專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的重整器、反應基板及反應基板的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，且更具體而言，涉及一種板型重整器。
背景技術：
燃料電池是用于通過氧與包含在碳氫化合物族材料例如甲醇、乙醇和天然氣中的氫的電化學反應產(chǎn)生電能而產(chǎn)生電功率的系統(tǒng)。
最近已經(jīng)開發(fā)了聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC具有優(yōu)異的輸出特性、低工作溫度和快速啟動和相應特性。PEMFC可以用作汽車的移動電源，或者作為家用和建筑物用的分布電源，或者作為例如電子器件的便攜電源。因此，PEMFC具有廣泛的應用范圍。
PEMFC的部件是堆體、重整器、燃料箱和燃料泵。該堆體形成多個單元燃料電池的發(fā)電聚集體。燃料泵將燃料箱中的燃料供應到重整器。重整器重整燃料以產(chǎn)生含氫的重整化氣體，并供應該重整化氣體到堆體。此外，空氣通過獨立的泵供應到堆體。
因此，堆體通過包含在空氣中的氧與包含在重整化氣體中的氫的電化學反應產(chǎn)生電能。
重整器通過使用熱能的化學催化反應從燃料產(chǎn)生氫，且其具有用于產(chǎn)生熱能的熱源組件。重整反應器被用于吸收該熱能并從燃料產(chǎn)生氫，且一氧化碳減少組件減小了包含在重整化氣體中的一氧化碳濃度。
然而，在常規(guī)燃料電池系統(tǒng)的重整器中，熱源組件、重整反應器和一氧化碳減少組件分別具有預定內(nèi)部空間的反應管形狀。為了增加重整器的體積，需要增加每個相應的內(nèi)部空間，產(chǎn)生了總體更大的重整器和燃料電池。因此，需要緊湊的重整器來最小化總體的燃料電池系統(tǒng)結構。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例是一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，其允許總尺寸減小。
另一實施例提供了一種用于該重整器的反應基板和該反應基板的制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，用于燃料電池系統(tǒng)的重整器包括至少一個具有用于允許燃料在其表面流動的溝槽的反應基板，和緊密接觸該反應基板表面以通過溝槽形成通道的緊密接觸組件，其中該反應基板包括鋁。
在另一實施例中，反應基板在溝槽的內(nèi)表面上可以具有由鋁制成的催化劑支持層。
在另一實施例中，催化劑層可以形成在所述催化劑支持層上。
在又一實施例中，所述緊密接觸組件可以具有緊密接觸所述反應基板表面的蓋板。
在一實施例中，多個反應基板可以以將其堆疊設置，且所述緊密接觸組件具有與反應基板或多個反應基板的最上面的反應基板的表面緊密接觸的蓋板。
在另一實施例中，反應基板和緊密接觸組件可以形成熱源組件，以通過燃料的氧化催化反應產(chǎn)生熱能。
在另一實施例中，反應基板和緊密接觸組件可以形成重整反應器，以通過采用熱能的燃料的重整化催化反應，由燃料產(chǎn)生含氫的重整化氣體。
在又一實施例中，反應基板和緊密接觸組件可以形成至少一個一氧化碳減少組件，以進行包含在重整化氣體中的一氧化碳濃度的減少。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，用于重整器的反應基板包括具有允許燃料流動以產(chǎn)生氫的溝槽的板型主體、形成在所述溝槽的內(nèi)表面上的催化劑支持層、和形成在所述催化劑支持層上的催化劑層。所述主體由包含鋁的材料制成，且所述催化劑支持層由通過對所述溝槽的內(nèi)表面進行氧化處理而形成的氧化鋁制成。
