燃料电池系统、用于其的重整器及其制造方法

摘要

本发明涉及一种燃料电池系统的重整器和具有该重整器的燃料电池系统及其制造方法。一种燃料电池系统，包括：重整器，用于从含氢燃料产生氢；至少一个发电体，用于通过氢和氧的电化学反应产生电能；燃料供给单元，用于将所述燃料供给至所述重整器；和空气供给单元，用于将氧供给至所述重整器和所述至少一个发电体。所述重整器包括：多个反应部分，其中至少一个反应部分具有沟道；至少一个盖板，接触至少一个反应部分；和结合片，在两个所述反应部分之间和在所述至少一个反应部分和所述至少一个盖板之间，来彼此耦合所述至少一个反应部分和所述至少一个盖板。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，且更具体地涉及用于燃料电池系统的板型重整器(plate type reformer)的耦合结构(coupled structure)。

背景技术

众所周知，燃料电池是直接将氧和在诸如甲醇、乙醇或天然气的碳氢化合物材料中所含的氢的化学反应能转化为电能的发电系统。

近来已经开发了一种聚合物电解质膜燃料电池(下文称为PEMFC)，其具有卓越的输出特性、低操作温度和快速启动和响应特性。PEMFC具有广泛的应用，包括车辆的移动电源、住宅和楼宇的分布电源以及电子设备的小型电源。

使用PEMFC方案的燃料电池系统包括堆体、重整器、燃料罐和燃料泵。堆体构成燃料电池的主体，且燃料泵将存储于燃料罐中的燃料提供给重整器。然后，重整器重整燃料来产生氢且将氢提供给堆体，该堆体通过氢和氧之间的电化学反应产生电能。

重整器是从含氢燃料利用热能通过催化化学反应来产生氢的装置。一般地，重整器包括产生热能的热源、利用热能从燃料产生氢气的重整反应器、和减少氢气中所含的一氧化碳的浓度的一氧化碳去除器。

在燃料电池系统的传统的重整器中，热源、重整反应器和一氧化碳去除器每个形成为管(vessel)状且通过管路(pipe)连接和分开。因此，难于紧密地实现燃料电池系统和迅速地将从热源产生的热能传送至重整反应器，由此恶化整个燃料电池系统的反应效率和热效率。

发明内容

本发明的实施例提供一种具有耦合结构的燃料电池系统来实现紧凑的重整器。

本发明的一实施例提供一种燃料电池系统的重整器，该重整器包括：多个反应部分，其中至少一个反应部分具有沟道(channel)；至少一个盖板；和结合片(bonding joint)，在两个反应部分之间和在至少一个反应部分和至少一个盖板之间，来彼此耦合至少一个反应部分和至少一个盖板。

每个反应部分可以具有反应板，沟道可以形成于每个反应板中，且催化剂层形成于每个反应板的沟道中。

这里，结合片可以由铜焊的金属形成。结合片可以形成于反应板之间的接触部分和至少一个反应板和至少一个盖板之间的接触部分来彼此结合至少一个反应板和至少一个盖板。

构成结合片的金属可以具有比构成反应板和至少一个盖板的材料更低的熔点。构成结合片的金属可以包括从包括铜、不锈钢、铝、镍、铁和其合金的组选择的材料。

结合片可以由密封材料制成。

结合片可以形成于反应板之间的接触部分和至少一个反应板和至少一个盖板之间的接触部分来彼此结合至少一个反应板和至少一个盖板。或者，结合片可以形成于反应板的边缘和盖板的边缘。在后一种情况中，具有相应于沟道的开口的垫片可以设置于反应板之间和/或至少一个板和至少一个盖板之间。垫片可以由特氟隆(Teflon^)、金属或其组合制成。

反应部分可以包括：热源，适于通过燃料和空气的氧化催化反应产生热能；和重整反应器，其用独立于热源的燃料供给，且其从热源吸收热能来产生氢气。重整反应器和盖板可以分别堆叠于热源上，或盖板可以包括多个盖板且其中每个盖板可以分别堆叠于每个反应部分上。反应部分可以还包括一氧化碳去除器，用于减少氢气中所含的一氧化碳浓度。

