DE102006047151A1 - Dünne Mikro-Reformiervorrichtung mit gemindertem Rückdruck in ihrem Verdampfer - Google Patents

Dünne Mikro-Reformiervorrichtung mit gemindertem Rückdruck in ihrem Verdampfer Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung, die in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird, mit gemindertem Rückdruck in ihrem Verdampfer. Bei der Reformiervorrichtung weist ein Träger einen darin gebildeten Strömungsweg und einen Brennstoffeinlass-Abschnitt zum Einbringen von Brennstoff in den Strömungsweg des Trägers auf. Ein Verdampfer weist einen Gas-Ausdehnungsteil auf, welcher den flüssigen Brennstoff verdampft, sowie einen Rückdruck-Aufnahmeteil, der Rückdruck während des Verdampfens aufnimmt, um die Auswirkungen des Rückdrucks auf den Brennstoffeinlass-Abschnitt zu blockieren. Ein Reformer weist einen stromabwärts des Verdampfers gebildeten Strömungsweg auf und reformiert Brennstoff durch Wärmeabsorptionsreaktion in Wasserstoffgas. Ein CO-Entferner weist einen stromabwärts des Reformers gebildeten Strömungsweg auf und entfernt in dem Wasserstoffgas enthaltendes CO-Gas durch Wärmeerzeugungsreaktion. Eine Abdeckung ist in einem oberen Teil des Trägers angebracht, um den Träger nach außen abzudichten.

Description

  • Für diese Anmeldung wird die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-95085, angemeldet am 10. Oktober 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht, deren Offenbarung durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung mit einem Brennstoffeinlass-Abschnitt in ihrem Mittelbereich, um Tropfen flüssigen Brennstoffs in einen Verdampfer zu liefern und es dem flüssigen Brennstoff zu ermöglichen, sich in einem großen Raum des Verdampfers auszudehnen, wodurch der Anstieg von Rückdruck, der während des Verdampfens des flüssigen Brennstoffs auftritt, unterdrückt wird. Dadurch wird ein Rückfluss des Brennstoffs aufgrund von Rückdruck verhindert und es besteht kein Erfordernis, den Einspritzdruck für den Brennstoff zu erhöhen, und es wird ein guter Gasstrom durch die Strömungswege der Reformiervorrichtung erzeugt, was schließlich die Reformierleistung der Reformiervorrichtung steigert.
  • In letzter Zeit gibt es vermehrt Verwendungen 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 Energieleistung erforderlich. Bei Lithium-Ionen-Akkus, die aktuell im Allgemeinen verwendet werden und welche eine Kapazität aufweisen, um zwei Stunden DMB zu sehen, werden gerade Anstrengungen unternommen, ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, aber die Erwartungen hinsichtlich Brennstoffzellen geringer Größe 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-Verfahren (reformed hydrogen fuel cell), bei welchem Wasserstoff aus Methanol extrahiert und an eine Brennstoffelektrode geliefert wird, eingesetzt werden. Da bei dem RHFC-Verfahren ähnlich zu dem PEM-Verfahren (polymer electrode membrane) Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, ist es hinsichtlich Ertrag, Energie-Leistungsfähigkeit 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.
  • 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 einen Verdampferteil zum Verdampfen von Methanol, einen Reformerteil zum Wandeln von Methanol in Wasserstoff durch eine katalytische Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von 250°C bis 290°C sowie einen 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 ein herkömmliches Beispiel wird in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-048701 eine Reformiervorrichtung 200 wie in 1 dargestellt offenbart. Wie in 1 dargestellt, weist eine derartige herkömmliche Mikro-Reformiervorrichtung 200 einen inneren Hohlraum 204 in einer Verdampferkammer 202 und einen Heizer 206 zum Verdampfen auf, der in dem Hohlraum 204 angeordnet ist. In dem Hohlraum 204 ist ein Brennstoffsprüher 208 angeordnet, welcher eine gemischte Flüssigkeit 210 aus dem Brennstoff, Methylalkohol und Wasser in den Hohlraum 204 sprüht. Der versprühte gemischte, flüssige Brennstoff 210 wird durch den Heizer 206 erwärmt und verdampft. Das durch das Verdampfen der gemischten Flüssigkeit 210 erzeugte Gas strömt durch einen Mikrokanal 212 und wird von einem Reformierkatalysator 214 in dem Mikrokanal 212 in Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert.
  • Das herkömmliche Verfahren ist darin vorteilhaft, dass der in dem Brennstoffeinlass-Abschnitt vorgesehene Brennstoffsprüher 208 den Brennstoff versprüht, um die Oberfläche des zu reformierenden Brennstoffs zu vergrößern, um somit das Verdampfen zu beschleunigen. Des Weiteren versprüht der Brennstoffsprüher 208 den Brennstoff in Form von Tröpfchen, wodurch das Verhältnis der Oberfläche des Brennstoffs zu dem Volumen des Brennstoffs erhöht wird. Dadurch wird eine wirksame Verdampfung des Brennstoffs bei gleicher Wärmezufuhr ermöglicht.
