专利名称：环状燃料处理器和方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术。具体而言，本发明涉及产生氲气且适 用于便携应用情况中的燃料处理器。
背景技术：
燃料电池电化学地结合氢气和氧气以产生电。环境空气易于供应 氧气。然而，氢气的提供需要实用的供应装置。气态氢具有低能量密 度，由此降低了作为便携式燃料的可操作性。具有适当能量密度的液 态氢必须在极低的温度和高压条件下进行储存，这使得液态氢的储存 和运输4艮麻烦。
重整氢气供应装置通过对燃料源进行处理以产生氢气。燃料源用 作氢气载体。目前可得的烃燃料源包括曱醇、乙醇、汽油、丙烷和天 然气。液态烃燃料源提供了高能量密度和易于储存和输运的能力。燃 料处理器对经燃料进行重整以产生氢气。
燃料电池的发展迄今已集中于大规模应用情况如用于电源备用设 备的工业尺寸的发电机。消费电子产品和其它便携式电源应用当前依 赖于锂离子电池和类似的电池技术。用于便携应用情况如电子装置的 燃料处理器是所希望的但在商业上还无法获得。此外，减少燃料处理 器尺寸或增加燃料处理器效率的技术将是高度有益的。
发明内容
本方面涉及一种由燃料源产生氢气的燃料处理器。所述燃料处理器 包括重整器和燃烧器。所述重整器包括有利于由所述燃料源产生氢气 的催化剂。提供增加了可用于重整器中的催化剂的量且增加了对于给 定燃料处理器尺寸的氢气输出的大容积重整器室设计。所述燃烧器将 热量提供给所述重整器。 一个或多个燃烧器可被构造以在多条边上围
4绕重整器从而增加向所述重整器进行的热传递。
还描述了通过减少热损失且增加燃烧器效率而改进燃料处理器的
热管理的杜瓦容器(dewar)。杜瓦容器包括在反应器接收入口过程气 体或液体之前接收它们的一个或多个杜瓦容器室。所述杜瓦容器被布 置以使得通过所述杜瓦容器室的入口过程气体或液体在热量逸出所述 燃料处理器之前截断所述燃烧器中产生的热量。使入口过程气体或液 体以这种方式通过杜瓦容器室执行了三种功能a)在燃烧器中产生的 热量到达所述燃料处理器外部之前主动冷却并消散热量，和b )在空气 由所述燃烧器接收之前加热空气，和c)吸收热量和使热量再循环回入 燃烧器内以增加燃烧器的效率。当所述燃烧器依靠催化燃烧产生热量 时，所述燃烧器中产生的热量根据所述过程气体或液体的温度使所述 燃烧器中的冷却过程气体变暖。这从所述重整器中窃取了热量、減少 了燃烧器的加热效率且通常导致更大量地消耗所述燃料源。所述杜瓦 容器因此在引入过程气体或液体到达燃烧器之前对其进行预热以使得 所述燃烧器使更少的热量到达所述过程气体或液体，所述热量要不然 将传递至所述重整器。
在一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氢气的燃料处理 器。所述燃料处理器包括被构造以接收所述燃料源、被构造以输出氢 气且包括有利于产生氢气的催化剂的重整器。所述燃料处理器还包括 被构造以在所述重整器接收所述燃料源之前加热所述燃料源的煮沸 器。所述燃料处理器进一步包括被构造以将热量提供给所述重整器且 环状地设置在所述重整器周围的至少一个燃烧器。所述燃料处理器还 可包括加热所述燃烧器的供给液体燃料的煮沸器。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氢气的燃料处 理器。所述燃料处理器包括被构造以接收所述燃料源、被构造以输出 氢气且包括有利于产生氢气的催化剂的重整器。所述重整器还包括具 有大于约0. 1立方厘米且小于约50立方厘米的容积的重整器室且特征
在于横截面宽度和大于三分之一所述横截面宽度的横截面高度。所述 燃料处理器还包括被构造以在所述重整器接收所述燃料源之前加热所 述燃料源的煮沸器。所述燃料处理器进一步包括被构造以将热量提供 给所述重整器的至少一个燃烧器。
在又一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氢气的燃料处理器。所述燃料处理器包括被构造以接收所述氢燃料源、被构造以输 出氢气且包括有利于产生氢气的催化剂的重整器。所述燃料处理器还 包括被构造以将热量提供给所述重整器的燃烧器。所述燃料处理器进 一步包括至少部分地包含所述重整器和所述燃烧器且包括形成被构造 以在所述燃烧器接收入口过程气体或液体之前接收所述入口过程气体 或液体的杜瓦容器室的一组杜瓦容器壁。所述燃料处理器附加地包括 壳体，所述壳体包括至少部分地包含所述杜瓦容器且为所述重整器和 所述燃烧器提供外部机械保护的一组壳壁。
在再一个方面中，本发明涉及一种用于管理燃料处理器中的热量的 方法。所述燃料处理器包括燃烧器、重整器和至少部分地包含所述燃 烧器的杜瓦容器。所述方法包括在所述燃烧器中产生热量。所述方法 还包括使入口过程气体或液体通过杜瓦容器室。所述方法进一步包括 使用所述燃烧器中产生的热量加热所述杜瓦容器室中的所述入口过程 气体或液体。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于在燃料处理器中产生氢气的 方法。所述燃料处理器包括燃烧器、重整器和至少部分地包含所述燃 烧器和所述重整器的杜瓦容器。所述方法包括在所述燃烧器中产生热 量。所述方法还包括使入口过程气体或液体通过杜瓦容器室。所述方 法进一步包括使用所述燃烧器中产生的热量加热所述杜瓦容器室中的 所述入口过程气体或液体。所述方法附加地包括在所述入口过程气体 或液体已经在所述杜瓦容器室中受热之后将其供应至所述燃烧器。所 述方法还包括将所述燃烧器中产生的热量传递至所述重整器。所述方 法进一步包括对燃料源进行重整以产生氢气。
在一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氢气的燃料处理 器。所述燃料处理器包括重整器，所述重整器包括设置在第一基板中 的一组重整器通道。所述重整器还包括有利于由所述燃料源产生氢气 的重整器催化剂。所述燃料处理器进一步包括煮沸器，所述煮沸器包 括设置在第二基板中的一组通道且被构造以在所述重整器接收所述重 整器之前加热所述燃料源。所述燃料处理器还包括被构造以将热量提 I供给所述重整器且被构造以将热量提供给所述煮沸器的燃烧器。所述 燃料处理器附加地包括浮皮构造以通过施加穿过一部分所述第一基板和 一部分所述笫二基板的柔顺紧固力以保持所述重整器和所述煮沸器在所述燃料处理器内的位置的塢部。
在另一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氬气的燃料处 理器。所述燃料处理器包括重整器，所述重整器包括设置在第一基板 中的一组重整器通道。所述重整器还包括有利于由所述燃料源产生氢 气的重整器催化剂。所述燃料处理器进一步包括煮沸器，所述煮沸器 包括设置在第二基板中的一组通道且被构造以在所述重整器接收所述 燃料源之前加热所述燃料源。所述燃料处理器还包括催化燃烧器，所 述催化燃烧器包括有利于使用所述燃料源产生热量的催化剂、被构造 以将热量提供给所述第一基板和所述第二基板且包括设置在所述第一 基板和所述第二基板中的一个中的一组通道。
在又一个方面中，本发明涉及一种用于由燃料源产生氢气的燃料处 理器。所述燃料处理器包括重整器，所述重整器包括设置在第一基板 中的一组重整器通道。所述重整器还包括有利于由所述燃料源产生氢 气的重整器催化剂。所述燃料处理器进一步包括被构造以将热量提供 给所述重整器的燃烧器.所述燃料处理器还包括包含所述重整器和所 述燃烧器的杜瓦容器且包括形成被构造以在所述重整器接收所述燃料 源或氧气之前接收所述燃料源或氧气的杜瓦容器室的一组杜瓦容器 壁。
在本发明的下列描述和相关附图中将对本发明的这些以及其它特 征和优点进行描述。
图1A示出了根据本发明的一个实施例的用于产生电能的燃料电池 系统；
图1B示出了根据本发明的一个具体实施例的图1A所示的燃料电池 系统的示意操作；
图1C示出了使氢气从燃料电池的阳极排出口按路线移动至燃料处 理器中的燃烧器的图1A所示的燃料电池系统的一个实施例；
图2A示出了根据本发明的一个实施例的用于图1A所示的燃料电池 系统中的燃料处理器的侧剖视图2B示出了沿燃料处理器的中平面截取的用于图1A所示的燃料电 池系统中的燃料处理器的前剖视图；图3A示出了根据本发明的一个实施例的图2A所示的燃料处理器中 采用的整体式结构的前剖视图3B示出了根据本发明的另一个实施例的用于燃料处理器中的管 状设计的横截面布置图3C示出了根据本发明的一个实施例的燃料处理器中的整体式结 构的前剖视图，所述整体式结构包括具有"0形，，的单个燃烧器，所述 单个燃烧器完全围绕重整器室；
图3D示出了图2A所示的燃料处理器中使用的端板的外视图3E示出了根据本发明的另一个实施例的燃料处理器15;
图4A示出了图2A所示的燃料处理器的侧剖视图和由根据本发明的 一个实施例的杜瓦容器产生的空气移动；
图4B示出了图2A所示的燃料处理器的前剖视图且证实了杜瓦容器
获得的热管理优点；
图4C示出了由用于图2A所示的燃料处理器中的杜瓦容器壁产生的 热路径的热图4D示出了根据本发明的另 一个实施例的增加了空气流过杜瓦容 器壁的对流路径的燃料处理器的剖视图4E示出了根据本发明的另一个实施例的杜瓦容器；
图4F和图4G示出了根据本发明的另一个实施例的包括整体式结构
和多通道杜瓦容器的燃料处理器的剖视图4H示出了根据本发明的另 一个实施例的在初始构造过程中处于
展开形式的螺旋杜瓦容器；
图41和图4J示出了根据本发明的两个实施例的燃烧器壁部上的载
体涂层(wash coating);
图5示出了用于在根据本发明的一个实施例的燃料处理器中产生
氢气的工艺流程；
图6A示出了根据本发明的一个实施例的燃料处理器的顶视图； 图6B示出了沿线K-K截取的图6A所示的燃料处理器的侧剖视图； 图6C示出了沿线L-L截取的图6A所示的燃料处理器的侧剖视图； 图6D示出了沿线A-A截取的图6A所示的燃料处理器的侧剖视图； 图6E示出了沿线M-M截取的图6A所示的燃料处理器的侧剖视图； 图6F示出了沿线N-N截取的图6A所示的燃料处理器的侧剖视图；图6G示出了沿线B-B截取的图6A所示的燃料处理器的前剖视图； 图6H示出了沿线C-C截取的图6A所示的燃料处理器的前剖视图； 图61示出了沿线D-D截取的图6A所示的燃料处理器的前剖视和
图6J示出了图6G所示的一部分的放大图。
具体实施例方式
结合附图中示出的多个优选实施例对本发明进行详细描述。在下面 的描述中，为了帮助对本发明的全面的理解，披露了很多具体的细节。 然而，对于本领域技术人员来说，很明显的是，没有某些或全部的具 体细节也能够实施本发明。在其它的例子中，为了避免不必要地模糊 了本发明，对于公知的过程步骤和/或结构没有进行详细描述。
图1A示出了根据本发明的一个实施例的用于产生电能的燃料电池 系统10。燃料电池系统10包括储存装置16、燃料处理器15和燃料电 池20。
"重整"氢气供应装置对燃料源进行处理以产生氢气。如图所示， 重整氢气供应装置包括燃料处理器15和燃料源储存装置16。储存装置 16储存燃料源17，且可包括便携和/或可处置的燃料筒。可处置的筒 为使用者提供了瞬间再填充的功能。在一个实施例中，筒包括在硬塑 料分配器套壳内的可伸缩嚢。单独的燃料泵通常控制来自储存装置16 的燃料源17流。如果系统10是负载跟踪的，那么控制系统计量燃料 源17以便以由燃料电池20的所需功率水平输出确定的流速将燃料源 17输送至处理器15。
