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DE102006031480B4 - Flacher Mikroreformer - Google Patents

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DE102006031480B4
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Won Jae Hwang
Sang Jin Kyonggi Kim
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Samsung Electro Mechanics Co Ltd
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Samsung Electro Mechanics Co Ltd
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Abstract

Dünner Reformer für eine Brennstoffzelle, welcher aufweist: ein Substrat, in welchem ein Strömungsweg gebildet ist; einen Brennstoff-Füllabschnitt zum Füllen des Strömungswegs mit Brennstoff; einen Reformer-Abschnitt, um auf einer Seite des Brennstoff-Füllabschnitts in dem Substrat einen Strömungsweg zu bilden, um den Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine wärmeabsorbierende Reaktion zu reformieren; einen CO-Entferner zum Bilden eines Strömungswegs auf einer gegenüberliegenden Seite des Brennstoff-Füllabschnitts in dem Substrat, um in dem Wasserstoffgas enthaltenes CO-Gas aus dem Wasserstoffgas durch eine wärmestrahlende Reaktion zu entfernen; dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Reformer eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Substrats und zum Abdichten der Strömungswege zu einer Außenseite aufweist, wobei der Brennstoff-Füllabschnitt die wärmeabsorbierende Reaktion des Reformer-Abschnitts und die wärmestrahlende Reaktion des CO-Entferners abteilt und eine reformierende Reaktion bewirkt, wobei der Reformer-Abschnitt mit einem breiten Strömungsweg-Abschnitt des CO-Entferners durch einen Verbindungsabschnitt mit einem Bereich mit kleinerem Querschnitt als dem des...

Description

  • Für diese Anmeldung wird die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 2005-77861 , angemeldet am 24. August 2005 beim koreanischen Patentamt, beansprucht.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen flachen Reformer für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft sie einen verbesserten flachen Mikroreformer mit einer Brennstoff-Ladevorrichtung, die zwischen einem Reformer-Abschnitt, der durch Absorbieren von Wärme reagiert, und einem CO-Entferner, der durch Emittieren von Wärme reagiert, angeordnet ist, um den Reformer-Abschnitt und den CO-Entferner abzuteilen. Der Reformer ermöglicht eine effektive Reformierungs-Reaktion auf einer einzigen Lage eines Substrats, das Senken des Innendrucks in dem CO-Entferner und das Eintreten von Außenluft mittels einer kleinen Pumpe.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Der aktuelle Anstieg in der Verwendung von Mobiltelefonen, PDAs, Digitalkameras, Laptops und anderen kleinen, tragbaren, elektronischen Vorrichtungen – und insbesondere der Beginn der DMB-Übertragung für Mobiltelefone – hat zu einem Bedürfnis nach effektiveren Energievorsorgungen für tragbare, kompakte Endgeräte geführt. Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, die heute in breitem Umfang verwendet werden, liefern nur Energie für 2 Stunden DMB-Sehen. Obwohl Anstrengungen unternommen werden, die Leistung derselben zu verbessern, wird die Brennstoffzelle als Alternativlösung für das oben genannte Problem betrachtet.
  • Verfahren solcher Brennstoffzellen schließen Direktmethanol-Brennstoffzellen, die Methanol an Brennstoffelektroden liefern, sowie RHFC-Brennstoffzellen (RHFC) ein, die Wasserstoff aus Methanol extrahieren, um dieses an Brennstoffelektroden zu liefern. In RHFC-Brennstoffzellen wird wie bei einer Polymerelektrodenmembran (PEM) Wasserstoff als Brennstoff verwendet, und sie weisen den Vorteil auf, dass sie leistungsstark sind, eine hohe verfügbare Leistungskapazität pro Mengeneinheit aufweisen und dass keine anderen Nebenprodukte als Wasser entstehen. Jedoch muss zu dem System ein Reformer hinzugefügt werden, wodurch die Vorrichtung für Miniaturisierung ungeeignet ist.
  • Um aus einer solchen Brennstoffzelle eine hohe Leistungsabgabe zu erhalten, wird ein Reformer verwendet, um flüssigen Brennstoff in Wasserstoffgas-Brennstoff umzuwandeln. Diese Art Reformer umfasst einen Verdampfer zum Umwandeln von flüssigem Methanol in eine gasförmige Form, einen Reformer-Abschnitt, der Methanol-Brennstoff in Wasserstoff durch katalytische Umwandlung bei einer Temperatur zwischen 250°C und 290°C umwandelt, und einen CO-Entferner (oder einen PROX), der das Nebenprodukt Kohlenmonoxid entfernt. Technologie ist erforderlich, um den Reformer-Abschnitt (der reagiert, um Wärme zu absorbieren) bei einer Temperatur zwischen 250°C und 290°C und den CO-Entferner bei einer Temperatur zwischen 170°C und 200°C zu halten, um die optimale Reaktionseffizienz zu erzeugen.
