燃料電池系統的重整器的製作方法
2023-06-11 13:27:16 5
專利名稱：燃料電池系統的重整器的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統，具體地說，涉及一種具有改進的熱傳輸結構的重整器。
背景技術：
眾所周知，燃料電池是把碳氫化合物燃料中包含的氧和氫的化學反應能量直接轉換為電能的發電系統。
燃料電池可以分為聚合物電解液膜燃料電池和直接氧化膜燃料電池。
聚合物電解液膜燃料電池最近已經發展為具有優良輸出特性、低運行溫度和快速啟動和響應特性。因此，聚合物電解液膜燃料電池具有廣泛的應用，包括車輛移動電源、家庭或其它建築的分布式電源和電子設備的小尺寸電源。
聚合物電解液膜燃料電池系統包括燃料電池主體(下文中稱為堆)、重整燃料以產生氫並把氫供應給堆的重整器、以及把氧供應給堆的空氣泵或扇。堆通過從重整器供應的氫和由驅動空氣泵或扇供應的氧之間的電化學反應產生電能。
在常規燃料電池系統中，重整器包括通過利用與催化劑的發熱和吸熱反應在預定溫度範圍內提供熱能的熱源單元、利用熱能通過重整反應從燃料產生重整氣體(例如富氫氣體)的重整反應單元、以及降低重整氣體中包含的一氧化碳濃度的一氧化碳降低單元。
然而，在常規重整器中，熱源單元和重整反應單元被以分布式的方式放置，以把從熱源單元產生的熱量傳輸到重整反應單元中(也就是分別提供熱源單元和重整反應單元)。因此，在常規重整器中，沒有直接進行熱源單元和重整反應單元之間的熱能交換，所以存在熱傳輸效率的問題。特別地，由於熱源單元從重整反應單元的外面把熱能傳輸到重整反應單元中，熱能沒有被完全傳輸到重整反應單元中，而是被部分釋放到外面。因此，存在整個重整器的反應效率和熱效率降低的問題。另外，在常規重整器中，由於熱源單元和重整反應單元是被以分布式方式放置的，因此存在整個系統不緊湊的問題。
另外，在常規重整器中，只有當熱能在對應於重整反應單元和一氧化碳降低單元的特定溫度的溫度範圍內時，才能夠獲得最優的運行效率。然而，不易控制到重整反應單元和一氧化碳降低單元的熱能傳輸，所以存在難以得到最佳的整個重整器運行效率的問題。
發明內容
本發明的一個實施例提供一種燃料電池系統的重整器，可以用簡單結構改進反應效率和熱效率，並且可以容易地控制所述重整器的整個運行要求的熱能，以最大化運行效率。
本發明的一個實施例提供一種燃料電池系統的重整器，包括產生熱的熱源單元；重整反應單元，通過利用所述熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；通道部件，連接到所述重整反應單元，並具有傳輸所述燃料和重整氣體的通道，其中所述通道被一體地形成在所述通道部件中。
在本發明的此實施例中，所述重整反應單元可以包括圍繞所述熱源的圍繞區域(例如腔)和具有容納重整催化劑的預定內部空間的反應器主體，其中所述反應器主體可以包括把所述燃料注入所述反應器主體的燃料注入孔和把所述重整氣體排出所述反應器主體的重整氣體出口。
另外，所述通道部件可以被形成卷形，以卷繞反應器主體的外表面。
所述通道部件還可以包括傳輸所述燃料的第一通道和置於該第一通道中心來傳輸所述重整氣體的第二通道。
進一步，所述第一通道可以包括置於該第一通道的一端的燃料入口和置於該第一通道的另一端的燃料出口，其中所述燃料出口被連接到所述反應器主體的燃料注入孔上。
另外，所述第二通道可以包括置於該第二通道的一端的重整氣體入口和置於該第二通道的另一端的重整氣體出口，其中所述重整氣體入口可以被連接到所述反應器主體的重整氣體出口上。
另外，所述熱源單元可以包括燃燒器主體，置於所述重整反應單元的圍繞區域(例如腔)中，通過點燃和燃燒預定量的燃料產生所述熱。
另外，所述重整器可以進一步包括具有密封空間的外殼，該密封空間整個容納所述熱源單元和重整反應單元，把所述熱從所述圍繞區域流通到該密封空間。
另外，所述重整器可以進一步包括一氧化碳降低單元，連接到所述第二通道的重整氣體出口，以降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度。