本发明的一实施例包括燃料电池系统的重整器的制造方法。该方法包括：制备多个反应板和至少一个盖板，其中沟道形成于至少一个反应部分和至少一个盖板中；装载至少一个金属膜，所述金属膜具有相应于至少一个反应部分和至少一个盖板之间的沟道的开口；在至少一个反应部分和至少一个盖板彼此接触时的情况下加热至少一个反应部分和至少一个盖板；和熔融至少一个金属膜来铜焊至少一个反应部分与至少一个盖板。

至少一个金属膜可以由从包括铜、不锈钢、铝、镍、铁和其合金的组选择的材料制成。

每个反应部分可以具有反应板，所述反应板可以由从包括不锈钢、铝、镍、铁和其组合的组选择的材料制成，且至少一个盖板可以由从包括不锈钢、铝、镍、铁和其组合的组选择的材料制成。

可以在从约500℃至900℃的温度下加热至少一个反应部分和至少一个盖板来熔融至少一个金属膜。

本发明的一实施例提供了一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括：重整器，用于从含氢燃料产生氢；至少一个发电体，用于通过氢和氧的电化学反应产生电能；燃料供给单元，用于将燃料供给至重整器；和氧供给单元，用于将氧供给至重整器和至少一个发电体。这里，重整器包括：多个反应部分，其中至少一个反应部分具有沟道；至少一个盖板，接触至少一个反应部分；和结合片，在两个反应部分之间和在至少一个反应部分和至少一个盖板之间，来彼此耦合至少一个反应部分和至少一个盖板。

结合片可以由铜焊金属形成或可以由密封材料制成。

附图说明

本发明的以上和其它特征将通过参考附图和对示范性实施例详细描述变得更加明显。

图1是示出依据本发明的实施例的燃料电池系统的整个结构的示意图；

图2是示出图1所示的堆体结构的分解透视图；

图3是示出依据本发明的第一实施例的重整器的分解透视图；

图4是示出图3所示的重整器耦合结构的横截面图；

图5是示出依据本发明的第一实施例的重整器的制造方法的流程图；

图6是示出依据本发明的第一实施例的第一改进实例的重整器结构的横截面图；

图7是示出依据本发明的第一实施例的第二改进实例的重整器结构的分解透视图；

图8是示出图7所示的重整器的耦合结构的横截面图；

图9是示出依据本发明的第二实施例的重整器结构的分解透视图；

图10是示出图9所示的重整器耦合结构的横截面图；

图11是示出依据本发明的第三实施例的的重整器耦合结构的横截面图。

具体实施方式

下文，将参考附图详细地描述本发明的示范性实施例，使得本领域的技术人员可以将本发明容易地付诸实践。但是，本发明不限于示范性实施例，且可以以各种形式实现。

图1是示出依据本发明的实施例的燃料电池系统的整个结构的示意图，且图2是示出图1所示的堆体结构的分解透视图。

参考图1和2，依据本发明的燃料电池系统100使用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)方案，其重整含氢燃料来产生氢且允许氢和氧彼此电化学反应来产生电能。

用于在燃料电池系统100中产生电的燃料可以包括液体或气体含氢燃料，诸如甲醇、乙醇或天然气。但是，在以下描述中以液体燃料作为例子。

燃料电池系统100可以利用存储于附加的存储装置中的纯氧用于与燃料中所含的氢反应，或可以利用含氧的空气作为需要的氧源。但是，在以下描述中后者作为例子。

参考图1，燃料电池系统100包括：堆体10，用于通过氢和空气中所含的氧之间的电化学反应产生电能；重整器30，用于从包含氢的燃料产生氢；燃料供给单元50，用于将燃料提供给重整器30；和氧供给单元70，用于将氧提供给堆体10和重整器30。

