具有高耐久性的重整器的製作方法

2023-10-04 03:00:34

專利名稱：具有高耐久性的重整器的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及一種具有高耐久性的重整器。
背景技術：
近些年來，由於對環境汙染的關注，已經開發出各種可替換的且汙染較少的能源， 例如具有相對高的能量效率的燃料電池。燃料電池是通過氫和氧的電化學反應將化學能量直接轉化成電能的裝置(或者 一種能源)。根據燃料電池的電解質的類型，將燃料電池分為聚合電解質燃料電池、固體氧 化物燃料電池或熔融碳酸鹽燃料電池。在聚合電解質燃料電池中使用的氫通常從重整自烴 燃料(例如，甲烷、液化石油氣(LPG)、汽油等)的重整油(reformate)獲得。由於在儲存和 運輸純氫方面存在困難，所以該重整過程是必需的。重整油可以是由烴燃料的蒸汽重整反 應產生的蒸汽類重整油。這裡，在使用蒸汽類重整油的大多數燃料電池系統中，需要加熱單 元來提供用於蒸汽重整反應的熱。在重整過程中，在由電堆產生電子後，重整油和其它剩餘的材料從電堆的陽極排 出，並將這種排放物稱作陽極廢氣(AOG)。在現有技術中，通過使用另外的催化燃燒室來燃 燒AOG和/或將AOG與大氣氣體混合，以減小其它排放氣體(例如，AOG中的H2、CO和CH4) 的濃度。然而，隨著全世界環境標準提高，期望並需要在製造可在室內環境中使用的燃料 電池中更加積極地管理A0G。另外，考慮到AOG氣體的主要組分之一是氫(H2),並且為了滿 足大氣汙染的環境問題，急切地期望或需要在技術上開發出用於燃燒AOG氣體的方法，從 而能夠處理A0G，並能夠提高重整器的效率。為此，本發明的實施例提供一種通過使AOG返回至重整器的加熱單元來氧化或燃 燒AOG的重整器，從而提高熱效率，並滿足特定的環境要求。然而，由於重整油的氧化、加熱 單元燃料的氧化和/或AOG的氧化，重整器具有特有的高溫大氣，從而產生多個熱區。這 樣，需要開發出能夠減輕或分配這些熱區的設計。即，為了使重整器在不劣化或損壞的情況 下能夠長時間工作，如上所述，由熱膨脹和收縮的循環產生的熱衝擊應當通過減輕或分配 熱區來減小或被最小化，由此減小由於對重整器的熱應力而導致的劣化和損壞或使其最小 化。然而，因為加熱單元在高溫氣氛下操作，所以用於分配和減輕熱區的方法對於重 整器的壽命的管理而言可能難以令人滿意。這樣，需要並期望更加積極的保護結構。

發明內容
本發明實施例的一方面涉及一種重整器，所述重整器具有通過在重整器的引入陽 極排放氣體並產生熱變形(或扭曲)的一部分中使用耐熱防護罩而能夠減小由熱變形引起 其損壞的結構。本發明實施例的一方面涉及一種用於燃料電池的重整器，所述重整器具有能夠保 護其重整單元免於因熱膨脹而扭曲的結構。本發明的實施例提供了通過適當地分配產生熱區的點來減小或防止燃燒器的壓 力由於劣化而增大的機構。這些適當地分配的點是陽極排放氣體引入到重整器的加熱單元 中和/或陽極排放氣體的氧化的點。本發明的實施例提供了用於使重整器的燃燒器周圍由於高溫氣氛導致的熱變形 (或扭曲)減小或最小化的機構。本發明的實施例提供了通過提高排放氣體的燃燒效率來提高重整器的效率的機 構。具體而言，本發明的實施例提供了一種耐熱的重整器。所述重整器包括加熱單 元；第一燃燒器，被構造成在加熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料；第二燃燒器， 被構造成在加熱單元的第二端處容納並氧化陽極廢氣；重整單元，具有圍繞加熱單元的第 一重整部分、圍繞第一重整部分的第二重整部分以及位於第二重整部分外部且將第一重整 部分和第二重整部分連接以在第一重整部分和第二重整部分之間提供流體連通的流動路 徑部分；耐熱防護罩，在流動路徑部分和第二燃燒器之間。這裡，耐熱防護罩保護重整單元 (具體為流動路徑部分)免於因加熱單元導致的熱膨脹(例如，由於在第二燃燒器處產生的 熱)而扭曲。在一個實施例中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成將陽極廢氣排到加熱單元 中，耐熱防護罩與噴嘴的至少一部分疊置。在一個實施例中，耐熱防護罩接觸流動路徑部分的最裡面的壁的面對第二燃燒器 的表面。