專利名稱：薄式微型重組器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用在燃料電池中的薄式微型重組器(reformer)，更具體地講，本發(fā)明涉及一種改進的薄式微型重組器，為了將重組部分和CO去除器(remover)分開，該薄式微型重組器具有位于通過吸熱反應的重組部分和通過放熱反應的CO去除器之間的燃料注入器(fuel charger)。該重組器基于單片基底、CO去除器內的內壓下降以及通過小泵使外部空氣進入而有效重組。
背景技術：
近來，移動電話、PDA、數(shù)碼相機、便攜式電腦以及其它小型便攜式電子裝置的使用增加，尤其是用于移動電話的DMB廣播的開始使用，增加了對用于便攜式、小型終端的更有效電源的需求。現(xiàn)在廣泛使用的鋰離子充電電池提供的能量僅夠觀看2小時DMB。雖然正在努力提高鋰離子充電電池的性能，但是燃料電池被認為是上面問題的可選解決方案。
這種燃料電池的方法包括直接甲醇式燃料電池，其向燃料極供給甲醇；重組氫燃料電池(RHFC)，其從甲醇中提取氫供給到燃料極。RHFC燃料電池與聚合物電極隔膜(PEM)一樣使用氫作為燃料，RHFC燃料電池具有高輸出、單位體積可用電量高以及除了水以外沒有副產物的優(yōu)點。然而，需要將重組器添加到系統(tǒng)中，從而使該裝置不適于小型化。
為了從這種燃料電池得到高的功率輸出，重組器用來將液體燃料轉化為氫氣燃料。這種類型的重組器包括蒸發(fā)器，用于將液態(tài)甲醇轉化為氣態(tài)；重組部分，通過在250℃和290℃之間的溫度下催化轉化將甲醇燃料轉化為氫；CO去除器(或PROX)，去除副產物一氧化碳。為了得到最佳的反應效率，需要將重組部分(吸熱反應)保持在250℃和290℃之間的溫度下并且將CO去除器保持在170℃和200℃之間的溫度下的技術。
然而，具有良好導熱特性的硅用作基底材料，并且必須在已被絕熱以防止熱泄漏到外部的區(qū)域內操作。因此，難于將一個基底上的溫度保持在兩個不同的單獨區(qū)域內，需要允許保持這種狀態(tài)的結構。
如圖1中所示，在第2004-288573號日本專利中公開了一種傳統(tǒng)的小型重組器250，該公開通過引用被包含于此。這種傳統(tǒng)的小型重組器250包括絕熱封裝258以及順序疊置在絕熱封裝258內的燃燒燃料蒸發(fā)器251、發(fā)生器燃料蒸發(fā)器255、燃燒爐252、CO去除器257、另一燃燒爐254、重組部分256和又一燃燒爐253。
絕熱支撐物261和262安裝在燃燒燃料蒸發(fā)器251下面，以支撐燃燒燃料蒸發(fā)器251。燃燒燃料蒸發(fā)器251與絕熱封裝258的內壁分開。因此，因為這種傳統(tǒng)重組器具有多層結構，所以難于小型化。
圖2中示出了另一傳統(tǒng)的小型重組器350，第2003-45459號日本專利公開了該重組器，該公開通過引用被包含于此。這種傳統(tǒng)的重組器包括第一基底352，形成平的蓋子；第二基底354，在其一面上形成通道354a，并具有形成在通道354a內的催化層354b；第三基底356，具有絕熱腔356b，絕熱腔356b內形成有鏡面356a。重組部分通過第二基底354的通道354a形成并且具有將甲醇和水生成氫氣和CO2的催化層354b，薄膜加熱器358沿著重組部分設置在催化層354b下面。
盡管在上面的傳統(tǒng)重組器的通道內的加熱器358的設置增加了熱效率，但是這種結構復雜并且由此難于制造，催化層354b限于一部分，降低了重組效率。
圖3中示出了又一傳統(tǒng)的小型重組器400，第2004-066008號日本專利公開了該重組器，該公開通過引用被包含于此。這種傳統(tǒng)技術在兩個基底411和412之間設置了高導熱的鋁導熱部分413(用于非常有效地導熱)，并且在形成在主基底411的內表面中的纖細通道414內設置有反應催化層416。