燃料源17用作氢气的载体且可受到处理以分离氢气。燃料源17可 包括任何栽氢燃料流、烃燃料或其它氢燃料源如氨。适于与本发明一起 使用的目前可得的烃燃料源17例如包括汽油、d至Q烃、其氧化类似 物和/或其组合.多种烃和氨产品也可产生适当的燃料源17。液体燃料 源17提供了高能量密度和易于储存和运输的能力。储存装皇16可包含 燃料混合物。当燃料处理器15包括蒸汽重整器时，储存装置16可包含 烃燃料源和水的燃料混合物。烃燃料源/水燃料混合物通常被示作水中 的百分比燃料源。在一个实施例中，燃料源17包括水中的浓度在1°/。至 99. 9%的范围内的甲醇或乙醇。其它液体燃料如丁烷、丙烷、汽油、军
9用级"JP8"等也可被包含在储存装置16中且水中浓度在5至100%的范 围内。在具体实施例中，燃料源17包括体积百分比为67%的甲醇。
燃料处理器15对烃燃料源17进行处理并输出氢气。烃燃料处理器 15在存在催化剂的情况下加热和处理烃燃料源17以产生氢气。燃料处 理器15包括重整器，所述重整器是将液体或气体烃燃料源17转化成 氢气和二氧化碳的催化装置。当在此使用该术语时，重整指的是由燃 料源产生氢气的过程。燃料处理器15可输出纯氢气或载氢气体流。下 面对燃料处理器15进行进一步详细地描述。
燃料电池20将氢气和氧气电化学地转化成水且在该过程中产生电 和热量。环境空气通常为燃料电池20供应氧气。纯或直接氧气源也可 用于进行氧气供应。水通常形成蒸汽，这取决于燃料电池20部件的温 度。对于很多燃料电池而言，电化学反应还会产生二氧化碳作为副产 物。
在一个实施例中，燃料电池20是适于与便携应用情况如消费者用 电子装置一起使用的低容积聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。聚合物 电解质膜燃料电池包括实施产生电能的电化学反应的膜电极组件40。 膜电极组件40包括氢催化剂、氧催化剂和离子传导膜，所述离子传导 膜a)选择性地传导质子和b)使氢催化剂与氧催化剂电隔离开来。氢 气分配层包含氢催化剂且允许氢气扩散通过其中。氧气分配层包含氧 催化剂且允许氧气和氢质子扩散通过其中。离子传导膜使氢气和氧气 分配层分离开来。在化学术语中，阳极包括氢气分配层和氢催化剂， 而阴极包括氧气分配层和氧催化剂。
聚合物电解质膜燃料电池通常包括具有 一组双极板的燃料电池堆。 膜电极组件被设置在两块双极板之间。氢气分配43通过一块板上的通 道区域发生，而氧气分配45通过第二块对向板上的通道区域发生。具 体而言，第一通道区域将氢气分配至氢气分配层，而第二通道区域将氧 气分配至氧气分配层。术语"双极"在电学上指的是夹在两个膜电极组 件层之间的双极板(无论包括一块板或两块板)。在这种情况下，双极 板用作一个相邻膜电极组件的负极端子和布置在双极板的相对面上的 第二个相邻膜电极组件的正极端子。
在电学术语中，阳极包括氢气分配层、氢催化剂和双极板。阳极用 作燃料电池20的负电极且传导由氢气分子释放的电子以使得它们可在外部使用如为外部电路供电。在燃料电池堆中，双极板串连连接以累 加堆的每层中获得的电位。在电学术语中，阴极包括氧气分配层、氧
催化剂和双极板。阴极表示燃料电池20的正电极且将电子从外部电路 传导回氧催化剂，在所述氧催化剂处电子可与氢离子和氧气重新结合 以形成水。
氢催化剂将氢气分离成质子和电子。离子传导膜阻挡电子，且使化 学阳极(氢气分配层和氢催化剂)与化学阴极电隔离开来。离子传导膜 还选择性地传导带正电的离子。阳极将电子电传导至负载(产生电)或 电池(储存能量)。同时，质子移动通过离子传导膜以与氧气结合。质 子和使用过的电子随后在阴极侧上相遇且与氧气结合以形成水。氧气分 配层中的氧催化剂有利于该反应。 一种普遍的氧催化剂包括极薄地涂覆 到碳纸或布上的铂粉末。多种设计采用粗糙和多孔的催化剂以增加暴露
于氢气和氧气的铂的表面积。
在一个实施例中，燃料电池20包括一組双极板，所述双极板分别 包括在相对面上的分配氢气和氧气的通道区域。 一条通道区域分配氢 气而相对面上的通道区域分配氧气。多块双极板可叠置以产生"燃料 电池堆"，其中膜电极組件被设置在每对相邻双极板之间。由于燃料 电池20中的生电过程^放热的，因此燃料电池20可实施热管理系统 以消散来自燃料电池的热量。燃料电池20还可采用多个湿化板(HP) 以管理燃料电池中的湿气水平。在题目为"微燃料电池构造"且命名 Ian Kaye为发明人且于与本专利申请相同的日期申请的共同所有的共同待审的专利申请中包括对适于与本发明一起使用的燃料电池的进一 步描述。该申请由此被引入以供参考。
尽管将结合聚合物电解质膜燃料电池对本发明进行主要描述，但应 该理解可通过其它燃料电池构造实施本发明。燃料电池构造之间的主 要差别在于所用离子传导膜的类型。在一个实施例中，燃料电池20是 采用液体磷酸进行离子交换的磷酸燃料电池。固体氧化物燃料电池采 用硬的无孔陶瓷化合物以进行离子交换且可适于与本发明 一起使用。 通常，任何燃料电池构造可受益于在此所述的燃料处理器改进。其它 这种燃料电池构造包括直接曱醇、碱性和熔融碳酸盐燃料电池。
燃料电池20产生可用于多种应用情况中的直流电压。例如，由燃 料电池20产生的电可用以为马达或灯供电。在一个实施例中，本发明提供了被设计以输出小于200瓦的功率(净或总)的"小"燃料电池。 这种尺寸的燃料电池普遍被称作"微燃料电池"且很适于与便携电子 装置一起使用。在一个实施例中，燃料电池20被构造以产生约1亳瓦 至约200瓦的功率。在另一个实施例中，燃料电池20产生约3瓦至约 20瓦的功率。燃料电池20还可以是独立的燃料电池，所述燃料电池是 产生动力的单个单元，只要其具有a)氧气和b)氢气或烃燃料供应装 置。输出约40瓦至约100瓦的燃料电池20非常适于为膝上型计算机 供电。
图1B示出了根据本发明的具体实施例的燃料电池系统10的示意操 作。如图所示，燃料电池系统10包括燃料容器16、氢燃料源17、燃 料处理器15、燃料电池20、多泵21和风机35、燃料管线和气体管线 和一个或多个阀23。尽管现在将结合作为燃料源17的曱醇对本发明进 行主要描述，但应该理解本发明可采用另一种燃料源17如上面提供的 一种燃料源。
燃料容器16储存曱醇作为氢燃料源17。燃料容器16的出口 26提 供曱醇17进入氢燃料管线25。如图所示，管线25分成两条管线将 曱醇17输运至燃料处理器15的燃烧器30的第一管线17和将曱醇17 输运至燃料处理器15中的重整器32的第二管线29。管线25、 27和 29例如可包括塑料管道系统。分别为管线27和29提供了单独的泵21a 和21b以对管线进行加压且如果需要则以独立的速度传送燃料源。由 Plymouth Meeting, PA的Instech提供的型号为P625的泵适于传送用 于系统10的液体曱醇且适用于本实施例中。位于储存装置16与燃料 处理器18之间的管线29上的流量传感器或阀23检测且传达在储存装 置16与重整器32之间传递的曱醇17的量。结合传感器或阀23和适 当控制如由执行来自储存软件的指令的处理器施加的数字控制，泵21b 调节储存装置16对重整器32的曱醇17供应。
风机35a将氧气和空气从环境空间输送通过管线31到达燃料处理 器15的再生器36。风机35b将氧气和空气从环境空间输送通过管线 33到达燃料处理器15的再生器36。在本实施例中，由California的 Adda USA提供的型号为AD2005DX-K70的风机适于传送用于燃料电池系 统10的氧气和空气。风机37将冷却空气吹过燃料电池20及其传热附 件46。燃料处理器15接收来自储存装置16的曱醇17且输出氢气。燃料 处理器15包括燃烧器30、重整器32、煮沸器34和杜瓦容器150。燃 烧器30包括接收来自管线27的曱醇17的入口和在存在曱醇的情况下 产生热量的催化剂。在一个实施例中，燃烧器30包括将加热气体排出 至管线41的出口，所述管线将加热气体传送过燃料电池20的传热附 件46以对燃料电池进行预热且加快了当初始开启燃料电池20时需要 的预热时间。燃烧器30的出口还可将加热气体排出进入环境空间内。
煮沸器34包括接收来自管线29的甲醇17的入口。煮沸器34的结 构允许燃烧器30中产生的热量在重整器32接收甲醇17之前加热煮沸 器34中的曱醇17。煮沸器34包括将加热曱醇17提供给重整器32的 出口。
重整器32包括接收来自煮沸器34的加热曱醇17的入口。重整器 32中的催化剂与曱醇17反应且产生氢气和二氧化碳。该反应是略微吸 热的且从燃烧器30中吸取热量。重整器32的氢气出口将氢气输出至 管线39。在一个实施例中，燃料处理器15还包括截断重整器32的排 出氢且减少排出物中的一氧化碳量的优先氧化器。优先氧化器采用从 空气入口到达优先氧化器的氧气和对于一氧化碳比二氧化碳更优先的 例如基于钌或柏的催化剂。
杜瓦容器150在空气进入燃烧器30之前对过程气体或液体进行预 热。杜瓦容器150还通过在热量逸出燃料处理器15之前加热引入过程 液体或气体而减少来自燃料电池15的热损失。在一种意义上，杜瓦容 器150用作使用燃料处理器15中的废热以增加燃料处理器的热管理和 热效率的再生器。具体而言，来自煮沸器30的废热可用以对提供给燃 烧器30的引入空气进行预热从而减少传递至燃烧器中的空气的热量， 以使得更多的热量传递至重整器32。下面对杜瓦容器150进行进一步 详细地描述。
管线39将氢气从燃料处理器15输运至燃料电池20。气体输送管 线31、 33、 39例如可包括聚合物或金属管道系统。还可将氬气流量传 感器(未示出)添加在管线39上以检测和传达输送至燃料电池20的 氢气量。结合氢气流量传感器和适当控制如由执行来自储存软件的指 令的处理器施加的数字控制，燃料处理器15调节燃料电池20的氢气 提供。燃料电池20包括接收来自管线39的氢气且将其输送至氢气进气歧 管从而输送至一个或多个双极板及其氢气分配通道的氢气进入口 。燃 料电池20的氧气进入口接收来自管线33的氧气并将其输送至氧气进 气歧管以便输送至一个或多个双极板及其氧气分配通道。阳极排气歧 管收集来自氢气分配通道的气体且将它们输送至阳极排气口 ，所述阳 极排气口将排出气体排出并使其进入环境空间。阴极排气歧管收集来
自氧气分配通道的气体且将它们输送至阴极排气口 。
图1B所示的燃料电池系统10的示意操作是典型的且预期了燃料电 池系统设计如反应物和副产物管道设备的其它变型。除了图1B所示的 部件之外，系统IO还可包括本领域的技术人员已公知的且为了简要而 在此省略的有助于实现系统10的功能的其它元件，如电子控制装置、 附加泵和阀、增加的系统传感器、歧管、热交换器和电动内部连线装 置。
图1C示出了使未使用的氢气从燃料电池20按路线移动回燃烧器 30的燃料系统10的实施例。燃烧器30包括与未使用的氬气反应以产 生热量的催化剂。由于燃料电池20内的氢气消耗过程通常是不完全的 且阳极排出物通常包括未使用的氢气，因此使阳极排出物改变路线到 达燃烧器30允许燃料电池系统IO利用燃料电池20中的未使用氢气且 增加系统10中的氩气使用率和效率。正如在此使用的术语，未使用的 氢气通常指的是由燃料电池输出的氢气.
