用于燃料电池系统的蒸发器及燃料重整装置

摘要

本发明提供一种用于燃料电池系统的蒸发器和一种包括该蒸发器的燃料重整装置。产生用于蒸汽重整反应的蒸汽的该蒸发器包括：具有由用于允许流体流动的空洞形成的内部空间的本体；以及将内部空间分成多个空间并且具有热传导性的多个电池隔挡件。所述空间包括至少一个用于使燃料气体可以流动的第一空间以及至少一个用于允许水流动的第二空间。

说明书

技术领域

本发明的各个方面涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种用于燃料电池系统的蒸发器(evaporator)，其产生用于蒸汽重整反应(reformingreaction)的蒸汽。

背景技术

燃料电池形成发电系统以利用碳氢化合物(hydrocarbon)组燃料产生电能。将这样的燃料电池分类为聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolytemembrane fuel cell)和直接氧化物膜燃料电池(direct oxidation membrane fuelcell)。直接氧化物膜燃料电池通常被称为直接甲醇式燃料电池(DMFC，directmethanol fuel cell)。

聚合物电解质膜燃料电池具有优越的输出性能、低工作温度(operatingtemperature)以及快速起动和响应性能。已经将聚合物电解质膜燃料电池广泛用作用于交通工具的便携式能源(portable power source)、用于房屋和公共建筑的分布式能源(distributed power source)以及用于电子器件的微型能源。

采用聚合物电解质膜燃料电池的燃料电池系统包括燃料电池主体、燃料重整器、燃料供给装置以及氧化剂(oxidizing agent)供给装置。燃料供给装置包括燃料箱(fuel tank)和燃料泵(fuel bump)，并且燃料供给装置向燃料重整器供给燃料。燃料重整器通过重整燃料产生氢气并且将该氢气供给燃料电池主体。燃料电池主体通过诱发来自燃料重整器的氢气和氧化剂气体之间的电化学反应产生电能。

燃料重整器可以根据燃料重整方案包括各种构成组分。对于蒸汽重整反应，燃料重整器可以包括热源、重整反应部分以及蒸发器。热源产生热，重整反应部分利用热能对燃料进行重整。蒸发器把水加热并且产生蒸汽从而向用于蒸汽重整反应的重整反应部分提供蒸汽。

燃料电池系统的蒸发器通常具有管形(tubular shape)或者板形(plateshape)。然而，在管形蒸发器中，因为截面流动面积是大的，所以水和蒸发器之间的接触面积的增加与流体的量的增加不成比例。也就是，接触面积的增量小于流体的量的增量。因此，管形的蒸发器具有低传热效率的缺点。同时，如果板形蒸发器具有大的面积以增加水和蒸发器之间的接触面积，则蒸发器的整个面积将增加。从而，由于蒸发器，燃料电池系统不能被减小尺寸。

发明内容

本发明的各个方面提供用于燃料电池系统的蒸发器，其在减小尺寸的同时，通过增加水和蒸发器的接触面积提高传热效率。

本发明的各个方面提供蒸发器，其包括：具有中空的内部空间的本体，流体流动通过该些中空的内部空间；以及将中空的内部空间分成多个空间的多个电池隔挡件，该些电池隔挡件在多个空间之间传导热。根据本发明的各个方面，空间包括燃料气体通过其流动的至少一个第一空间以及水通过其流动的至少一个第二空间。根据本发明的各个方面，所述空间可以布置成多行和多列。根据本发明的各个方面，电池隔挡件可将内部空间的截面分成格子形状。

根据本发明的各个方面，该至少一个第一空间可以与该至少一个第二空间邻近。

根据本发明的各个方面，该至少一个第一空间可以包括多个第一空间，该至少一个第二空间可以包括多个第二空间。根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第一空间和第二空间可以沿第一方向交替布置。根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第一空间和第二空间可以沿与第一方向交叉的第二方向交替布置。