在一個實施例中，耐熱防護罩通過點焊被固定到流動路徑部分的最裡面的壁的面 對第二燃燒器的外圍表面。在一個實施例中，流動路徑部分還包括葉片，葉片被構造成保護流動路徑部分免 於因熱膨脹而扭曲。這裡，葉片被構造成進一步保護流動路徑部分免於因熱膨脹而扭曲和 /或改善在流動路徑部分中流動的流體的分配。在一個實施例中，葉片在流動路徑部分中位於沿相對於加熱單元的中心軸的直徑 方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分的最裡面的壁的背離第二燃燒器的表面和流 動路徑部分的底板。在一個實施例中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成沿與加熱單元的中心軸垂 直的方向排出陽極廢氣。在一個實施例中，第一重整部分具有被構造成執行蒸汽重整反應的第一空間。在一個實施例中，第二重整部分具有被構造成執行水氣轉化(WGS)反應的第二空間。在一個實施例中，流動路徑部分在第二重整部分或第一重整部分的外部。在一個實施例中，流動路徑部分在第二重整部分和第一重整部分的外部。
本發明的實施例提供一種重整器，所述重整器包括加熱單元；第一燃燒器，被構 造成在加熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料；第二燃燒器，被構造成在加熱單元 的第二端處容納並氧化陽極廢氣(AOG)；重整單元，包括圍繞加熱單元的第一重整部分、圍 繞第一重整部分的第二重整部分以及將第一重整部分和第二重整部分連接以在第一重整 部分和第二重整部分之間提供流體連通的流動路徑部分。這裡，流動路徑部分包括葉片，葉 片被構造成保護流動路徑部分免於因熱膨脹而扭曲和/或改善在流動路徑部分中流動的 流體的分配。在一個實施例中，葉片在流動路徑部分中位於沿相對於加熱單元的中心軸的直徑 方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分的最裡面的壁的背離第二燃燒器的表面和流 動路徑部分的底板。在一個實施例中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成沿與加熱單元的中心軸垂 直的方向排出陽極廢氣。在一個實施例中，第一重整部分具有被構造成執行蒸汽重整反應的第一空間。在一個實施例中，第二重整部分具有被構造成執行水氣轉化(WGS)反應的第二空 間。在一個實施例中，流動路徑部分在第二重整部分或第一重整部分的外部。在一個實施例中，流動路徑部分在第二重整部分和第一重整部分的外部。這裡，根據本發明實施例的重整器可以通過在重整器的陽極排放氣體被引入到重 整器的加熱單元和被氧化的部分處適當地分配產生熱區的點來防止或阻止燃燒器的壓力 由於劣化而增大。此外，本發明的實施例可以通過在流動路徑部分和燃燒器之間形成防護罩來防止 或阻止燃燒器的相鄰組件由於熱膨脹率的差異而發生扭曲。另外，本發明的實施例可以通過葉片提高(增加)流動路徑部分的最裡面的側壁 的硬度來防止熱扭曲(變形)和/或改善催化劑的熱導率和/或改善流體在流動路徑部分 中的分配。另外，本發明的實施例可以通過提高排放氣體的燃燒效率來提高重整器的效率。因此，根據本發明的實施例，通過提高重整器的效率和可靠性，可以以環境友好的 方式操作重整器，並延長重整器的壽命。


附圖與說明書一起對本發明的示例性實施例進行舉例說明，並與描述一起用於解 釋本發明的原理。圖1是示意性地示出根據本發明實施例的重整器的構造的縱向剖視圖。圖2是示意性地示出根據本發明實施例的重整器的構造的橫向剖視圖。圖3是示出在具有雙氧化結構的重整器中產生的裂紋的縱向剖視圖。圖4A是示出根據本發明實施例提供的防護罩(shield)的狀態的縱向剖視圖。圖4B是示出圖4A的防護罩的焊點(W)到流動路徑部分的的位置的平面圖。圖5是用於描述本發明實施例的防護罩的分解透視圖。圖6是示出根據本發明實施例的每條管道具有四個噴嘴的第二燃燒器的透視圖和縱向剖視圖，總共在兩條管道中水平布置這四個噴嘴。圖7是示出根據本發明實施例的每條管道具有六個噴嘴的第二燃燒器的透視圖 和縱向剖視圖，總共在兩條管道中水平布置這六個噴嘴。