专利名称：具有高耐久性的重整器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种具有高耐久性的重整器。
背景技术：
近些年来，由于对环境污染的关注，已经开发出各种可替换的且污染较少的能源， 例如具有相对高的能量效率的燃料电池。燃料电池是通过氢和氧的电化学反应将化学能量直接转化成电能的装置(或者 一种能源)。根据燃料电池的电解质的类型，将燃料电池分为聚合电解质燃料电池、固体氧 化物燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。在聚合电解质燃料电池中使用的氢通常从重整自烃 燃料(例如，甲烷、液化石油气(LPG)、汽油等)的重整油(reformate)获得。由于在储存和 运输纯氢方面存在困难，所以该重整过程是必需的。重整油可以是由烃燃料的蒸汽重整反 应产生的蒸汽类重整油。这里，在使用蒸汽类重整油的大多数燃料电池系统中，需要加热单 元来提供用于蒸汽重整反应的热。在重整过程中，在由电堆产生电子后，重整油和其它剩余的材料从电堆的阳极排 出，并将这种排放物称作阳极废气(AOG)。在现有技术中，通过使用另外的催化燃烧室来燃 烧AOG和/或将AOG与大气气体混合，以减小其它排放气体(例如，AOG中的H2、CO和CH4) 的浓度。然而，随着全世界环境标准提高，期望并需要在制造可在室内环境中使用的燃料 电池中更加积极地管理A0G。另外，考虑到AOG气体的主要组分之一是氢(H2),并且为了满 足大气污染的环境问题，急切地期望或需要在技术上开发出用于燃烧AOG气体的方法，从 而能够处理A0G，并能够提高重整器的效率。为此，本发明的实施例提供一种通过使AOG返回至重整器的加热单元来氧化或燃 烧AOG的重整器，从而提高热效率，并满足特定的环境要求。然而，由于重整油的氧化、加热 单元燃料的氧化和/或AOG的氧化，重整器具有特有的高温大气，从而产生多个热区。这 样，需要开发出能够减轻或分配这些热区的设计。即，为了使重整器在不劣化或损坏的情况 下能够长时间工作，如上所述，由热膨胀和收缩的循环产生的热冲击应当通过减轻或分配 热区来减小或被最小化，由此减小由于对重整器的热应力而导致的劣化和损坏或使其最小 化。然而，因为加热单元在高温气氛下操作，所以用于分配和减轻热区的方法对于重 整器的寿命的管理而言可能难以令人满意。这样，需要并期望更加积极的保护结构。
发明内容
本发明实施例的一方面涉及一种重整器，所述重整器具有通过在重整器的引入阳 极排放气体并产生热变形(或扭曲)的一部分中使用耐热防护罩而能够减小由热变形引起 其损坏的结构。本发明实施例的一方面涉及一种用于燃料电池的重整器，所述重整器具有能够保 护其重整单元免于因热膨胀而扭曲的结构。本发明的实施例提供了通过适当地分配产生热区的点来减小或防止燃烧器的压 力由于劣化而增大的机构。这些适当地分配的点是阳极排放气体引入到重整器的加热单元 中和/或阳极排放气体的氧化的点。本发明的实施例提供了用于使重整器的燃烧器周围由于高温气氛导致的热变形 (或扭曲)减小或最小化的机构。本发明的实施例提供了通过提高排放气体的燃烧效率来提高重整器的效率的机 构。具体而言，本发明的实施例提供了一种耐热的重整器。所述重整器包括加热单 元；第一燃烧器，被构造成在加热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料；第二燃烧器， 被构造成在加热单元的第二端处容纳并氧化阳极废气；重整单元，具有围绕加热单元的第 一重整部分、围绕第一重整部分的第二重整部分以及位于第二重整部分外部且将第一重整 部分和第二重整部分连接以在第一重整部分和第二重整部分之间提供流体连通的流动路 径部分；耐热防护罩，在流动路径部分和第二燃烧器之间。这里，耐热防护罩保护重整单元 (具体为流动路径部分)免于因加热单元导致的热膨胀(例如，由于在第二燃烧器处产生的 热)而扭曲。在一个实施例中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成将阳极废气排到加热单元 中，耐热防护罩与喷嘴的至少一部分叠置。在一个实施例中，耐热防护罩接触流动路径部分的最里面的壁的面对第二燃烧器 的表面。