CN100369306C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，其包括：具有发电器的堆，用于接收燃料和空气从而产生电能；用于将燃料提供给堆的燃料供应单元；在其中安装堆的机罩；用于将外部空气提供到机罩内部以冷却所述发电器的风扇单元；以及冷却所述发电器时所被加热的空气和从堆中排出且含有水分的空气在其中混合的区域。将在该区域中混合的空气从该区域中排出。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及使燃料电池系统的堆的冷却更容易的燃料电池系统的结构。
背景技术
燃料电池是用于产生电能(electric power)的系统。在燃料电池中，由氧气和烃族材料如甲醇、乙醇和天然气中包含的氢之间的化学反应所产生的能量直接转换为电能。燃料电池的独特特征就是由燃料和氧化剂之间的电化学反应(不包括燃烧过程)产生的电能和它的副产品热都可以被利用。
根据所使用的电解质类型，燃料电池可以分为如下不同类型：在大约150-200EC范围内运行的磷酸盐燃料电池；在大约600-700EC范围内运行的熔融碳酸盐燃料电池；在1000EC或更高运行的固体氧化物燃料电池；及在室温和100EC之间的范围运行的聚合物电解质或碱性燃料电池。虽然每种这些不同类型的燃料电池利用相同的原理运行，但是它们在使用的燃料、催化剂和电解质的类型及其驱动温度方面不同。
目前聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)正在发展中。与其他燃料电池相比，PEMFC具有优异的输出特性、低运行温度和快的启动和反应特性。PEMFC具有广泛的应用范围，包括通过利用由重整甲醇(reformingmethanol)、天然气等制得的氢气而用在车辆中、用在家庭中和大厦中，以及在电子设备中用作电源。
PEMFC的基本组成包括堆(stack)、重整器(reformer)、燃料容器(fuel tank)和燃料泵(fuel pump)。堆形成燃料电池的主体。燃料泵将燃料容器中的燃料提供给重整器。在将燃料容器中储存的燃料提供给堆的过程中，重整器重整燃料，由此产生氢气并提供氢气给堆。因此，通过燃料泵的运行，PEMFC将燃料容器中的燃料传送给重整器，重整器重整燃料来产生氢气，在堆中氢气与氧进行电化学反应，由此产生电能。
另一类型燃料电池是直接甲醇燃料电池(DMFC)。DMFC与PEMFC不同在于，利用这种方法液体甲醇直接提供给堆，因而无需重整器。
在上述燃料电池系统中，堆(发电进行的地方)构造成包括几个到几十个单元电池，每个包括膜电极组件(MEA)和设置在其两侧的隔板(separator)(或双极板)。在MEA中，阳极电极(也称作“燃料极”或“氧化电极”)和阴极电极(也称作“空气极”或“还原电极”)彼此相对设置，电解质层夹在其之间。隔板用于提供将燃料电池反应所需要的氢气和氧气提供给MEA的阳极电极和阴极电极所通过的通道。此外，隔板用作用于串联连接每个MEA的阳极电极和阴极电极的导体。因此，通过隔板将含有氢的燃料气体提供给阳极电极，以及将含有氧的氧气提供给阴极电极。通过这个过程，在阳极电极中发生燃料气体的电化学氧化，以及在阴极电极中发生氧气的电化学还原。通过在这个过程期间发生的电子移动而产生电。还产生了热和水分(moisture)。
在上述燃料电池系统中，为了确保电解质层的稳定性和避免整体性能的衰减，必须将堆稳定地保持在适当的温度。为了实现这个，在这种系统中通常使用空气冷却型冷却装置，从而通过将相对低温的空气吹在其上，然后排出得到的被加热的空气而使堆冷却。
然而，如上所述的具有空气冷却型冷却结构的燃料电池系统的缺点在于，通过堆而被加热的空气简单地被废弃。这是巨大的能量浪费。
此外，通过隔板提供给MEA的阴极电极用于堆发电的空气仅部分发生反应，而其余空气未发生发应并且在含有大量水分的状态被排出。当此含有大量水分的空气从堆中排放到相对低温的大气中时，通过与大气接触而发生凝结。因此，需要额外的装置储存或再利用由这个过程所产生的水。这个增加了系统的尺寸。如果该额外的装置需要运行，则通过这个过程产生热并且耗电，由此使燃料电池系统的整体效率和性能降低。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种燃料电池系统，其具有总体紧凑的结构，并且将冷却堆时所被加热的空气与通过堆所排出的未反应空气混合，使得未反应的气体在蒸发且未凝结的状态排放，由此提高系统效率和性能。