管线51被构造以将未使用的氢气从燃料电池20传送至燃料处理器 15的燃烧器30。对于图1C，燃烧器30包括两个入口被构造以接收 氬燃料源17的入口 55和被构造以接收来自管线51的氢气。将氢气从 燃料处理器15分配至每个膜电极组件层的阳极气体收集通道收集和排 出未使用的氢气。入口风机对将氢气从燃料处理器15的出口输送至燃 料电池20的阳极入口的管线39进行加压。入口风机还对阳极气体收 集通道进行加压以分配燃料电池20内的氢气。在一个实施例中，在管 线51中进行的将气体输送回燃料处理器15的过程取决于阳极气体分 配通道的排出口处例如阳极排气歧管中的压力。在另一个实施例中， 额外的风机被添加至管线51以对管线51进行加压并使未使用的氪气 返回燃料处理器15。
燃烧器30还包括被构造以接收来自燃料电池20中包括的氧气排出装置的氧气的入口 59。将来自环境空间的氧气和空气分配至每个膜电 极组件层的阴极气体收集通道收集且排出未使用的氢气。管线61将未 使用的氧气从收集来自每条阴极气体收集通道的氧气的排气歧管输送 至入口 59。燃烧器30因此包括两个氧气入口入口 59和被构造以在 将来自环境空间的氧气输送通过杜瓦容器150之后接收所述氧气的入 口 57。由于燃料电池20内的氢气消耗过程通常是不完全的且阴极排出 物包括未使用的氲气，因此使阴极排出物改变路线到达燃烧器30允许 燃料电池系统10利用燃料电池20中的未使用氢气且增加系统10中的 氢气使用率和效率。
在一个实施例中，燃料处理器15是仅需要蒸汽以产生氢气的蒸汽 重整器。适用于燃料电池系统10中的多种类型的重整器包括蒸汽重整 器、自动热重整器(ATR)或催化部分氧化器(CPOX)。自动热重整器 或催化部分氧化器重整器使空气与燃料和蒸汽混合物混合。自动热重 整器或催化部分氧化器系统对燃料如甲醇、柴油、普通无铅汽油和其 它烃进行重整。在具体实施例中，储存装置16将曱醇l17提供给燃料 处理器15，所述燃料处理器在约250°C或更低的温度下对甲醇进行重 整且允许燃料电池系统10用于温度要最小化的应用情况中。
图2A示出了根据本发明的一个实施例的燃料处理器15的侧剖视 图。图2B示出了沿处理器15的中平面截取的燃料处理器15的前剖视 图，图中还示出了端板82的特征。燃料处理器15对曱醇进行重整以产 生氢气。燃料处理器15包括整体式结构100、端板82和84、重整器32、 燃烧器30、煮沸器34、煮沸器108、杜瓦容器150和壳体152。尽管现 在将结合用于产生氢气的曱醇消耗对本发明进行描述，但是应该理解本 发明的燃料处理器可消耗另一种燃料源，正如本领域的技术人员应该意 识到地。
正如在此使用的术语，"整体式"指的是包括至少部分用于燃料处 理器15中的多个部件的单个整体结构。如图所示，整体式结构100包 括重整器32、燃烧器30、煮沸器34和煮沸器108。整体式结构100还 可包括用于重整器32、燃烧器30和煮沸器34的相关联的管道设备入口 和出口。整体式结构100包括构成该结构的通用材料141。通用材料141 被包括在限定出重整器32、燃烧器30和煮沸器34和108的壁部中。具 体而言，壁部lll、 119、 120、 122、 130、 132、 134和136都包括通用
15材料141。通用材料141可包括金属，如铜、硅、不锈钢、因科耐尔和 显示出有利的导热性质的其它金属/合金。整体式结构ioo和通用材料 141简化了燃料处理器15的制造过程。例如，将金属用于通用材料141 允许通过挤压或铸造工艺形成整体式结构100。在一些情况下，整体式 结构100的横截面尺寸在端板82与84之间是一致的且仅包括在单次挤 压中形成的铜。通用材料141例如还可包括陶瓷。可通过烧结形成陶瓷 整体式结构100。
壳体152为燃料处理器15的内部部件如燃烧器30和重整器32提 供了机械保护。壳体152还提供了与处理器15的外部环境隔离的功能 且包括使气体和液体与燃料处理器15内部和外部连通的进入和排出口。 壳体152包括至少部分地包含杜瓦容器150且为燃料处理器15中的部 件提供外部机械保护的一组壳壁161。壁部161例如可包括适当硬的材 料如金属或刚性聚合物。杜瓦容器150改进了燃料处理器15的热管理 性能且将结合图4A进行进一步详细地描述。
整体式结构100以及端板82和84 —起结构地限定出重整器32、 燃烧器30、煮沸器34和煮沸器108及其相应的室。为了图示目的，图 2A单独示出了整体式结构100和端板82和84，而图4A—起示出了它们。
参见图3B，煮沸器34在重整器32接收曱醇之前加热甲醇。煮沸器 34通过联接至图1B所示的甲醇供应管线27的燃料源入口 81接收曱醇。 由于通过重整器32中的催化剂102进行的曱醇重整和氢气产生通常需 要升高的曱醇温度，因此燃料处理器15在曱醇由重整器32接收之前通 过煮沸器34对曱醇进行预热。煮淬器34被设置在接近燃烧器30的位 置处以接收燃烧器30中产生的热量。热量通过从燃烧器30传导通过整 体式结构到达煮沸器34且通过从煮沸器34壁部向通过其中的甲醇进行 对流而进行传递。在一个实施例中，煮沸器34被构造以使液体曱醇汽 化。煮沸器34随后使气体甲醇通过到达重整器32从而与催化剂102产 生气体相互作用。
重整器32被构造以接收来自煮沸器34的甲醇。整体式结构100中 的壁部111 (参见图3A中的横截面)和端板82和84上的端壁113 (图 2B)限定出重整器室103的尺寸。在一个实施例中，端板82和/或端板 84还包括使从煮沸器34排出的加热曱醇按路线移动进入重整器32内的
16通道95 (图2A)。加热甲醇随后进入处于整体式结构100 —端的重整 器室103且到达另一端，重整器排出物在所述另一端受到处置。在另一 个实施例中，设置在重整器32壁部中的孔眼接收来自管线或其它供应 装置的入口加热曱醇。进入孔眼或孔口可被设置在重整器32的适当壁 部111或113上。
重整器32包括有利于产生氢气的催化剂102。催化剂102与曱醇 17进行反应且有利于产生氢气和一氧化碳。在一个实施例中，颗粒尺寸 被设计以使暴露于引入曱醇的表面积的量最大化。范围在约50微米至 约1.5亳米内的颗粒直径适用于多种应用情况。范围在约300微米至约 1500微米范围内的颗粒直径适于与重整器室103 —起使用。颗粒尺寸和 充填还可改变以控制穿过重整器室103的压降。在一个实施例中，重整 器室103的入口与出口之间的压降数量级在约0. 2至约5psi范围内是 适当的。例如当重整器室尺寸增加且催化剂102的颗粒直径可增加时， 颗粒尺寸可相对于重整器室103的横截面尺寸改变。在一个实施例中， 颗粒直径(d)与横截面高度117 (D)之比可在约0. 0125至约1的范围 内。D/d比率在约5至约20的范围内也适用于多种应用情况。充填密度 还可作为催化剂102在重整器室103中的充填特征。对于铜锌催化剂 102，充填密度在约0. 3克/毫升至约2克/亳升的范围内是适当的。充 填密度在约0. 9克/毫升至约1.4克/亳升的范围内适用于图3A所示的 实施例。
当曱醇被用作烃燃料源17时， 一种适当的催化剂102可包括氧化 铝颗粒上的CuZn。适用于催化剂102的其它材料例如可基于单独的镍、 铂、钯、或其它贵金属催化剂或其组合。催化剂102的颗粒商业上可从 本领域的技术人员已公知的多位卖方处得到。颗粒催化剂还可被设置在 重整器室103中设置的阻障系统内。阻障系统包括导引燃料源沿非线性 路径行进的一组壁部。阻障系统减慢并控制气体曱醇在室103中的流动 以改进气体曱醇与颗粒催化剂102之间的相互作用。另一种可选方式是， 催化剂102可包括涂覆到金属海绵或金属泡沫材料上的上面列出的催化 剂材料。将所需金属催化剂材料洗覆到重整器室103的壁部上的技术也 可用于重整器32。
重整器32被构造以输出氢气且包括使重整器32中形成的氢气与燃 料处理器15外部连通的排出口 87。在燃料系统10中，孔口 87使氢气
17连通至管线39以便在燃料电池20中进行氢气分配"。孔口 87被设置 在端板82的壁部上且包括通过壁部的孔眼(参见图2B)。排出孔口可 被设置在任何适当壁部111或113上。
重整器32中的氢气产生过程是略微吸热的且从燃烧器30中吸取热 量。燃烧器30产生热量且被构造以将热量提供给重整器32。燃烧器30 被环状地设置在重整器32周围，正如下面将进一步详细地讨论地。如 图2B所示，燃烧器30包括两个燃烧器(或燃烧器部分)30a和30b及 其围绕重整器32的相应的燃烧器室105a和105b。燃烧器30包括通过 端板82或84中的一个端板中的通道接收来自煮沸器108的曱醇17的 入口。在一个实施例中，燃烧器入口通往燃烧器室105a内。曱醇随后 沿燃烧器室105a的长度142行进至设置在端板82中的通道，所述通道 使甲醇从燃烧器室105a按路线移动至燃烧器室105b。甲醇随后向后行 进通过燃烧器室105b的长度142到达燃烧器排出口 89。在另一个实施 例中，燃烧器入口通往室105a和105b内。曱醇随后沿室105a和105b 的长度142行进至燃烧器排出口 89。
在一个实施例中，燃烧器30采用催化燃烧以产生热量。设置在每 个燃烧器室105中的催化剂104帮助通过室的燃烧器燃料产生热量。在 一个实施例中，曱醇在燃烧器30中产生热量且催化剂104有利于甲醇 产生热量。在另一个实施例中，来自燃料电池20的废氢气在存在催化 剂104的情况下产生热量。适当的燃烧器催化剂104例如可包括涂覆到 适当载体或氧化铝颗粒上的铂或钯。适用于催化剂104的其它材料包括 铁、氧化锡、其它贵金属催化剂、可还原的氧化物及其混合物。催化剂 104作为小颗粒在商业上可从本领域的技术人员已公知的多位卖方处获 得。颗粒可被充填入燃烧器室105内以形成多孔基床或要不然被适当地 填充入燃烧室容积内。催化剂104颗粒尺寸可相对于燃烧器室105的横 截面尺寸改变。催化剂104还可包括涂覆到金属海绵或金属泡沫材料上 或洗覆到燃烧器室105的壁部上的上面列出的催化剂材料。燃烧器排出 口 89 (图2A)使燃烧器30中形成的排出物与燃料处理器15的外部连 通。
一些燃料源在燃烧器30中产生附加热量，或更有效地产生热量， 且使温度升高。燃料处理器15包括在燃烧器30接收燃料源之前加热曱 醇的煮沸器108。在这种情况下，煮沸器108通过燃料源入口 85接收曱醇。煮沸器108被设置在接近燃烧器30的位置处以接收燃烧器30中产 生的热量，热量通过从燃烧器30传导通过整体式结构到达煮沸器108 且通过从煮沸器108壁部向通过其中的甲醇进行对流而传递。
包括氧气的空气通过空气进入口 91进入燃料处理器15。燃烧器30 使用氧气以对甲醇进行催化燃烧。正如下面将结合图4A和图4B进一步 详细讨论地，空气在通过杜瓦容器中的孔之前首先沿杜瓦容器150的外 部通过且沿杜瓦容器150的内部通过。这使空气在由燃烧器30的空气 进入口 93接收前受热。
