DE102006045360B4 - Dünne Mikro-Reformiervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Flache Reformiervorrichtung (1, 1') für eine Brennstoffzelle, welche aufweist:
einen Träger (10) mit einem darin gebildeten Strömungsweg (42);
einen Brennstoffeinlass zum Einführen von Brennstoff in den Strömungsweg;
einen Verdampfer (30), der in dem Träger stromabwärts des Brennstoffeinlasses (20) angeordnet ist und der einen Blasenentferner (32) aufweist, um dem Brennstoff in flüssigem Zustand einen Fließwiderstand zu verleihen, der Blasen entfernt und den Brennstoff verdampft;
einen Reformer (40) mit einem Strömungsweg (42), der stromabwärts des Verdampfers (30) gebildet ist, wobei der Reformer den Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine endotherme Reaktion reformiert;
einen CO-Entferner (60) mit einem Strömungsweg (62), der stromabwärts des Reformers (40) gebildet ist, wobei der CO-Entferner (60) CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine exotherme Reaktion entfernt; und
eine Abdeckung (100) zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Trägers (10) und Abdichten der Strömungswege nach außen.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Für diese Anmeldung wird die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-92065 , angemeldet am 30. September 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht, auf der sie basiert und deren Offenbarung durch Bezugnahme hier vollständig eingeschlossen ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine flache Mikro-Reformiervorrichtung, die in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und insbesondere eine flache Mikro-Reformiervorrichtung mit einem Blasen-Entferner in dem Verdampfer, um wirksam Blasen zu entfernen, die während des Verdampfens von flüssigem Brennstoff gebildet werden, um einen Druckaufbau in dem Verdampfer zu verhindern und die Wärmeübertragungseffizienz zu steigern. Die verbesserte flache Mikro-Reformiervorrichtung liefert des Weiteren flüssigen Brennstoff in Form von Tröpfchen, die verdampft werden müssen, an den Verdampfer, wodurch ein Rückfluss aufgrund von Rückdruck des flüssigen Brennstoffs verhindert wird.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die in letzter Zeit auftretende vermehrte Verwendung von Mobiltelefonen, PDAs (personal digital assistant), Digitalkameras, Notebooks und anderen tragbaren elektronischen Vorrichtungen geringer Größe – und insbesondere der Start von DMB für Mobiltelefone – hat ein Erfordernis nach effektiveren Stromquellen für tragbare kompakte Endgeräte entstehen lassen. Aktuell weit verbreitet verwendete Lithium-Ionen-Akkus weisen eine Kapazität auf, mit der man lediglich zwei Stunden DMB sehen kann. Obwohl gerade Anstrengungen unternommen werden, ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, werden Brennstoffzellen immer mehr als zuverlässige Lösung für das oben genannte Problem angesehen.
  • Derartige Brennstoffzellen umfassen Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, bei welchen Methanol direkt an Brennstoffelektroden geliefert wird, oder RHFC-(reformed hydrogen fuel cell) Brennstoffzellen, bei welchen Wasserstoff aus Methanol extrahiert wird, um diesen an Brennstoffelektroden zu liefern. Bei RHFC-Brennstoffzellen wird ähnlich zu PEM-Brennstoffzellen (polymer electrode membrane) Wasserstoff als Brennstoff verwendet, und sie weisen Vorteile auf hinsichtlich Ertrag, verfügbarer Energie-Leistungsfähigkeit pro Volumeneinheit und darin, dass außer Wasser keine Nebenprodukte entstehen. Jedoch ist bei diesem System eine Reformiervorrichtung erforderlich, wodurch die Vorrichtung für Miniaturisierung ungeeignet ist.
  • Um aus einer solchen Brennstoffzelle eine hohen Leistungsabgabe zu erhalten, muss eine Reformiervorrichtung verwendet werden, um flüssigen Brennstoff in Wasserstoffgas-Brennstoff zu verwandeln. Ein derartiger Reformer weist einen Verdampfer zum Wandeln von flüssigem Methanol in einen gasförmigen Zustand, einen Reformer zum Wandeln von Methanol-Brennstoff in Wasserstoff durch eine katalytische Wandlung bei einer Temperatur zwischen 250°C und 290°C sowie einen CO-Entferner (oder PROX) zum Entfernen des Nebenprodukts Kohlenmonoxid auf. Der Reformer, in dem eine endotherme Reaktion abläuft, sollte auf einer Temperatur zwischen 250°C und 290°C gehalten werden, und der CO-Entferner sollte auf einer konstanten Temperatur zwischen 170°C und 200°C gehalten werden, um eine optimale Reaktionseffizienz zu erhalten.
