燃料电池系统的重整装置的制作方法

本发明总体上涉及通过燃料电池产生电能的领域。更具体地，其涉及一种燃料电池系统，该系统包括燃料电池堆、用于将要被送过催化重整装置以便形成游离氢部分的甲醇和水的混合物蒸发的蒸发器，所述燃料电池堆是由许多质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有呈阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例。

背景技术：

在电化学中，燃料电池将原始燃料转化成电能和热量，并且只要持续提供原始燃料将持续产生。

燃料电池的基本转化技术被熟知已经至少一个世纪，但是最新的改进和对燃料节省和环保技术的需求已经使其重获新生。此外，燃料电池技术对于在移动的或偏远的平台上供电和对于备份方案是有利的。

简要的解释来说，使用质子交换膜技术，燃料电池需要提供氢气以使其沿着形成阳极的第一电极通过，并且提供氧气(一般直接用外界空气)以使其沿着形成阴极的第二电极通过。离子导电层(一般是包括铂和磷酸的聚合物薄膜)设置在这些电极之间。提供氢气和氧气，在电极之间产生电压，并且电流将能够在这些电极之间流动并对相连的耗电体供电。与电流的牵拉(draw)对应地，许多氢气和氧气分子将反应，随后当在排气装置中结合时，氢离子和氧将形成作为最终产品的水。此外，该系统会产生热量。

因为必要的氧气供应是通过获取包含氧气的足够量的外界空气来实现的，所以利用燃料电池的总需求是要形成稳定且足够的氢气供应。供应氢气可以由小的或大的压力缸实现，但是氢气的分配和存放是关键的，因为氢气是高度易爆气体。增压氢气是相当耗能的，甚至增压形式的氢气也占据相对多的空间。一个更好的解决方案是通过将更稳定形式的燃料转化成包含大量氢气的合成气体(下文中称作合成气)来就地直接产生氢气。

注意到使用甲醇来产生包含氢气的合成气的工艺在其开始分配时是显然有利的。该技术描述了高低温燃料电池堆，其中120摄氏度的温度是通常理解的技术之间的分界温度。更具体地，低温系统通常工作在大约70摄氏度的温度区域内，高温系统通常工作在大约160摄氏度的温度区域内。然而，对于这两种技术，应用这种工艺需要用于处理燃料和供应包含游离氢的合成气的重整装置。被处理的燃料是甲醇水溶液，下文中称作液体燃料。在第一阶段中，加热器使液体燃料蒸发并将气体运送到所述重整装置。所述重整装置包括含有铜的催化剂，其除了加热之外，还将液体燃料转化成主要由氢气组成的合成气，该合成气具有相对大的二氧化碳含量和少量的水雾和一氧化碳。该合成气可以直接用作用于向燃料电池供应燃料的燃料源。

对于重整装置的有效操作，现有技术建议重整装置要布置为竖立的本体，使得进入的气体在不与重整装置催化剂相互作用并且被重整成所需的合成气的情况下不能溢出。不过这种设计方法在想要建立更紧凑的燃料电池系统并且优选设计为具有明显优点的可更换支架单元时存在挑战。

因此，需要一种改进的重整装置设计以便于获得更紧凑的设计。还需要一种改进的重整装置设计，其以更可靠的方式确保由蒸发器传送的全部量的供应气体混合物被重整成合成气。

技术实现要素：

本发明的总体目的是提供一种燃料电池系统，其具有更紧凑的重整装置设计，其还提供了更好的方式来确保将全部量的供应气体混合物重整成合成气。

研究显示，在现有重整装置的竖立设计中，气体会以最低的阻力在通道中流动。这一般是沿着重整装置本体的竖向壁。催化剂(为添加有铜的碳丸)将易于在该本体中聚集成团，这甚至会将气体流引导到竖向壁处的通道并降低重整装置的效果。催化剂的体积将进一步取决于催化剂的温度和氧化水平。因此，甚至在重整装置中催化剂的体积达到顶点将不会确保重整装置填充催化剂到最佳实现将液体燃料重整成合成气的工艺水平。

根据本发明，本发明的目的是通过在燃料电池系统中添加正如在权利要求1中限定的重整装置的技术特征来达到的。

更具体地，所述燃料电池系统包括燃料电池堆、填充有催化剂的催化重整装置、蒸发器，所述催化重整装置具有用于接收气体流的入口和用于将合成气传送到燃料电池堆的出口，所述蒸发器用于将要被送过所述催化重整装置以便产生游离氢的部分的甲醇和水的混合物蒸发，所述燃料电池堆由许多质子交换膜燃料电池构成，每个质子交换膜燃料电池具有阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例，其中所述重整装置包括用于包含催化剂的至少两个腔室，每个腔室具有用于接收气体流的入口和用于使气体流通向后续腔室或者通向该重整装置的出口的出口。

在一个实施方式中，通过插入壁从而将所述本体分成腔室来提供这些腔室。这样具有引导气体通过重整装置并确保气体流与催化剂接触并将其重整成合成气的效果。通过重整装置的路径做的较长以避免气体找到通过该重整装置的捷径。

