專(zhuān)利名稱(chēng)：反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)合具有不同作業(yè)溫度的反應(yīng)爐比如汽化器、重整器，CO去除器等的反應(yīng)器，每一個(gè)反應(yīng)爐都用于燃料電池裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)始將使用氫作為燃料的燃料電池作為具有 高換能效率的清潔能源用于汽車(chē)，便攜設(shè)備等。所述燃料電池是通 過(guò)使燃料與空氣中的氧產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，直接從化學(xué)能變?yōu)殡娔艿难b置。盡管氫被列為用于燃料電池的燃料，但是由于在室溫下為氣體， 它存在處理和儲(chǔ)存的問(wèn)題。在使用液體燃料比如酒精和汽油的情況 下，汽化液體燃料的汽化器，通過(guò)使液體燃料與高溫蒸汽反應(yīng)提取 產(chǎn)生電能所需的氫的重整器，去除一氧化碳(它是重整反應(yīng)的副產(chǎn)品)的C0去除器，(例如，參考JP-2002-356310A)。在裝有汽化器、重整器和CO去除器的反應(yīng)器中，為了在小型電 器設(shè)備中安裝燃料電池，在汽化器與C0去除器的適當(dāng)作業(yè)溫度與 重整器的適當(dāng)作業(yè)溫度之間存在溫度差，汽化器與CO去除器的適 當(dāng)作業(yè)溫度為大約20(TC或者更低，重整器的適當(dāng)作業(yè)溫度為大約 25(TC或者更高。因此，為了不使汽化器與CO去除器由于重整器熱 量的擴(kuò)散導(dǎo)致溫度上升超過(guò)作業(yè)溫度范圍，這些相對(duì)低溫的反應(yīng)爐 需要與相對(duì)高溫的反應(yīng)爐，即重整器，隔開(kāi)足夠長(zhǎng)的距離。然而， 這樣長(zhǎng)距離的分隔，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言已經(jīng)成為最小化的限制。如 果由此原因使小型化安裝變得不可能，那么熱容量變得過(guò)大，而且
為改進(jìn)能效而降低整個(gè)反應(yīng)器的熱損失是必要的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供一種反應(yīng)器，它抑制熱損失并在適當(dāng) 溫度下引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。為了解決上述問(wèn)題，按照本發(fā)明的第一方面，重整燃料的反應(yīng) 器包括在預(yù)定溫度引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；與低溫反應(yīng)單元的 溫度相比在較高溫度引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；使低溫反應(yīng)單元和 高溫反應(yīng)單元彼此連通的連通管，其中至少低溫反應(yīng)單元或者高溫 反應(yīng)單元中的一個(gè)設(shè)有凸面和凹面，每個(gè)面面向低溫反應(yīng)單元和高 溫反應(yīng)單元中另一個(gè)的對(duì)立面；所述凹面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度大于 凸面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度；并且連通管設(shè)置在所述凹面和對(duì)立面之 間。在按照本發(fā)明第一方面的反應(yīng)器中，低溫反應(yīng)單元可以包括CO去除器或者汽化器。高溫反應(yīng)單元可以包括將燃料重整為氫的重整器。 低溫反應(yīng)單元或者高溫反應(yīng)單元可包括加熱器。 反應(yīng)器還包括容納低溫反應(yīng)單元、高溫反應(yīng)單元和連通管的熱絕緣包。低溫反應(yīng)單元或者高溫反應(yīng)單元可以由多層金屬襯底形成。 當(dāng)?shù)蜏胤磻?yīng)單元或者高溫反應(yīng)被加熱時(shí)，為了使連通管的連接部分處因熱膨脹引起的應(yīng)力最小，優(yōu)選地，低溫反應(yīng)單元、高溫反應(yīng)單元和連通管由相同的材料制成。低溫反應(yīng)單元包括C0去除器；高溫反應(yīng)單元包括將燃料重整為氫的重整器；和連通管包括將由重整器重整的氣體流進(jìn)CO去除器的管道。高溫反應(yīng)單元包括將易燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生熱量的燃燒室，連通管
包括使易燃?xì)怏w從低溫反應(yīng)單元流進(jìn)燃燒室的管道。 低溫反應(yīng)單元包括裝配管。上述反應(yīng)器可應(yīng)用到裝有燃燒電池的發(fā)電裝置。按照本發(fā)明的第一方面，連通管的距離被加長(zhǎng)。因此，從高溫 反應(yīng)單元到低溫反應(yīng)單元的熱傳遞能夠被抑制，低溫反應(yīng)單元和高 溫反應(yīng)單元之間的距離能夠被縮短以使微型化成為可能。按照本發(fā)明的第二方面，重整燃料的反應(yīng)器包括在預(yù)定溫度 引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度 引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；使低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼此連 通的連通管，其中的低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元中至少一個(gè)由多 層金屬板制成。