在一个实施例中，耐热防护罩通过点焊被固定到流动路径部分的最里面的壁的面 对第二燃烧器的外围表面。在一个实施例中，流动路径部分还包括叶片，叶片被构造成保护流动路径部分免 于因热膨胀而扭曲。这里，叶片被构造成进一步保护流动路径部分免于因热膨胀而扭曲和 /或改善在流动路径部分中流动的流体的分配。在一个实施例中，叶片在流动路径部分中位于沿相对于加热单元的中心轴的直径 方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分的最里面的壁的背离第二燃烧器的表面和流 动路径部分的底板。在一个实施例中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成沿与加热单元的中心轴垂 直的方向排出阳极废气。在一个实施例中，第一重整部分具有被构造成执行蒸汽重整反应的第一空间。在一个实施例中，第二重整部分具有被构造成执行水气转化(WGS)反应的第二空间。在一个实施例中，流动路径部分在第二重整部分或第一重整部分的外部。在一个实施例中，流动路径部分在第二重整部分和第一重整部分的外部。
本发明的实施例提供一种重整器，所述重整器包括加热单元；第一燃烧器，被构 造成在加热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料；第二燃烧器，被构造成在加热单元 的第二端处容纳并氧化阳极废气(AOG)；重整单元，包括围绕加热单元的第一重整部分、围 绕第一重整部分的第二重整部分以及将第一重整部分和第二重整部分连接以在第一重整 部分和第二重整部分之间提供流体连通的流动路径部分。这里，流动路径部分包括叶片，叶 片被构造成保护流动路径部分免于因热膨胀而扭曲和/或改善在流动路径部分中流动的 流体的分配。在一个实施例中，叶片在流动路径部分中位于沿相对于加热单元的中心轴的直径 方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分的最里面的壁的背离第二燃烧器的表面和流 动路径部分的底板。在一个实施例中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成沿与加热单元的中心轴垂 直的方向排出阳极废气。在一个实施例中，第一重整部分具有被构造成执行蒸汽重整反应的第一空间。在一个实施例中，第二重整部分具有被构造成执行水气转化(WGS)反应的第二空 间。在一个实施例中，流动路径部分在第二重整部分或第一重整部分的外部。在一个实施例中，流动路径部分在第二重整部分和第一重整部分的外部。这里，根据本发明实施例的重整器可以通过在重整器的阳极排放气体被引入到重 整器的加热单元和被氧化的部分处适当地分配产生热区的点来防止或阻止燃烧器的压力 由于劣化而增大。此外，本发明的实施例可以通过在流动路径部分和燃烧器之间形成防护罩来防止 或阻止燃烧器的相邻组件由于热膨胀率的差异而发生扭曲。另外，本发明的实施例可以通过叶片提高(增加)流动路径部分的最里面的侧壁 的硬度来防止热扭曲(变形)和/或改善催化剂的热导率和/或改善流体在流动路径部分 中的分配。另外，本发明的实施例可以通过提高排放气体的燃烧效率来提高重整器的效率。因此，根据本发明的实施例，通过提高重整器的效率和可靠性，可以以环境友好的 方式操作重整器，并延长重整器的寿命。
附图与说明书一起对本发明的示例性实施例进行举例说明，并与描述一起用于解 释本发明的原理。图1是示意性地示出根据本发明实施例的重整器的构造的纵向剖视图。图2是示意性地示出根据本发明实施例的重整器的构造的横向剖视图。图3是示出在具有双氧化结构的重整器中产生的裂纹的纵向剖视图。图4A是示出根据本发明实施例提供的防护罩(shield)的状态的纵向剖视图。图4B是示出图4A的防护罩的焊点(W)到流动路径部分的的位置的平面图。图5是用于描述本发明实施例的防护罩的分解透视图。图6是示出根据本发明实施例的每条管道具有四个喷嘴的第二燃烧器的透视图和纵向剖视图，总共在两条管道中水平布置这四个喷嘴。图7是示出根据本发明实施例的每条管道具有六个喷嘴的第二燃烧器的透视图 和纵向剖视图，总共在两条管道中水平布置这六个喷嘴。