  • Wie in 1 dargestellt, ist eine herkömmliche Reformiervorrichtung 250 in dem japanischen Patent Nr. 2003-048701 offenbart, welches hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Diese herkömmliche kompakte Reformiervorrichtung 250 weist eine Verdampfer-Kammer 252 auf, in welcher ein Hohlraum 254 angeordnet ist, sowie einen Verdampfer-Heizer 256, der auf dem Hohlraum 254 vorgesehen ist. Ebenfalls ist ein Brennstoff-Injektor 258 in dem Hohlraum 254 vorgesehen. Der Brennstoff-Injektor 258 injiziert eine Mischung aus Methanol-Brennstoff und Wasser in den Hohlraum 254. Diese injizierte flüssige Brennstoff-Mischung 260 wird erhitzt und von dem Verdampfer-Heizer 256 verdampft. Das aus der verdampften flüssigen Brennstoff-Mischung 260 gebildete Gas strömt in Mikro-Strömungswege 262 und wird mittels katalytischer Reformer-Wandler 264, die in den Mikro-Strömungswegen 262 eingebaut sind, in Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert.
  • Bei dieser herkömmlichen Reformiervorrichtung ist der Brennstoff-Injektor 258 an der Brennstoffzufuhrleitung vorgesehen, um die Effizienz des Verdampfers zu steigern, indem die Oberfläche des Brennstoffs vergrößert ist, um die Geschwindigkeit des Verdampfens zu erhöhen. Des Weiteren wird durch Verwendung des Brennstoff-Injektors 258 zum Injizieren von Brennstoff die flüssige Brennstoff-Mischung 260 in Tröpfchen getrennt, was die Oberfläche des Volumens an Brennstoff für die Reformiervorrichtung vergrößert, so dass die Reformiereffizienz bei der gleichen Menge an Brennstoff erhöht wird.
  • Jedoch muss diese herkömmliche Reformiervorrichtung um den Brennstoff-Injektor 258 eingebaut werden, und die Menge an durch den Brennstoff-Injektor 258 injizierten Brennstoff muss von einer getrennt eingebauten Steuerung gesteuert werden. Dementsprechend ist diese herkömmliche Gestaltung einer Reformiervorrichtung 250 nicht nur komplex, sondern auch schwierig zu miniaturisieren.
  • Wie in 2 dargestellt, ist eine weitere herkömmliche Reformiervorrichtung 300 in dem japanischen Patent Nr. 2004-275807 offenbart, welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Diese Art Reformiervorrichtung 300 weist eine Vielzahl darin eingebauter geheizter Medium-Strömungswege 305 auf (durch welche ein erwärmtes Medium wie beispielsweise Gas strömt) sowie eine erste Heizplatte 312 und eine angrenzende zweite Heizplatte 313, die durch das erwärmte Medium geheizt werden, welches durch die geheizten Medium-Strömungswege 305 strömt. Die zweite Heizplatte 313 weist einen Strömungsweg für verdampfte Flüssigkeit 316 mit einer Strömungswegbreite d2 auf, und der Strömungsweg für verdampfte Flüssigkeit 316 weist eine Vielzahl überstehender Stege 17 auf, die an seiner Seite mit der Höhe d1 gebildet sind. Da die Höhe d1 der Stege 317 geringer ist als die Breite d2 des Strömungswegs, können die durch die verdampfende Flüssigkeit erzeugten Blasen leicht an den Stegen 317 vorbeigehen und die Wärmeübertragungseffizienz erhöhen, indem eine dünne Schicht der verdampften Flüssigkeit gebildet wird.
  • Das heißt, bei diesem herkömmlichen Verfahren werden die Stege 317 mit einer Höhe von ungefähr 30% oder weniger der Breite des Kanals eingebaut, so dass sich bei der Verdampfung die erzeugten Bläschen entlang der Stege 317 erstrecken können, um eine dünne Schicht auf der Isolierfläche zu bilden, um Wärme wirksam zu übertragen. Jedoch muss, da die Höhe der Stege 317 und die Breite des Strömungswegs mit unterschiedlichen Abmessungen ausgebildet werden müssen, entweder Trockenätzen doppelt durchgeführt werden, oder der Herstellungsvorgang wird schwierig.
  • Wie in 3 dargestellt, ist eine weitere herkömmliche Reformiervorrichtung 400 in dem japanischen Patent Nr. 2004-89748 offenbart, welches hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Bei dieser herkömmlichen Struktur ist ein Verdampfer 403 auf einer Seite eines Trägers 401 angeordnet, auf dem sich ein Strömungsweg erstreckt, ein Reformierabschnitt 404 und ein CO-Entfernabschnitt 405 sind der Reihe nach stromabwärts entlang des Strömungswegs angeordnet, und eine Wasserstoff-Auslassöffnung 410 ist noch weiter stromabwärts angeordnet. Jedoch kann bei dieser herkömmlichen Struktur, obwohl sich ein Strömungsweg von dem Verdampfer 403 erstreckt, Gasbildung, die stattfindet, wenn der flüssige Brennstoff verdampft wird, nicht verhindert werden.