圖8是用於示出根據本發明實施例的葉片(blade)的剖開透視圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖描述本發明的實施例。如果具體定義或提及，則在本發明的 實施例中使用的表示方向的諸如「上、下、左和右」的術語基於在附圖中顯示的狀態。圖1示意性地示出根據本發明實施例的重整器。參照圖1，重整器包括加熱單元 20 ；重整單元，由第一重整部分12、第二重整部分10和將第一重整部分12和第二重整部分 10連接以處於液體連通的流動路徑部分(或連接器)11 ；第一燃燒器21 ；第二燃燒器22。 在下文中，將更詳細地描述重整器的上述組件。如圖1所示，重整器具有加熱單元20，加熱單元20位於重整器的中心，並沿重整器 的中心軸(縱向中心軸)延伸。加熱單元20具有中空的圓柱形或多邊形形狀。如圖2所 示，圍繞加熱單元20的第一重整部分12設置在加熱單元20的外部，圍繞第一重整部分12 的第二重整部分10設置在第一重整部分12的外部。此外，第一重整部分12和第二重整部 分10在它們的底部通過流動路徑部分(或連接器)11彼此相連，從而處於液體連通狀態。 這裡，流動路徑部分11在第二重整部分10和/或第一重整部分12的外部。流動路徑部分 11由頂板Ila和底板lib構成。流動路徑部分11焊接到第一重整部分12和第二重整部分 10的底部上，從而將它們密封。設置了根據本發明實施例的熱結構，該熱結構在重整器的中心(中心軸)處具有 其最高的溫度，溫度從重整器的中心軸沿向外方向降低，由此保持均勻的氧化溫度。另外，分別容納和氧化加熱單元燃料以及陽極廢氣(AOG)的第一燃燒器21和第二 燃燒器22設置在加熱單元20的第一端和第二端處。這裡，加熱單元燃料是所提供的諸如 液化石油氣(LPG)等的初級燃料或者包括諸如液化石油氣(LPG)等的初級燃料，以保持加 熱單元20的溫度。AOG是在通過電發生器(例如，由一個或多個燃料電池等構成)中的氧 化反應產生電之後作為主要組分從陽極排出的未燃燒的含氫氣體。在一個實施例中，提供 並氧化加熱單元燃料的第一燃燒器21設置在加熱單元20的第一端(例如，頂部或頂端) 處或設置在加熱單元20的第一端上，再提供並氧化AOG的第二燃燒器22設置在加熱單元 20的第二端(例如，底部或底端)處或設置在加熱單元20的第二端上。第二燃燒器22具有噴嘴，從而沿與加熱單元20的中心軸垂直的方向排出AOGjn 圖6和圖7所示。即，相對於第二燃燒器22的噴嘴，多個噴嘴沿橫向方向形成，以提高AOG 的混合效果或者使其最大化，並減少在第一氧化物催化劑層處或在第一氧化物催化劑層附 近集中的任何熱區，如圖6所示。重整器的基本反應如下。即，當向加熱單元20供給加熱單元燃料(例如，LPG等)， 以保持重整所需的溫度時，通過從加熱單元20傳輸的熱在第一重整部分12中重整燃料電 池(即，重整蒸汽SR)。S卩，第一重整部分12具有被構造成執行蒸汽重整反應的第一空間。 將此時產生的重整油提供到發生器，其中，一氧化碳通過流動路徑部分11和第二重整部分 10的催化劑層中的水氣轉化(WGS)反應被還原。這裡，第二重整部分10具有被構造成執行WGS反應的第二空間。在重整器中產生的7LPM的重整油(不多於71%的H2、不多於25% 的CO2、不多於的CH4)通過發生器(例如，電堆)產生電，然後，剩餘的重整油(不多於 47%的H2、不多於45%的CO2、不多於的CH4、餘量的N2)的產生量為大約4. 3LPM(升每 分鐘)。即，根據本發明的實施例，使用產生量為大約5SLPM(標準升每分鐘)的大約3SLPM 的氫來產生電，2SLPM的氫作為剩餘氣體(即，A0G)剩餘下來。如上所述產生的AOG通過第 二燃燒器22被提供到加熱單元20中，然後被初步還原，並轉化成熱。執行評估熱區和AOG對外圍設備的影響的試驗操作。因此，如圖3所示，第一重整 部分12的內外圍表面的底部在高溫氣氛下因熱膨脹而變形(扭曲)，因此，流動路徑部分 11的頂板Ila和底板lib抑制熱膨脹導致的變形。然後，頂板Ila和底板lib由於高溫而 同時變形(扭曲)，和/或與第一重整部分12的焊點(或焊接點)因此在變形過程中被損 壞。