在本发明的一示例性实施例中，燃料电池系统包括：具有发电器(electricity generator)的堆，用于接收燃料和空气从而产生电能；用于向堆提供燃料的燃料供应单元；在其中安装堆的机罩(housing)；用于为冷却发电器而将外部空气流提供到机罩内部的风扇单元；以及冷却发电器时所被加热的空气和从堆中放出且含有水分的空气在其中混合的区域。在该区域中混合的空气从该区域中排出。
机罩包括主体和混合单元，所述堆安装在该主体中并且该主体与所述风扇单元连接，该混合单元整体地从该主体延伸从而实现该区域并且具有蒸发的空气被排出到所述机罩的外部所经过的排出孔。
风扇单元包括通过风扇管道与所述主体连接的风扇，由此将外部空气提供到所述主体的内部。可选择地，风扇单元包括安装到主体的一侧的风扇。
混合单元为漏斗形并且具有在朝向排出孔的方向逐渐减小的内部直径，并且包括从堆排出的空气进入混合单元所通过的纳入孔，和排出孔。
在另一个实施例中，该区域包括与机罩分开设置且与机罩和堆连接的混合容器(mixing tank)。燃料电池系统还包括与机罩和混合容器连接的第一返回管道(return line)，和与堆和混合容器连接的第二返回管道。
机罩包括形成在且穿过机罩的一侧的纳入孔和形成在且穿过机罩的与形成纳入孔所穿过的侧相对的一侧的排出孔，风扇单元提供的外部空气通过该纳入孔提供到机罩内部，被加热的空气通过该排出孔排放到机罩的外部。混合容器包括通过第一返回管道与所述排出孔连接的第一流入孔，和通过第二返回管道与堆连接的第二流入孔。
在另一个实施例中，该区域包括与机罩分开设置且与机罩和堆连接的混合管。第一返回管道与机罩和混合管连接，并且第二返回管道与堆和混合管连接。
机罩包括形成在且穿过机罩的一侧的纳入孔和形成在且穿过机罩的与形成纳入孔所穿过的侧相对的一侧的排出孔，风扇单元提供的外部空气通过该纳入孔提供到机罩内部，被加热的空气通过该排出孔排放到机罩的外部。
混合管包括通过第一返回管道与所述排出孔连接的第一流入孔，和通过第二返回管道与堆连接的第二流入孔。混合管为三通管。
多个发电器安装在机罩中，并且外部空气通过形成在发电器之间的冷却通路引导。每个发电器包括膜电极组件(membrane-electrode assembly：MEA)、及插入该MEA并与该MEA的相对侧紧密接触的一对隔板。
在每个隔板的一侧上，冷却通路形成在对应于形成在邻近的一隔板上的冷却通路的区域处。冷却通路通过形成在每一个隔板的接触表面上的槽的结合而形成。
燃料电池系统还包括安装在堆和燃料供应单元之间的重整器，从而重整由燃料供应单元提供的燃料，由此产生氢气。
燃料电池系统可以是聚合物电解质膜燃料电池型系统，或直接甲醇燃料电池型系统。
附图说明
结合附图考虑时，随着本发明通过参考下面的详细描述被更深理解，则本发明的完整价值及其许多附加优点将更显而易见，附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件，其中：
图1为根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图；
图2为沿图1的线I-I截取的示意图；
图3为根据本发明的燃料电池系统的堆的分解透视图；
图4为根据本发明第一示例性实施例的改进例的燃料电池系统的示意图；
图5为根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图；以及
图6为根据本发明第三示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
图1为根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图，图2为沿图1的线I-I截取的示意图，图3为根据本发明的燃料电池系统的堆的分解透视图。
