DE102006045361B4

DE102006045361B4 - Dünne Mikro-Reformiervorrichtung

Info

Publication number: DE102006045361B4
Application number: DE102006045361A
Authority: DE
Inventors: Jae Hyoung Gil; Ro Woon Lee; Sung Han Kim; Jae Hyuk Jang
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: US20070071659A1; JP4722004B2; US7563417B2; KR100674863B1; DE102006045361A1; JP2007095699A

Abstract

Dünne Mikro-Reformiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche aufweist: einen als Einzelschichtstruktur ausgebildeten Träger (10) mit einem darin gebildeten Strömungsweg; einen Brennstoffeinlass-Abschnitt (20) zum Einbringen von Brennstoff in den Strömungsweg des Trägers (10), wobei der Brennstoffeinlass-Abschnitt (20) ermöglicht, dass der Brennstoff durch eine vorbestimmte Länge eines Kanals (23) strömt, wodurch der Brennstoff vorheizbar ist; einen einen Teil des Strömungswegs bildenden Verdampfer (30), der stromabwärts des Brennstoffeinlass-Abschnitts (20) angeordnet und zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff ausgebildet ist; einen einen weiteren Teil des Strömungswegs bildenden Reformer (40), der stromabwärts des Verdampfers (30) angeordnet und zum Reformieren von Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine Wärmeabsorptionsreaktion ausgebildet ist; einen noch einen weiteren Teil des Strömungswegs bildenden CO-Entferner (60), der stromabwärts des Reformers angeordnet und zum Entfernen von CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine Wärmeerzeugungsreaktion ausgebildet ist; und eine Abdeckung (100) zum Abdecken eines oberen Teils des Trägers...

Description

Für diese Anmeldung wird die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-91321 , angemeldet am 29. September 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung einen dünnen Mikroreformer, welcher einen Kanal aufweist, der sich von einem Brennstoffeinlass-Abschnitt entlang des äußeren Umfangs eines Trägers erstreckt, um den Brennstoff hindurchströmen und dabei vorheizen zu lassen und in einem Reformer und einem CO-Entferner Wärmeaustausch zu ermöglichen, wodurch die Wärmeeffizienz wesentlich verbessert wird und Reformieren des Brennstoffs und Entfernen von CO in einer einzigen Lage des Trägers möglich wird.
Beschreibung des Stands der Technik
In letzter Zeit gibt es vermehrt Anwendungen für tragbare elektronische Vorrichtungen geringer Größe, wie beispielsweise Mobiltelefone, PDAs (personal digital assistant), Digitalkameras, Notebooks und Ähnliches, Insbesondere seit dem Start von DMB (digital multimedia broadcasting) über Mobiltelefone sind kleine mobile Endgeräte mit verbesserter Energiekapazität erforderlich. Bei Lithium-Ionen-Akkus, die aktuell im Allgemeinen verwendet werden und welche eine Leistungsfähigkeit aufweisen, um zwei Stunden DMB zu sehen, werden gerade Anstrengungen unternommen, ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, aber die Erwartungen hinsichtlich Mikro-Brennstoffzellen als grundlegendere Lösung steigen.
Um eine derartige Brennstoffzelle geringer Größe umzusetzen, können entweder ein Direkt-Methanol-Verfahren, bei welchem Methanol direkt an eine Brennstoffelektrode geliefert wird, oder ein RHFC-(reformed hydrogen fuel cell)Verfahren, bei welchem Wasserstoff aus Methanol extrahiert und an eine Brennstoffelektrode geliefert wird, eingesetzt werden. Da bei dem RHFC-Verfahren ähnlich zu dem PEM-(polymer electrode membrane)Verfahren Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, ist es hinsichtlich Ertrag, Energiekapazität pro Volumeneinheit und darin, dass neben Wasser keine Reagenzien erforderlich sind, vorteilhaft. Jedoch ist bei diesem Verfahren ein Reformer erforderlich, was nachteilig hinsichtlich Miniaturisierung ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 031 480 A1 ist ein dünner Mikroreformer für eine Brennstoffzelle bekannt, umfassend ein Substrat, einen Brennstoff-Füllabschnitt, einen Reformer-Abschnitt, einen CO-Entferner und eine Abdeckung. Das Substrat bildet einen innenliegenden Strömungsweg, der durch den Brennstoff-Füllabschnitt mit Brennstoff gefüllt wird.