根據本發明的另一個實施例，提供一種燃料電池系統的重整器，包括產生熱的熱源單元；重整反應單元，通過利用所述熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；一氧化碳降低單元，連接到所述重整反應單元，以降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度；熱處理單元，置於所述重整反應單元和一氧化碳降低單元外部，以調整供應給所述重整反應單元和一氧化碳降低單元的熱能。
在本發明的此實施例中，所述重整反應單元可以包括具有容納第一催化劑的第一預定內部空間的第一反應器主體，並且所述第一反應器主體可以包括把所述燃料注入進所述第一內部空間的第一注入孔、把所述重整氣體從所述第一內部空間排出的第一出口和圍繞所述熱源單元的圍繞區域(例如腔)。
另外，所述熱源單元可以包括置於所述圍繞區域中來通過點燃和燃燒預定量的燃料來產生所述熱的燃燒器主體，該燃燒器主體具有多個噴嘴孔。
另外，所述一氧化碳降低單元可以包括具有容納第二催化劑的第二預定內部空間的第二反應器主體，並且所述第二反應器主體可以包括把所述重整氣體注入所述第二內部空間的第二注入孔和把所述重整氣體從所述第二內部空間排出的第二出口。
另外，所述熱處理單元可以進一步包括具有密封空間的外殼，該外殼整個容納所述燃燒器主體、第一反應器主體和第二反應器主體，把所述熱從所述圍繞區域流通到該密封空間中。另外，所述外殼可以包括從包含絕熱陶瓷、不鏽鋼、鋯及其組合物的組中選擇的材料。
另外，所述熱處理單元可以包括第一通道部件，具有卷形，以卷繞所述第一反應器主體的外表面，並且適於流通所述燃料；第二通道部件，連接到所述第一通道部件上並且具有通道，所述通道具有卷形，以卷繞所述第二反應器主體的外表面，並且適於流通所述燃料和重整氣體，其中所述通道被一體地形成在所述第二通道部件中。
另外，所述第一通道部件可以包括第一通道，其一端連接到所述第一反應器主體的第一注入孔，另一端連接到所述第二通道部件。
另外，所述第二通道部件可以包括傳輸所述燃料的第二通道和置於該第二通道的中心來傳輸所述重整氣體的第三通道。
進一步，所述第二通道可以包括置於該第二通道一端的第一通道入口和置於該第二通道另一端的第一通道出口，並且其中所述第一通道出口被連接到所述第一通道的另一端。
更進一步，所述第三通道可以包括置於所述第三通道的一端的第二通道入口和置於所述第三通道的另一端的第二通道出口，其中所述第二通道入口可以被連接到所述第一反應器主體的第一出口上，並且所述第二通道出口可以被連接到所述第二反應器主體的第二注入孔上。
附圖與說明書一起示出本發明的示例性實施例，並且與說明書一起用來解釋本發明的原理。
圖1為顯示根據本發明實施例的燃料電池系統的結構的示意性框圖。
圖2為顯示根據本發明第一實施例的重整器的結構的示意性透視圖。
圖3為圖2的橫截面圖。
圖4為顯示根據本發明第二實施例的重整器的結構的示意性橫截面圖。
圖5為顯示根據本發明第三實施例的重整器的結構的示意性橫截面圖。
圖6為顯示根據本發明第四實施例的重整器的結構的示意性透視圖。
圖7為圖6的橫截面圖。
具體實施例方式
在以下的詳細說明中，經由圖示顯示和說明了本發明的某些實施例。本領域技術人員將會認識到，在不背離本發明的精神或範圍的情況下，多種方式都可以用來修改這些說明的實施例。因此，附圖和說明應被看作本質上是說明性的，而非限制性的。
圖1為示出根據本發明一個實施例的燃料電池系統100的整體結構的示意性框圖。
參見圖1，燃料電池系統100通過重整燃料產生包含氫的重整氣體，並且通過重整氣體的氧化反應和氧化劑氣體的還原反應產生電能。
用作燃料的燃料類型可以包括包含氫的液體或氣體燃料，例如甲醇、乙醇、液態石油氣(LPG)、液化天然氣(LNG)或汽油。
用於燃料電池系統100的氧化劑氣體可以是儲存在獨立儲存罐中的氧。可替代地，包含氧的空氣可以用作氧化劑氣體。下文中，使用後者作為例子。
燃料電池系統100包括通過氫和氧反應產生電能的堆10、通過重整燃料產生重整氣體並把重整氣體供應給堆10的重整器20、把燃料供應給重整器20的燃料供應單元50和把氧供應給堆10的氧供應單元70。
堆10包括連接到重整器20和氧供應單元70上的發電器11。發電器從重整器20接收重整氣體並從氧供應單元70接收氧，以通過氫和氧的反應產生電能。發電器11被裝備在電池單元中。就是說，多個發電器11被彼此相鄰地堆疊，從而形成堆10。
一個發電器11構成燃料電池的最小單元，其中膜組件12被置於隔板16(稱為雙極板)之間。
堆10可以被構造為任何合適的聚合物電解液膜燃料電池的堆。
