专利名称：定制流路的基底的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃料电池系统，具体而言涉及燃料处理反应器的催化部件之内的基底，该基底用于定制流路以提供反应气体的有效混合，并用以打破主体气流与基底之间的边界层以加强其内的传质速率。
背景技术：
作为各种应用中的动力来源，燃料电池已经被使用并且正被进一步研究。例如，已经提议将燃料电池用于电动车辆的发电装置中以替代内燃机。在一种特殊类型的燃料电池中，即质子交换膜(PEM)燃料电池中，将氢气(H2)供应到燃料电池的阳极，将氧气(O2)作为氧化剂提供到阴极。通常，PEM燃料电池进一步包含膜电极组件(MEA)，该膜组件是一层能传送质子且不导电的固体聚合物电解质薄膜，该膜的一个面上有阳极催化剂，另一个面上有阴极催化剂。将MEA置于一对导电元件之间，(1)充当阳极和阴极的电流收集器，并且(2)其内包含有适宜的通道和/或开孔，以在相应的阳极和阴极催化剂表面上分配燃料电池的气态反应物。
在PEM燃料电池中，H2是阳极反应物(即燃料)，O2是阴极反应物(即氧化剂)。H2燃料可以是含在重整产品中的(～40-50体积％)形式，或是“纯”H2。O2也可以是纯的，或是空气(O2与N2的混合物)、或是与其它气体结合的O2。
对于交通工具中的应用，烃(例如汽油)是燃料电池极希望的氢源。这种液态燃料随车携带易于储存，并且有遍布全国的燃料供应基础设施。另外可选择的燃料包括醇(例如甲醇或乙醇)和天然气。然而，必须将这些燃料离解以释放其所含的氢才能为燃料电池提供燃料，离解反应在化学燃料处理器中完成。燃料处理器包含一个或多个反应器，在这些反应器中燃料与蒸汽(类似蒸汽重整)以及常常是数倍的空气反应生成主要包含H2和二氧化碳(CO2)的重整气体。例如，在汽油自热重整过程中，蒸汽、空气和汽油在第一或初级反应器中反应，发生两类反应。初级反应器的入口部分主要进行空气和燃料的部分氧化反应(POX)，该反应为出口部分进行的蒸汽重整(SR)—蒸汽与烃的反应—提供热条件。初级重整产物基本上是H2、CO2和一氧化碳(CO)。初级反应器下游的反应器可以包含水气变换(WGS)和优先氧化(PrOx)反应器。WGS反应器负责使CO与蒸汽反应而将尽可能多的CO转化成CO2。由反应生成的额外氢气对系统效率极为重要。PrOx中，CO以空气中的O2为氧化剂生成CO2。因而，控制空气进料对于CO经选择性氧化成CO2，尤其是H2经氧化成水很重要。
在燃料处理反应器中，通常提供催化剂床，其内发生反应从而将例如燃料、水和可能的空气转化成富氢产物。催化剂床通常包含单个或多个其上固定有催化剂的基底。催化剂基底可以采取许多形式，例如泡沫、蜂窝或波纹芯，这些形式都带有催化壁。而且，典型的反应器可以包含多个反应管，其内装有负载型催化剂。典型地，本领域公知的基底通常由单一材料类型构建，并在催化剂床之内的整个管内包含均匀的几何构型。因而，不能为特定类型的反应器和特定的燃料电池系统定制流过催化剂床的气体的流路。而且，本领域公知的基底带有单一材料类型及统一的几何构型，因而不能优化反应器的重量。
因而，本领域内仍然存在对燃料处理反应器催化剂床内的基底的需要，该基底能够依据燃料电池系统的各种操作条件和类型定制流路。此外，还需要一种基底，其在整个催化剂床内提供有效的气体混合，并且紧凑轻便。总之，经由按需要设计的催化剂基底，可以改善与反应变量结合的混合流体动力变量。
处理烃类燃料以生成由PEM燃料电池消耗的富氢重整产物的燃料电池系统是已知的，并且描述在美国专利6,232,005、6,077620、和6,238,815中，其中每个都归属于本发明的受让方General MotorsCorporation，并引入本文作为参考。一种典型的PEM燃料电池和其MEA描述在美国专利5,272,017和5,316,871中，其中每个也都归属于General Motors Corporation，并引入本文作为参考。