  • Somit findet bei herkömmlichen Reformiervorrichtungen, wenn Brennstoff in den Verdampfern verdampft wird, eine plötzliche Ausdehnung statt, wobei Blasen in dem Verdampfer gebildet werden, so dass der Druck erhöht wird. Der Druckanstieg verursacht Rückdruck zu dem Brennstoffeinlassabschnitt, wodurch eine weitere Zufuhr von Brennstoff verhindert wird. Folglich ist eine verbesserte Struktur des Verdampfers erforderlich.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flache Reformiervorrichtung anzugeben, welche die Probleme aufgrund von Einschränkungen und Nachteilen gemäß dem Stand der Technik vermeidet.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte flache Reformiervorrichtung mit einem anders strukturierten Verdampfer vorzusehen, der Brennstoff in Form von kleinen Tröpfchen zuführt, um die Oberfläche des Brennstoffs zu erhöhen, so dass, wenn die gleiche Menge an Brennstoff verdampft wird, eine verbesserte Verdampfungseffizienz durch die vorliegende Erfindung erhalten werden kann.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte flache Reformiervorrichtung vorzusehen, die wirksam den Rückfluss von zugeführtem Brennstoff aufgrund von Rückdruck verhindern kann.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte flache Reformiervorrichtung mit einem verbreiterten und geöffneten Verdampfer vorzusehen, um die Ausdehnung von Gas aufzunehmen und Rückdruck von dem Verdampfer zu dem Brennstoffzufuhrabschnitt wesentlich zu reduzieren.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte flache Reformiervorrichtung vorzusehen, die Überstände in Form von Inseln in dem Verdampfer aufweist, um das Entfernen von Blasen in dem flüssigen Brennstoff während des Verdampfens des Brennstoffs zu erleichtern, um das Bilden von Rückdruck zu verhindern und die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern, um den flüssigen Brennstoff wirksam zu verdampfen und die Leistung zu verbessern.
  • Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte flache Reformiervorrichtung vorzusehen, die flüssigen Brennstoff in dem Verdampfer in Form von Tröpfchen zuführt, so dass ein einfaches Verdampfen des Brennstoffs ohne die Bildung von Blasen erzielt werden kann, wodurch ein Rückfluss des flüssigen Brennstoffs aufgrund von Rückdruck verhindert wird, und um eine Miniaturisierung der Reformiervorrichtung zu ermöglichen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt und dem Fachmann beim Studium des Nachfolgenden oder aus der praktischen Anwendung der Erfindung offensichtlich. Die Ziele und andere Vorteile der Erfindung können umgesetzt und erhalten werden durch die Struktur, die insbesondere in der schriftlichen Beschreibung und den Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungsfiguren aufgezeigt wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine flache Reformiervorrichtung vorgesehen, die für eine Brennstoffzelle verwendet wird, welche aufweist: einen Träger mit einem darin gebildeten Strömungsweg; einen Brennstoffeinlass zum Einführen von Brennstoff in den Strömungsweg; einen Verdampfer, der in dem Träger stromabwärts des Brennstoffeinlasses angeordnet ist und der einen Blasenentferner aufweist, um dem Brennstoff in flüssigem Zustand einen Fließwiderstand zu verleihen, der Blasen entfernt und den Brennstoff verdampft; einen Reformer mit einem Strömungsweg, der stromabwärts des Verdampfers gebildet ist, wobei der Reformer den Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine endotherme Reaktion reformiert; einen CO-Entferner mit einem Strömungsweg, der stromabwärts des Reformers gebildet ist, wobei der CO-Entferner CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine exotherme Reaktion entfernt; sowie eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Trägers und Abdichten der Strömungswege nach außen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende genaue Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erläuternd sind und dazu dienen, eine weitere Erklärung der Erfindung wie beansprucht zu bieten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, welche enthalten sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu bieten, und in diese Anmeldung eingeschlossen sind und einen Teil derselben bilden, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen ist:
  • 1 eine Schnittansicht einer Reformiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine Schnittansicht einer alternativ strukturierten Reformiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer Reformiervorrichtung gemäß einer weiteren Struktur gemäß dem Stand der Technik;
  • 4 eine perspektivische Explosionsansicht einer flachen Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Draufsicht auf eine flache Reformiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Darstellung einer flachen Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 6(a) eine Schnittansicht ist, welche eine flache Abdeckungsstruktur darstellt, und 6(b) eine Schnittansicht ist, welche eine unebene Abdeckungsstruktur darstellt, wo Strömungswege gebildet sind;
  • 7 eine Darstellung einer flachen Reformiervorrichtung mit einem Katalysator mit Partikeln gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 7(a) eine Schnittansicht ist, welche eine flache Abdeckungsstruktur darstellt, und 7(b) eine Schnittansicht ist, welche eine unebene Abdeckungsstruktur darstellt, wo Strömungswege gebildet sind; und
  • 8 eine Draufsicht, welche ein Heizelement einer flachen Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, welche als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf der Bodenfläche eines Trägers gebildet ist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Nun wird genauer auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
  • Wie in 4 dargestellt, weist eine flache Reformiervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Träger 10 mit einem darin gebildeten Strömungsweg auf. Der Träger 10 kann aus Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmebeständigem Kunststoff hergestellt sein, und beabsichtigte Strömungswege, die durch Trennungen abgegrenzt sind, sind auf regelmäßige Weise durch Ätzen in einer Seite des Trägers 10 gebildet.