在本實施例中，重整器20通過利用熱的燃料催化劑反應，例如蒸汽重整反應、部分氧化反應和/或自熱反應，從燃料產生包含氫的重整氣體，並且降低重整氣體中包含的一氧化碳濃度。下面將參照圖2、圖3和圖4說明重整器20的結構。
把燃料供應給重整器20的燃料供應單元50包括用於儲存燃料的燃料罐51和用於排出儲存在燃料罐51中的燃料的燃料泵53。
氧供應單元70包括抽吸空氣並把空氣以預定抽吸壓力供應給堆10的發電器11的空氣泵71。這裡，氧供應單元70不限於包括前述的空氣泵71，可替代地，氧供應單元70可以包括具有合適結構的扇。
參見圖2和圖3，根據本實施例的重整器20包括利用熱通過燃料的重整反應產生包含氫的重整氣體的重整反應單元23，以及置於重整反應單元23中用於產生熱的熱源單元27。
在本實施例中，重整反應單元23包括具有內部空間的反應器主體24，以及包含在反應器主體24的內部空間中用於促進燃料重整反應的重整催化劑26。
反應器主體24具有封閉的圓柱體結構，它的兩端被封閉起來以形成內部空間。如下所述，反應器主體24具有容納熱源單元27的安裝部分25。安裝部分25具有圍繞區域(例如腔)25a，圍繞區域25a通過沿從反應器主體24的一端向反應器主體24的另一端的方向使反應器主體24凹進預定深度而形成。
這裡，圍繞區域25a是用於容納熱源單元27的空間。圍繞區域25a可以稱為反應器主體24的內部區域。
在反應器主體24的一端，設置了用於把燃料注入反應器主體24的內部空間的燃料注入孔24a。在反應器主體24的另一端，設置了重整氣體出口24b，用於從反應器主體24的內部空間排出通過燃料重整反應產生的重整氣體。這裡，反應器主體24可以由例如鋁、銅和/或鐵的導熱金屬製成，以易於接收(傳導)從熱源單元27產生的熱。
重整催化劑26被包含在反應器主體24的內部空間中。重整催化劑26具有其中例如鉑(Pt)和/或釕(Ru)的催化劑材料被包含在由氧化鋁(Al2O3)、二氧化矽(SiO2)和/或二氧化鈦(TiO2)製成的小球狀載體中的結構。可替代地，重整催化劑26具有其中催化劑材料被包含在具有多個平行通孔，即小室的陶瓷或金屬容器中的蜂巢結構。
在重整反應單元23中，由於使用重整催化劑26的燃料重整反應是吸熱反應，根據本實施例的重整器20包括熱源單元27，以產生用於重整反應單元23的重整反應的熱。熱源單元27具有把預定量的燃料與空氣一起點燃並燃燒來產生熱的結構。
更具體地，熱源單元27包括安裝在反應器主體24的安裝部分25中的燃燒器主體28。燃燒器主體28基本為管狀，且被置於安裝部分25的圍繞區域25a中。燃燒器主體28可以用以虛線表示的支持託架60安裝在反應器主體24中。在一個實施例中，燃燒器主體28被安裝在反應器主體24中，且與形成反應器主體24的圍繞區域25a的內壁分開，並被該內壁圍繞。
用於點燃燃料和空氣的通用點火塞28b被置於燃燒器主體28中。用於把在燃料和空氣的燃燒期間產生的高溫燃燒氣體噴射到反應器主體24的圍繞區域25a的多個噴嘴孔28a被置於燃燒器主體28中。這裡，由燃料和空氣的燃燒產生的熱具有取決於燃料類型的不同溫度。例如，在液態燃料情形，例如甲醇或乙醇，溫度在從大約200℃到350℃的範圍內，而在例如LPG或LNG的氣體燃料情形下，溫度在從大約750℃到800℃的範圍內。下文中，將說明其中熱源單元27通過燃燒氣體燃料和空氣產生熱的例子。
根據本發明，重整器20包括通道部件30。通道部件30具有把從熱源單元27產生的熱和重整氣體的熱傳輸給被供應到重整反應單元23的燃料的功能。這裡，所使用的燃料是儲存在燃料供應單元50的燃料罐51中的液體燃料。
在本實施例中，通道部件30包括傳輸燃料和重整氣體的通道，其中通道被一體地形成在通道部件30中。通道部件30被連接到重整反應單元23的反應器主體24上，並且在通道部件30以卷形卷繞在反應器主體24的外表面處具有雙管線結構。
更具體地，通道部件30包括傳輸燃料的第一通道31和傳輸從重整反應單元23排出的重整氣體的第二通道32。這裡，第二通道32被置於第一通道31的中心。
第一通道31包括置於第一通道31的一端的第一入口31a和置於第一通道31的另一端的第一出口31b。這裡，第一入口31a通過管線被連接到燃料供應單元50的燃料罐51上。第一出口31b被連接到反應器主體24的燃料注入孔24a上。
