專利名稱：燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)
本分案申請是基于申請?zhí)枮?00610071576. 2，申請日為2006年3 月30日，發(fā)明名稱為燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)的中國專利申請的 分案申請。
相關(guān)申請的交叉引用 本申請基于并且要求了于2005年3月30日提交的在先日本專利 申請No. 2005-097970的優(yōu)先權(quán)，該在先申請的整個內(nèi)容在此引入作為 參考。
背景技術(shù)：
1. 發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及了 一種適用于微型化的燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)。
2. 相關(guān)技術(shù)的描述
近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種電子器件例如手機、攝影 機和計算機已經(jīng)被微型化并且還對它們的可攜帶性作出了要求。作為
滿足這些要求的電源，傳統(tǒng)上使用了可攜帶的一次電池和二次電池。 然而從它們的功能的觀點出發(fā)，一次電池和二次電池的使用時間有限， 使用了這些電池的電子器件等的運行時間也受到限制。
即是說，盡管如果使用了一次電池和放電結(jié)束，則可以通過更換 電池來驅(qū)動電子器件，但一次電池的使用時間相對于它的重量而言仍 然短，因此一次電池并不適用于便攜式的器件。雖然二次電池可以在 放電結(jié)束后重新充電，但電子器件的使用場所還是受到了限制，因為 需要用于重新充電的電源并且要花費很多時間將電池重新充電。特別 而言，引入了二次電池的電子器件的使用時間是有限的，因為即使電 池的放電結(jié)束也不能更換電池。因此難以用常規(guī)的一次電池或二次電 池來長時間地驅(qū)動各種小的器件，并且需要一種適用于更長時間地驅(qū) 動的電池。
作為該問題的一種解決方式，燃料電池近年來已經(jīng)引起了公眾的注意。燃料電池不僅具有能夠僅僅通過提供燃料和氧化刑而發(fā)電的優(yōu) 點，而且還具有能夠僅僅通過更換燃料而連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點。出于該原 因，如果要實現(xiàn)便攜式電子器件的微型化，據(jù)信燃料電池是一種極其 有效的用于驅(qū)動便攜式電子器件的系統(tǒng)。
在常用的燃料電池領(lǐng)域中，已經(jīng)開發(fā)了使用燃料電池的燃料電池 系統(tǒng)。在燃料電池中，燃料通過內(nèi)部裝有重整催化刑的重整器進行重 整以生成含有氫氣的重整氣體。燃料的例子包括水和輕質(zhì)烴例如天然 氣和石腦油，以及水和醇例如甲醇。將重整氣體供送到燃料電池的燃 料電極，并且將空氣供送到氧化劑電極。由于這種燃料電池系統(tǒng)與4吏 用液體燃料例如甲醇的直接甲醇燃料電池等相比而具有更高的電壓并 且確保了更高的效率，因此可以期待其減少的尺寸和增強的性能。
帶有重整器的燃料電池系統(tǒng)使用包括水和可燃物質(zhì)例如碳?xì)浠?和醇的燃料。通過重整獲得的氣體(重整氣體)含有作為副產(chǎn)物的約
1%-2%的一氧化碳以及氫氣。因此，對于將帶有重整器的燃料電池系 統(tǒng)用作便攜式電子器件的電源而言，則需要充分的安全措施。該措施 的一個例子披露于日本專利申請?zhí)亻_Nos. 2002-93435和2003-45457中。
日本專利申請?zhí)亻_No. 2002-93435描述了通過將用于從燃料電池 等中泄漏的氫氣燃燒反應(yīng)的貴金屬催化劑提供到容納燃料電池的殼體 中而防止殼體中泄漏的氫氣免于沉積，因為即使當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的通 風(fēng)機停機時，也可以通過該燃燒反應(yīng)將殼體中泄漏的氫氣轉(zhuǎn)化成水。
曰本專利申請?zhí)亻_No. 2003-45457披露了這樣一種燃料電池系 統(tǒng)其中具有蒸發(fā)單元(30 )和用于將重整器(6 )加熱的燃燒器(31) 的重整裝置(5)被由絕熱材料形成并且底部具有圓柱形的泄漏氣體收 集單元(20)密封。日本專利申請?zhí)亻_No. 2003-45457中披露的該燃 料電池系統(tǒng)中的燃燒器(31)將從重整裝置(5)中泄漏的氣體燃燒。
如果將帶有重整器的燃料電池系統(tǒng)裝在便攜式器件上，則會由于 尺寸和成本的限制而難以使用高精度流動速率的監(jiān)控器和控制單元。
這使得僅僅釆用催化燃燒的熱量難以準(zhǔn)確地控制重整器的溫度。 一般而言，重整器是絕緣的以減少熱損耗；并且由于催化燃燒量的輕微差 異，重整器的溫度容易極大地變化?？刂浦卣鳒囟鹊姆椒ǖ睦右?經(jīng)披露于日本專利No, 2715500和日本專利申請?zhí)亻_No. 11-86893中。
日本專利No. 2715500描述了以下內(nèi)容通過用甲醇重整裝置的燃 燒器將燃料電池的未反應(yīng)的氫氣燃燒而提供用于甲醇重整裝置的催化 層的最佳熱量，并且當(dāng)甲醇重整裝置的催化層溫度降低至特定的控制 溫度范圍或者更低時用加熱體將催化層加熱。
日本專利申請?zhí)亻_No. 11-86893披露了通過在啟動或瞬變響應(yīng)的 時候?qū)⒅卣b置的重整催化層加熱而在啟動或瞬變響應(yīng)時提前生成富 含氫氣的氣體，由此減少了從啟動到發(fā)電的時間。
順便提及，已經(jīng)需要非水二次電池例如鋰離子二次電池以確保當(dāng) 由于過量充電或短路或者不正確的處理例如長時間置留于高溫環(huán)境下 而導(dǎo)致電池內(nèi)壓不正常升高時的安全性，并且以確保正常使用中的安 全性。因此，非水二次電池包括通過電池內(nèi)壓驅(qū)動的安全閥或者防爆 閥(例如日本專利申請?zhí)亻_Nos. 5-314959和9-245759以及日本未審 申請?zhí)亻_No. 58-17332 )。
發(fā)明簡述
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種燃料重整裝置，其包括 具有開口的絕熱容器；
提供在絕熱容器中并且將燃料重整得到含有&和C0的重整氣體
的重整器；
減少重整氣體中的CO的C0處理單元；
包含用于氫氣燃燒反應(yīng)的笫一催化劑、被構(gòu)造成利用該燃燒反應(yīng)
將重整器加熱的重整器加熱單元；
覆蓋絕熱容器的開口的絕熱元件；和
提供在絕熱容器中并且包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的第二催化劑 的催化劑單元。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括 具有開口的絕熱容器；
提供在絕熱容器中并且將燃料重整得到含有112和CO的重整氣體 的重整器；
減少重整氣體中的C0的CO處理單元； 由CO處理單元提供重整氣體的燃料電池；
包含用于氫氣燃燒反應(yīng)的第一催化劑、被構(gòu)造成利用該燃燒反應(yīng) 將重整器加熱的重整器加熱單元；
覆蓋絕熱容器的開口的絕熱元件；和
提供在絕熱容器中并且包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的第二催化劑 的催化劑單元。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括 將燃料重整得到氣體的重整器；
包含至少一個通過使用該氣體進行發(fā)電反應(yīng)的電池的燃料電池； 第一加熱器，其包含有用于從燃料電池中放出的未使用氣體燃燒 反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重整器加熱； 將重整器加熱的第二加熱器；
基于重整器的溫度對第二加熱器的輸出功率實施反饋控制的溫 度控制器；和