  • Jedoch wird Silizium, welches günstige Wärmeleiteigenschaften aufweist, als Substratmaterial verwendet und muss in einem Bereich angewendet werden, der isoliert wurde, um eine Wärmeableitung nach außen zu verhindern. Somit ist es schwierig, dass die Temperatur auf einem Substrat in zwei getrennten Abschnitten jeweils beibehalten wird, und eine Gestaltung, die dies ermöglicht, wird benötigt.
  • Wie in 1 dargestellt, ist ein herkömmlicher kompakter Reformer 250 in dem japanischen Patent Nr. 2004-288573 offenbart. Dieser herkömmliche kompakte Reformer 250 umfasst eine Wärmeisolierungs-Baugruppe 258 und einen Brennstoff-Verbrennungsverdampfer 251, einen Brennstoff-Verdampfungserzeuger 255, einen Brenner 252, einen CO-Entferner 257, einen weiteren Brenner 254, einen Reformer-Abschnitt 256 und noch einen weiteren Brenner 253, die aufeinanderfolgend in der Wärmeisolierungs-Baugruppe 258 gestapelt sind.
  • Wärmeisolierte Träger 261 und 262 sind unter dem Brennstoff-Verbrennungsverdampfer 251 eingebaut, um den Brennstoff-Verbrennungsverdampfer 251 zu stützen. Der Brennstoff-Verbrennungsverdampfer 251 ist von den Innenwänden der Wärmeisolierungs-Baugruppe 258 getrennt. Dementsprechend ist es schwierig, diesen herkömmlichen Reformer aufgrund seiner Mehrschicht-Struktur kompakt zu gestalten.
  • Ein anderer herkömmlicher kompakter Reformer ist in 2 dargestellt und in dem japanischen Patent Nr. 2003-45459 offenbart. Dieser herkömmliche Reformer umfasst ein erstes Substrat 352, welches eine flache Abdeckung bildet, ein zweites Substrat 354, welches auf seiner einen Seite Strömungswege 354a bildet und in dem eine katalytische Schicht 354b gebildet ist, und ein drittes Substrat 356, welches einen wärmeisolierenden Hohlraum 356b mit einer darin gebildeten Spiegelfläche 356a aufweist. Ein Reformer-Abschnitt wird durch den Strömungsweg 354a des zweiten Substrats 354 gebildet und weist die katalytische Schicht 354b auf, die Wasserstoffgas und CO2 aus Methanol und Wasser erzeugt, und ein Dünnfilm-Heizer 358 ist unter der katalytischen Schicht 354b entlang dem Reformer-Abschnitt gebildet.
  • Obwohl durch das Vorsehen des Heizers 358 in den Strömungswegen des oben genannten herkömmlichen Reformers die Wärmeeffizienz gesteigert wird, ist die Struktur komplex und somit schwierig herzustellen, und die katalytische Schicht 354b ist auf einen Abschnitt begrenzt, wodurch die Reformierungs-Effizienz gesenkt wird.
  • Ein weiterer herkömmlicher kompakter Reformer 400 ist in 3 dargestellt und in dem japanischen Patent Nr. 2004-066 008 A offenbart. Diese herkömmliche Technologie sieht einen im hohen Maß wärmeleitenden Wärmeleitungsabschnitt 413 aus Aluminium (für sehr effiziente Wärmeleitung) zwischen zwei Substraten 411 und 412 und eine reaktive katalytische Schicht 416 in dem feinen Strömungsweg 414, der in der Innenfläche des Hauptsubstrats 411 gebildet ist, vor.
  • Eine katalytische Verbrennungsschicht 417 wird in einem feinen Strömungsweg 415, der in der Innenfläche des Verbrennungssubstrats 412 gebildet ist, vorgesehen, und ein Dünnfilm-Heizer 423 ist auf der Außenfläche des Verbrennungssubstrats 412 vorgesehen.
  • Brennbarer Brennstoff, der in dem Strömungsweg 415 geliefert wird, wird durch eine Verbrennungsreaktion auf der katalytischen Verbrennungsschicht 417 verbrannt. Die durch die Verbrennung erzeugte Wärmeenergie und die Energie des Heizens des Dünnfilm-Heizers 423 werden zusammengefasst, um das Innere des Strömungswegs 414 zu heizen.
  • Dementsprechend wird der Verlust an Wärmeenergie, die zu der in den Strömungswegen 414 und 415 der Substrate 411 und 412 eingebauten reaktiven katalytischen Schicht 416 geliefert wird, reduziert.
  • Aus der DE 197 54 012 C2 ist ein Reformer vom Plattenstapeltyp bekannt. Dabei sind mehrere Platten unterschiedlicher Funktionalität, die von Strömungspfaden durchzogen sind, übereinander gestapelt. Die Stapelung erfolgt dabei so, dass die Platten, in denen die endotherme Wasserdampfreformierung erfolgt, in Wärmeaustausch mit den Platten steht, in denen die exotherme Kohlenmonoxidoxidation stattfindet.