  • Das heißt, dass Ätzen auf einer Seite des Trägers 10 durchgeführt wird, wobei eine gewünschte Gestaltung beabsichtigter Strömungswege gebildet wird.
  • Ein Brennstoffeinlass 20 ist vorgesehen, um Brennstoff in die Strömungswege des Trägers 10 einzuführen. Der Brennstoffeinlass 20 ist, wie in 4 und 5 dargestellt ist, ungefähr im mittleren Bereich des Trägers 10 gebildet. Der Strömungsweg 22 des Brennstoffeinlasses 20 ist an einem Rand des Trägers 10 gebildet und führt zu einem engen Ausgang 24, um flüssigen Brennstoff in Form von Tröpfchen zu einem Verdampfer 30 (Beschreibung unten) zu liefern.
  • Um in den Brennstoffeinlass 20 flüssigen Brennstoff (Methanol) zu füllen, ist ein Brennstoffeinfüllloch 110 in der Abdeckung 100 gebildet, welche die Oberseite des Trägers 10 abdeckt, so dass der flüssige Brennstoff in den Brennstoffeinlass 20 gefüllt werden kann.
  • An dem Ausgangsende des Brennstoffeinlasses 20 ist ein Verdampfer 30 zum Heizen des flüssigen Brennstoffs und Wandeln desselben in eine gasförmige Form gebildet. Der Verdampfer 30 verdampft flüssigen Brennstoff, so dass dieser in einem optimalen Zustand zum Reformieren ist, steht in Verbindung mit dem Brennstoffeinlass 20 und ist ungefähr in der Mitte des Trägers 10 angeordnet. Der Verdampfer 30 ist ein Abschnitt, in welchem Brennstoff (flüssiges Methanol) in eine gasförmige Form gewandelt wird, und weist eine offene Gestaltung ohne Strömungswege auf, so dass ein maximaler Verdampfungsraum für die Ausdehnung vorgesehen ist, die auftritt, wenn Flüssigkeit verdampft wird.
  • Verglichen mit dem Brennstoffeinlass 20 weist der Verdampfer 30 große Strömungswege auf, die den Aufbau von Rückdruck minimieren, wenn Brennstoff in einen gasförmigen Zustand gewandelt wird, und zuverlässiges Verdampfen ermöglichen.
  • Des Weiteren bildet, da der Verdampfer 30 von dem Ausgang 24 des Brennstoffeinlasses 20 gebildet ist, um Methanol-Brennstoff zu verdampfen, der Brennstoffeinlass 20 einen Kanal, welcher 10–100 μm breit ist. Wenn Brennstoff abgelassen wird, lässt der Ausgang 24 geringe Mengen von Brennstoff in Form von Tröpfchen ab, so dass die Verdampfungseffizienz erhöht werden kann. Aufgrund der Enge des Kanals muss der Druck, der zum Einfüllen des flüssigen Methanol-Brennstoffs verwendet wird, erhöht werden, so dass der Druck jedem aufgrund der Wandlung von flüssigem Brennstoff in einen gasförmigen Zustand erzeugten Rückdruck entgegenwirkt. Des Weiteren weist der Verdampfer 30, da er eine Wärmequelle ist, ein Heizelement 36 auf, das in einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf der Bodenfläche des Trägers 10 gebildet ist, um den Verdampfer 30 auf der oberen Fläche des Trägers 10 durch den Träger 10 zu heizen.
  • Des Weiteren sind Blasenentferner 32 in dem Verdampfer 30 gebildet, um Blasen zu entfernen, indem dem flüssigen Brennstoff ein Fließwiderstand von dem stromabwärts gelegenen Ende des Brennstoffeinlasses 20 durch Verdampfen des Brennstoffs verliehen wird.
  • Die Blasenentferner 32 sind so gebildet, dass sie in Form von Inseln überstehen, und sind Abschnitte, welche den Aufbau von Druck in dem Verdampfer 30 verhindern, indem die Bildung von Blasen (B) verhindert wird, welche andernfalls die Strömungswege blockieren würden oder einen Eingang 40a des Reformers 40 blockieren würden (wird unten beschrieben).