根據(jù)下式(1)控制提供給第二加熱器的功率的加熱器功率控制 單元
W。ut - Wcntl - Mcrab x ( Fdsn - NI/nF ) ( 1 )
其中W。ut是提供給第二加熱器的功率(W) ; W。n"是由溫度控制器
的反饋控制得到的第二加熱器的輸出功率(W) ; AIU是氣體的燃燒熱 (J/mol) ; Fdsn是對所述至少一個電池的氣體供送量(mol/s) ; N是 組成所述至少一個電池的電池數(shù)量；I是每個電池的電流(A) ; n是 發(fā)電反應(yīng)中所涉及的電子的數(shù)量；F是法拉第常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括 將燃料重整得到氣體的重整器；
包含至少 一個通過使用該氣體進行發(fā)電反應(yīng)的電池的燃料電池； 第一加熱器，其包含有用于從燃料電池中放出的未使用氣體燃燒 反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重整器加熱； 將重整器加熱的第二加熱器； 控制重整器溫度的溫度控制器；和
控制提供給第二加熱器的功率以滿足下式(2)的加熱器功率控 制單元
W。ut - Ql + Q2 - AHcrab x ( F"n - NI/nF ) ( 2 ) 其中W。ut是提供給第二加熱器的功率(W) ; Ql是用于在重整器中 重整所必需的熱量(W) ; Q2是重整器的熱損耗量(W) ; Alb是氣體 的燃燒熱(J/mo1); F^是對所述至少一個電池的氣體供送量(mol/s ); N是組成所述至少一個電池的電池數(shù)量；I是每個電池的電流(A) ; n 是發(fā)電反應(yīng)中所涉及的電子的數(shù)量；F是法拉第常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料重整裝置，其包括
將燃料重整得到含有氫氣的重整氣體的重整器； 包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重 整器加熱的燃燒器；和
釋壓元件，其當(dāng)重整器的內(nèi)壓升高時破裂，由此起到從重整器到 燃燒器的氣體通道的作用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括 將燃料重整得到含有氫氣的重整氣體的重整器； 通過使用氫氣發(fā)電的燃料電池；
包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重 整器加熱的燃燒器；和
釋壓元件，其當(dāng)重整器的內(nèi)壓升高時破裂，由此起到從重整器到燃燒器的氣體通道的作用。
幾個附圖的簡述


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意
圖2是用于圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)的空氣泵的示意圖； 圖3是圖解表示了用于圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)的絕熱容器的 透視圖4是表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的不正常檢測過程的流程圖； 圖5是表示本發(fā)明第二實施方案的燃料重整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是表示提供在示于圖5中的燃料重整裝置上的氧氣供給元件
的實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)；
圖7是表示提供在示于圖5中的燃料重整裝置上的氧氣供給元件
的實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視圖)；
圖8是表示提供在示于圖5中的燃料重整裝置上的氧氣供給元件
的另一個實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖11是表示裝配在圖10中所示的燃料電池系統(tǒng)上的蒸發(fā)器、重 整器、燃燒器和加熱器的排列的示意圖12是表示裝配在圖10中所示的燃料電池系統(tǒng)上的蒸發(fā)器、重 整器、燃燒器和加熱器的排列的示意圖13是表示裝配在圖10中所示的燃料電池系統(tǒng)上的蒸發(fā)器、重 整器、燃燒器和加熱器的排列的示意圖14是表示用于根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的燃料重整裝置的重 整器和燃燒器的透視示意圖15是表示在圖14的燃料重整裝置中的燃燒器氣體循環(huán)通道與重整器的釋壓元件之間的位置關(guān)系的一個例子的平面圖16是表示圖15的釋壓元件的一個構(gòu)型例子的截面圖17是表示在圖14的燃料重整裝置中的燃燒器氣體循環(huán)通道與
重整器的釋壓元件之間的位置關(guān)系的另 一個例子的平面圖； 圖18是表示圖17的釋壓元件的一個構(gòu)型例子的截面圖。
發(fā)明詳述
(第一實施方案)
本發(fā)明的實施方案可以提供一種具有優(yōu)良的安全性并且適用于微 型化的燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)。
在下文中，將參照圖l-3來描述本發(fā)明的第一實施方案。圖l是 表示根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是 用于圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)的空氣泵的示意圖。圖3是圖解表示 了用于圖1的燃料電池系統(tǒng)的絕熱容器的透視圖。
該燃料電池系統(tǒng)包括燃料重整裝置1和燃料電池2。
燃料重整裝置1包括在其側(cè)面具有開口 3a的絕熱容器3;裝配 在絕熱容器3中的蒸發(fā)器4;重整器5;包括C0轉(zhuǎn)化設(shè)備6和C0去除 設(shè)備7的C0處理單元；燃燒器8;安置在絕熱容器3的內(nèi)壁上的催化 劑單元9;覆蓋絕熱容器3的開口 3a的絕熱元件3b;和安置在絕熱容 器3外面的燃料供給單元10，其將要被重整的燃料提供給蒸發(fā)器4。
如圖3中所示，絕熱容器3具有扁平形狀、與平面方向(厚度方 向)垂直的主面3c是矩形的，并且開口 3a形成于與徑向方向垂直的 表面上。絕熱容器3與開口 3a垂直的寬度長于絕熱容器3沿著開口 3a的寬度。絕熱容器3是在其內(nèi)壁表面與外壁表面之間具有中空部分 的真空絕熱容器。另一方面，絕熱元件3b由例如石纖維、陶瓷纖維、 硅酸鈣、真空絕緣材料(例如在陶瓷纖維的兩個面上層壓鋁層或者硅 酸鉀層)、發(fā)泡的聚氨酯、瓦片、硬質(zhì)聚氨酯泡沫、陶瓷粉末等形成。 該陶瓷粉末用無機纖維增強并且具有0. lHm或更小的非閉合胞狀結(jié)構(gòu) (例如商品名Microtherm，由Nippon Microtherm Co. ， Ltd.生產(chǎn))。在它們當(dāng)中，用無機纖維增強并且具有0. ^m或更小的非閉合胞狀結(jié)
構(gòu)的陶瓷粉末在150x:的高溫下可以實現(xiàn)充足的耐熱性。盡管與絕熱
容器3的徑向方向垂直的表面以扁平形狀形成，但它也可以形成為正 方形或圓形的形狀。如果絕熱容器3的開口 3a附近的外周面被含有鋁 的層壓薄膜覆蓋，則絕熱容器3的開口 3a附近的絕熱作用得到增強， 使得保持了開口 3a附近的溫度低。
連接到蒸發(fā)器4上的燃料供給管ll伸出穿過絕熱元件3b并且與 燃料供給單元10相連。該燃料供給管ll裝有閥12。當(dāng)閥12打開時， 通過燃料供給管11從燃料供給單元10供送到蒸發(fā)器4的燃料被燃燒
器8加熱，使得燃料蒸發(fā)。
燃料供給單元IO儲存了燃料重整系統(tǒng)的燃料。燃料的例子包括
曱醇和水的混合物、二甲醚和水的混合物，以及二甲醚、水和醇的混 合物。盡管優(yōu)選將曱醇、乙醇等用作醇，但由于提高了二甲醚與水之 間的溶解性而特別優(yōu)選使用曱醇。
