專利名稱：重整器模件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的重整器模件，且具體而言，涉及一種用于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的重整器。
甲烷蒸汽重整是高度吸熱反應(yīng)且導(dǎo)致重整器單元中形成局部冷卻。
在固體氧化物燃料電池中進(jìn)行蒸汽重整的溫度下，蒸汽重整反應(yīng)的動力學(xué)極為迅速。與固體氧化物燃料電池中的間接內(nèi)部蒸汽重整相關(guān)的問題在于蒸汽重整催化劑的活性和從固體氧化物燃料電池中可得到的熱量之間的失配。結(jié)果是，沿重整器單元的長度可產(chǎn)生較大的溫度梯度。
可通過僅利用一小部分可得催化劑活性而減少該問題。這在事實(shí)上可通過提供催化劑的不均勻分布或通過在催化劑表面上設(shè)置擴(kuò)散隔膜而得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)上，催化劑層被設(shè)置在球粒(pellet)的外表面上且隔膜層被設(shè)置在催化劑層上，或者催化劑漿料層被設(shè)置在中空支承件的內(nèi)表面上且隔膜層被設(shè)置在催化劑層上。在這兩種情況下，由于球粒和中空支承件的表面性質(zhì)不均勻，因此催化劑或隔膜層的施加是極為困難的，且對于中空支承件而言，對中空支承件的內(nèi)表面進(jìn)行涂覆是極為困難的。此外，在這兩種情況下實(shí)現(xiàn)催化劑層的不均勻分布也是極為困難的。
因此，本發(fā)明設(shè)法提供一種新型重整器模件，所述新型重整器模件減少且優(yōu)選克服了上面提到的問題。
因此，本發(fā)明提供一種重整器模件，所述重整器模件包括具有縱向延伸穿過其中的至少一條通道的中空支承構(gòu)件和用以將燃料供應(yīng)至所述至少一條通道的裝置，所述中空支承構(gòu)件具有外表面、被布置在所述中空支承構(gòu)件的所述外表面的至少一部分上的催化劑層和被布置在所述催化劑層和除了所述中空支承構(gòu)件的所述外表面的所述至少一部分之外的所述中空支承構(gòu)件的所述外表面上的密封層。
隔膜層優(yōu)選被布置在所述中空支承構(gòu)件的所述外表面的所述至少一部分上且所述催化劑層被布置在所述隔膜層上。
所述隔膜層優(yōu)選被大體上布置在所述中空支承構(gòu)件的整個外表面上。
催化劑層優(yōu)選被布置在所述隔膜層上位于所述中空支承構(gòu)件的外表面上的多個區(qū)域中的每個區(qū)域處，所述密封層被布置在所述催化劑層上位于具有催化劑層的所述中空支承構(gòu)件的外表面上的每個區(qū)域處且被布置在所述隔膜層和所述中空支承構(gòu)件上位于所述中空支承構(gòu)件的外表面上除了所述多個區(qū)域之外的區(qū)域處。
在所述多個區(qū)域處的所述催化劑層可與所述中空支承構(gòu)件縱向隔開。在所述區(qū)域處的所述催化劑層可具有不同的面積。在所述多個區(qū)域處的所述催化劑層的面積可從所述中空支承構(gòu)件的第一端向第二端沿縱向增大。
另一種可選方式是，所述催化劑層可大體上被布置在整個隔膜層上，所述隔膜層在不同區(qū)域處具有不同厚度。所述隔膜層的厚度可從所述中空支承構(gòu)件的第一端向第二端減小。
另一種可選方式是，所述隔膜層可具有穿過其中的孔且所述隔膜層中的所述孔的總橫截面積在不同區(qū)域處不同。在不同區(qū)域處的所述隔膜層中的所述孔的總橫截面積可從所述中空支承構(gòu)件的第一端向第二端增大。所述孔的尺寸可增加和/或所述孔的數(shù)量可增加。
另一種可選方式是，所述催化劑層在不同區(qū)域處具有不同的活性。在所述不同區(qū)域處的所述催化劑層的活性可從所述中空支承構(gòu)件的第一端向第二端增大。
所述第一端優(yōu)選是要進(jìn)行重整的烴燃料的入口且所述第二端是經(jīng)過重整的燃料的出口。
所述中空支承構(gòu)件優(yōu)選包括多條縱向延伸的通道。
所述中空支承構(gòu)件優(yōu)選是多孔的。
另一種可選方式是，所述中空支承構(gòu)件是無孔的且具有延伸穿過其中的多個孔。
所述中空無孔(non-porous)支承構(gòu)件中的所述孔(aperture)的總橫截面積在不同區(qū)域處可不同。
在不同區(qū)域處的所述中空無孔支承構(gòu)件中的所述孔的所述總橫截面積可從所述中空支承構(gòu)件的第一端向第二端增大。所述孔的尺寸可增加和/或所述孔的數(shù)量可增加。
本發(fā)明還提供了一種重整器模件，所述重整器模件包括具有縱向延伸穿過其中的至少一條通道的中空多孔支承構(gòu)件和用以將燃料供應(yīng)至所述至少一條通道的裝置，所述中空多孔支承構(gòu)件具有外表面、被布置在所述中空多孔支承構(gòu)件的所述外表面的至少一部分上的隔膜層、被布置在所述隔膜層上的催化劑層和被布置在所述催化劑層和除了所述中空多孔支承構(gòu)件的所述外表面的所述至少一部分之外的所述中空多孔支承構(gòu)件的所述外表面上的密封層。