图8是用于示出根据本发明实施例的叶片(blade)的剖开透视图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。如果具体定义或提及，则在本发明的 实施例中使用的表示方向的诸如“上、下、左和右”的术语基于在附图中显示的状态。图1示意性地示出根据本发明实施例的重整器。参照图1，重整器包括加热单元 20 ；重整单元，由第一重整部分12、第二重整部分10和将第一重整部分12和第二重整部分 10连接以处于液体连通的流动路径部分(或连接器)11 ；第一燃烧器21 ；第二燃烧器22。 在下文中，将更详细地描述重整器的上述组件。如图1所示，重整器具有加热单元20，加热单元20位于重整器的中心，并沿重整器 的中心轴(纵向中心轴)延伸。加热单元20具有中空的圆柱形或多边形形状。如图2所 示，围绕加热单元20的第一重整部分12设置在加热单元20的外部，围绕第一重整部分12 的第二重整部分10设置在第一重整部分12的外部。此外，第一重整部分12和第二重整部 分10在它们的底部通过流动路径部分(或连接器)11彼此相连，从而处于液体连通状态。 这里，流动路径部分11在第二重整部分10和/或第一重整部分12的外部。流动路径部分 11由顶板Ila和底板lib构成。流动路径部分11焊接到第一重整部分12和第二重整部分 10的底部上，从而将它们密封。设置了根据本发明实施例的热结构，该热结构在重整器的中心(中心轴)处具有 其最高的温度，温度从重整器的中心轴沿向外方向降低，由此保持均勻的氧化温度。另外，分别容纳和氧化加热单元燃料以及阳极废气(AOG)的第一燃烧器21和第二 燃烧器22设置在加热单元20的第一端和第二端处。这里，加热单元燃料是所提供的诸如 液化石油气(LPG)等的初级燃料或者包括诸如液化石油气(LPG)等的初级燃料，以保持加 热单元20的温度。AOG是在通过电发生器(例如，由一个或多个燃料电池等构成)中的氧 化反应产生电之后作为主要组分从阳极排出的未燃烧的含氢气体。在一个实施例中，提供 并氧化加热单元燃料的第一燃烧器21设置在加热单元20的第一端(例如，顶部或顶端) 处或设置在加热单元20的第一端上，再提供并氧化AOG的第二燃烧器22设置在加热单元 20的第二端(例如，底部或底端)处或设置在加热单元20的第二端上。第二燃烧器22具有喷嘴，从而沿与加热单元20的中心轴垂直的方向排出AOGjn 图6和图7所示。即，相对于第二燃烧器22的喷嘴，多个喷嘴沿横向方向形成，以提高AOG 的混合效果或者使其最大化，并减少在第一氧化物催化剂层处或在第一氧化物催化剂层附 近集中的任何热区，如图6所示。重整器的基本反应如下。即，当向加热单元20供给加热单元燃料(例如，LPG等)， 以保持重整所需的温度时，通过从加热单元20传输的热在第一重整部分12中重整燃料电 池(即，重整蒸汽SR)。S卩，第一重整部分12具有被构造成执行蒸汽重整反应的第一空间。 将此时产生的重整油提供到发生器，其中，一氧化碳通过流动路径部分11和第二重整部分 10的催化剂层中的水气转化(WGS)反应被还原。这里，第二重整部分10具有被构造成执行WGS反应的第二空间。在重整器中产生的7LPM的重整油(不多于71%的H2、不多于25% 的CO2、不多于的CH4)通过发生器(例如，电堆)产生电，然后，剩余的重整油(不多于 47%的H2、不多于45%的CO2、不多于的CH4、余量的N2)的产生量为大约4. 3LPM(升每 分钟)。即，根据本发明的实施例，使用产生量为大约5SLPM(标准升每分钟)的大约3SLPM 的氢来产生电，2SLPM的氢作为剩余气体(即，A0G)剩余下来。如上所述产生的AOG通过第 二燃烧器22被提供到加热单元20中，然后被初步还原，并转化成热。执行评估热区和AOG对外围设备的影响的试验操作。因此，如图3所示，第一重整 部分12的内外围表面的底部在高温气氛下因热膨胀而变形(扭曲)，因此，流动路径部分 11的顶板Ila和底板lib抑制热膨胀导致的变形。然后，顶板Ila和底板lib由于高温而 同时变形(扭曲)，和/或与第一重整部分12的焊点(或焊接点)因此在变形过程中被损 坏。变形强度受到热强度(A0G中的氢的量和浓度)、重整器操作(打开_关闭)逻辑的热 冲击条件以及材料(例如，构成重整器的SUS钢)的特性的影响。