作為燃料供給單元10，可以采用例如可以連接到燃料重整裝置上 /從燃料重整裝置上卸下的壓力容器。如果燃料中有二甲醚，則可以通 過利用二甲醚的壓力將燃料送入蒸發(fā)器4。在這種情況下，從化學(xué)計 量的觀點出發(fā)，二甲醚與水之間的混合比(摩爾比)理想地為1: 3。 然而如果該混合比在l: 3附近，則實際的燃料重整系統(tǒng)提高了所生成 的一氧化碳的量。此外，如果可以使用過量的水用于將在后面描述的 轉(zhuǎn)化反應(yīng)和發(fā)電，則該混合比優(yōu)選為1: 3.5或更大。然而，由于用于 在蒸發(fā)器4中將燃料加熱并且蒸發(fā)的能量增加，因此該混合比優(yōu)選為 1: 3.5-1: 5.0，并且理想地為1: 3.5-1: 4.0。
通過供送通道13比如管子將蒸發(fā)器4連接到重整器5上。蒸發(fā)的 燃料通過重整器5重整并且轉(zhuǎn)化成含有氫氣的氣體(重整氣體)。重 整器5的內(nèi)部包括有用于蒸發(fā)的燃料通過的通道，并且該通道的內(nèi)壁 面裝有用于促進蒸發(fā)的燃料重整反應(yīng)成重整氣體的重整催化劑作為第 一催化劑。
當(dāng)燃料含有甲醇時，可允許將Cu/ZnO/Y-氧化鋁、Pd/ZnO等用作重整催化劑。這些重整催化劑促進了蒸汽重整反應(yīng)，在該反應(yīng)中如式 U)所示，甲醇被重整成氫氣和二氧化碳。
CH30H + H20 — 3H2 + C02 (1)
當(dāng)燃料含有二曱醚時，可允許使用Pd/ZnO和Y-氧化鋁的混合物 或者鉑-氧化鋁基催化劑(Pt/Al203 )。這些重整催化劑可以促進如式 (2)中所示的二甲醚的蒸汽重整反應(yīng)。 CH3OCH3 +3H20 — 6H2 + 2C02 ( 2 )
該鉑-氧化鋁基催化劑的Pt數(shù)量優(yōu)選為0. 25w"/?；蚋嗪?. Owt% 或更少。
為了提高重整器5的耐腐蝕性，使用貴金屬是有效的。重整催化 劑的有效溫度范圍為200 - 400X:。優(yōu)選地，控制重整器5的溫度以使 得重整催化劑的表面溫度為200 - 400°C。
通過供送通道14比如管子將重整器5連接到CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6上。 重整氣體含有作為副產(chǎn)物的二氧化碳和一氧化碳以及氫氣。 一氧化碳 可以使燃料電池的陽極催化劑分解，由此降低了燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電 性能。因此，借助于CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6使一氧化碳和二氧化碳與氫氣轉(zhuǎn)化 反應(yīng)以降低CO的濃度并且提高氫氣的濃度。該CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6包括有 用于重整氣體通過的通道，并且該通道的內(nèi)壁面裝有用于促進含于重
整氣體中的一氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化催化刑。
將詳細(xì)描述CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6。該CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6的內(nèi)部包括有其中 重整氣體流過比如重整器5的螺旋形或平行線的通道。該通道的內(nèi)壁 面裝有包含有負(fù)載貴金屬包括Pt的固體基質(zhì)的轉(zhuǎn)化催化劑。該轉(zhuǎn)化催 化劑可以通過由式(3 )表示的反應(yīng)來促進一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氣化碳的 轉(zhuǎn)化反應(yīng)，由此提高了所生成的氫氣的數(shù)量。
CO + H20 — H2 + C02 ( 3 )
將詳細(xì)描述該轉(zhuǎn)化催化劑。固體基質(zhì)的例子包括負(fù)栽有選自Ce、 Re、 K、 Mg、 Ca和La的至少一種元素的氧化鋁。即使使用Pd和Ru的 任意一種來代替Pt，也可以獲得相同的效果。
可以使用其他非常公知的Cu/ZnO基催化劑來代替該轉(zhuǎn)化催化劑。為了提高C0轉(zhuǎn)化設(shè)備6的耐腐蝕性，優(yōu)選使用含有貴金屬，包括Pt、 Pd或Ru的催化劑。此外，該CO轉(zhuǎn)化催化劑的有效溫度范圍為200 -300X:。優(yōu)選地，控制CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6的溫度以使得CO轉(zhuǎn)化催化劑的表 面溫度為200 - 350X:。
通過供送通道15比如管子將CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6連接到CO去除設(shè)備7 上。通過CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6轉(zhuǎn)化反應(yīng)并且被送入CO去除設(shè)備7的重整氣
體仍然含有1。/?；蚋俚囊谎趸肌o是降低如上所述的燃料電池系統(tǒng)
的發(fā)電性能的一個因素。因此，借助于C0去除設(shè)備7除去一氧化碳直 到一氧化碳的濃度為100ppm或更少。該C0去除設(shè)備7包括有使重整 氣體通過的通道，并且該通道的內(nèi)壁面裝有用于促進含于重整氣體中 的一氧化碳的甲烷化反應(yīng)的甲烷化催化劑。
將詳細(xì)描述C0去除設(shè)備7。該CO去除設(shè)備7的內(nèi)部包括有其中 重整氣體流過比如重整器5和CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6的螺旋形或平行線的管 道。該通道的內(nèi)壁面裝有甲烷化催化劑，包括Ru。
通過重整器5重整、通過CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6轉(zhuǎn)化反應(yīng)并且被送入CO 去除設(shè)備7的重整氣體含有作為副產(chǎn)物的二氧化碳和一氧化碳以及氫 氣。 一氧化碳是燃料電池的陽極催化劑分解，由此降低了如上所述的 發(fā)電性能的一個因素。因此，在重整器5將含有氫氣的氣體供送給燃 料電池2之前，CO去除設(shè)備7使一氧化碳如式(4 )所示的那樣曱烷 化以除去一氧化碳直到其濃度為100ppm或更少。
CO + 3H2 — CH4 + H20 ( 4 )
將詳細(xì)描述甲烷化催化劑。甲烷化催化劑的優(yōu)選例子包括
Ru/Al203;
Ru/沸石；
含有Ru/Al203作為其主要組分和負(fù)載有選自Mg、 Ca、 K、 La、 Ce
和Re的至少一種元素的Ru/Al203的催化劑；和
含有Ru/沸石作為其主要組分和負(fù)載有選自Mg、 Ca、 K、 La、 Ce 和Re的至少一種元素的Ru/沸石的催化劑。特別地，如果使用含有二 曱醚的燃料，則優(yōu)選含有Ru/Al203或Ru/沸石作為其主要組分的甲烷化催化劑，因為該催化劑很少變質(zhì)。
燃料電池2包含聚合物電解質(zhì)膜2a、形成于該聚合物電解質(zhì)膜 2a上的燃料電極(陽極)2b，和形成于與燃料電極2b形成在其上的 表面相對的一側(cè)上的聚合物電解質(zhì)膜2a表面上的氧化劑電極(陰極) 2c。 C0去除設(shè)備7與用于供送已經(jīng)除去了 一氧化碳的重整氣體的重整 氣體排出管16相連。該重整氣體排出管16穿過絕熱元件3b伸出到外 面并且與燃料電池2的燃料電極2b相連。燃料電池2使得重整氣體中
的氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生了電。
