选例子包括：
Ru/Al2O3；
Ru/沸石；
含有Ru/Al2O3作为其主要组分和负载有选自Mg、Ca、K、La、Ce
和Re的至少一种元素的Ru/Al2O3的催化剂；和
含有Ru/沸石作为其主要组分和负载有选自Mg、Ca、K、La、Ce和Re的至少一种元素的Ru/沸石的催化剂。特别地，如果使用含有二甲醚的燃料，则优选含有Ru/Al2O3或Ru/沸石作为其主要组分的甲烷化催化剂，因为该催化剂很少变质。
燃料电池2包含：聚合物电解质膜2a、形成于该聚合物电解质膜2a上的燃料电极(阳极)2b，和形成于与燃料电极2b形成在其上的表面相对的一侧上的聚合物电解质膜2a表面上的氧化剂电极(阴极)2c。CO去除设备7与用于供送已经除去了一氧化碳的重整气体的重整气体排出管16相连。该重整气体排出管16穿过绝热元件3b伸出到外面并且与燃料电池2的燃料电极2b相连。燃料电池2使得重整气体中的氢气与空气中的氧气反应，产生了电。
将详细描述燃料电池2。该燃料电池2包括电解质膜2a、燃料电极2b和氧化剂电极2c。电解质膜2a具有质子传导性并且由含有阳离子交换基团例如磺酸盐基团和羧酸基团的氟碳聚合物例如Nafion(DuPont的注册商标)形成。燃料电极2b包括多孔板、负载了PtRu的炭黑粉末和防水树脂粘合剂例如聚四氟乙烯(PTFE)。该负载有PtRu的炭黑粉末借助于防水树脂粘合剂而固定在多孔板上。氧化剂电极2c包括多孔板、负载了Pt的炭黑粉末和防水树脂粘合剂例如聚四氟乙烯(PTFE)。该负载有Pt的炭黑粉末借助于防水树脂粘合剂而固定在多孔板上。燃料电极2b和氧化剂电极2c可以各自含有磺酸类全氟碳聚合物或者用磺酸类全氟碳聚合物涂覆的细粒。
被供送到燃料电极2b上的氢气如下式(5)所示的那样在燃料电极2b上反应。
              (5)
另一方面，被供送到氧化剂电极2c上的氧气如下式(6)所示的那样在氧化剂电极2c上反应。
    (6)
燃料电池废气吸收管17与用作重整器加热元件的燃烧器8相连、穿过绝热元件3b伸出到外面并且与燃料电池2相连。燃料电池2借助于氢气与氧气之间的反应生成了水，并且得自于燃料电池2的废气(在被用于发电后的重整气体)含有未反应的氢气。燃烧器8使未反应的氢气与空气中的氧气燃烧。同时，通过利用燃烧时产生的燃烧热将蒸发器4、重整器5、CO转化设备6和CO去除设备7加热。用绝热容器3将蒸发器4、重整器5、CO转化设备6、CO去除设备7和燃烧器8罩住，以达到提高加热效率、使温度均衡和保护具有低耐热性的组件例如安装在附近的电子电路的目的。用于将废气排到外面的排出管18与燃烧器8相连并且穿过绝热元件3b导向外面。
将详细描述燃烧器8。该燃烧器8的内部包括有，例如用于发电的重整气体流过的螺旋形或平行线类型的通道。该通道的内壁面装有燃烧催化剂例如负载有贵金属例如Pt或Pd，或者Pt和Pd的氧化铝。将贵金属用于燃烧催化剂的原因是为了防止当燃料电池停止时燃烧催化剂的氧化和变质，而不需要提供另外用于防止催化剂氧化和变质的装置。同时，燃烧器8可以是同时使用加热器的一类。加热器的例子包括粘结到铝板上的陶瓷加热器和掩蔽在铝板中的加热棒。
接下来将描述重整器5、CO转化设备6、CO去除设备7和燃烧器8的结构。这里，将通过例子来描述重整器5。CO转化设备6、CO去除设备7和燃烧器8具有与重整器5相同的结构，因此省略了它们的描述，尽管取决于催化剂的种类和反应速度则通道的宽度和长度有所不同。
优选地，构成重整器5的至少部分反应容器由具有高导热性的材料形成。原因是有效地将燃烧器8中产生的燃烧热传递到重整器5的内部。具有高导热性的材料的例子包括铝、铜、铝合金和铜合金。另外可以使用不锈钢合金，因为其具有优良的耐腐蚀性，尽管它的导热性比铝、铜、铝合金和铜合金低。
反应容器可以通过采用常用的机械加工方法或者模制方法而成型。常用的机械加工方法包括，例如电子放电法和轧制法。常用的模制方法包括，例如锻造和铸造。此外，可允许例如通过以下方式使用机械加工方法和模制方法两者：通过铸造模制出不带有进口管或出口管的反应容器，此后通过机械加工方法例如通过钻孔而提供通孔并且然后将管状构件焊接。
催化剂单元9被安置在沿着绝热容器3的径向方向的表面的内壁上并且位于重整器5和CO处理单元的上方。绝热容器3在垂直于径向方向的表面上具有开口3a，并且绝热元件3b安装在开口3a上。因此，可以在绝热容器3中形成非气密的并且不对空气开放的空间，并且可以将催化剂单元9安置在气体分散通道中。从而，如果可燃气体泄漏，则可燃气体容易残留在催化剂单元9的旁边并且可以以高浓度与催化剂单元9反应。出于该原因，可以通过促进可燃气体的催化剂燃烧反应将可燃气体转化成无害的水，提高了重整装置的安全性。此外，温度由于催化剂反应迅速进行而升高，使得温度传感器迅速地检测到温度，由此迅速地检测到可燃气体的泄漏。顺便地讲，可燃气体的例子包括未使用的燃料(例如碳氢化物、醇)，高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳
催化剂单元9优选被安置在绝热容器3的内壁面上并且在气体容易泄漏的部分的上方。作为这样的位置，可以提及的是例如在反应器如重整器5(特别是反应器盖和壳体边缘)的上方、在管道接头的上方等。
作为将被用于催化剂单元9的第二催化剂的燃烧催化剂的例子包括非常公知的催化剂，例如铂-氧化铝基催化剂(Pt/Al2O3)、钯-氧化铝基催化剂(Pd/Al2O3)、铂-钯-氧化铝基催化剂((Pt、Pd)/Al2O3)和钌-氧化铝基催化剂(Ru/Al2O3)。
为了使泄漏的氢气燃烧，特别有效的是钯-氧化铝基催化剂(Pd/Al2O3)或铂-钯-氧化铝基催化剂((Pt、Pd)/Al2O3)。对于一氧化碳的情形而言，特别有效的是钌-氧化铝基催化剂(Ru/Al2O3)。
因此，优选的是将至少两种上述的催化剂排列作为燃烧催化剂。
将被供送到催化剂单元9和燃烧器8的空气可以借助于例如空气泵19供送。可以使空气泵19为燃烧器8和催化剂单元9所共有。空气泵19安置在绝热容器3的外面，并且第一供给管20和第二供给管21与空气泵19相连。空气泵19的第一供给管20穿过绝热元件3b与燃烧器8相连。另一方面，第二供给管21穿过绝热元件3b与催化剂单元9相连。在第二供给管21上提供了当温度升高时被打开的阀22。泄漏的可燃气体通过在催化剂单元9的存在下与绝热容器3中含有的氧气反应而被转化成水。随着反应的进行，绝热容器3中含有的氧气的量减少，并且催化剂单元9的温度升高。通过提供当温度升高时被打开的阀22，可以在氧气由于所进行的燃烧反应而变得不足时将空气供送到绝热容器3中，使得可以避免泄漏气体的去除污染作用的中断。
该燃料重整装置优选包括有探测单元9a，其探测了可燃气体由于借助于催化剂单元9的燃烧热而温度升高的泄漏，基于来自该探测单元的信号起到了停止借助于燃料供给单元10的燃料供送的作用。图4是表示其不正常检测过程的流程图。
该探测单元监控了催化剂单元9的温度，并且将稳定状态的催化剂单元9的温度T1输入探测单元(S1)。如果可燃气体发生泄漏(S2)，则催化剂单元9的温度升高(S3)。通过探测单元探测温度T2与温度T1之间的温度差值(S4)。如果该温度差值超过20℃，则将燃料供给单元10的阀12关闭以停止对蒸发器4的燃料供送，并且将空气泵19的第一供给管20关闭以停止对燃烧器8的空气供送和停止燃烧器8的加热(S5)。可以因此停止燃料重整装置的运行。
另一方面，当温度T2与温度T1之间的温度差值小于20℃时，则继续监控催化剂单元9的温度而不需要停止燃料重整装置。
根据该实施方案的燃料重整装置和燃料电池系统采用了在垂直于径向方向的表面具有开口的绝热容器和在该绝热容器的开口中提供绝热元件。因此，该绝热容器的内部变成一个非气密的并且不对空气开放的空间。当可燃气体由于由外部冲击例如下落和压力的破坏造成的管道破裂或破裂而泄漏时，可燃气体容易在其中不容易发生空气循环的绝热空间中沉积。因此，可燃气体可以高浓度与催化剂燃烧成分反应，由此迅速引起催化剂燃烧反应。从而可以防止氢气和一氧化碳泄漏到外面。此外，由于温度因为催化剂反应进行而升高，因此温度传感器可以探测到温度升高而迅速地检测到可燃气体的泄漏。
由于通过将催化剂单元安置在沿着绝热容器径向方向的表面的内壁上而可以使催化剂单元位于可燃气体的分散通道内，因此可以进一步促进可燃气体与催化剂燃烧成分之间的反应。
此外，提供将氧气供送到重整器加热单元以及将氧气供送到催化剂单元的空气泵使得能够减小燃料重整装置的尺寸。
(第二实施方案)
图5表示根据本发明第二实施方案的燃料重整装置。类似的附图标记附在发挥了与图1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了重复的描述。
催化剂单元9被安置在沿着绝热容器3径向方向的表面的内壁上并且在重整器5和CO处理单元的上方。作为燃烧催化剂(第二催化剂)，安排了例如铂-钯-氧化铝基催化剂((Pt、Pd)/Al2O3)和钌-氧化铝基催化剂(Ru/Al2O3)这两种。
其中内部密封有压缩空气或氧气的氧气供给元件23被安置在催化剂单元9的附近。
当可燃气体泄漏时，氧气供给元件23借助于伴随着催化剂单元9的燃烧反应的热而破裂。因此，内部密封的压缩空气或氧气被放出。所放出的压缩空气或氧气被用于催化剂单元9的燃烧反应。借助于这种构型，当可燃气体泄漏到真空绝热容器3中时，即使催化剂单元9没有被安置在用于氧气的循环通道上的位置，也可以通过催化剂单元9与从氧气供给元件23中放出的压缩空气或氧气之间的反应(燃烧)将可燃气体转化成水。顺便地讲，可燃气体的例子包括未使用的燃料(例如碳氢化物、醇)，高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳。