燃燒催化層417設置在形成在燃燒基底412的內表面中的纖細通道415內，薄膜加熱器423設置在燃燒基底412的外表面上。
在通道415內供給的易燃燃料通過在燃燒催化層417上的燃燒反應燃燒。通過燃燒產生的熱能和來自薄膜加熱器423的加熱的能量結合，來加熱通道414的內部。
因此，減少了向安裝在基底411和412的通道414和415內的反應催化層416供給的熱能損失。
然而，在上述傳統(tǒng)結構中，至少3層薄膜疊置，形成大的重組器。此外，為了向具有高內壓的CO去除器內供給空氣，必須使用大尺寸的供氣泵來供給加壓的空氣。因此，問題在于重組器所需部件的小型化。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明指出了一種基本排除了由于相關技術的限制和缺點引起的一個或多個問題的薄式重組器。
本發(fā)明的一個目的是提供一種薄式重組器，該重組器整體上很薄地形成，從而該重組器能方便地被用在燃料電池等中。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種改進的薄式重組器，該重組器引起CO去除器的內壓下降，從而可使用小尺寸的供氣泵，將整個裝置小型化。
本發(fā)明的其它優(yōu)點、目的和特征將在后面的描述中部分提到，根據下面的描述，對本領域普通技術人員來說將變得清楚，或者可從發(fā)明的實踐中獲知。發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可通過在所寫描述中具體指出的結構和本發(fā)明的權利要求以及附圖而實現(xiàn)并獲知。
為了得到根據發(fā)明目的的這些目的和其它優(yōu)點，如這里實施和主要描述的，提供了一種用于燃料電池的薄式重組器，該重組器包括基底，其中形成有通道；燃料填充部分，用燃料填充通道；重組部分，在基底中的燃料填充部分的一側形成通道，用于通過吸熱反應將燃料轉化為氫氣；CO去除器，在基底中在燃料填充部分的相對側形成通道，用于通過放熱反應從氫氣中去除包含在氫氣中的CO氣體；蓋子，用于覆蓋基底的上部并且從外部將通道密封，其中，燃料填充部分將重組部分的吸熱反應和CO去除器的放熱反應劃分開并且引導重組反應。
將理解的是，本發(fā)明的前面概括性描述和下面的詳細描述都是示例性的和解釋性的，并且意圖提供如權利要求的發(fā)明的進一步理解。


被包含用來提供對發(fā)明的進一步理解并包含在本申請中、構成本申請的一部分的附圖示出了發(fā)明的實施例，并與描述部分一起用來解釋發(fā)明的原理。圖中圖1是根據相關技術的重組器的剖視圖；圖2是根據相關技術的可選結構的重組器的剖視圖；圖3是根據相關技術的具有又一結構的重組器的剖視圖；圖4是根據本發(fā)明的薄式重組器的分解透視圖；圖5A、圖5B和圖5C示出了根據本發(fā)明實施例的薄式重組器的結構，其中，圖5A是平面圖，圖5B是沿著圖5A中的線A-A截取的剖視圖，圖5C是沿著圖5A中的線B-B截取的剖視圖；圖6A、圖6B和圖6C示出了根據本發(fā)明另一實施例的薄式重組器的結構，其中，圖6A是平面圖，圖6B是沿著圖6A中的線C-C截取的剖視圖，圖6C是沿著圖6A中的線D-D截取的剖視圖；圖7是示出在基底的底表面上形成電阻電路圖案的根據本發(fā)明的薄式重組器的加熱構件的平面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將詳細參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中示出了本發(fā)明的示例。