將詳細(xì)描述燃料電池2。該燃料電池2包括電解質(zhì)膜2a、燃料電 極2b和氧化劑電極2c。電解質(zhì)膜2a具有質(zhì)子傳導(dǎo)性并且由含有陽離 子交換基團例如磺酸鹽基團和羧酸基團的氟碳聚合物例如Na fi on ( Du Pont的注冊商標(biāo))形成。燃料電極2b包括多孔板、負(fù)載了PtRu的炭 黑粉末和防水樹脂粘合劑例如聚四氟乙烯(PTFE)。該負(fù)載有PtRu 的炭黑粉末借助于防水樹脂粘合劑而固定在多孔板上。氧化劑電極2c 包括多孔板、負(fù)載了 Pt的炭黑粉末和防水樹脂粘合劑例如聚四氟乙烯 (PTFE )。該負(fù)載有Pt的炭黑粉末借助于防水樹脂粘合劑而固定在多 孔板上。燃料電極2b和氧化劑電極2c可以各自含有磺酸類全氟碳聚 合物或者用磺酸類全氟碳聚合物涂覆的細(xì)粒。
被供送到燃料電極2b上的氫氣如下式(5 )所示的那樣在燃料電 極2b上反應(yīng)。<formula>formula see original document page 14</formula> ( 5 )
另一方面，被供送到氧化劑電極2c上的氧氣如下式(6)所示的 那樣在氧化劑電極2c上反應(yīng)。
<formula>formula see original document page 14</formula>(6)
燃料電池廢氣吸收管17與用作重整器加熱元件的燃燒器8相連、 穿過絕熱元件3b伸出到外面并且與燃料電池2相連。燃料電池2借助 于氫氣與氧氣之間的反應(yīng)生成了水，并且得自于燃料電池2的廢氣(在 被用于發(fā)電后的重整氣體)含有未反應(yīng)的氫氣。燃燒器8使未反應(yīng)的 氫氣與空氣中的氧氣燃燒。同時，通過利用燃燒時產(chǎn)生的燃燒熱將蒸發(fā)器4、重整器5、 CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6和CO去除設(shè)備7加熱。用絕熱容器 3將蒸發(fā)器4、重整器5、 CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6、 CO去除設(shè)備7和燃燒器8 罩住，以達(dá)到提高加熱效率、使溫度均衡和保護具有低耐熱性的組件 例如安裝在附近的電子電路的目的。用于將廢氣排到外面的排出管18 與燃燒器8相連并且穿過絕熱元件3b導(dǎo)向外面。
將詳細(xì)描述燃燒器8。該燃燒器8的內(nèi)部包括有，例如用于發(fā)電 的重整氣體流過的螺旋形或平行線類型的通道。該通道的內(nèi)壁面裝有 燃燒催化劑例如負(fù)栽有責(zé)金屬例如Pt或Pd，或者Pt和Pd的氧化鋁。
化劑的氧化和^質(zhì)，而不需i提供另外用于-:催化劑氧化和^質(zhì)的 裝置。同時，燃燒器8可以是同時使用加熱器的一類。加熱器的例子 包括粘結(jié)到鋁板上的陶瓷加熱器和掩蔽在鋁板中的加熱棒。
接下來將描述重整器5、 C0轉(zhuǎn)化設(shè)備6、 C0去除設(shè)備7和燃燒器 8的結(jié)構(gòu)。這里，將通過例子來描述重整器5。 C0轉(zhuǎn)化設(shè)備6、 CO去 除設(shè)備7和燃燒器8具有與重整器5相同的結(jié)構(gòu)，因此省略了它們的 描述，盡管取決于催化劑的種類和反應(yīng)速度則通道的寬度和長度有所 不同。
優(yōu)選地，構(gòu)成重整器5的至少部分反應(yīng)容器由具有高導(dǎo)熱性的材 料形成。原因是有效地將燃燒器8中產(chǎn)生的燃燒熱傳遞到重整器5的 內(nèi)部。具有高導(dǎo)熱性的材料的例子包括鋁、銅、鋁合金和銅合金。另 外可以使用不銹鋼合金，因為其具有優(yōu)良的耐腐蝕性，盡管它的導(dǎo)熱 性比鋁、銅、鋁合金和銅合金低。
反應(yīng)容器可以通過采用常用的機械加工方法或者模制方法而成 型。常用的機械加工方法包括，例如電子放電法和軋制法。常用的模 制方法包括，例如鍛造和鑄造。此外，可允許例如通過以下方式使用 機械加工方法和模制方法兩者通過鑄造模制出不帶有進口管或出口 管的反應(yīng)容器，此后通過機械加工方法例如通過鉆孔而提供通孔并且 然后將管狀構(gòu)件焊接。
催化劑單元9被安置在沿著絕熱容器3的徑向方向的表面的內(nèi)壁上并且位于重整器5和CO處理單元的上方。絕熱容器3在垂直于徑向 方向的表面上具有開口 3a,并且絕熱元件3b安裝在開口 3a上。因此， 可以在絕熱容器3中形成非氣密的并且不對空氣開放的空間，并且可 以將催化劑單元9安置在氣體分散通道中。從而，如果可燃?xì)怏w泄漏， 則可燃?xì)怏w容易殘留在催化劑單元9的旁邊并且可以以高濃度與催化 劑單元9反應(yīng)。出于該原因，可以通過促進可燃?xì)怏w的催化劑燃燒反 應(yīng)將可燃?xì)怏w轉(zhuǎn)化成無害的水，提高了重整裝置的安全性。此外，溫 度由于催化劑反應(yīng)迅速進行而升高，使得溫度傳感器迅速地檢測到溫 度，由此迅速地檢測到可燃?xì)怏w的泄漏。順便地講，可燃?xì)怏w的例子 包括未使用的燃料(例如碳?xì)浠铩⒋?，高度爆炸性的氫氣和對人 體有害的一氧化碳，
催化劑單元9優(yōu)選被安置在絕熱容器3的內(nèi)壁面上并且在氣體容 易泄漏的部分的上方。作為這樣的位置，可以提及的是例如在反應(yīng)器 如重整器5 (特別是反應(yīng)器蓋和殼體邊緣)的上方、在管道接頭的上 方等。
作為將被用于催化劑單元9的第二催化劑的燃燒催化劑的例子包 括非常公知的催化劑，例如鉑-氧化鋁基催化劑(Pt/Al203 )、鈀-氧化 鋁基催化劑(Pd/Al203 )、鉑-鈀-氧化鋁基催化劑((Pt、 Pd)/ A1203 ) 和釕-氧化鋁基催化劑(Ru/Al203 )。
為了使泄漏的氫氣燃燒，特別有效的是鈀-氧化鋁基催化劑 (Pd/Al203 )或鉑-鈀-氧化鋁基催化劑((Pt、 Pd)/ A1203 )。對于一 氧化碳的情形而言，特別有效的是釕-氧化鋁基催化劑Uu/Al203 )。
因此，優(yōu)選的是將至少兩種上述的催化劑排列作為燃燒催化劑。
將被供送到催化劑單元9和燃燒器8的空氣可以借助于例如空氣 泵19供送?？梢允箍諝獗?9為燃燒器8和催化劑單元9所共有?？?氣泵19安置在絕熱容器3的外面，并且第一供給管20和第二供給管 21與空氣泵19相連?？諝獗?9的第一供給管20穿過絕熱元件3b與 燃燒器8相連。另一方面，第二供給管21穿過絕熱元件3b與催化劑 單元9相連。在第二供給管21上提供了當(dāng)溫度升高時被打開的閥22。泄漏的可燃?xì)怏w通過在催化劑單元9的存在下與絕熱容器3中含有的 氧氣反應(yīng)而被轉(zhuǎn)化成水。隨著反應(yīng)的進行，絕熱容器3中含有的氣氣 的量減少，并且催化劑單元9的溫度升高。通過提供當(dāng)溫度升高時被 打開的閥22，可以在氧氣由于所進行的燃燒反應(yīng)而變得不足時將空氣 供送到絕熱容器3中，使得可以避免泄漏氣體的去除污染作用的中斷。 該燃料重整裝置優(yōu)選包括有探測單元9a，其探測了可燃?xì)怏w由于 借助于催化劑單元9的燃燒熱而溫度升高的泄漏，基于來自該探測單 元的信號起到了停止借助于燃料供給單元10的燃料供送的作用。圖4 是表示其不正常檢測過程的流程圖。
該探測單元監(jiān)控了催化劑單元9的溫度，并且將穩(wěn)定狀態(tài)的催化 劑單元9的溫度T1輸入探測單元(S1)。如果可燃?xì)怏w發(fā)生泄漏(S2), 則催化劑單元9的溫度升高(S3 )。通過探測單元探測溫度T2與溫度 Tl之間的溫度差值(S4)。如果該溫度差值超過20匸，則將燃料供給 單元10的閥12關(guān)閉以停止對蒸發(fā)器4的燃料供送，并且將空氣泵19 的第一供給管20關(guān)閉以停止對燃燒器8的空氣供送和停止燃燒器8 的加熱(S5)。可以因此停止燃料重整裝置的運行。
另一方面，當(dāng)溫度T2與溫度T1之間的溫度差值小于20匸時，則 繼續(xù)監(jiān)控催化劑單元9的溫度而不需要停止燃料重整裝置。
根據(jù)該實施方案的燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)采用了在垂直于 徑向方向的表面具有開口的絕熱容器和在該絕熱容器的開口中提供絕 熱元件。因此，該絕熱容器的內(nèi)部變成一個非氣密的并且不對空氣開 放的空間。當(dāng)可燃?xì)怏w由于由外部沖擊例如下落和壓力的破壞造成的 管道破裂或破裂而泄漏時，可燃?xì)怏w容易在其中不容易發(fā)生空氣循環(huán) 的絕熱空間中沉積。因此，可燃?xì)怏w可以高濃度與催化劑燃燒成分反 應(yīng)，由此迅速引起催化劑燃燒反應(yīng)。從而可以防止氫氣和一氧化碳泄 漏到外面。此外，由于溫度因為催化劑反應(yīng)進行而升高，因此溫度傳 感器可以探測到溫度升高而迅速地檢測到可燃?xì)怏w的泄漏。