依据本实施例的堆体10包括多个依次堆叠的发电体11。

每个发电体11是用于产生电能的燃料电池的单元，其中隔板16设置于膜电极组件(MEA)12的两个表面上。

MEA 12具有预定的活性区，在那里发生氢和氧的电化学反应。MEA 12包括形成于一表面上的阳极电极、形成于另一表面上的阴极电极和形成于阳极电极和阴极电极之间的电解质膜。

阳极电极通过氢的氧化反应将氢分解成电子和氢离子(质子)。阴极电极通过氢离子和氧的还原反应产生具有预定温度的热和湿气。电解质膜执行离子交换功能，用于将从阳极电极产生的氢离子迁移至阴极电极。

隔板16充当彼此串联连接阳极电极和阴极电极的导体，且也充当将氢和含氧空气供给至MEA 12的两侧的通道。

堆体10的最外侧可以提供附加的压合板13和13’，用于使发电体11彼此紧密接触。依据本发明可以构建堆体10使得位于多个发电体11的最外侧的隔板16执行压合板13和13’的功能，而不需提供压合板13和13’。或者，可以构建堆体10使得压合板13和13’具有除了将多个发电体11紧密接触的功能之外的隔板16特有的功能，其将在后更详细地描述。

一个压合板13配备有第一注入孔13a和第二注入孔13b，第一注入孔13a用于将氢气供给至发电体11，而第二注入孔13b用于将空气供给至发电体11。另一压合板13’配备有第一放出孔13c和第二放出孔13d，第一放出孔13c用于放出发电体11中未反应的氢气，而第二放出孔13d用于放出发电体11中未反应的空气和通过氢和氧之间的耦联反应(coupling reaction)产生的湿气。

在本实施例中，重整器30具有一种结构，用于利用热能通过催化化学反应从含氢燃料产生氢气且减少氢气中所含的一氧化碳浓度。将参考图3和4更加详细地在后描述重整器30的结构。

用于将燃料供给至重整器30的燃料供给单元50包括：第一罐51，用于存储燃料；第二罐53，用于存储水；和燃料泵55，连接到第一和第二罐51和53。氧供给单元70包括空气泵71，用于以预定的抽汲功率从大气空气抽吸空气且将空气供给至重整器30。

现将参考图3和4更详细地描述依据本发明的第一实施例的重整器30的结构。

图3是示出依据本发明的第一实施例的重整器的分解透视图，且图4是示出图3所示的重整器耦合结构的横截面图。

参考图3和4，依据本实施例的重整器30具有多个反应板31、32、33和34的堆叠结构，其通过燃料和空气的氧化催化反应产生热能，从来自第一和第二罐51和53的燃料和水的混合物(后文称为燃料混合物)利用热能通过各种催化反应产生氢气，且减少氢气中所含的一氧化碳的浓度。

具体地，重整器30包括：热源31，用于产生热能；重整反应器32，用于吸收热能，汽化燃料且从汽化的燃料混合物通过蒸汽重整(SR)催化反应产生氢气；第一一氧化碳去除器33，用于通过氢气的水煤气转换反应(WGS)从而首次减少氢气中所含的一氧化碳浓度；第二一氧化碳去除器34，通过氢气和空气的优先CO氧化(PROX)催化反应从而二次减少氢气中所含的一氧化碳浓度。

依据本实施例，重整器30具有这样一种结构，其中重整器32和第一一氧化碳去除器33依次堆叠于热源31上或上方，且第二一氧化碳去除器34堆叠于热源31下或下方。盖板36可以耦合于第一一氧化碳去除器33上且位于重整器30的最外侧。多个结合片60的每个设置于反应部分31、32、33和34以及隔板36的两个之间。结合片60将在以下更详细地描述。