按照本發(fā)明的第二方面，低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元的至少 一個(gè)由金屬板制成。因此，金屬板在熱傳導(dǎo)方面比玻璃襯底更優(yōu)越， 反應(yīng)器能夠被加工為薄件。于是，能夠?qū)崿F(xiàn)微型化，同時(shí)熱容量變 小。結(jié)果，通過(guò)很小的熱量在適當(dāng)?shù)臏囟染湍芤l(fā)化學(xué)反應(yīng)。按照本發(fā)明的第三方面，重整燃料的反應(yīng)器包括在預(yù)定溫度 引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；設(shè)置在低溫反應(yīng)單元內(nèi)的流入槽；設(shè)置 為連接流入槽的流出槽；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度引 發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；使低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼此連通 的連通管。按照本發(fā)明的第三方面，因?yàn)樵O(shè)置了流入槽和流出槽，于是它 們可以彼此連接，當(dāng)流體流出流出槽時(shí)，被低溫部分的熱量加熱的 流體加熱流進(jìn)流出槽的流體。因此，能夠進(jìn)行熱交換，而且用于加 熱流體的熱量減少，所述流體己經(jīng)在低溫反應(yīng)單元在流入槽內(nèi)提前 被加熱。由此，能夠在適當(dāng)溫度引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。按照本發(fā)明，能夠在適當(dāng)溫度引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。


圖1是發(fā)電裝置100的方塊圖。 圖2是反應(yīng)器10的透視圖。圖3是圖2中沿ni-工n線剖開(kāi)從箭頭方向看的截面視圖。 圖4是圖2中沿IV-IV線剖開(kāi)從箭頭方向看的截面視圖。 圖5是圖2中沿V-V線剖開(kāi)從箭頭方向看的截面視圖。 圖6是圖2中沿VI-VI線剖開(kāi)從箭頭方向看的截面視圖。 圖7是圖2中沿VII-VII線剖開(kāi)從箭頭方向看的截面視圖。
具體實(shí)施方式
在下述內(nèi)容中，參照附圖描述了實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。然而， 雖然對(duì)下述實(shí)施例給出了許多實(shí)施本發(fā)明的從技術(shù)上優(yōu)選的各種 限制，但是所述限制不將本發(fā)明的范圍限定在下述實(shí)施例和圖示的 例子內(nèi)。(第一實(shí)施例)圖1是發(fā)電裝置100的方塊圖，按照本發(fā)明第一實(shí)施例的反應(yīng) 器10應(yīng)用在該發(fā)電裝置上。發(fā)電裝置100被安裝在筆記本式個(gè)人 電腦、便攜式電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、電子筆記本、手表、數(shù) 字照像機(jī)、數(shù)字錄像機(jī)、競(jìng)賽設(shè)備、游戲機(jī)和其它電子設(shè)備中，并 且被用作操作電子設(shè)備的主機(jī)的能源。發(fā)電裝置100包括燃料箱101，反應(yīng)器10，和燃料電池102， 反應(yīng)器與燃料箱101自由連接并且包括重整從燃料箱101供應(yīng)的燃 料的反應(yīng)爐，燃料電池102利用被反應(yīng)器10重整的氫產(chǎn)生電能。 燃料箱101可以?xún)?chǔ)存比如甲醇等的燃料和水，在兩者彼此混合的狀 態(tài)下或者在彼此分離的狀態(tài)下，利用沒(méi)有畫(huà)出的微型泵供應(yīng)燃料與 水的混合液體。可選擇地，燃料和水可以在燃料箱內(nèi)提前進(jìn)行混合。圖2是表示從下方看的反應(yīng)器10的狀況的視圖。反應(yīng)器10包 括高溫反應(yīng)單元11和布置在高溫反應(yīng)單元11對(duì)面的低溫反應(yīng)單元12，如同2所示。高溫反應(yīng)單元11是引起超過(guò)20(TC的反應(yīng)的反應(yīng) 單元。高溫反應(yīng)單元11包括重整器14、高溫燃燒室16和高溫加熱 器18，重整器14通過(guò)重整在燃料箱101內(nèi)的燃料引起產(chǎn)生氫的蒸 汽重整反應(yīng)，高溫燃燒室16加熱重整器14到高溫以加速重整器14 的重整反應(yīng)，高溫加熱器18是用作迅速加熱重整器14的輔助熱源 的電熱元件，即使在高溫燃燒室16不能加熱到高溫，特別是在發(fā) 電裝置100的啟動(dòng)時(shí)間的狀態(tài)下。低溫反應(yīng)單元12是引起低于20(TC的反應(yīng)的反應(yīng)單元。低溫反 應(yīng)單元12包括汽化器13，它是提前將被供應(yīng)到重整器14的燃料和 水汽化的反應(yīng)爐，C0去除器15，它是去除在重整器14內(nèi)重整的時(shí) 候作為副產(chǎn)品產(chǎn)生的二氧化碳的反應(yīng)爐，低溫燃燒室17，它被用作 在CO去除器15內(nèi)的反應(yīng)和汽化器13內(nèi)的汽化反應(yīng)所必須的相對(duì) 低溫的熱源，和低溫加熱器19，它是用作迅速加熱汽化器13和CO 去除器15的輔助熱源的電熱元件，即使在低溫燃燒室17不能執(zhí)行 充分加熱的狀態(tài)下，特別是在發(fā)電裝置100的啟動(dòng)時(shí)間。高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12的任一個(gè)都通過(guò)彼此粘貼 多個(gè)金屬板形成，所述金屬板比如由不銹鋼(SUS304)制成，在不 銹鋼上形成后面所述的流動(dòng)通路。因此，高溫加熱器18被層疊到 重整器14的金屬板上，在兩者之間有絕緣膜，低溫加熱器19被層 疊到C0去除器15的金屬板或者低溫燃燒室17的金屬板，在兩者 之間有絕緣膜。汽化器13是汽化從燃料箱101供應(yīng)的燃料和水的反應(yīng)爐。重整 器14按照化學(xué)反應(yīng)式(1)使從汽化器13供應(yīng)的燃料與水的氣體 混合物反應(yīng)，以產(chǎn)生作為主產(chǎn)物的、含有氫氣體和二氧化碳?xì)怏w的 氣體混合物，和產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的一氧化碳。重整器14也部分地