如圖4中所示，根據本發(fā)明實施例的薄式重組器1包括基底10，基底10內形成有通道?；?0可采用硅、金屬、玻璃、陶瓷和耐熱塑料，通過蝕刻基底10的一面來形成齒狀的通道。
即，在基底10的一面上執(zhí)行蝕刻，形成期望結構的齒狀通道。
設置燃料填充部分20，以用燃料填充基底10的通道的內部。如圖4、圖5A、圖5B和圖5C中所示，燃料填充部分20形成在基底10的大約中間的位置。燃料填充部分20的通道22以這樣的方式形成，通過從基底10的一端向另一端延伸的多個分隔墻24，通道22也從基底10的一邊前進到基底10的相對邊。因此，在一個方向上延伸之后，通道22形成為在相反的方向上前進。
為了將液體燃料(甲醇)填充到燃料填充部分20中，在覆蓋基底10的頂部的蓋子100上形成燃料填充孔110，從而液體燃料可被填充到燃料填充部分20中。
在燃料填充部分20的出口端，形成用于加熱液體燃料并將液體燃料轉化為氣態(tài)的蒸發(fā)器30。蒸發(fā)器30蒸發(fā)液體燃料，以使燃料處于用于重組的最佳條件下。用于形成蒸發(fā)器30的蜿蜒通道32的多個分隔墻34不需要在其中形成催化劑。
然而，作為熱源的蒸發(fā)器30包括加熱構件36，加熱構件36以電阻電路圖案形成在基底10的底表面上，以通過基底10加熱基底10的上表面上的蒸發(fā)器30。
另外，在發(fā)明的重組器中，在蒸發(fā)器30的下游端，燃料通過其流動的通道42形成在基底10內；形成重組部分40，以通過吸熱反應將燃料重組為氫氣。重組部分40偏向于基底10的一側并且形成在蒸發(fā)器30的下游端，通道42與蒸發(fā)器30的通道32連接。形成分隔墻44，從而以與蒸發(fā)器30的通道32的蜿蜒形狀相同的形狀形成重組部分40的通道42。
因此，蒸發(fā)器30的通道32和重組部分40的通道42以蜿蜒的Z形且相對于燃料填充部分20的一側沿著燃料填充部分20的通道22的整個長度形成，蒸發(fā)器30和重組部分40形成有多個分隔墻34和44，重組部分40包括用于將重組部分40的通道42內的燃料重組為氣態(tài)氫的催化劑46。在重組部分40中，通過燃料的催化反應，燃料被轉化為大量的重組氣體。使用Cu/ZnO或者Cu/ZnO/Al2O3作為重組部分40的催化劑46。催化劑46可被設置到形成通道42的分隔墻44上。
通過伴隨吸熱的催化轉化，重組部分40將甲醇或其它碳氫燃料轉化為氫氣。該工藝所需的熱源采取形成在基底10的底部上的加熱構件48的方式。重組部分40的加熱構件48以電阻電路的圖案形成在基底10的底表面上，并且加熱構件48通過基底10加熱基底10的頂部的重組部分40。重組部分40的加熱構件48可與蒸發(fā)器30的加熱構件36以單一電阻電路圖案一體地形成。
同樣，重組部分40的加熱構件48形成在基底10的下表面上，并且通過基底10使重組部分40保持在預定溫度下，優(yōu)選地，保持在250-290℃之間的溫度下。
此外，在本發(fā)明中，CO去除器60形成在基底10的重組部分40的下游端，CO去除器60從由重組部分40產生的重組氣體中去除CO。
CO去除器60在基底10內的燃料填充部分20的相對端上形成通道，并且通過放熱反應去除包含在氫氣中的CO氣體。
重組部分40向CO去除器60供給包括氫氣、一氧化碳和二氧化碳的重組氣體，所述氣體通過通道的端部的較窄的連接部分50供給。連接部分50沿著基底10的邊緣延伸，具有比連接部分50的通道尺寸大的通道尺寸的通道擴展部分54設置在CO去除器60的入口處。
包括氫氣、一氧化碳和二氧化碳的重組氣體首先穿過較窄的連接部分50，接著被排放到較寬廣的通道擴展部分54，當重組氣體流向CO去除器60時引起壓力下降。