  • Jedoch bringt die herkömmliche Technik den Nachteil mit sich, dass der Brennstoffsprüher 208 gesondert eingebaut werden muss und eine gesonderte Steuerung zum Regulieren der von dem Brennstoffsprüher 208 versprühten Brennstoffmenge erforderlich ist. Somit ist die herkömmliche Struktur komplex und schwierig zu miniaturisieren.
  • 2 stellt eine weitere herkömmliche Reformiervorrichtung 250 gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-166453 dar. Bei dieser herkömmlichen Technologie wird eine Brennstoffzelle miniaturisiert, um eine wirksame Reformierung einer großen Menge Brennstoffs mit einer Mikro-Reformiervorrichtung zu ermöglichen. Dabei weist ein Siliziumträger 252 Mikrokanäle 254 sowie einen darin gebildeten Reformierraum 256 auf. Katalysatoren sind in den Mikrokanälen 254 und dem Reformierraum 256 gebildet, um Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu reformieren und Wasserstoff zu erzeugen. Die Mikrokanäle 254 und der Reformierraum 256 sind durch eine Abdeckplatte 260 abgedeckt.
  • Jedoch dehnt sich bei einer derartigen herkömmlichen Reformiervorrichtung 250 flüssiger Brennstoff aus, wenn er verdampft wird, und somit ist eine Hochdruck-Pumpe mit großer Leistungsfähigkeit (nicht dargestellt) erforderlich, um den Brennstoff in die Kanäle 254 zu injizieren.
  • In 3 ist eine andere herkömmliche Reformiervorrichtung 350 gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-89748 dargestellt. Bei dieser herkömmlichen Technologie erstreckt sich ein Strömungsweg an einer Seite eines Trägers 351, um einen Verdampfer 353 zu schaffen. Ein Reformer 354 und ein CO-Entferner 355 sind der Reihe nach stromabwärts des Verdampfers 353 angeordnet, und ein Wasserstoffauslass 360 ist stromabwärts des CO-Entferners 355 gebildet. Selbst wenn sich der Strömungsweg in dem Verdampfer 353 ausdehnt, wird das Problem des Rückdrucks, der auftritt, wenn der flüssige Brennstoff verdampft wird und sich ausdehnt, durch die herkömmliche Technologie nicht vollständig gelöst.
  • Die herkömmlichen Reformiervorrichtungen weisen demnach Nachteile darin auf, dass, wenn der Brennstoff in dem Verdampfer in Gas gewandelt wird, sich das Volumen des Brennstoffs plötzlich ausdehnt und ein Rückdruck in Richtung Brennstoffeinlass-Abschnitt auftritt, wo das Einströmen von Brennstoff gestört wird. Somit besteht ein Erfordernis nach einem dünnen Mikroreformer mit einer verbesserten Struktur des Verdampfers, um ein Einströmen von Brennstoff mit geringem Druck zu ermöglichen, welcher bei hervorragender Reformierleistung miniaturisiert ist.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme im Stand der Technik zu lösen, und es ist somit Ziel bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche eine modifizierte Struktur des Verdampfers aufweist, um Brennstoff in Form von Tröpfchen aus der Mitte des Trägers zu liefern, wodurch das Verhältnis der Oberfläche des Brennstoffs zum Volumen des Brennstoffs erhöht wird, wodurch die Verdampferleistung bei gleicher Wärmemenge verbessert wird.
  • Ein weiteres Ziel bestimmter Ausführungsformen der Erfindung ist es, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, mit welcher wirksam Rückfluss von flüssigem Brennstoff aufgrund von Rückdruck, der auftritt, wenn sich der flüssige Brennstoff plötzlich ausdehnt, vermieden wird.
  • Ein weiteres Ziel bestimmter Ausführungsformen der Erfindung ist es, eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorzusehen, welche einen vergrößerten Raum des Verdampfers aufweist, um einen für die Ausdehnung des Gases ausreichenden Raum sicherzustellen, den von dem Verdampfer erzeugten Rückdruck zu einem Brennstoffeinlass-Abschnitt wesentlich zu mindern und zu ermöglichen, dass der von dem Verdampfer erzeugte Rückdruck die Minderung des Innendrucks aufgrund des ausgedehnten Strömungswegs kompensiert, wodurch in dem Verdampfer ein Druckgleichgewicht erzielt wird.
  • Ein weiteres Ziel bestimmter Ausführungsformen der Erfindung ist es, einen dünnen Mikroreformer vorzusehen, bei welchem ein Verdampferbereich in einen Gas-Ausdehnungsteil und einen Rückdruck-Aufnahmeteil geteilt ist, um den Anstieg von Rückdruck zu unterdrücken, was einen wirksamen Gasstrom ermöglicht, wodurch Miniaturisierung sowie eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Reformiervorrichtung erzielt wird.