在一个实施方式中，在所述腔室之间在所述壁中设置至少一个开口以用作气体流动路径。该壁将会引导气体流，所述开口会确保气体流沿着通过该系统的旨在路径流动。因为开口可以设置在重整装置分隔壁的顶部和底部中，所以可以在重整装置内上或下行进方向引导气流，从而占用更少的空间，确保气体足以与重整装置催化剂接触并被重整成合成气。

在又一个实施方式中，通过限制重整装置模块内的壁的长度来设置这些开口。更具体地，用于分隔的这些壁自所述本体的顶部向下突伸布置或者自所述整体的底部向上突伸布置。

为了延长气体流通过重整装置模块的路径，用于提供重整装置腔室的这些壁的形状使得形成上下的Z字形路径。获得的效果是为通过该系统的气流提供了延长的路径以及与催化剂更好的接触。达到的进一步的效果是引导气流远离所述壁并进入催化剂材料的中间，从而提供与催化剂更好的接触。总体的结果是更好地将燃料重整成合成气。

此外，在一个实施方式中，将气流分成两个或更多个平行路径的分隔壁插入该路径中并改善了气体与催化剂的接触和富含氢气的合成气的形成。分隔壁还用作加热元件。

在另一个实施方式中，这些壁成形为使得所述通道笔直竖向的。这具有为气流提供长路径的效果。所述通道的竖向取向将进一步有助于气流沿着通到催化剂材料中间的路径流动。

在另一个实施方式中，这些壁成形为使得所述通道不是笔直竖向的。应该理解的是，所述通道的延长将需要所述重整装置的笔直竖向部段通过非笔直竖向取向的输送部段相互连接。此外，所述通道的非笔直竖向取向部段的效果将引导气流进入催化剂材料的中间。

在一个实施方式中，这些壁成形为使得所述通道的各部段是笔直竖向的，可选地具有非笔直竖向部段。应该理解的是该实施方式将用于引导气流到达通道的中间以便于使气流与催化剂接触并将更大量的蒸发气体重整成合成气。

在一个实施方式中，这些壁成形为使得所述通道沿着远离直的水平或竖向方向倾斜的路径。因此，该路径将气流引向该通道的中间，气体将会更多地与催化剂接触。

此外，这些壁可以形成直线或者它们可以弯曲或几何地成形。

更明确地，所述通道的可以被意识到的实施方式在于这些壁成形为气流被重新引向腔室或者所述通道的中间以确保气流尽可能多地与催化剂接触。

在另一个实施方式中，这些壁包括用于使气流从重整装置本体的入口到出口的行程最大化的突伸壁。突伸壁的应用将避免构造分路，确保气流将会与催化剂接触，并增强将燃料重整成合成气的过程。

在另一个实施方式中，这些壁包括突出部形式的突伸元件，其用于重新引导气流远离腔室的壁。因为气流被引导远离这些壁并被引向催化剂材料的中间，所以确保了气体与催化剂接触并增强将燃料重整成合成气的过程。

正如解释的，重整装置壳体使用热量和催化剂将雾化甲醇重整成富含氢气的合成气。包括所有所述壁的该壳体因此用作将热能传递到该过程中的加热元件。

所解释的实施方式可以单独获得或者正如可以意识到的可以与其中使气流尽可能多地与催化剂接触的重整装置的总体目的进行结合，籍此产生具有非常有限的非重整气体含量(如果有)的合成气。通过便于获得高质量的重整合成气，燃料电池堆的操作会更可靠和有效。

尤其可以意识到的该系统的一个实施方式是这些元件形成了模块，这些模块以模块化方式装在一起形成系统。重整装置模块可以有利地由一块材料形成，优选铝，一侧上具有重整装置腔体，该腔体具有上述的通过形成所述通道的壁提供的路径，另一侧上装备有吸热/输热翼片用于从该另一侧上获取热能。用于提供液体燃料蒸发的被吸收的热能可以从废气燃烧器的排气中供应。尤其可以意识到的是如果来自于废气燃烧器的排气被沿着蒸发器模块的翼片完全或部分地运送则实现该系统更好的效能。应该理解的是这些模块可以在物理上使用各种生产方法制造，例如模铸或通过在机械加工过程中刻出模块通道。

正如所解释的，所述重整装置模块优选地由铝制成，但是可以预见可以使用其他热传导材料，比如铁合金、不锈钢、镁以及陶瓷材料。

附图说明

将参照附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了燃料电池系统的示意图。

图2示出了用于将雾化的液体燃料重整成合成气的重整装置模块的示意图。

具体实施方式

图1示出了一种燃料电池系统1，其包括燃料电池堆2、许多支撑模块，这些支撑模块用于向所述燃料电池堆2提供能够使该燃料电池堆2产生稳定电流流量的改良燃料。供应到燃料电池堆2但没有转化成电流的过剩气体被送到废气燃烧器3。废气在正常操作条件下在500摄氏度的温度范围内，并且能量被回收以用于制备合成气，该合成气用于给燃料电池堆2加燃料。更详细地，废气被运送通过热交换器模块4，所述热交换器模块4获取来自于废气的热量并且将该热量传递到燃料电池堆中相邻的模块，这里是蒸发器模块5。