引起按照化學(xué)反應(yīng)式(2)的反應(yīng)，以產(chǎn)生極少量的一氧化碳。CO去除器15有選擇地按照化學(xué)反應(yīng)式(3)氧化由重整器14產(chǎn)生的一氧化碳，以去除氣體混合物內(nèi)的一氧化碳。在下述內(nèi)容中，在一 氧化碳的去除之后的富含氫的氣體混合物被稱(chēng)為重整后氣體。另外，盡管化學(xué)反應(yīng)式(3)是放熱反應(yīng)，通過(guò)在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)加熱來(lái)提高反應(yīng)速度是可能的。CH30H +H20 — 3H2 + C02 … (1)H2 + C02 — H20 + CO … (2)2C0 +02 —2C02 … (3)重整后的氣體被從反應(yīng)器10供應(yīng)到燃料電池102的燃料電極 側(cè)。利用設(shè)置在燃料電極上的催化劑，在重整后的氣體內(nèi)的氫氣被 分離成氫離子和電子，如電化學(xué)反應(yīng)式(4)所示。氫離子穿過(guò)燃 料電池102的電解膜，移動(dòng)到氧電極側(cè)。所述電子穿過(guò)外電路移動(dòng) 到氧電極側(cè)。在氧電極側(cè)，如電化學(xué)反應(yīng)式(5)所示，由已經(jīng)穿 過(guò)電解膜的氫離子，穿過(guò)外電路從氧電極供應(yīng)的電子，和從大氣中 供應(yīng)的氧氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水。從燃料電極和氧電極的電勢(shì)差能夠 獲得電能。H2 — 2H+ +2e- ... (4)2H+ + 2e- +1/202 — H20 … (5)高溫燃燒室16將氧混合進(jìn)剩余的氫氣中，并且將燃燒這些氣體 以加熱高溫反應(yīng)單元11到25(TC或更高的溫度，比如在大約250°C 到40(TC的范圍內(nèi)，所述剩余的氫氣是在供應(yīng)給燃料電極側(cè)的重整 后氣體中沒(méi)有執(zhí)行上述電化學(xué)反應(yīng)的氣體(以后稱(chēng)為廢氣)。類(lèi)似 于高溫燃燒室16，低溫燃燒室17將氧混進(jìn)一部分廢氣中，并且燃 燒所述廢氣來(lái)加熱低溫反應(yīng)單元12到低于20(TC的溫度，比如大約 ll(TC到19(TC的范圍內(nèi)，該溫度是低于高溫燃燒室16的溫度。高
溫加熱器18在一開(kāi)始代替高溫燃燒室16加熱高溫反應(yīng)單元11，低溫加熱器19在一開(kāi)始代替低溫燃燒室17加熱低溫反應(yīng)單元12。圖2是表示反應(yīng)器10的透視圖。反應(yīng)器10被容納在熱絕緣包 20內(nèi)。在熱絕緣包20的內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面之間形成間隙，在兩個(gè)表 面之間具有沒(méi)有畫(huà)出的墊片。此外，熱絕緣包20的內(nèi)部空間保持 處于低壓(0.03Pa或者更小)，目的是維持熱絕緣效果，而且反應(yīng) 器10向熱絕緣包20外的熱損失得到抑制。在熱絕緣包20的內(nèi)部 空間內(nèi)存在少量氣體。對(duì)于所述氣體，稀有氣體比如氬氣和氦氣是 優(yōu)選的，它們?cè)诟邷胤磻?yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12的溫度范圍內(nèi) 是惰性的，但是所述氣體不必就是稀有氣體。對(duì)于熱絕緣包20的材料，能夠使用比如金屬板，象不銹鋼(SUS 304)。此外，為了減少因?yàn)閬?lái)自反應(yīng)器10的輻射導(dǎo)致的熱損失， 在熱絕緣包20的內(nèi)表面上設(shè)置防輻射膜。比如，金(Au)等能夠 被用作防輻射膜。如圖2所示，在反應(yīng)器10內(nèi)，高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單 元12設(shè)置在彼此分離的狀態(tài)。另外，優(yōu)選的是，類(lèi)似于設(shè)置在熱 絕緣包20的內(nèi)表面上的膜的防輻射膜形成在高溫反應(yīng)單元11和低 溫反應(yīng)單元12的外圍表面上。如圖4-6，低溫反應(yīng)單元12包括三層，它們是設(shè)有汽化流動(dòng)通 路41的上層金屬襯底52，其為汽化器13，設(shè)有CO去除流動(dòng)通路 43的中間層金屬襯底54，其為C0去除器15，和設(shè)有燃燒室流動(dòng)通 路44的下層金屬襯底56，其為低溫燃燒室17。低溫反應(yīng)單元12 具有將這些金屬襯底52， 54， 56層疊的結(jié)構(gòu)。此外，如果汽化流 動(dòng)通路41被打開(kāi)，設(shè)置用作頂蓋的金屬襯底來(lái)密封所述開(kāi)口。如 果燃燒流動(dòng)通路44被打開(kāi)，設(shè)置用作底蓋的金屬襯底來(lái)密封所述 開(kāi)口。對(duì)于每一個(gè)這些金屬襯底，能夠使用由不銹鋼(SUS 304)制成的金屬襯底。低溫反應(yīng)單元12還包括凸面12A和凹面12B，于是它們可以與 高溫反應(yīng)單元11的平對(duì)立面11A相對(duì)。