  • Gemäß einem Gegenstand der Erfindung ist eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung vorgesehen, welche aufweist: einen Träger mit einem darin gebildeten Strömungsweg; einen Brennstoffeinlass-Abschnitt zum Einbringen von Brennstoff in den Strömungsweg des Trägers; einen Verdampfer mit einem Gas-Ausdehnungsteil, der stromabwärts des Brennstoffeinlass-Abschnitts gebildet ist, wobei der Gas-Ausdehnungsteil den flüssigen Brennstoff verdampft, und einen Rückdruck-Aufnahmeteil, wo der Rückdruck während des Verdampfens aufgenommen wird, um die Auswirkungen des Rückdrucks auf den Brennstoffeinlass-Abschnitt zu blockieren; einen Reformer mit einem stromabwärts des Verdampfers gebildeten Strömungsweg, wobei der Reformer durch eine Wärmeabsorptionsreaktion Brennstoff in Wasserstoffgas reformiert; einen CO-Entferner mit einem stromabwärts des Reformers gebildeten Strömungsweg, wobei der CO-Entferner in dem Wasserstoffgas enthaltenes CO-Gas mittels Wärmeerzeugungsreaktion entfernt; und eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Teils des Trägers, um den Träger nach außen abzudichten.
    •
  • 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 herkömmliche Reformiervorrichtung darstellt;
  • 2 eine Konstruktionsansicht ist, welche eine weitere herkömmliche Reformiervorrichtung darstellt, wobei (a) eine perspektivische Ansicht ist und (b) eine Schnittansicht ist;
  • 3 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine weitere herkömmliche Reformiervorrichtung 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 eine Ansicht ist, welche den Gasstrom in einem Verdampfer der dünnen Mikro-Reformiervorrichtug gemäß der Erfindung darstellt;
  • 7 eine Schnittansicht ist, welche eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei (a) eine Schnittansicht ist, welche eine flache Abdeckung darstellt, und (b) eine Schnittansicht ist, welche die Abdeckung mit einem vertieften Strömungsweg darstellt;
  • 8 eine Schnittansicht ist, welche eine dünne Mikro-Reformiervorrichtung mit einem Katalysator in Form von Partikeln gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei (a) eine Schnittansicht ist, welche eine flache Struktur der Abdeckung darstellt, und (b) eine Schnittansicht ist, welche die Abdeckung mit einem vertieften Strömungsweg darstellt; und
  • 9 eine Unteransicht ist, welche einen Heizer in Form einer elektrischen Widerstandsschaltung-Leiterbahn darstellt, die auf der Unterseite des Trägers gebildet ist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Wie in 4 dargestellt, weist die dünne Mikro-Reformiervorrichtung 1 einen Träger 10 mit darin gebildeten Strömungswegen auf. Der Träger 10 kann aus Silizium, Metall, Glas und wärmebeständigem Kunststoff hergestellt sein. Eine Seite des Trägers 10 ist geätzt, um darin vertiefte Strömungswege zu bilden, die in einer vorbestimmten Form durch Trennwände abgegrenzt sind.
  • Das heißt, dass eine Seite des Trägers 10 geätzt ist, um darin eine gewünschte Form vertiefter Strömungswege zu bilden.
  • Der Träger 10 weist in seinem Mittelabschnitt einen Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 zum Einbringen von Brennstoff in die Strömungswege auf. Wie in 5 dargestellt, ist der Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 ungefähr im Mittelabschnitt des Trägers 10 gebildet. Der Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 ist durch Trennwände 22 abgegrenzt, die in dem Träger 10 gebildet sind, und weist eine enge Öffnung 24 auf, die in den Trennwänden 22 gebildet ist, um das Zuführen von Tropfen (Tröpfchen) des flüssigen Brennstoffs an den Verdampfer 30 wie später erläutert zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise bilden die Trennwände 22 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 einen rechteckigen Teilabschnitt und weisen die Öffnung 24 auf, die an einer Seite gebildet ist, um die Zufuhr des flüssigen Brennstoffs zu ermöglichen.
  • Wie oben beschrieben, dient die Öffnung 24 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20, wenn flüssiger Brennstoff injiziert wird, dazu, eine geringe Menge des flüssigen Brennstoffs als Tröpfchen abzulassen, wodurch die Verdampfungsleistung bei gleicher Wärmemenge steigt. Aufgrund der Enge der Öffnung 24 ist der Druck an dem Ort, wo das Methanol von dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 abgelassen wird, hoch und wirkt somit dem Rückdruck entgegen, der auftritt, wenn der flüssige Brennstoff in gasförmigen Brennstoff gewandelt wird.