  • In der nicht vorveröffentlichten Offenlegungsschrift EP 1 637 222 A2 wird ein plattenartiger Mikrowärmetauscher beschrieben, der zur Verdampfung von Flüssigkeiten verwendet werden kann. Die Wärme zur Verdampfung resultiert aus einer exothermen Reaktion.
  • Aus der EP 0 870 541 A2 ist eine chemische Reaktoranlage im Mikromaßstab bekannt, die aus einzelnen Substratplatten unterschiedlicher Funktionalität besteht. Der Reaktor kann zur Durchführung unterschiedlicher chemischer Reaktionen eingesetzt werden.
  • Aus der WO 2004/037406 A1 ist ein Mikroreformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Dieser Reformer umfasst einen ersten Reaktionsbereich, mit einem ersten Strömungsweg für eine erste chemische Reaktion, der erste Reaktionsabschnitt wird von einem Heizabschnitt erwärmt. Daneben ist ein zweiter Reaktionsabschnitt mit einem zweiten Strömungsweg vorgesehen, um eine zweite Reaktion durchzuführen, wobei Wärme über den ersten Reaktionsabschnitt zugeführt wird.
  • Aus der WO 2003/082460 A1 ist ebenfalls ein Mikroreformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
  • Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Strukturen sind jedoch mindestens 3 Dünnfilme gestapelt, wobei ein großer Reformer gebildet wird. Des Weiteren muss, um Luft in den CO-Entferner zu liefern, der einen hohen Innendruck aufweist, eine große Luftpumpe verwendet werden, um Druckluft zu liefern. Somit ist die Miniaturisierung von für den Reformer erforderlichen Bestandteilen problematisch.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung einen flachen Reformer, mit dem ein oder mehrere der Probleme aufgrund Beschränkungen und Nachteilen im Stand der Technik im Wesentlichen vermieden werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flachen Reformer zu schaffen, der dünn ausgebildet ist, so dass er in geeigneter Weise in einer Brennstoffzelle etc. verwendet werden kann.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten flachen Reformer vorzusehen, welcher einen Abfall des Innendrucks des CO-Entferners bewirkt, so dass eine Luftpumpe geringer Größe verwendet werden kann, wodurch die gesamte Vorrichtung miniaturisiert wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem flachen Reformer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Substrats und zum Abdichten der Strömungswege zu einer Außenseite aufweist, wobei der Brennstoff-Füllabschnitt die wärmeabsorbierende Reaktion des Reformer-Abschnitts und die wärmestrahlende Reaktion des CO-Entferners abteilt und eine reformierende Reaktion bewirkt, wobei der Reformer-Abschnitt mit einem breiten Strömungsweg-Abschnitt des CO-Entferners durch einen Verbindungsabschnitt mit einem Bereich mit kleinerem Querschnitt als dem des breiten Strömungsweg-Abschnitts verbunden ist.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende genaue Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft und erklärend sind und vorgesehen sind, um eine weitere Erklärung der Erfindung wie beansprucht zu bieten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen, welche eingeschlossen sind, um ein weiteres Verständnis der Erfindung vorzusehen, und in dieser Anmeldung eingeschlossen sind und einen Teil derselben bilden, stellen die Ausführungsformen(en) der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erklären. In den Zeichnungsfiguren ist:
  • 1 eine Schnittansicht eines Reformers gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine Schnittansicht eines alternativ strukturierten Reformers gemäß dem Stand der Technik;
  • 3 eine Schnittansicht eines Reformers mit einer noch anderen Struktur gemäß dem Stand der Technik;
  • 4 eine perspektivische Explosionsansicht eines flachen Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Darstellung einer Struktur eines flachen Reformers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 5a eine Draufsicht ist, 5b eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 5a ist und 5c eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 5a ist;
  • 6 eine Darstellung einer Struktur eines flachen Reformers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 6(a) eine Draufsicht ist, 6(b) eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C in 6(a) ist und 6(c) eine Schnittansicht entlang einer Linie D-D in 6(a) ist; und
  • 7 eine Draufsicht, welche ein Heizelement eines flachen Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, das eine elektrisch schaltbare Widerstands-Leiterbahn auf der Bodenfläche des Substrats bildet.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird nun genauer Bezug genommen auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
  • Wie in 4 dargestellt, weist ein flacher Reformer 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Substrat 10 mit einem darin gebildeten Strömungsweg auf. Das Substrat 10 kann aus Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmeresistentem Kunststoff sein, und vertiefte Strömungswege sind durch Ätzen in eine Seite des Substrats 10 gebildet.
  • Das heißt, dass Ätzen auf einer Seite des Substrats 10 durchgeführt wird, wobei eine gewünschte Anordnung von beabsichtigten Strömungswegen gebildet wird.