在另一實施例中，所述主體可以用于重整器的熱源組件、重整反應器或一氧化碳減少組件。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，制造用于重整器的反應基板的方法包括如下步驟制備基板；蝕刻所述基板的頂表面以形成溝槽；對所述溝槽的內(nèi)表面進行氧化處理以形成催化劑支持層；以及在所述催化劑支持層上形成催化劑層。


從下面結合附圖對實施例的描述中，本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點將更為明顯和更容易理解，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的燃料電池系統(tǒng)的總體示意圖；圖2是圖1的堆體的分解透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的分解透視圖；圖4是圖3的裝配橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的橫截面圖；圖8是圖7的裝配橫截面圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例制造用于重整器的反應基板的方法的流程圖；以及圖10A到10D是在根據(jù)本發(fā)明的一實施例的制造方法的中間步驟中重整器的反應基板的橫截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細參照本發(fā)明的實施例，其范例在附圖中示出。這些實施例在下面描述以通過參照附圖解釋本發(fā)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的燃料電池系統(tǒng)的總體示意圖，且圖2是圖1的堆體的分解透視圖。
參照附圖中示出的實施例，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100中，采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)，其中通過重整化含氫燃料而產(chǎn)生氫，且通過氫與氧化劑氣體的電化學反應而產(chǎn)生電能。
在燃料電池系統(tǒng)100中，用于產(chǎn)生電的燃料考慮包括液體或氣體燃料，例如甲醇、乙醇或天然氣。在下面的實施例中，為了方便，應理解采用的燃料為液體形式。
此外，在燃料電池系統(tǒng)100中，與氫反應的氧化劑氣體可以是存儲在獨立的存儲容器中的氧，或者可以簡單地是含氧的空氣。在下面的實施例中采用空氣。
在一實施例中，燃料電池系統(tǒng)100包括至少一個用于通過氫和氧的電化學反應產(chǎn)生電能的發(fā)電體11、用于從液體燃料產(chǎn)生氫并供應氫到發(fā)電體11的重整器30、用于供應燃料到重整器30的燃料供應組件50、和至少一個用于供應氧到重整器30和發(fā)電體11的氧供應組件70。
發(fā)電體11形成單元燃料電池，以膜電極組件(MEA)12在中心且分隔件16(也公知為雙極板)設置在其兩側。
燃料電池系統(tǒng)100具有多個上述結構的發(fā)電體11，它們連續(xù)設置以形成堆體10。堆體10可以具有通常的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)中的堆疊結構，其細節(jié)在此處省略。
在一實施例中，重整器30在燃料電池領域中公知作為燃料處理器，且用于供應燃料到重整器30的燃料供應組件50包括用于存儲液體燃料的第一箱51、用于存儲水的第二箱53、和分別連接到第一箱51和第二箱53以釋放燃料和水的燃料泵55。
氧供應組件70包括至少一個空氣泵71，用于使用預定泵浦壓力進行空氣的引入且供應空氣到發(fā)電體11和/或重整器30。
在燃料電池體100中，重整器30被從燃料供應組件50和氧供應組件70供應燃料、水和空氣以產(chǎn)生氫。下面將參照附圖詳細描述重整器30的實施例。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的分解透視圖，且圖4是圖3的裝配橫截面圖。