参考图，根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统100利用PEMFC技术，其中重整烃族燃料如甲醇或天然气来产生氢气，并且氢气与空气中的氧之间产生电化学反应，由此直接将化学能转换成电能。本发明还可以利用DMFC技术，其中将液体甲醇燃料直接提供给堆来发电。
燃料电池系统100包括接收含氢燃料和空气中的氧气从而通过其间的电化学反应来发电的堆10、用于储存燃料且将燃料提供给堆10的燃料供应单元30、以及与燃料供应单元30连接的用于将从燃料供应单元30接收的燃料重整来产生氢气的重整器50。
重整器50是常规PEMFC中使用的类型，因此将不提供这个部件的详细描述。
燃料供应单元30包括用于储存含氢燃料的燃料容器(未示出)、用于使用预定泵压将储存在燃料容器中的燃料提供给重整器50的燃料泵(未示出)。
堆10包括多个发电器(electricity generator)11，其接收经过重整器50重整的氢气和空气中的氧气以在其间产生氧化/还原反应，最后产生电能。
每个发电器11包括，作为用于发电的主要部件，实现氢气与氧气之间的氧化/还原的MEA 12，和用于将氢气和氧气提供给MEA 12的隔板16。一对隔板16插入MEA 12中的一个。堆10包括彼此邻近安装的多个发电器11，并且这个发电器11组件中的最外侧隔板16称为端板13。
每个MEA 12具有电解质层位于阳极电极和阴极电极之间的结构。阳极电极包括将氢气转换成电子和氢离子的催化剂层、和便于电子和氢离子顺利迁移的支持层。阴极电极包括将氧气转化成电子和氧离子的催化剂层、和便于电子和氧离子顺利迁移的支持层。电解质层为厚度在50到200μm之间的固体聚合物电解质，并且执行将阳极电极的催化剂层产生的氢离子迁移到阴极电极的催化剂层的离子交换功能。
隔板16用作将MEA 12的阳极电极和阴极电极串联连接的导体。而且，隔板16用作将MEA 12的氧化/还原反应所需要的氢气和氧气提供给阳极电极和阴极电极所通过的通道。每个隔板16包括形成在其表面上的用于提供MEA 12的氧化/还原反应所需要的反应气体的流动通道(floW channel)17。
隔板16成对设置，插入MEA 12并且紧密地与MEA 12的阳极电极和阴极电极接触。而且，用于将氢气提供给阳极电极和将氧气提供给阴极电极的流动通道17形成在隔板16的与MEA 12的阳极电极和阴极电极接触的表面上。
每个端板13施压于相应MEA 12的阳极电极和阴极电极中的一个。流动通道17形成在端板13的施压表面中从而将氢气或氧气提供给端板13接触的电极。
而且，端板13包括用于将氢气提供给流动路径中的一个的第一注入管13a、用于将空气提供给流动路径中的另一个的第二注入管13b、用于将发电器11中残余的未反应氢气排出的第一排放管13c、和用于将发电器11中残余的未反应空气排出的第二排放管13d。第一注入管13a通过燃料供应管道51与重整器50连接，燃料供应管道51用于将产生的氢气从重整器50提供给端板13的流动通道17。
通过下面的化学反应式，如上所述构成的堆10产生电、热和水。
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极反应：1/2O2+2H++2e-→H2O
总反应：H2+1/2O2→H2O+电流+热
参考该反应，通过隔板(或双极板)16氢气被提供给MEA 12的阳极电极以及空气被提供给MEA 12的阴极电极。当氢气流到阳极电极时，在电解质层中氢气被分解成电子和质子(氢离子)。当质子迁移过电解质层时，电子和氧离子以及迁移的质子在阴极电极中结合，从而产生水。阳极电极中产生的电子不能通过电解质层，而是通过外部电路迁移到阴极电极。通过这个过程产生了电和水。
在燃料电池系统100的运行期间，氢气和氧气之间的化学反应产生热。而且，在堆10中，部分通过隔板16提供给MEA 12的阴极电极的空气经历用于发电的反应，而剩余空气未发生反应并且在含有大量水分的状态下通过第二排出管13d被排出。现有技术中，当此未反应的空气被排放到温度显著低于未反应空气的大气中时，通过未反应空气和大气之间的相互作用形成凝结。