  • Ein Brennstoff-Füllabschnitt 20 ist vorgesehen, um die Innenseiten der Strömungswege des Substrats 10 mit Brennstoff zu füllen. Der Brennstoff-Füllabschnitt 20 ist, wie in 4 und 5 dargestellt, an einem annähernd zentralen Ort des Substrats 10 gebildet. Der Strömungsweg 22 des Brennstoff-Füllabschnitts 20 ist gebildet, um von einem Rand des Substrats 10 zum gegenüberliegenden Rand des Substrats 10 durch eine Vielzahl von abteilenden Wänden 24, die sich ebenfalls von einer Seite zur anderen des Substrats 10 erstrecken, zu verlaufen. Nachdem er sich derart in einer Richtung erstreckt, ist der Strömungsweg 22 gebildet, um in entgegengesetzter Richtung zu verlaufen.
  • Um flüssigen Brennstoff (Methanol) in den Brennstoff-Füllabschnitt 20 zu füllen, ist ein Brennstoff-Füllloch 110 in der Abdeckung 100, welche die Oberseite des Substrats 10 abdeckt, gebildet, so dass der flüssige Brennstoff in den Brennstoff-Füllabschnitt 20 gefüllt werden kann.
  • An dem Ausgangsende des Brennstoff-Füllabschnitts 20 ist ein Verdampfer 30 zum Erhitzen des flüssigen Brennstoffes und Umwandeln desselben in eine gasförmige Form gebildet. Der Verdampfer 30 verdampft flüssigen Brennstoff, so dass dieser in einem für das Reformieren optimalen Zustand ist. Eine Vielzahl abteilender Wände 34 zum Bilden eines Serpentinen-Strömungswegs 32 des Verdampfers 30 müssen keine darin gebildeten Katalysatoren aufweisen.
  • Der Verdampfer 30 weist jedoch, da er eine Wärmequelle ist, ein Heizelement 36 auf, das in einer elektrisch schaltbaren Widerstands-Leiterbahn auf der Bodenfläche gebildet ist, um den Verdampfer 30 auf der Oberseite des Substrats 10 durch das Substrat 10 zu heizen.
  • Ebenfalls ist bei dem erfindungsgemäßen Reformer ein Strömungsweg 42, durch welchen der Brennstoff fließt, in dem Substrat 10 an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet, und ein Reformer-Abschnitt 40 ist gebildet, um den Brennstoff durch wärmeabsorbierende Reaktion in Wasserstoffgas zu reformieren. Der Reformer-Abschnitt 40 ist zu einer Seite des Substrats 10 geneigt und an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet, und der Strömungsweg 42 ist mit dem Strömungsweg 32 des Verdampfers 30 verbunden. Abteilende Wände 44 sind gebildet, um den Strömungsweg 42 des Reformer-Abschnitts 40 in der gleichen Serpentinenform wie den Strömungsweg 32 des Verdampfers 30 zu bilden.
  • Somit sind die Strömungswege 32 und 42 des Verdampfers 30 und des Reformer-Abschnitts 40 in einer Serpentinen-Zickzack-Form entlang der gesamten Länge des Strömungswegs 22 des Brennstoff-Füllabschnitts 20 an dessen einer Seite gebildet, sie sind mit einer Vielzahl von abteilenden Wänden 34 und 44 gebildet und weisen einen Katalysator 46 zum Reformieren des Brennstoffs in dem Strömungsweg 42 des Verdampfers 40 in gasförmigen Wasserstoff auf. Wasserstoff wird zu einer Fülle von reformiertem Gas durch katalytische Reaktion des Brennstoffs in dem Reformer-Abschnitt 40 umgewandelt. Als Katalysator 46 des Reformer-Abschnitts 40 wird Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 verwendet. Der Katalysator 46 kann an den abteilenden Wänden 44, welche den Strömungsweg 42 bilden, befestigt sein.
  • Der Reformer-Abschnitt 40 reformiert Methanol oder andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe durch katalytische Umwandlung, welche von Wärmeabsorption begleitet wird, in Wasserstoffgas. Eine Wärmequelle, die für diesen Vorgang erforderlich ist, ist in Form eines Heizelements 48 gestaltet, das auf dem Boden des Substrats 10 gebildet ist. Das Heizelement 48 des Reformer-Abschnitts 40 ist in einer Leiterbahn eines elektrisch schaltbaren Widerstands auf der Bodenfläche des Substrats 10 gebildet und teilt den Reformer-Abschnitt 40 auf der Oberfläche des Substrats 10 durch das Substrat 10. Das Heizelement 48 des Reformer-Abschnitts 40 kann einstückig in einer einzelnen elektrisch schaltbaren Widerstands-Leiterbahn mit dem Heizelement 36 des Verdampfers 30 gebildet sein.