第二通道32包括置於第二通道32的一端的第二入口32a和置於第二通道32的另一端的第二出口32b。這裡，第二入口32a被連接到反應器主體24的重整氣體出口24b。第二出口32b通過管線被連接到堆10(圖1)的發電器11(圖1)。
通過使用上述結構，在運行根據本發明的重整器20時，供應例如LPG或LNG的氣體燃料以及空氣。
在此狀態，氣體燃料和空氣由點火塞28b點燃。然後，燃料和空氣在燃燒器主體28中燃燒，從而在預定溫度範圍產生熱和燃燒氣體。這裡，燃燒氣體通過燃燒器主體28的噴嘴孔28a被噴射到反應器主體24的圍繞區域25a上。
熱被供應給反應器主體24和反應器主體24中的重整催化劑26。這裡，由於根據本實施例的通道部件30以卷形卷繞在反應器主體24的外表面上，通道部件30的第一通道31被傳輸的熱加熱到預定溫度。
在此過程的另一部分中，通過驅動燃料泵53，儲存在燃料罐51中的燃料經第一通道31供應給重整反應單元23的反應器主體24。燃料以螺旋形方向沿第一通道31流動，並且接收傳輸到第一通道31的熱。通過這麼做，燃料被在預定溫度預先加熱，並被通過反應器主體24的燃料注入孔24a供應給反應器主體24的內部空間。
結果，在重整反應單元23中，通過利用熱和重整催化劑26的燃料重整反應產生了包含氫的重整氣體。重整氣體被通過反應器主體24的重整氣體出口24b排出，並被通過通道部件30的第二通道32供應給堆10的發電器11。這裡，由於通道部件30具有雙管線結構，重整氣體以螺旋形方向沿第二通道32流動，以被在相對較低溫度流過第一通道31的燃料冷卻，因而重整氣體可以被維持在對應於堆10特定運行溫度的溫度範圍內。
同時，通過驅動空氣泵71，空氣被供應給堆10的發電器11。
然後，堆10的發電器11通過重整氣體的氧化反應和空氣中包含的氧的還原反應輸出預定量的電能。
圖4為顯示根據本發明第二實施例的重整器的結構的示意性橫截面圖。
參見圖4，根據本實施例的重整器20A具有與前述實施例基本相同的結構，但是為了最大化從熱源單元27產生的熱能的熱能效率，包括了一個附加結構，用於通過重整反應單元23的圍繞區域(例如腔)25a沿重整反應單元23的外部流通熱能。
因此，根據第二實施例的重整器20A包括用於容納熱源單元27和重整反應單元23的外殼22。外殼22具有容納重整反應單元23的密封空間(由圖4中的A表示)。這裡，在一個實施例中，外殼22的內壁與重整反應單元23的外壁分開預定距離。通過這麼做，形成把由熱源單元27產生的熱從反應器主體24的圍繞區域25a流通到反應器主體24外部的流動路線。另外，外殼22具有排出在密封空間A中流通的燃燒氣體的出口(未示出)。
在本實施例中，外殼22可以用例如不鏽鋼、陶瓷和/或鋯的絕熱金屬和/或具有低導熱率的非金屬材料製成。可替代地，外殼22可以具有在外殼22內壁上的獨立絕熱層(未示出)。
另外，根據本實施例的重整器20A包括沿上述熱能流動路線的通道部件30。通道部件30與第一實施例中的基本相同。就是說，通道部件30具有第一實施例的第一通道31和第二通道32的雙管線結構，因此不再提供其詳細說明。
在根據本實施例的重整器20A運行期間，從熱源單元27產生的部分熱被通過形成圍繞區域25a的內壁傳輸到反應器主體24和反應器主體24中的重整催化劑26。剩餘熱通過圍繞區域25a流通到外殼22的密封空間A。由於通道部件30以卷形卷繞在反應器主體24的外表面上，通道部件30的第一通道31被從反應器主體24傳輸來的熱能和在密封空間A中流通的熱能在預定溫度加熱。
因此，通過驅動燃料泵53(圖1)，儲存在燃料罐51(圖1)中的燃料通過通道部件30的第一通道31被供應給重整反應單元23的反應器主體24。這裡，在燃料沿第一通道31流動期間，由從第一通道31傳輸來的熱在預定溫度預先加熱的燃料被供應給反應器主體24的內部空間。
通過這麼做，重整反應單元23通過利用催化劑26的燃料重整反應產生包含氫的重整氣體。重整氣體被通過通道部件30的第二通道32供應給堆10(圖1)的發電器11(圖1)。這裡，由於通道部件30具有雙管線結構，重整氣體以螺旋形方向沿第二通道32流動，以被以相對較低溫度流過第一通道31的燃料冷卻，因而重整氣體可以被維持在對應於堆10特定運行溫度的溫度範圍內。
圖5為顯示根據本發明第三實施例的重整器的結構的示意性橫截面圖。
參見圖5，除了具有用於降低從重整反應單元23中產生的重整氣體中包含的一氧化碳濃度的一氧化碳降低單元29之外，根據第三實施例的重整器20B具有與前述實施例基本相同的結構。
