CN100341185C - 燃料电池系统和其中使用的燃料供应单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，其包括至少一台发电机、燃料供应单元和氧气源，发电机通过氢和氧之间的电化学反应产生电能，燃料供应单元向发电机提供含氢的燃料，氧气源向至少一台发电机提供氧气。燃料供应单元包括限定内部空间的外部罐，以及设置在圆柱形外部罐内部空间中、用于储存燃料、带有可变形壁的内部燃料储存罐。通过使用偏置机构对外部罐的内部空间施加压缩力而使内部燃料储存罐变形以从内部燃料储存罐排出燃料。

Description

燃料电池系统和其中使用的燃料供应单元

发明领域

本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及具有结构改进了的燃料供应单元的燃料电池系统。

发明背景

众所周知，燃料电池是一种发电系统，其中氧和来自碳氢化合物例如甲醇、乙醇和天然气中所包含的氢之间的化学反应的能量被直接转换为电能。

燃料电池通常分为磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池、聚合物电解质燃料电池、碱性燃料电池或其它类型的燃料电池。通常，这些不同类型的燃料电池工作的基本原理相同，但是所用的燃料类型、工作温度、采用的催化剂和使用的电解质彼此不同。

最近研发出了聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)，其相对于其它燃料电池具有优异的输出特性、低工作温度以及快速启动和响应特性。PEMFC可以广泛用于交通工具使用的移动电源、家庭或建筑物使用的分布式电源、电子器械使用的小型电源等等。

PEMFC系统主要包括堆叠体(stack)、重整器(reformer)、燃料罐和燃料泵。燃料泵将来自燃料罐的燃料提供给重整器。重整器重整燃料以产生氢气，氢气随作为氧气源的空气一起提供给堆叠体。在堆叠体上，氢和氧反应产生水和电。

向堆叠体提供空气时，由于提供给重整器的燃料具有一定的压力，由堆叠体产生的部分电功率通常消耗在向系统提供燃料和空气中。系统消耗的这种能量称为寄生功率(parasitic power)。尤其在需要附加的泵来向重整器提供燃料的系统中，这种寄生功率将使整个系统的能量效率降低。

采用外部泵的传统燃料电池系统存在的另一问题是需要为附加的泵准备额外的空间。这给减小整个系统的尺寸带来了困难。

发明内容

根据本发明一实施方式，提供了一种燃料电池系统，其具有在通过减小寄生功率的同时减小整个系统尺寸来提高系统效率的燃料供应单元。

根据本发明一实施方式，提供了一种用于燃料电池系统的燃料供应单元，包括：限定内部空间的外部罐和设置在外部罐内部空间中、具有可变形壁的内部燃料储存罐。通过由偏置机构施加的压缩力挤压内部燃料储存罐的可变形壁排出燃料。在一实施方式中，所述外部罐基本上呈圆柱形。

在另一实施方式中，内部燃料储存罐包括柔性外壁。例如，内部燃料储存罐可以包括波纹管形壁部分。

在本发明一实施方式中，偏置机构包括与外部罐连接的压缩气体源。通过向外部罐的内部空间注入压缩气体，对内部燃料储存罐施加压力挤压它，从而根据所使用的燃料电池系统类型将燃料导向重整器或堆叠体。

根据本发明另一实施方式，燃料供应单元的偏置机构包括设置在外部罐内部空间中、并且与内部燃料储存罐连接的弹性元件。

根据本发明再一实施方式，将燃料电池系统设置为包括至少一发电机、燃料供应单元和氧气源，发电机通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能，燃料供应单元向发电机提供包含氢气的燃料，氧气源向所述至少一发电机提供氧气。

在该实施方式中，如上面进一步详细描述的那样，燃料供应单元可以包括限定圆柱形内部空间的圆柱形外部罐，以及用于储存设置在圆柱形外部罐的内部空间中的燃料、带有可变形壁的内部燃料储存罐。通过使用与圆柱形外部罐连接的偏置机构对外部罐的内部空间施加压缩力从而压缩内部燃料储存罐来排出燃料。