根据本发明的各个方面，可以从在重整器中产生热的重整器的热源向第一空间供给燃料气体。

根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第一空间可以在与第一方向交叉的第二方向相邻地布置。根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第二空间可以在第二方向相邻地布置。

根据本发明的各个方面，电池隔挡件可以包括沿第二方向形成并且在第一方向彼此分隔开的第一电池隔挡件以及沿第一方向形成并且在第二方向彼此分隔开的第二电池隔挡件。

根据本发明的各个方面，第二电池隔挡件可以包括至少一个形成在分隔第二空间的第二电池隔挡件的一部分中的通孔。根据本发明的各个方面，每个该至少一个通孔可以从第二电池隔挡件的表面突出。

根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第一空间和第二空间可以由第一电池隔挡件分开并且沿第一方向交替布置。根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第二空间可以由第二电池隔挡件分开并且沿第二方向一个接一个地布置。

根据本发明的各个方面，电池隔挡件可以将内部空间的截面分成蜂窝结构。根据本发明的各个方面，第一空间与第二空间邻近。根据本发明的各个方面，该至少一个第一空间和该至少一个第二空间可以具有相同尺寸的六边形截面。

根据本发明的各个方面，当观察本体的内部空间的截面时，第一空间和第二空间可以沿第一方向形成第一行。根据本发明的各个方面，第一空间和第二空间可以在第一行中交替布置。

根据本发明的各个方面，第一空间和第二空间可以沿第一方向形成第二行，第二行可以在第二方向与第一行邻近。根据本发明的各个方面，第一空间和第二空间可以在第二行中交替布置。根据本发明的各个方面，第一虚拟线可以在第一方向与第二虚拟线分隔开。根据本发明的各个方面，第一虚拟线可以通过第一行的其中一个第一空间的中心并且沿第二方向形成。根据本发明的各个方面，第二虚拟线可以通过第二行的其中一个第二空间的中心并且沿第二方向形成。

如果通过蒸发相同量的水产生相同量的蒸汽，则根据本发明的示范性实施例的蒸发器具有小于根据相关技术的蒸发器的总体积。从而，在本发明的示范性实施例中，与相关技术相比较，可以减少蒸发器的尺寸。

根据本发明的示范性实施例，水和蒸发器之间的接触面积可以增加，即使它们具有相同的体积。从而，与相关技术相比较，可以加热更多的水。

本发明的附加的方面和/或优点将在下面的说明书中被部分阐述，并且，将从说明书是部分明显的，或者可以从本发明的实践被获悉。

附图说明

结合附图参考下文对实施例的描述，本发明的这些和/或其他的方面和优点将变得更加清楚也更好理解，其中：

图1为根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的示意性框图；

图2为图1中显示的燃料电池系统中的燃料重整器的示意性框图；

图3为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图；

图4为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图；

图5为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图；

图6为沿图5中显示的线VI-VI剖取的用于燃料电池系统的蒸发器的截面图；

图7A为图6中显示的第二电池隔挡件的部分A的放大的顶部平面图；

图7B为沿图7A中显示的线VII-VII剖取的第二电池隔挡件的截面图；

图8为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图；

图9为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图；

图10为沿图9中显示的线X-X剖取的用于燃料电池系统的蒸发器的截面图；

图11为显示通过图9中显示的用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的燃料气体的温度的曲线图；以及

图12为显示通过用于根据相关技术的燃料电池系统的蒸发器的燃料气体的温度的曲线图。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例给出详细参考，在附图中图解了其实例，其中通篇相同的附图标记表示相同的元件。下面将参考附图对实施例进行描述从而解释本发明的各个方面。

图1为根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的示意性框图。如图1中所显示，燃料电池系统包括燃料电池主体10以通过诱发(induce)包含氢的重整气体和包含氧的氧化剂气体的电化学反应来产生电能。燃料电池主体10具有堆叠结构，单元电池(unit cell)被连续堆叠在其中。单元电池是用于产生电能的最小单位。通常，燃料电池主体10的堆叠结构被称为燃料电池组。燃料电池主体10是一组多个连续布置的单元电池。端板(end plate)被连接到该组单元电池中的最外面的单元电池。