燃料电池系统100中提供一种结构，用于利用外部空气使堆10中产生的热冷却，以及用于将在堆10的冷却期间被加热的空气和第二排出管13d排出的未反应空气混合，使得未反应的空气不凝结，而是以蒸发的状态(vaporized state)被排出到燃料电池系统100的外部。
即，燃料电池系统100包括：机罩(housing)70，其形成了包围堆10的密封空间；风扇单元72，其将外部空气提供到机罩70的内部以减少由堆10产生的热；及区域80，在这里冷却堆10时所产生的热空气与堆10中排出的未反应空气混合。
机罩70被使用来容纳上面所述的堆10，并且包括具有预定容积的内部空间的密封容器。在第一示例性实施例中，机罩70包括形成内部空间的主体(body)71。主体71可以形成为长方体。
区域80包括整体地从主体71延伸的混合单元81。混合单元81具有混合的空气蒸发成蒸汽时被排出到区域80外部所通过的排出孔81a、及堆10排出的空气提供给混合单元81所通过的纳入孔81b。在第一示例性实施例中，混合单元81具有沿着朝向排出开口81a的方向逐渐减小的内部直径而成为漏斗形状。
空气纳入孔71A形成在主体71的一侧上。空气纳入孔71A与风扇单元72连接。而且，穿过主体71侧壁形成的是与堆10的第二注入管13b连通的第一连接71C、与第一注入管13a连通的第二连接71D、与第二排出管13d连通的第三连接71E及与第一排出管13c连通的第四连接71F。
风扇单元72用于在堆10的运行期间将外部空气提供到机罩70中来冷却发电器11。风扇单元72包括：用于执行吸入功能的传统结构的风扇73，从而将外部空气提供给机罩；以及风扇管道74，其将空气纳入孔71A和风扇73相互连接，从而提供将风扇73提供的空气送往机罩71的内部所通过的通路。
在改进的例子中，参考图4，包括风扇93的风扇单元92直接安装于主体71而没有使用风扇管道。
冷却通路19形成在相邻的发电器11之间，如图3明显所示。冷却通路19允许外部空气在发电器11之间通过。而且，由槽(channel)19a形成冷却通路19，槽19a形成在每一个隔板16中该隔板的面对邻近发电器11的隔板16的表面上。即，以使用两个相邻的发电器11作为例子，彼此相对的隔板16的表面在分别彼此对应的位置处形成有槽19a，使得当隔板16接靠时，相对的槽19a对形成冷却通路19。冷却通路19设置在与外部空气(冷却介质)的流动方向相对应的方向上。虽然冷却通路19在图3中示出为垂直形成，但是本发明在这方面不被局限。
混合单元81形成一区域，在该区域中通过冷却发电器11的过程而被加热到预定温度的空气和堆10中没有完全反应并且在含有大量水分的状态通过第二排出管13d排出的未反应空气混合。
在本发明中，被加热的空气和未反应空气在混合单元81中混合的原因是，因为在冷却发电器时而被加热到大约30-40EC的空气很可能含有水分(即已经这到露点温度)，所以此被加热的空气和从堆10中排出的含有大量水分的未反应空气混合、蒸发并且以汽态排出到混合单元81的外部。即，混合单元81防止从堆10中以未反应状态排出的空气与大气接触并经历凝结的情况。
现在将描述如上所述构造的燃料电池系统100的运行。
在通过堆10的运行而发电期间，在发电器11中通过氢气和氧气之间的化学反应产生热。
为了减少该热，风扇73运转从而将空气提供给机罩70的主体71。结果，外部空气通过发电器11的冷却通路19。发电器11中产生的热被经过冷却通路19的相对冷的外部空气减少，并且此外部空气通过该运行被加热到预定温度。
由风扇73产生的空气流将被加热的空气推向混合单元81。同时，由堆10排出的未反应空气通过第二排出管13d、混合单元81的纳入孔81b和将第二排出管13d与纳入孔81b相互连接的返回管道83提供到混合单元81的内部。
通过这个过程被加热的空气和未反应的空气在混合单元81中混合。结果，未反应的空气没有如常规系统中那样经历凝结，而是通过与被加热的空气的反应，未反应的空气蒸发成汽态，用于通过混合单元81的排出开口(exhaust opening)81a输出。
因此，通过本发明的燃料电池100系统的这种运行，实现了堆10的发电和冷却，并且冷却堆10时被加热的空气和堆10中排出的未反应空气混合，从而防止了由未反应的空气所引起的水的产生。