图3A示出了根据本发明的一个实施例的沿中平面121截取的整体 式结构100的前剖视图。整体式结构100从端板82延伸至端板84。图 3A所示的整体式结构100的横截面从端板82处的结构100的一端延伸 至端板84处的结构100的另一端。整体式结构100包括端板82与84 之间的重整器32、燃烧器30、煮沸器34和煮沸器108。
重整器32包括重整器室103，所述重整器室是燃料处理器15中的 大容积空间，所述大容积空间包括重整催化剂102、通往燃料源入口 (来 自燃料处理器15的煮沸器34)且通往氢气出口 8乙侧壁lll限定出重 整器32及其重整器室103的非平面横截面形状。端板82和84上的^ 部113在室103的任一端上封闭重整器室103且包括室103的进入和排 出口。
重整器103包括非平面容积。正如在此使用的术语，非平面重整器 室103指的是大体上非平或非线性的横截面形状。横截面指的是切过燃 料处理器或部件的平面薄片.对于包括多个燃料处理器部件(例如燃烧 器30和重整器32)的横截面而言，横截面包括所有两个部件。对于图 3A所示的垂直和前横截面121而言，所示的整体式结构100的横截面尺 寸在从端板82至端板84的范围内是一致的，且在每个横截面in (图 2A)处是一致的。
重整器32及其重整器室103可采用四边形或非四边形横截面形状。 四条边限定出横截面为四边形的重整器室103。四条大体上垂直的边限 定出矩形和正方形四边形重整器32。非四边形重整器32可采用具有或 多或少条边的横截面尺寸、椭圆形状(参见图3B)和更复杂的横截面 形状。如图3A所示，重整器32包括具有倒角的六边横截面"P形，，。 从整体式结构100中除去重整器32的一个角部以允许煮沸器34接近燃烧器30。
重整器燃烧器103具有横截面宽度115和横截面高度117的特征。 沿横跨重整器室103横截面的方向的室103的内壁111之间的最大线 性距离表示横截面宽度155的数量。与宽度115垂直的室103的内壁 111之间的最大线性距离表示横截面高度117的数量。如图所示，横截 面高度117大于横截面宽度115的三分之一。该高度/宽度关系增加了 对于给定燃料处理器15的重整器室103的容积。在一个实施例中，横 截面高度117大于横截面宽度115的一半。在另一个实施例中，横截面 高度117大于横截面宽度115。
返回参见图2A，重整器室103包括从端板82处的整体式结构100 的一端延伸至端板84处的结构100的另一端的长度142 (垂直于宽度 115和高度117)。在一个实施例中，重整器室103具有小于20:1的长 度142与宽度115的比率。在不那么细长的设计中，重整器室103具有 小于10: 1的长度142与宽度115的比率。
重整器32提供了大容积的重整器室103。重整器室103的该三维构 造与微燃料处理器设计形成对比，在所述微燃料处理器设计中，燃烧器 室103被蚀刻为平面基板上的微通道。重整器室103的非平面尺寸允许
化剂102。这增加了可受到处理的甲醇的量且增加了对于具体燃料处理 器15的尺寸的氬气输出。重整器32因此改进了燃料处理器15在便携 应用情况中的适用性和性能，在所述便携应用情况中，燃料处理器尺寸 是重要的或受到限制。换句话说，由于尽管增加重整器室103的容积但 入口和出口管道设备和管口的尺寸几乎不改变，因此这允许燃料处理器 15增加氢气输出且增加了用于便携应用情况的功率密度同时保持相关 联的管道设备的尺寸和重量相对恒定。在一个实施例中，重整器室103 包括大于约0.1立方厘米且小于约50立方厘米的容积。在一些实施例 中，重整器32容积在约0. 5立方厘米与约2. 5立方厘米之间适用于膝
上型计算机的应用情况。
燃料处理器15包括至少一个燃烧器30。每个燃烧器30包括燃烧器 室105。对于催化燃烧器30，燃烧器室105是在燃料处理器15中的包 括催化剂104的大容积空间。对于连通或燃烧器反应物和产品到达和离 开燃烧器室1.05的过程而言，燃烧器室105可直接或间接通往燃料源入口 (来自燃料处理器15的煮沸器108)、通往空气入口 93且通往燃烧 器排出口 89。
燃烧器30和燃烧器室105的数量可根据设计改变。图3A所示的整 体式结构100包括双燃烧器30a和30b设计，所述双燃烧器设计分别具 有两个燃烧器室105a和105b且形成;f黄截面大体上围绕重整器32的不 连续室。燃烧器30a包括整体式结构100中包括的侧壁119a (图3A ) 和限定出燃烧器寘105a的端板82和84上的端壁113。相似地，燃烧器 30b包括整体式结构100中包括的侧壁119b(图3A)和限定出燃烧器室 105b的端板82和84上的端壁113。图3C所示的整体式结构100包括 具有完全围绕重整器32的单个燃烧器室105c的单个燃烧器30c。闺3B 所示的管状布置包括完全围绕重整器202的超过四十个燃烧器204。图 4F所示的整体式结构452包括被分成完全围绕重整器32的104个燃烧 器室的单个燃烧器.
参见图2B，相对于重整器32构造每个燃烧器30以使得燃烧器30 中产生的热量传递至重整器32。在一个实施例中， 一个或多个燃烧器 30被环状设置在重整器32周围。正如在此使用的术语，至少一个燃烧 器30相对于重整器32的环状构型指的是燃烧器30具有围绕重整器32 的连续或不连续的部段或室105、由所述部段或室制造或由所述部段或 室形成。环状关系在横截面上是清楚的。对于燃烧器和重整器布置，围 绕指的是燃烧器30与重整器32的周界接界或相邻以使得热量可从燃烧 器30传送至重整器32。燃烧器30a和30b可在重整器32的周界周围围 绕重整器32以改变基于设计的程度。 一个或多个燃烧器30至少围绕大 于50%的重整器32的横截面周界。这使燃料处理器15与平面和平板设 计区别开来，在平面和平板设计中，燃烧器和重整器是共平面的且具有 相似的尺寸，且就几何逻辑而言，燃烧器与小于50。/。的重整器周界相邻。 在一个实施例中，一个或多个燃烧器围绕大于7W的重整器32的横截面 周界.增加燃烧器在横截面上围绕重整器32周界的程度增加了可用以 通过燃烧器中产生的热量加热重整器容积的重整器32的表面积。对于 一些燃料处理器15的设计而言， 一个或多个燃烧器30可围绕超过90% 的重整器32的横截面周界。对于图3B所示的实施例，燃烧器30围绕 整个重整器32的横截面周界.
尽管现在将结合环状设置在重整器32周围的燃烧器30对本发明进行描述，但应该理解整体式结构IOO可包括相反的构型。即，重整器32 可被环状设置在燃烧器30周围。在这种情况下，重整器32可包括围绕 燃烧器30的一个或多个连续或不连续的部段或室103。
在一个实施例中，每个燃烧器30及其燃烧器室105具有非平面横 截面形状.非平面燃烧器30可采用横截面形状如四边形、具有或多或 少条边的非四边形几何形状、椭圆形(参见图3B的圆形/管状燃烧器 30)或更复杂的横截面形状。如图3A所示，每个燃烧器30包括在重 整器32周围90度弯曲的六边形横截面"L，，形状(具有倒角)。
每个燃烧器30因此与重整器32双边接界。这种意义的N侧接界指 的是重整器32在横截面上与燃烧器30 (及其燃烧器室105)接界的边 数N。因此，燃烧器30b与重整器32的右边和底边接界，而燃烧器30a 与重整器32的顶边和左边接界。可采用"U形"燃烧器30以在三边上 与重整器32三边接界。燃烧器30a和30b —起在所有四个垂直的重整 器32的边上与重整器32四边接界。图3B所示的构型中使用的重整器 32包括与重整器32四边接界的多个管状燃烧器。图3C示出了根据本 发明的一个实施例的包括具有完全围绕燃烧器室103的0形的单个燃 烧器30c的整体式结构100的前剖视图。燃烧器30c是围绕重整器32 周界的连续室且与重整器32四边接界。
燃烧器30中产生的热量直接和/或间接传递至重整器3乙对于图 3A所示的整体式结构100，每个燃烧器30和重整器32共用共有壁部 120和122且每个燃烧器30中产生的热量通过传导传热通过共有壁部 120和122而直接传递至重整器32。壁部120形成了燃烧器30b的边 界壁部和重整器32的边界壁部。如图所示，壁部120的一側通往燃烧 器室105b而壁部的另一部分通往燃烧器室103。壁部120因此允许在 燃烧器30b与重整器32之间进行直接传导传热。相似地，壁部122形 成了燃烧器30a的边界壁部和重整器32的边界壁部、通往燃烧器室 105a、通往重整器室103且允许在燃烧器30a与重整器32之间进行直 接传导传热。壁部120和122的横截面都是非平面的且与重整器室103 的多条边接界，燃烧器30b和30a与所述重整器的多条边相邻。壁部 120因此提供了沿多个垂直方向128和129从燃烧器30a向重整器32 进行直接传导传热的功能。壁部122相似地提供了沿与128和129相 对的方向从燃烧器30b向重整器32进行直接传导传热的功能。
22煮沸器34包括整体式结构100中包括的圆柱形壁部143和限定出 煮沸器室147的端板82和84上的端壁113 (参见图2B)。圆壁143 的横截面形成了煮沸器34的圆柱形状，所述圆柱形状从选路端部82 延伸至选路端部84。煮沸器34被设置在接近燃烧器30a和3Gb的位置 处以接收每个燃烧器30中产生的热量。对于整体式结构100而言，煮 沸器34与燃烧器30a共用共有壁部130且与燃烧器30b共用共有壁部 132。共有壁部130和132允许从每个燃烧器30向煮沸器34进行直接 传导传热。煮沸器34还被设置在燃烧器30和重整器32之间以截断始 终从高温和生热燃烧器30向吸热重整器32移动的传导热量。
煮沸器108被构造以接收来自燃烧器30的热量从而在燃烧器30 接收曱醇之前加热甲醇。煮沸器108还包括具有从端板82延伸通过整 体式结构IOO到达端板84的圆形横截面的管状形状。煮沸器108被设 置在接近燃烧器30a和30b的位置处以接收每个燃烧器30中产生的热 量，所述热量被用以加热甲醇。煮沸器108与燃烧器30a共用共有壁 部134且与燃烧器30b共用共有壁部136。共有壁部134和136允许从 燃烧器30a和30b向煮沸器108进行直接传导传热。
图3D示出了才艮据本发明的一个实施例的端板82的外视图。端板 82包括燃料源入口 81、燃料源入口 85、氢气排出口 87和燃烧器空气 入口 93。燃料源入口 81包括在端板82的端壁113中的孔眼或孔口 ， 所述孔眼或孔口使来自外部甲醇供应装置的曱醇(通常作为液体)与 煮沸器34连通从而在重整器32接收曱醇之前加热曱醇。曱醇燃料源 入口 85包括在端板82的端壁113中的孔眼或孔口，所述孔眼或孔口 使来自外部曱醇供应装置的曱醇(通常作为液体)与煮沸器108连通 从而在燃烧器30接收曱醇之前加热曱醇。燃烧器空气入口 93包括在 端板82的端壁113中的孔眼或孔口，所述孔眼或孔口使来自环境空间 的空气和氧气已经在杜瓦容器150中预热后向内连通。氢气排出口 87 使来自重整器室103的气体氢与燃料处理器15外部连通。