一氧化碳降低單元29被連接到重整反應單元23和堆10(圖1)兩者上。更具體地，一氧化碳降低單元29被連接到通道部件30的第二通道32上，所以連接到第二通道32的第二出口32b上的一氧化碳降低單元29接收從重整反應單元23的反應器主體24排出的重整氣體。然後連接到堆10的一氧化碳降低單元29把包含降低濃度的一氧化碳的重整氣體供應給堆10。
一氧化碳降低單元29可以包括水氣變換(WGS)反應部分(未示出)，用於降低一氧化碳濃度，並且通過重整氣體中包含的一氧化碳的水氣變換反應產生氫。可替代地，一氧化碳降低單元29可以具有優先氧化反應部分(未示出)，用於通過重整氣體中包含的一氧化碳與氧的優先一氧化碳氧化(PROX)反應降低一氧化碳濃度。
在本實施例中，一氧化碳降低單元29可以與水氣變換反應部分或優先氧化反應部分一起構造。可替代地，一氧化碳降低單元29可以與水氣變換反應部分和優先氧化反應部分一起構造。
在根據第三實施例的重整器20B運行期間，從重整反應單元23產生的重整氣體被通過通道部件30的第二通道32供應給一氧化碳降低單元29，然後一氧化碳降低單元29通過水氣變換催化劑反應和/或優先氧化反應降低重整氣體中包含的一氧化碳的濃度，並把重整氣體供應給堆10。
圖6為顯示根據本發明第四實施例的重整器結構的示意性透視圖，而圖7為圖6的橫截面圖。
參見圖6和圖7，根據第四實施例的重整器120包括重整反應單元123，用於通過利用熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；產生熱的熱源單元127；一氧化碳降低單元129，用於通過一氧化碳的催化劑反應降低重整氣體中包含的一氧化碳濃度，並把重整氣體供應給堆10(圖1)的發電器11(圖1)；熱處理單元140，用於調整供應給一氧化碳降低單元129的熱能。
重整反應單元123包括具有內部空間的第一反應器主體124，以及包含在第一反應器主體124的內部空間中促進燃料重整反應的重整催化劑126。
這裡，第一反應器主體124具有封閉的圓柱體結構，它的兩端被封閉起來以形成內部空間。第一反應器主體124具有容納熱源單元127的安裝部分125。安裝部分125具有圍繞區域(例如腔)125a，圍繞區域125a通過沿從第一反應器主體124的一端向第一反應器主體124的另一端的方向使第一反應器主體124凹進預定深度形成。圍繞區域(例如腔)125a是用於容納熱源單元127的空間。圍繞區域125a可以稱為第一反應器主體124的內部區域。在第一反應器主體124的一端，設置了用於把燃料注入進第一反應器主體124的內部空間的第一注入孔124a。在第一反應器主體124的另一端設置第一出口124b，用於從第一反應器主體124的內部空間排出通過燃料重整反應產生的重整氣體。
熱源單元127具有把氣體燃料與空氣一起點燃並燃燒的結構。熱源單元127具有安裝在第一反應器主體124的安裝部分125中的燃燒器主體128。燃燒器主體128基本為具有多個噴嘴孔128a的管狀，且被置於安裝部分125的圍繞區域125a中。
由於重整反應單元123和熱源單元127具有與第一實施例基本相同的結構，因此不再提供其詳細說明。
一氧化碳降低單元129被連接到第一反應器主體124和堆10(圖1)兩者上。一氧化碳降低單元129接收從第一反應器主體124排出的重整氣體，並把包含降低了濃度的一氧化碳的重整氣體供應給堆10。
一氧化碳降低單元129包括具有內部空間的第二反應器主體129a和包含在該內部空間中的催化劑129b。催化劑129b被用來促進重整氣體中包含的一氧化碳的催化劑反應，例如水氣變換(WGS)反應和/或優先一氧化碳氧化(PROX)反應。
第二反應器主體129a具有封閉的圓柱體結構，它的兩端被封閉起來以形成內部空間。第二反應器主體129a具有第二注入孔129c，用於把從第一反應器主體124排出的重整氣體注入內部空間中；第二出口129d，用於排出被催化劑129b降低一氧化碳濃度的重整氣體。這裡，第二出口129d被通過管線連接到堆10(圖1)的發電器11(圖1)上。
在第四實施例中，熱處理單元140具有外殼122，用於通過第一反應器主體124的圍繞區域125a以及第一反應器主體124和第二反應器主體129a的外部流通從熱源單元127產生的熱。