下面將通過實(shí)例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更充分的描述，在所述附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的重整器模件的透視圖；圖2是圖1所示的重整器模件的放大橫向剖面圖；圖3是圖1所示的重整器模件的放大縱向剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的重整器模件的催化劑層的平面圖；圖5是圖4所示的重整器模件的縱向剖面圖；圖6是圖1所示的重整器模件的另一個可選的放大橫向剖面圖；圖7是圖1所示的重整器模件的又一個可選的放大橫向剖面圖；和圖8是圖1所示的重整器模件的再一個可選的放大橫向剖面圖。
如圖1、圖2和圖3所示，重整器模件10包括中空多孔支承構(gòu)件12，所述中空多孔支承構(gòu)件具有從第一端16向第二端18縱向延伸穿過其中的多條通道14。中空多孔支承構(gòu)件12具有外表面20且多孔隔膜層22被布置在中空多孔支承構(gòu)件12的大體上整個外表面20上。催化劑層24被布置在大體上整個多孔隔膜層22上，且密封層26被布置在催化劑層24上且被布置在未被催化劑層24覆蓋的多孔隔膜層22以及除了被多孔隔膜層22覆蓋的部分之外的中空多孔支承構(gòu)件12的外表面20的各個部分上。
應(yīng)該注意，中空多孔支承構(gòu)件12具有兩個大體上平的平行外表面20A和20B且多孔隔膜層22、催化劑層24和密封層26被施加到兩個外表面20A和20B上。
多孔隔膜層22是用以控制烴燃料從通道14向催化劑層24擴(kuò)散的速度的擴(kuò)散隔膜層。中空多孔支承構(gòu)件12包括例如鋁酸鎂尖晶石、氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、碳化硅或其它適當(dāng)?shù)奶沾刹牧稀６嗫赘裟?2包括例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。催化劑層24包括例如銠、鎳或其它適當(dāng)?shù)闹卣呋瘎┣覂?yōu)選包括分散在適當(dāng)材料例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯中的約1wt％的催化劑材料。密封層26是氣密性的且包括例如玻璃或致密無孔氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。
可通過絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷、涂刷、浸漬或漿料涂覆方法沉積多孔隔膜層22和催化劑層24。
在操作中，烴燃料例如甲烷被供應(yīng)至重整器模件10的第一端16。烴燃料從重整器模件10的第一端16通過通道14流向第二端18。烴燃料擴(kuò)散通過中空多孔支承構(gòu)件12且通過多孔隔膜層22到達(dá)催化劑層24。烴燃料在催化劑層24中進(jìn)行重整且重整反應(yīng)的產(chǎn)物，氫氣、一氧化碳、二氧化碳等擴(kuò)散通過多孔隔膜層22和中空多孔支承構(gòu)件12到達(dá)通道14。重整反應(yīng)的產(chǎn)物流動通過通道14并流出重整器模件10的第二端18且被供應(yīng)至固體氧化物燃料電池系統(tǒng)(未示出)。
圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的重整器模件10B的又一個實(shí)施例。重整器模件10B與圖1至圖3所示的重整器模件大體上相同且使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。在本實(shí)施例中，催化劑層24不覆蓋整個多孔隔膜層22，而是催化劑層24沿重整器模件10B沿縱向被設(shè)置隔開的多個區(qū)域處。應(yīng)該注意到，催化劑層24和多孔隔膜層22之間的接觸面積從重整器模件10B的第一端16向第二端18逐漸增加。這是為了通過確保在重整器模件10B第一端16處存在比第二端18處更少的催化劑以及逐漸增加重整器模件10B的第一端16和第二端18之間的催化劑的量，而縱向地沿重整器模件10B控制催化劑層24中的重整反應(yīng)的反應(yīng)速度，從而使得縱向地沿重整器模件10B的溫度梯度減少或最小化。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的重整器模件10C的另一個實(shí)施例。重整器模件10C與圖1至圖3所示的重整器模件大體上相同且使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。在本實(shí)施例中，多孔隔膜層22的厚度從重整器模件10C的第一端16向第二端18減小。這是為了通過確保在第一端16處存在比第二端18處更厚的隔膜層22以使得在第二端18處擴(kuò)散通過多孔隔膜層22比在第一端16處更快而縱向地沿重整器模件10C控制催化劑層24中的重整反應(yīng)的反應(yīng)速度，從而使得縱向地沿重整器模件10C的溫度梯度減少或最小化。