參照圖，根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器30A具有熱源組件31以通過從燃料供應組件50和氧供應組件70供應的燃料和空氣的氧化催化反應而產(chǎn)生預定熱能。
根據(jù)本實施例，熱源組件31包括具有用于允許燃料和空氣流動的第一溝槽31c的板型第一反應基板31a，和緊密接觸該第一反應基板31a的溝槽形成表面以形成用于通過燃料和空氣的第一通道31d的緊密接觸組件40。
第一反應基板31a具有由含鋁材料例如鋁或鋁合金制成的矩形板形狀的第一基板體31b。第一溝槽31c可以由第一肋31h之間的空間形成，該第一肋從第一基板體31b的頂表面突出并以預定距離分開。第一溝槽31c在第一基板體31b的頂表面上設置成以預定距離分開的直線型，且其兩端交替地彼此連接，形成蜿蜒的路徑。
用于加速燃料與空氣的氧化反應的通用的氧化催化劑層31e形成在第一溝槽31c的內(nèi)表面上，且用于支持該氧化催化劑層31e的第一催化劑支持層31f形成在第一溝槽31c與氧化催化劑層31e之間。第一催化劑支持層31f通過進行第一溝槽31c內(nèi)表面的氧化處理而形成為氧化膜。在一實施例中，第一催化劑支持層31f由氧化鋁(Al2O3)制成。
緊密接觸組件40具有用于覆蓋第一反應基板31a的第一基板體31b的頂表面的蓋板41，且用于通過燃料和水的第一通道31d由第一溝槽31c和蓋板41的蓋表面形成。在一實施例中，蓋板41由與第一反應基板31a相同的材料制成。
根據(jù)一實施例的重整器30A具有熱源組件31和緊密接觸組件40。當燃料電池系統(tǒng)工作時，通過燃料供應組件50和氧供應組件70的工作，水和空氣被供應到熱源組件31的第一通道31d。然后，通過采用氧化催化劑層31e的燃料和空氣的氧化反應，熱源組件31產(chǎn)生具有預定溫度范圍的熱能。熱能可以供應到獨立的重整器以使重整器能產(chǎn)生氫。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器30B的橫截面圖。如圖所示，重整器30B包括具有與以上實施例的熱源組件相同結構的熱源組件31A，且還包括重整反應器32，以吸收從熱源組件31A產(chǎn)生的熱能，并通過從燃料供應組件50供應的燃料的重整催化反應例如蒸汽重整(SR)催化反應，而從燃料產(chǎn)生含氫的重整化氣體。
根據(jù)一實施例，重整反應器32包括具有用于允許燃料流動的第二溝槽32c的板型第二反應基板32a。
第二反應基板32a具有由含鋁材料例如鋁或鋁合金制成的矩形板形狀的第二基板體32b。
第二溝槽32c可以由第二肋32h之間的空間形成，該第二肋從第二基板體32b的頂表面突出并以預定距離分可。第二溝槽32c在第二基板體32b頂表面上設置成以預定距離分開的直線，且其兩端交替地彼此連接，形成蜿蜒的路徑。
用于加速燃料與空氣的氧化反應的通用的氧化催化劑層32e形成在第二溝槽32c的內(nèi)表面上，且用于支持該氧化催化劑層32e的第二催化劑支持層32f形成在第二溝槽32c與氧化催化劑層32e之間。第二催化劑支持層32f通過進行第二溝槽32c內(nèi)表面的氧化處理而形成為氧化膜。在一實施例中，第二催化劑支持層32f由氧化鋁(Al2O3)制成。
此外，根據(jù)一實施例的重整器30B包括緊密接觸第二反應基板32a的溝槽形成表面以形成用于通過燃料的第二通道32d的緊密接觸組件40A。在一實施例中，該緊密接觸組件40A可以具有與上述緊密接觸組件相同的蓋板。