  • Gleichermaßen ist das Heizelement 48 des Reformer-Abschnitts 40 auf der Unterseite des Substrats 10 gebildet und hält den Reformer-Abschnitt 40 durch das Substrat 10 auf einer vorbestimmten Temperatur, vorzugsweise zwischen 250 und 290°C.
  • Ebenfalls ist an dem stromabwärts gelegenen Ende des Reformer-Abschnitts 40 des Substrats 10 bei der vorliegenden Erfindung ein CO-Entferner 60 gebildet, der CO aus dem durch den Reformer-Abschnitt 40 erzeugten reformierten Gas entfernt.
  • Der CO-Entferner 60 bildet einen Strömungsweg an dem gegenüberliegenden Ende des Brennstoffs-Füllabschnitts 20 in dem Substrat 10 und entfernt in dem Wasserstoffgas enthaltenes CO durch Wärme emittierende Reaktion.
  • Der Reformer-Abschnitt 40 liefert reformiertes Gas einschließlich Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid an den CO-Entferner 60, welcher durch einen engeren Verbindungsabschnitt 50 an dem Ende des Strömungswegs beliefert wird. Der Verbindungsabschnitt 50 erstreckt sich entlang des Rands des Substrats 10, und ein verbreiterter Strömungsweg-Abschnitt 54 mit einem größeren Strömungsweg als der des Verbindungsabschnitts 50 ist an dem Eingang des CO-Entferners 60 vorgesehen.
  • Das reformierte Gas einschließlich Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid strömt zuerst durch den engeren Verbindungsabschnitt 50 und wird dann in den breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 entladen, was zu einer Druckminderung führt, wenn es zu dem CO-Entferner 60 fließt.
  • Der CO-Entferner 60 bildet einen Strömungsweg 62 durch eine Vielzahl von abteilenden Wänden 64 des Verdampfers 30 und des Reformer-Abschnitts 40. An dem Eingangsende des Strömungswegs 62 oder dem breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 ist ein Lufteingangsloch 112 in der Abdeckung 100, welche die Oberfläche des Substrats 10 abdeckt, gebildet.
  • Ein Katalysator 66 zum Entfernen des durch den Reformer-Abschnitt 40 erzeugten CO-Gases ist in dem Strömungsweg 62 aufgetragen.
  • Bei dem reformierten Gas, das in den CO-Entferner 60 eintritt und mit Sauerstoff reagiert, um CO zu entfernen, kann der in dem CO-Entferner 60 verwendete Katalysator aus Pt, Pt/Ru und Cu/CeO/Al2O3 sein.
  • Der CO-Entferner 60 wandelt CO (das für Menschen schädlich ist) in CO2 (das für Menschen nicht schädlich ist) durch katalytische Umwandlung, die von einer Wärme emittierenden Reaktion begleitet wird. Eine für diesen Vorgang erforderliche Wärmequelle ist ein Heizelement 68 für den CO-Entferner 60, wobei die Heizquelle auf der Bodenfläche des Substrats 10 gebildet ist.
  • Das Heizelement 68 des CO-Entferners 60 ist auf dem Boden des Substrats 10 in Form einer elektrisch schaltbaren Widerstands-Leiterbahn gebildet und heizt den CO-Entferner 60 auf dem Substrat 10 durch das Substrat 10.
  • Das Heizelement 68 des CO-Entferners 60 ist als elektrisch schaltbare Widerstands-Leiterbahn gebildet und hält den CO-Entferner 60 bei einer vorbestimmten Temperatur von vorzugsweise 170 bis 200°C mittels einer angemessenen Stromzufuhr und deren Steuerung.
  • Ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung ist die Abdeckung 100, welche die Oberfläche des Substrats 10 abdeckt und die innen liegenden Strömungswege 22, 32, 42 und 62 nach außen abdichtet. Für die Abdeckung 100 können die gleichen Materialien wie für das Substrat 10 verwendet werden, zum Beispiel Silizium, Metall, Glas, Keramik und wärmebeständiger Kunststoff, und können fest eingebaut werden, indem sie auf die Oberfläche des Substrats 10 gebunden werden.
  • In der Abdeckung 100 können vertiefte Strömungswege gebildet sein, die den Strömungswegen 22, 32, 42 und 62 des Brennstoff-Füllabschnitts 20, des Verdampfers 30, des Reform-Abschnitts 40 und des CO-Entferners 60 entsprechen, so dass das Innenvolumen der von dem Substrat 10 und der Abdeckung 100 gebildeten Strömungswege vergrößert werden kann.
  • Wenn die Abdeckung 100 fest mit dem Substrat 10 verbunden ist, bildet sie eine Auslassöffnung 114 für reformiertes Gas in der Nähe des Ausgangs des Strömungswegs 62 des CO-Entferners 60. Das heißt, reformiertes Gas einschließlich Wasserstoffgas und CO2 strömt von dem CO-Entferner 60 zur Außenseite des Substrats 10.