在本发明的一个实施例中，上述问题通过热转化的结构加强来解决。即，如图4A、 图4B和图5所示，设置防护罩30。在一个实施例中，防护罩(或耐热防护罩)30与第二燃 烧器22的喷嘴的至少一部分叠置。在防护罩30中，耐热构件相比而言耐热，并可以由SUS 310构成，SUS310被形成为 具有中空的圆柱形形状(例如，中空的圆筒)，并被固定至流动路径部分11的最里面的壁的 面对第二燃烧器22的外围表面。这里，防护罩30和流动路径部分11的最里面的壁优选地 通过利用焊点的点焊接来固定，焊点即使在热膨胀时仍以设定的或预定的自由度膨胀。艮口， 耐热防护罩30通过一个或多个焊点接触和/或固定到流动路径部分11的最里面的壁的面 对第二燃烧器22的外围表面。具体而言，图4B是示出防护罩(或耐热防护罩)30上的焊点(W)的位置的平面 图。例如，如图4B所示，焊点(W)布置(焊接)在耐热防护罩30的外围表面的若干个位置 上。这里，在一个实施例中，当防护罩30被加热时，防护罩30可以向上扩展，并从焊接位置 示出，从而减小热应力。此外，在一个实施例中，焊点应当以均勻的方式彼此隔开，并应当具 有均勻的尺寸，从而均勻地分配热膨胀作用。除了防护罩30之外或者作为防护罩30的替代方案，还可以提供叶片15，如图8所 示。图8是流动路径部分11中的催化剂层的透视分解剖视图，以示出叶片的结合位置。这 里，叶片15是具有平面形状的构件，叶片15的结构通过将流动路径部分11的最里面的壁 的外围表面的底部和流动路径部分11的底板lib相固定来积极地防止流动路径部分11的 最里面的壁由于热膨胀而变形(扭曲)。设置多个叶片15，以阻止或防止流动路径部分11 的最里面的壁由于热膨胀而变形(扭曲)，和/或更有效地将热传输到催化剂，和/或改善 在流动路径部分11中流动的流体的分配。在一个实施例中，叶片15设置在沿热膨胀的大 致方向(即，基于加热单元20的中心轴的直径方向)的延长线上，从而有效地支撑流动路 径部分11的最里面的壁。更详细地说，流动路径部分11被形成为包括叶片15，叶片15被构造成保护流动路 径部分11由于热膨胀而扭曲和/或提高在流动路径部分11中流动的流体的分配。这里， 在一个实施例中，叶片50在流动路径部分11中形成在沿相对于加热单元20的中心轴的直 径方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分11的最里面的壁的底部和流动路径部分的底板lib。S卩，叶片50在流动路径部分11中位于沿相对于加热单元20的中心轴的直径 方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分11的最里面的壁的背离第二燃烧器22的表 面和流动路径部分11的底板lib。综上所述，根据本发明的实施例，用于燃料电池的耐久重整器设置有能够保护重 整单元免于因热膨胀而扭曲的结构。重整器包括加热单元；第一燃烧器，被构造成在加 热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料；第二燃烧器，被构造成在加热单元的第二端 处容纳并氧化阳极废气；重整单元，具有围绕加热单元的第一重整部分、围绕第一重整部分 的第二重整部分以及位于第二重整部分外部并将第一重整部分和第二重整部分连接以在 它们之间提供流体连通的流动路径部分；耐热防护罩，位于流动路径部分和第二燃烧器之 间。这里，耐热防护罩保护重整单元(具体为流动路径部分)免于因加热单元导致的热膨 胀(例如，由于在第二燃烧器处产生的热)而扭曲。另外，流动路径部分可以形成有叶片， 叶片被构造成进一步保护连接器免于因热膨胀而扭曲。虽然已经结合特定的示例性实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限 于公开的实施例，而是，在不脱离权利要求书及其等价物的精神的范围内，本发明可以由具 有高耐久性的各种重整器来实现。
权利要求