螺栓孔153被设置在整体式结构100的翼部145中。螺栓孔153 允许螺栓通过其中且允许紧固结构100和端板82和8《
图3B示出了根据本发明的另一个实施例的替换整体式结构100的 用于燃料处理器15中的管状设计200的横截面布置图。结构200包括 重整器202、燃烧器204、煮沸器206和煮沸器208。图3B所示的横截面设计200在端板(未示出)之间的整个圆柱形 长度范围内是一致的，所述端板包括用于将气体供应和排出至设计200 的部件的进入和排出口。重整器202。燃烧器室212、煮沸器206和煮 沸器208的圆形形状因此在端板之间延伸整个圆柱形长度。端板还可 负责使气体在单个管道之间如在管状燃烧器2 34之间按路线移动。
重整器202包括限定出大体上圆形横截面的圆柱形壁部203。重整 器232因此在三维上重新组装成中空圆柱体，所述中空圆柱体限定出 管状重整器室210。通常，重整器202可包括适用于包含催化剂102、 使甲醇流动通过重整器室210、在重整器室210中产生氢气且使氢气在 重整器室210中流动的任何椭圆形状(圆形表示具有大约相等的垂直 尺寸的椭圆)。如图所示，重整器室210由大体上相等的横截面宽度 和横截面高度限定且因此重整器202包括l:l的横截面纵横比。
燃烧器204包括分别限定出管状燃烧器室212的一组圆柱形壁部 214。如图所示，管状设计200包括完全围绕重整器32的横截面周界 的超过四十个管状燃烧器室212。每个管状燃烧器212包括由圆柱形壁 部214限定出的大体上圆形的横截面。每个管状燃烧器212包括有利 于由曱醇产生热量的催化剂104。燃烧器204可包括约两个至约两百个 圆柱形壁部214和管状燃烧器室212。 一些设计可包括约十个至约六十 个管状燃烧器室212。在一个实施例中，每个圆柱形壁部214包括金属 且被挤压成其所需尺寸。在具体实施例中，圆柱形壁部214包括镍。 可通过将镍电镀到适当的基体如锌或铝上形成镍壁214，所述基体随后 被蚀刻出以留下镍管。可在其上形成镍壁214的其它材料包括锌、锡、 铅、蜡或塑料。除了镍之外，壁部214可包括金、银、铜、不锈钢、 陶瓷和在不导致燃烧器催化剂104复杂化的情况下显示适当的热性质 的材料。
如图所示，燃烧器204完全环状围绕重整器202的横截面周界。在 这种情况下，燃烧器204包括呈圆形地设置在重整器202周围且处于 三个不同半径处的管道214的三个环状层H6、 218和220。每层216、 218和220中的管道214限定重整器202的圆形范围。燃烧器30的每 个管状室212中产生的热量通过多条路径a)热量传导通过层216中 的管道214到达重整器202的壁部；b)热量传导通过外层218和220 中的管道214到达层216中的管道214且到达重整器202的壁部；和/
24或c )在外层218和220中的管道214与管道214之间进行热辐射且随 后向内传导至重整器202而直接或间接地传递至重整器202。
煮沸器206被构造以在重整器202接收曱醇之前加热曱醇。煮沸器 206接收来自燃烧器204的热量且包括限定出煮沸器的管状形状的圆柱 形壁部207。煮沸器206被设置在接近燃烧器管道214的位置处以接收 每个燃烧器室212中产生的热量。具体而言，煮沸器206被设置在第 二个环状层218中且接收层216、 218和220中的相邻燃烧器室212的 热量。燃烧器204通过传导通过每条相邻管道214的壁部且通过壁部 207而将热量提供给煮沸器206。
煮沸器208被构造以在燃烧器204接收曱醇之前加热曱醇。煮沸器 208接收来自燃烧器204的热量且还包括限定出煮沸器的管状形状的圆 柱形壁部209.与煮沸器206相似地，煮沸器208 ;故设置在第二个环状 层218中且接收来自层216、218和220中的相邻燃烧器室212的热量。
在一个实施例中，整体式燃料处理器15包括沿重整器室103中的 气体流向联接在一起且在横截面线121处联接的多个部段。每个部段 具有如图3A所示的共有轮廓且可包括垂直于气体流向进行结合或铜焊 的金属或陶瓷元件。另一种可选方式是，燃料处理器15可包括除了由 端部部件82和84限定界限的区域之外限定出所有重整器燃烧器 30、煮沸器34和煮沸器108的界限的单个长的整体式部件。
在另一个实施例中，燃料处理器15包括在横截面上联接在一起的 多个部件。图3E示出了根据本发明的另一个实施例的燃料处理器15。 在这种情况下，燃料处理器15包括三个部件下部部件280、中间部 件282和顶盖部件284。下部部件280和中间部件282附接以形成重整 器32和两个燃烧器室30。顶盖部件284和中间部件282附接以形成煮 沸器34和108,每个部件208、 282和284包括通用材料且可被挤压或 铸造成适当尺寸。部件之间的附接例如可包括化学结合。
图4A示出了燃料处理器15的侧剖视图和由根据本发明的一个实施 例的杜瓦容器150产生的空气移动。图4B示出了燃料处理器15的前剖 视图且证实了杜瓦容器150获得的热管理优点。尽管在此所述的热管 理技术现在将被描述为燃料处理器部件，但是本领域的技术人员将认 识到本发明包括用于普遍应用的热管理方法。
燃料处理器15中的燃烧器30产生热量且通常在升高的温度下操作。燃烧器30的操作温度大于200摄氏度是普遍的。制造电子装置的 标准通常规定了装置的最大表面温度。电子装置如膝上型计算机通常 包括冷却装置如风机或冷却管以管理和消散内部热量。损失热量进入 装置内的电子装置内部的燃料处理器要求装置的冷却系统对损失的热 量进行处理。
在一个实施例中，燃料处理器15包括杜瓦容器150以改进燃料处 理器15的热管理性能。杜瓦容器150至少部分地使壳体152内部的部 件如燃烧器30热隔离开来且包含燃料处理器15内的热量。杜瓦容器 150减少了来自燃料处理器15的热损失且帮助燃烧器30与壳体152的 外表面之间的温度梯度。且正如下面将要描述的，杜瓦容器150还在 燃烧器30接收空气之前对空气进行预热。
杜瓦容器150至少部分地包含燃烧器30和重整器32，且包括帮助 形成杜瓦容器室156和室158的一组杜瓦容器壁154。在一些实施例中， 杜瓦容器150在横截面视图上且在燃烧器30和重整器32的端部完全 围绕燃烧器30和重整器32。杜瓦容器150提供的更少包含还适于提供 在此所述的热优点。图4E所示的多通道杜瓦容器300在横截面上仅部 分地封住燃烧器30和重整器32,在一些情况下，杜瓦容器150不沿整 体式结构100的长度完全延伸且提供了不完全的包含。
如图4B所示，杜瓦容器150在横截面上环状地围绕燃烧器30。壁 部组154包括与顶壁和底壁154b和154d结合以形成图4B所示的头巨形 才黄截面的侧壁154a和154c;且包括与顶壁和底壁154b和154d结合以 形成图4A所示的矩形横截面的两个端壁154e和154f。端壁154f包括 允许进入和排出口85、 87和89通过其中的孔。
在杜瓦容器壁154内形成杜瓦容器室156且所述杜瓦容器室包括杜 瓦容器壁154内未,皮整体式结构100占据的所有空间。如图化所示， 杜瓦容器室156围绕整体式结构100。如图4B所示，室156包括整体 式结构100与杜瓦容器室150的所有四侧上的壁部154之间的导管。 此外，室156包括杜瓦容器150的端壁与整体式结构100的两端上的 端板82和84的外表面之间的气穴(图4A)。
在杜瓦容器壁154外部且在杜瓦容器150与壳体152之间形成室 158。室158包括壳体152内未被杜瓦容器150占据的所有空间。如图 4B所示，壳体152封住杜瓦容器150和进一步内部的整体式结构100。
26室158包括杜瓦容器150的所有四侧上的壁部154与壳体152之间的 导管。此外，室158在两端上包括杜瓦容器150与壳体152之间的气 穴167，所述气穴防止杜瓦容器150与壳体152之间的接触和传导传热 (图4A),
杜瓦容器150被构造以使得通过杜瓦容器室156的过程气体或液体 接收燃烧器30中产生的热量。过程气体或液体例如可包括燃料处理器 中使用的任何反应物如氧气、空气或燃料源17。杜瓦容器150因此为 燃料处理器15提供了两种功能a)其允许在热量到达燃料处理器外 部之前主动冷却燃料处理器15内的部件，且b)对去往燃烧器30的空 气进行预热。对于重整器，空气移动通过燃料处理器15且穿过杜瓦容 器150的壁部154以使得更冷的空气从更热的燃料处理器15的部件中 吸收热量.
如图4A所示，壳体152包括允许空气从外部壳体152进入室158 内的空气进入口 91或孔眼。风机通常将空气直接提供给燃料处理器15 且对通过孔口 91的空气进行加压。顶壁和底壁154b和154d包括允许 空气从室158到达杜瓦容器室156的空气进入口或孔眼172。通过燃料 处理器15的空气流随后在空气进入口 91中流动、沿杜瓦容器150 的长度流动通过室158、通过壁部154b和154d中的孔眼172、在与通 过室158相对的方向上沿杜瓦容器150的长度回流通过室156、且进入 允许空气进入燃烧器30的空气进入口 176。在室158中，空气a)移 动穿过杜瓦容器壁154的外表面且从杜瓦容器壁154中对流地吸收热 量，和b)移动穿过壳体152的内表面且从壳体152壁部中对流地吸收 热量(当壳体152处于高于空气的温度时) 在室156中，空气a)移 动穿过整体式结构100的外表面且从整体式结构100的壁部中对流地 吸收热量，和b)移动穿过杜瓦容器150的内表面且从杜瓦容器壁154 中对流地吸收热量，
杜瓦容器150因此被构造以使得通过杜瓦容器的空气通过从燃烧 器30的外部上的整体式结构100中的壁部向通过杜瓦容器室156的空 气进行直接对流传热而接收燃烧器30中产生的热量。杜瓦容器150还 被构造以使得通过室156的空气从燃烧器30间接地接收热量。这种意 义上的间接指的是燃烧器30中产生的热量在由空气接收之前移动至燃 料处理器15中的另一个结构。图4C示出了由杜瓦容器150的壁部154产生的热路径的热图。来 自燃烧器30的热量传导通过整体式结构100到达通往杜瓦容器室156 内的结构100的表面。从这里，热量a)传导进入通过杜瓦容器室156 的空气内，由此加热空气；b)辐射至杜瓦容器壁154的内壁155,从 所述内壁处热量对流进入通过杜瓦容器室156的空气；c)辐射至杜瓦 容器壁154的内壁155、传导通过壁部154到达杜瓦容器壁154的外表 面157，从所述外表面处热量对流进入通过杜瓦容器室158的空气内； 和d)辐射至杜瓦容器壁154的内壁155、传导通过壁部154到达杜瓦 容器壁154的外表面157、辐射至壳体152的壁部，从所述壁部处热量 对流进入通过杜瓦容器室158的空气内。
杜瓦容器150因此在容积156和158中提供了防止燃烧器30 (或 燃料处理器15的其它内部部件)中产生的热量逸出燃料处理器的两条 对流散热流和活化空气冷却流。