现在将描述本发明另外的实施例。
图5为根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图，以及图6为根据本发明第三示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
这些实施例的基本结构基本上与第一示例性实施例的相同，仅在与产生混合空气的区域有关的构造方面不同。
首先参考图5，在第二示例性实施例中，区域90设置成与机罩70分离的单元，并且包括与安装在机罩70中的堆10及机罩70自身连接的混合容器91。
混合容器(mixing tank)91是具有预定容积之内部空间的密封容器。混合容器91通过第一返回管道85与机罩70连接，使得来自机罩70的热空气可以通过第一流入孔91a进入混合容器91中，并且混合容器91通过第二返回管道87与堆10连接，使得来自堆10的未反应空气可以通过第二流入孔91b进入混合容器91中。被加热的空气和未反应的空气混合时被蒸发，然后此被蒸发的空气通过混合容器91中形成的排出孔91c输出。通过由风扇单元72产生的空气流的作用，机罩70中的热空气通过第一流入孔91a流入混合容器91的内部空间。
在第一示例性实施例中，回头参考图1，当混合容器81中混合的空气被蒸发且被排出到混合容器81的外部时，通过由风扇单元72产生的空气流，蒸汽可以通过排出开口81a被排出。另一方面，在此实施例中，混合容器91中安装有泵(未示出)，使得蒸汽可以通过排出孔91c从混合容器91中排出。
第一返回管道85与穿过机罩70的主体71的一侧(与形成空气纳入孔71A所穿过的侧相对的一侧)形成的空气排出孔71B连接，并且第一返回管道85与混合容器91的第一流入孔91a连接。第二返回管道87与堆10的第二排出管13d及混合容器91的第二流入孔91b连接。
在根据本发明第三示例性实施例的燃料电池系统100中，参考图6，区域100包括与机罩70分开形成的混合管101，并且该混合管101与机罩70内的堆10及机罩70自身连接。
混合管101形成为三通管，允许流体通过分隔在三处的通道流入和流出。混合管101包括：通过第一返回管道85与机罩70连接的第一流入孔101a，使得来自机罩70的热空气提供到混合管101的内部；通过第二返回管道87与堆10连接的第二流入孔101b，使得来自堆10的未反应空气提供到混合管101的内部；及排出孔101b，热空气和未反应空气在混合且蒸发之后通过其排出。
第一返回管道85与穿过机罩70主体71的一侧(与形成空气纳入孔71A所穿过的侧相对的一侧)形成的空气排出孔72B连接，并且与混合管101的第一流入孔101a连接。第二返回管道87与堆10的第二排出管13d及混合管101的第二流入孔101b连接。
除区域90和100的构造不同之外，第二和第三示例性实施例的燃料电池系统的其他所有方面均与第一示例性实施例的相同，包括其运行。因此，在此将不对第二和第三示例性实施例的运行进行详细描述。
使用上述根据本发明的燃料电池系统，冷却堆时产生的热空气和从堆中排出的未反应空气混合，使得未反应空气以蒸发且未凝结的状态被排出。因此，在冷却堆时没有热能浪费。
另外，不需要用于储存并再使用由堆中排出的未反应空气凝结所产生的水的单独装置。这减少了热能和电能的损失，由此改善了整体系统的效率和性能。
虽然上面已经结合特定示例性实施例详细描述了本发明的实施例，但是应当理解本发明并不局限于已公开的示例性实施例，而恰恰相反，本公开是要覆盖包括在如所附权利要求所限定的本发明精神和范围之内的各种改进和/或等效设置。
本申请参考、在此引入并要求于2004年1月28日向韩国知识产权局提交的第2004-5359号申请-燃料电池系统-的所有优先权。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
具有至少一个发电器的堆，用于接收燃料和空气从而产生电能；
用于将所述燃料提供给所述堆的燃料供应单元；
所述堆安装于其中的机罩；
用于将外部空气提供到所述机罩内部的风扇单元，用于冷却所述至少一个发电器；以及