外殼122具有完全容納熱源單元127、第一反應器主體124和第二反應器主體129a的密封空間(由圖7中的B表示)。這裡，在一個實施例中，外殼122的內壁與第一反應器主體124的外壁和第二反應器主體129a的外壁分開預定距離。另外，外殼122可以用例如不鏽鋼、陶瓷和或鋯的絕熱金屬和/或具有低導熱率的非金屬材料製成。
從熱源單元127產生的熱被通過外殼122的密封空間B以及第一反應器主體124和第二反應器主體129a的外部從第一反應器主體124的圍繞區域125a流通。
另外，根據第四實施例的熱處理單元140進一步包括第一通道141和第二通道142，以把燃料流通到第一反應器主體124和第二反應器主體129a的外表面，並且把從第一反應器主體124排出的重整氣體流通到第二反應器主體129a的外表面。
第一通道部件141具有傳輸從燃料供應單元50(圖1)的燃料罐51(圖1)供應的燃料的路徑。第一通道部件141被放置與第一反應器主體124的外表面接觸，並被構造為以卷形卷繞在第一反應器主體124外表面上的管子。也就是說，第一通道部件141具有沿關於第一反應器主體124外表面的螺旋形方向傳輸燃料的路徑。第一通道部件141包括具有單管形狀的第一通道143，其一端被連接到第一反應器主體124的第一注入孔124a上，而另一端被連接到第二通道部件142上。
第二通道部件142包括用於傳輸燃料和重整氣體的通道，其中通道被一體地形成在第二通道部件142中。第二通道部件142被放置與第二反應器主體129a的外表面接觸並具有雙管線結構，其中第二通道部件以卷形卷繞在第二反應器主體129a的外表面上。
第二通道部件142包括傳輸燃料的第二通道144和傳輸從第一反應器主體124排出的重整氣體的第三通道145，其中第三通道145被置於第二通道144的中心。
第二通道144具有置於第二通道144一端的第一入口144a和置於第二通道144另一端的第一出口144b。這裡，第一入口144a通過管線被連接到燃料供應單元50(圖1)的燃料罐51(圖1)上。第一出口144b被連接到第一通道143的另一端上。
第三通道145具有置於第三通道145一端的第二入口145a和置於第三通道145另一端的第二出口145b。這裡，第二入口145a被連接到第一反應器主體124的第一出口124b，而第二出口145b被連接到第二反應器主體129a的第二注入孔129c。
在根據第四實施例的重整器120運行期間，一部分從熱源單元127產生的熱能被通過第一反應器主體124的圍繞區域125a供應給第一反應器主體124和第一反應器主體124中的重整催化劑126。剩餘部分的熱能被從圍繞區域125a流通到外殼122的密封空間B。
在此過程中，由於第一通道部件141的第一通道143以卷形卷繞在第一反應器主體124的外表面上，第一通道143被供應給第一反應器主體124的熱能和流通到外殼122的密封空間B的熱能在預定溫度加熱。另外，由於第二通道部件142的第二通道144卷繞在第二反應器主體129a的外表面上，第二通道部件142被流通到外殼122的密封空間B的熱能在預定溫度加熱。
此後，在燃料供應單元50(圖1)已經把燃料供應給第二通道144時，燃料以螺旋形方向沿第二通道144並以螺旋形方向沿第一通道143流動。由於第一通道143和第二通道144被維持在加熱狀態，燃料被傳輸的熱能在預定溫度預先加熱，並且預先加熱的燃料被供應給第一反應器主體124的內部空間。結果，重整反應單元123通過利用熱和重整催化劑126的燃料重整反應產生包含氫的重整氣體。
重整氣體被通過第一反應器主體124的第一出口124b排出，流過第二通道部件142的第三通道145，並且通過第二反應器主體129a的第二注入孔129c流進第二反應器主體129a的內部空間。這裡，由於根據本實施例的第二通道部件142具有雙管線結構，重整氣體以螺旋形方向沿第三通道145流動，以被在相對較低溫度流過第二通道144的燃料冷卻，因而重整氣體可以被維持在對應於堆10特定運行溫度的溫度範圍內。
通過這麼做，一氧化碳降低單元129通過水氣變換催化劑反應和/或一氧化碳的優先氧化反應降低重整氣體中包含的一氧化碳濃度，並通過第二反應器主體129a的第二出口129d排出重整氣體，以把重整氣體供應給堆10(圖1)的發電器11(圖1)。
將以一個通過點燃和燃燒氣體燃料和空氣產生熱的熱源單元127的例子，更詳細地說明根據第四實施例的重整器120的運行。在此例子中，熱源單元127產生在從大約750℃到800℃範圍內的熱能。部分熱能被傳輸給重整反應單元123，而另外一部分熱能由熱處理單元140傳輸到供應給重整單元123的燃料。