1.一种重整器，所述重整器包括 加热单元；第一燃烧器，被构造成在加热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料； 第二燃烧器，被构造成在加热单元的第二端处容纳并氧化阳极废气； 重整单元，包括围绕加热单元的第一重整部分、围绕第一重整部分的第二重整部分以 及将第一重整部分和第二重整部分连接以在第一重整部分和第二重整部分之间提供流体 连通的流动路径部分；耐热防护罩，在流动路径部分和第二燃烧器之间。
2.根据权利要求1所述的重整器，其中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成将阳极废 气排到加热单元中，其中，耐热防护罩与喷嘴的至少一部分叠置。
3.根据权利要求1所述的重整器，其中，耐热防护罩接触流动路径部分的最里面的壁 的面对第二燃烧器的表面。
4.根据权利要求1所述的重整器，其中，耐热防护罩通过点焊被固定到流动路径部分 的最里面的壁的面对第二燃烧器的外围表面。
5.根据权利要求1所述的重整器，其中，流动路径部分还包括叶片，叶片被构造成保护 流动路径部分免于因热膨胀而扭曲。
6.根据权利要求1所述的重整器，其中，叶片在流动路径部分中位于沿相对于加热单 元的中心轴的直径方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分的最里面的壁的背离第二 燃烧器的表面和流动路径部分的底板。
7.根据权利要求1所述的重整器，其中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成沿与加热 单元的中心轴垂直的方向排出阳极废气。
8.根据权利要求1所述的重整器，其中，第一重整部分具有被构造成执行蒸汽重整反 应的第一空间。
9.根据权利要求1所述的重整器，其中，第二重整部分具有被构造成执行水气转化反 应的第二空间。
10.根据权利要求1所述的重整器，其中，流动路径部分在第二重整部分或第一重整部 分的外部。
11.根据权利要求1所述的重整器，其中，流动路径部分在第二重整部分和第一重整部 分的外部。
12.—种重整器，所述重整器包括 加热单元；第一燃烧器，被构造成在加热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料； 第二燃烧器，被构造成在加热单元的第二端处容纳并氧化阳极废气； 重整单元，包括围绕加热单元的第一重整部分、围绕第一重整部分的第二重整部分以 及将第一重整部分和第二重整部分连接以在第一重整部分和第二重整部分之间提供流体 连通的流动路径部分，其中，流动路径部分包括叶片，叶片被构造成保护流动路径部分免于因热膨胀而扭曲。
13.根据权利要求12所述的重整器，其中，叶片在流动路径部分中位于沿相对于加热 单元的中心轴的直径方向延伸的延长线上，并固定到流动路径部分的最里面的壁的背离第二燃烧器的表面和流动路径部分的底板。
14.根据权利要求12所述的重整器，其中，第二燃烧器包括喷嘴，喷嘴被构造成沿与加 热单元的中心轴垂直的方向排出阳极废气。
15.根据权利要求12所述的重整器，其中，第一重整部分具有被构造成执行蒸汽重整 反应的第一空间。
16.根据权利要求12所述的重整器，其中，第二重整部分具有被构造成执行水气转化 反应的第二空间。
17.根据权利要求12所述的重整器，其中，流动路径部分在第二重整部分或第一重整 部分的外部。
18.根据权利要求12所述的重整器，其中，流动路径部分在第二重整部分和第一重整 部分的外部。
全文摘要
本发明提供一种重整器，所述重整器包括加热单元；第一燃烧器，用于在加热单元的第一端处容纳并氧化加热单元燃料；第二燃烧器，用于在加热单元的第二端处容纳并氧化阳极废气；重整单元，包括围绕加热单元的第一重整部分、围绕第一重整部分的第二重整部分以及将第一重整部分和第二重整部分连接以在第一重整部分和第二重整部分之间提供流体连通的流动路径部分；耐热防护罩，在流动路径部分和第二燃烧器之间。这里，耐热防护罩保护重整单元免于因加热单元导致的热膨胀而扭曲。另外，流动路径部分可以形成有叶片，叶片被构造成进一步保护连接器免于因热膨胀而扭曲。
文档编号H01M8/06GK102110833SQ20101051633
公开日2011年6月29日 申请日期2010年10月18日 优先权日2009年12月24日
发明者孙寅赫, 安镇九, 崔钟鹿, 申又澈 申请人:三星Sdi株式会社