由于通過將催化劑單元安置在沿著絕熱容器徑向方向的表面的內(nèi) 壁上而可以使催化劑單元位于可燃?xì)怏w的分散通道內(nèi)，因此可以進一此外，提供將氧氣供送到重整器加熱單元以及將氧氣供送到催化 劑單元的空氣泵使得能夠減小燃料重整裝置的尺寸。
(第二實施方案)
圖5表示根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的燃料重整裝置。類似的附圖 標(biāo)記附在發(fā)揮了與圖1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了 重復(fù)的描迷。
催化劑單元9被安置在沿著絕熱容器3徑向方向的表面的內(nèi)壁上 并且在重整器5和C0處理單元的上方。作為燃燒催化劑(第二催化劑)， 安排了例如鉑-把-氧化鋁基催化劑((Pt、 Pd)/Al203 )和釕-氧化鋁基 催化劑(Ru/Al203 )這兩種。
其中內(nèi)部密封有壓縮空氣或氧氣的氧氣供給元件23被安置在催 化劑單元9的附近。
當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏時，氧氣供給元件23借助于伴隨著催化劑單元9 的燃燒反應(yīng)的熱而破裂。因此，內(nèi)部密封的壓縮空氣或氧氣被放出。 所放出的壓縮空氣或氧氣被用于催化劑單元9的燃燒反應(yīng)。借助于這 種構(gòu)型，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏到真空絕熱容器3中時，即使催化劑單元9 沒有被安置在用于氧氣的循環(huán)通道上的位置，也可以通過催化劑單元 9與從氧氣供給元件23中放出的壓縮空氣或氧氣之間的反應(yīng)(燃燒) 將可燃?xì)怏w轉(zhuǎn)化成水。順便地講，可燃?xì)怏w的例子包括未使用的燃料 (例如碳?xì)浠?、?，高度爆炸性的氫氣和對人體有害的一氧化碳。
該氧氣供給元件23同時具有緩沖的作用。因此提高了相對于外部 沖擊例如下落的安全性。
接下來將參照圖6和7來描述氧氣供給元件23的結(jié)構(gòu)。圖6是氧 氣供給元件23的俯視圖，圖7是它的側(cè)視圖。該氧氣供給元件23包 括通過由例如鋁箔擠壓才莫塑而加工的上部套件(cup member) 24a和 下部套件24b。如圖6和7中所示，該上部套件24a和下部套件24b 具有其中多個矩形的凹面部分"a、 25b在側(cè)面排列成直線的形狀。通過將上部套件24a的凹面部分25a與下部套件24b的凹面部分25b重 疊而形成的空間裝有壓縮空氣或氧氣，并且通過焊接將凹面部分25a 的開口端26和凹面部分25b的開口端26互相接合。
作為焊接方法，使用了激光束焊接、超聲熔合等?？稍试S通過使 用聚酰亞胺基膠粘帶代替焊接來固定。
將氧氣供給元件23安置以與催化劑單元9接觸。當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏
時，在催化劑單元9的催化劑表面上發(fā)生了泄漏氣體與存在于容器中
的氧氣之間的燃燒反應(yīng)。如果反應(yīng)繼續(xù)，則在燃燒催化劑的表面上達(dá)
到了不低于鋁的熔點的高溫。從而氧氣供給元件23破裂，以致于壓縮 審名《條名"審^娃山
如果在氧氣供給元件23與催化劑單元9相接觸的部分形成一薄的 部件，則壓縮空氣或氧氣被安全地放出，這是優(yōu)選的。
可允許在氧氣供給元件23與催化劑單元9相接觸的部分提供通孔 27、用壓縮空氣或氧氣填充氧氣供給元件23中的間隙，并且然后用聚 酰亞胺基膠粘帶28封閉通孔27。借助于該構(gòu)型，聚酰亞胺基膠粘帶 28通過燃燒催化劑的燃燒熱而熱分解，以使得壓縮空氣或氧氣可以被 安全地放出。
根據(jù)第二實施方案的燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)，可以獲得具 有與第一實施方案的效果類似的效果。除了這一效果外，第二實施方
案可以提供另一效果。在第二實施方案中，氧氣供送元件安排在絕熱 容器內(nèi)以與催化劑單元接觸，和氧氣供送元件含有壓縮空氣或氧氣。 因此，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏和催化劑單元溫度由于伴隨燃燒反應(yīng)的熱而升 高時，氧氣供送元件破裂。結(jié)果，密封在氧氣供送元件內(nèi)的壓縮空氣 或氧氣被放出，使得催化劑單元的燃燒反應(yīng)能夠持續(xù)。利用這一構(gòu)型， 即使催化劑單元沒有安排在用于氧氣的循環(huán)通道的位置上，也能確保 對泄漏的安全性。
(第三實施方案)
圖9表示根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的燃料電池系統(tǒng)。類似的附圖標(biāo)記附在發(fā)揮了與圖1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了 重復(fù)的描述。
在一個側(cè)面上(圖9的左側(cè)面)具有多個開口 29的殼體30包括 有描述于第一實施方案中的燃料重整裝置和燃料電池2。該殼體30在 與其中形成有開口 29的側(cè)面相對的側(cè)面上具有通風(fēng)機31。通過在殼 體30的側(cè)面上形成開口 29并且在相對的側(cè)面上提供通風(fēng)機31，改善 了殼體30中的空氣流動。因此，可以將足量的氧化劑(空氣)提供給 燃料電池2的氧化劑電極2c。殼體催化劑單元32a含有用于通過與氧 氣反應(yīng)將泄漏到殼體30中的可燃?xì)怏w燃燒的催化劑。該殼體催化劑單 元32a被安置在燃料電池2上方的殼體30的內(nèi)壁面上。殼體催化劑單 元32b被安置在裝有通風(fēng)機31的側(cè)面上。當(dāng)氫氣等從燃料電池2中泄 漏時，可以通過被安置在燃料電池2上方的殼體催化劑單元32a和被 安置在空氣流動方向的后面階段的殼體催化劑單元32b來促進泄漏的 氣體的燃燒反應(yīng)，以使得可以防止泄漏的氣體流出到殼體的外面。
因此，根據(jù)該第三實施方案，可以確保該燃料電池以及重整裝置 的高度安全性。
相同類型的催化劑單元9可以被用于殼體催化劑單元3h、 32b 的燃燒催化劑。
同時，應(yīng)該不將相應(yīng)的實施方案和附圖的描述理解為限制了本發(fā) 明。本發(fā)明的這些披露內(nèi)容使得本領(lǐng)域那些技術(shù)人員能夠?qū)嵤└鞣N替 代的實施方案、實施例和應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)上述相應(yīng)的實施方案的燃料 重整裝置和燃料電池系統(tǒng)可被用于生產(chǎn)出于各種目的而使用的氫氣和 發(fā)電，根據(jù)本發(fā)明，即使高度爆炸性的氫氣或者對人體有害的一氧化 碳發(fā)生了從重整器中泄漏，也可以通過借助于被安置在絕熱容器中的 燃燒催化劑的反應(yīng)(燃燒)將高度爆炸性的氫氣或一氣化碳轉(zhuǎn)化成水。 出于該原因，高度爆炸性的氫氣或者對人體有害的一氧化碳幾乎不可 能泄漏到絕熱容器的外面。從而提高了對外部沖擊例如下落的安全性。 因此，本發(fā)明的燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)不僅極其可用作便攜式 的電源而且可用作便攜式的和小的電子器件例如筆記本型個人電腦用的電源。
除了第一和第二實施方案的效果之外，該實施方案的燃料重整裝 置和燃料電池系統(tǒng)還可以確保在燃料重整裝置中當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏時的 安全性和對可燃?xì)怏w例如重整氣體從燃料電池中泄漏的安全性。