  • Demgemäß bildet die Abdeckung 100 das Brennstoff-Füllloch 110 in dem Brennstoff-Füllabschnitt 20, das Lufteingangsloch in dem breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 am Eingang des CO-Entferners 60 und die Auslassöffnung 114 für reformiertes Gas am Ausgangsende des CO-Entferners 60, so dass flüssiger Brennstoff in reformiertes Gas einschließlich Wasserstoff und CO2 reformiert wird, das ausströmt.
  • In den dünnen Reformer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird flüssiger Brennstoff durch das Brennstoff-Füllloch 110 gefüllt, um durch den Brennstoff-Füllabschnitt 20 in den von dem Substrat 10 und der Abdeckung 100 gebildeten inneren Strömungsweg 22 zu strömen. Da dieser flüssige Brennstoff durch den im Groben mittleren Abschnitt des Substrats 10 fließt, teilt dieser den Reformer Abschnitt 40, der auf einer Seite des Substrats 10 vorgesehen ist, und den CO-Entferner 60, der auf der anderen Seite vorgesehen ist, ab.
  • Der flüssige Brennstoff, der durch den Brennstoff-Füllabschnitt 20 strömt, tritt in den Verdampfer 30 ein und wird bei der für das Reformieren notwendigen Temperatur, 250 bis 290°C, verdampft.
  • Dann tritt der verdampfte Brennstoff in den Reformer-Abschnitt 40, der an dem stromabwärts gelegenen Ende des Verdampfers 30 gebildet ist, ein und wird einer katalytischen Umwandlung, welche von Wärmeabsorption begleitet wird, bei einer Temperatur von 250 bis 290°C unterzogen, wobei reformiertes Gas einschließlich Wasserstoffgas, CO und CO2 erzeugt wird.
  • Das reformierte Gas strömt durch den engen Verbindungsabschnitt 50 des Strömungswegs und fließt stromabwärts zu dem CO-Entferner 60. Während dieses Vorgangs strömt reformiertes Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck durch den engen Verbindungsabschnitt 50 und wird druckgemindert, wenn es in den plötzlich breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 des CO-Entferners 60 eintritt, so dass der Druck des Gases in dem breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54 wesentlich niedriger ist als in dem Reformer-Abschnitt 40.
  • Dann strömt das reformierte Gas durch das Lufteingangsloch der Abdeckung 100 über dem breiteren Strömungsweg-Abschnitt 54, wobei es durch den CO-Entferner 60 strömt, während Luft eintritt.
  • Wärmestrahlung tritt in dem CO-Entferner 60 bei einer Temperatur von 170 bis 200°C auf, gemeinsam mit einer katalytischen Umwandlung einer selektiven Oxidation, wodurch CO in dem reformierten Gas in CO2 umgewandelt wird, so dass es für Menschen nicht schädlich ist.
  • An diesem Punkt wird reformiertes Gas mit Wasserstoffgas und CO2 erzeugt, während es durch den CO-Entferner 60 strömt, und das reformierte Gas strömt durch die Auslassöffnung 114 für reformiertes Gas in der Abdeckung 100 aus.
  • Der Brennstoff-Füllabschnitt 20, durch welchen in dem oben genannten Vorgang flüssiger Methanol-Brennstoff bei Raumtemperatur eingefüllt wird, ist bei der vorliegenden Erfindung in der Mitte des Reformer-Abschnitts 40 und des CO-Entferners 60 gebildet. Da ein separater Heizer oder Katalysatorheizer nicht eingebaut ist, wird die Wärme von 250 bis 290°C, die von dem Reformer-Abschnitt 40 geleitet wird, und die Wärme von 170 bis 200°C, die von dem CO-Entferner 60 geleitet wird, von dem flüssigen Brennstoff absorbiert. Somit kann der Brennstoff-Füllabschnitt 20 klar die Temperaturen des Reformer-Abschnitts 40 und des CO-Entferners 60 teilen.
  • Luft, die für die Oxidation in dem CO-Entferner 60 erforderlich ist, muss von außen geliefert werden; und in diesem Fall kann eine Pumpe (nicht dargestellt) zum Liefern von Luft durch das Lufteingangsloch 112 in der Abdeckung 100 eine kompakte Pumpe mit geringer Leistung sein. Das heißt, da sich das reformierte Gas von dem Reformer-Abschnitt 40 durch den Verbindungsabschnitt 50 mit einem Bereich mit schmalem Querschnitt zu dem breiten Strömungsweg-Abschnitt 54 des CO-Entferners 60 bewegt, dass der Abfall des Innendrucks in dem breiten Strömungsweg-Abschnitt 54 bewirkt, dass der Druck in dem breiten Strömungsweg-Abschnitt 54 wesentlich geringer ist als der Druck in dem Reformer-Abschnitt 40, so dass Luft von außen leicht durch das Lufteingangsloch 112 eintreten kann.