本发明的燃料电池系统可以包括由多个发电机堆叠而成的堆叠体。

在本发明燃料电池系统的另一实施方式中，外部罐包括注入口和排出口，来自压缩气体源的压缩气体通过注入口被注入外部罐的内部空间，燃料通过排出口被导入重整器或堆叠体。

为了便于将燃料供应单元连接到重整器或堆叠体上或者从重整器或堆叠体上卸下，本发明的燃料电池系统还可以包括带有螺纹连接部分的排出口。

本发明的燃料电池系统还可以包括圆柱形外部罐，该圆柱形外部罐包括用于选择性地开启和关闭注入口和排出口的静压阀。

在本发明燃料电池系统的一实施方式中，偏置机构可以包括设置在圆柱形外部罐内部空间中、并且与内部燃料储存罐连接的弹性元件。这种弹性元件的一个例子是压缩弹簧。

在本发明的燃料电池系统中，氧气源可以包括从大气中抽吸空气从而向至少一台发电机提供氧气的气泵。

本发明的燃料电池系统可以采用直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell，DMFC)结构。

根据本发明另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：至少一台发电机、重整器、燃料供应单元和氧气源，其中发电机通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能，重整器从包含氢气的燃料中产生氢气，并且向所述至少一台发电机提供氢气，燃料供应单元如上所述用于向重整器提供燃料，氧气源向发电机提供氧气。

附图说明

通过参考附图对示例性实施方式的详细说明，本发明的上述和其它特点和优点将更加明晰。附图中：

图1是本发明一实施方式的燃料电池系统结构的示意图；

图2是如图1所示的燃料电池堆叠体结构的分解透视图；

图3是图1所示的燃料供应单元的局部剖切透视图；

图4是图3所示的燃料供应单元的横截面图；

图5是燃料供应单元的另一实施方式的横截面图；

图6是本发明一实施方式的燃料电池系统的运行的横截面图；

图7是燃料供应单元的另一实施方式的横截面图；

图8是本发明另一实施方式的燃料电池系统的整体结构的示意图；和

图9是图8所示的燃料供应单元的横截面图。

具体实施方式

下文将参考附图详细说明本发明的示例性实施方式，以使本领域技术人员可方便地实施本发明。当然，本发明可以有多种不同的实施方式，而不限于下面所描述的示例性实施方式。

图1是本发明第一实施方式的燃料电池系统的整体结构示意图，图2是图1所示的燃料电池的堆叠体结构的分解透视图。

参考这些附图，本发明此实施方式的燃料电池系统100采用聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)结构。通过重整含有氢气的燃料产生氢气，通过氢气和氧气反应产生电能。

在燃料电池系统100中产生电能的燃料可以是含氢的任何燃料，例如甲醇、乙醇、天然气等。为了方便起见，在本说明书中，术语“液体燃料”是指以流体形式提供的任何燃料，无论其是真的液体燃料例如甲醇或乙醇，还是气体燃料例如天然气。

在燃料电池系统100中，可以纯氧气的形式提供氧气，或者一些其它氧气源例如空气也可以用作氧气源。在随后的描述中，将空气用作氧气源。

本发明的燃料电池系统100包括堆叠体10、重整器20、燃料供应单元30和氧气源50，堆叠体包括从氢气和氧气之间的电化学反应产生电能的至少一台发电机11，重整器从液体燃料中产生氢气并向发电机11提供氢气，燃料供应单元储存燃料并向重整器20提供燃料，氧气源向堆叠体10的发电机11提供氧气。

每台发电机11包括与膜电极组件12的相对表面相邻的一对隔板16，因此形成具有如本实施方式所示堆叠结构的堆叠体10。每一膜电极组件12在其相对表面上具有阳极和阴极，用于通过氧化还原反应使氢气和空气中的氧进行反应。隔板16向膜电极组件12的两侧提供氢气和空气，并且串联连接阳极和阴极。