每个反应部分31、32、33和34可以包括反应板，其具有矩形板的形状，具有预定的宽度和预定的长度，且其从由铝、不锈钢、铜、镍、铁和其组合选择的材料制成。

现将更加详细地描述反应部分31、32、33和34。

热源31是发热元件，用于产生所需的热能来预热整个重整器30，用于通过氧化催化反应由燃烧燃料和空气来重整燃料。

热源部分31包括：第一反应板31a，其中形成用于使液体燃料和空气流动的第一沟道31c；和氧化催化剂层31e，用于促进燃料和空气的氧化反应，形成于第一沟道31c的内表面上。通过在第一反应板31a上设置之间具有预定间隙的流道(flow channel)且交替连接流道的端口来界定蜿蜒的沟道从而形成第一沟道31c。将在以下更详细描述的第二、第三和第四沟道32c、33c和34c可以具有相同的形状。

重整反应器32吸收从热源31产生的热能且通过从燃料供给单元50供给的燃料的重整催化反应从燃料混合物产生氢气。

重整反应器32包括：第二反应板32a，其中形成用于使得燃料流动的第二沟道32c，和蒸汽重整催化剂层32e，用于促进燃料混合物的蒸汽重整反应，形成于第二沟道32c的内表面上。

第一一氧化碳去除器33通过从重整反应器32产生的氢气的水煤气转换催化反应产生附加的氢气来减少氢气中所含的一氧化碳的浓度。

第一一氧化碳减少器33包括：第三反应板33a，其中形成用于使氢流动的第三沟道33c；和水煤气转换催化剂层33e，用于促进氢气的水煤气转换反应，形成于第三沟道33c的内表面上。

第二一氧化碳去除器34通过从第一一氧化碳去除器33排出的氢气和从氧供给单元70供给的空气的优先CO氧化催化反应减少氢气中所含的一氧化碳浓度。

第二一氧化碳减少器34包括：第四反应板34a，其中形成用于使氢气和空气流动的第四沟道34c；和优先CO氧化催化剂层34e，用于促进氢气的优先CO氧化催化反应，形成于第四沟道34c的内表面上。

盖板安装于第一一氧化碳去除器33上。

多个结合片60的每个设置于反应部分31、32、33、34和盖板36的两个之间。结合片60用于彼此结合和固定反应部分31、32、33、34和盖板36。结合片60可以形成于第一反应板31a和第二反应板32a之间的接触部分、第二反应板32a和第三反应板33a之间的接触部分、第三反应板33a和盖36之间的接触部分、第四反应板34a和第一反应板31a之间的接触部分中。反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36的接触部分包括部分的反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36，其中没有形成沟道31c、32c、33c和34c，且其与相邻的反应板31a、32a和33a或盖板36紧密接触。

在本实施例中，结合片60可以通过熔融金属形成。即，每个结合片可以通过铜焊金属膜形成，该金属膜具有相应于沟道31c、32c、33c和34c的开口。

形成结合片60的金属膜应比形成反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36的材料具有更低的熔点。即，当通过加热金属膜形成结合片60时，反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36应当通过结合片彼此紧密固定，而不使反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36变形。

结合片60可以由从包括铜、不锈钢、铝、镍、铁和其合金的组选择的材料制成。这里，在一实施例中，当结合片60由包含反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36的材料的合金制成时，可以防止由于不同种类的金属之间的不同特性而可能产生的裂纹。

在本实施例中，反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36可以通过由金属膜制成的结合片60牢固地彼此固定。

在根据本发明的重整器30中，由于通过在反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36的两个之间设置金属膜之一且然后铜焊该金属膜来形成结合片60，重整器30的制造工艺被简化，由此改善了产率。另外，由于结合片60，可以改善反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36的接触部分之间的气密性。

而且，在依据本发明的燃料电池系统中，由于通过堆叠具有用于使燃料或气体流动的各自的沟道的反应板来形成重整器，重整器的尺寸可以被减小，由此允许燃料电池系统变紧凑。

以下将更加详细地描述依据本发明的实施例的燃料电池系统的运行。

首先，燃料泵55将存储于第一罐51中的燃料通过第一供给管线81供给至热源31。同时，空气泵71将空气通过第二供给管线82供给至热源部分31。然后，燃料和空气在热源31的氧化催化剂层31e的作用下导致氧化催化反应。因此，热源31通过燃料和空气的氧化催化反应产生预定温度的反应热。结果，从热源31产生的热能传送至重整反应器32和第一和第二一氧化碳去除器33和34且预热整个重整器30。