Die US 2004/0244290 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit einem Substrat, einer Brennstoffzufuhr, einer Mikropumpe, einem Verdampfer, einem Reformer und einem CO-Entferner.
Eine weitere Mikro-Reformiereinrichtung ist aus der US 2005/0046007 A1 bekannt. Dort sind Verdampfer, Reformer und CO-Entferner separat und übereinander ausgebildet.
Damit die Brennstoffzelle eine hohe Leistungsdichte aufweist, ist ein Reformer erforderlich, um flüssigen Brennstoff in gasförmigen Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas, zu wandeln. Der Reformer umfasst ein Verdampferteil zum Verdampfen von Methanol, ein Reformerteil zum Wandeln von Methanol in Wasserstoff durch eine katalytische Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von 250°C bis 290°C, sowie ein CO-Entfernerteil zum Entfernen von CO, einem Nebenprodukt. In dem Reformerteil findet eine Wärmeabsorptionsreaktion statt, und die Temperatur sollte zwischen 250°C und 290°C gehalten werden. Ebenso sollte in dem CO-Entfernerteil die Temperatur bei ungefähr 170°C bis 200°C gehalten werden, um eine effektive Reaktion zu erhalten.
Als Beispiel des Standes der Technik wird in der japanischen Patentanmeldung JP 2004-288 573 A eine Reformiervorrichtung geringer Größe 250 wie in 1 dargestellt offenbart. Diese herkömmliche Reformiervorrichtung geringer Größe 250 weist eine Isoliereinheit 258 auf und umfasst einen Brennstoff-Verdampfer 251 für die Verbrennung, einen Brennstoff-Verdampfer 255 für die Energieerzeugung, eine erste Brennkammer 252, einen CO-Entferner 257, eine zweite Brennkammer 254, einen Reformer 256 und eine dritte Brennkammer 253, welche der Reihe nach in der Isoliereinheit 258 gestapelt sind.
Auf dem Boden des Brennstoff-Verdampfers 251 zur Verbrennung sind Isolier-Stützelemente 261 und 262 angeordnet. Die Isolier-Stützelemente 261 und 262 stützen den Brennstoff-Verdampfer 251 zur Verbrennung und ermöglichen, dass dieser von der Innenwand der Isoliereinheit 258 entfernt angeordnet wird. Eine derartige herkömmliche Reformiervorrichtung weist eine Multischicht-Struktur von wenigstens 10 Schichten auf, wodurch es schwierig wird, Miniaturisierung zu erzielen.
Das heißt, selbst wenn jede Schicht dünn ist, ist die Gesamtstruktur unvermeidlich dick im Volumen, und die Schwierigkeit des Verklebens der zahlreichen Schichten verhindert eine Massenproduktion.
In der EP 0 991 465 A1 wird ein herkömmlicher Reformer 300 mit zahlreichen Schichten offenbart, bei welchem das Wärmeaustausch-Verfahren wie in 2 dargestellt verwendet wird. Der Reformer 300 umfasst eine Reaktionskammer 320, die über einer Wärmeaustausch-Kammer 314 angeordnet ist, wobei eine Emissionskammer 322 dazwischen angeordnet ist, wodurch eine gestapelte Struktur gebildet wird.
Bei dem Reformer 300 wird die Wärme über zahlreiche Schichten ausgetauscht, die aus der Reaktionskammer 320, der Wärmeaustausch-Kammer 314 und der Emissionskammer 322 bestehen. Bei der Reaktionskammer 320 ist ein Kanal für eine Wärmeerzeugungsreaktion vorgesehen, wobei die durch die Wärmeerzeugungsreaktion erzeugte Wärme für die Wärmeabsorptionsreaktion verwendet wird. Bei dem Wärmeaustausch-Element 314 ist ein Kanal vorgesehen, in dem die Wärmeerzeugung beendet und die Wärme ausgetauscht wird. Dieses Verfahren ermöglicht Wärmeaustausch, jedoch wird die Gesamtdicke gesteigert und Brennstoff verbraucht, wodurch Wärmeeffizienz verhindert wird.
In 3 ist ein weiterer herkömmlicher Reformer 400 dargestellt, bei welchem ein Brennstoffeinlass 410 und ein Verdampfer 420 mit einem Heizer 422 an einer Seite eines Trägers 410 angeordnet sind. Stromabwärts des Brennstoffeinlasses 410 und des Verdampfers 420 sind ein Reformer 430 und ein CO-Entferner 440 angeordnet. Stromabwärts des CO-Entferners 440 ist ein Wasserstoff-Auslass 442 angeordnet. Bei einem derartigen herkömmlichen Reformer wird jedoch ein Heizer 422 verwendet, um den Brennstoff aufzuheizen, wodurch eine große Menge Energie verbraucht wird.