(第四實施方案)
本發(fā)明的第四實施方案可以提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)重整器的溫度控制 和加熱效率的燃料電池系統(tǒng)。
圖IO表示根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的燃料電池系統(tǒng)。類似的附圖
標(biāo)記附在發(fā)揮了與圖1中所描述的部件的相同作用的部件上，省略了 其重復(fù)的描述。
該燃料電池系統(tǒng)包括燃料重整裝置33、燃料電池堆34、具有用 于蒸發(fā)器4和重整器5的溫度測量元件的溫度控制器35，和加熱器功 率控制設(shè)備36。可以將熱電偶、熱敏電阻等用作用于催化劑層的溫度 測量元件。該燃料重整裝置33包括絕熱容器3、蒸發(fā)器4、重整器 5、 C0處理單元(包括CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6和CO處理單元7 ),和用作催化 劑燃燒加熱器的燃燒器8 (第一加熱器)。該燃料重整裝置33還包括 在絕熱容器3里面的第二加熱器37。加熱器37的例子包括粘結(jié)到鋁 板上的陶瓷加熱器、掩蔽在鋁板中的加熱棒以及套管加熱器。
用于該燃料電池系統(tǒng)的燃料電池優(yōu)選是聚合物電解質(zhì)膜燃料電 池。因此，可以推薦將包括燃料電極、氧化劑電極和安置在這些電極 之間的聚合物電解質(zhì)膜的多個膜電極組件(MEA)用作燃料電池堆34。 作為燃料電極、氧化劑電極和聚合物電解質(zhì)膜，可以提及的是與第一 實施方案中所述的相同的部件。
提供燃料例如二甲醚(DME)和水的單元通過燃料供給管11連接 到蒸發(fā)器4上。作為該單元，可以使用與第一實施例方案中所述的相 同的部件。
通過C0轉(zhuǎn)化設(shè)備6和CO去除設(shè)備7進行CO處理的重整氣體(包 括例如H2、 C02、 H20、微量的CO和CH4)通過與CO去除設(shè)備7相連的重整氣體排出管16被供送到燃料電池堆34。此外，借助于通過管38 連接的空氣泵39將氧化劑(空氣)供送到燃料電池堆34。
通過廢氣吸收管17將從燃料電池堆34中放出的廢氣(包括例如 H2、 C02、 H20和CHJ供送到燃燒器8。借助于通過管40連接的空氣泵 41將氧化劑(空氣)供送到燃燒器8。
用作催化劑燃燒加熱器的燃燒器8通過使用由空氣泵41供送的氧 氣而使含于廢氣中的未反應(yīng)氫氣燃燒。通過利用在燃燒時所生成的燃 燒熱將蒸發(fā)器4、重整器5、 CO轉(zhuǎn)化設(shè)備6和CO去除設(shè)備7加熱。用 于將燃燒氣體(包括例如0)2和H20)排放到外面的排出管42與燃燒 器8相連并且穿過絕熱元件3b導(dǎo)向外面。
該燃燒器8的特定構(gòu)型可與第一實施方案中所述的相同。
蒸發(fā)器4、重整器5、燃燒器8和加熱器37在燃料重整裝置中的 排列可以例如為圖11 - 13中所示的那樣。
圖11表示其中燃燒器8和加熱器37被安置在蒸發(fā)器4和重整器 5的一側(cè)的一個例子。圖12表示其中加熱器37被安置在蒸發(fā)器4和 重整器5的一側(cè)同時燃燒器8被安置在其對面的一個例子。圖13表示 其中蒸發(fā)器4和重整器5被安置在燃燒器8的兩側(cè)并且加熱器37被安 置在蒸發(fā)器4和重整器5的外面的一個例子。在它們當(dāng)中優(yōu)選的是圖 12中所示的構(gòu)型，因為該結(jié)構(gòu)簡單并且容易將加熱器和催化劑燃燒的 熱傳遞給重整器5。
溫度控制器35可以通過監(jiān)控重整器5的溫度而基于重整器5的溫 度對第二加熱器的輸出功率實行反饋控制。將來自于該溫度控制器35 的控制信號送到加熱器功率控制設(shè)備36而不需要反饋到加熱器37。 該加熱器功率控制設(shè)備36測量了燃料電池堆34的電流(A)，并且根 據(jù)下式通過使用所獲得的測量值和來自于溫度控制器35的控制信號 而校正提供給加熱器37的功率
W。ut - Wcntl - AHcmb x (Fdsn-NI/nF)
其中W。ut是提供給第二加熱器37的功率(W) ; W。nu是當(dāng)由溫度控 制器35反饋控制時第二加熱器的輸出功率(W) ; AH。w是重整氣體中的氫氣的燃燒熱(J/mol) ; F"n是對燃料電池堆34的氬氣供送量 (mol/s); N是組成燃料電池堆34的電池數(shù)量(MEA的數(shù)量)；I是 組成燃料電池堆34的每個電池的電流(A) ; n是該發(fā)電反應(yīng)式中的 電子數(shù)量；F是法拉笫常數(shù)(約96500C/mol)。
用于燃料電池的氣體并不限于包括氫氣的重整氣體。在氬氣的情 形下陽極的反應(yīng)式、陰極的反應(yīng)式和催化劑燃燒反應(yīng)式在下面示出。
陽極H2 — 2H+ + 2e-
陰極2H+ + 2e—+ 1/202 — H20
催化劑燃燒H2 + 1/202 — H20
在氫氣的情形下，如上所示，n為2。
燃料電池堆34中所消耗的氫氣可以NI/nF表示?？梢酝ㄟ^從被送 入燃料電池堆34的氫氣的流量F^中減去燃料電池中所消耗的數(shù)量來 估算用于催化劑燃燒的氫氣的流量。流量F仏等于氫氣供應(yīng)量。通過 從在由溫度控制器35反饋控制時第二加熱器的輸出功率W。ntl中減去催 化劑燃燒的熱量而得到W則量。催化劑燃燒的熱量由所估算的用于催 化劑燃燒的氫氣流量和AH。w的乘積獲得。將所得到的W。ut提供給加熱 器37，以使得可以將重整器5的溫度保持在基本上與當(dāng)僅僅使用加熱 器37作為熱源時相同的程度的一個基本恒定的水平下。這使得可以提 供一種小的并且安全的可被用作便攜式電子器件用的電源的燃料電池 系統(tǒng)。作為例如用于溫度控制器35反饋控制的PID常數(shù)，可允許采用 取決于當(dāng)沒有使用催化劑燃燒時的溫度響應(yīng)特征等而根據(jù)普通方法得 到的一種。由加熱器37和催化劑燃燒所提供的熱量是基本等于W。nu 的數(shù)值。
例如，假定由重整器5產(chǎn)生了 250sccm的氫氣，200sccm的氫氣 被消耗用于在燃料電池堆34中發(fā)電，同時50sccm的氫氣被提供給催 化劑燃燒。用于在燃料電池堆34中發(fā)電的氫氣量取決于燃料電池堆 34中的電流的波動而變化。然而，由于根據(jù)本發(fā)明而可以考慮到在燃 料電池堆34中所消耗的氬氣量的波動來估算提供給催化劑燃燒的氫 氣量，因此可以通過加熱器和催化劑燃燒來進行溫度控制。當(dāng)不通過溫度控制器來進行反饋控制時，可以根據(jù)下式來控制提
供給加熱器的功率
<formula>formula see original document page 24</formula>
其中W。ut是提供給加熱器的功率(W) ; Ql是用于在重整器中重整 反應(yīng)所必需的熱量(W) ; Q2是重整器的熱損耗量(W) ; AH。^是重整 氣體中的氫氣的燃燒熱(J/mol) ; F"n是對燃料電池的電動單元的氬 氣供送量(mol/s); N是組成電動單元的電池數(shù)量；I是組成電動單 元的每個電池的電流(A) ; n是該發(fā)電反應(yīng)式中的電子數(shù)量；F是法 拉第常數(shù)(約96500C/mo1)。
為了使重整器的溫度從室溫升高至反應(yīng)溫度，則優(yōu)選提供比由該 式所表示的更大的功率，并且優(yōu)選當(dāng)重整器的溫度處于所設(shè)定的溫度 范圍內(nèi)時基于上式而進行功率控制。在這種情況下，所設(shè)定的溫度范
圍為350x: 士iox:或更低，即是說，其優(yōu)選為360t:或更低，更優(yōu)選為
350匸或更低，進一步優(yōu)選為340C或更低。至于溫度波動，則第一實 施方案的溫度不正常檢測范圍(T2-T1)必須小于20。C。
熱量從重整器中逸出取決于重整器的溫度與環(huán)境溫度之間的溫度 差異。這種關(guān)系可以保持在工作臺上或者可以根據(jù)關(guān)系式比如 Q2=f (Trfm， Tenv)來估算以平衡熱量并且控制溫度。