该氧气供给元件23同时具有缓冲的作用。因此提高了相对于外部冲击例如下落的安全性。
接下来将参照图6和7来描述氧气供给元件23的结构。图6是氧气供给元件23的俯视图，图7是它的侧视图。该氧气供给元件23包括通过由例如铝箔挤压模塑而加工的上部套件(cup member)24a和下部套件24b。如图6和7中所示，该上部套件24a和下部套件24b具有其中多个矩形的凹面部分25a、25b在侧面排列成直线的形状。通过将上部套件24a的凹面部分25a与下部套件24b的凹面部分25b重叠而形成的空间装有压缩空气或氧气，并且通过焊接将凹面部分25a的开口端26和凹面部分25b的开口端26互相接合。
作为焊接方法，使用了激光束焊接、超声熔合等。可允许通过使用聚酰亚胺基胶粘带代替焊接来固定。
将氧气供给元件23安置以与催化剂单元9接触。当可燃气体泄漏时，在催化剂单元9的催化剂表面上发生了泄漏气体与存在于容器中的氧气之间的燃烧反应。如果反应继续，则在燃烧催化剂的表面上达到了不低于铝的熔点的高温。从而氧气供给元件23破裂，以致于压缩空气或氧气从里面放出。
如果在氧气供给元件23与催化剂单元9相接触的部分形成一薄的部件，则压缩空气或氧气被安全地放出，这是优选的。
可允许在氧气供给元件23与催化剂单元9相接触的部分提供通孔27、用压缩空气或氧气填充氧气供给元件23中的间隙，并且然后用聚酰亚胺基胶粘带28封闭通孔27。借助于该构型，聚酰亚胺基胶粘带28通过燃烧催化剂的燃烧热而热分解，以使得压缩空气或氧气可以被安全地放出。
根据第二实施方案的燃料重整装置和燃料电池系统，可以获得具有与第一实施方案的效果类似的效果。除了这一效果外，第二实施方案可以提供另一效果。在第二实施方案中，氧气供送元件安排在绝热容器内以与催化剂单元接触，和氧气供送元件含有压缩空气或氧气。因此，当可燃气体泄漏和催化剂单元温度由于伴随燃烧反应的热而升高时，氧气供送元件破裂。结果，密封在氧气供送元件内的压缩空气或氧气被放出，使得催化剂单元的燃烧反应能够持续。利用这一构型，即使催化剂单元没有安排在用于氧气的循环通道的位置上，也能确保对泄漏的安全性。
(第三实施方案)
图9表示根据本发明第三实施方案的燃料电池系统。类似的附图标记附在发挥了与图1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了重复的描述。
在一个侧面上(图9的左侧面)具有多个开口29的壳体30包括有描述于第一实施方案中的燃料重整装置和燃料电池2。该壳体30在与其中形成有开口29的侧面相对的侧面上具有通风机31。通过在壳体30的侧面上形成开口29并且在相对的侧面上提供通风机31，改善了壳体30中的空气流动。因此，可以将足量的氧化剂(空气)提供给燃料电池2的氧化剂电极2c。壳体催化剂单元32a含有用于通过与氧气反应将泄漏到壳体30中的可燃气体燃烧的催化剂。该壳体催化剂单元32a被安置在燃料电池2上方的壳体30的内壁面上。壳体催化剂单元32b被安置在装有通风机31的侧面上。当氢气等从燃料电池2中泄漏时，可以通过被安置在燃料电池2上方的壳体催化剂单元32a和被安置在空气流动方向的后面阶段的壳体催化剂单元32b来促进泄漏的气体的燃烧反应，以使得可以防止泄漏的气体流出到壳体的外面。
因此，根据该第三实施方案，可以确保该燃料电池以及重整装置的高度安全性。
相同类型的催化剂单元9可以被用于壳体催化剂单元32a、32b的燃烧催化剂。
同时，应该不将相应的实施方案和附图的描述理解为限制了本发明。本发明的这些披露内容使得本领域那些技术人员能够实施各种替代的实施方案、实施例和应用技术。根据上述相应的实施方案的燃料重整装置和燃料电池系统可被用于生产出于各种目的而使用的氢气和发电。根据本发明，即使高度爆炸性的氢气或者对人体有害的一氧化碳发生了从重整器中泄漏，也可以通过借助于被安置在绝热容器中的燃烧催化剂的反应(燃烧)将高度爆炸性的氢气或一氧化碳转化成水。出于该原因，高度爆炸性的氢气或者对人体有害的一氧化碳几乎不可能泄漏到绝热容器的外面。从而提高了对外部冲击例如下落的安全性。因此，本发明的燃料重整装置和燃料电池系统不仅极其可用作便携式的电源而且可用作便携式的和小的电子器件例如笔记本型个人电脑用的电源。
除了第一和第二实施方案的效果之外，该实施方案的燃料重整装置和燃料电池系统还可以确保在燃料重整装置中当可燃气体泄漏时的安全性和对可燃气体例如重整气体从燃料电池中泄漏的安全性。
(第四实施方案)
本发明的第四实施方案可以提供一种能够实现重整器的温度控制和加热效率的燃料电池系统。