  • Diese überstehenden Abschnitte sind in einer Vielzahl über den ganzen Verdampfer 30 gebildet, um schnell Blasen zu zerstören, die sich in dem Verdampfer 30 zu bilden beginnen. Sollte der Verdampfer 30 in Form einer Gestaltung mit Strömungswegen gebildet sein und sich Blasen an den Rändern des Verdampfers 30 bilden, gibt es Fälle, in denen Blasen nicht leicht durch den Druck entfernt werden können, der den flüssigen Brennstoff von stromaufwärts einschiebt. Jedoch unterliegen aufgrund der Blasenentferner 32, die in dem Verdampfer 30 gebildet sind, Blasen (B), die sich zwischen den Überständen zu bilden beginnen, einem Druck aus vier Richtungen und können somit leicht zerplatzen, wie in 5 dargestellt ist.
  • Des Weiteren ist bei der erfindungsgemäßen Reformiervorrichtung ein Strömungsweg 42, durch welchen der Brennstoff strömt, in dem Träger 10 an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet, und ein Reformer 40 ist gebildet, um den Brennstoff durch eine endotherme Reaktion in Wasserstoffgas zu reformieren. Der Reformer 40 ist zu einer Seite des Trägers 10 geneigt und an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet, und der Strömungsweg 42 ist mit dem Eingang 40a in dem Verdampfer 30 verbunden. Trennwände 44 sind gebildet, um den Strömungsweg 42 des Reformers 40 in einem vorbestimmten serpentinenförmigen Muster zu bilden.
  • Folglich ist der Strömungsweg 42 des Reformers 40 in einer serpentinenförmigen Zickzack-Form entlang der gesamten Länge des Verdampfers 30 gebildet. Ein Katalysator 46 zum Reformieren des Brennstoffs in Wasserstoffgas ist in dem Strömungsweg 42 des Reformers 40 gebildet. Wasserstoff wird durch katalytische Reaktion des Brennstoffs in dem Reformer 40 zu einem Überschuss an Reformatgas gewandelt. Als Katalysator 46 des Reformers 40 werden Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 verwendet. Der Katalysator 46 kann an den Trennwänden 44 angebracht sein, die den Strömungsweg 42 bilden.
  • Zusätzlich dazu, dass der oben genannte Katalysator 46 durch Anbringen an die Trennwände 44 gebildet ist, kann er ebenfalls in Form von Partikeln vorliegen, die in den Reformer 40 gefüllt sind, und Brennstoff und Gas lässt man durch die Partikel strömen.
  • Das heißt, bei der Reformiervorrichtung 1' gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 7 dargestellt, kann der Katalysator 46' aus Partikeln aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 gebildet sein, die in die Strömungswege 42 des Reformers 40 gefüllt sind. In diesem Fall kann die Größe der Partikel des Katalysators 46' groß genug sein, so dass diese nicht in den Verdampfer 30 an dem vorderen Ende des Reformers 40 oder in den Verbindungsabschnitt 50 an dem hinteren Ende des Reformers 40 austreten können.
  • Der Reformer 40 reformiert Methanol oder andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe durch katalytische Wandlung, welche die endotherme Reaktion begleitet, in Wasserstoffgas. Eine Wärmequelle, die für diesen Vorgang erforderlich ist, ist in Form eines Heizelements 48 vorhanden, das an dem Boden des Trägers 10 gebildet ist. Das Heizelement 48 des Reformers 40 ist in einer Leiterbahn einer elektrischen Widerstandsschaltung an der Bodenfläche des Trägers 10 gebildet und heizt den Reformer 40 auf dem Träger 10 durch den Träger 10. Das Heizelement 48 des Reformers 40 kann fest eingebaut in einer einzelnen elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn mit dem Heizelement 36 des Verdampfers 30 gebildet sein.
  • Ähnlich ist das Heizelement 48 des Reformers 40 auf der unteren Fläche des Trägers 10, wie in 8 dargestellt, gebildet und hält den Reformer 40 durch den Träger 10 auf einer vorbestimmten Temperatur, vorzugsweise zwischen 250 und 290°C.
  • Des Weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung ein Strömungsweg an dem stromabwärts gelegenen Ende des Reformers 40 des Trägers gebildet und weist einen CO-Entferner 60 auf, der CO aus dem von dem Reformer 40 erzeugten Reformatgas entfernt.
  • Der CO-Entferner 60 bildet einen Strömungsweg an dem gegenüberliegenden Ende des Brennstoffeinlasses 20 in dem Träger 10 und entfernt CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch Wärmeabgabereaktion.
  • Der Reformer 40 liefert Reformatgas einschließlich Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu dem CO-Entferner 60, welcher über einen engeren Verbindungsabschnitt 50 an dem Ende des Strömungswegs versorgt wird. Der Verbindungsabschnitt 50 erstreckt sich am Rand des Trägers 10 entlang und ein ausgedehnter Strömungswegabschnitt 54 mit einer größeren Strömungsweggröße als der des Verbindungsabschnitts 50 ist an dem Eingang des CO-Entferners 60 vorgesehen.