Des Weiteren ergibt das herkömmliche Verfahren ein großes Volumen, das mit schwierigen Herstellungsvorgängen verbunden ist. Weiter ermöglicht das Verfahren aufgrund der Verwendung eines Siliziumträgers und Glas, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, keine optimale Reaktionstemperaturverteilung, welche in dem Reformerteil wenigstens bei 250°C und in dem CO-Entfernerteil bei 190°C gehalten werden muss.
Somit besteht im Stand der Technik ein Erfordernis nach einem Reformer mit einer dünnen Struktur, in dem Brennstoff reformiert und CO entfernt wird in einer einzigen Lage eines Trägers, welcher eine verbesserte Leistung mit höherer Wärmeeffizienz ohne großen Energieverbrauch aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme im Stand der Technik zu lösen, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche es Brennstoff ermöglicht, Wärme von einem CO-Entferner zu absorbieren, während er durch einen Kanal eines Brennstoffeinlass-Abschnittes fließt, ohne dass zusätzliche Wärme erforderlich ist, die einem Verdampfer zugeführt wird, wodurch die Gesamt-Wärmezufuhr reduziert wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche es ermöglicht, dass flüssiger Brennstoff Wärme austauscht, während er durch einen Reformer und einen CO-Entferner fließt und in einen Verdampfer in einem vorgeheizten Zustand eintritt, wobei an den entsprechenden Teilen optimale Reaktionstemperaturen erhalten bleiben, wodurch die Reaktionseffizienz wesentlich verbessert wird.
Ein weiteres Ziel bestimmter Ausführungsformen der Erfindung ist es, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche gestaltet ist um zu ermöglichen, dass chemische Reaktionen in einer einzigen Lage eines Substrats statt in mehreren Lagen stattfinden, und welche Wärmeaustausch zwischen einem Verdampfer, einem Reformer und einem CO-Entferner ermöglicht, statt dass Isoliermaterial zwischen den Schichten verwendet wird, wodurch eine dünne Struktur umgesetzt wird, welche eine geringere Dicke aufweist und zum Einbau in ein Brennstoffzellensystem vorteilhaft ist, ohne dass technisch schwieriges Verkleben mehrerer Schichten erforderlich ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche einen Kanal eines Brennstoffeinlass-Abschnittes aufweist, der sich entlang des äußeren Umfangs eines Trägers erstreckt, um einen Verdampfer, einen Reformer und einen CO-Entferner zu umgeben, wodurch auf einfache Weise Seitenabschnitte des Trägers isoliert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Mikro-Reformiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich anhand der nachfolgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 eine Schnittansicht ist, welche eine Mehrschicht-Reformiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 eine Schnittansicht ist, welche eine weitere Reformiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3 eine Schnittansicht ist, welche eine weitere Reformiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
4 eine perspektivische Explosionsansicht ist, welche eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 eine Draufsicht ist, welche die dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
6(a) eine Schnittansicht in Längsrichtung ist, welche die dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
6(b) eine Schnittansicht in Längsrichtung einer dünnen Mikro-Reformiervorrichtung mit einem daran angebrachten Isoliermaterial gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7 eine Ansicht von unten ist, welche einen Heizer darstellt, der in der dünnen Mikro-Reformiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn vorgesehen ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 4 dargestellt ist, umfasst die dünne Mikro-Reformiervorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Träger 10 mit darin gebildeten Strömungswegen. Der Träger 10 kann aus einem Material, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Metall, Glas und wärmebeständigem Kunststoff, hergestellt sein. Eine Seite des Trägers 10 ist geätzt, um vertiefte Strömungswege aufzuweisen, die darin durch Trennwände gebildet sind.
Das heißt, dass eine Seite des Trägers 10 geätzt ist, um mit einer gewünschten Form vertieft zu sein, um darin Strömungswege zu bilden.
Des Weiteren weist der Träger 10 einen Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 zum Einbringen von Brennstoff in seine Strömungswege auf. Wie in den 4 und 5 dargestellt ist, weist der Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 eine Struktur auf, die es ermöglicht, dass Brennstoff durch einen Kanal strömt, welcher an einem im Wesentlichen mittleren Abschnitt des Trägers 10 beginnt und sich über eine vorbestimmte Länge erstreckt, wodurch der Brennstoff vorgeheizt wird.