  • Um Methanol, den flüssigen Brennstoff, in den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 einzubringen, weist eine Abdeckung 100, die an einem oberen Teil des Trägers 10 angebracht ist, ein Brennstoffeinlass-Loch 110 auf, das ungefähr in deren Mitte gebildet ist.
  • An der Ausgangsseite des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 ist ein Verdampfer 30 gebildet, um den flüssigen Brennstoff zu erwärmen und zu verdampfen. Der Verdampfer 30 verdampft den flüssigen Brennstoff und führt dem Reformer 40 den Brennstoff in gasförmigem Zustand zu, um eine wirksame Reformierreaktion des Brennstoffs, wie später erläutert, zu ermöglichen. Der Verdampfer 30 ist ungefähr in der Mitte des Trägers 10 angeordnet und umgibt den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20.
  • Der Verdampfer 30 umfasst einen Gas-Ausdehnungsteil 32, wo der flüssige Brennstoff in dem Träger 10 verdampft wird, sowie einen Rückdruck-Aufnahmeteil 34, in welchem der Rückdruck während des Verdampfens des Brennstoffs aufgenommen wird, um den Rückdruck während des Verdampfens des flüssigen Brennstoffs in dem Verdampfer 30 zu minimieren und zu verhindern, dass sich der Rückdruck auf den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 auswirkt.
  • Das heißt, wie in 5 und 6 dargestellt ist, dass der Gas-Ausdehnungsteil 32 und der Rückdruck-Aufnahmeteil 34 durch eine Vielzahl von Trennwänden 36a und 36b, die entlang der Mittellinie des Verdampfers 30 gebildet sind, geteilt sind. Ein Durchlass 38 ist zwischen den Trennwänden 36a und 36b angrenzend zu der Öffnung 24 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 wie in 5 dargestellt gebildet.
  • Der Durchlass 38 ist größer als die Öffnung 24 gebildet, so dass, wie später beschrieben, ermöglicht wird, dass, wenn der flüssige Brennstoff von dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 zu dem Gas-Ausdehnungsteil 32 strömt, der gasförmige Brennstoff von dem Gas-Ausdehnungsteil 32 zu dem Rückdruck-Aufnahmeteil 34 um den flüssigen Brennstoff strömt.
  • Ein derartiger Verdampfer 30 weist einen großen offenen Raum in dem Gas-Ausdehnungsteil 32 auf, so dass, wenn das Brennstoffvolumen aufgrund der Umandlung von einer Flüssigkeit in ein Gas, wenn das Methanol verdampft wird, ansteigt, ein maximaler Raum zum Verdampfen sichergestellt ist. Dadurch wird der Anstieg des Rückdrucks aufgrund des Volumenanstiegs des Gases minimiert, wodurch ein stabiles Verdampfen in dem Verdampfer 30 sichergestellt wird.
  • Zusätzlich sind der Gas-Ausdehnungsteil 32 und der Rückdruck-Aufnahmeteil 34 voneinander durch die Vielzahl von Trennwänden 36a und 36b getrennt, die um die Mitte des Verdampfers 30 gebildet sind, und sind durch den Durchlass 38, der zwischen den Trennwänden 36a und 36b gebildet ist, miteinander in Verbindung. Somit steigt der Rückdruck in dem Gas-Ausdehnungsteil 32 an und wird durch den Durchlass 38 an den Rückdruck-Aufnahmeteil 34 geliefert, wodurch ein weiterer Anstieg des Rückdrucks in dem Verdampfer 30 verhindert wird. Des Weiteren umgibt der Rückdruck-Aufnahmeteil 34 den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 und ist von dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 durch Trennwände 22 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 mit Ausnahme der Öffnung 24 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 abgegrenzt.
  • Des Weiteren weist der Verdampfer 30 einen Heizer 35 als Wärmequelle auf. Wie in 9 dargestellt ist, ist der Heizer 35 als eine elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf einer Unterseite 10a des Trägers 10 gebildet, um den darüber liegenden Verdampfer 30 durch den Träger 10 zu heizen.
  • Die dünne Mikro-Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung weist weiter den Reformer 40 auf, der an der Ausgangsseite 39 des Verdampfers 30 gebildet ist. Der Reformer 40 weist einen Strömungsweg 42 auf, durch welchen der Brennstoff strömt, und reformiert den Brennstoff durch Wärmeabsorptionsreaktion in Wasserstoffgas. Der Reformer 40 ist stromabwärts der Ausgangsseite 39 des Verdampfers 30 gebildet und zu einer Seite des Trägers 10 geneigt, und somit ist der Strömungsweg 42 mit dem Verdampfer 30 über die Ausgangsseite 39 verbunden. Der Strömungsweg 42 des Reformers 40 ist in einem vorbestimmten Serpentinenmuster durch Trennwände 44 gebildet.