  • Demgemäß kann eine Pumpe, die Luft durch das Lufteingangsloch 112 liefert, im Vergleich zu jener im Stand der Technik kleiner sein.
  • 6 stellt die Struktur eines flachen Reformers 1' gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar.
  • Der flache Reformer 1' gemäß der alternativen Ausführungsformen hat, wenn er mit dem in 5 dargestellten flachen Reformer verglichen wird, breitere Strömungswege 42 und 62 des Reformer-Abschnitts 40 und des CO-Entferners 60. Ebenfalls sind die Katalysatoren 46 und 66' des Reformer-Abschnitts 40 und des CO-Entferners 60 nicht durch Beschichtung etc. auf den abteilenden Wänden 44 und 64 der Strömungswege 42 und 62 gebildet, sondern mit Partikeln gefüllt, zwischen denen der Brennstoff und die Gase fließen.
  • Insbesondere können Partikel aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 als Katalysator 46' in dem Reformer-Abschnitt 40 in den Strömungsweg 42 des Reformer-Abschnitts 40 gefüllt sein.
  • Hier können die Partikel aus einer Größe gebildet sein, die verhindert, dass sie durch den Verdampfer 30 am Anfang des Reformer-Abschnitts 40 oder dem Verbindungsabschnitt 50 am Ende des Reformer-Abschnitts 40 austreten.
  • Ebenfalls kann der in dem CO-Entferner 60 verwendete Katalysator 66' die Form von Partikeln aus Pt, Pt/Ru und Cu/CeO/Al2O3 annehmen.
  • Die Katalysatorpartikel 66' in dem CO-Entferner können eine Größe aufweisen, die verhindert, dass sie aus dem breiten Strömungsweg-Abschnitt 54 am Eingang des CO-Entferners 60 oder dem Austrittsloch 114 für reformiertes Gas am Ausgang des CO-Entferners 60 austreten.
  • Ebenfalls können in der Abdeckung 100, die an das Substrat 10 gebunden ist und dieses abdeckt, vertiefte Strömungswege gebildet sein, die den Strömungswegen 22, 32, 42 und 62 des Brennstoff-Füllabschnitts 20, des Verdampfers 30, des Reformers 40 und des CO-Entferners 60 entsprechen, so dass das Innenvolumen der Strömungswege 22, 32, 42 und 62, die durch das Substrat 10 und die Abdeckung 100 gebildet sind, vergrößert ist.
  • In dem flachen Reformer 1' gemäß der alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das heiße und unter hohem Druck stehende reformierte Gas von dem engen Verbindungsabschnitt 50, welcher den Reformer-Abschnitt 40 und den CO-Entferner 60 verbindet, zu dem breiten Strömungsweg-Abschnitt 54 weitergeleitet, um wirksam den Druck zu reduzieren. Somit muss die Leistung der Pumpe, welche Luft in das Lufteingangsloch 112 liefert, bei dieser Ausführungsform nicht groß sein und diese kann eine kompakte Pumpe sein.
  • Verglichen mit dem flachen Reformer 1, der in 4 und 5 dargestellt ist, ist der flache Reformer 1' gemäß der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gleich hinsichtlich der Materialien des Substrats 10 und der Positionen des Brennstoff-Füllabschnitts 20, des Verdampfers 30, des Reformer-Abschnitts 40, des CO-Entferners 60 und der Heizelemente, so dass die beiden Reformer gleiche Funktionen aufweisen.
  • Obwohl sich der flache Reformer 1' gemäß der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von dem in 4 und 5 dargestellten flachen Reformer 1 unterscheidet, ermöglichen die Partikel mehr Spielraum in der Anordnung oder Gestaltungen der Katalysatoren 46' und 66' und somit eine einfachere Herstellung desselben.
  • Der flache Reformer gemäß der vorliegenden Erfindung sieht einen Brennstoff-Füllabschnitt zwischen einem Reformer-Abschnitt und einem CO-Entferner auf einem einzelnen Substrat vor, um Wärme zwischen dem Reformer-Abschnitt und dem CO-Entferner zu blockieren, wodurch zwei separate Temperaturbereiche erzeugt werden und die Reaktionseffizienz für den jeweiligen Bereich gesteigert wird.
  • Ebenfalls ermöglichen das Substrat, in welchem Strömungswege gebildet sind, und eine Abdeckung, welche die Strömungswege abdeckt, ein Einfüllen, Verdampfen und Reformieren von Brennstoff sowie CO-Entfernung, die aufeinanderfolgend auf einer einzelnen Fläche des Substrats durchgeführt werden, wodurch ein flaches Profil des Reformers möglich wird.