Der Kanal 23 weist die Form eines engen Strömungswegs auf, der sich entlang des äußeren Umfangs des Trägers 10 erstreckt, um Strömungswege eines Verdampfers 30, eines Reformers 40 und eines CO-Entferners 60, welche später beschrieben werden, zu umgeben.
Des Weiteren umfasst der Kanal 23 lange Schlitze 64a, die durch Trennwände 64 des Strömungswegs 62 des CO-Entferners 60, welche später beschrieben werden, gebildet sind. Die Wärme der Wärmeerzeugungsreaktion, die in dem Strömungsweg 62 des CO-Entferners 60 stattfindet, wird durch die Trennwände 64 an den flüssigen Brennstoff in einem Innenraum der langen Schlitze 64a übertragen.
Des Weiteren weist eine Abdeckung 100, die auf einem oberen Teil des Trägers 10 montiert ist, einen darin gebildeten Brennstoffeinlass 110 auf, um Methanol oder den flüssigen Brennstoff zu dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 zu liefern.
Der Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 ist gegebenenfalls an der Ausgangsseite mit dem Verdampfer 30 verbunden, welcher den flüssigen Brennstoff erhitzt und in einen gasförmigen Zustand verdampft. Die Funktion des Verdampfers 30 ist es, den Brennstoff, der in flüssigem Zustand ist, zu verdampfen, um die Reformierreaktion zu erleichtern, und es besteht kein Erfordernis, einen Katalysator auf einer Vielzahl von Trennwänden 34 zu bilden, die den Strömungsweg 32 des Verdampfers 30 bilden.
Des Weiteren ist der Strömungsweg 32 des Verdampfers 30 durch eine Vielzahl von Trennwänden 34, die sich jeweils von einer Seite des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 zu der gegenüberliegenden Seite erstrecken, zickzackförmig ausgebildet.
Des Weiteren umfasst die Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung den Reformer 40 mit dem Strömungsweg 42, der stromabwärts des Verdampfers 30 gebildet ist. Der Reformer 40 reformiert den Brennstoff in Wasserstoffgas durch Wärmeabsorptionsreaktion. Der Reformer 40 ist stromabwärts des Verdampfers 30 gebildet, zu einer Seite des Trägers 10 geneigt, und somit ist der Strömungsweg 42 des Reformers 40 mit dem Strömungsweg 32 des Verdampfers 30 verbunden. Der Strömungsweg 42 des Reformers 40 ist durch Trennwände 44 in einem Zickzack-Muster entgegengesetzt zu der Richtung des Strömungswegs 32 des Verdampfers 30 gebildet.
Somit ist der Strömungsweg 42 des Reformers 40 in einer Zickzack-Form entlang einer Längsrichtung des Verdampfers 30 an einer Seite des Trägers 10 gebildet und wird durch eine Vielzahl von Trennwänden 44 abgegrenzt. Ebenfalls weist der Strömungsweg 42 des Reformers 40 einen darin gebildeten Katalysator 46 auf, um den flüssigen Brennstoff in Wasserstoffgas zu reformieren. Der Reformer 40 wandelt den Brennstoff durch katalytische Reaktion in Wasserstoff-reiches Reformatgas. Der Katalysator 46 des Reformers 40 ist aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al₂O₃ und kann vorzugsweise durch Ablagerung auf den Trennungswänden 44 gebildet sein, die den Strömungsweg 42 bilden.
Der Reformer 40 reformiert auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff wie beispielsweise Methanol durch katalytische Reaktionen, welche die Warmeabsorptionsreaktion begleiten, in Wasserstoffgas. Ein Heizer 48, der an einem unteren Teil des Trägers 10 gebildet ist, sieht eine Wärmequelle vor, die für diesen Vorgang erforderlich ist. Der Heizer 48 des Reformers 40 ist eine Leiterbahn einer elektrischen Widerstandsschaltung, die auf der unteren Fläche des Trägers 10 gebildet ist, um den darüber liegenden Reformer 40 durch den Träger 10 zu heizen.
Wie in 6(a) dargestellt ist, ist der Heizer 48 des Reformers 40 an der Bodenfläche des Trägers 10 gebildet, um den Reformer 40 durch den Träger 10 bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten, vorzugsweise bei 250 bis 290°C.
Des Weiteren umfasst die Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung den CO-Entferner 60, dessen Strömungsweg stromabwärts des Reformers 40 gebildet ist und der somit in dem Reformatgas, das von dem Reformer 40 erzeugt wurde, enthaltenes CO-Gas entfernt.