  • Somit ist der Strömungsweg 42 des Reformers 40 zickzackförmig über die gesamte Länge des Reformers 40 gebildet, und der Strömungsweg 42 des Reformers 40 weist einen darin gebildeten Katalysator 46 zum Reformieren des flüssigen Brennstoffs in Wasserstoffgas auf. In dem Reformer 40 wird der verdampfte Brennstoff in an Wasserstoff reiches Reformatgas durch katalytische Reaktion gewandelt. Der Katalysator 46 des Reformers 40 ist aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 hergestellt und ist auf den Trennwänden 44 vorzugsweise durch Ablagerung gebildet.
  • Alternativ kann der Katalysator, statt auf die Trennwände 44 abgelagert zu werden, in Form von Partikeln in den Strömungsweg 42 gefüllt werden, so dass der gasförmige Brennstoff durch die Lücken zwischen den Partikeln strömt.
  • Das heißt, dass, wie in 8 dargestellt ist, bei der Reformiervorrichtung 1' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Katalysator 46' in den Strömungsweg 42 des Reformers 40 als Partikel gefüllt werden kann, die aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 hergestellt sind. In diesem Fall ist die Größe der Partikel des Katalysators 46' derart, dass sie nicht an der Vorderseite des Reformers 40 in den Verdampfer 30 oder an der Rückseite des Reformers 40 in einen Verbindungsteil 50 gleiten.
  • Wie oben beschrieben, reformiert der Reformer 40 auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff durch katalytische Reaktion, welche Wärmeabsorptionsreaktion begleitet, in Wasserstoffgas, und ein Heizer 48, der auf einem unteren Teil des Trägers 10 gebildet ist, ist als eine für diesen Vorgang erforderliche Wärmequelle vorgesehen. Der Heizer 48 ist als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf einer Unterseite des Trägers 10 ausgebildet und heizt den darüber liegenden Reformer 40 durch den Träger 10. Der Heizer 48 kann als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn gestaltet sein, die fest eingebaut durch einen Heizer 35 des Verdampfers 30 gebildet wird.
  • Wie in 9 dargestellt ist, ist der Heizer 48 des Reformers 40 auf einer Unterseite 10a des Trägers 10 gebildet, um den Reformer 40 auf einer vorbestimmten Temperatur, vorzugsweise 250 bis 290°C, durch den Träger 10 zu halten.
  • Weiterhin weist die Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls einen CO-Entferner 60 mit einem Strömungsweg auf, der stromabwärts des Reformers 40 in dem Träger 10 gebildet ist. Der CO-Entferner 60 entfernt in dem Reformatgas, das von dem Reformer 40 hergestellt wurde, enthaltenes CO.
  • Der CO-Entferner 60 weist den in einem Abschnitt des Trägers 10 gegenüber dem Reformer 40 gebildeten Strömungsweg 62 auf und entfernt CO-Gas, das in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch eine Wärmeerzeugungsreaktion.
  • Einem derartigen CO-Entferner 60 wird das Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthaltende Reformatgas, das von dem Reformer 40 hergestellt wurde, durch den engen Verbindungsteil 50 mit verringertem Querschnitt zugeführt. Der Verbindungsteil 50 erstreckt sich parallel zum Umfang des Trägers 10 und ist mit einem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 mit einem ausgedehnten Innenbereich von dem Verbindungsteil 50 verbunden.
  • Die in dem Reformatgas enthaltenen Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid strömen durch den schmalen Bereich des engen Verbindungsteils 50 und man lässt sie in den größeren Bereich des verbreiterten Strömungsweg-Abschnitts 54 ausströmen. Somit fällt der Druck in diesem bestimmten Bereich der Reformiervorrichtung 1 ab und das Reformatgas tritt mit niedrigem Druck in den CO-Entferner 60.
  • Gleichzeitig weist der CO-Entferner 60 den Strömungsweg 62 auf, der durch eine Vielzahl von Trennwänden 64 ähnlich dem Reformer 40 gebildet ist. Eine an dem Träger 10 angebrachte Abdeckung 100 weist einen Lufteinlass 112 auf, der entsprechend der Eingangsseite des Strömungswegs 62, das heißt dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54, darin gebildet ist.
  • Des Weiteren weist der Strömungsweg 62 einen darin durch Ablagerung etc. gebildeten Katalysator 66 zum Entfernen von in dem Reformer 40 hergestelltem CO-Gas auf.
  • In dem CO-Entferner 60 reagiert das Reformatgas aus dem Reformer 40 mit Sauerstoff in der Luft, um CO zu entfernen. Der in einem derartigen CO-Entferner 60 verwendete Katalysator 66 ist vorzugsweise aus einem Material gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Pt, Pt/Ru und Cu/CeO/Al2O3 hergestellt.