发明概述在一种优选方式中，本发明提供一种在燃料处理反应器的催化剂床内带定制流路的基底，该基底包含一个或多个具有不同材料和/或几何构型的翅片。优选将翅片固定到芯上，通过将翅片环芯缠绕并将绕好的翅片沿芯的方向置于管内来组装催化剂床。翅片可以包含诸如钢或任何多种金属的合金之类的各种材料，将其成型以定制流过反应器的气体的流路。此外，翅片可进一步包含各种几何构型，包括但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和/或多样翅、或其组合，从而进一步在反应器的特定部件内定制流路，并在部件之间或在依赖于翅片类型的部件之内提供有效混合。
优选将翅片固定于芯上，并绕芯缠绕，然后置于管内进行组装。在将翅片组装入管内之前或之后，将催化剂涂层涂覆到至少部分翅片上。根据一种方法，将翅片固定到芯上，然后将催化剂涂层涂覆到至少部分翅片上，再将涂覆的翅片绕芯缠绕并放入管中。根据另一种方法，将翅片固定到芯上、绕芯缠绕并放入管中，然后在组装到管内之后将催化剂涂层涂覆到至少部分翅片上。此外，催化剂涂层的厚度和表面积可依据具体流路的需要而改变。
本发明其它方面的应用由以下给出的详细描述将变得明显。显然详细描述和具体实施例在表述本发明的优选实施方式时仅是举例说明，而不想限制本发明的范围。
附图简述由详细描述和附图将更加充分地理解本发明，其中
图1是根据本发明，一种示例燃料电池系统的示意性流程图；图2是根据本发明的定制流路的基底，固定于芯上的翅片的侧视图；图3A是按照本发明的原理，带多个定制流路的基底的反应器的示意性透视图；图3B是图3A中所示反应器的端视图；图4是根据本发明的定制流路的基底，绕芯翅片的顶视图；图5A表示依据本发明的原理插入管中的芯和翅片；图5B表示依据本发明原理的管组件；图6A是依据本发明的原理，具有大组件反应器的示意性透视图；以及图6B是图6A中所示反应器的示意性端视图。
图7A是依据本发明的原理，根据示例定制流路的基底，固定于芯上的多个翅片的侧视图；图7B是依据本发明的原理，根据所关注的示例定制流路的基底，固定于芯上的多个翅片的侧视图。
优选实施方式的详细描述对优选实施方式的以下描述实质上仅是示例性的而决不想限制本发明、其应用或用途。
本发明总体上提供一种定制流路的基底，用于燃料处理反应器的催化剂床中。参照图1中所示的示例燃料电池系统可进一步理解该流路。因而，提供以下描述以更充分地描述其内使用了该定制流路的基底的系统。
参照图1，示出了一种示例燃料电池系统，该系统可作为发动机能源用于车辆(未示出)中。该系统中，在燃料处理器中例如通过重整、水-气变换和优先氧化过程处理烃类，生成氢含量相对较高的重整气。
在此围绕燃料电池系统来描述本发明，该燃料电池以富氢重整产物为燃料而不考虑制造这类富氢产物的方法。本领域普通技术人员应当理解此处概括的原理可用于以氢为燃料的燃料电池，该氢可得自任何来源，包括可重整烃和含氢燃料，例如甲醇、乙醇、汽油、其它烯烃、脂族或芳族烃、天然气、或来自车载储存燃料例如氢气。
如图1中所示，燃料电池装置包含燃料处理器2，用于使可重整烃燃料流6和来自水流8的水蒸气形式的水进行催化反应。在一些燃料处理器中，还将空气用于部分氧化/蒸汽重整的组合反应中。因而，文中所述的燃料处理器2也接收空气流9。此外，燃料处理器2包含一个或多个反应器12，在这些反应器中物流6中的可重整烃类燃料在水/蒸汽8和(有时)空气(空气流9中)存在下经离解生成富氢重整产物。此外，每个反应器12还可以包含一个或多个催化剂床，其内可以存在一个或多个沿用多种设计的床层部分。因此，反应器12的选择和排布可依据具体应用而变化。以下更详细地描述示例重整反应器14及下游反应器16。