用于向发电机11提供氧气的氧气源50包括向发电机11提供加压空气的空气压缩机51。

重整器20具有例如经过催化反应从燃料中产生氢气的常规结构。向重整器提供热能，在一实施方式中，产生具有低含量的一氧化碳的氢气流。适用于重整器20的催化反应包括水蒸汽重整、部分氧化、自然反应等等。重整器20利用催化反应例如水气转化法、选择氧化法等等，或者利用隔离膜减少氢气中所含的一氧化碳浓度的提纯氢的方法。

下面参考图3到5详细说明向重整器20提供燃料的本发明的燃料供应单元30。

图3是图1所示燃料供应单元结构的局部截面透视图，图4是图3所示燃料供应单元的横截面图。

参考这些附图，本发明的燃料供应单元30包括与重整器20连接的圆柱形外部罐31、处于圆柱形外部罐31的内部空间用于储存燃料的内部燃料储存罐36和连接到圆柱形外部罐31用于对内部燃料储存罐36施加压力的偏置机构34。

圆柱形外部罐31是封闭的限定具有预定体积的内部空间的圆柱形容器。在圆柱形外部罐31一端设有与内部空间相通的注入口32并设有与内部燃料储存罐相通的排出口33。注入口32连接到下面将更详细说明的偏置机构34。排出口33或连接到重整器20或直接连接到堆叠体10。

内部燃料储存罐36设置在圆柱形外部罐31的内部空间内，而且限定内部可储存燃料的燃料储存空间。用于本实施方式的内部燃料储存罐36由柔性材料制成，从而可以通过偏置机构34使燃料储存空间变形。

圆柱形外部罐31的排出口33设有静压阀39，在内部燃料储存罐36变形而且燃料储存空间内燃料的压力升高时，静压阀可选择性地开启和关闭排出口33。静压阀39是现有公知结构的压力调节器，其包括针形阀，这种针形阀具有用于选择性地开启和关闭排出口33的阀芯和使阀芯朝中心弹性地偏置的弹簧。因此，在偏置机构34施加压力使得内部燃料储存罐36的内部压力上升到预先设定的压力时，阀芯克服弹簧的弹力，从而使静压阀39开启排出口33，进而向重整器20导入加压燃料。当内部燃料储存罐36的内部压力小于预先设定的压力时，阀芯被弹簧弹性地偏置，因此静压阀39关闭排出口33。

偏置机构34对内部燃料储存罐36提供压缩力，从而通过圆柱形外部罐31的排出口33将储存在内部燃料储存罐36中的燃料导引到重整器20。根据本实施方式，偏置机构34包括压缩气体源例如压缩空气罐34A。

压缩空气罐34A连接到圆柱形外部罐31的注入口32，并向圆柱形外部罐31的内部空间提供压缩气体。另一静压阀35根据施加到圆柱形外部罐31的内部空间的压力选择性地开启和关闭注入口32，该阀设置在压缩空气罐34A和圆柱形外部罐31的注入口32之间。静压阀35是现有的公知结构的压力调节器，它包括具有选择性地开启和关闭注入口32的阀芯和使阀芯朝中心弹性地偏置的弹簧的针形阀。因此，当施加给圆柱形外部罐31的内部空间的压缩气体的压力小于可以压缩内部燃料储存罐36以开启注入口32的预先设定的压力时，阀芯通过压缩空气罐34A内储存的压缩气体的压力克服弹簧的弹力，因此静压阀35开启注入口32。当圆柱形外部罐31的内部空间内压缩气体的压力大于预先设定的压力时，弹簧使阀芯弹性地偏置，因此静压阀35关闭注入口32。