與凹面12B相比，低溫反 應(yīng)單元12的凸面12A突出朝向高溫反應(yīng)單元11的對(duì)立面IIA。在 凸面12A的端邊的四個(gè)角處，特別是每個(gè)金屬襯底52和56的兩個(gè) 位置，形成有槽(凹入部分)21， 22， 23和24。通過(guò)槽21， 22， 23， 24，每個(gè)凹面12B面向要與之對(duì)立的高溫反應(yīng)單元11的對(duì)立 面11A。被四個(gè)槽21， 22， 23， 24露出的每個(gè)凹面12B被做成與低 溫反應(yīng)單元12中的流動(dòng)通路連通，而且被連接有連通管25， 26， 27和28，這些管分別是四個(gè)直線管。此外，通過(guò)所述槽21， 22， 23和24，側(cè)面12C被暴露在側(cè)面的凸面12A和凹面12B之間。四 個(gè)連通管25， 26， 27和28其它側(cè)邊的端部被連接到高溫反應(yīng)單元 11的對(duì)立面IIA端部的四個(gè)角。四個(gè)連通管25， 26， 27和28在高 溫反應(yīng)單元11的對(duì)立面IIA與低溫反應(yīng)單元12的凹面12B之間的 長(zhǎng)度Ll是低溫反應(yīng)單元的槽21， 22， 23和24的縱向長(zhǎng)度，即低 溫反應(yīng)單元12的凸面12A和凹面12B之間的長(zhǎng)度L2加高溫反應(yīng)單 元11的對(duì)立面11A與低溫反應(yīng)單元12的凸面12A之間的長(zhǎng)度L3 的和。長(zhǎng)度Ll， L2和L3按照高溫反應(yīng)單元11的適當(dāng)溫度范圍， 低溫反應(yīng)單元12的適當(dāng)溫度范圍和它們的溫度差進(jìn)行設(shè)定。因此，由于連通管25， 26， 27和28在對(duì)立面11A上連通高溫 反應(yīng)單元ll，通過(guò)由槽21， 22， 23和24形成的每個(gè)凹面12B與低 溫反應(yīng)單元12連通，在高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12之間 的連通管25， 26， 27和28的長(zhǎng)度L1必然大于高溫反應(yīng)單元11的 對(duì)立面11A與低溫反應(yīng)單元12的凸面12A之間的長(zhǎng)度L3。此外， 四個(gè)連通管25， 26， 27和28的外徑R與槽21， 22， 23和24的寬 度W和高度H相比，足夠小。
另外，在由槽21， 22， 23和24包圍的低溫反應(yīng)單元12的部分 中，形成低溫反應(yīng)單元12的流動(dòng)通路。優(yōu)選的是，制成連通管25和26的材料具有的熱膨脹系數(shù)在下 層金屬襯底56的材料的熱膨脹系數(shù)的附近。具體地，優(yōu)選的是， 連通管25和26由和制成金屬襯底56的材料一樣的材料制成，而 且連通管25和26與金屬襯底56 —體形成。優(yōu)選的是，制成連通 管27和28的材料具有的熱膨脹系數(shù)在上層金屬襯底52的材料的 熱膨脹系數(shù)的附近。具體地，優(yōu)選的是，連通管27和28由和制成 金屬襯底52的材料一樣的材料制成，而且連通管27和28與金屬 襯底52—體形成。在具有如此結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器10中，在高溫反應(yīng)單元11中與低溫 反應(yīng)單元12相對(duì)的主要平面是對(duì)立面IIA。在低溫反應(yīng)單元12中 與高溫反應(yīng)單元11相對(duì)的主要平面是凸面12A。在高溫反應(yīng)單元 ll和低溫反應(yīng)單元12之間的空間是被熱絕緣包20分隔的空間的一 部分，而且低壓熱絕緣氣體被填充在所述空間內(nèi)，在熱絕緣包20 中容納高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12。因此，在對(duì)立面IIA，其為在高溫反應(yīng)單元11內(nèi)與低溫反應(yīng)單 元12相對(duì)的主要平面，和凸面12A，其為低溫反應(yīng)單元12內(nèi)與高 溫反應(yīng)單元11相對(duì)的主要平面，之間的熱擴(kuò)散相對(duì)較小。此外， 因?yàn)檫B通管25， 26， 27和28是固體，它們的熱傳導(dǎo)比熱絕緣氣體 的高。因此從高溫反應(yīng)單元11到低溫單元12的熱傳遞的主要路徑 是四個(gè)連通管25， 26， 27和28。為了使整個(gè)反應(yīng)器10的容積變小，優(yōu)選的是盡可能地縮短對(duì)立 面IIA和凸面12A之間的長(zhǎng)度L3。如果在低溫反應(yīng)單元12內(nèi)沒(méi)有 設(shè)置槽21， 22， 23和24，高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12之 間的連通管25， 26, 27和28的長(zhǎng)度與對(duì)立面IIA和凸面12A之間