在示例蒸汽/甲醇重整过程中，甲醇和H2O(为蒸汽)如前所述在反应器14中进行理想反应生成H2和CO2。作为重整过程的结果，CO另外还生成H2和CO2。在示例汽油重整过程中，蒸汽、空气和汽油在燃料处理器中反应，该处理器包含具有两个部分的反应器14。反应器14的一部分基本上是部分氧化反应器(POX)，反应器的另一部分基本上是蒸汽重整器(SR)。类似甲醇重整的情形，汽油重整生成H2和CO2、以及CO。因此，每种重整之后，优选将产物流中的CO含量降低以防止PEM阳极催化剂被CO毒化。
因而，典型的燃料处理器进一步包含一个或多个下游反应器16，例如WGS和PrOx反应器。这些反应器可以是单级或多级反应器。WGS用于经由如前所述的CO与H2O的反应生产CO2和额外的H2。优选地，在PrOx反应器16中将包含H2、CO2、CO和H2O的WGS出口重整气流进一步处理，从而通过将CO氧化成CO2而将其内的CO降低至可接收的水平。在运转期间，将富H2重整产物20进料到燃料电池组22的阳极腔中。同时，将来自氧化剂流24的O2(例如空气)进料到燃料电池22的阴极腔中。从而，来自重整产物流20的H2和来自氧化剂流24的O2在燃料电池22内反应生成电和H2O。作为燃料电池22内反应的进一步结果，燃料电池22的阳极侧的排出物或流出物26包含一定量未反应的H2。类似地，燃料电池22的阴极侧的排出物或流出物28包含一定量未反应的O2。
正如所示，氧化剂流24的空气由空气供应部件提供，优选该部件为压缩机30。启动期间，开通阀32以将空气直接供到燃烧器34的入口，在该燃烧器中空气与经管线46供应的燃料反应生成用于加热燃料处理器2的各个部件的燃烧热。
燃料处理器2中的一些反应是吸热的，需要添加热量；而另一些反应是放热的，需要移出热量。通常，PrOx反应器16需要移出热量，而反应器14内的一个或多个重整反应通常是吸热的，需要加入热量。用于反应器14内的重整反应的附加热量通过预热反应物，即燃料6、蒸汽8和空气9，和/或通过加热所选择的反应器；以及通过POX反应得到。
如进一步所示的，启动期间来自燃烧器34的热量加热燃料处理器2内所选择的反应器和催化剂床。燃烧器34通过间接热传递实现了所需的对燃料处理器中所选择的反应器14、16和催化剂床的加热，其中间接加热的反应器14、16包含带有进口和出口的反应腔室。此外，反应腔室内的催化剂床是以下详述的载体膜基底形式。每个载体膜基底都担载催化活性物质以实现期望的化学反应。而且，燃烧器34还可用于预热作为反应物供应到燃料处理器2的燃料6、水8和空气9。
燃料处理器2内所选反应器所需要的、由燃烧器34提供的热能的量取决于燃料处理器2内燃料和水的进料量并最终取决于期望的反应温度。如前所述，燃烧器34将所有的阳极排放物或流出物26以及潜在的一些烃类燃料46用于为燃料处理器2提供热量。由此，用热焓方程决定待供入燃烧器34的阴极流出物28的量以满足燃烧器34的温度需要。
参照图2，其图解了根据本发明的定制流路的基底，将该基底整体标记为50。如图3A和3B所示，将定制流路的基底50置于反应器14、16中。如所示，定制流路的基底50包含固定于芯54上的翅片52。翅片52可由诸如钢或金属合金之类的各种材料构成，这取决于具体燃料处理反应器(未示出)的要求。此外，翅片52可以包含各种几何构型(未示出)，包括但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和/或多样翅、或其组合，以进一步在反应器的特定部件内定制流路，并在部件之间或在依赖于翅片类型的部件之内提供有效混合。此外，优选翅片52与芯54接合，芯54也是金属材料。从而，翅片52的材料或几何构型或二者都可以变化以定制流路以及在燃料处理反应器14、16中有效混合气体。进一步设计几何构型以防止任何局部的催化剂床因翅片之一层与相邻的另一层“嵌套”而引起的变形。