  • Alternativ kann, wie in 8 dargestellt, der in dem CO-Entferner 60 gebildete Katalysator 66 ein Katalysator in Form von Partikeln 66' sein. Das heißt, dass der Katalysator 66' vorzugsweise Partikel aufweisen kann, die aus einem Material gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 hergestellt sind.
  • Die Größe der Partikel des Katalysators 66' des CO-Entferners 60 kann derart sein, dass diese nicht in den verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 an der Eingangsseite des CO-Entferners 60 hineingleiten oder aus einem Auslass für reaktives Gas 114 an der Ausgangsseite des CO-Entferners 60 herausgleiten.
  • Der CO-Entferner 60 wandelt CO, welches für den menschlichen Körper schädlich ist, durch katalytische Reaktion, welche eine Wärmeerzeugungsreaktion begleitet, in unschädliches CO2, und ein Heizer 68 für den CO-Entferner, der in der Unterseite 10a des Trägers 10 gebildet ist, wird als eine für diesen Vorgang erforderliche Wärmequelle vorgesehen.
  • Wie in 9 dargestellt ist, ist der Heizer 68 des CO-Entferners 60 als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf einer Unterseite des Trägers 10 vorgesehen, um den darüber liegenden CO-Entferner 60 durch den Träger 10 zu heizen.
  • Der Heizer 68 des CO-Entferners 60 ist als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn vorgesehen, um den CO-Entferner 60 bei einer vorbestimmten Temperatur, vorzugsweise 170°C bis 200°C, bei angemessener Stromzufuhr und -regulierung zu halten.
  • Des Weiteren weist, wie in 7(a) und 8(a) dargestellt, die Reformiervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung die flache Abdeckung 100 auf, welche einen oberen Teil des Trägers 10 abdeckt, um den Innenraum des Trägers 10 nach außen abzudichten. Die Abdeckung 100 kann aus dem gleichen Material hergestellt sein wie der Träger 10, einschließlich Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmebeständigem Kunststoff, und sie kann fest eingebaut an einer Oberseite des Trägers 10 durch Kleben (Bonding) angebracht sein.
  • Des Weiteren kann, wie in 7(b) und 8(b) dargestellt, die Abdeckung 100 vorzugsweise vertiefte Räume oder Strömungswege 100' aufweisen, die darin entsprechend den Räumen oder den Strömungswegen des Brennstoffeinlassabschnitts 20, des Verdampfers 30, des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 gebildet sind, wodurch der Innenraum oder die Abmessung der in dem Träger 10 und der Abdeckung 100, welche zusammengebaut sind, gebildeten Strömungswege weiter vergrößert wird.
  • Weiterhin weist die Abdeckung 100, die fest eingebaut an dem Träger 10 angebracht ist, einen Auslass für reaktives Gas 114 auf, der entsprechend der Ausgangsseite des Strömungswegs 62 des CO-Entferners 60 gebildet ist. Das heißt, dass das reaktive Gas, welches Wasserstoffgas und CO2 enthält, das in dem CO-Entferner 60 hergestellt wurde, nach außen durch den Auslass für reaktives Gas 114 des Trägers 10 ausströmen gelassen wird.
  • Somit weist die Abdeckung 100 ein Brennstoffeinlass-Loch 110, das entsprechend dem Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 gebildet ist, den Lufteinlass 112, der entsprechend der Eingangsseite des CO-Entferners 60, das heißt dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54, gebildet ist, den Auslass für reaktives Gas 114, der entsprechend der Ausgangsseite des CO-Entferners 60 gebildet ist, auf. Mit dieser Gestaltung wird der flüssige Brennstoff durch das Brennstoffeinlass-Loch 110 injiziert, reformiert und nach außen durch den Auslass für reaktives Gas 114 als reaktives Gas, welches Wasserstoffgas und CO2 enthält, ausströmen gelassen.
  • Bei der Reformiervorrichtung 1 mit der oben genannten Gestaltung wird der flüssige Brennstoff durch das Brennstoffeinlass-Loch 110 in den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20, der ungefähr in der Mitte des Trägers 10 angeordnet ist, injiziert. Der flüssige Brennstoff wird als Tröpfchen aus der Öffnung 24 des Brennstoffeinlass-Abschnitts 20 abgelassen und dem Verdampfer 30 zugeführt.
  • Die Menge an flüssigem Brennstoff, der dem Verdampfer 30 zugeführt wird, ist mit ungefähr 10 bis 100 μm/min gering. Nachdem er durch den Brennstoffeinlass- Abschnitt 20 geströmt ist, tritt der flüssige Brennstoff durch die Öffnung 24 in den Gas-Ausdehnungsteil 32 ein, wo er bei einer zum Reformieren erforderlichen Temperatur, das heißt 250 bis 290°C, verdampft wird und sich das Volumen ausdehnt.