燃料供给装置20包括存储燃料的燃料箱以及供给燃料的泵。燃料供给装置20向燃料重整器100供给燃料。

燃料重整装置100接收来自燃料供给装置20的燃料，诱发燃料中的重整反应，从燃料产生包括氢的重整气体。将对燃料重整器100进行更充分的描述。

氧化剂供给装置30向燃料电池主体10供给氧化剂气体。氧化剂供给装置30可以利用空气泵(air bump)向燃料电池主体10供给大气中的空气作为氧化剂气体。

图2为图1中显示的燃料电池系统中的燃料重整装置100的示意性框图。如图1和图2中所显示，燃料重整装置100将从燃料供给装置20供给的燃料重整为重整气体并且向燃料电池主体10提供该重整气体。燃料重整装置100可以根据燃料重整方案包括各种构成组分。燃料重整器100可以包括重整反应部分110、热源120以及用于蒸汽重整反应的蒸发器130。

重整反应部分110使燃料的重整反应更容易并且通过利用热能的燃料的重整反应从燃料产生包括氢的重整气体。当向热源120供给燃料和空气时，热源120通过诱发的燃烧反应产生热能。热源120位于重整反应部分110的附近，并且向重整反应部分110提供热能。通过下面描述的结构，蒸发器130把水加热并且产生蒸汽以提供用于蒸汽重整反应的蒸汽。

图3为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的透视图。如图3中显示，蒸发器130的内部空间被分成至少一个第一空间131和至少一个第二空间132。蒸发器130中的内部空间的截面被分成格子形状(lattice shape)。

蒸发器130具有圆柱形本体(cylindrical body)133。圆柱形本体133具有大致中空的内部空间，例如，液体在圆柱形本体133的内部空间中沿圆柱形本体133的长度方向流动。电池隔挡件(cell barrier member)134和135将圆柱形本体133的内部空间的截面分成格子形状。从而，将圆柱形本体133的内部空间分成多个具有多行和多列的多个空间。被电池隔挡件134和135划分的空间包括至少一个第一空间131以允许燃料气体的流动以及至少一个第二空间132以允许水的流动。在此实施例中，作为例子，包括多个第一空间131和第二空间132。

第一空间131与第一空间132邻近。分别在第一空间131和第二空间132中流动的燃料气体和水之间的热交换通过电池隔挡件134和135发生。电池隔挡件134和135可以由具有高的热传导性的材料制成。

在此实施例中，电池隔挡件134和135包括第一电池隔挡件134和第二电池隔挡件135。第一电池隔挡件134沿第一方向(图3中的x轴方向)彼此分隔开并且沿与第一方向交叉的第二方向(图3中的y轴方向)形成。第二电池隔挡件135沿第二方向彼此分隔开并且沿第一方向形成。一对第一电池隔挡件134和一对第二电池隔挡件135形成一个金属单体(metalmonolith)。然而，本发明的各个方面不局限于此。例如，第一方向和第二方向不必垂直使得用于流体流动的通路不必是如图3中显示的正方形。此外，可以包括增加数量的电池隔挡件以便降低用于流体流动的通路的截面面积或者改变用于流体流动的通路的截面的形状。

当观察本体133的内部空间的截面时，第一空间131和第二空间132沿第一方向交替布置。当观察本体133的内部空间的截面时，第一空间131和第二空间132沿第二方向交替布置。因为第二空间132由于上述结构被第一空间131围绕，所以与根据相关技术的管形或者板形蒸发器比较起来，本实施例的热交换面积可以增加。

在燃料电池系统中产生的燃烧反应之后排出的高温燃料气体被供给第一空间131。如图2中所示，为了结构优势，使用的燃料气体可以从设置为邻近蒸发器130的热源120被供给。