图10表示根据本发明第四实施方案的燃料电池系统。类似的附图标记附在发挥了与图1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了其重复的描述。
该燃料电池系统包括：燃料重整装置33、燃料电池堆34、具有用于蒸发器4和重整器5的温度测量元件的温度控制器35，和加热器功率控制设备36。可以将热电偶、热敏电阻等用作用于催化剂层的温度测量元件。该燃料重整装置33包括：绝热容器3、蒸发器4、重整器5、CO处理单元(包括CO转化设备6和CO处理单元7)，和用作催化剂燃烧加热器的燃烧器8(第一加热器)。该燃料重整装置33还包括在绝热容器3里面的第二加热器37。加热器37的例子包括粘结到铝板上的陶瓷加热器、掩蔽在铝板中的加热棒以及套管加热器。
用于该燃料电池系统的燃料电池优选是聚合物电解质膜燃料电池。因此，可以推荐将包括燃料电极、氧化剂电极和安置在这些电极之间的聚合物电解质膜的多个膜电极组件(MEA)用作燃料电池堆34。作为燃料电极、氧化剂电极和聚合物电解质膜，可以提及的是与第一实施方案中所述的相同的部件。
提供燃料例如二甲醚(DME)和水的单元通过燃料供给管11连接到蒸发器4上。作为该单元，可以使用与第一实施例方案中所述的相同的部件。
通过CO转化设备6和CO去除设备7进行CO处理的重整气体(包括例如H2、CO2、H2O、微量的CO和CH4)通过与CO去除设备7相连的重整气体排出管16被供送到燃料电池堆34。此外，借助于通过管38连接的空气泵39将氧化剂(空气)供送到燃料电池堆34。
通过废气吸收管17将从燃料电池堆34中放出的废气(包括例如H2、CO2、H2O和CH4)供送到燃烧器8。借助于通过管40连接的空气泵41将氧化剂(空气)供送到燃烧器8。
用作催化剂燃烧加热器的燃烧器8通过使用由空气泵41供送的氧气而使含于废气中的未反应氢气燃烧。通过利用在燃烧时所生成的燃烧热将蒸发器4、重整器5、CO转化设备6和CO去除设备7加热。用于将燃烧气体(包括例如CO2和H2O)排放到外面的排出管42与燃烧器8相连并且穿过绝热元件3b导向外面。
该燃烧器8的特定构型可与第一实施方案中所述的相同。
蒸发器4、重整器5、燃烧器8和加热器37在燃料重整装置中的排列可以例如为图11-13中所示的那样。
图11表示其中燃烧器8和加热器37被安置在蒸发器4和重整器5的一侧的一个例子。图12表示其中加热器37被安置在蒸发器4和重整器5的一侧同时燃烧器8被安置在其对面的一个例子。图13表示其中蒸发器4和重整器5被安置在燃烧器8的两侧并且加热器37被安置在蒸发器4和重整器5的外面的一个例子。在它们当中优选的是图12中所示的构型，因为该结构简单并且容易将加热器和催化剂燃烧的热传递给重整器5。
温度控制器35可以通过监控重整器5的温度而基于重整器5的温度对第二加热器的输出功率实行反馈控制。将来自于该温度控制器35的控制信号送到加热器功率控制设备36而不需要反馈到加热器37。该加热器功率控制设备36测量了燃料电池堆34的电流(A)，并且根据下式通过使用所获得的测量值和来自于温度控制器35的控制信号而校正提供给加热器37的功率：
           Wout＝Wcnt1-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)
其中Wout是提供给第二加热器37的功率(W)；Wcnt1是当由温度控制器35反馈控制时第二加热器的输出功率(W)；ΔHcmb是重整气体中的氢气的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对燃料电池堆34的氢气供送量(mol/s)；N是组成燃料电池堆34的电池数量(MEA的数量)；I是组成燃料电池堆34的每个电池的电流(A)；n是该发电反应式中的电子数量；F是法拉第常数(约96500C/mol)。
用于燃料电池的气体并不限于包括氢气的重整气体。在氢气的情形下阳极的反应式、阴极的反应式和催化剂燃烧反应式在下面示出。
阳极：
阴极：
催化剂燃烧：
在氢气的情形下，如上所示，n为2。
燃料电池堆34中所消耗的氢气可以NI/nF表示。可以通过从被送入燃料电池堆34的氢气的流量Fdsn中减去燃料电池中所消耗的数量来估算用于催化剂燃烧的氢气的流量。流量Fdsn等于氢气供应量。通过从在由温度控制器35反馈控制时第二加热器的输出功率Wcnt1中减去催化剂燃烧的热量而得到Wout量。催化剂燃烧的热量由所估算的用于催化剂燃烧的氢气流量和ΔHcmb的乘积获得。将所得到的Wout提供给加热器37，以使得可以将重整器5的温度保持在基本上与当仅仅使用加热器37作为热源时相同的程度的一个基本恒定的水平下。这使得可以提供一种小的并且安全的可被用作便携式电子器件用的电源的燃料电池系统。作为例如用于温度控制器35反馈控制的PID常数，可允许采用取决于当没有使用催化剂燃烧时的温度响应特征等而根据普通方法得到的一种。由加热器37和催化剂燃烧所提供的热量是基本等于Wcnt1的数值。