CO去除器60通過多個分隔墻64形成通道62。在通道62的入口端，或者在通道擴展部分54處，在覆蓋基底10的頂部的蓋子100上形成空氣進入孔112。
用于去除由重組部分40產生的CO氣體的催化劑66被涂覆在通道62內。
當重組氣體進入CO去除器60并與氧氣反應以去除CO時，在CO去除器60中使用的催化劑可為Pt、Pt/Ru和Cu/CeO/Al2O3中的一種。
通過伴隨放熱反應的催化轉化，CO去除器60將CO(對人類有害)轉化為CO2(對人類無害)。這個過程所需的熱源是CO去除器60的加熱構件68，該熱源形成在基底10的底表面上。
CO去除器60的加熱構件68以電阻電路圖案的形式在基底10的底部上被圖案化，并且通過基底10加熱基底10的頂部上的CO去除器60。
CO去除器60的這種加熱構件68以電阻電路圖案形成，并且通過適當?shù)碾娫醇捌淇刂?，將CO去除器60保持在預定溫度下，優(yōu)選地保持在170-200℃的溫度下。
蓋子100也包含在本發(fā)明中，蓋子100覆蓋基底10的頂部并且從外部將內部通道22、32、42和62密封。蓋子100可使用與基底10的材料相同的材料，例如，可使用硅、金屬、玻璃、陶瓷和耐熱塑料，并且可通過與基底10的頂表面結合而與之一體。
這種蓋子100可形成與燃料填充部分20的通道22、蒸發(fā)器30的通道32、重組部分40的通道42以及CO去除器60的通道62對應的凹進的通道，從而可擴展由基底10和蓋子100形成的通道的內部體積。
當蓋子100與基底10一體地結合時，在CO去除器60的通道62的出口附近，蓋子100形成重組氣體排放口114。即，包括氫氣和CO2的重組氣體從CO去除器60排放到基底10的外部。
因此，蓋子100在燃料填充部分20的位置處形成燃料填充孔110，在CO去除器60的入口的通道擴展部分54的位置處形成空氣進入孔，在CO去除器60的出口端形成重組氣體排放口114，從而液體燃料被重組為包括被排放的氫氣和CO2的重組氣體。
根據本發(fā)明的薄式重組器1通過燃料填充孔110填充液體燃料，液體燃料穿過燃料填充部分20進入由基底10和蓋子100形成的內部通道22中。因為這種液體燃料一般流過基底10的中間部分，所以所述液體燃料將在基底10的一側設置的重組部分40以及在基底10的另一側設置的CO去除器60劃分開。
穿過燃料填充部分20的這種液體燃料進入蒸發(fā)器30并且在重組所需的250-290℃的溫度下蒸發(fā)。
接著，蒸發(fā)的燃料進入形成在蒸發(fā)器30的下游端的重組部分40，并且在250-290℃的溫度下經歷伴隨吸熱的催化轉化，在此處產生包括氫氣、CO和CO2的重組氣體。
該重組氣體穿過通道的窄連接部分50并且向下游流到CO去除器60。在這個過程中，高溫、高壓的重組氣體穿過窄連接部分50，并且當重組氣體進入突然變寬的CO去除器60的通道擴展部分54時減壓，使得通道擴展部分54中的氣壓大大低于重組部分40中的氣壓。
接著，重組氣體穿過通道寬展部分54上方的蓋子100的空氣進入孔，當空氣進入時，重組氣體穿過CO去除器60。
在CO去除器60中，在170-200℃的溫度下與選擇性氧化的催化轉化一起發(fā)生放熱，將重組氣體中的CO轉化為CO2，從而使之對人類無害。
在這種狀態(tài)下，當重組氣體穿過CO去除器60時，產生包括氫氣和CO2的重組氣體，重組氣體通過蓋子100中的重組氣體排放口114排放。
在本發(fā)明中，在上述工藝中在室溫下通過其添加液體甲醇燃料的燃料填充部分20形成在重組部分40和CO去除器60的中間。因為沒有安裝分開的加熱器或者催化劑加熱器，所以由液體燃料吸收從重組部分40傳導的250-290℃的熱和從CO去除器60傳導的170-200℃的熱。因此，燃料填充部分20可將重組部分40和CO去除器60的溫度明顯地分開。