尽管介绍了利用压缩气体源例如压缩空气罐34A的偏置机构，当然也可以使用各种其它的压缩气体源或其它流体。作为一个实例，可以使用空气压缩机来提供压缩空气。作为另一实例，可以使用来自给堆叠体提供空气的空气压缩机51的一部分压缩空气流。作为再一实例，可以给外部罐提供一定压力下的液压用液体例如油或水，以提供必要的压力使内部燃料罐收缩，并将燃料或导入重整器或导入堆叠体。如果使用液压用液体，可以使用现有的公知型号的液压泵来向液压用液体施加必要的压力。

在图4的实施方式中，螺纹连接部分40将圆柱形外部罐31的排出口33连接到重整器20，该连接部分设置在圆柱形外部罐31和重整器20之间。在本实施方式中，螺纹连接部分40具有形成在圆柱形外部罐31的排出口33外侧的外螺纹部分42和形成在重整器20中与之相配的内螺纹部分41。

参考图5，该图示出了燃料供应单元130的另一实施方式。根据此实施方式，圆柱形外部罐31、偏置机构34和其它相关的元件都和前面介绍的相同，其不同之处在于使用由波纹状壁137限定的内部燃料储存罐136。此特点使内部燃料储存罐136可以选择性地通过偏置结构34压缩和膨胀。

下面，将详细说明根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的运行。

图6是本发明的图3和4所示的实施方式的燃料电池系统运行的横截面图。

参考图1至图4和图6，压缩气体源34A和圆柱形外部罐31的注入口32彼此连接，圆柱形外部罐31的排出口33和重整器20通过螺纹连接部分40彼此连接。

压缩气体源34A提供的压缩气体通过注入口32注入到圆柱形外部罐31的内部空间。随着压缩气体填充圆柱形外部罐31的内部空间和内部空间压力上升，内部燃料储存罐36变形、收缩。当内部燃料储存罐36的内部压力大于静压阀39的预先设定的压力时，外部罐31的排出口33打开。

由于压缩气体的压力使内部燃料储存罐36收缩时，储存在内部燃料储存罐36中的燃料受到来自内部燃料储存罐的压力，并通过排出口33将储存在内部燃料储存罐中的燃料提供给重整器20。

然后，重整器20从来自内部燃料储存罐36的燃料中产生氢气，并且向堆叠体10的发电装置11提供氢气。在一实施方式中，通过重整器产生含有低浓度的一氧化碳的氢。

同时，启动空气压缩机51并向发电机11提供压缩空气。因此，发电机11通过氢气和来自空气的氧之间的电化学反应产生电能。

在此生产过程中，当内部燃料储存罐36的内部压力低于预先设定的压力时，静压阀39关闭圆柱形外部罐31的排出口33，从而中断从内部燃料储存罐36到重整器20的燃料流。

当施加给外部罐31内部空间的压缩气体的压力低于预先设定的压力时，静压阀35开启外部罐31的注入口32，从而通过注入口32从压缩空气源34A向外部罐31的内部空间注入压缩气体。当施加给外部罐31内部空间的压缩气体的压力高于预先设定的压力时，静压阀35关闭外部罐31的注入口32，从而中断进入外部罐31内部空间的压缩空气流。

图7是说明本发明燃料供应单元的另一实施方式的横截面图。

参考此附图，燃料供应系统230设有外部罐231和具有柔性侧壁238的内部燃料储存罐236。燃料供应系统230还包括具有挤压内部燃料储存罐236的弹性元件234B的偏置机构234。

弹性元件234B设置在外部罐231的内部空间中，并且与内部燃料储存罐236连接。在本实施方式中，弹性元件234B包括具有预定弹力的压力弹簧。弹性元件234B的一端与外部罐231的内壁相连，其另一端与内部燃料储存罐236的主体相连。

因此，通过从弹性元件234B向内部燃料储存罐236施加弹力，使内部燃料储存罐236变形，从而通过静压阀239从外部罐231的排出口233排出内部燃料储存罐中储存的燃料。设置的螺纹连接部分240包括拧接到重整器20的内螺纹部分42上的排出口233的外螺纹部分241。

