[发明专利]燃料电池系统及其操作方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2005年6月24日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请2005-55295的优先权，其公开全部引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地，本发明涉及一种燃料重整或转化系统，其能够提高燃料电池系统的效率。

背景技术

已经研究并开发出燃料电池系统作为保证符合对功率要求增加的电源以及解决环境问题的替换物。一般地，燃料电池系统通过例如，H₂和O₂之间的电化学反应产生电能。通常，氢气从含氢的燃料中得到。含氢的燃料包括醇燃料如甲醇、乙醇等；烃燃料如甲烷、丙烷、丁烷等；及天然气燃料如液化天然气等。

基于燃料、催化剂、电解液等，燃料电池系统分为磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)，聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)，碱性燃料电池(AFC)等。然而，这些不同类型的燃料电池基本上按照相同的原理工作。而且，燃料电池系统可以用于各种领域，包括移动装置、运输工具、分散电源等。

PEMFC利用通过重整或转化含氢原子的燃料得到的氢发电。通常PEMFC系统具有良好的输出能力，在低温下工作，启动迅速，并且响应时间短。而且，PEMFC系统具有非常广泛的应用，可以用于移动装置如汽车；用于住宅或公共建筑物的分散电源；用于便携式电子器件的小电源等。一般PEMFC系统包括储存燃料的燃料容器，将燃料重整或转化成氢气的重整器或转化器，及利用氢气发电的燃料电池组。

发明内容

本发明一方面提供一种燃料电池系统，其包括：燃料转化反应器，该燃料转化反应器用于通过其中的反应物的一种或多种反应，将反应物转化成包含氢气的反应产物；该燃料转化反应器的至少一个入口，该至少一个入口用于接收提供给燃料转化反应器的反应物；及燃料转化反应器的至少一个出口，该至少一个出口用于从燃料转化反应器中排出反应产物。在该燃料电池系统中，所述至少一个出口的开孔尺寸大于至少一个入口的开孔尺寸。

在上述系统中，各入口均具有一定尺寸的单个开孔(single opening)，各出口均具有一定尺寸的单个开孔，其中所述至少一个出口的开孔总尺寸可以大于至少一个入口的开孔总尺寸。所述至少一个出口的开孔总尺寸是指至少一个出口的开孔尺寸之和。所述至少一个入口的开孔总尺寸是指至少一个入口的开孔尺寸之和。至少一个出口的开孔总尺寸与至少一个入口的开孔总尺寸之比可以为约1.5～3。各入口的开孔尺寸均是在垂直于反应物经过入口流入的总体方向的平面上测量的，且各出口的开孔尺寸均是在垂直于反应产物经过出口流出的总体方向的平面上测量的。排出速度可以比供给速度快约1.5～4倍。

还在上述系统中，燃料转化反应器可以包括沟槽，该沟槽提供反应的空间，并且还提供反应物和反应产物中的至少一种的通道。所述沟槽具有截面尺寸，该截面尺寸是在沟槽中给定点的截面尺寸最小的平面中截取的，其中所述沟槽具有至少一部分是所述截面尺寸沿着沟槽而变化。在所述至少一部分内的截面尺寸总体上可以沿沟槽至至少一个出口的方向逐渐增加。在所述至少一部分内的截面尺寸总体上可以沿沟槽至至少一个出口的方向以至少一个梯级增加。沟槽可以包括至少一部分，在该至少一部分中，沟槽会分枝为朝向至少一个出口的两条或多条分沟槽。至少部分的所述两条或多条分沟槽可以在朝向所述至少一个出口的下游汇合。可以使燃料转化反应器构建成其中可以形成有沟槽的板形。燃料电池系统还可以包括利用氢气发电的燃料电池组。燃料电池系统还可以包括CO清除器，该CO清除器与燃料转化反应器的出口相连，用于至少部分地除去从所述出口排出的反应产物中存在的CO。

本发明另一方面提供一种操作燃料电池系统的方法。该方法包括提供燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料转化反应器，所述燃料转化反应器包括至少一个入口和至少一个出口；通过该至少一个入口，以一定的供给速度(体积/时间)将包括燃料的反应物提供给燃料转化反应器；通过燃料转化反应器中反应物的一种或多种反应，将反应物转化成包含氢气的反应产物；及通过至少一个出口，以一定的排出速度(体积/时间)将反应产物从燃料转化反应器中排出。在该方法中，排出速度实质上大于供给速度。该方法还包括利用从燃料转化反应器中排出的氢发电。