CO去除器60中的氧化所需的空氣必須從外部供給，在這種情況下，用于通過蓋子100中的空氣進入孔112供給空氣的泵(未示出)可為小容量的小型泵。即，因為重組氣體通過具有小橫截面積的連接部分50從重組部分40運動到CO去除器60的通道擴展部分54，所以在通道擴展部分54處的內壓下降導致通道擴展部分54中的壓力大大低于重組部分40中的壓力，所以外部空氣可容易地通過空氣進入孔112進入。
因此，與現(xiàn)有技術相比，將空氣供給到空氣進入孔112的泵可較小。
圖6示出了根據本發(fā)明另一實施例的薄式重組器1′的結構。
當與圖5中示出的薄式重組器1相比較時，根據可選實施例的該薄式重組器1′具有重組部分40的放大通道42和CO去除器60的放大通道62。另外，重組部分40的催化劑46′和CO去除器60的催化劑66′不通過涂覆等形成在通道42的分隔墻44和通道62的分隔墻64上，而是用顆粒填充，燃料和氣體在顆粒之間流動。
具體地講，用于重組部分40中的催化劑46′的由Cu/ZnO或者Cu/ZnO/Al2O3制成的顆?？杀惶畛湓谥亟M部分40的通道42內。
這里，所述顆?？梢砸赃@樣的尺寸形成，該尺寸防止所述顆粒通過重組部分40前面的蒸發(fā)器30或者重組部分40后面的連接部分50溢出。
另外，在CO去除器60中使用的催化劑66′可采用由Pt、Pt/Ru和Cu/CeO/Al2O3中的一種形成的顆粒的形式。
在CO去除器60中的催化劑顆粒66′可以以這樣的尺寸形成，該尺寸防止所述催化劑顆粒從CO去除器60的入口處的通道擴展部分54或者CO去除器60的出口處的重組氣體排放孔114溢出。
另外，與基底10結合并覆蓋基底10的蓋子100可形成與燃料填充部分20的通道22、蒸發(fā)器30的通道32、重組器40的通道42和CO去除器60的通道62對應的凹進的通道，從而擴大了由基底10和蓋子100形成的通道22、32、42和62的內部體積。
在根據本發(fā)明可選實施例的薄式重組器1′中，熱且高壓的重組氣體從連接重組部分40和CO去除器60的窄連接部分50傳遞到通道擴展部分54，以有效地降低壓力。因此，在本實施例中，向空氣進入孔112供給空氣的泵的容量不需太大，可為小型泵。
與圖4和圖5中示出的薄式重組器1相比，根據本發(fā)明可選實施例的薄式重組器1在用于基底10的材料方面大體相同，并且在燃料填充部分20、蒸發(fā)器30、重組部分40、CO去除器60和加熱構件的位置方面大體相同，所以兩個重組器具有相似的功能。
盡管根據本發(fā)明可選實施例的薄式重組器1′與圖4和圖5中示出的薄式重組器1不同，但是所述顆粒使得在催化劑46′和66′的位置或形狀方面更自由，因此其形成更簡單。
根據本發(fā)明的薄式重組器在單一基底上的重組部分和CO去除器之間設置了燃料填充部分，以阻隔重組部分和CO去除器之間的熱，以產生兩個單獨的溫度區(qū)域，并且增加用于各個溫度區(qū)域的反應效率。
另外，通道形成在其中的基底和覆蓋通道的蓋子允許在基底的單一表面上順序地執(zhí)行燃料填充、蒸發(fā)、重組和CO去除，以使重組器的外形小。
另外，從重組部分向CO去除器移動的重組氣體從具有小橫截面積的通道的一部分運動到具有較大橫截面積的通道擴展部分，使得CO去除器的通道擴展部分的內壓下降，使得能夠使用小尺寸的供氣泵。因此，可減小重組器所需的總體積。
本領域的技術人員將清楚的是，可對本發(fā)明作各種修改和變型。因此，意圖是本發(fā)明覆蓋落入權利要求及其等同物的范圍內的本發(fā)明的修改和變型。
權利要求