例如，假定由重整器5产生了250sccm的氢气，200sccm的氢气被消耗用于在燃料电池堆34中发电，同时50sccm的氢气被提供给催化剂燃烧。用于在燃料电池堆34中发电的氢气量取决于燃料电池堆34中的电流的波动而变化。然而，由于根据本发明而可以考虑到在燃料电池堆34中所消耗的氢气量的波动来估算提供给催化剂燃烧的氢气量，因此可以通过加热器和催化剂燃烧来进行温度控制。
当不通过温度控制器来进行反馈控制时，可以根据下式来控制提供给加热器的功率：
             Wout＝Q1+Q2-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)
其中Wout是提供给加热器的功率(W)；Q1是用于在重整器中重整反应所必需的热量(W)；Q2是重整器的热损耗量(W)；ΔHcmb是重整气体中的氢气的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对燃料电池的电动单元的氢气供送量(mol/s)；N是组成电动单元的电池数量；I是组成电动单元的每个电池的电流(A)；n是该发电反应式中的电子数量；F是法拉第常数(约96500C/mol)。
为了使重整器的温度从室温升高至反应温度，则优选提供比由该式所表示的更大的功率，并且优选当重整器的温度处于所设定的温度范围内时基于上式而进行功率控制。在这种情况下，所设定的温度范围为350℃±10℃或更低，即是说，其优选为360℃或更低，更优选为350℃或更低，进一步优选为340℃或更低。至于温度波动，则第一实施方案的温度不正常检测范围(T2-T1)必须小于20℃。
热量从重整器中逸出取决于重整器的温度与环境温度之间的温度差异。这种关系可以保持在工作台上或者可以根据关系式比如Q2＝f(Trfm，Tenv)来估算以平衡热量并且控制温度。
考虑到DME和水被作为燃料供送到重整器中。设计为当重整热量Q1为8W并且热损耗Q2为3W时通过催化剂燃烧{ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)}来提供9W的热量。可以通过采用加热器加热约2W而将重整器的温度保持在具有高的热效率的恒定水平下。可以任意地选择热量比例，例如由催化剂燃烧提供12.5W，由加热器提供0.5W。通过加热器的加热更少，则重整的热效率的提高更大。由催化剂燃烧提供的热量必须小于重整热量Q1和热损耗Q2的总和。尽管在这里例举了重整器5的温度控制，但相同的方法也可以用于蒸发器4的温度控制和蒸发器4与重整器5的组合的热量控制。如果包括了蒸发器4，则Q1中必须包括有用于将燃料加热的显热和用于蒸发的潜热。
在前述图10中，使用了在径向方向具有开口3a的绝热容器3，并且绝热元件3b被安置在绝热容器3的开口3a中。因此，可以通过如第一实施方案中所述的那样将催化剂单元9安置在绝热容器3中来增强可燃气体泄漏时的安全性。也可以通过使用第二实施方案中所述的氧气供给元件23来提高可燃气体泄漏时的安全性。
如果燃料电池中所消耗的氢气量变化，则由燃烧催化剂的燃烧所产生的热量也改变。例如，考虑了这样一种系统：该系统利用热电偶等来监控重整器的温度并且取决于监控器温度与目标温度之间的温度差值来进行反馈控制。借助于通过供送燃料而产生的重整反应来进行反馈控制，以不需要催化剂燃烧而将重整器保持在350℃。在这种情况下，通过进行例如PID控制将重整器的温度保持在约350℃。如果通过以这种状态将重整气体供送到催化剂燃烧器而产生催化剂燃烧，则重整器的温度升高。尽管当进行反馈控制时使加热器的输出量降低以保持350℃的温度，但在燃料电池中消耗的氢气量仍然取决于发电状态而变化。出于该原因，由催化剂燃烧所产生的热量改变，由此使得难以将重整器的温度保持在恒定的水平。特别地，当通过绝热材料使热的逸出减少到最小时，催化剂燃烧中产生的热量的轻微变化会较大地改变重整器的温度。
由于该实施方案的燃料电池系统可以由提供给燃料电池电动单元的氢气量和燃料电池电动单元的电流而估算出未被消耗的氢气量，因此可以基于发电状态的变化或者消耗的氢气量的变化估算出催化剂燃烧量。可以通过基于该估算结果调节提供给加热器的功率而将重整器的温度保持在基本恒定的水平。另外，由于通过催化剂燃烧量的变化增加而消除了将过多的功率提供给加热器的必要性，因此可以提高重整器的热效率。
(第五实施方案)
如果包括有重整器的燃料电池系统中的气体通道出于某些原因而被堵塞以致于重整器的内压不正常地升高，则有重整器可能破裂并且因此燃料重整装置和燃料电池系统可能损坏的担忧。下面所描述的燃料重整装置可以提高当重整器的内压升高时的安全性。
即，该燃料重整装置包括：