的長(zhǎng)度一樣。如果對(duì)立面IIA和凸面12A之間的長(zhǎng)度在這樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)由于微型化的原因被縮短，高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12 之間的連通管25， 26， 27和28的長(zhǎng)度也變短，而且高溫反應(yīng)單元 11的熱量變得容易擴(kuò)散到低溫反應(yīng)單元12。因此，難于維持高溫 反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12之間的溫度梯度在適當(dāng)溫度范圍 內(nèi)。相反，在本發(fā)明中，即使為了使反應(yīng)器10小型化，將對(duì)立面 11AH和凸面12A之間的長(zhǎng)度L3做的盡可能短，通過(guò)將長(zhǎng)度L2變長(zhǎng) 能夠使高溫反應(yīng)的單元ll和低溫反應(yīng)單元12之間的連通管25，26， 27和28的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)。因此，通過(guò)設(shè)定從高溫反應(yīng)單元11穿過(guò)連 通管25， 26， 27和28到低溫反應(yīng)單元12的熱傳遞的路徑長(zhǎng)度(Ll) 足夠地長(zhǎng)，能夠抑制從高溫反應(yīng)單元11到低溫反應(yīng)單元12的熱傳 遞。于是，能夠容易地保持高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12之 間的溫度差。高溫反應(yīng)單元11，低溫反應(yīng)單元12和連通管25， 26, 27和28 由SUS304制成。熱絕緣包20的尺寸被做成長(zhǎng)度39mm，寬度19mm， 高度9.4mm。熱絕緣包20與高溫反應(yīng)單元11之間的距離，和熱絕 緣包20與低溫反應(yīng)單元12之間的距離各自為lmm。熱絕緣包20的 內(nèi)部壓力設(shè)定為0. 03Pa。槽21， 22， 23和24的寬度W，高度H， 和長(zhǎng)度L2分別被做成2. 8imn， 2. 8咖和3咖。從連通管25， 26， 27 和28到側(cè)面12C的距離為2. 3mm。高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單 元12之間的連通管25， 26， 27和28的長(zhǎng)度L1，外徑R和內(nèi)徑分 別為6mm， 0. 5mm和0. 3mm。長(zhǎng)度L3為3mm。因此，能夠保持高溫 反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12中的每個(gè)均為124°C。另外，槽21， 22， 23和24和連通管25， 26， 27和28的位置 被限定為四個(gè)角。例如，它們可以形成在高溫反應(yīng)單元11 一側(cè)的
端面的中心部分。此外，不是在低溫反應(yīng)單元12上設(shè)置槽21， 22， 23和24及連通管25， 26， 27和28，它們可被設(shè)置在高溫反應(yīng)單 元11的一側(cè)上，或者它們可被設(shè)置在兩個(gè)單元上。此外，槽21， 22， 23和24的形狀不限定為圖2所示的矩形，所述形狀可形成為柱形。作為流體(燃料和水，氧氣(空氣)，重整后的氣體，廢氣，和 排氣)從外部流入流出的流動(dòng)通路的裝配好的管30被設(shè)置在低溫 反應(yīng)單元12的上部。高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12能夠通 過(guò)比如將形成有后面要描述的流動(dòng)通路的不銹鋼(SUS304)制的金 屬板粘貼形成。此外，類(lèi)似于高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12 的這些材料，比如像不銹鋼(SUS304)的金屬等，能被用作連通管 25， 26， 27和28以及裝配管30的材料。圖3是裝配管30的水平截面圖。如圖3所示，裝配管30由下 述元件組成，這些元件整體地形成為一個(gè)部件。這些元件是用于 從燃料箱101向汽化器13供應(yīng)含水的燃料的液體燃料管道31,用 于向低溫燃燒室17供應(yīng)燃燒用的空氣的空氣供應(yīng)管道32，用于向 CO去除器15供應(yīng)去除CO用的空氣(氧氣)的空氣供應(yīng)管道33， 用于從燃料電池102向高溫燃燒室16和低溫燃燒室17供應(yīng)廢氣的 廢氣供應(yīng)管道34，用于從C0去除器35向燃料電池102供應(yīng)重整后 的氣體的重整氣體輸送管道35，用于排出當(dāng)廢氣在每個(gè)高溫燃燒室 16和低溫燃燒室17內(nèi)燃燒時(shí)產(chǎn)生的排氣的排氣管36。使裝配管30 形成為下述尺寸。即，外徑形成為1.3mmX0. 9ram。每個(gè)液體燃料管 道31，空氣供應(yīng)管道32，空氣供應(yīng)管道33，廢氣供應(yīng)管道34，重 整氣體輸送管道35和排氣管道36的內(nèi)徑為0. 3mmX0. 3mm。裝配管 30穿過(guò)熱絕緣包20，并且被連接到外部的燃料箱101，燃料電池裝 置102，沒(méi)有畫(huà)出的氣泵等。
通過(guò)集中在反應(yīng)器10內(nèi)流入和流出的流體的管道以在低溫反 應(yīng)單元12上提供管道，與單獨(dú)設(shè)置的管道相比，所述管道暴露在 外部的面積減少，而且從裝配管30向熱絕緣包20的外部流出的熱 量能夠得到降低。此外，通過(guò)裝配管，能夠提高針對(duì)機(jī)械應(yīng)力的剛 性，而且能夠降低由熱應(yīng)力引起的變形。此外，通過(guò)不設(shè)置連接到熱絕緣包外部的管道限制熱量向熱絕緣包20外部的流出為從低溫 反應(yīng)單元12的方式，其溫度顯著低于從高溫反應(yīng)單元11的高溫反應(yīng)單元ll的溫度，能夠進(jìn)一歩降低熱損失。在下面，描述反應(yīng)器10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4是在沿著圖2的切割線IV-IV水平切割高溫反應(yīng)單元11 和低溫反應(yīng)單元12時(shí)從箭頭方向看的截面圖。圖5是在沿著圖2 的切割線V-V水平切割高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12時(shí)從箭 頭方向看的截面圖。圖6是在沿著圖2的切割線VI-VI水平切割高 溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12時(shí)從箭頭方向看的截面圖。