液体燃料，即甲醇和水的混合物，被处理成由在燃料电池堆2中使用的游离氢构成的合成气。在蒸发器模块5中，燃料被雾化和蒸发成液体燃料的两相阶段。此外，将蒸发的气体被运送到催化重整装置模块6，该催化重整装置模块6将蒸发的气体重整成主要由游离氢构成的合成气。该催化重整装置模块6包括含有铜的催化剂，其除了加热之外将蒸发的液体燃料转化成燃料电池堆2可直接使用的合成气。燃料电池堆2和废气燃烧器3的废热被引导通过蒸发器模块5和催化重整装置模块6中的通道。所述催化重整装置6中需要的温度最高，因此所述催化重整装置6直接布置在废气燃烧器3之后。在废气通道的稍后阶段，蒸发器模块5获取来自于废气的热量以便于将液体燃料蒸发成气体。

图2示出了包括重整装置7的重整装置模块6的示意图。示出了该重整装置模块处于竖立位置中，其中工作系统中的该取向是逆时针倾斜了90度。换言之，附图标记6指向该系统的顶部。

现有系统的工作系统中的系统取向是处于竖立位置，其中气体会从底部向上流到顶部并与重整装置容器内的催化剂接触。正如所解释的，缺点是该系统在竖向方向上占据很多空间，气流没有与催化剂足够接触且没有被足够重整成合成气。不足够的合成气品质对燃料电池系统的总体系统具有负面影响。

如图2中示出的重整装置模块6包括重整装置7，该重整装置7包括容器8，容器8具有入口9，该入口9用于将要被重整成合成气的雾化和蒸发的液体燃料供应到所述容器8中催化剂的周围10。还具有用于输出合成气的出口11。由于图2的视角，所述出口不可见，在该位置处做出了参考标记。合成气被直接运送到燃料电池堆2。

正如可以从图1看出的，重整器模块6和容器8形成为拉长的立方体。因此图2中的视角画出了重整装置7的内壁结构。重整装置的特点是从入口9到出口11的路径上下延伸，由此将该路径延长用于获得长的气流行程以便于使供应的液态的、雾化的或蒸发的气体与催化剂10接触。为了将所述容器8分成腔室，插入壁12。这些壁12在本实施方式中从容器8的顶部或底部伸出，但是可以具有完整的长度并且可以在腔室之间提供穿透部。这些穿透部可以在特定的位置做出，迫使气流沿着有助于气流更多地接触容器8中的催化剂10的特定路径流动。可以插入另外的分隔壁13以在容器内将气流分成单独的几股。所述壁12和分隔壁13还用作加热元件，用于将催化剂10和供应的气体加热到可以发生形成合成气的反应的温度。在本实施方式中所述壁12和分隔壁13示出了是笔直竖向取向的。然而，所述壁的取向可以在所有方向上，所述壁12和分隔壁13可以具有不是直的而是可以以另一种合适的样式弯曲或成形的形状，例如形成蜗形或迷宫形式。所述壁12或分隔壁13还可以装备有突伸壁14，该突伸壁14将会增强热量形式的热能传递到催化剂10或气体。此外，所述突伸壁14将有助于延长气流的行程，并因此提供与催化剂更大程度的接触。这将会提供更好品质的合成气和更好的总体系统性能。此外，所述突伸壁14可以形成突出部15，该突出部15用于引导气流远离所述壁并进入所述路径的中间，在所述路径的中间气流将更多地与催化剂接触。所述突出部15可以采取开始是一段直的竖向线接着是一段斜线的形式，或者反之亦然。突出部还可以通过两条斜线形成或者以旨在引导气流远离所述壁的另一种方式成形。在图2中示出了突出部15的更多的示例。

为了理解该系统，这些系统元件构造为可以通过传统的螺钉和螺栓固定在一起的模块。例如用于废气的路径从模块到模块延伸以便于获取尽可能多的热能并得到高效能的系统。因此，这些模块可以使用它们之间的垫片连接，正如可以在图1中在蒸发器模块5与重整装置模块6之间看出的。

这些模块可以通过机械加工材料条块制造，但是也可以通过模铸、挤压、烧结等来提供。在本实施方式中，蒸发器模块使用铝质条块并在铝质条块的第一侧上刻出用于重整装置的通道来提供。所述铝质条块的另一侧设有用于从燃烧器排气中获取热能的翼片。

本发明提供了一种用于燃料电池系统的改进的催化剂重整装置，其能够实现一种紧凑的重整装置设计，用于结合到平的可安装支架的系统中。通过这种新的设计，解决了现有催化重整系统的挑战，以精细的方式提供了用于催化剂的容器，其用于提供通过该系统的特定路径，这确保了气流尽可能多地与催化剂接触并被重整成合成气。