Der Strömungsweg 62 des CO-Entferners 60 ist an einer gegenüberliegenden Seite des Reformers 40 über dem Verdampfer 30 in der Mitte des Trägers 10 gebildet und entfernt CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine Wärmeerzeugungsreaktion.
Ein derartiger CO-Entferner 60 wird mit dem Reformatgas, das Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthält, von dem Reformer 40 über einen engen Verbindungsteil 50 mit einem verengten Querschnitt beliefert. Der Verbindungsteil 50 erstreckt sich parallel zu dem Rand des Trägers 10 und ist mit einem breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 verbunden, der einen größeren Innenbereich als der Verbindungsteil 50 aufweist, welcher an einem Eingangsabschnitt des CO-Entferners 60 vorgesehen ist.
Wie oben beschrieben fällt, da das Reformatgas einschließlich Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid durch den engen Verbindungsteil 50 geht und in den größeren Bereich mit dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 strömt, der Druck an diesem bestimmten Ort ab. Somit strömt das Gas in einem Zustand mit geringem Druck in den CO-Entferner.
Gleich dem Verdampfer 30 und dem Reformer 40 weist der CO-Entferner 60 den durch eine Vielzahl von Trennwänden 64 gebildeten Strömungsweg 62 auf. Die auf dem Träger 10 montierte Abdeckung 100 weist einen Lufteinlass 112 auf und ist darin entsprechend der Position des Eingangsabschnitts des Strömungswegs 62, das heißt dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 des Trägers 10, gebildet.
Die Trennwände 64 des CO-Entferners 60 bilden in Längsrichtung des Trägers 10 lange Schlitze 64a. Da die langen Schlitze 64a in Verbindung mit dem Kanal 23 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 sind, strömt der flüssige Brennstoff in die langen Schlitze 64a.
Des Weiteren weist der Strömungsweg 62 des CO-Entferners 60 einen darin gebildeten Katalysator 66 zum Entfernen von CO-Gas, das von dem Reformer 40 erzeugt wurde, auf.
In einem solchen CO-Entferner 60 reagiert das einkommende Reformatgas mit Sauerstoff, und dadurch wird CO entfernt. Der Katalysator 66 des CO-Entferners 60 ist vorzugsweise aus einem Material, gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Pt, Pt/Ru und Cu/CeO/Al₂O₃, hergestellt.
Der CO-Entferner 60 wandelt CO, welches für den menschlichen Körper schädlich ist, in unschädliches CO2 durch eine katalytische Reaktion, welche die Wärmeerzeugungsreaktion begleitet. Ein Heizer 68 ist für den CO-Entferner 60 an dem unteren Teil des Trägers 10 gebildet, um eine Wärmequelle vorzusehen, die bei diesem Vorgang erforderlich ist.
Wie in den 6(a) und 7 dargestellt ist, weist der Heizer 68 des CO-Entferners 60 die Form einer elektrischen Widerstandsschaltung auf, die als Leiterbahn auf eine untere Fläche 10a des Trägers 10 aufgebracht ist, wodurch der darüber liegende CO-Entferner 60 durch den Träger 10 geheizt wird.
Mit einer geeigneten Energiezufuhr und -steuerung dient der Heizer 68 des CO-Entferners 60 in der Form einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn dazu, den CO-Entferner 60 bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten, vorzugsweise bei 170°C bis 200°C.
Obwohl die Heizer 48 und 68 jeweils zum Heizen des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahnen dargestellt sind, die an einem unteren Teil des Trägers 10 gebildet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Alternativ können, wie in 6b dargestellt ist, Heizräume 48a und 68a um die elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahnen, die an dem unteren Teil des Trägers 10 gebildet sind, vorgesehen sein. Diese Räume 48a und 68a werden durch ein Isoliermaterial 72 isoliert, um zu verhindern, dass Wärme, die von den Heizern 48 und 68 erzeugt wird, nach außen entweicht, und um zu ermöglichen, dass die Wärme in dem Reformer 40 und dem CO-Entferner 60 konzentriert ist.
Des Weiteren umfasst die Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die Abdeckung 100 zum Abdecken eines oberen Teils des Trägers 10, um die darin angeordneten Strömungswege oder Räume nach außen abzudichten. Die Abdeckung 100 kann aus dem gleichen Material wie der Träger 10 sein, gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmebeständigem Kunststoff, und kann auf einer oberen Fläche des Trägers 10 durch Kleben (Bonding) fest eingebaut sein.