本领域技术人员应该清楚，依靠加压流体例如压缩气体来引起内部燃料储存罐必要的变形的那些偏置机构通常需要使用可对流体密封的外部罐。同样，还应该清楚的是，那些依靠机械力而不是液压力或者气动力来引起内部燃料储存罐必要的变形的偏置机构则不需要对流体进行密封。

图8是本发明另一实施方式的燃料电池系统的整体结构的简图，图9是图8所示燃料供应单元的横截面图。

参考这两幅附图，本实施方式的燃料电池系统200采用直接甲醇燃料电池(DMFC)结构，其中将含氢的甲醇燃料直接提供给堆叠体70，通过甲醇释放的氢和氧之间的电化学反应产生电能。燃料电池系统200采用直接甲醇燃料电池结构不需要图1所示的重整器20，这和根据第一实施方式采用聚合物电解质薄膜燃料电池结构的燃料电池系统不同。

燃料电池系统200包括堆叠体70、燃料供应单元80和氧气源50，堆叠体70具有至少一台供有含氢和氧的甲醇燃料且产生电能的发电机71，燃料供应单元80储存燃料并向堆叠体70的发电机71供应燃料，氧气源50向发电机71供应氧气。

本实施方式的堆叠体70通过构成发电机71的膜电极组件72的催化层从燃料中产生氢，而且通过氢气和氧之间的电化学反应产生电能。

由于堆叠体70具有在传统的直接甲醇燃料电池中采用的堆叠体结构，因此将省略对其的详细说明。此外，由于氧气源50具有和之前的实施方式相同的结构，因此也省略对其的详细说明。

根据本实施方式，燃料供应单元80包括与堆叠体70相连的圆柱形外部罐81、设置在外部罐内部空间中用于储存燃料的内部燃料储存罐86、以及与外部罐81相连并挤压内部燃料储存罐86的偏置机构84。

外部罐81具有和前面的实施方式相同的排出口83，而且通过螺纹连接部分90与堆叠体的发电机71相连。螺纹连接部分90具有形成在外部罐81的排出口83的外侧的外螺纹部分91，而且与形成在堆叠体中的内螺纹部分92连接。

由于本实施方式的燃料供应单元80的结构和第一实施方式的结构相同，将省略对其详细描述。在和本实施方式相关的附图中，所示出的偏置机构84和前述同样的压缩气体源84A的情况相同。但是，本发明不局限于这种结构，而且偏置机构84可以包括弹性元件(见图7的34B)或者如上所述的各种其它机构。

如上所述，在本发明的燃料电池系统中，通过使用偏置机构压缩内部燃料储存罐来向重整器或者堆叠体提供燃料，所以可以减少驱动整个系统所需的寄生功率，从而可以进一步提高系统的能量效率。

而且，在本发明的燃料电池系统中，由于可以省去传统的燃料泵，所以可以减小整个系统的尺寸。

再者，在本发明的燃料电池系统中，由于燃料供应单元可以通过螺纹连接部分无碍地连接到重整器或堆叠体或者从重整器或堆叠体上拆卸，所以可简化安装和更换操作，提高了系统的可靠性。

尽管上面已结合特定的示例性实施方式对本发明的实施方式进行了详细说明，但是本领域技术人员可以理解，在不超出所附的权利要求限定的本发明构思和保护范围的前提下，可在形式和细节上作出各种改变。

Claims (36)