圖7 是在沿著圖2的切割線VII-VII垂直切割高溫反應(yīng)單元11時(shí)從箭 頭方向看的截面圖。如圖4-6所示，高溫反應(yīng)單元11在靠近低溫反應(yīng)單元12的部 分處設(shè)有重整器14，在相對(duì)的一側(cè)設(shè)有高溫燃燒室16。重整器14 和高溫燃燒室16具有上層金屬襯底51，中層金屬襯底53和下層金 屬襯底55，每個(gè)襯底均由比如不銹鋼(SUS304)的金屬制成。其上 側(cè)敞開(kāi)的槽形成在下層金屬襯底55上。所述槽被用作重整器14的 重整流動(dòng)通道42。 一個(gè)穿過(guò)中層金屬襯底53的孔形成在該襯底的 厚度方向中。所述孔被用作重整器14的重整流動(dòng)通道42。 一個(gè)其 下側(cè)敞開(kāi)的槽形成在上層金屬襯底51上。所述槽被用作重整器14 的重整流動(dòng)通道42。通過(guò)將上層金屬襯底51，中層金屬襯底53和 下層金屬襯底55疊在一起，所述槽和孔彼此被重疊，而且形成互 相與上層金屬襯底51，中層金屬襯底53和下層金屬襯底55連通的 重整流動(dòng)通道42。在上層金屬襯底51中，用于連通重整流動(dòng)通道 42與連通管27的連通槽57形成在所述槽的一端，用于連通重整流 動(dòng)通道42與連通管28的連通槽58形成在所述槽的另一端。此外， 如圖4-7所示，燃燒流動(dòng)通道45，其為高溫燃燒室16，設(shè)置在遠(yuǎn) 離低溫反應(yīng)單元12的一端。通過(guò)形成在每個(gè)上層金屬襯底51，中 層金屬襯底53和下層金屬襯底55中的通孔的重疊來(lái)形成燃燒流動(dòng) 通道45。被用作連接通道50的槽形成在下層金屬襯底5.5中，所述 連接通道50連通燃燒流動(dòng)通道45的一端與燃燒流動(dòng)通道45的連 通管25，被用作連接通道49的槽形成在下層金屬襯底55中，連接 通道49連通燃燒流動(dòng)通道45的另一端和連通管26。如圖4所示，汽化流動(dòng)通道41以迂回狀態(tài)形成在金屬襯底52 內(nèi)。裝配管30的液體燃料管道31通過(guò)金屬襯底54和56被連接到 汽化流動(dòng)通道41的一端，連通管27被連接到另一端。連通管27 的一端被連接到汽化流動(dòng)通道41，其另一端被連接到重整流動(dòng)通道 42。在上層金屬襯底51，中層金屬襯底53和下層金屬襯底55內(nèi)的 所述重整流動(dòng)通道42形成為迂回狀態(tài)。重整流動(dòng)通道42的一端被 連接到上層金屬襯底51內(nèi)的連通管27，其另一端連接到連通管28。 作為化學(xué)反應(yīng)式(1)或者(2)之一的重整反應(yīng)的催化劑的重整催 化劑設(shè)置在重整流動(dòng)通道42內(nèi)。所述重整催化劑是比如銅/鉛氧化 物系列的催化劑，而且通過(guò)由鋁作為載體攜帶銅/鉛氧化物來(lái)制成。連通管28的一端被連接到重整流動(dòng)通道42，連通管28的另一 端被連接到連接流動(dòng)通道46，到低溫反應(yīng)單元12的C0去除流動(dòng)通 道43。連接流動(dòng)通道46穿過(guò)金屬襯底52，并且與中層的金屬襯底 54連通以連接連通管28和C0去除流動(dòng)通道43，連通管28被連到 低溫反應(yīng)單元12的上層金屬襯底52， CO去除流動(dòng)通道43形成在
金屬襯底54內(nèi)。如圖5所示，CO去除流動(dòng)通道43以迂回狀態(tài)形成在金屬襯底 54內(nèi)。CO去除流動(dòng)通道43的一端被連接到連接流動(dòng)通道46和空 氣供應(yīng)管道33，其另一端被連接到重整氣體輸送管道35。作為化 學(xué)反應(yīng)式(3)的氧化反應(yīng)的催化劑的CO去除催化劑設(shè)置在CO去 除流動(dòng)通道43內(nèi)。所述CO去除催化劑是鉑系列的催化劑，而且由鋁攜帶鉑或者鉑與釕制成。如圖6所示，除了以迂回狀態(tài)形成的燃燒流動(dòng)通道44，混合流 動(dòng)通道47和排氣流動(dòng)通道48形成在低溫反應(yīng)單元12的下層金屬 襯底56內(nèi)。燃燒流動(dòng)通道44的一端被連接到混合流動(dòng)通道47，燃燒流動(dòng) 通道44的另一端與排氣管36相連。作為廢氣中的氫的氧化反應(yīng)的 催化劑用的燃燒催化劑設(shè)置在燃燒流動(dòng)通道44內(nèi)。所述燃燒催化 劑由鋁作為載體攜帶鉑制成?；旌狭鲃?dòng)通道47連接到廢氣供應(yīng)管道34和空氣供應(yīng)管道32， 進(jìn)一步連接到連通管26和燃燒流動(dòng)通道44?；旌狭鲃?dòng)通道47混合 廢氣與空氣，而且混合流動(dòng)通道47將混合后的氣體以預(yù)定比率供 應(yīng)給連通管26和燃燒流動(dòng)通道44 (例如，連通管26:燃燒流動(dòng)通 道=1.37: 1)。連通管26的一端連接到混合流動(dòng)通道47，其另一端通過(guò)連通 管26連接到形成在高溫反應(yīng)單元11內(nèi)的連接通道49。所述連接通 道49的一端連接到連通管26，其另一端連接到燃燒流動(dòng)通道45。燃燒流動(dòng)通道45如圖7所示形成為迂回狀態(tài)。燃燒流動(dòng)通道 45的一端連接到連接通道49，其另一端連接到連接通道50。作為燃料的氧化反應(yīng)的催化劑使用的燃燒催化劑設(shè)置在燃燒流動(dòng)通道 45內(nèi)。類(lèi)似于燃燒流動(dòng)通道44的催化劑的燃燒催化劑可以用作燃