多孔隔膜層22的厚度可以階梯方式而不是以連續(xù)減少的方式減小?？赏ㄟ^最初大體上將中空多孔支承構(gòu)件12的全長浸漬在包含隔膜層材料，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，的槽內(nèi)，以使得中空多孔支承構(gòu)件12的整個外表面被多孔隔膜層22覆蓋，而生產(chǎn)多孔隔膜層22。隨后中空多孔支承構(gòu)件12被順序地浸漬進(jìn)入包含隔膜層材料，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，的槽內(nèi)漸短的距離，從而使得越來越短長度的中空多孔支承構(gòu)件12被多孔隔膜層22覆蓋以便使多孔隔膜層22厚度呈階梯變化。
另一種可選方式是，將中空多孔支承構(gòu)件12順序地浸漬在包含具有不同成分的隔膜層材料的槽內(nèi)。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的重整器模件10D的又一個實(shí)施例。重整器模件10D與圖1至圖3所示的重整器模件大體上相同且使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。在本實(shí)施例中，無孔隔膜層22具有延伸穿過其中的孔28且孔28的數(shù)量和/或孔28的尺寸從第一端16向第二端18發(fā)生變化，以使得在第一端16處的孔28的總面積小于在第二端18處的孔28的總面積，且孔28的總面積從重整器模件10D的第一端16向第二端18增加。再一次地，這是為了縱向地沿重整器模件10D控制催化劑層24中的重整反應(yīng)的反應(yīng)速度，以使得在第二端18處擴(kuò)散通過隔膜層22比在第一端16處更快，從而使得縱向地沿重整器模件10D的溫度梯度減少或最小化。
另一種可選方式是，催化劑層24可在重整器模件10D的第一端16處具有比第二端18處更小的活性。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的重整器模件10E的又一個實(shí)施例。重整器模件10E與圖1至圖3所示的重整器模件大體上相同且使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的部件。在本實(shí)施例中，無孔中空支承構(gòu)件12具有延伸穿過其中的孔30且孔30的數(shù)量和/或孔30的尺寸從第一端16向第二端18發(fā)生變化，以使得在第一端16處的孔30的總面積小于在第二端18處的孔30的總面積，且孔30的總面積從重整器模件10E的第一端16向第二端18增加。存在多孔隔膜層22。再一次地，這是為了縱向地沿重整器模件10E控制催化劑層24中的重整反應(yīng)的反應(yīng)速度，以使得在第二端18處擴(kuò)散通過隔膜層22比在第一端16處更快，從而使得縱向地沿重整器模件10E的溫度梯度減少或最小化。無孔中空支承構(gòu)件12優(yōu)選包括氧化鋁，但也可包括致密無孔的鋁酸鎂尖晶石、致密無孔的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、致密無孔的碳化硅等。氧化鋁中空支承構(gòu)件更堅固。
在一些情況下，例如在圖8中，有可能省去隔膜層。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過在中空支承構(gòu)件的外表面上設(shè)置催化劑層，可更精確地控制催化劑的分布且因此可實(shí)現(xiàn)催化劑的不均勻分布。此外，隔膜層也可更易于設(shè)置在中空支承構(gòu)件與催化劑層之間，可更精確地控制隔膜層的分布且因此可實(shí)現(xiàn)隔膜層的不均勻分布。中空支承構(gòu)件的外表面可保持處于均勻和平的狀態(tài)，這有利于產(chǎn)生均勻和連續(xù)的沉積層。此外，可更易于檢查出所述層的缺陷、裂紋和厚度等。在為重整反應(yīng)提供熱量的外部圍繞物與發(fā)生重整反應(yīng)的催化劑層之間僅設(shè)置了密封層，這樣為向催化劑層進(jìn)行傳熱提供了低熱障。