如图4中所示，在组装入管56内之前将翅片52绕芯54缠绕，管56插在燃料处理反应器14、16的催化剂床中。一旦将翅片绕芯54缠绕并将其放在管56(图5A，5B)中，就形成了管组件60(图5B)，然后将管组件60与包含翅片52的其它管组件一起置于燃料处理反应器(最好如图3A中所示)中，其它管组件的翅片具有与如前所述的相同或不同的材料或几何构型。如图6A和6B中所示，根据一种可替代的实施方式，提供一种带有单个大的管与翅片组件60的反应器62。此外，裁制翅片52与管组件60以满足特定燃料处理反应器14，16的具体需要。
在本发明的一种形式中，在与芯54一起被放入管中之前，用催化剂涂层(未示出)涂覆翅片52。由此，在翅片52固定到芯54上之后，将催化剂涂层涂覆在至少部分翅片52上。然后将经涂覆的翅片52绕芯54缠绕，再将缠绕的翅片52和芯54放入管中构成管组件60。可通过改变沿翅片52的涂层的厚度和表面积来进一步裁制催化剂涂层以满足特定流路及混合的需要。
在本发明的另一种形式中，在将翅片52和芯54放入管内之后涂覆催化剂涂层。由此，将翅片52绕芯54缠绕，然后将缠绕的翅片52和芯54放入管中构成管组件60。然后将催化剂涂层涂覆到整个管组件上。类似地，可通过改变管组件内涂层的厚度和表面积来裁制催化剂涂层以满足特定流路及混合的需要。从而，根据本发明的教导，可在将翅片52和芯54组装入管之前或之后涂覆催化剂涂层。
参照图7A，本发明的又一种形式采用图示的固定到芯54上的多个翅片53。将翅片53如前所述固定到芯54上，根据特定燃料处理反应器的需要也可以采用多个不同的翅片53a-d。此外，依据燃料处理反应器内流路的需要，翅片53a-d之间可间隔一段距离，如图7A中所示；或者翅片53a-d也可以沿芯14相互邻接，如图7B中所示。
翅片53可以包含各种材料类型，例如钢或其它金属合金，可将这些材料成型以定制反应器内的流路以及进一步提供其内气流的有效混合。此外，可以改变翅片53的几何构型以进一步定制流路和促进有效混合。例如翅片53可以包含几何构型，包括但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和/或多样翅、或其混合。沿单芯54可以采用各种材料类型和几何构型，和/或依据系统需要改变燃料处理反应器不同部分之间的材料类型和几何构型。
如前所述，同样可用催化剂涂层涂覆翅片53；其中可在将翅片53和芯54组装入管之前或之后涂覆催化剂涂层。从而，也可依特定应用的需要通过改变组件内和/或沿翅片53的涂层厚度及表面积来裁制催化剂涂层。
本发明提供一种定制流路的基底，其中为在燃料处理反应器中定制流路及促进气体的有效混合而裁制特定的翅片材料和几何构型。结果，燃料处理系统可在较低费用和重量下更高效地运转，该系统具有依本发明的教导提供的裁制的流路及混合。
本发明的描述实质上仅是示例性的，因此，不脱离本发明实质的变形也在本发明的范围内。不应将这类变形看作脱离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于催化剂床内的基底，包含芯构件；固定到芯构件上的翅片，所述翅片绕所述芯构件螺旋缠绕；和覆盖至少部分所述翅片的催化剂材料。
2.权利要求1的基底，其中所述翅片具有选自冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和多样翅的几何构型。
3.权利要求1的基底，其中所选的几何构型防止螺旋缠绕的一层由于几何设计或形状相似性“嵌套”或塌入毗邻的另一层。
4.权利要求1的基底，进一步包含其内插有所述芯构件和所述翅片的管。
5.一种用于催化剂床内的基底，包含芯构件；固定到所述芯构件上的多个翅片，其中每个翅片包含材料；和覆盖每个翅片至少部分的催化剂材料，其中改变每个翅片的材料以在燃料处理反应器中定制管路并提供气体的有效混合。
6.权利要求5的基底，其中改变所述多个翅片的每一个的几何构型以进一步定制流路和提供有效混合。