  • Somit steigt das Volumen des Brennstoffs in dem Gas-Ausdehnungsteil 32 des Verdampfers 30 während des Verdampfens augenblicklich um den Faktor 1800 an. Zu diesem Zeitpunkt erleichtert, wenn der Verdampfer 30 einen engen Raum aufweist, der gestiegene Druck das Liefern des Methanol-Mischgases zu der Katalysatorschicht, jedoch bewirkt der augenblickliche Anstieg des Volumens aufgrund des Rückdrucks ein Zurückströmen des Brennstoffs.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung bietet der Gas-Ausdehnungsteil 32 des Verdampfers 30 jedoch einen großen Raum, damit sich das Gas ausbreiten kann, und der Gas-Ausdehnungsteil 32 ist mit dem Rückdruck-Aufnahmeteil 34 über den Durchlass 38, der in den Trennwänden 36a und 36b gebildet ist, in Verbindung. Somit strömt, wie durch die Pfeile in 6 angegeben, der verdampfte Brennstoff um den flüssigen Brennstoff, der in den Gas-Ausdehnungsteil 32 strömt, herum und wandert in den Rückdruck-Aufnahmeteil 34. Dadurch wird der Anstieg des Rückdrucks aufgrund der Ausdehnung des Brennstoffs in dem Verdampfer 30 unterdrückt.
  • Der Anstieg des Rückdrucks aufgrund der verdampften Flüssigkeit wirkt sich auf den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 aus. Jedoch ist die Öffnung 24, welche den Brennstoffeinlass-Abschnitt 20 mit dem Verdampfer 30 verbindet, mit ungefähr 10 bis 100 μm eng gebildet und wirkt wie eine Düse. Somit ist der Innendruck an der Eingangsseite des Verdampfers 30 hoch, was den Rückfluss des flüssigen Brennstoffs aufgrund des Rückdrucks verhindert.
  • Das Brennstoffgas, das von dem Gas-Ausdehnungsteil 32 zu dem Rückdruck-Aufnahmeteil 34 wie oben beschrieben gewandert ist, strömt zu dem Gas-Ausdehnungsteil 32 zurück und tritt über den Ausgangsabschnitt 39 des Verdampfers 30 in den stromabwärts des Verdampfers 30 gebildeten Reformer 40 ein. In dem Reformer 40 wird das Brennstoffgas einer katalytischen Reaktion, die Wärmeabsorptionsreaktion begleitet, unterzogen, und während dieses Vorgangs wird bei einer Temperatur von 250 bis 290°C Wasserstoffgas, CO und CO2 enthaltendes Reformatgas gebildet.
  • Das Reformatgas strömt zu dem CO-Entferner 60 stromabwärts durch den Verbindungsteil 50 mit engem Querschnitt des Strömungswegs. Bei diesem Vorgang strömt das Reformatgas mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den engen Verbindungsteil 50 und tritt in den plötzlich verbreiterten Bereich des verbreiterten Strömungsweg-Abschnitts 54 ein, und der Druck fällt 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, wobei Luft durch den Lufteinlass 112 der Abdeckung 100, der entsprechend dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 gebildet ist, zugeführt wird.
  • In dem CO-Entferner 60 findet eine die katalytische Reaktion der selektiven Oxidation begleitende Wärmeerzeugungsreaktion bei einer Temperatur von ungefähr 170 bis 200 °C statt, um CO in dem Reformatgas in unschädliches CO2 zu wandeln.
  • Nach Durchlauf durch den CO-Entferner 60 ist Wasserstoffgas und CO2 enthaltendes reaktives Gas hergestellt und wird nach außen durch den Auslass für reaktives Gas 114 ausströmen gelassen. Des Weiteren muss gemäß der vorliegenden Erfindung die für die Oxidationsreaktion in dem CO-Entferner 60 erforderliche Luft von außen zugeführt werden. Insbesondere kann eine Pumpe (nicht dargestellt), welche die Luft durch den Lufteinlass 112 der Abdeckung 100 zuführt, gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringe Leistung aufweisen. Das heißt, da das Reformatgas durch den engen Verbindungsteil 50 strömt und in den verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 des CO-Entferners 60 eintritt, ist der Druck in dem verbreiterten Strömungsweg-Abschnitt 54 verglichen mit jenem in dem Reformer 40 aufgrund des geminderten Innendrucks wesentlich abgefallen.
  • Dadurch wird möglich, dass Umgebungsluft leicht durch den Lufteinlass 112 in die Reformiervorrichtung eingesaugt wird.
  • Somit kann die Pumpe (nicht dargestellt) zum Zuführen der Luft durch den Lufteinlass 112 gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Leistung als eine herkömmliche Pumpe aufweisen.