将燃料重整以得到含有氢气的重整气体的重整器；
被安置在重整器附近、包含用于可燃气体燃烧反应的燃烧催化剂并且通过利用该燃烧反应的燃烧热将重整器加热的燃烧器；和
被提供在重整器与燃烧器之间的释压元件，其借助于重整器的内压升高而破裂，由此起到从重整器到燃烧器的气体通道的作用。
在披露于上述日本专利申请特开Nos.5-314959和9-245759以及日本未审申请特开No.58-17332中的非水二次电池中，当电池的内压变成预定的值或者更大时安全阀破裂，使得填充电池容器内部的气体通过安全阀放出，由此防止了电池发生爆炸。
另一方面，通过重整器得到的重整气体含有对人体有害的一氧化碳以及高度爆炸性的氢气。因此，如果用于在上述日本专利申请特开Nos.5-314959和9-245759以及日本未审申请特开No.58-17332中所披露的锂离子二次电池的安全阀机理也如这样被使用，则放出了高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳，由此可能对人体或者物体造成伤害。
根据该燃料重整装置，当气体通道被从通道的内壁面上落下的催化剂或者混合的外来物质堵塞并且重整器的内压不正常地升高时，借助于重整器中的气压将释压元件打开以允许重整器中的气体流到燃烧器中。重整器中的气体可以在燃烧器中通过催化剂反应被燃烧至无害的状态，因为大部分该气体是可燃气体例如氢气和一氧化碳。从而可以防止由于压力升高和高度爆炸性的氢气与对人体有害的一氧化碳的泄漏所造成的损害，由此提供了高度安全性的燃料重整装置。
作为释压元件，可允许使用带有释压通道和具有薄的部件的金属阀片的一种部件，该金属阀片封闭了该释压通道或者形成了小厚度的部分而不是提供了通道。
该释压元件优选被安置在重整器与燃烧器之间的边界上的位置，该位置与燃烧器中的气体流动通道的上游相通。因此，从重整器流到燃烧器的气体可以有效地燃烧。特别地，当燃烧器包括多个其中燃烧催化剂形成于其壁面上的气体流动通道时，优选的是使释压元件面向每一气体通道或者用于将气体引入每一气体通道的进气通道的入口。
将参照图14-18来描述本发明的该实施方案。
图14是表示用于根据本发明第五实施方案的燃料重整装置的重整器和燃烧器的透视示意图。图15是表示在示于图14中的燃料重整装置中的燃烧器的气体流动通道与重整器的释压元件之间的位置关系的一个例子的平面图。图16是表示图15的释压元件的构型的截面图。图17是表示在图14的燃料重整装置中的燃烧器的气体流动通道与重整器的释压元件之间的位置关系的另一个例子的平面图。图18是表示图17的释压元件的构型的截面图。
示于图14中的燃料重整装置具有与图1中所示的相同结构，除了没有提供催化剂单元9并且重整器5和燃烧器8的构型不同之外。该重整器5被安置在燃烧器8的附近。位于重整器5与燃烧器8之间的边缘上的隔墙51被重整器5和燃烧器8共有。
如图15中所示，燃料电池废气吸收管17与燃烧器8的入口相连。燃烧器8的出口形成于与入口相同的表面上，并且用于将燃烧气体排放到外面的排放管18与燃烧器8的出口相连。具有凹槽形状的多个气体通道52被提供在燃烧器8中，每一气体通道在其壁面上含有燃烧催化剂。该气体通道52以基本与从燃烧器8的入口引入的气体的流向成直角而提供。以使得其与气体通道52的入口具有所希望的间隙的方式来安置用于形成进气通道的隔墙53。在侧壁53的两侧上的通道起到了进气通道的作用。即，从燃烧器8的入口引入的气体通过在壳体的内壁面与隔墙53之间的通道，然后沿着与隔墙53相对的面流动并且被引入每一气体通道52的入口。从气体通道52的出口排出的气体沿着壳体的内壁面流动，并且从出口排放到排出管18。作为燃烧催化剂，可以使用与第一实施方案中所述的相同的一类。
重整器5包括多个其中重整催化剂形成于其壁面上的凹槽形气体通道(未示出)。从蒸发器中蒸发的燃料通过供送通道13供送到重整器5中的气体通道。蒸发的燃料在气体通道中重整，含有氢气的重整气体由气体通道的出口送到供送通道14并且由供送通道14送入CO转化设备6。作为重整催化剂，可以使用与第一实施方案中所述的相同的一类。
位于重整器5与燃烧器8之间的边界上的隔墙51由金属例如铝或不锈钢形成。该隔墙51包括有释压元件54。该释压元件54位于隔墙53和形成于隔墙53两侧的引入通道的对面。例如，如图16中所示，可允许通过借助于冲压或者蚀刻向隔墙51提供V型切割凹槽而将一薄的部件用作释压元件54。该薄的部件由基本平行于引入通道而成型的直的部件55和成型于直的部件55的两端以与引入通道的入口和出口相对的V型部件56所组成。