  • Das Reformatgas mit Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid strömt zuerst durch den engeren Verbindungsabschnitt 50 und wird dann in den breiteren ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 abgelassen, was zu einem Druckabfall führt, wenn es zu dem CO-Entferner 60 strömt.
  • Der CO-Entferner 60 bildet einen Strömungsweg 62 durch eine Vielzahl von Trennwänden 64 wie bei dem Reformer 40. An dem Eingangsende des Strömungswegs 62, oder dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54, ist ein Lufteingangsloch 112 in der Abdeckung 100, die die Oberseite des Trägers 10 abdeckt, gebildet.
  • Ein Katalysator 66 zum Entfernen des von dem Reformer 40 erzeugten CO-Gases ist in dem Strömungsweg 62 aufgetragen.
  • Wenn das Reformatgas, das in den CO-Entferner 60 aus dem Reformer 40 eintritt, mit Sauerstoff reagiert, um CO zu entfernen, kann der in dem CO-Entferner 60 verwendete Katalysator 66 aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 sein.
  • Alternativ kann der in dem CO-Entferner 60 verwendete Katalysator ein Katalysator 66' in Form von Partikeln sein. Das heißt, der Katalysator 66' kann, wie in 7 dargestellt ist, aus Partikeln aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 gebildet sein.
  • Die Katalysatorpartikel 66' in dem CO-Entferner 60 können eine Größe aufweisen, die groß genug ist, dass diese nicht in den ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 am Eingang des CO-Entferners 60 oder durch eine Reformatgas-Auslassöffnung 114 an dem Ausgangsende des CO-Entferners 60 austreten.
  • Der CO-Entferner 60 wandelt CO (welches für Menschen schädlich ist) in CO2 (welches für Menschen nicht schädlich ist) durch eine katalytische Wandlung, welche die exotherme Reaktion begleitet. Eine für diesen Vorgang erforderliche Wärmequelle ist ein Heizelement 68 für den CO-Entferner 60, wobei die Wärmequelle an dem Boden des Trägers 10 gebildet ist.
  • Das Heizelement 68 des CO-Entferners 60 ist als Leiterbahn auf den Boden des Trägers 10 in Form einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn, wie in 8 dargestellt, aufgebracht und heizt den CO-Entferner 60 auf dem Träger 10 durch den Träger 10.
  • Das Heizelement 68 des CO-Entferners 60 ist in Form einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn gebildet und hält den CO-Entferner 60 bei einer vorbestimmten Temperatur von vorzugsweise 170 bis 200°C durch eine geeignete Stromquelle und Steuerung derselben.
  • Wie in 6(a) und 7(a) dargestellt, weist die vorliegende Erfindung ebenfalls eine flache Abdeckung 100 auf, welche die Oberseite des Trägers 10 abdeckt und den Innenraum nach außen abdichtet. Für die Abdeckung 100 können die gleichen Materialien wie für den Träger 10 verwendet werden, zum Beispiel Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmebeständiger Kunststoff, und sie kann durch Kleben (Bonding) auf die Oberfläche des Trägers 10 fest eingebaut werden.
  • Wie in 6(b) und 7(b) dargestellt ist, können in der Abdeckung 100 vertiefte Räume oder Strömungswege entsprechend Räumen oder Strömungswegen, die durch den Brennstoffeinlass 20, den Verdampfer 30, den Reformer 40 und den CO-Entferner 60 gebildet sind, gebildet sein, so dass das Innenvolumen der Strömungswege, die durch den Träger 10 und die Abdeckung 100 gebildet sind, vergrößert werden kann.
  • Wenn sie fest mit dem Träger 10 verklebt ist, bildet die Abdeckung 100 eine Reformatgas-Auslassöffnung 114 nahe dem Ausgang des Strömungswegs 62 des CO-Entferners 60. Das heißt, Reformatgas einschließlich Wasserstoffgas und CO2 wird von dem CO-Entferner 60 an die Außenseite des Trägers 10 abgelassen. Entsprechend bildet die Abdeckung 100 die Brennstoffeinlassöffnung 110 an dem Brennstoffeinlass 20, die Lufteinlassöffnung 112 an dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 am Eingang des CO-Entferners 60 und die Reformatgas-Auslassöffnung 114 am Ausgangsende des CO-Entferners 60, so dass flüssiger Brennstoff in Reformatgas einschließlich Wasserstoff und CO2 reformiert wird, das abgelassen wird.
  • Bei der flachen Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird flüssiger Brennstoff durch das Brennstoffeinfüllloch 110, das in der Abdeckung 100 gebildet ist, in den inneren Strömungsweg 22 des Brennstoffeinlasses 20 gefüllt. Der flüssige Brennstoff tritt in Form von Tröpfchen in den Verdampfer 30 ein, der ungefähr in der Mitte des Trägers 10 angeordnet ist.