變形強度受到熱強度(A0G中的氫的量和濃度)、重整器操作(打開_關閉)邏輯的熱 衝擊條件以及材料(例如，構成重整器的SUS鋼)的特性的影響。在本發明的一個實施例中，上述問題通過熱轉化的結構加強來解決。即，如圖4A、 圖4B和圖5所示，設置防護罩30。在一個實施例中，防護罩(或耐熱防護罩)30與第二燃 燒器22的噴嘴的至少一部分疊置。在防護罩30中，耐熱構件相比而言耐熱，並可以由SUS 310構成，SUS310被形成為 具有中空的圓柱形形狀(例如，中空的圓筒)，並被固定至流動路徑部分11的最裡面的壁的 面對第二燃燒器22的外圍表面。這裡，防護罩30和流動路徑部分11的最裡面的壁優選地 通過利用焊點的點焊接來固定，焊點即使在熱膨脹時仍以設定的或預定的自由度膨脹。艮口， 耐熱防護罩30通過一個或多個焊點接觸和/或固定到流動路徑部分11的最裡面的壁的面 對第二燃燒器22的外圍表面。具體而言，圖4B是示出防護罩(或耐熱防護罩)30上的焊點(W)的位置的平面 圖。例如，如圖4B所示，焊點(W)布置(焊接)在耐熱防護罩30的外圍表面的若干個位置 上。這裡，在一個實施例中，當防護罩30被加熱時，防護罩30可以向上擴展，並從焊接位置 示出，從而減小熱應力。此外，在一個實施例中，焊點應當以均勻的方式彼此隔開，並應當具 有均勻的尺寸，從而均勻地分配熱膨脹作用。除了防護罩30之外或者作為防護罩30的替代方案，還可以提供葉片15，如圖8所 示。圖8是流動路徑部分11中的催化劑層的透視分解剖視圖，以示出葉片的結合位置。這 裡，葉片15是具有平面形狀的構件，葉片15的結構通過將流動路徑部分11的最裡面的壁 的外圍表面的底部和流動路徑部分11的底板lib相固定來積極地防止流動路徑部分11的 最裡面的壁由於熱膨脹而變形(扭曲)。設置多個葉片15，以阻止或防止流動路徑部分11 的最裡面的壁由於熱膨脹而變形(扭曲)，和/或更有效地將熱傳輸到催化劑，和/或改善 在流動路徑部分11中流動的流體的分配。在一個實施例中，葉片15設置在沿熱膨脹的大 致方向(即，基於加熱單元20的中心軸的直徑方向)的延長線上，從而有效地支撐流動路 徑部分11的最裡面的壁。更詳細地說，流動路徑部分11被形成為包括葉片15，葉片15被構造成保護流動路 徑部分11由於熱膨脹而扭曲和/或提高在流動路徑部分11中流動的流體的分配。這裡， 在一個實施例中，葉片50在流動路徑部分11中形成在沿相對於加熱單元20的中心軸的直 徑方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分11的最裡面的壁的底部和流動路徑部分的底板lib。S卩，葉片50在流動路徑部分11中位於沿相對於加熱單元20的中心軸的直徑 方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分11的最裡面的壁的背離第二燃燒器22的表 面和流動路徑部分11的底板lib。綜上所述，根據本發明的實施例，用於燃料電池的耐久重整器設置有能夠保護重 整單元免於因熱膨脹而扭曲的結構。重整器包括加熱單元；第一燃燒器，被構造成在加 熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料；第二燃燒器，被構造成在加熱單元的第二端 處容納並氧化陽極廢氣；重整單元，具有圍繞加熱單元的第一重整部分、圍繞第一重整部分 的第二重整部分以及位於第二重整部分外部並將第一重整部分和第二重整部分連接以在 它們之間提供流體連通的流動路徑部分；耐熱防護罩，位於流動路徑部分和第二燃燒器之 間。這裡，耐熱防護罩保護重整單元(具體為流動路徑部分)免於因加熱單元導致的熱膨 脹(例如，由於在第二燃燒器處產生的熱)而扭曲。另外，流動路徑部分可以形成有葉片， 葉片被構造成進一步保護連接器免於因熱膨脹而扭曲。雖然已經結合特定的示例性實施例描述了本發明，但應當理解的是，本發明不限 於公開的實施例，而是，在不脫離權利要求書及其等價物的精神的範圍內，本發明可以由具 有高耐久性的各種重整器來實現。
權利要求