Eine derartige Abdeckung 100 kann vorzugsweise vertiefte Strömungswege (nicht dargestellt) und darin gebildete Räume aufweisen, die dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20, den Strömungswegen des Verdampfers 30, des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 entsprechen, wodurch die Innenabmessung des Strömungswegs, der durch den miteinander zusammengebauten Träger 10 und die Abdeckung 100 gebildet wird, weiter vergrößert wird.
Die Abdeckung 100, die fest eingebaut an dem Träger 10 haftet, weist einen Auslass für reaktives Gas 114 auf, der darin entsprechend einem Ausgangsabschnitt des Strömungswegs 62 des CO-Entferners 60 gebildet ist. Das heißt, dass das reaktive Gas, welches Wasserstoffgas und CO₂ enthält, das bei dem CO-Entferner 60 gebildet wird, durch den Auslass für reaktives Gas 114 der Abdeckung 100 nach außen strömen gelassen wird. Somit weist die Abdeckung 100 den Brennstoffeinlass 110 entsprechend dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20, den Lufteinlass 112 entsprechend dem Eingangsabschnitt des CO-Entferners, das heißt, dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54, und den Auslass für reaktives Gas 114 entsprechend dem Ausgangsabschnitt des CO-Entferners 60 auf. Diese Gestaltung der Abdeckung 100 ermöglicht, dass Brennstoff in flüssigem Zustand reformiert wird und als Ergebnis als reaktives Gas, welches Wasserstoffgas und CO₂ enthält, ausströmt.
Des Weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung das Isoliermaterial 72 an Außenflächen des Trägers 10 und der Abdeckung 100 angebracht sein, wodurch der Reformer 40 und der CO-Entferner 60 wirksam gegen die äußere Umgebung abgedichtet werden, was eine in hohem Maße wärmeeffiziente Reformiervorrichtung 1' zum Ergebnis hat. Das heißt, das Isoliermaterial 72 isoliert die Reformiervorrichtung 1' mit hoher Temperatur gegen die äußere Umgebung, um die außen fühlbare Temperatur derart zu senken, dass der Benutzer eine geringe Temperatur von ungefähr 20°C bis 60°C fühlt.
Bei der dünnen Mikro-Reformiervorrichtung 1 mit der oben genannten Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoff in flüssigem Zustand durch den Brennstoffeinlass 110 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 eingebracht, strömt durch den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 und tritt in den inneren Strömungsweg 23 des miteinander zusammengebauten Trägers 10 und der Abdeckung 100 ein. Der flüssige Brennstoff wird mit 10 bis 100 μm/min durch eine an der Außenseite vorgesehene Spritzenpumpe (nicht dargestellt) zugeführt.
Der durch den Brennstoffeinlass 110 eingebrachte flüssige Brennstoff fließt durch den Kanal 23, der entlang des äußeren Umfangs des Trägers 10 gebildet ist, und insbesondere wenn der Brennstoff die langen Schlitze 64a erreicht, die durch die Trennwände 64 des CO-Enfterners 60 gebildet sind, absorbiert er Wärme, die von dem CO-Entferner 60 erzeugt wird, und wird verdampft.
Der Brennstoff wird weiter verdampft, während er durch den äußeren Umfang des CO-Entferners 60 und dann des Reformers 40 strömt. Während dieses Vorgangs weist der flüssige Brennstoff, der durch den Kanal 23 fließt, die Wirkung einer Isolierung für den CO-Entferner 60 und den Reformer 40 auf. Nachdem er durch den äußeren Umfang des Reformers 40 geströmt ist, fließt der flüssige Brennstoff in den mittleren Abschnitt des Trägers 10. Dann wird der Brennstoff vollständig verdampft, während er durch einen Abschnitt P angrenzend an den Strömungsweg des CO-Entferners 60 strömt, während Wärme mit dem CO-Entferner 60 ausgetauscht wird. 5 stellt den gesamten Weg dar, durch welchen der flüssige Brennstoff durch den Wärmeaustausch-Kanal 23 fließt und durch welchen das vollständig verdampfte Brennstoffgas durch den Verdampfer 30 strömt und in den Reformer 40 eintritt.
Genauer tritt der flüssige Brennstoff, nachdem er durch den Kanal des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 geströmt ist, in den Verdampfer 30 ein und bewahrt die Temperatur, die zum Reformieren erforderlich ist, das heißt 250 bis 290°C.