  • Die Menge an flüssigem Brennstoff, die in den Verdampfer 30 eintritt, beträgt nur ungefähr 10–100 μm. Dieser flüssige Brennstoff, der durch den Brennstoffeinlass 20 strömt, tritt in den Verdampfer 30 ein und wird bei der zum Reformieren erforderlichen Temperatur (250 bis 290°C) verdampft.
  • Obwohl der Abstand in dem Verdampfer, innerhalb welchem der Brennstoff von einer Flüssigkeit zu Gas gewandelt wird, kurz ist, beträgt das Volumen des Brennstoffs während des Vorgangs des Verdampfens plötzlich das 1800-fache. Hier steigt, wenn die Strömungswege in dem Verdampfer 30 eng sind, der Innendruck, so dass die Weiterleitung der Methanolgas-Mischung zur katalytischen Schicht leicht mittels des Drucks erzielt werden kann. Jedoch ergibt sich aufgrund des plötzlichen Volumenanstiegs ebenfalls ein Anstieg des Rückdrucks, der den Brennstoff in umgekehrter Richtung drückt.
  • Da jedoch der Verdampfer 30 einen stark verbreiterten Strömungsweg an seinem Eingang aufweist, um es dem Gas zu ermöglichen, sich auszubreiten, und der Ausgang von dem Brennstoffeinlass 20 zu dem Verdampfer 30 eng ist, um als Düse zu wirken, kann der Brennstoff in Form von Tröpfchen abgelassen werden. Bei dieser Struktur ist der Innendruck am Eingang des Verdampfers 30 erhöht, so dass einem Gegendruck während des Verdampfens effektiv entgegengewirkt werden kann.
  • Des Weiteren weist der Verdampfer 30 inselartige überstehende Blasenentferner 32 auf, die überall verteilt sind, so dass Blasen, die während der Wandlung der Flüssigkeit in Gas auftreten, wirksam entfernt werden können, der Druckanstieg in dem Verdampfer 30 verhindert werden kann und die Wärmeübertragungseffizienz erhöht werden kann.
  • Dann tritt der verdampfte Brennstoff in den Reformer 40 ein, der an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet ist, und wird einer katalytischen Wandlung, die die endotherme Reaktion begleitet, bei einer Temperatur von 250 bis 290°C unterzogen, wobei Reformatgas einschließlich Wasserstoffgas, CO und CO2 erzeugt wird.
  • Dieses Reformatgas strömt durch den engen Verbindungsabschnitt 50 des Strömungswegs und fließt stromabwärts zu dem CO-Entferner 60. Während dieses Vorgangs strömt Reformatgas mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den engen Verbindungsabschnitt 50 und verliert an Druck, wenn es in den plötzlich verbreiterten ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 des CO-Entferners 60 eintritt, so dass der Druck des Gases in dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 wesentlich geringer ist als in dem Reformer 40.
  • Dann strömt das Reformatgas durch die Lufteingangsöffnung 112 der Abdeckung 100 über den ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54, wobei es durch den CO-Entferner 60 strömt, wobei Luft eintritt.
  • In dem CO-Entferner 60 findet bei einer Temperatur von 170 bis 200°C in einer exothermen Reaktion eine katalytische Wandlung in Form selektiver Oxidation statt, wobei in dem Reformatgas CO in CO2 gewandelt wird, so dass es für Menschen unschädlich ist.
  • In diesem Zustand wird Reformatgas einschließlich Wasserstoffgas und CO2 erzeugt, während es durch den CO-Entferner 60 strömt, und das Reformatgas wird durch die Reformatgas-Auslassöffnung 114 in der Abdeckung 100 abgelassen.
  • Die für die in dem CO-Entferner 60 stattfindende Oxidation erforderliche Luft muss von außen zugeführt werden; und in diesem Fall kann eine Pumpe (nicht dargestellt) zum Zuführen von Luft durch das Lufteingangsloch 112 in der Abdeckung 100 eine kompakte Pumpe mit geringer Leistung sein. Dies ist so, da sich das Reformatgas von dem Reformer 40 durch den Verbindungsabschnitt 50 mit kleinem Querschnittbereich zu dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 des CO-Entferners 60 bewegt, der Druckabfall des Innendrucks an dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 bewirkt, dass der Druck in dem ausgedehnten Strömungswegabschnitt 54 wesentlich geringer ist als der Druck in dem Reformer 40, so dass Luft von außen leicht durch das Lufteingangsloch 112 eintreten kann.
  • Demgemäß kann die Pumpe, welche Luft durch das Lufteingangsloch 112 zuführt, verglichen mit jenen im Stand der Technik kleiner sein.