因此，燃料可以被維持在對應於重整反應單元123的特定運行溫度的溫度的預熱狀態，也就是在從大約450℃到500℃的範圍內。然後，重整反應單元123通過使用重整催化劑126的燃料重整反應產生維持在從大約600℃到700℃溫度範圍內的重整氣體。另外，從重整反應單元123排出並由熱處理單元140維持在大約200℃溫度的重整氣體被供應給一氧化碳降低單元129。大約200℃的溫度對應於一氧化碳降低單元129的特定運行溫度。
另外，一氧化碳降低單元129通過水氣變換催化劑反應和/或優先氧化反應降低重整氣體中包含的一氧化碳濃度，並把重整氣體供應給堆10(圖1)。
根據本發明，由重整器的熱源單元產生的熱能被通過密封空間從重整反應單元流通到其外部，因此可以迅速傳輸重整反應單元的反應所需要的熱能。結果，可以改進反應效率和整個重整器的熱效率。
另外，根據本發明，重整器具有重整反應單元包圍熱源單元的結構，因此可以實現尺寸緊湊的系統。
進一步，根據本發明，重整器具有能夠供應在對應於重整反應單元和一氧化碳降低單元運行溫度的溫度範圍內的熱能的熱處理單元，因此可以最大化整個重整器的運行效率。
儘管連同某些實施例說明了本發明，本領域技術人員應該理解，本發明不受限於這些公開的實施例，但是正相反，覆蓋了包括在附加權利要求及其等同的精神和範圍內的各種修改。
權利要求
1.一種燃料電池系統的重整器，該重整器包括適於產生熱的熱源單元；重整反應單元，適於通過利用所述熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；和通道部件，連接到所述重整反應單元，並具有適於傳輸所述燃料和重整氣體的多個通道，其中所述通道被一體地形成在所述通道部件中。
2.如權利要求1所述的重整器，其中所述重整反應單元包括適於圍繞所述熱源單元的圍繞區域；和具有容納重整催化劑的預定內部空間的反應器主體；並且所述反應器主體包括適於把所述燃料注入所述反應器主體的燃料注入孔；和適於把所述重整氣體排出所述反應器主體的重整氣體出口。
3.如權利要求2所述的重整器，其中所述通道部件被形成卷形，以卷繞所述反應器主體的外表面。
4.如權利要求3所述的重整器，其中所述通道部件包括適於傳輸所述燃料的第一通道；和置於該第一通道的中心並傳輸所述重整氣體的第二通道。
5.如權利要求4所述的重整器，其中所述第一通道包括置於該第一通道的一端的燃料入口；和置於該第一通道的另一端的燃料出口；並且所述燃料出口被連接到所述反應器主體的燃料注入孔上。
6.如權利要求5所述的重整器，其中所述第二通道包括置於該第二通道的一端的重整氣體入口；和置於該第二通道的另一端的重整氣體出口；並且所述重整氣體入口被連接到所述反應器主體的重整氣體出口上。
7.如權利要求2所述的重整器，其中所述熱源單元包括燃燒器主體，該燃燒器主體置於所述重整反應單元的圍繞區域中，以通過點燃和燃燒預定量的燃料產生所述熱。
8.如權利要求7所述的重整器，進一步包括具有密封空間的外殼，該外殼適於整個容納所述熱源單元和重整反應單元，以將所述熱從所述圍繞區域流通到該密封空間。
9.如權利要求6所述的重整器，進一步包括一氧化碳降低單元，該一氧化碳降低單元連接到所述第二通道的重整氣體出口，以降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度。
10.一種燃料電池系統的重整器，該重整器包括適於產生熱的熱源單元；重整反應單元，適於通過利用所述熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；一氧化碳降低單元，連接到所述重整反應單元，以降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度；和熱處理單元，置於所述重整反應單元和一氧化碳降低單元外部，以調整供應給所述重整反應單元和一氧化碳降低單元的熱能。
11.如權利要求10所述的重整器，其中所述重整反應單元包括具有容納第一催化劑的第一預定內部空間的第一反應器主體；並且所述第一反應器主體包括適於把所述燃料注入所述第一內部空間的第一注入孔；適於把所述重整氣體從所述第一內部空間排出的第一出口；和適於圍繞所述熱源單元的圍繞區域。