  • Des Weiteren ist bei der vorliegenden Erfindung der Heizer 35 unter dem Verdampfer 30 ausgebildet. Alternativ kann jedoch der Heizer 35 für den Verdampfer 30 von dem Boden des Verdampfers 30 entfernt werden, und nur die anderen Heizer 48 und 68 werden vorgesehen, um den Reformer 40 und dem CO-Entferner 60 zu heizen, wodurch ermöglicht wird, dass der Verdampfer 30 von der Wärme geheizt wird, die von dem Reformer 40 und dem CO-Entferner 60 übertragen wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben kann die Position und Struktur des Brennstoffeinlass-Abschnitts und des Verdampfers modifiziert werden, so dass der Brennstoff als Tröpfchen zugeführt wird. Dadurch wird das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Brennstoffs erhöht, wodurch die Verdampfungswirksamkeit bei gleicher Wärmemenge gesteigert wird.
  • Des Weiteren wird aufgrund der engen Öffnung des Brennstoffeinlass-Abschnitts der Injektionsdruck des flüssigen Brennstoffs erhöht, wodurch wirksam der Rückfluss des Brennstoffs aufgrund des Gegendrucks, wenn sich das Gas plötzlich ausdehnt, unterdrückt wird.
  • Des Weiteren weist der Verdampfer einen Gas-Ausdehnungsteil und den Rückdruck-Aufnahmeteil auf, wodurch ein großer Raum zum Ausdehnen des Brennstoffs vorgesehen wird, wodurch wesentlich die Höhe des in dem Verdampfer auftretenden Rückdrucks gemindert wird. Ebenfalls kann die Minderung des Innendrucks in dem Verdampfer aufgrund des großen Raumes durch den während des Verdampfens des Brennstoffs auftretenden Rückdruck ausgeglichen werden. Somit erreicht der Druck in dem Verdampfer ein Gleichgewicht, was das Einströmen des flüssigen Brennstoffs erleichtert.
  • Des Weiteren ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Verdampfer passend in den Gas-Ausdehnungsteil und den Rückdruck-Aufnahmeteil geteilt, um das Ansteigen des Rückdrucks zu unterdrücken, ohne dass der Injektionsdruck des Brennstoffs erhöht werden muss, was wiederum einen guten Gasstrom bewirkt. Dadurch wird schließlich Miniaturisierung und verbesserte Reformierleistung der Vorrichtung möglich.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert abzuweichen.

Claims (7)

  1. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung, welche aufweist: einen Träger mit einem darin gebildeten Strömungsweg; einen Brennstoffeinlass-Abschnitt zum Einbringen von Brennstoff in den Strömungsweg des Trägers; einen Verdampfer mit einem Gas-Ausdehnungsteil, der stromabwärts des Brennstoffeinlass-Abschnitts gebildet ist, wobei der Gas-Ausdehnungsteil den flüssigen Brennstoff verdampft, und einen Rückdruck-Aufnahmeteil, wo der Rückdruck während des Verdampfens aufgenommen wird, um eine Einwirkung des Rückdrucks auf den Brennstoffeinlass-Abschnitt zu blockieren; einen Reformer mit einem stromabwärts des Verdampfers gebildeten Strömungsweg, wobei der Reformer durch eine Wärmeabsorptionsreaktion Brennstoff in Wasserstoffgas reformiert; einen CO-Entferner mit einem stromabwärts des Reformers gebildeten Strömungsweg, wobei der CO-Entferner in dem Wasserstoffgas enthaltenes CO-Gas mittels einer Wärmeerzeugungsreaktion entfernt; und eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Teils des Trägers, um den Träger nach außen abzudichten.
  2. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeinlass-Abschnitt ungefähr in einem Mittelbereich des Trägers gebildet ist.
  3. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffeinlass-Abschnitt Trennwände aufweist, die in dem Träger gebildet sind, sowie eine Öffnung, die in den Trennwänden gebildet ist, um Tropfen flüssigen Brennstoffs zu liefern.
  4. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer durch eine Vielzahl von Trennwänden in den Gas-Ausdehnungsteil und den Rückdruck-Aufnahmeteil geteilt ist und wobei der Gas-Ausdehnungsteil und der Rückdruck-Aufnahmeteil miteinander durch einen Durchlass in Verbindung sind, der zwischen den Trennwänden gebildet ist.
  5. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass größer ausgebildet ist als die Öffnung des Brennstoffeinlass-Abschnitts, so dass, wenn flüssiger Brennstoff von dem Brennstoffeinlass-Abschnitt in den Gas-Ausdehnungsteil eintritt, ermöglicht wird, dass der gasförmige Brennstoff von dem Ausdehnungsteil zu dem Rückdruck-Aufnahmeteil um den flüssigen Brennstoff herum strömt.
  6. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang angrenzend an die Öffnung des Brennstoffeinlass-Abschnitts ausgebildet ist.
  7. Dünne Mikro-Reformiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer einen Heizer als elektrische Widerstandsschaltung-Leiterbahn auf einer Unterseite des Trägers aufweist, um den Verdampfer durch das Substrat zu heizen.
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