之后，当完成重整器30的预热时，燃料泵55将存储于第一罐51中的燃料和存储于第二罐53中的水通过第三供给管线83供给至重整器32。然后，燃料和水被汽化，且在重整反应器32的重整催化剂层32e的作用下通过蒸汽重整反应从汽化的燃料产生氢气。因为重整反应器32不能彻底执行蒸汽重整催化反应，所以重整反应器32产生含有作为副产品的一氧化碳的氢气。

之后，含有一氧化碳的氢气供给至第一一氧化碳去除器33。然后，第一一氧化碳去除器33在水煤气转换催化剂层33e的作用下通过水煤气转换催化反应产生附加的氢气，首次减少氢气中所含的一氧化碳浓度。

随后，通过第一一氧化碳去除器33的氢气供给至第二一氧化碳去除器34。同时，空气泵71将空气通过第四供给管线84供给至第二一氧化碳去除器34。然后，第二一氧化碳去除器34在优先CO氧化催化层34e的作用下通过优先CO氧化催化反应二次减少氢气中所含的一氧化碳浓度，且释放氢气。

随后，将氢气通过第五供给管线85供给至堆体10的第一注入孔13a。同时，空气泵71将空气通过第六供给管线86供给至堆体10的第二注入孔13b。

然后，将氢气通过隔板16的氢气通道供给至MEA 12的阳极电极。将空气通过隔板16的空气通道供给至MEA 12的阴极电极。

阳极电极通过氧化反应将氢气分解成电子和质子(氢离子)。质子通过电解质膜迁移至阴极电极，且电子通过隔板16而不是通过电解质膜迁移至相邻MEA 12的阴极电极。电子的流动产生电流，且热和水也由堆体10作为副产品产生。

现在，将参考图5更加详细地描述依据本发明第一实施例的制造重整器30的制造方法。

首先，制备盖板36和具有沟道31c、32c、33c和34c的反应部分31、32、33和34，在沟道31c、32c、33c和34c中形成催化剂层31e、32e、33e和34e(S10)。

随后，在热源31上或上方依次堆叠重整反应部分32、第一一氧化碳去除器33和盖板36，且在热源31下或下方堆叠第二一氧化碳去除器34。

在该方法中，具有相应于沟道31c、32c、33c和34c的开口的金属膜的每个设置于反应部分31、32、33和34以及盖板36的两个之间(S20)。此刻，设置金属膜使得各自的沟道31c、32c、33c和34c相应于各自金属膜的开口。

其后，在反应部分31、32、33和34以及盖板36被紧密压合的状态下，它们被加热至预定的温度，由此熔融金属膜(S30)。在一实施例中，当反应部分31、32、33和34的反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36由不锈钢制成时，它们被加热至约900℃的温度来熔融金属膜。在另一实施例中，当反应板31a、32a、33a和34a以及盖板36由铝制成时，它们被加热至从约500℃到900℃来熔融金属膜。

在反应部分31、32、33和34以及盖板36之间的接触部分的金属膜被熔融后，在反应部分31、32、33和34的接触部分以及盖板36的接触部分形成结合片60。因为结合片60，反应部分31、32、33和34的接触部分以及盖板36可以牢固地彼此固定。

以下将描述本发明的第一实施例的改进实例。在改进实例中，将不再描述与第一实施例所描述的基本相同的元件。

图6是示出依据本发明的第一实施例的第一改进实例的重整器结构的横截面图。

参考图6，依据本改进实例的重整器30A包括在热源41上依次堆叠的重整反应器42和盖板46。具体地，重整器30A具有这样一种结构，使得第二反应板42a堆叠于第一反应板41a上，且盖板46堆叠于第二反应板42a上。此刻，第一反应板41a、第二反应板42a和盖板46配备有由铜焊金属形成的结合片。