1.一種重整器，所述重整器包括 加熱單元；第一燃燒器，被構造成在加熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料； 第二燃燒器，被構造成在加熱單元的第二端處容納並氧化陽極廢氣； 重整單元，包括圍繞加熱單元的第一重整部分、圍繞第一重整部分的第二重整部分以 及將第一重整部分和第二重整部分連接以在第一重整部分和第二重整部分之間提供流體 連通的流動路徑部分；耐熱防護罩，在流動路徑部分和第二燃燒器之間。
2.根據權利要求1所述的重整器，其中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成將陽極廢 氣排到加熱單元中，其中，耐熱防護罩與噴嘴的至少一部分疊置。
3.根據權利要求1所述的重整器，其中，耐熱防護罩接觸流動路徑部分的最裡面的壁 的面對第二燃燒器的表面。
4.根據權利要求1所述的重整器，其中，耐熱防護罩通過點焊被固定到流動路徑部分 的最裡面的壁的面對第二燃燒器的外圍表面。
5.根據權利要求1所述的重整器，其中，流動路徑部分還包括葉片，葉片被構造成保護 流動路徑部分免於因熱膨脹而扭曲。
6.根據權利要求1所述的重整器，其中，葉片在流動路徑部分中位於沿相對於加熱單 元的中心軸的直徑方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分的最裡面的壁的背離第二 燃燒器的表面和流動路徑部分的底板。
7.根據權利要求1所述的重整器，其中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成沿與加熱 單元的中心軸垂直的方向排出陽極廢氣。
8.根據權利要求1所述的重整器，其中，第一重整部分具有被構造成執行蒸汽重整反 應的第一空間。
9.根據權利要求1所述的重整器，其中，第二重整部分具有被構造成執行水氣轉化反 應的第二空間。
10.根據權利要求1所述的重整器，其中，流動路徑部分在第二重整部分或第一重整部 分的外部。
11.根據權利要求1所述的重整器，其中，流動路徑部分在第二重整部分和第一重整部 分的外部。
12.—種重整器，所述重整器包括 加熱單元；第一燃燒器，被構造成在加熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料； 第二燃燒器，被構造成在加熱單元的第二端處容納並氧化陽極廢氣； 重整單元，包括圍繞加熱單元的第一重整部分、圍繞第一重整部分的第二重整部分以 及將第一重整部分和第二重整部分連接以在第一重整部分和第二重整部分之間提供流體 連通的流動路徑部分，其中，流動路徑部分包括葉片，葉片被構造成保護流動路徑部分免於因熱膨脹而扭曲。
13.根據權利要求12所述的重整器，其中，葉片在流動路徑部分中位於沿相對於加熱 單元的中心軸的直徑方向延伸的延長線上，並固定到流動路徑部分的最裡面的壁的背離第二燃燒器的表面和流動路徑部分的底板。
14.根據權利要求12所述的重整器，其中，第二燃燒器包括噴嘴，噴嘴被構造成沿與加 熱單元的中心軸垂直的方向排出陽極廢氣。
15.根據權利要求12所述的重整器，其中，第一重整部分具有被構造成執行蒸汽重整 反應的第一空間。
16.根據權利要求12所述的重整器，其中，第二重整部分具有被構造成執行水氣轉化 反應的第二空間。
17.根據權利要求12所述的重整器，其中，流動路徑部分在第二重整部分或第一重整 部分的外部。
18.根據權利要求12所述的重整器，其中，流動路徑部分在第二重整部分和第一重整 部分的外部。
全文摘要
本發明提供一種重整器，所述重整器包括加熱單元；第一燃燒器，用於在加熱單元的第一端處容納並氧化加熱單元燃料；第二燃燒器，用於在加熱單元的第二端處容納並氧化陽極廢氣；重整單元，包括圍繞加熱單元的第一重整部分、圍繞第一重整部分的第二重整部分以及將第一重整部分和第二重整部分連接以在第一重整部分和第二重整部分之間提供流體連通的流動路徑部分；耐熱防護罩，在流動路徑部分和第二燃燒器之間。這裡，耐熱防護罩保護重整單元免於因加熱單元導致的熱膨脹而扭曲。另外，流動路徑部分可以形成有葉片，葉片被構造成進一步保護連接器免於因熱膨脹而扭曲。
文檔編號H01M8/06GK102110833SQ20101051633
公開日2011年6月29日 申請日期2010年10月18日 優先權日2009年12月24日
發明者孫寅赫, 安鎮九, 崔鍾鹿, 申又澈 申請人:三星Sdi株式會社