正如2003年2月6日公開的國際專利申請WO03010847A所述，作為另一種可能性，重整器模件自身可形成固體氧化物燃料堆的一部分。在那種情況下，重整器模件的一個或兩個外表面的一部分具有隔膜層、催化劑層和密封層，且所述一個或兩個外表面的剩余部分還可具有一個或多個固體氧化物燃料電池。
盡管已經(jīng)結(jié)合固體氧化物燃料電池的情況對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但同樣還有可能使本發(fā)明用于其它燃料電池且利用本發(fā)明通常進(jìn)行蒸汽重整或催化燃燒。
權(quán)利要求
1.一種重整器模件(10)，包括具有縱向延伸穿過其中的至少一條通道(14)的中空支承構(gòu)件(12)和用以將燃料供應(yīng)至所述至少一條通道的裝置，所述中空支承構(gòu)件(14)具有外表面(20)，其特征在于，被布置在所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的至少一部分上的催化劑層(24)和被布置在所述催化劑層(24)和除了所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的所述至少一部分之外的所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)上的密封層(26)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重整器模件，其中隔膜層(22)被布置在所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的所述至少一部分上且所述催化劑層(24)被布置在所述隔膜層(22)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的重整器模件，其中隔膜層(22)被布置在所述中空支承構(gòu)件(12)的大體上整個所述外表面(20)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的重整器模件，其中催化劑層(24)被布置在所述隔膜層(22)上位于所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的多個區(qū)域中的每個區(qū)域處，所述密封層(26)被布置在所述催化劑層(24)上位于具有催化劑層(24)的所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的每個區(qū)域處且被布置在所述隔膜層(22)和所述中空支承構(gòu)件(12)上位于除了所述多個區(qū)域之外的所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的區(qū)域處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的重整器模件，其中在所述多個區(qū)域處的所述催化劑層(24)與所述中空支承構(gòu)件(12)縱向隔開。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的重整器模件，其中在所述區(qū)域處的所述催化劑層(24)具有不同的面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的重整器模件，其中在所述多個區(qū)域處的所述催化劑層(24)的面積從所述中空支承構(gòu)件(12)的第一端(16)向第二端(18)縱向地增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的重整器模件，其中所述催化劑層(24)被布置在大體上整個所述隔膜層(22)上，所述隔膜層(22)在不同區(qū)域處具有不同的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的重整器模件，其中所述隔膜層(22)的厚度從所述中空支承構(gòu)件(12)的第一端(16)向第二端(18)減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的重整器模件，其中所述隔膜層(22)具有穿過其中的孔(28)且所述隔膜層(22)中的所述孔(28)的總橫截面積在不同區(qū)域處不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的重整器模件，其中在不同區(qū)域處的所述隔膜層(22)中的所述孔(28)所述總橫截面積從所述中空支承構(gòu)件(12)的第一端(16)向第二端(18)增加。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的重整器模件，其中所述孔(28)的尺寸增加和/或所述孔(28)的數(shù)量增加。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的重整器模件，其中所述催化劑層(24)在不同區(qū)域處具有不同的活性。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的重整器模件，其中在所述不同區(qū)域處的所述催化劑層(24)的活性從所述中空支承構(gòu)件(12)的第一端(16)向第二端(18)增加。