Dann tritt der verdampfte Brennstoff in den Reformer 40 stromabwärts des Verdampfers 30 ein, um einer katalytischen Reaktion, welche die Wärmeabsorptionsreaktion begleitet, unterzogen zu werden. Während dieses Vorgangs wird Reformatgas, welches Wasserstoffgas, CO und CO₂ enthält, bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 290°C erzeugt.
Das wie oben beschrieben erzeugte Reformatgas strömt durch den Verbindungsteil 50 mit schmalem Querschnitt. Insbesondere strömt Reformatgas mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den engen Verbindungsteil 50, und wenn es in den plötzlich vergrößerten Bereich des verbreiterten Strömungsweg-Abschnitts 54 eintritt, fällt der Druck ab. Somit ist der Druck in dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 wesentlich geringer als in dem Reformer 40.
Des Weiteren strömt das Reformatgas durch den CO-Entferner 60 mit Luft, die durch den Lufteinlass 112 der Abdeckung 100 zugeführt wird, der entsprechend dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 angeordnet ist.
Bei dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt wird die zum Entfernen von CO notwendige Luft durch eine externe Pumpe (nicht dargestellt) mit einigen ml bis 100 ml/min zugeführt.
Somit findet in dem CO-Entferner 60 die katalytische Reaktion der selektiven Oxidation, welche eine Wärmeerzeugungsreaktion begleitet, bei einer Temperatur im Bereich von 170 bis 200°C statt, um CO in dem Reformatgas in unschädliches CO₂ zu wandeln.
Somit wird nach Durchströmen des CO-Entferners 60 reaktives Gas, welches Wasserstoffgas und CO₂ enthält, erzeugt und durch den Auslass für reaktives Gas 114 der Abdeckung 100 nach außen strömen gelassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben ist der Brennstoffeinlass-Abschnitt 20, durch welchen der flüssige Brennstoff, Methanol, bei Raumtemperatur in flüssigem Zustand eingebracht wird, mit dem Kanal 23 verbunden, der sich entlang des Umfangs des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 erstreckt. Dadurch wird der Brennstoff in flüssigem Zustand, der durch den Kanal fließt, erhitzt, wobei die Wärme, die von dem Reformer 40 bei 250 bis 290°C übertragen wird, und die Wärme, die von dem CO-Entferner 60 bei 170 bis 200°C übertragen wird, absorbiert wird. Somit ist für den Verdampfer 30 zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs kein zusätzlicher Heizer zum Heizen des Brennstoffs erforderlich.
Des Weiteren muss gemäß der vorliegenden Erfindung die für die Oxidationsreaktion in dem CO-Entferner 60 erforderliche Luft von außen geliefert werden. Insbesondere kann die Pumpe (nicht dargestellt), welche die Luft durch den Lufteinlass 112 der Abdeckung 100 zuführt, gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringe Leistung aufweisen. Das heißt, wenn das Reformatgas durch den engen Verbindungsteil 50 strömt und in den verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 des CO-Entferners 60 eintritt, wird der Druck in dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 gegenüber dem in dem Reformer 40 vorhandenen Druck aufgrund des geminderten Innendrucks wesentlich gesenkt. Dadurch wird möglich, dass Umgebungsluft leicht in die Reformiervorrichtung durch den Lufteinlass 112 eingesaugt wird.
Somit kann die Pumpe (nicht dargestellt) zum Zuführen von Luft durch den Lufteinlass 112 gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Leistung als eine herkömmliche Pumpe aufweisen.
Des Weiteren sind gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung die Katalysatoren 46 und 66 durch Ablagerung in den Strömungswegen 42 und 62 aufgebracht, wodurch die vorliegende Erfindung jedoch nicht eingeschränkt wird. Als Alternative können solche Katalysatorpartikel in die Strömungswege des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 gefüllt werden, dass der Brennstoff in Anwesenheit der Partikel durch die Strömungswege, insbesondere durch Lücken zwischen den Partikeln fließt.
Des Weiteren weist die an dem Träger 10 angehaftete Abdeckung 100 vorzugsweise darin gebildete Räume und Strömungswege auf, die dem des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20, der Verdampfers 30, das Reformers 40 und des CO-Entferners 60 entsprechen, wodurch der Innenbereich der Strömungswege, die durch den zusammengebauten Träger 10 und die Abdeckung 100 gebildet werden, weiter vergrößert wird.