图4为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器140的透视图。在图4中显示的蒸发器140中，蒸发器140的本体143的中空的内部空间被分成第一空间141和第二空间142，如同图3的蒸发器130中那样。蒸发器140中的内部空间的截面也被分为格子形状。然而，图4的蒸发器140包括具有细长的(elongated)矩形棱柱形状(rectangular prism shape)的本体143，而非圆柱形状。本发明的各个方面不局限于此，从而本体143的截面可以改变。

图5为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器150的透视图。参考图5，蒸发器150具有圆柱形本体153，与图3的蒸发器130相似，其具有中空的内部空间并且被分成第一空间151和第二空间152。蒸发器150中的内部空间的截面也被分成格子形状。然而，图5的蒸发器150在第一空间和第二空间的布置上不同于图3的蒸发器130。而且，图5的蒸发器150的不同之处在于：在电池隔挡件上形成至少一个通孔(through-hole)156。

当观察圆柱形本体153的内部空间的截面时，第一空间151和第二空间152沿第一方向(图5中的x轴方向)交替布置。当观察圆柱形本体153的内部空间的截面时，第一空间151和第二空间152不沿着与第一方向交叉的第二方向(y轴方向)交替布置，使得在第二方向与一个第一空间151相邻的空间是另一个第一空间151，在第二方向与一个第二空间152相邻的空间是另一个第二空间152。

将圆柱形本体153的内部空间分成第一空间151和第二空间152的电池隔挡件154和155包括第一电池隔挡件154和第二电池隔挡件155。第一电池隔挡件154沿第一方向彼此分隔开并且沿第二方向形成，第二电池隔挡件155沿第二方向彼此分隔开并且沿第一方向形成。第二电池隔挡件155设置有至少一个通孔156。该至少一个通孔156可以包括多个通孔156。此外，仅分隔第二空间152的第二电池隔挡件155设置有至少一个通孔156，但是本发明的各个方面不局限于此。

图6为沿图5中显示的线VI-VI剖取的用于燃料电池系统的蒸发器的截面图。如图5和6中显示，该至少一个通孔形成在划分第二空间152的第二电池隔挡件155的一部分上。从而，在相邻第二空间152中流动的水容易通过通孔156被混合。虽然图5中显示的蒸发器150具有沿竖直方向堆叠的第一空间151和第二空间152，但是这样的取向不是必需的：第一空间151可以沿水平方向(即，图5中的x轴方向)与其他第一空间相邻，同时第二空间152可以沿水平方向与其他第二空间152相邻使得通孔156在水平方向流体连接第二空间152。

因为在蒸发器150中，热从在第一空间151中流动的燃料气体被传递到第二隔挡件155，所以传热面积大于根据相关技术的蒸发器的传热面积。此外，根据图5的蒸发器150，第二空间152的水容易被混合，从而可以减小在多个第二空间152产生的水的热温差。

通孔156可以通过冲压(punching)形成。蒸发器150的电池隔挡件154和155可以由采用冲压板由金属单体形成。同样，电池隔挡件154和155由金属材料形成以具有高的热传导性。由热源提供的燃料气体流动进入第一空间151。

图7A为图6中显示的第二电池隔挡件155的一部分A的放大的顶部平面图，图7B为沿图7A中显示的线VII-VII剖取的第二电池隔挡件155的截面图。

如图7A和7B中显示，通孔156从第二电池隔挡件155的表面突出。从而，在一个第二空间152中流动的水可以通过通孔156并且流动进入相邻的一个第二空间152中。然而，不需要将通孔156局限于此使得通孔156可以仅包括不从第二电池隔挡件155的表面突出的孔。

图8为用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器160的透视图。如图8中显示，蒸发器160与图5中的蒸发器150部分不同。蒸发器160的中空的内部空间被分成第一空间161和第二空间162。当观察本体163的内部空间的截面时，第一空间161和第二空间162被第一电池隔挡件164划分并且沿第一方向(图8中的x轴方向)交替布置。虽然本体163被图解为圆柱形本体，但本体163不局限于此。当观察本体163的内部空间的截面时，第二空间162由第二电池隔挡件165划分并且沿第二方向(图8中的y轴方向)彼此相邻地布置。虽然图8中的蒸发器160未设置有沿第一方向形成并且沿第二方向划分第一空间161的电池隔挡件，但可以获得与图5的蒸发器150相同的效果。