当气体通道被从重整器5中的通道内下落的催化剂或者混合的外来物质堵塞以致于重整器5的内压不正常地升高时，该重整装置可以使由薄的部件所组成的释压元件54破裂并且通过该释压元件54将填充重整器5的重整气体引入燃烧器8。由于该薄的部件包括有基本平行于引入通道而成型的直的部件55和成型于直的部件55的两端以与引入通道的入口和出口相对的V型部件56，因此可以迅速地将气体供送到燃烧器8中的所有气体通道52。
重整气体含有可燃气体。可燃气体的例子包括未使用的燃料(例如碳氢化物、醇)、高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳。重整气体引入燃烧室8，和可燃气体通过形成于燃烧器8中的气体通道52壁面上的燃烧催化剂的作用而被转化成无害的物质。从而可以防止高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳被排出。
根据本发明第五实施方案的燃料重整装置并不限于图14-16中所示的构型，而是可以如下面所述的那样构造。该例子将示于图17和18中。
如图17中所示，燃料电池废气吸收管17与燃烧器8的入口相连。多个气体通道52以基本与从燃烧器8的入口引入的气体的流向成直角而放置。燃烧器8的出口形成于与入口相对的侧面上，并且用于排出燃烧气体的排放管18与燃烧器8的出口相连。从燃烧器8的入口引入的气体沿着壳体的内壁面流动并且被引入每一气体通道52的入口。即是说，在壳体内壁面与气体通道52的入口之间的通道起到了气体引入通道的作用。从气体流动通道52的出口排放的气体沿着壳体的内壁面流动并且通过出口被排放到排出管18中。
如图17和18中所示，释压元件54包括：作为释压通道的释压孔57、阀片58和形成于阀片58中的切割凹槽59。矩形的释压孔57形成于隔墙51与气体引入通道相对的位置。通过激光焊接将由铝或不锈钢组成的矩形阀片58以气密状态安置在重整器8的一侧的面上，以封闭释压孔57。该阀片58具有通过冲压或者蚀刻成型的V型切割凹槽59。该切割凹槽59由基本平行于气体引入通道而成型的直的部件60和成型于直的部件60的两端以与气体引入通道的入口和出口相对的V-字母的部件61所组成。
根据该重整装置，当气体通道被从重整器5中的通道内壁面下落的催化剂或者混合的外来物质堵塞以致于重整器5的内压不正常地升高时，该切割凹槽59破裂以使得通过破裂的切割凹槽59和释压孔57将填充重整器5的重整气体引入燃烧器8。由于该切割凹槽59包括有基本平行于气体引入通道而成型的直的部件60和成型于直的部件60的两端以与气体引入通道的入口和出口相对的V-字母的部件61，因此可以将气体供送到重整器8中的所有气体通道52。
重整气体含有可燃气体。可燃气体的例子包括未使用的燃料(例如碳氢化物、醇)，高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳。重整气体引入燃烧室8，和可燃气体通过形成于燃烧器8中的气体通道52壁面上的燃烧催化剂的作用而被去除污染。从而可以防止高度爆炸性的氢气和对人体有害的一氧化碳被排出。
该第五实施方案的燃料重整装置可以包括描述于第一实施方案中的催化剂单元9或者描述于第二实施方案中的氧气供给元件。此外，可以将该第五实施方案的燃料重整装置结合到描述于第三和第四实施方案中的燃料电池系统中。
另外的优点和改进对于本领域那些技术人员而言将是显而易见的。因此，以其较宽范围的本发明并不限于本文中所示出和描述的特定细节和代表性实施方案。从而只要不偏离由附属的权利要求书和它们的等价物所限定的本发明总的概念的精神或范围，则可以进行各种改进。

Claims (20)

1.一种燃料重整装置，其包括：
具有开口的绝热容器；
提供在绝热容器中并且将燃料重整得到含有H2和CO的重整气体的重整器；
减少重整气体中的CO的CO处理单元；
包含用于氢气燃烧反应的第一催化剂、被构造成利用该燃烧反应将重整器加热的重整器加热单元；
覆盖绝热容器的开口的绝热元件；和
提供在绝热容器中并且包含用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂的催化剂单元。
2.根据权利要求1的燃料重整装置，其中该开口与绝热容器的纵向方向垂直，并且催化剂单元被提供在沿着绝热容器的纵向方向的内壁上。
3.根据权利要求1的燃料重整装置，其进一步包括将氧气供送给重整器加热单元和催化剂单元的空气泵。
4.根据权利要求1的燃料重整装置，其进一步包括利用催化剂单元的温度升高来探测可燃气体的探测单元。
5.根据权利要求4的燃料重整装置，其进一步包括将燃料供送给重整器的燃料供给单元，并且其中探测单元被构造成当催化剂单元的温度升高量达到20℃或更多时则停止燃料供给单元。
6.一种燃料电池系统，其包括：
具有开口的绝热容器；
提供在绝热容器中并且将燃料重整得到含有H2和CO的重整气体的重整器；
减少重整气体中的CO的CO处理单元；
由CO处理单元提供重整气体的燃料电池；