将热量反射回室156内减少了来自燃料处理器150的热损失量且增 加了对通过室156的空气的加热。为了进一步改进反射回室156内的 辐射性能，杜瓦容器壁154的内表面可包括辐射层160以减少辐射传 递入壁部154内的热量(参见图4B或图4C)。辐射层160被设置在一 个或多个壁部154上的内表面155上以增加内表面155的辐射热反射。 通常，用于辐射层160中的材料具有比用于壁部中的材料更低的 发射率。适于与杜瓦容器150的壁部—起使用的材料例如包括镍 或陶瓷。辐射层160可包括金、铂、银、钇、镍且金属可被溅射涂覆 到内表面155上。辐射层160还可包括低的导热性。在这种情况下， 辐射层160例如可包括陶瓷。
当杜瓦容器150完全封闭整体式结构100时，杜瓦容器则限制了来 自结构的热损失且减少了从杜瓦容器150和壳体152中流失的热量。 燃料处理器15如图4A和4B所示的燃料处理器很适于包含壳体l52内 的热量且管理来自燃料处理器的热传递。在一个实施例中，燃烧器在 大于约200摄氏度的温度下操作且壳体外侧保持小于约50摄氏度的温 度。在用于便携应用情况的实施例中，其中燃料处理器l5占据小容积， 容积156和158相对较小且包括狭窄通道和导管。在一些情况下，容 积156和158中的通道高度小于5毫米且整体式结构上的燃烧器30的 壁部不超过壳体152壁部10毫米。
28通过使用杜瓦容器150获得的热优点还允许使用更高温度的燃烧 燃料作为产生氢气的燃料源，如曱醇和汽油。在一个实施例中，通过 使用杜瓦容器150获得的热管理优点允许重整器32在远高于100摄氏 度的温度下且在足够高以使得燃烧器32中产生的一氧化碳降至不需要 优先氧化器的量的温度下对曱醇进行处理。
正如上面提到地，杜瓦容器150通过对去往燃烧器的空气进行预热 而为燃料处理器15提供了第二种功能。燃烧器30依靠催化燃烧以产 生热量。提供给燃烧器30的空气中的氧气被消耗作为部分燃烧过程。 燃烧器30中产生的热量将根据空气温度对冷的引入空气进行加热。这 种将热量损失给引入冷空气的问题减少了燃烧器30的热效率，且通常 导致更大量地消耗甲醇。为了增加燃烧器30的加热效率，本发明加热 引入空气以使得更少的燃烧器中产生的热量进入引入空气内。换句话 说，由杜瓦容器150形成的室和空气流允许来自燃烧器的废热在空气 到达燃烧器之前对空气进行预热，因此用作燃料电池15的再生器。
尽管图4A和图4B所示的燃料处理器15示出了封闭整体式结构100 杜瓦容器150，但是本发明还可采用杜瓦容器150的其它构造和实施上 述的一个或两个杜瓦容器功能的燃烧器30或重整器32与杜瓦容器150 之间的关系。图4D示出了根据本发明的另一个实施例的延长了冷空气 流过更热的杜瓦容器壁254的对流路径的燃料处理器15的横截面图。 燃料处理器15包括燃烧器30和重整器32的管状设计。
杜瓦容器250使冷的引入空气按路线穿过细长的传热路径。杜瓦容 器250包括横截面为螺旋形的壁部254,所述螺旋壁部围绕燃烧器30 和重整器32。螺旋壁部254限定出螺旋杜瓦容器室256。冷空气在杜 瓦容器进口 252处进入杜瓦容器室256。壁部154的最内部257附接到 燃烧器30的外壁258上。来自燃烧器30的热量直接传导通过螺旋壁 部254。因此，内部257是壁部154的最暖部分，而入口 252处的壁部 254通常是最冷的。空气在行进通过杜瓦容器室256的过程中逐渐变暖。 当空气向内行进时，壁部254的温度上升，可用于传递至空气的热量 同样上升。根据空气的瞬间温度。来自壁部154的热损失量还可随着 空气向内前进而增加。
螺旋杜瓦容器250延长了引入冷空气与由燃烧器加热的壁部之间 的对流相互作用。杜瓦容器250还增加了沿由燃料处理器中心的给定径向的壁部和对流层的数量。如图4D所示，杜'瓦容器250沿给定径向 包括4-5个壁部和对流层，这取决于计算数量的位置。沿径向的壁部 和对流层的数量可根据设计改变。在一个实施例中，螺旋杜瓦容器250 被构造沿由燃料处理器中心的给定径向具有l层至约50个壁部和对流 层。3层至20层适用于多种应用情况。通道宽度260限定出相邻壁部 254之间的导管空间。在一个实施例中，通道宽度260在约1/4毫米至 约5毫米的范围内。
可通过将镍电镀到可去除层如铝或锌上而构造螺旋杜瓦容器250。 图4H示出了根据本发明的另一个实施例的在初始构造过程中处于展开 形式的螺旋杜瓦容器250。初始铝或锌层262 ;故添加以在轧制过程中控 制通道宽度260。可去除层262随后与壁部214的选定材料如镍电镀在 一起。在所述过程后，采用电铸技术蚀刻出铝或锌层从而因此留下螺 旋杜瓦容器250,
图4H所示的螺旋杜瓦容器250还采用巻绕在重整器32周围的浮凸 或折叠燃烧器结构264。图41和图4J示出了根据本发明的两个实施例 的在燃烧器30的壁部268上的载体涂层266。对于图41所示的折叠燃 烧器结构264，将包括燃烧器催化剂104的载体涂层266施涂到壁部 268的两侧上。
图4J示出了适用于螺旋杜瓦容器250中的平壁270。平壁270包 括沿其表面蚀刻或要不然设置的通道272。包括燃烧器催化剂104的载 体涂层266随后被添加在平壁270和通道272的表面上。
燃料处理器15如图4D所示的燃料处理器很适于包含内部产生的热 量。在一个实施例中，燃烧器30在大于约350摄氏度的温度下操作且 壳体外侧保持小于约75摄氏度。这例如有利于使用更高的温度使烧器 30内的燃料源如曱醇和丙烷燃烧。
如图4A和4D所示的杜瓦容器可被认为是"多通道"的，这是因为 引入空气在多个表面上通过以在更暖的表面和更冷的空气之间进行对 流传热。图4A所示的实施例示出了两通道系统，在所述系统中空气通 过两个杜瓦容器室，而图4D所示的实施例示出了 N通道系统，其中N 是沿由燃料处理器中心的给定径向的杜瓦容器壁的数量。
图4E示出了根据本发明的另一个实施例的多通道杜瓦容器300的 横截面图。杜瓦容器300包括连接到壳壁304上的四个杜瓦容器壁302a-d。杜瓦容器300部分地包含整体式结构100。杜瓦容器壁302a 与壳壁304协同作用以封住整体式结构100，所述整体式结构包括燃烧 器30。杜瓦容器壁302b和壳壁304封住杜瓦容器壁302a和燃烧器30。 相似地，杜瓦容器壁302c和壳壁304封住杜瓦容器壁302b，而杜瓦容 器壁302d和壳壁304封住杜瓦容器壁302c。杜瓦容器壁302a-d形成 了四个容积以便引入空气在更暖的壁部上通过并接收热量。空气进入 杜瓦容器进入口 310且流动通过杜瓦容器308a并在大体上行进通过整 个室308a后通过孔口 312进入杜瓦容器室308b内。空气随后在进入 燃烧器入口 314之前序列地进入且通过室308c和308d。
图4F和图4G示出了根据本发明的另一个实施例的包括整体式结构 452和多通道杜瓦容器450的燃料处理器15的横截面。整体式结构452 包括设置在结构452的中心部分中的多个重整器室454。多个燃烧器室 456围绕且与重整器室454四边接界。重整器的煮沸器458被布置在燃 烧器室456的横截面内，而燃烧器的煮沸器460被布置在横截面外部中。
杜瓦容器462包括四个杜瓦容器壁462a-d。在图4F所示的横截面 中，杜瓦容器壁462a围绕整体式结构452。杜瓦容器壁462b围绕且封 住杜瓦容器壁462a。杜瓦容器壁462c围绕且封住杜瓦容器壁462b, 而杜瓦容器壁462d围绕且封住杜瓦容器壁462c。杜瓦容器壁462a-d 形成了四个杜瓦容器容积以便使引入空气通过并接收热量。如图4G所 示，空气进入杜瓦容器进入口 464且流动通过杜瓦容器室468a并在沿 整体式结构452的长度大体上行进通过整个室468a之后进入杜瓦容器 室468b内.空气随后在进入燃烧器入口 40之前序列地从室468b通往 室468c和室468d。
图6A-6J示出了根据本发明的另一个实施例的燃料处理器615。图 6A示出了燃料处理器的顶视图，图6B-图6F示出了沿多个型面截取的 燃料处理器615的侧剖视图。图6G-图6J示出了沿多个型面截取的燃 料处理器615的前剖视图。图6J示出了图6G所示的燃料处理器6" 的一部分的扩展侧剖^L图。
燃料处理器615包括重整器632、燃烧器630、煮沸器634、坞部 638、壳部675、优先氧化器650和板641、 649和653 (图6J )。尽管 现在将结合用于产生氢气的曱醇消耗对本发明进行描述，但应该理解本发明的燃料处理器可消耗另 一种燃料源，正如本领域的技术人员将 意识到地。
燃料处理器615包括基板640、 642和644。每块基板640、 642和 644包括在基板的相对侧上的两个大体上平的面。在一个实施例中，每 块基板640、 642和644包括硅且基板组640、 642和644被称作"芯 片组"。在基板640、 642和644的面内形成通道以形成重整器632、 燃烧器630、煮沸器634和优先氧化器650。通道指的是在基板中形成 的槽道。每条通道导引通过其中的气体和液体进行移动。硅基板640、 642和644允许使用半导体制造技术以构造燃料处理器615。在具体实 施例中，使用蚀刻工艺如深层反应离子蚀刻(DRIE etch)和湿法蚀刻 (wet etch)工艺在硅基板中形成重整器通道637、燃烧器通道631和 /或煮沸器通道635。在另一个实施例中，每块基板640、 642和644包 括硅合金、碳化硅和金属如不锈钢、钛或因科耐尔。金属有利于热量 在燃烧器632与重整器630之间且在燃烧器632与煮沸器634之间传 递。微电子机械系统(MEMs)制造技术如成层和蚀刻技术也可用以制 造基板640、 642和644和设置在其中的通道。
参见图6B、图6G和图6J,煮沸器634在重整器632接收甲醇之前 加热曱醇，煮沸器634包括设置在基板640的面640a中的一组煮沸器 通道635。板641附接到面640a上且覆盖每条通道635的开口侧。煮 沸器634包括由通道组中的煮沸器通道635的累积尺寸确定的容积。
煮沸器634被设置在接近燃烧器630的位置处以接收燃烧器630 中产生的热量。在所示的实施例中，煮沸器通道635被设置在与基板 640的面640b相对的基板640的面640a上，所述面640b包括燃烧器 通道631 (图6J )。热量随后1)通过从燃烧器630传导通过基板640 到达煮沸器634和2)通过从煮沸器通道635的壁部向通过其中的甲醇 进行对流而进行传递。在一个实施例中，煮沸器634被构造以使液体 曱醇汽化。流出煮沸器634的气体曱醇随后到达重整器632以便与催 化剂702进行气体相互作用。