在蒸发器160中，如同图5的蒸发器150中那样，第二电池隔挡件165设置有通孔166。通孔166可以从第二电池隔挡件165的表面突出。由热源提供的燃料气体流动进入第一空间161中。

图9为用于根据本发明的示范性实施例的蒸发器的透视图。参考图9，蒸发器170具有中空的内部空间，其被分成第一空间171和第二空间172。内部空间的截面被分成蜂窝结构。第一空间171和第二空间172具有相同尺寸的六边形截面。第一空间171与第二空间172相邻。

蒸发器170具有圆柱形本体173。该本体173具有中空的内部空间，作为例子，在此内部空间中流体沿其长度方向流动。电池隔挡件174将内部空间的截面分成蜂窝结构。内部空间被分成具有多行和多层的多个空间。被电池隔挡件174划分的空间包括允许燃料气体流动的第一空间171和允许水流动的第二空间172。

在本实施例中，当观察本体173的截面时，由第一空间171和第二空间172形成的多行沿第二方向(图9中的y轴方向)堆叠。第一空间171和第二空间172沿第一方向(图9中的x轴方向)交替布置成行。图9中，第一行的第一虚拟线(imaginary line)与第二行的第二虚拟线沿第一方向隔开预定间隔(图9中的L)。这里，第一行和第二行在第二方向彼此相邻。第一虚拟线通过第一行的第一空间171或者第二空间172中的一个的中心并且沿第二方向形成。第二虚拟线通过第二行的第一空间171或者第二空间172中的一个的中心并且沿第二方向形成。

图10为沿图9中显示的线X-X剖取的用于燃料电池系统的蒸发器的截面图。如图9和10所显示，燃料气体在第一空间171中流动，水在第二空间172中流动。电池隔挡件174包括至少一个形成在划分第二空间172的部分上的通孔176。从而，在相邻第二空间172中流动的水通过所述至少一个通孔176容易被混合。

图11为显示通过图9中显示的用于根据本发明的示范性实施例的燃料电池系统的蒸发器的燃料气体的温度的曲线图。在实验中，从热源排出的燃料气体流动进入蒸发器，并且向蒸发器供给水。将通过当LPG以450ml/min而空气以181/min被持续提供时发生的燃烧反应(combustion reaction)从热源排出的燃料气体提供给蒸发器。在蒸发器的每个入口和出口的燃料气体的温度被测量。获得图11中显示的数据结果。参考该曲线，当稳定地产生蒸汽时，流入蒸发器的燃料气体和从蒸发器排出的燃料气体之间的温差是约550℃。约二十分钟之后稳定地产生蒸汽。

图12为显示通过用于根据相关技术的燃料电池系统的蒸发器的燃料气体的温度的曲线图。在实验中，从热源排出的燃料气体流动进入蒸发器，并且向蒸发器供给水。水供给和燃料气体供给的实验条件与图11的实验中相同。在蒸发器的每个入口和出口的燃料气体的温度被测量。获得图12中显示的数据结果。参考图12，流动进入蒸发器的燃料气体和从蒸发器排出的燃料气体之间的温差在约五十分钟之后为约500℃。也就是，相关技术的温差小于示范性实施例的温差。

也就是，如图11和12中所显示，图9的示范性实施例的蒸发器170中的温差大于根据相关技术的板形蒸发器的温差。此外，在图9的示范性实施例的蒸发器170中，在较少的时间内便达到该温差。从而，可以看出：根据图9的示范性实施例的蒸发器具有高于根据相关技术的板形蒸发器的传热效率。

虽然已经展示和描述了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例进行改变，本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。