燒催化劑。連接通道50的一端連接到燃燒流動(dòng)通道45，其另一端連接到連通管25。連通管25的一端連接到連接通道50，其另一端連接到 排氣流動(dòng)通道48。形成在金屬襯底56上的排氣流動(dòng)通道48設(shè)置在下層的外圍， 于是排氣流動(dòng)通道48可以包圍燃燒流動(dòng)通道44。所述排氣流動(dòng)通 道48的一端連接到連通管25，其另一端與燃燒流動(dòng)通道44 一起連 接到排氣管36。因?yàn)榱鬟^(guò)排氣流動(dòng)通道48的排氣是從高溫燃燒室 16排出的氣體，排氣處于相對(duì)高的溫度，而且排氣還具有輔助加熱 低溫燃燒室17的功能。另外，液體燃料管道31穿過(guò)下層和中層以與上層連通。此外， 空氣供應(yīng)管道33和重整氣體輸送管道35穿過(guò)下層以與中層連通。在下述內(nèi)容中，描述反應(yīng)器10的操作。首先，給高溫加熱器 18和低溫加熱器19施加電壓，將高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元 12分別加熱到設(shè)定溫度，例如在25(TC到40(TC范圍內(nèi)的高溫與在 ll(TC到19(TC范圍內(nèi)的低溫。當(dāng)高溫反應(yīng)單元11和低溫反應(yīng)單元12的溫度已經(jīng)上升到相應(yīng) 的設(shè)定溫度，從液體燃料管道31向汽化流動(dòng)通道41供應(yīng)燃燒和水。 當(dāng)供應(yīng)燃料和水時(shí)，汽化流動(dòng)通道41加熱燃料和水來(lái)使它們汽化。 汽化后的燃料和汽化后的水通過(guò)連通管27流進(jìn)重整流動(dòng)通道42。在重整流動(dòng)通道42內(nèi)，通過(guò)重整反應(yīng)改變汽化后的燃料和汽化 的水成為由氫氣，二氧化碳?xì)怏w和少量一氧化碳組成的混合氣體。 通過(guò)重整反應(yīng)產(chǎn)生的混合氣體通過(guò)連通管28和連接流動(dòng)通道46流 進(jìn)C0去除流動(dòng)通道43。在CO去除流動(dòng)通道43內(nèi)，從空氣供應(yīng)管道33供應(yīng)的氧與混合 氣體混合，含在混合氣體內(nèi)的少量一氧化碳被有選擇地氧化。其中
的一氧化碳已經(jīng)被去除的混合氣體(重整后的氣體)從重整后氣體 輸送管道35被送到燃料電池102。在燃料電池102的燃料電極側(cè)上用于電化學(xué)反應(yīng)的被引入重整氣體中的未反應(yīng)的廢氣，從廢氣供應(yīng)管道34被供應(yīng)到混合流動(dòng)通 道47。在混合流動(dòng)通道47內(nèi)，廢氣與從空氣供應(yīng)管道32供應(yīng)的空 氣混合。當(dāng)流過(guò)連通管26和燃燒流動(dòng)通道45上的連接通道49燃 燒時(shí)，廢氣與空氣的混合氣體在燃燒流動(dòng)通道44內(nèi)燃燒。高溫燃 燒室16和低溫燃燒室17在此時(shí)能夠根據(jù)廢氣的流速進(jìn)行控制，而 廢氣的流速能夠借助燃燒流動(dòng)通道44和45的流動(dòng)通道的寬度和深 度進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)以包圍連接通道50、連通管25和燃燒流動(dòng)通道44的方式 設(shè)置在低溫反應(yīng)單元12的外圍的排氣流動(dòng)通道48，燃燒流動(dòng)通道 45的廢氣從排氣管36被排放到外部。此時(shí)流過(guò)排氣流動(dòng)通道48的 高溫排氣能夠用作低溫反應(yīng)單元12的熱源。燃燒流動(dòng)通道44的排氣連同燃燒流動(dòng)通道45的排氣從排氣管 36被排放到外部。當(dāng)足夠的熱量通過(guò)燃燒流動(dòng)通道45內(nèi)的燃燒反應(yīng)達(dá)到要求時(shí)， 高溫加熱器18停止工作，或者高溫加熱器18的加熱被減少，以將 高溫反應(yīng)單元11的主熱源變換為燃燒流動(dòng)通道45。當(dāng)用來(lái)加熱低溫反應(yīng)單元12的足夠熱量通過(guò)燃燒流動(dòng)通道44 的燃燒反應(yīng)和流過(guò)排氣流動(dòng)通道48的高溫排氣達(dá)到要求時(shí)，低溫 加熱器19停止工作，或者低溫加熱器19的產(chǎn)熱被降低，以將低溫 反應(yīng)單元12的主要熱源變換為燃燒流動(dòng)通道44。之后，通過(guò)給反 應(yīng)器連續(xù)供應(yīng)燃料、水和空氣持續(xù)地產(chǎn)生電能。另外，燃料和氧可以只從液體燃料管道31供應(yīng)到流動(dòng)通道44 和燃燒流動(dòng)通道45。 此外，通過(guò)組合燃料和廢氣可以使高溫燃燒室16和低溫燃燒室 17產(chǎn)生熱量。在這種情況下，燃料或者廢氣可以按照內(nèi)部流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)從液體燃料管道31或者廢氣供應(yīng)管道34以預(yù)定速率被分配到 燃燒流動(dòng)通道44和45，而且所述空氣可以從空氣供應(yīng)管道32被分 配到燃燒流動(dòng)通道44和45。在上述實(shí)施例中，盡管使用甲醇作為燃料，但是燃料不限于甲 醇，含有醇的氫原子比如乙醇等、汽油等的化合物能夠代替甲醇使 用。另外，當(dāng)然燃燒催化劑和重整催化劑也能夠適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行改變。本美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)依據(jù)巴黎公約要求2005年6月9日提交的日本 專(zhuān)利申請(qǐng)No. 2005-169188的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)是不正確翻譯的改正 基礎(chǔ)。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明能夠?yàn)榻Y(jié)合有反應(yīng)裝置的各種類(lèi)型的反應(yīng)器適當(dāng)?shù)乩?用，所述反應(yīng)裝置比如汽化器、重整器、CO去除器等具有不同的作 業(yè)溫度，每一種反應(yīng)裝置都用于燃料電池。所述反應(yīng)器能夠應(yīng)用于 裝有燃料電池的發(fā)電裝置。