7.权利要求5的基底，其中所述多个翅片的几何构型选自但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和多样翅。
8.权利要求5的基底，其中所述多个翅片间隔一段距离。
9.权利要求5的基底，其中所述多个翅片相互邻接。
10.权利要求5的基底，其中所述多个翅片绕所述芯构件螺旋缠绕。
11.权利要求10的基底，还包含其内插有所述芯构件和所述多个翅片的管。
12.一种构成基底的方法，该基底用于燃料处理器的反应器，该方法包括步骤(a)将至少一个翅片固定到芯上；(b)用催化剂材料涂覆至少部分翅片；(c)将该翅片绕芯缠绕；以及(d)将该翅片和该芯放入管中。
13.权利要求12的方法，其中所述至少一个翅片具有选自但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和多样翅的几何构型。
14.一种形成基底的方法，该基底用于燃料处理器的反应器，该方法包括步骤(a)将至少一个翅片固定到芯上；(b)将该翅片绕芯缠绕；(c)将该翅片和该芯放入管中；以及(d)用催化剂材料涂覆该翅片。
15.权利要求14的方法，其中所述至少一个翅片具有选自但不限于冠翅、矛翅、箭尾翅、带孔翅、百叶翅和多样翅的几何构型。
16.一种形成定制流路的基底的方法，该基底用于燃料处理器的反应器，该方法包括步骤(a)将多个翅片固定到芯上；(b)用催化剂材料涂覆至少部分翅片；(c)将翅片绕芯缠绕；以及(d)将翅片和芯放入管中。
17.权利要求16的方法，其中翅片的几何构型是变化的。
18.权利要求16的方法，其中翅片的材料是变化的。
19.根据权利要求16的方法，其中使所述多个翅片间隔开。
20.根据权利要求16的方法，其中所述多个翅片相互邻接。
21.一种形成定制流路的基底的方法，该基底用于燃料处理器的反应器，该方法包括步骤(a)将多个翅片固定到芯上；(b)将翅片绕芯缠绕；(c)将翅片和芯放入管中；以及(d)用催化剂材料涂覆翅片。
22.权利要求21的方法，其中翅片的几何构型是变化的。
23.权利要求21的方法，其中翅片的材料是变化的。
24.权利要求21的方法，其中使所述多个翅片间隔开。
25.权利要求21的方法，其中所述多个翅片相互邻接。
26.一种用在燃料处理器中的燃料处理反应器，包含外壳，其限定了带有进口和出口的反应腔室；和置于所述反应腔室内的多个管组件，所述管组件包含芯构件，绕所述芯构件缠有至少一个翅片，所述芯构件和所述至少一个翅片置于管内，所述至少一个翅片至少部分涂有催化剂材料。
27.根据权利要求26的燃料处理反应器，其中所述至少一个翅片包括附着到所述芯构件并绕其缠绕的多个翅片。
28.根据权利要求27的燃料处理反应器，其中所述多个翅片的几何构型是变化的。
29.根据权利要求27的燃料处理反应器，其中所述多个翅片的材料是变化的。
30.根据权利要求27的燃料处理反应器，其中使所述多个翅片间隔开。
31.根据权利要求27的燃料处理反应器，其中所述多个翅片相互邻接。
全文摘要
提供一种在燃料处理反应器内的定制流路的基底，该基底包含各种材料和几何构型的翅片。优选将翅片固定到芯上，将翅片绕芯缠绕进行组装，然后将缠绕的翅片和芯放进管中构成管组件，该管组件置于燃料处理反应器内。一个或多个翅片都可以被固定到单个芯上，其中可以改变材料或几何构型或者改变二者以定制流路、提供气体的有效混合以及打破主体气流与基底之间的边界层以增强传质速率。此外，以本发明的一种方式在组装入管之前，或以另一种方式在组装入管之后，用催化剂材料涂覆翅片。
文档编号B01J8/02GK1705509SQ200380101556
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月14日 优先权日2002年10月15日
发明者A·M·布伦纳, 余代强, M·A·布伦达格, G·E·弗克斯 申请人:通用汽车公司