1.一种用于燃料电池系统的燃料供应单元，该燃料供应单元包括：

限定内部空间的外部罐；

用于储存燃料的内部燃料储存罐，该内部燃料储存罐包括可变形壁并处于所述外部罐的内部空间中；及

适于向所述内部燃料储存罐施加压缩力而使内部燃料储存罐变形以从内部燃料储存罐排出燃料的偏置机构。

2.如权利要求1所述的燃料供应单元，其中，所述内部燃料储存罐具有柔性外形。

3.如权利要求2所述的燃料供应单元，其中，所述内部燃料储存罐的可变形壁包括波纹形壁。

4.如权利要求3所述的燃料供应单元，其中，所述外部罐呈圆柱形。

5.如权利要求1所述的燃料供应单元，其中，所述偏置机构包括与所述外部罐的内部空间相通的压缩气体源。

6.如权利要求1所述的燃料供应单元，其中，所述偏置机构包括设置在圆柱形部分的内部空间中、与所述内部燃料储存罐连接的弹性元件。

7.一种燃料电池系统，包括：

至少一台发电机，所述发电机通过氢和氧之间的电化学反应产生电能；

燃料供应单元，其向所述发电机提供含氢的燃料；及

氧气源，其向至少一台发电机提供氧气，

其中，所述燃料供应单元包括：限定内部空间的外部罐；用于储存燃料的内部燃料储存罐，该内部燃料储存罐包括可变形壁并位于所述外部罐的内部空间中；和适于向所述内部燃料储存罐施加压缩力而使内部燃料储存罐变形以从内部燃料储存罐排出燃料的偏置机构。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，还包括多个叠置的发电机。

9.权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述偏置机构包括与所述外部罐的内部空间相通的压缩气体源。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括注入口和排出口，来自压缩气体源的压缩气体通过注入口流动，来自所述内部燃料储存罐的燃料通过排出口引入所述堆叠体。

11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐和堆叠体通过螺纹连接部分连接。

12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括一对用于选择性地开启和关闭所述注入口和排出口的静压阀。

13.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述偏置机构包括设置在所述外部罐内部空间中、并与所述内部燃料储存罐连接的弹性元件。

14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述弹性元件是压缩弹簧。

15.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括与所述堆叠体连接的排出口。

16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐和所述堆叠体通过螺纹连接部分连接。

17.如权利要求16所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括适于选择性地开启和关闭所述排出口的静压阀。

18.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述内部燃料储存罐具有柔性外形。

19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，所述内部燃料储存罐包括波纹管形壁。

20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐呈圆柱形。

21.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述氧气源包括空气压缩机。

22.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述至少一台发电机包括直接甲醇燃料电池。

23.一种燃料电池系统，包括：

至少一台发电机，其通过氢和氧之间的电化学反应产生电能；

重整器，其从含氢的燃料中产生氢气用于所述至少一台发电机；

向所述重整器提供燃料的燃料供应单元；及

向所述发电机提供氧气的氧气源，

其中，所述燃料供应单元包括：限定内部空间的外部罐；用于储存燃料的内部燃料储存罐，该内部燃料储存罐包括可变形壁并位于所述外部罐的内部空间中；和适于向所述内部燃料储存罐施加压缩力而使内部燃料储存罐变形以从内部燃料储存罐排出燃料的偏置机构。

24.如权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述偏置机构包括与所述外部罐的内部空间相通的压缩气体源。

25.如权利要求24所述的燃料电池系统，其中，所述圆柱形部分包括注入口和排出口，来自压缩气体源的压缩气体通过注入口流动，来自内部燃料储存罐的燃料通过排出口引入所述重整器。

26.如权利要求25所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐和重整器通过螺纹连接部分连接。

27.如权利要求26所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括一对用于选择性地开启和关闭注入口和排出口的静压阀。

28.如权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述偏置机构包括设置在所述外部罐内部空间中、并且与内部燃料储存罐连接的弹性元件。

29.如权利要求28所述的燃料电池系统，其中，所述弹性元件是压缩弹簧。

30.如权利要求28所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括与所述重整器连接的排出口。

31.如权利要求30所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐和所述重整器通过螺纹连接部分连接。

32.如权利要求31所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐包括适于选择性地开启和关闭所述排出口的静压阀。

33.如权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述内部燃料储存罐具有柔性外形。

34.如权利要求33所述的燃料电池系统，其中，所述内部燃料储存罐包括波纹管形壁。

35.如权利要求34所述的燃料电池系统，其中，所述外部罐呈圆柱形。

36.如权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述至少一台发电机包括直接甲醇燃料电池。

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