煮沸器634通过燃料源入口 681 (图6B)接收曱醇，所述燃料源入 口联接至图1B所示的曱醇供应管线27。入口 681包括设置在坞部638 的壁部728b中且被构造以接收将曱醇输运至燃料处理器615的管道27 的插口 682。入口歧管684将液体甲醇从插口 682输运至基板640和基板640中的重整器通道635。歧管684包括通过柔顺材料710、基板640 和642以及板641的孔眼或孔。通过螺栓726对材料710、基板640和 642以及板641进行压缩在部件之间密封歧管684。
重整器632包括设置在基板642的面642b中的一组重整器通道 637。板649附接到面642b上且覆盖每条通道637的开口侧。重整器 632包括由通道组中的重整器通道637的累积容积和尺寸确定的容积。 更具体而言，重整器632包括分段容积，所述分段容积包括来自多条 通道637的贡献。在一个实施例中，通道637的横截面大体上为矩形。 通道637的宽度637b在约20至约400微米之间适用于多种应用情况。 在具体实施例中，通道637包括约100微米的宽度637b。还可使用一 种或多种纵横比作为通道637的尺寸特征。长度637c与宽度637b之 比描述了基板的面上的通道637的平面面积。具有约10000:1至约 200: 1范围内的长宽比的通道637适用于多种应用情况。在具体实施例 中，通道637包括约200: 1的长宽比。深度637a与宽度637b之比描 述了通道637沿其长度637c的横截面尺寸。包括在约2: 1至约100: 1 范围内的深度宽度比的通道637适用于多种应用情况。在具体实施例 中，通道637包括约630:1的深度宽度比。通道组包括至少一条通道。 重整器632的通道637的数量和尺寸可根据燃料处理器615的所需氢 气输出如基于燃料源和重整器催化剂702的生产容量进行改变。
重整器632被构造以在曱醇已经通过煮沸器634之后接收曱醇。重 整器632通过管路671接收曱醇，所述管路将输出甲醇从煮沸器63斗 的通道635输运至重整器632的通道637 (图2B)。更具体而言，管 路671使曱醇自基板640的面640a向外连通、横穿基板640和642且 通往基板642的面642b上的通道637。
重整器632中的催化剂702有利于产生氢气。催化剂702与曱醇 17反应且有利于产生氢气和二氧化碳。在一个实施例中，催化剂702 包括设置在每条通道637上的栽体涂层。所需催化剂的载体涂层可被 溅射或喷涂到基板上且进行深腐蚀以保持平的表面6Wb。催化剂702 随后作为薄层在每条通道637的壁部上形成。当曱醇用作烃燃料源时， 一种适当的催化剂702包括CuZn。适用于催化剂702的其它材料例如 包括翁、钯、賴/钯混合物和其它贵金属催化剂。下列材料的组合也可 用于催化剂702中Cu、 Zn、 Pt、 Ru、 Rh、氧化铝、氧化钙、氧化硅和/或铱。
优先氧化器650截断了重整器632的排出氢且减少了排出物中一氧 化碳的量(图2G)。优先氧化器650包括设置在基板644的面644b中 的一组氧化器通道651 (图2J)。板653附接到面644b上且覆盖每条 氧化器通道651的开口侧。优先氧化器650包括由通道组中的煮沸器 通道651的累积尺寸确定的容积。优先氧化器650采用来自空气入口 707的氧气(图2C)。
空气入口 707接收来自环境空间的空气且包括插口 711和歧管 712。插口 711被设置在鸡部638的壁部728b中且具有一定尺寸以接 收将空气输运至燃料处理器615的管道。插口 711通往将空气输运至 基板633中的通道651的歧管712.更具体而言，歧管712横穿柔顺材 料710、通过板640、通过基板642和640、通过板649、通过隔件730 且通过基板644以通往通道651。催化剂714被洗覆到通道651的壁部 上且可包括下列材料中的一种或组合Cu、 Zn、 Pt、 Ru、 Rh、氧化铝、 氧化钓、氧化硅、铱和/或对于一氧化碳比对二氧化碳更优先的另一种 催化剂。
排出口 87使重整器632中形成的氢气与燃料处理器615外部连通 (图2E)。在图1B所示的燃料电池系统10中，孔口 87使氢气连通至 管线39以将氢气提供给燃料电池20。孔口 87被设置在坞部638的壁 部中且包括通过壁部728打开的插口 701和歧管703。插口 701具有一 定尺寸以接收管线39的金属或塑料管道以便使氢气自燃料处理器615 向外连通。粘结剂可将管道固定到插口 701的内壁上。另一种可选方 式是，金属管道可铜焊到插口 701的内壁上。当如图所示燃料处理器 615包括优先氧化器650时，歧管703将氢气从优先氧化器中输运出来、 通过基板644、通过隔件730、通过板649、通过基板642和640、通 过板640、通过柔顺材料710并到达插口 701 (图6B)。
在另一个实施例中，优先氧化器650未用于燃料处理器615中且重 整器632被构造以将氢气从燃料处理器615直接输出出来。在这种情 况下，重整器632中的通道637将气体提供至歧管703以使氢气自燃 料处理器615向外连通。当燃料处理器615不包括优先氧化器时，歧 管703将氢气从基板642中的重整器通道637输运出来、通过基板642 和640、通过板640、通过柔顺材料710并到达插口 701。重整器632中的氢气产生过程是略微吸热的且从燃烧器630中吸取 热量。燃烧器630产生热量且被构造以将热量提供给重整器632。燃烧 器630包括两组燃烧器通道631:设置在基板642的面642a中的第一 组通道631a和设置在基板640的面640b中的第二组通道631b。基板 640和642被放置和附接以使得相对面642a和640b上的通道631a和 631b通往彼此。燃烧器630包括由燃烧器通道631a和通道631b的累 积尺寸确定的容积。
燃烧器630、煮沸器634和优先氧化器650分别包括由在其相应的 通道组中的通道的累积容积和尺寸确定的容积。上面结合重整器通道 637描述的通道尺寸还可用于煮沸器634的通道635、燃烧器630的通 道631和优先氧化器650的通道651。因此，上面描述的用于通道637 的通道宽度、通道长度宽度比和通道深度宽度比还适用于通道635、通 道631和通道651。
在一个实施例中，燃烧器630采用催化燃烧以产生热量。燃烧器 630中的催化剂704帮助通过室的燃烧器燃料产生热量。在一个实施例 中，曱醇在燃烧器630中产生热量且催化剂704有利于使用曱醇产生 热量。适当的甲醇燃烧器催化剂704可包括铂、4巴、铁、氧化锡、其 它贵金属催化剂和可还原的氧化物。其它适当催化剂704材料包括下 列材料中的一种或组合Cu、 Zn、 Pt、 Ru、 Rh、氧化铝、氧化钙、氧 化硅和/或铱。在另一个实施例中，来自燃料电池20的废氢气在存在 催化剂704的情况下产生热量。催化剂704在商业上可从本领域的技 术人员已公知的多位卖方处获得。在一个实施例中，催化剂704包括 设置在每条通道631上的载体涂层。可使用众所周知的混合、注射、 汽化和还原方法将所需催化剂704的载体涂层注入微通道内。催化剂 704随后在每条通道631的壁部上形成薄的多孔且高表面积的层。
燃烧器630包括接收曱醇17的入口 714(图6F)。燃烧器入口 714 包括设置在坞部638中的壁部728b中且^皮构造以接收将甲醇输运至燃 料处理器615的管道27 (图1B)的插口 716。曱醇入口歧管718将曱 醇从插口 716输运至基板640和642中的燃烧器通道631。
包括氧气的空气通过空气进入口 691 (图6F)进入坞部638。燃烧 器630使用氧气以对曱醇进行催化燃烧。燃烧器排出口 720 (图6D) 使燃烧器630中形成的排出物与燃料处理器615的外部连通。燃烧器排出口 720包括设置在坞部638的壁部中且被构造以接收将排出物输 运远离燃料处理器615的管道的插口 722。燃烧器出口歧管124将排出 物从通道631输运至插口 716。
一些燃料源在燃烧器630中产生附加热量，或更有效地产生热量， 具有升高的温度。在一个实施例中，燃料处理器615包括在燃烧器630 接收燃料源之前加热甲醇的煮沸器。在这种情况下，煮沸器通过燃料 源入口 714接收曱醇。煮沸器被设置在接近燃烧器630的位置处以接 收燃烧器630中产生的热量。
燃烧器630被构造以将热量提供给重整器632且被构造以将热量提 供给煮沸器634.在基板642中设置一组燃烧器通道631a允许每条燃 烧器通道631a中产生的热量通过传导通过基板642到达重整器632和 重整器632的通道637而进行传递。热量随后从每条通道637附近的 基板642传导进入催化剂702内。热量还可对流进入通道637内且加 热甲醇。在基板640中设置一组燃烧器通道631b允许每条通道631b 中产生的热量通过传导通过基板640到达煮沸器634和煮沸器634的 通道635而进行传递。将燃烧器630和重整器632放置在相同的芯片 上且彼此接近允许热量直接从燃烧器催化剂704直接流动通过薄的单 独基板642并进入重整器催化剂702内。由于热传递传导离开一个催 化剂结构、通过薄固体进入下一个催化剂微结构，因此燃料处理器615 不需大的传热区域以将热量从燃烧器630传递至重整器632。这减少了 燃料处理器615的总容积。燃烧器630不需在基板640和基板642中 包括燃烧器通道631。如果仅有一块基板包括一组燃烧器通道631，那 么热量可从具有所述燃烧器通道组的基板传导至另 一块基板且随后传 导至煮沸器634或重整器632。
尽管迄今已经结合催化燃烧器632对燃料处理器615进行了描述， 但是应该理解本发明的一些实施例可采用被构造以将热量提供给重整 器且被构造以将热量提供给煮沸器的电燃烧器630。电燃烧器630包括 响应于输入电流产生热量的电阻加热元件。电燃烧器630可被设置在 基板640与基板642之间以为两块基板640和642提供传导传热。
板641、 649和653覆盖且密封与每块板相邻的基板中的通道的开 口部分。每块板641、 649和653还增加了芯片组的机械强度。每块板 641、 649和653例如可使用适当的粘结剂附接且结合至基板。在具体实施例中，板641、 649和653包括玻璃，所述玻璃与硅相比具有低导 热率且减少了燃料处理器615的总热损失。
坞部638保持燃料处理器615内的重整器632和煮沸器634的位置。 坞部包括螺栓726、 一组坞壁728、隔件730、柔顺材料710、和用于 将过程气体或液体输运到达和离开重整器632、燃烧器630和煮沸器 634的插口 684、 711、 722、 701和716。鸡壁728包4舌紧固壁部728a、 与紧固壁部728a相对的壁部728b和在紧固壁部728a与壁部728b之 间延伸的一个或多个侧壁728c (图6C)。紧固壁部728a包括用于接 收螺栓726的螺紋孔。还可用弹簧替换螺栓716以将芯片组推靠在柔 顺材料710和坞部638上。坞壁728组合以形成部分围绕重整器632、 煮沸器634和燃烧器630的一部分的罩壳。坞壁7"例如可包括云母 玻璃、陶瓷、玻璃填充聚酯或金属如铜.