考慮到DME和水被作為燃料供送到重整器中。設(shè)計為當(dāng)重整熱量 Ql為8W并且熱損耗Q2為3W時通過催化劑燃燒"IUx (Fdsn-NI/nF》
來提供9W的熱量?？梢酝ㄟ^采用加熱器加熱約2W而將重整器的溫度 保持在具有高的熱效率的恒定水平下?？梢匀我獾剡x擇熱量比例，例
如由催化劑燃燒提供12. 5W，由加熱器提供O. 5W。通過加熱器的加熱 更少，則重整的熱效率的提高更大。由催化劑燃燒提供的熱量必須小 于重整熱量Ql和熱損耗Q2的總和。盡管在這里例舉了重整器5的溫 度控制，但相同的方法也可以用于蒸發(fā)器4的溫度控制和蒸發(fā)器4與 重整器5的組合的熱量控制。如果包括了蒸發(fā)器4，則Q1中必須包括 有用于將燃料加熱的顯熱和用于蒸發(fā)的潛熱。
在前述圖10中，使用了在徑向方向具有開口 3a的絕熱容器3，并且絕熱元件3b被安置在絕熱容器3的開口 3a中。因此，可以通過 如第一實施方案中所述的那樣將催化劑單元9安置在絕熱容器3中來 增強可燃?xì)怏w泄漏時的安全性。也可以通過使用第二實施方案中所述 的氧氣供給元件23來提高可燃?xì)怏w泄漏時的安全性。
如果燃料電池中所消耗的氫氣量變化，則由燃燒催化劑的燃燒所 產(chǎn)生的熱量也改變。例如，考慮了這樣一種系統(tǒng)該系統(tǒng)利用熱電偶 等來監(jiān)控重整器的溫度并且取決于監(jiān)控器溫度與目標(biāo)溫度之間的溫度 差值來進行反饋控制。借助于通過供送燃料而產(chǎn)生的重整反應(yīng)來進行 反饋控制，以不需要催化劑燃燒而將重整器保持在350°C。在這種情 況下，通過進行例如PID控制將重整器的溫度保持在約350X:。如果 通過以這種狀態(tài)將重整氣體供送到催化劑燃燒器而產(chǎn)生催化劑燃燒， 則重整器的溫度升高。盡管當(dāng)進行反饋控制時使加熱器的輸出量降低 以保持350匸的溫度，但在燃料電池中消耗的氫氣量仍然取決于發(fā)電 狀態(tài)而變化。出于該原因，由催化劑燃燒所產(chǎn)生的熱量改變，由此使 得難以將重整器的溫度保持在恒定的水平。特別地，當(dāng)通過絕熱材料
使熱的逸出減少到最小時，催化劑燃燒中產(chǎn)生的熱量的輕微變化會較 大地改變重整器的溫度。
由于該實施方案的燃料電池系統(tǒng)可以由提供給燃料電池電動單元 的氫氣量和燃料電池電動單元的電流而估算出未被消耗的氫氣量，因 此可以基于發(fā)電狀態(tài)的變化或者消耗的氫氣量的變化估算出催化劑燃 燒量，可以通過基于該估算結(jié)果調(diào)節(jié)提供給加熱器的功率而將重整器 的溫度保持在基本恒定的水平。另外，由于通過催化劑燃燒量的變化 增加而消除了將過多的功率提供給加熱器的必要性，因此可以提高重 整器的熱效率。
(第五實施方案)
如果包括有重整器的燃料電池系統(tǒng)中的氣體通道出于某些原因而 被堵塞以致于重整器的內(nèi)壓不正常地升高，則有重整器可能破裂并且 因此燃料重整裝置和燃料電池系統(tǒng)可能損壞的擔(dān)憂。下面所描述的燃料重整裝置可以提高當(dāng)重整器的內(nèi)壓升高時的安全性。
即，該燃料重整裝置包括
將燃料重整以得到含有氫氣的重整氣體的重整器；
被安置在重整器附近、包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的燃燒催化劑 并且通過利用該燃燒反應(yīng)的燃燒熱將重整器加熱的燃燒器；和
被提供在重整器與燃燒器之間的釋壓元件，其借助于重整器的內(nèi) 壓升高而破裂，由此起到從重整器到燃燒器的氣體通道的作用。
在披露于上述日本專利申請?zhí)亻_Nos. 5-314959和9-245759以及 曰本未審申請?zhí)亻_No. 58-17332中的非水二次電池中，當(dāng)電池的內(nèi)壓 變成預(yù)定的值或者更大時安全閥破裂，使得填充電池容器內(nèi)部的氣體 通過安全閥放出，由此防止了電池發(fā)生爆炸。
另一方面，通過重整器得到的重整氣體含有對人體有害的一氧化 碳以及高度爆炸性的氫氣。因此，如果用于在上述日本專利申請?zhí)亻_ Nos. 5-314959和9-245759以及日本未審申請?zhí)亻_No. 58-17332中所 披露的鋰離子二次電池的安全閥機理也如這樣被使用，則放出了高度 爆炸性的氫氣和對人體有害的一氧化碳，由此可能對人體或者物體造 成傷害。
根據(jù)該燃料重整裝置，當(dāng)氣體通道被從通道的內(nèi)壁面上落下的催 化劑或者混合的外來物質(zhì)堵塞并且重整器的內(nèi)壓不正常地升高時，借 助于重整器中的氣壓將釋壓元件打開以允許重整器中的氣體流到燃燒 器中。重整器中的氣體可以在燃燒器中通過催化劑反應(yīng)被燃燒至無害 的狀態(tài)，因為大部分該氣體是可燃?xì)怏w例如氫氣和一氧化碳。從而可 以防止由于壓力升高和高度爆炸性的氫氣與對人體有害的一氧化碳的 泄漏所造成的損害，由此提供了高度安全性的燃料重整裝置。
作為釋壓元件，可允許使用帶有釋壓通道和具有薄的部件的金屬 閥片的一種部件，該金屬閥片封閉了該釋壓通道或者形成了小厚度的 部分而不是提供了通道。
該釋壓元件優(yōu)選被安置在重整器與燃燒器之間的邊界上的位置， 該位置與燃燒器中的氣體流動通道的上游相通。因此，從重整器流到燃燒器的氣體可以有效地燃燒。特別地，當(dāng)燃燒器包括多個其中燃燒 催化劑形成于其壁面上的氣體流動通道時，優(yōu)選的是使釋壓元件面向 每一氣體通道或者用于將氣體引入每一氣體通道的進氣通道的入口。
將參照圖14 一 18來描述本發(fā)明的該實施方案。
圖14是表示用于根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的燃料重整裝置的重 整器和燃燒器的透視示意圖。圖15是表示在示于圖14中的燃料重整 裝置中的燃燒器的氣體流動通道與重整器的釋壓元件之間的位置關(guān)系 的一個例子的平面圖。圖16是表示圖15的釋壓元件的構(gòu)型的截面圖。 圖17是表示在圖14的燃料重整裝置中的燃燒器的氣體流動通道與重 整器的釋壓元件之間的位置關(guān)系的另 一個例子的平面圖。圖18是表示 圖17的釋壓元件的構(gòu)型的截面圖。
示于圖14中的燃料重整裝置具有與圖1中所示的相同結(jié)構(gòu)，除了 沒有提供催化劑單元9并且重整器5和燃燒器8的構(gòu)型不同之外。該 重整器5被安置在燃燒器8的附近。位于重整器5與燃燒器8之間的 邊緣上的隔墻51被重整器5和燃燒器8共有。
如圖15中所示，燃料電池廢氣吸收管17與燃燒器8的入口相連。 燃燒器8的出口形成于與入口相同的表面上，并且用于將燃燒氣體排 放到外面的排放管18與燃燒器8的出口相連。具有凹槽形狀的多個氣 體通道52被提供在燃燒器8中，每一氣體通道在其壁面上含有燃燒催 化劑。該氣體通道52以基本與從燃燒器8的入口引入的氣體的流向成 直角而提供。以使得其與氣體通道52的入口具有所希望的間隙的方式 來安置用于形成進氣通道的隔墻53。在側(cè)壁53的兩側(cè)上的通道起到 了進氣通道的作用。即，從燃燒器8的入口引入的氣體通過在殼體的 內(nèi)壁面與隔墻53之間的通道，然后沿著與隔墻53相對的面流動并且 被引入每一氣體通道52的入口。從氣體通道52的出口排出的氣體沿 著殼體的內(nèi)壁面流動，并且從出口排放到排出管18。作為燃燒催化劑， 可以使用與第一實施方案中所述的相同的一類。
重整器5包括多個其中重整催化劑形成于其壁面上的凹槽形氣體 通道(未示出)。從蒸發(fā)器中蒸發(fā)的燃料通過供送通道13供送到重整器5中的氣體通道。蒸發(fā)的燃料在氣體通道中重整，含有氫氣的重整 氣體由氣體通道的出口送到供送通道14并且由供送通道14送入CO 轉(zhuǎn)化設(shè)備6。作為重整催化劑，可以使用與第一實施方案中所述的相 同的一類。
位于重整器5與燃燒器8之間的邊界上的隔墻51由金屬例如鋁或 不銹鋼形成。該隔墻51包括有釋壓元件54。該釋壓元件54位于隔墻 53和形成于隔墻53兩側(cè)的引入通道的對面。例如，如圖16中所示， 可允許通過借助于沖壓或者蝕刻向隔墻51提供V型切割凹槽而將一薄 的部件用作釋壓元件54。該薄的部件由基本平行于引入通道而成型的 直的部件55和成型于直的部件55的兩端以與引入通道的入口和出口 相對的V型部件56所組成。