權(quán)利要求
1、一種重整燃料的反應(yīng)器，包括在預(yù)定溫度引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；使低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼此連通的連通管，其中至少低溫反應(yīng)單元或者高溫反應(yīng)單元中的一個(gè)設(shè)有凸面和凹面，每個(gè)面面向低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元中另一個(gè)的對(duì)立面；所述凹面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度大于凸面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度；并且連通管設(shè)置在所述凹面和對(duì)立面之間。
2、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元包括CO去 除器。
3、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元包括汽化器。
4、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中高溫反應(yīng)單元包括將燃料 重整為氫的重整器。
5、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元包括加熱器。
6、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中高溫反應(yīng)單元包括加熱器。
7、 如權(quán)利要求l所述的反應(yīng)器，還包括容納低溫反應(yīng)單元、高 溫反應(yīng)單元和連通管的熱絕緣包。
8、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元由多層金屬 襯底形成。
9、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中高溫反應(yīng)單元由多層金屬 襯底形成。
10、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元、高溫反 應(yīng)單元和連通管由相同的材料制成。
11、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元包括co 去除器；高溫反應(yīng)單元包括將燃料重整為氫的重整器；連通管包括 將由重整器重整的氣體流進(jìn)CO去除器的管道。
12、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中高溫反應(yīng)單元包括燃燒 易燃?xì)怏w產(chǎn)生熱量的燃燒室，連通管包括使易燃?xì)怏w從低溫反應(yīng)單 元流進(jìn)燃燒室的管道。
13、 如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中低溫反應(yīng)單元包括裝配管。
14、 一種裝有如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器的發(fā)電裝置。
15、 一種重整燃料的反應(yīng)器，包括 在預(yù)定溫度引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單 元；以及使低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼此連通的連通管， 其中，低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元中的至少一個(gè)由多層金屬 板形成。
16、 一種重整燃料的反應(yīng)器，包括 在預(yù)定溫度引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元； 設(shè)置在低溫反應(yīng)單元內(nèi)的流入槽； 設(shè)置為連接流入槽的流出槽；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；傲氐溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼itkM的魏管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種重整燃料的反應(yīng)器，包括在預(yù)定溫度引發(fā)反應(yīng)的低溫反應(yīng)單元；與低溫反應(yīng)單元的溫度相比在較高溫度引發(fā)反應(yīng)的高溫反應(yīng)單元；使低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元彼此連通的連通管，其中至少低溫反應(yīng)單元或者高溫反應(yīng)單元中的一個(gè)設(shè)有凸面和凹面，每個(gè)面面向低溫反應(yīng)單元和高溫反應(yīng)單元中另一個(gè)的對(duì)立面；所述凹面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度大于凸面和對(duì)立面之間的長(zhǎng)度；和連通管設(shè)置在所述凹面和對(duì)立面之間。
文檔編號(hào)B01J8/04GK101163542SQ20068001312
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者山本忠夫 申請(qǐng)人:卡西歐計(jì)算機(jī)株式會(huì)社