根據(jù)一實施例的重整器30B具有熱源組件31A、重整反應器32和緊密接觸組件40A。當燃料電池系統(tǒng)工作時，通過燃料供應組件50的工作，燃料和水供應到重整反應器32的第二通道32d。然后，重整反應器32吸收從熱源組件31A產(chǎn)生的熱能，并通過采用蒸汽重整催化層32e的蒸汽重整催化反應從燃料產(chǎn)生含氫的重整化氣體，以將其供應到圖1所示的堆體10。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器30C的橫截面圖。如圖所示，重整器30C包括具有與以上的實施例的熱源組件和重整反應器相同結構的熱源組件31B和重整反應器32A，且還可以包括第一一氧化碳減少組件33，以通過來自重整器32A的氫的水煤氣轉(zhuǎn)換(water-gas shift，WGS)催化反應而從來自重整反應器32A的氫產(chǎn)生額外的氫，并進行在含氫的重整化氣體中所含的一氧化碳濃度的減少。
根據(jù)一實施例，第一一氧化碳減少組件33包括具有用于允許從重整反應器32A產(chǎn)生的氫流動的第三反應溝槽33c的板型第三反應基板33a。
在一實施例中，第三反應基板33a具有由含鋁材料例如鋁或鋁合金制成的矩形板形狀的第三基板體33b。第三溝槽33c可以由第三肋33h之間的空間形成，該第三肋從第三基板體33b的頂表面突出并以預定距離分開。該第三溝槽33c在第三基板體33b的頂表面上設置成以預定距離分開的直線，且其兩端交替地彼此連接，形成蜿蜒的路徑。
用于加速氫的水煤氣轉(zhuǎn)換反應的通用的水煤氣轉(zhuǎn)換催化層33e形成在第三溝槽33c的內(nèi)表面上，且用于支持該水煤氣轉(zhuǎn)換催化層33e的第三催化劑支持層33f形成在第三溝槽33c與水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑層33e之間。第三催化劑支持層33f通過對第三溝槽33c的內(nèi)表面進行氧化處理而形成為氧化膜。在一實施例中，第三催化劑支持層33f由氧化鋁制成(Al2O3)。
此外，根據(jù)第三實施例的重整器30C包括緊密接觸第三反應基板33a的溝槽形成表面以形成用于通過燃料的第三通道33d的緊密接觸組件40B。在一實施例中，該緊密接觸組件40B可以具有與上述緊密接觸組件相同的蓋板。
根據(jù)一實施例的重整器30C包括熱源組件31B、重整反應器32A、第一一氧化碳減少組件33、和緊密接觸組件40B。當燃料電池系統(tǒng)工作時，從重整反應器32A釋放的重整化氣體工藝被供應到第一一氧化碳減少組件33的第三通道33d。然后，第一一氧化碳減少組件33通過采用水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑層33d的氫的水煤氣轉(zhuǎn)換反應產(chǎn)生額外的氫，并減少在含氫的重整化氣體中所含的一氧化碳的濃度，從而將其供應到圖1所示的堆體。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的重整器的分解透視圖，且圖8是圖7的裝配橫截面圖。
參照圖，根據(jù)一實施例的重整器30D包括具有與以上所述的實施例的熱源組件、重整反應器、和第一一氧化碳減少組件相同結構的熱源組件31C、重整反應器32B和第一一氧化碳減少組件33A，并還包括第二一氧化碳減少組件34。
第二一氧化碳減少組件34通過從第一一氧化碳減少組件33A釋放的氫與從氧供應組件70供應的空氣的優(yōu)先CO氧化(PROX)催化反應，減少在從第一一氧化碳減少組件33A釋放的含氫的重整化氣體中所含的一氧化碳的濃度。
第二一氧化碳減少組件34包括具有用于允許空氣和從第一一氧化碳減少組件33A產(chǎn)生的氫流動的第四通道34c的板型第四反應基板34a。
第四反應基板34a具有由含鋁材料例如鋁或鋁合金制成的矩形板形狀的第四基板體34b。該第四溝槽34c可以由第四肋34h之間的空間形成，該第四肋從第四基板體34b的頂表面突出并以預定距離分開。該第四溝槽34c在第四基板體34b的頂表面上設置成以預定距離分開的直線，且其兩端交替地彼此連接，形成蜿蜒的路徑。