15.根據(jù)權(quán)利要求7、權(quán)利要求9、權(quán)利要求11、權(quán)利要求12或權(quán)利要求14所述的重整器模件，其中所述第一端(16)是要進(jìn)行重整的烴燃料的入口且所述第二端(18)是經(jīng)過重整的燃料的出口。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的重整器模件，其中所述中空支承構(gòu)件(12)包括多條縱向延伸的通道(14)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的重整器模件，其中所述中空支承構(gòu)件(12)包括兩個大體上平行的外表面(20)且所述隔膜層(22)、所述催化劑層(24)和所述密封層(26)被布置在兩個所述平行外表面(20)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項所述的重整器模件，其中所述中空支承構(gòu)件(12)是多孔的。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項所述的重整器模件，其中所述中空支承構(gòu)件(12)是無孔的且具有延伸穿過其中的多個孔(30)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的重整器模件，其中所述中空無孔支承構(gòu)件(12)中的所述孔(30)的總橫截面積在不同區(qū)域處不同。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的重整器模件，其中在不同區(qū)域處的所述中空無孔支承構(gòu)件(12)中的所述孔(30)的所述總橫截面積從所述中空支承構(gòu)件(12)的第一端(16)向第二端(18)增加。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的重整器模件，其中所述孔(30)的尺寸增加和/或所述孔(30)的數(shù)量增加。
23.一種重整器模件(10)，包括具有縱向延伸穿過其中的至少一條通道(14)的中空支承構(gòu)件(12)和用以將燃料供應(yīng)至所述至少一條通道(14)的裝置，所述中空支承構(gòu)件(12)具有外表面(20)，其特征在于，被布置在所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的至少一部分上的隔膜層(22)、被布置在所述隔膜層(22)上的催化劑層(24)和被布置在所述催化劑層(24)和除了所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面的所述至少一部分之外的所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)上的密封層(26)。
全文摘要
一種重整器模件(10)包括具有縱向延伸穿過其中的至少一條通道(14)的中空支承構(gòu)件(12)。所述中空支承構(gòu)件(14)具有外表面(20)、被布置在所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)的至少一部分上的隔膜層(22)、被布置在所述隔膜層(22)上的催化劑層(24)和被布置在所述催化劑層(24)和除了所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面的所述至少一部分之外的所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)上的密封層(26)。通過在所述中空支承構(gòu)件(12)的所述外表面(20)上設(shè)置所述隔膜層(22)和所述催化劑層(24)，可更精確地控制所述隔膜層(22)和/或所述催化劑層(24)的分布，且由此可實(shí)現(xiàn)隔膜層(22)和/或催化劑層(24)的不均勻分布。
文檔編號C01B3/38GK1830113SQ200480021494
公開日2006年9月6日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月26日
發(fā)明者G·D·阿紐, R·H·昆寧漢, P·D·布特萊爾, R·D·科林斯 申請人:勞斯萊斯燃料電池系統(tǒng)有限公司