鸡部638施加通过一部分基板640和一部分基板642的柔顺紧固 力 螺栓726螺旋通过紧固壁部728a，或弹簧压缩直至其将压缩力施 加到板653上。该压缩力将基板640和642以及板641、 649和653锁 定在适当位置处，且防止它们在处理过程中移置。壁部"8b与紧固壁 部728a几何地相对且当其平移通过其间的堆中的部件时，提供了对螺 栓726提供的压缩力的抵抗力。在螺栓726遇到板653的位置与壁部 728之间的线732可用以粗略地描述螺栓726与壁部728b之间的压缩 力路径(图6G)。压缩力在螺栓"6的螺紋中产生、传送通过板6" 与螺栓726相遇的位置附近的一部分板653、传送通过线732附近的一 部分基板644、通过线732附近的一部分隔件730、通过线732附近的 一部分基板649、通过线732附近的一部分基板642、通过线732附近 的一部分基板640、通过线732附近的一部分板641、通过线732附近 的一部分柔顺材料710且到达壁部728b。在这种情况下，受到螺栓726 的压缩力影响的基板640和642的部分包括压缩力传播通过基板的位 置附近的端部。在一个实施例中，基板640和642以及板641、 6"和 653通过螺栓726 (或弹簧)施加的压缩力重新组装悬臂梁使其保持在 一起且处于适当位置处。
柔顺材料710阻截螺栓726提供的紧固力且产生柔顺紧固力的上 限，如图6D所示，柔顺材料710 3皮设置在板641和壁部728b之间且 极端了板641和壁部728b之间的紧固力。柔顺材料710包括已公知的
37材料和为螺栓726施加的压缩力设定了上限的预定柔量。在一个实施 例中，材料710包括小于基板640或642的刚性或弹性模量的刚性或 弹性模量。柔顺材料710随后允许施加到基板640和642上的应力传 递到材料710上。这减少了基板640和642上的局部应力且为基板640 和642上的应力设定了上限。当基板640和642包括脆性材料如硅时， 材料710通过增加基板640和642对外部应力的机械阻碍和保护能力 而防止对燃料处理器615的功能产生损害。通过提供对施加到基板640 和642以及板641和649上的力的机械阻碍，柔顺材料710減少了机 械应力在基板640或642与附接在坞部638中的插口内的管道之间的 传送。柔顺材料710的变形还可减少材料710附近的基板640和642 的部分中的压力变化。柔顺材料710还减少了由于每个部件的热膨胀 和收缩而导致在基板640和642与板641和649之间诱发的应力，因 此导致产生重整器632、煮沸器634和燃烧器630的更坚固的机械结构 和增加的保护。适于与柔顺材料710 —起使用的材料包括高温硅酮、 Teflon或具有适当的柔量和应对燃料处理器615中所用的升高温度的 能力的任何其它材料。在具体实施例中，柔顺材料710包括Wilmington DE的Graftech International提供的Grafoil。
在一个实施例中，柔顺材料710用作密封板640与壁部"8b的内 部之间的进入和排出口的垫圏.除了密封气体流之外，该垫圈还使芯 片组与坞部638和杜瓦容器150热隔离开来(参见下文)，由此减少 了来自燃料处理器615的热损失。
隔件730保持基板642与基板644之间的隔离。这减少了从基板 642向更冷的基板644进行的传热且允许更多的热量保持在基板642中 且传递至重整器632 (如催化剂702或通道637中的甲醇)。在一个实 施例中，隔件730包括刚性和低导热材料如陶瓷。另一种可选方式是， 隔件730可包括另一层柔顺材料710以进一步控制燃料处理器615中 的力且保护基板640和642以及板641和649。
坞壁728为燃料处理器615的内部部件如基板640和642、板6" 和649、重整器632、燃烧器630和煮沸器634提供机械保护。壳部6" 附接到坞部638上且也为燃料处理器615的内部部件提供机械保护。 壳部675包括至少部分包含重整器632、燃烧器630和煮沸器634的一 组壁部77。壁部77例如包括适当硬的材料如金属、陶瓷或刚性聚酯。壳部675可使用粘结剂或通过一个或多个螺栓附接到鸡部638上。壳 部675和塢部638 —起封闭重整器632、燃烧器630和煮沸器634。正 如结合杜瓦容器150进行描述地，壳部675和塢部638还可为燃料处 理器615提供热管理优点，
尽管燃料处理器615包括螺栓726以提供压缩力但应该预想其它机 械装置可用以施加力以保持重整器和煮沸器在燃料处理器内的位置。 例如，可用被构造以将压缩力提供到芯片组上的弹簧夹或垫片替换螺 检726,
通的进入和排出口。通过上述孔口 681和插口 682，坞部638允许将曱 醇从外部燃料处理器615输运通过壁部728b到达重整器632。相似地， 通过上述孔口 87和插口 701，塢部638允许将氢气从重整器输运通过 鸡部中包括的壁部到达外部燃料处理器。鸡部638因此还为由坞部638 保持的部件提供了气体和液体互连性能。
图5示出了用于在根据本发明的一个实施例的燃料处理器中产生 氢气的工艺流程500。燃料处理器包括燃烧器、重整器和至少部分地包 含燃烧器和重整器的杜瓦容器，尽管本发明迄今已经结合在此所述的 环状重整器和燃烧器设计对杜瓦容器进行了讨论，但是应该预期在此 所述的杜瓦容器对于包含其它重整器和燃烧器设计中的热量而言也是 有用的。多种构造采用设置在平面燃烧器顶上或下面的平面重整器。 在硅中制造的微通道设计普遍采用这种叠置平面构造且将受益于在此 所述的杜瓦容器。
工艺流程500通过在燃烧器中产生热量而开始(502 )。催化燃烧 器构造可包括上面描述的那些构造或硅上的微通道设计。在题目为"平 面微燃料处理器"且命名Ian Kaye为发明人且于与本专利申请相同的 曰期申请的共同所有的共同待审的专利申请中包括对适于与本发明一 起使用的微通道燃料处理器的进一步描述。该申请为了所有目的而被引 入以供参考。燃烧器中的催化剂有利于在存在加热燃料的情况下产生 热量。燃烧器还可采用包括响应于输入电流产生热量的电阻加热元件 的电燃烧器.
空气进入杜瓦容器的孔口且通过杜瓦容器室(504 )。对于图4A 所示的杜瓦容器，燃烧器30和杜瓦容器150共用壁部且空气沿至少部分地与空气通过燃烧器室105的方向相对的方向通过杜瓦容器室156。 随后使用燃烧器中产生的热量而在杜瓦容器室中加热空气(506 )。 热量通过传导传热而从燃烧器30行进至杜瓦容器室156。热量还可通 过对流和/或辐射传热从燃烧器行进至杜瓦容器室。 一旦处于杜瓦容器 室中，空气通常通过从杜瓦容器壁向空气进行的对流传热而被加热。 在一个实施例中，杜瓦容器与燃烧器共用壁部且使用来自共用壁部的 热量加热杜瓦容器室中的空气。来自燃烧器壁部的热量还可行进至杜 瓦容器中的其它壁部并在热量从共用壁部传递至另一个非共用杜瓦容 器壁之后加热杜瓦容器室中的空气。在共用壁部和非共用杜瓦容器壁 之间行进的热量通过在连接壁部之间传导或在面向壁部之间辐射而传 递。
工艺流程500随后在空气已经在杜瓦容器室中受到加热之后将变 暖空气供应至燃烧器(508 )。通常，燃料处理器包括杜瓦容器室的出 口和燃烧器的入口 -以及允许加热空气在其间通过的任何间歇管道设 备。对于图2A所示的燃料处理器，处于燃烧器端部处的杜瓦容器150 与燃烧器30之间的空间使空气从杜瓦容器按路线移动至燃烧器。
空气随后用于燃烧器中以进行催化燃烧从而产生热量。产生的热量 随后从燃烧器传递至重整器(510)。在重整器中，热量随后用于对燃 料源进行重整以产生氢气(512)。
工艺流程500的最初三个元素(502、 504或506 )还形成了管理燃 料处理器中的热量的方法。在这种情况下，燃烧器中产生的热量(so" 到达杜瓦容器中的空气(504 ),杜瓦容器150使燃料处理器壳体内部 的部件如燃烧器至少部分地热隔离开来且包含燃料处理器内的热量。
杜瓦容器因此减少了来自燃料处理器的热损失且帮助管理燃烧器与壳 体外表面之间的温度梯度.杜瓦容器还可包括延长的和/或多个杜瓦容 器室，空气通过所述杜瓦容器室且受到燃烧器中产生的热量的加热。 图4A示出了在杜瓦容器与燃料处理器的壳体之间形成的第二杜瓦容器 室158。空气首先通过室158随后进入杜瓦容器室156内。图4D示出 了包括延长的杜瓦容器室408的螺旋杜瓦容器。在这种情况下，杜瓦 容器250包括随着引入空气接近燃烧器而渐增地提供热量的一个壁部。 图4E示出了包括四个部分杜瓦容器室308的杜瓦容器300，其中每个 杜瓦容器室随着引入空气接近燃烧器而依次加热引入空气。图4F示出了包括四个环状且同心的矩形杜瓦容器室408的杜瓦容器，每个所述 杜瓦容器室随着引入空气向燃烧器行进而依次加热引入空气。
尽管已经根据多个优选实施例对本发明进行了描述，但存在落入本 发明的范围内且为简要缘故而已经省略的改型、置换和等效物。例如， 尽管如图3A所示，重整器32包括倒角，但本发明可在重整器32中采 用非倒角。此外，尽管已经根据形成大容积重整器32的整体式结构100 对本发明进行了描述，但本发明不限于设置在整体式结构中的大容积 重整器。因此预期应该结合所附权利要求确定本发明的范围。
权利要求
1、一种用于在燃料处理器中产生氢气的方法，所述燃料处理器包括燃烧器、重整器和至少部分包含所述燃烧器和重整器的杜瓦容器，所述方法包括在所述燃烧器中产生热量；使过程气体或液体通过杜瓦容器室；使用所述燃烧器中产生的热量加热所述杜瓦容器室中的所述过程气体或液体，其中使用来自由所述燃烧器和所述杜瓦容器共用的第一壁部的热量加热所述过程气体或液体，以及其中在热量从所述燃烧器传递至所述杜瓦容器的壁之后才加热所述杜瓦容器室中的所述过程气体或液体；在所述过程气体或液体已经在所述杜瓦容器室中受到加热之后将其供应至所述燃烧器；将所述燃烧器中产生的热量传递至所述重整器，其中所述燃料处理器包括由所述燃烧器和所述杜瓦容器共用的第二壁部，以及所述燃料处理器构造成允许从燃烧器催化剂通过所述壁部进行传导传热连通；和对燃料源进行重整以产生氢气。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述过程气体或液体沿与所 述过程气体或液体通过所述燃烧器室的方向至少部分相反的方向通过 所述杜瓦容器室。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述杜瓦容器室包括在所述 燃烧器的壁部与所述杜瓦容器的一组壁部之间形成的空间。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料处理器包括包含所 述杜瓦容器的壳体，和所述壳体和所述杜瓦容器形成第二杜瓦容器室， 所述笫二杜瓦容器室在所述杜瓦容器室接收所述过程气体或液体之前 接收所述过程气体或液体。
5、 根据权利要求4所述的方法，进一步包括使用所述燃烧器中产 生的热量加热所述第二杜瓦容器室中的所述过程气体或液体。
6、 根据权利要求5所述的方法，其中加热所述过程气体或液体包 括在所述燃烧器和所述杜瓦容器共用的壁部之间的进行对流或辐射传 热。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中所述杜瓦容器包括设置在所述内壁上的改进所述内壁的辐射热反射性能的辐射层。
8、 一种用于管理燃料处理器中的热量的方法，所述燃料处理器包 括燃烧器、重整器和至少部分地包含所述燃烧器的杜瓦容器，所述方法 包括在所述燃烧器中产生热量，所述燃烧器具有包括燃烧器催化剂的燃 烧器室；使过程气体或液体通过杜瓦容器室；和使用所述燃烧器中产生的热量加热所述杜瓦容器室中的所述过程 气体或液体，其中使用来自由所述燃烧器和所述杜瓦容器共用的壁部的 传导或辐射传热来加热所述过程气体或液体。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中所述过程气体或液体沿与所 述过程气体或液体通过所述燃烧器室的方向至少部分相反的方向通过 所述杜瓦容器室。
10、 根据权利要求8或9所述的方法，其中所述杜瓦容器室包括在 所述燃烧器壁部和所述杜瓦容器的一组壁部之间形成的空间。
11、 根据权利要求8或9所述的方法，其中所述燃料处理器包括包 含所述杜瓦容器的壳体，所述壳体和所述杜瓦容器形成第二杜瓦容器 室，所述第二杜瓦容器室在所述杜瓦容器室接收所述过程气体或液体之 前接收所述过程气体或液体。
12、 根据权利要求11所迷的方法，进一步包括使用所迷燃烧器中 产生的热量加热所述第二杜瓦容器室中的所述过程气体或液体，其中所 述燃烧器在大于约200摄氏度的温度下操作且所述壳体的外侧在所述燃 烧器中的生热过程中保持小于约50摄氏度。
13、 根据权利要求8或9所述的方法，其中所述杜瓦容器包括在横 截面上螺旋围绕所述燃烧器的壁部。
14、 根据权利要求8或9所述的方法，其中所述杜瓦容器包括在横 截面上螺旋围绕所述燃烧器的壁部，其中所述杜瓦容器包括一部分所述 螺旋壁部且所述燃烧器部分包括第二部分所述螺旋壁部，所述第二部分 包括所述燃烧器催化剂。
全文摘要
一种环状燃料处理器和方法，特别是用于在燃料处理器中产生氢气的方法。所述燃料处理器(15)包括重整器(32)和燃烧器(30)。所述重整器(32)包括用于产生氢气的催化剂。大容积重整器室增加了用于所述重整器中的催化剂的量且因此增加了对于给定燃料处理器尺寸产生的氢气。所述燃烧器将热量提供给所述重整器。一个或多个燃烧器可在多条边上围绕所述重整器以增加传热。杜瓦容器(150)可用以进一步增加对所述燃料处理器(15)的热管理且增加燃烧器效率。杜瓦容器包括在所述燃烧器接收入口空气(31)之前接收所述空气的一个或多个杜瓦容器室。使用由所述燃烧器(30)产生的热量在所述杜瓦容器室中对所述空气进行预热。
文档编号H01M8/04GK101447579SQ200810187098
公开日2009年6月3日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年6月27日
发明者A·索莫吉瓦里, I·W·凯, Q·坎 申请人:超电池公司