在一實施例中，用于加速氫和空氣的優(yōu)先CO氧化反應的通用的優(yōu)先CO氧化催化劑層34e形成在第四溝槽34c的內(nèi)表面上，且用于支持該優(yōu)先CO氧化催化劑層34d的第四催化劑支持層34f形成在第四溝槽34c的內(nèi)表面與優(yōu)先CO氧化催化劑層34e之間。第四催化劑支持層34f通過對第四溝槽34c的內(nèi)表面進行氧化處理而形成為氧化層。在一實施例中，第四催化劑支持層34f由氧化鋁(Al2O3)制成。
根據(jù)一實施例的重整器30D可以是堆疊的重整器，其中重整反應器32B和第一一氧化碳減少組件33A依次設置在熱源組件31C的上部，且第二一氧化碳減少組件34設置在熱源組件31C的下部。
在一實施例中，包括在重整器30D中的緊密接觸組件40B設置在設置于重整器30D的最上側的第一一氧化碳減少組件33A中。緊密接觸組件40B也可以具有緊密接觸第一一氧化碳減少組件33A的反應基板的溝槽形成表面的蓋板400B，如以上實施例所述。
此外，在一實施例中，當?shù)诙谎趸紲p少組件34、熱源組件31C、重整反應器32B和第一一氧化碳減少組件33A依次堆疊以彼此緊密接觸時，它們中的每個的反應基板可以包括在緊密接觸組件40B中。
這是因為，當反應基板彼此緊密接觸時，形成第二一氧化碳減少組件34、熱源組件31C和重整反應器32B的各個通道。
根據(jù)一實施例的重整器30D通過第二一氧化碳減少組件34進一步減少重整化氣體中所含的一氧化碳濃度，因此供應高質(zhì)量的重整化氣體到圖1所示的堆體。
在一實施例中，雖然未采用圖示出，關于以上實施例的結構，根據(jù)本發(fā)明的重整器可以僅包括第二一氧化碳減少組件，而沒有第一一氧化碳減少組件。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的重整器選擇性地包括熱源組件、重整反應器和一氧化碳減少組件作為其結構元件。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例制造用于重整器的反應基板的方法的流程圖。
參照圖9，根據(jù)本發(fā)明的一實施例制造用于燃料電池系統(tǒng)的重整器的反應基板的方法包括制備基板(S10)、蝕刻基板的頂表面以形成溝槽(S20)、對溝槽內(nèi)表面進行氧化處理以形成催化劑支持層(S30)和在催化劑支持層上形成催化劑層(S40)。
圖10A到10D是在根據(jù)本發(fā)明的一實施例的制造方法的中間步驟中重整器的反應基板的橫截面圖。
參照圖10A，作為S10步驟，制備由含鋁或鋁合金的材料制成的基板61。
參照圖10B，在S20步驟中，通過進行基板61的通用的各向同性或各向異性蝕刻，具有預定長度和深度的溝槽63形成在基板61的頂表面。然后，肋63b形成為從基板61的頂表面突出并以預定距離分開，且溝槽63形成在肋63b之間的空間。
參照圖10C，作為S30步驟，基板61在高溫度氣氛中通過通常的熱氧化被氧化。氧或氧化劑溶液可以被用作氧化源。在一實施例中，基板61的溝槽63的內(nèi)表面被氧或氧化劑溶液氧化，以在溝槽63的內(nèi)表面形成膜型的催化劑支持層64，且催化劑支持層64由根據(jù)基板61的材料的氧化鋁(Al2O3)制成。
參照圖10D，作為S40步驟，通過浸涂(dip coat)或濺射或漿料法在催化劑支持層64上形成催化劑層65。催化劑層65可以包括用于加速燃料電池系統(tǒng)的熱源組件、重整反應器和一氧化碳減少組件的獨立反應的每層催化劑層。
因此，根據(jù)本發(fā)明實施例的反應基板60通過上述順序制造步驟而制造。
根據(jù)本發(fā)明，重整器具有允許燃料流動的反應基板，且它們是被堆疊的，這允許重整器的尺寸可以為緊湊的。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，由于氧化鋁的催化劑支持層可以通過由含鋁材料制成的基板體的氧化而在溝槽中形成，制造反應基板的整個工藝可以簡化，與將不同于基板體材料的催化劑支持層單獨地涂覆在溝槽中的常規(guī)工藝不同。因此，燃料電池系統(tǒng)和重整器的制造產(chǎn)率可以進一步增加。