冷却所述至少一个发电器时所被加热的空气和从所述堆中排出且含有水分的空气在其中混合的区域；
其中将在该区域中混合的空气从该区域排出。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述机罩包括主体和混合单元，所述堆安装在该主体中并且该主体与所述风扇单元连接，该混合单元整体地从该主体延伸从而实现所述区域并且具有混合空气被排出到所述机罩的外部所经过的排出孔。
3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述风扇单元包括通过风扇管道与所述主体连接的风扇，用于将外部空气提供到所述主体的内部。
4.根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述风扇单元包括安装到所述主体的一侧的风扇。
5.根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述混合单元为漏斗形并且具有在朝向所述排出孔的方向逐渐减小的内部直径，并且所述混合单元包括从所述堆排出的空气进入所述混合单元所经过的纳入孔。
6.根据权利要求1的燃料电池系统，其中该区域包括与所述机罩分开设置且与所述机罩和所述堆连接的混合容器。
7.根据权利要求6的燃料电池系统，还包括与所述机罩和所述混合容器连接的第一返回管道，及与所述堆和所述混合容器连接的第二返回管道。
8.根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述机罩包括形成在所述机罩的一侧中的纳入孔，由所述风扇单元提供的外部空气通过该纳入孔提供到所述机罩的内部，并且所述机罩包括形成在所述机罩的另一侧中的排出孔，所述被加热的空气通过该排出孔排出到所述机罩的外部。
9.根据权利要求8的燃料电池系统，其中所述混合容器包括通过所述第一返回管道与所述排出孔连接的第一流入孔，及通过所述第二返回管道与所述堆连接的第二流入孔。
10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述区域包括与所述机罩分开设置且与所述机罩和所述堆连接的混合管。
11.根据权利要求10的燃料电池系统，还包括与所述机罩和所述混合管连接的第一返回管道，及与所述堆和所述混合管连接的第二返回管道。
12.根据权利要求10的燃料电池系统，其中所述机罩包括形成在所述机罩的一侧中的纳入孔，由所述风扇单元提供的外部空气通过该纳入孔提供到所述机罩的内部，并且所述机罩包括形成在所述机罩的另一侧中的排出孔，所述被加热的空气通过该排出孔排出到所述机罩的外部。
13.根据权利要求12的燃料电池系统，其中所述混合容器包括通过所述第一返回管道与所述排出孔连接的第一流入孔，及通过所述第二返回管道与所述堆连接的第二流入孔。
14.根据权利要求10的燃料电池系统，其中所述混合管为三通管。
15.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述至少一个发电器包括安装在所述机罩中的多个发电器，并且其中所述外部空气流过形成在所述多个发电器之间的冷却通路。
16.根据权利要求15的燃料电池系统，其中每个所述发电器包括膜电极组件、及插入所述膜电极组件并与所述膜电极组件的相对侧紧密接触的一对隔板；并且
其中，在每个隔板的一侧上，冷却通路形成在对应于形成在邻近的一隔板上的冷却通路的区域处。
17.根据权利要求16的燃料电池系统，其中所述冷却通路通过形成在每个所述隔板的接触表面上的槽的结合而形成。
18.根据权利要求1的燃料电池的系统，还包括安装在所述堆和所述燃料供应单元之间的重整器，用于重整所述燃料供应单元提供的燃料从而产生氢气。
19.根据权利要求18的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解质膜燃料电池型系统。
20.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括直接甲醇燃料电池型系统。
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