Des Weiteren wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass Änderungen der Katalysatoren oder der Abdeckung leicht im Schutzbereich der Erfindung vorgenommen werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben ermöglicht die dünne Mikro-Reformiervorrichtung, dass der Brennstoff Wärme des CO-Entferners absorbiert, während er durch den Kanal des Brennstoffeinlass-Abschnitts fließt, und somit besteht kein Erfordernis, zusätzlich Wärme zuzuführen, was die Gesamt-Wärmezufuhr mindert.
Des Weiteren ist die Reformiervorrichtung so gestaltet, dass die chemischen Reaktionen in einer einzigen Lage des Trägers statt in mehreren Lagen stattfinden und Wärme an dem Brennstoffeinlass-Abschnitt, dem Verdampfer, dem Reformer und dem CO-Entferner ausgetauscht wird, statt Isoliermaterial zwischen den Schichten zu verwenden. Dadurch wird eine Minderung der Dicke möglich, was für den Einbau in ein Brennstoffzellensystem vorteilhaft ist, und es ist kein technisch schwieriges Kleben (Bonding) mehrerer Schichten erforderlich.
Des Weiteren erstreckt sich der Kanal des Brennstoffeinlass-Abschnitts entlang des Umfangs des Trägers, um den Verdampfer, den Reformer und den CO- Entferner zu umgeben, was die herkömmlich schwierige Isolierung an den Seitenabschnitten des Trägers erleichtert.

Claims

Dünne Mikro-Reformiervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche aufweist: einen als Einzelschichtstruktur ausgebildeten Träger (10) mit einem darin gebildeten Strömungsweg; einen Brennstoffeinlass-Abschnitt (20) zum Einbringen von Brennstoff in den Strömungsweg des Trägers (10), wobei der Brennstoffeinlass-Abschnitt (20) ermöglicht, dass der Brennstoff durch eine vorbestimmte Länge eines Kanals (23) strömt, wodurch der Brennstoff vorheizbar ist; einen einen Teil des Strömungswegs bildenden Verdampfer (30), der stromabwärts des Brennstoffeinlass-Abschnitts (20) angeordnet und zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff ausgebildet ist; einen einen weiteren Teil des Strömungswegs bildenden Reformer (40), der stromabwärts des Verdampfers (30) angeordnet und zum Reformieren von Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine Wärmeabsorptionsreaktion ausgebildet ist; einen noch einen weiteren Teil des Strömungswegs bildenden CO-Entferner (60), der stromabwärts des Reformers angeordnet und zum Entfernen von CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine Wärmeerzeugungsreaktion ausgebildet ist; und eine Abdeckung (100) zum Abdecken eines oberen Teils des Trägers (10), um den Strömungsweg des Trägers (10) gegen die äußere Umgebung abzudichten; wobei der Verdampfer (30) zwischen dem Reformer (40) und dem CO-Entferner (60) angeordnet ist.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmungs-Kanal (23) in der Form eines engen Strömungswegs entlang des Umfangs des Trägers (10) gestaltet ist, um die Strömungswege (32, 42) des Verdampfers (30), des Reformers (40) und des CO-Entferners (60) zu umgeben.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmungs-Kanal (23) Schlitze (64a) aufweist, die durch Trennwände (64) gebildet sind, welche den Strömungsweg (62) des CO-Entferners (60) bilden.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg (32) des Verdampfers (30) in einer Zickzack-Form durch eine Vielzahl von Trennwänden (34) gebildet ist, die sich jeweils von einem Rand des Trägers (10) zu dem gegenüberliegenden Rand des Trägers (10) erstrecken.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (40) einen Heizer (48) aufweist, der an seiner Bodenfläche gebildet ist, wobei der Heizer (48) eine vorbestimmte Temperatur in dem Reformer (40) durch den Träger (10) hält.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CO-Entferner (60) einen Heizer (68) aufweist, der an seiner Bodenfläche gebildet ist, wobei der Heizer (68) eine vorbestimmte Temperatur in dem CO-Entferner (60) durch den Träger (10) hält.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (100) einen vertieften Strömungsweg aufweist, der entsprechend den Strömungswegen des Brennstoffeinlass-Abschnitts (20), des Verdampfers (30), des Reformers (40) und des CO-Entferners (60) gebildet ist, um die Innenabmessung der Strömungswege zu vergrößern, die von dem Träger (10) und der Abdeckung (100), die miteinander zusammengebaut sind, gebildet wird.
Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff über den Brennstoffeinlass-Abschnitt (20) mittels von dem Reformer (40) und dem CO-Entferner (60) an den Brennstoff übertragener Wärme vorheizbar ist.