當(dāng)氣體通道被從重整器5中的通道內(nèi)下落的催化劑或者混合的外 來物質(zhì)堵塞以致于重整器5的內(nèi)壓不正常地升高時，該重整裝置可以 使由薄的部件所組成的釋壓元件54破裂并且通過該釋壓元件54將填 充重整器5的重整氣體引入燃燒器8。由于該薄的部件包括有基本平 行于引入通道而成型的直的部件55和成型于直的部件55的兩端以與 引入通道的入口和出口相對的V型部件56，因此可以迅速地將氣體供 送到燃燒器8中的所有氣體通道52。
重整氣體含有可燃?xì)怏w。可燃?xì)怏w的例子包括未使用的燃料(例 如碳?xì)浠?、?、高度爆炸性的氫氣和對人體有害的一氧化碳。重 整氣體引入燃燒室8，和可燃?xì)怏w通過形成于燃燒器8中的氣體通道 52壁面上的燃燒催化劑的作用而被轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì)。從而可以防止 高度爆炸性的氫氣和對人體有害的一氧化碳被排出。
根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的燃料重整裝置并不限于圖14-16中 所示的構(gòu)型，而是可以如下面所述的那樣構(gòu)造。該例子將示于圖17 和18中。
如圖17中所示，燃料電池廢氣吸收管17與燃燒器8的入口相連。 多個氣體通道52以基本與從燃燒器8的入口引入的氣體的流向成直角 而放置。燃燒器8的出口形成于與入口相對的側(cè)面上，并且用于排出燃燒氣體的排放管18與燃燒器8的出口相連。從燃燒器8的入口引入 的氣體沿著殼體的內(nèi)壁面流動并且被引入每一氣體通道52的入口。即 是說，在殼體內(nèi)壁面與氣體通道52的入口之間的通道起到了氣體引入 通道的作用。從氣體流動通道52的出口排放的氣體沿著殼體的內(nèi)壁面 流動并且通過出口被排放到排出管18中。
如圖17和18中所示，釋壓元件54包括作為釋壓通道的釋壓孔 57、閥片58和形成于閥片58中的切割凹槽59。矩形的釋壓孔57形 成于隔墻51與氣體引入通道相對的位置。通過激光焊接將由鋁或不銹 鋼組成的矩形閥片58以氣密狀態(tài)安置在重整器8的一側(cè)的面上，以封 閉釋壓孔57。該閥片58具有通過沖壓或者蝕刻成型的V型切割凹槽 59。該切割凹槽59由基本平行于氣體引入通道而成型的直的部件60 和成型于直的部件60的兩端以與氣體引入通道的入口和出口相對的 V-字母的部件61所組成。
才艮據(jù)該重整裝置，當(dāng)氣體通道被從重整器5中的通道內(nèi)壁面下落 的催化劑或者混合的外來物質(zhì)堵塞以致于重整器5的內(nèi)壓不正常地升 高時，該切割凹槽59破裂以使得通過破裂的切割凹槽59和釋壓孔57 將填充重整器5的重整氣體引入燃燒器8。由于該切割凹槽59包括有 基本平行于氣體引入通道而成型的直的部件60和成型于直的部件60 的兩端以與氣體引入通道的入口和出口相對的V-字母的部件61，因此 可以將氣體供送到重整器8中的所有氣體通道52。
重整氣體含有可燃?xì)怏w。可燃?xì)怏w的例子包括未使用的燃料(例 如碳?xì)浠?、?，高度爆炸性的氫氣和對人體有害的一氧化碳。重 整氣體引入燃燒室8，和可燃?xì)怏w通過形成于燃燒器8中的氣體通道 52壁面上的燃燒催化劑的作用而被去除污染。從而可以防止高度爆炸 性的氫氣和對人體有害的一氧化碳被排出。
該第五實施方案的燃料重整裝置可以包括描述于第一實施方案中 的催化劑單元9或者描述于第二實施方案中的氧氣供給元件。此外， 可以將該第五實施方案的燃料重整裝置結(jié)合到描述于第三和第四實施 方案中的燃料電池系統(tǒng)中。另外的優(yōu)點和改進對于本領(lǐng)域那些技術(shù)人員而言將是顯而易見 的。因此，以其較寬范圍的本發(fā)明并不限于本文中所示出和描述的特 定細(xì)節(jié)和代表性實施方案。從而只要不偏離由附屬的權(quán)利要求書和它 們的等價物所限定的本發(fā)明總的概念的精神或范圍，則可以進行各種 改進。
權(quán)利要求
1. 一種燃料重整裝置，其包括將燃料重整得到含有氫氣的重整氣體的重整器；包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重整器加熱的燃燒器；和釋壓元件，其當(dāng)重整器的內(nèi)壓升高時破裂，由此起到從重整器到燃燒器的氣體通道的作用。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料重整裝置，其中該釋壓元件包括與 重整器和燃燒器相連的釋壓通道，和具有薄的部件的金屬閥片，該金 屬閥片封閉了釋壓通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料重整裝置，其進一步包括將氧氣供送 給重整器加熱單元和催化劑單元的空氣泵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料重整裝置，其進一步包括利用催化劑 單元的溫度升高來探測可燃?xì)怏w的探測單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的燃料重整裝置，其進一步包括將燃料供送 給重整器的燃料供給單元，并且其中探測單元被構(gòu)造成當(dāng)催化劑單元 的溫度升高量達(dá)到20C或更多時則停止燃料供給單元。
6. —種燃料電池系統(tǒng)，其包括 將燃料重整得到含有氫氣的重整氣體的重整器； 通過使用氫氣發(fā)電的燃料電池；包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的催化劑并且利用該燃燒反應(yīng)將重 整器加熱的燃燒器；和釋壓元件，其當(dāng)重整器的內(nèi)壓升高時破裂，由此起到從重整器到 燃燒器的氣體通道的作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其中該釋壓元件包括與重整器和燃燒器相連的釋壓通道和具有薄的部件的金屬閥片，該金屬閥 片封閉了釋壓通道。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其進一步包括將氧氣供送給重整器加熱單元和催化劑單元的空氣泵。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其進一步包括利用催化劑 單元的溫度升高來探測可燃?xì)怏w的探測單元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的燃料電池系統(tǒng)，其進一步包括將燃料供送 給重整器的燃料供給單元，并且其中探測單元被構(gòu)造成當(dāng)催化劑單元 的溫度升高量達(dá)到20C或更多時則停止燃料供給單元。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其進一步包括 容納燃料電池的殼體；和提供在該殼體中并且包含用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的第二催化劑的 催化劑單元。
全文摘要
一種燃料重整裝置，其包括絕熱容器、重整器、被構(gòu)造成減少氣體中的CO的CO處理單元、重整器加熱單元、絕熱元件和催化劑單元。該絕熱容器具有開口。該重整器被提供在絕熱容器中并且將燃料重整而得到含有H₂和CO的氣體。該重整器加熱單元被構(gòu)造成含有用于氫氣燃燒反應(yīng)的第一催化劑并且被構(gòu)造成利用該燃燒反應(yīng)將重整器加熱。該絕熱元件覆蓋了絕熱容器的開口。該催化劑單元被構(gòu)造成提供在絕熱容器中并且被構(gòu)造成含有用于可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)的第二催化劑。
文檔編號H01M8/06GK101447581SQ20081019029
公開日2009年6月3日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者五十崎義之, 佐藤裕輔 申請人:株式會社東芝