包含用于氢气燃烧反应的第一催化剂、被构造成利用该燃烧反应将重整器加热的重整器加热单元；
覆盖绝热容器的开口的绝热元件；和
提供在绝热容器中并且包含用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂的催化剂单元。
7.根据权利要求6的燃料电池系统，其中该开口与绝热容器的纵向方向垂直，并且催化剂单元被提供在沿着绝热容器的纵向方向的内壁上。
8.根据权利要求6的燃料电池系统，其进一步包括将氧气供送给重整器加热单元和催化剂单元的空气泵。
9.根据权利要求6的燃料电池系统，其进一步包括利用催化剂单元的温度升高来探测可燃气体的探测单元。
10.根据权利要求9的燃料电池系统，其进一步包括将燃料供送给重整器的燃料供给单元，并且其中探测单元被构造成当催化剂单元的温度升高量达到20℃或更多时则停止燃料供给单元。
11.根据权利要求6的燃料电池系统，其进一步包括：
容纳燃料电池的壳体；和
提供在该壳体中并且包含用于可燃气体燃烧反应的第二催化剂的催化剂单元。
12.一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到气体的重整器；
包含至少一个通过使用该气体进行发电反应的电池的燃料电池；
第一加热器，其包含有用于从燃料电池中放出的未使用气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热；
将重整器加热的第二加热器；
基于重整器的温度对第二加热器的输出功率实施反馈控制的温度控制器；和
根据下式(1)控制提供给第二加热器的功率的加热器功率控制单元：
         Wout＝Wcnt1-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)  (1)
其中Wout是提供给第二加热器的功率(W)；Wcnt1是由温度控制器的反馈控制得到的第二加热器的输出功率(W)；ΔHcmb是气体的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对所述至少一个电池的气体供送量(mol/s)；N是组成所述至少一个电池的电池数量；I是每个电池的电流(A)；n是发电反应中所涉及的电子的数量；F是法拉第常数。
13.根据权利要求12的燃料电池系统，其中该气体是氢气。
14.一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到气体的重整器；
包含至少一个通过使用该气体进行发电反应的电池的燃料电池；
第一加热器，其包含有用于从燃料电池中放出的未使用气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热；
将重整器加热的第二加热器；
控制重整器温度的温度控制器；和
控制提供给第二加热器的功率以满足下式(2)的加热器功率控制单元：
       Wout＝Q1+Q2-ΔHcmb×(Fdsn-NI/nF)   (2)
其中Wout是提供给第二加热器的功率(W)；Q1是用于在重整器中重整所必需的热量(W)；Q2是重整器的热损耗量(W)；ΔHcmb是气体的燃烧热(J/mol)；Fdsn是对所述至少一个电池的气体供送量(mol/s)；N是组成所述至少一个电池的电池数量；I是每个电池的电流(A)；n是发电反应中所涉及的电子的数量；F是法拉第常数。
15.根据权利要求14的燃料电池系统，其中该气体是氢气。
16.根据权利要求14的燃料电池系统，其中当重整器的温度为360℃或更低时，加热器功率控制单元控制提供给第二加热器的功率以满足下式(2)。
17.一种燃料重整装置，其包括：
将燃料重整得到含有氢气的重整气体的重整器；
包含用于可燃气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热的燃烧器；和
释压元件，其当重整器的内压升高时破裂，由此起到从重整器到燃烧器的气体通道的作用。
18.根据权利要求17的燃料重整装置，其中该释压元件包括：与重整器和燃烧器相连的释压通道，和具有薄的部件的金属阀片，该金属阀片封闭了释压通道。
19.一种燃料电池系统，其包括：
将燃料重整得到含有氢气的重整气体的重整器；
通过使用氢气发电的燃料电池；
包含用于可燃气体燃烧反应的催化剂并且利用该燃烧反应将重整器加热的燃烧器；和
释压元件，其当重整器的内压升高时破裂，由此起到从重整器到燃烧器的气体通道的作用。
20.根据权利要求19的燃料电池系统，其中该释压元件包括：与重整器和燃烧器相连的释压通道和具有薄的部件的金属阀片，该金属阀片封闭了释压通道。
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