1.一種用于燃料電池的薄式重組器，包括基底，其中形成有通道；燃料填充部分，用燃料填充所述通道；重組部分，在所述基底中的所述燃料填充部分的一側形成通道，用于通過吸熱反應將所述燃料重組為氫氣；一氧化碳去除器，在所述基底中的所述燃料填充部分的相對側形成通道，用于通過放熱反應從所述氫氣中去除包含在所述氫氣中的一氧化碳氣體；蓋子，用于覆蓋所述基底的上部并且從外部將所述通道密封，其中，所述燃料填充部分將所述重組部分的所述吸熱反應和所述一氧化碳去除器的所述放熱反應劃分開并且引導重組反應。
2.如權利要求1所述的重組器，其中，所述重組部分通過連接部分與所述一氧化碳去除器的通道擴展部分連接，所述連接部分具有小于所述通道擴展部分的橫截面積的橫截面積。
3.如權利要求1所述的重組器，其中，所述燃料填充部分形成在所述基底的大約中間位置，包括形成從所述基底的一邊到相對邊的通道的多個分隔墻，并且引導液體燃料從所述基底的一邊流向所述基底的相對邊，接著，在相反方向上流動。
4.如權利要求1所述的重組器，還包括形成在所述燃料填充部分的出口端和所述重組部分之間的蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器用于加熱并蒸發(fā)液體燃料且被形成在所述基底的下表面上的加熱構件加熱。
5.如權利要求4所述的重組器，其中，所述蒸發(fā)器包括形成蜿蜒的通道的多個分隔墻。
6.如權利要求4所述的重組器，其中，所述重組部分的通道以與所述蒸發(fā)器相似的蜿蜒形狀形成，并且包含形成在所述重組部分的分隔墻上的催化劑Cu/ZnO或者Cu/ZnO/Al2O3。
7.如權利要求4所述的重組器，其中，所述重組部分的通道以比所述蒸發(fā)器大且與所述蒸發(fā)器的形狀不同的蜿蜒形狀形成，并且包括由填充在其中的Cu/ZnO或Cu/ZnO/Al2O3形成的顆粒催化劑。
8.如權利要求6或權利要求7所述的重組器，其中，所述重組部分的加熱構件在所述基底的底表面上以電阻電路圖案形成并且通過所述基底加熱所述基底上方的所述重組部分。
9.如權利要求1所述的重組器，其中，所述一氧化碳去除器通過多個分隔墻形成通道，所述分隔墻用由Pt、Pt/Ru和Cu/CeO/Al2O3之一形成的催化劑涂覆。
10.如權利要求1所述的重組器，其中，所述一氧化碳去除器通過多個分隔墻形成通道，一氧化碳去除器形成的通道用由Pt、Pt/Ru和Cu/CeO/Al2O3之一形成的顆粒催化劑填充。
11.如權利要求9或權利要求10所述的重組器，其中，所述一氧化碳去除器的加熱構件在所述基底的下表面上以電阻電路圖案形成，并且通過所述基底加熱所述一氧化碳去除器。
12.如權利要求1或權利要求2所述的重組器，其中，所述蓋子形成與所述燃料填充部分、所述蒸發(fā)器、所述重組部分和所述一氧化碳去除器的通道對應的凹進通道，所述凹進通道增加了由所述基底和所述蓋子形成的通道的內部體積。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于燃料電池的薄式重組器，該重組器包括基底、燃料填充部分、重組部分、CO去除器和蓋子。基底中形成有通道。燃料填充部分用燃料填充通道。重組部分在基底中的燃料填充部分的一側形成通道，CO去除器在基底中的燃料填充部分的相對側形成通道。蓋子覆蓋基底并密封通道。燃料填充部分將重組部分的吸熱反應和CO去除器的放熱反應劃分開，并且引導重組反應。重組部分和CO去除器的反應效率大大增加。因為由于CO去除器中的壓力下降導致可使用小型的供氣泵，所以可將整個裝置小型化。
文檔編號H01M8/06GK1921209SQ20061010789
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月27日 優(yōu)先權日2005年8月24日
發(fā)明者黃元載, 金相鎮(zhèn) 申請人:三星電機株式會社