  • Bei der oben stehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist der Heizer an dem Boden des Verdampfers ausgebildet; jedoch kann der Heizer entfernt werden, und nur der Reformer kann als Heizer verwendet werden.
  • Die Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine veränderte Struktur auf, bei welcher Brennstoff in Form von kleinen Tröpfchen zugeführt wird, so dass das Verhältnis Volumen/Oberfläche des Brennstoffs kleiner ist, und eine höhere Verdampfungsleistung kann bei gleicher Brennstoffmenge erhalten werden.
  • Da der Eingangsströmungsweg, welcher den Brennstoffeinlass mit dem Verdampfer verbindet, eng wird, steigt der Druck, durch welchen der flüssige Brennstoff durch den engen Strömungsweg injiziert wird, an, so dass Rückdruck, der durch eine plötzliche Ausdehnung von Gas verursacht wird, wirksam daran gehindert werden kann, an dem Eingang einen Rückfluss des Brennstoffs zu bewirken.
  • Des Weiteren wird der Raum in dem Verdampfer wesentlich ausgedehnt und geöffnet, so dass für die Gasausdehnung genug Raum vorgesehen ist, wodurch weitestgehend das Problem von Rückdruck auf den Brennstoffeinlass verhindert wird. Der Druck in dem Verdampfer nimmt aufgrund des ausgedehnten Strömungswegs ab, um Rückdruck entgegenzuwirken.
  • Des Weiteren weist der Verdampfer gemäß der vorliegenden Erfindung inselförmige Überstände auf, die darin vorgesehen sind, um Blasen, die in dem flüssigen Brennstoff bei Verdampfung auftreten, leicht zu entfernen. Somit wird die Wärmeübertragungseffizienz erhöht und das Verdampfen des flüssigen Brennstoffs kann effizient durchgeführt werden.
  • Des Weiteren kann, indem der flüssige Brennstoff dem Verdampfer in Form von Tröpfchen zugeführt wird und der flüssige Brennstoff ohne die Bildung von Blasen unter milden Bedingungen verdampft wird, ein Rückfluss des flüssigen Brennstoffs aufgrund von Rückdruck verhindert werden, und die gesamte Vorrichtung kann miniaturisiert werden.
  • Dem Fachmann wird offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Es ist somit beabsichtigt, dass die Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung von der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden, vorausgesetzt, dass sie in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche und ihrer Entsprechungen fallen.

Claims (7)

  1. Flache Reformiervorrichtung (1, 1') für eine Brennstoffzelle, welche aufweist: einen Träger (10) mit einem darin gebildeten Strömungsweg (42); einen Brennstoffeinlass zum Einführen von Brennstoff in den Strömungsweg; einen Verdampfer (30), der in dem Träger stromabwärts des Brennstoffeinlasses (20) angeordnet ist und der einen Blasenentferner (32) aufweist, um dem Brennstoff in flüssigem Zustand einen Fließwiderstand zu verleihen, der Blasen entfernt und den Brennstoff verdampft; einen Reformer (40) mit einem Strömungsweg (42), der stromabwärts des Verdampfers (30) gebildet ist, wobei der Reformer den Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine endotherme Reaktion reformiert; einen CO-Entferner (60) mit einem Strömungsweg (62), der stromabwärts des Reformers (40) gebildet ist, wobei der CO-Entferner (60) CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine exotherme Reaktion entfernt; und eine Abdeckung (100) zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Trägers (10) und Abdichten der Strömungswege nach außen.
  2. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (30) einen Kanal aufweist, der an dem Ausgang (24) des Brennstoffeinlasses (20) gebildet ist, wobei der Kanal enger ist als der Rest des Brennstoffeinlasses (20).
  3. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang an dem Brennstoffeinlass (20) eine Strömungswegbreite im Bereich von 10 μm bis 100 μm aufweist.
  4. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenentferner (32) eine Vielzahl von Überständen aufweist.
  5. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (40) durch einen Verbindungsabschnitt (50) mit einem engen Querschnitt mit einem ausgedehnten Strömungswegabschnitt (54) des CO-Entferners (60) verbunden ist, wobei der ausgedehnte Strömungswegabschnitt (54) einen breiteren Querschnitt aufweist als der Verbindungsabschnitt (50).
  6. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (62) des CO-Entferners (60) durch eine Vielzahl von Trennwänden (64) gebildet ist und wobei der CO-Entferner (60) einen Katalysator (46) aufweist, der aus einem Material der Gruppe bestehend aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 gewählt ist und auf die Trennwände (44) aufgebracht ist.
  7. Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (62) des CO-Entferners (60) durch eine Vielzahl von Trennwänden (64) gebildet ist und wobei der Strömungsweg (42) mit Katalysatorpartikeln (46', 66') gefüllt ist, die aus einem Material der Gruppe bestehend aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 gewählt sind.
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