雖然已經(jīng)結合某些示范性實施例描述了本發(fā)明，本領域的技術人員應該理解，本發(fā)明不局限于公開的實施例，而是相反，旨在覆蓋包括在由所附權利要求及其等同物所限定的本發(fā)明的精神和范疇內(nèi)的各種改進。
權利要求
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括至少一個反應基板，包括鋁，所述反應基板具有用于允許燃料在其表面流動的溝槽；和緊密接觸組件，與所述反應基板的表面緊密接觸，以在所述溝槽中形成通道。
2.如權利要求1所述的用于燃料電池的重整器，其中所述反應基板在溝槽的表面上具有由氧化鋁制成的催化劑支持層。
3.如權利要求2所述的用于燃料電池的重整器，其中催化劑層形成在所述催化劑支持層上。
4.如權利要求1所述的用于燃料電池的重整器，其中所述緊密接觸組件具有緊密接觸所述反應基板表面的蓋板。
5.如權利要求1所述的用于燃料電池的重整器，其中將多個反應基板堆疊，且所述緊密接觸組件具有接觸所述多個反應基板的最上面的反應基板的表面的蓋板。
6.如權利要求1所述的用于燃料電池的重整器，其中所述反應基板和緊密接觸組件形成熱源組件，以用于通過燃料的氧化催化反應產(chǎn)生熱能。
7.如權利要求5所述的用于燃料電池的重整器，其中所述反應基板和緊密接觸組件形成熱源組件，以用于通過燃料的氧化催化反應產(chǎn)生熱能。
8.如權利要求7所述的用于燃料電池的重整器，其中所述燃料是第一燃料且所述反應基板和緊密接觸組件形成重整反應器，以用于通過由來自所述熱源組件的熱能的第二燃料的重整化催化反應，由所述第二燃料產(chǎn)生含氫的重整化氣體。
9.如權利要求8所述的用于燃料電池的重整器，其中所述反應基板和緊密接觸組件形成至少一個一氧化碳減少組件，以用于減少重整化氣體中所含的一氧化碳濃度。
10.如權利要求8所述的用于燃料電池的重整器，其中所述第二燃料具有與第一燃料相同的組成。
11.如權利要求5所述的用于燃料電池的重整器，其中所述多個反應基板和緊密接觸組件形成熱源組件，重整反應器和至少一個一氧化碳減少組件。
12.如權利要求11所述的用于燃料電池的重整器，包括兩個一氧化碳減少組件。
13.一種用于重整器的反應基板，包括板型主體，具有用于允許燃料流的溝槽；催化劑支持層，形成在所述溝槽的表面上；和催化劑層，形成在所述催化劑支持層上；其中所述板型主體由包含鋁的材料制成，且所述催化劑支持層由通過對所述溝槽的內(nèi)表面進行氧化處理而形成的氧化鋁制成。
14.如權利要求13所述的用于重整器的反應基板，其中所述重整器包括使用板型主體的熱源組件、使用板型主體的重整反應器或使用板型主體的一氧化碳減少組件。
15.一種制造用于重整器的反應基板的方法，包括如下步驟制備基板；蝕刻所述基板的頂表面以形成溝槽；對所述溝槽的內(nèi)表面進行氧化處理以形成催化劑支持層；和在所述催化劑支持層上形成催化劑層。
16.如權利要求15所述制造用于重整器的反應基板的方法，其中所述基板包括鋁。
17.如權利要求15所述制造用于重整器的反應基板的方法，其中所述催化劑支持層基板由氧化鋁制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于燃料電池系統(tǒng)的重整器、反應基板及反應基板的制造方法。所述用于燃料電池系統(tǒng)的重整器，包括至少一個具有用于允許燃料在其表面上流動的溝槽的反應基板；和與該反應基板的表面緊密接觸從而通過溝槽形成通道的緊密接觸組件，其中反應基板包括鋁。
文檔編號H01M8/04GK1801515SQ20061005130
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月5日 優(yōu)先權日2005年1月5日
發(fā)明者金周龍, 樸真, 孫寅赫 申請人:三星Sdi株式會社