  • Des Weiteren bewegt sich das reformierte Gas, das von dem reformierenden Abschnitt zu dem CO-Entferner strömt, von einem Bereich des Strömungswegs mit schmalen Querschnitt zu einem breiten Strömungsweg-Abschnitt mit größerem Querschnittsbereich, so dass der Innendruck des CO-Entferners in dem breiten Strömungsweg-Abschnitt reduziert wird, was die Verwendung einer Luftpumpe geringer Größe ermöglicht. Das für den Reformer erforderliche Gesamtvolumen kann somit reduziert werden.

Claims (11)

  1. Dünner Reformer für eine Brennstoffzelle, welcher aufweist: ein Substrat, in welchem ein Strömungsweg gebildet ist; einen Brennstoff-Füllabschnitt zum Füllen des Strömungswegs mit Brennstoff; einen Reformer-Abschnitt, um auf einer Seite des Brennstoff-Füllabschnitts in dem Substrat einen Strömungsweg zu bilden, um den Brennstoff in Wasserstoffgas durch eine wärmeabsorbierende Reaktion zu reformieren; einen CO-Entferner zum Bilden eines Strömungswegs auf einer gegenüberliegenden Seite des Brennstoff-Füllabschnitts in dem Substrat, um in dem Wasserstoffgas enthaltenes CO-Gas aus dem Wasserstoffgas durch eine wärmestrahlende Reaktion zu entfernen; dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Reformer eine Abdeckung zum Abdecken eines oberen Abschnitts des Substrats und zum Abdichten der Strömungswege zu einer Außenseite aufweist, wobei der Brennstoff-Füllabschnitt die wärmeabsorbierende Reaktion des Reformer-Abschnitts und die wärmestrahlende Reaktion des CO-Entferners abteilt und eine reformierende Reaktion bewirkt, wobei der Reformer-Abschnitt mit einem breiten Strömungsweg-Abschnitt des CO-Entferners durch einen Verbindungsabschnitt mit einem Bereich mit kleinerem Querschnitt als dem des breiten Strömungsweg-Abschnitts verbunden ist.
  2. Reformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Füllabschnitt ungefähr in der Mitte des Substrats gebildet ist und eine Vielzahl von abteilenden Wänden aufweist, die einen Strömungsweg von einem Rand zu einem gegenüberliegenden Rand des Substrats bilden und bewirken, dass flüssiger Brennstoff von einem Rand des Substrats zu einem gegenüberliegenden Rand des Substrats und dann in einer entgegengesetzten Richtung fließt.
  3. Reformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Verdampfer aufweist, der zwischen einem Ausgangsende des Brennstoff-Füllabschnitts und dem Reformer-Abschnitt gebildet ist, wobei der Verdampfer den flüssigen Brennstoff erhitzt und verdampft und von einem Heizelement beheizt wird, das auf einer Unterseite des Substrats gebildet ist.
  4. Reformer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer eine Vielzahl abteilender Wände zum Bilden eines Serpentinen-Strömungswegs aufweist.
  5. Reformer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg des Reformer-Abschnitts in einer zu dem Verdampfer gleichen Serpentinenform gebildet ist und einen Katalysator aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 aufweist, der auf dessen abteilenden Wänden gebildet ist.
  6. Reformer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg des Reformer Abschnitts in einer Serpentinenform gebildet ist, die größer ist als die des Verdampfers und sich von dieser unterscheidet, und Katalysatorpartikel aufweist, die aus Cu/ZnO oder Cu/ZnO/Al2O3 gebildet sind und in diesen gefüllt sind.
  7. Reformer gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement des Reformer-Abschnitts aus einer elektrisch schaltbaren Widerstands-Leiterbahn auf der Bodenfläche des Substrats gebildet ist und den Reformer-Abschnitt über dem Substrat durch das Substrat heizt.
  8. Reformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CO-Entferner einen Strömungsweg durch eine Vielzahl abteilender Wände bildet, wobei die abteilenden Wände mit Katalysatoren beschichtet sind, die entweder aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 gebildet sind.
  9. Reformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CO-Entferner einen Strömungsweg durch eine Vielzahl abteilender Wände bildet und der von dem CO-Entferner gebildete Strömungsweg mit Katalysatorpartikeln gefüllt ist, die entweder aus Pt, Pt/Ru oder Cu/CeO/Al2O3 gebildet sind.
  10. Reformer gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement des CO-Entferners in einer elektrisch schaltbaren Widerstands-Leiterbahn auf einer Unterseite des Substrats gebildet ist und den CO-Entferner durch das Substrat heizt.
  11. Reformer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abdeckung vertiefte Strömungswege gebildet sind, die den Strömungswegen des Brennstoff-Füllabschnitts, des Verdampfers, des Reformer-Abschnitts und des CO-Entferners entsprechen, wobei die vertieften Strömungswege das Innenvolumen der von dem Substrat und der Abdeckung gebildeten Strömungswege erhöhen.
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