即，在本改进实例中，通过最小化元件的数量和包括重整反应所需的热源41和重整器42，可以进一步提高重整器30A的结构优势。

图7是示出依据本发明的实施例的重整器的第二改进实例的重整器结构的分解透视图。图8是图7所示的重整器的耦合的横截面图。

在本改进实例中，重整器包括热源91、重整反应器92、第一一氧化碳去除器93和第二一氧化碳去除器94。由于反应部分91、92、93和94具有相同的结构，除了在其中形成不同的催化剂层91e、92e、93e和94e之外，在图7中反应部分91、92、93、和94显示为一个元件。

盖板96堆叠于反应部分91、92、93、和94上，且相应的反应部分91、92、93、和94以及盖板96通过结合片90彼此结合。结合片90可以由铜焊的金属形成。

依据第一和第二改进实例的重整器的制造方法与制造依据第一实施例的重整器的方法基本相同且将不再描述。

依据本发明的重整器可以不包括一氧化碳去除器且可以还包括附加的反应部分。重整器可以包括与上述的板状反应部分一起的不同结构的反应部分，其属于本发明的范围。

以下将描述依据本发明的第二实施例和第三实施例的重整器。在实施例中，将不再描述与第一实施例所描述的基本相同的元件。而且第一实施例的改进实例可以适于第二实施例。

图9是示出依据本发明的第二实施例的重整器结构的分解透视图。图10是示出图9所示的重整器耦合结构的横截面图。

参考图9和图10，依据本实施例的重整器130包括热源131、重整反应器132、第一一氧化碳去除器133和第二一氧化碳去除器134，其彼此堆叠。这里，重整反应器132和第一一氧化碳去除器133可以依次堆叠在热源131上，且第二一氧化碳去除器134可以堆叠于热源131下。

更具体地，可以通过在第一反应板131a上依次堆叠第二反应板132a和第三反应板133a且然后在第一反应板131a下堆叠第四反应板134a来构建依据本实施例的重整器130。盖板136可以连接到设置于重整器130的最外侧的第三反应板133a上。

将相应的反应板131a、132a、133a和134a以及盖板136彼此结合的结合片160由密封材料制成用于结合其边缘。这里，密封材料可以由玻璃粉组成。

垫片145设置于反应板131a、132a、133a和134a以及盖板136之间，在垫片145中形成开口141来相应于沟道131c、132c、133c和134c。如此，可以保持由沟道131c、132c、133c和134c形成的通道的气密性。

即，在本发明中，通过在反应板131a、132a、133a和134a以及盖板136之间设置垫片，在其边缘上施加玻璃粉，且然后烘焙它们，它们可以彼此结合。

由于在本实施例中与结合片160一起使用垫片145，可以有效地保持由沟道131c、132c、133c和134c形成的通道的气密性和牢固地固定彼此接触的反应板131a、132a、133a和134a以及盖板136。

图11是示出依据本发明的第三实施例的重整器结构的横截面图。

参考图11，依据本实施例的重整器180包括热源181、重整反应器182、第一一氧化碳去除器183和第二一氧化碳去除器184，其彼此堆叠。

可以通过在第一反应板181a上依次堆叠第二反应板182a和第三反应板183a且然后在第一反应板181a下堆叠第四反应板184a来构建依据本实施例的重整器180。盖板186可以连接到设置于重整器180的最外侧的第三反应板183a上。

连接反应板181a、182a、183a和184a以及盖板186的结合片190由形成于其间的接触部分处的密封材料制成。密封材料可以由玻璃粉构成。即，通过在反应板181a、182a、183a和184a中没有形成沟道181c、182c、183c和184c的部分涂布玻璃粉，且然后烘焙它们，反应板181a、182a、183a和184a以及盖板186可以彼此结合。

在本实施例中，通过在反应板181a、182a、183a和184a以及盖板186的整个接触部分上形成结合片190，可以更牢固地结合这些板181a、182a、183a和184a在一起。

虽然结合某些示范性实施例描述了本发明，本领域的技术人员应理解本发明不限于所公开的实施例，但是，相反，旨在覆盖在权利要求和其等价物的精神和范围内所包括的各种改进。