12.如權利要求11所述的重整器，其中所述熱源單元包括燃燒器主體，該燃燒器主體置於所述圍繞區域中，以通過點燃和燃燒預定量的燃料產生所述熱，該燃燒器主體具有多個噴嘴孔。
13.如權利要求12所述的重整器，其中所述一氧化碳降低單元包括具有容納第二催化劑的第二預定內部空間的第二反應器主體；並且所述第二反應器主體包括適於把所述重整氣體注入所述第二內部空間的第二注入孔；和適於把所述重整氣體從所述第二內部空間排出的第二出口。
14.如權利要求13所述的重整器，其中所述熱處理單元包括具有密封空間的外殼，該外殼適於整個容納所述燃燒器主體、第一反應器主體和第二反應器主體，以將所述熱從所述圍繞區域流通到該密封空間。
15.如權利要求14所述的重整器，其中所述外殼包括從包含絕熱陶瓷、不鏽鋼、鋯及其組合物的組中選擇的材料。
16.如權利要求14所述的重整器，其中所述熱處理單元包括第一通道部件，具有卷形，以卷繞所述第一反應器主體的外表面，並適於流通所述燃料；和第二通道部件，連接到所述第一通道部件上並且具有多個通道，所述通道具有卷形，以卷繞所述第二反應器主體的外表面上，並適於流通所述燃料和重整氣體；並且所述通道被一體地形成在所述第二通道部件。
17.如權利要求16所述的重整器，其中所述第一通道部件包括第一通道，該第一通道的一端連接到所述第一反應器主體的第一注入孔，另一端連接到所述第二通道部件。
18.如權利要求17所述的重整器，其中所述第二通道部件包括適於傳輸所述燃料的第二通道；和置於該第二通道的中心並傳輸所述重整氣體的第三通道。
19.如權利要求18所述的重整器，其中所述第二通道包括置於該第二通道的一端的第一通道入口；和置於該第二通道另一端的第一通道出口；並且所述第一通道出口被連接到所述第一通道的另一端。
20.如權利要求19所述的重整器，其中所述第三通道包括置於該第三通道一端的第二通道入口；和置於該第三通道另一端的第二通道出口；所述第二通道入口被連接到所述第一反應器主體的第一出口上；並且所述第二通道出口被連接到所述第二反應器主體的第二注入孔上。
21.一種燃料電池系統的重整器，該重整器包括適於產生熱的熱源單元；重整反應單元，適於通過利用所述熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體，該重整反應單元具有適於圍繞所述熱源單元的圍繞區域；和熱處理單元，置於所述重整反應單元外部，以調整供應給所述重整反應單元的熱能，並且具有適於傳輸所述燃料和重整氣體的多個通道，其中至少一個通道被形成為卷形，以卷繞所述重整反應單元的外表面。
22.如權利要求21所述的重整器，其中所述多個通道包括適於傳輸所述燃料的第一通道；和置於該第一通道的中心並傳輸所述重整氣體的第二通道。
23.如權利要求21所述的重整器，其中所述熱處理單元包括具有密封空間的外殼，該外殼適於整個容納所述熱源單元和重整反應單元，以將所述熱從所述熱源單元流通到該密封空間。
24.如權利要求21所述的重整器，進一步包括一氧化碳降低單元，該一氧化碳降低單元被連接到所述重整反應單元，以降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度。
25.如權利要求24所述的重整器，其中所述多個通道包括第一通道，具有卷形，以卷繞所述重整反應單元的外表面，並且適於流通所述燃料；第二通道，具有卷形，以卷繞所述一氧化碳降低單元的外表面，並且適於流通所述燃料；和第三通道，置於該第二通道的中心，以傳輸所述重整氣體。
26.如權利要求25所述的重整器，其中所述第一通道被連接到所述重整反應單元的注入孔和第二通道上；並且所述第三通道被連接到所述重整反應單元的出口和所述一氧化碳降低單元的注入孔上。
全文摘要
一種燃料電池系統的重整器，包括產生熱的熱源單元；重整反應單元，用於通過利用熱的燃料重整反應從燃料產生包含氫的重整氣體；一氧化碳降低單元，連接到重整反應單元來降低所述重整氣體中包含的一氧化碳的濃度；置於所述重整反應單元和一氧化碳降低單元外部的熱處理單元，以調整供應給所述重整反應單元和熱處理單元的熱能。
文檔編號H01M8/02GK1783563SQ20051012437
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月29日 優先權日2004年11月29日
發明者安聖鎮, 金周龍, 權鎬真 申請人:三星Sdi株式會社