CN100379067C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，其包括至少一个通过氢和氧的电化学反应产生电能的发电元件和反应源供给装置，反应源供给装置与发电元件相连，并向发电元件提供含氢燃料和含氧空气。反应源供给装置包括用于储存压缩空气的第一分隔区域、用于储存燃料的第二分隔区域、和具有适于分隔毗连的第一和第二分隔区域的弹性部分的存储区域。本发明的燃料电池系统包括通过单个压缩机向电池堆供应燃料以发电的反应源供给装置，因此，能够降低用于驱动整个系统的附加能源消耗，且能够进一步提高系统的能量效率。另外，还可减小尺寸并使系统紧凑。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。更具体地讲，本发明涉及一种包括与氧化剂一起提供氢气的反应源供给装置的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是通过氧和燃料的电化学氧化还原反应产生电能的发电系统，其中燃料例如是氢或如甲醇、乙醇、天然气之类的烃基材料。
依据使用的电解质类别燃料电池可以分为磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型、聚合物电解质型或碱型。虽然这些不同类型的各种燃料电池以相同的基本原理工作，但是它们彼此在燃料种类、工作温度、催化剂和使用的电解质方面是不同的。
最近，开发出了聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC具有优于传统的燃料电池的功率特性、低的工作温度、更快速的启动和响应特性。鉴于此，PEMFC的应用范围很广，例如可用作汽车的便携式电源，用作房屋和公共建筑物的配电电源和用作电子器件的小型电源。
PEMFC基本上由电池堆、重整器、燃料罐和燃料泵组成。电池堆形成PEMFC的主体，燃料泵将燃料罐中储存的燃料提供给重整器。重整器重整燃料以产生氢气并将氢气供应给电池堆。此外，在PEMFC中，通过燃料泵将储存在燃料罐中的燃料泵送到重整器，然后重整器重整燃料以产生氢气。氢气和空气通过各自的泵被提供给电池堆。电池堆通过氢气和空气中氧的电化学反应产生电能。
传统的燃料电池系统包括分别将储存在燃料罐中的燃料供应给重整器和将空气供应给电池堆的泵。由于用于驱动这些泵的附加功率增加，所以使整个系统的能量效率劣化。早期的燃料电池系统还需要用于安装这类泵的空间，因此难以使整个系统尺寸减小并使其紧凑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种包括用于提供燃料和空气两者的供给装置的燃料电池系统，借此可降低驱动该系统所需的附加能源，并且可使整个系统的尺寸更小、更紧凑。
解决所述问题的技术方案是使本发明的燃料电池系统包括至少一个适于通过氢和氧的电化学反应产生电能的发电元件和反应源供给装置，该装置适于与发电元件连接并向发电元件提供含氢燃料和含氧空气。所述反应源供给装置包括用于储存压缩空气的第一分隔区域、用于储存燃料的第二分隔区域、和包括适于分隔毗连的第一和第二分隔区域的弹性部分的存储区域。
弹性部分具有隔膜结构，存储区域可包括适于可拆卸地附着于第二分隔区域的燃料盒。
在本发明的所述燃料电池系统中，反应源供给装置可包括适于连接在第一分隔区域上并向第一分隔区域供应压缩空气的压缩机。压缩机和第一分隔区域可通过第一供应管线彼此连接。
在本发明的所述燃料电池系统中，反应源供给装置还可包括适于连接到存储区域通过化学催化吸热反应从燃料中产生氢气并将氢气供应给发电元件的重整器。
在本发明的所述燃料电池系统中，重整器可包括通过燃料和氧之间的催化氧化反应产生热能的加热源、通过吸收热能从燃料中产生氢气的重整活性区、和至少一个通过一氧化碳的优先催化氧化反应降低氢气中一氧化碳浓度的一氧化碳降低区域。
在该燃料电池系统中，第二分隔区域通过第二供应管线与加热源连接，第一分隔区域通过第三供应管线与加热源连接，第二分隔区域通过第四供应管线与重整活性区连接。第一分隔区域通过第五供应管线与一氧化碳降低区域连接，一氧化碳降低区域通过第六供应管线与发电元件连接，和第一分隔区域通过第七供应管线与发电元件连接。
可将多个发电元件堆叠以形成电池堆。
如上所述，本发明的此燃料电池系统可以是聚合物电解质薄膜燃料电池(PEMFC)或直接氧化燃料电池(DOFC)。
反应源供给装置的弹性部分由能够通过压缩空气的压力弹性变形的材料构成。
本发明的燃料电池系统包括通过单个压缩机向电池堆供应燃料以发电的反应源供给装置。因此，能降低用于驱动整个系统的附加能源消耗，且能进一步提高系统的能量效率。另外，因为采用单个压缩机还可减小尺寸并使系统紧凑。
附图说明
通过下面结合附图对本发明进行的详细说明可对本发明作出更全面的评价，而且可使本发明的许多附带优点变得更清晰和明显，在附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。附图中：
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统总体结构示意图；
图2是图1所示的电池堆结构的分解透视图；
图3是图1所示的反应源供给装置中存储区域结构的透视图；
图4是图3所示的反应源供给装置中存储区域结构与功能的示意图；
图5是本发明一实施方式的燃料电池系统重整器结构的分解透视图；
图6是本发明另一实施方式的燃料电池系统的存储区域结构的分解透视图。
具体实施方式
在下文中将参考附图对本发明的实施方式进行详细描述。当然，本发明可具有多种改型和等同结构，并且应当理解的是本发明不局限于所描述的那些实施方式。
图1是本发明一实施方式的燃料电池系统总体结构的示意图，图2是图1所示的电池堆结构的分解透视图。
参见附图，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)，其通过重整含氢燃料产生氢气，然后通过氢和氧化剂的电化学反应发电。
在燃料电池系统100中用于发电的燃料可以是任何类型的燃料，例如甲醇、乙醇或天然气等，它们可以是液体或气体。然而，为了方便起见，在下面说明书的描述中将燃料规定为液体。
燃料电池系统100可使用储存在单独存储单元中的氧气或含氧的空气作为氧化剂。然而，在下文中，以后者作为实例进行描述。
根据本实施方式，燃料电池系统100包括通过氢和氧化剂的电化学反应产生电能的发电元件11和从含氢燃料中产生氢气并将氢气和空气供给发电元件11的反应源供给装置50。
通过在两个隔板16之间设置膜电极组件(MEA)12来形成作为用于发电的最小单元的发电元件11，然后通过设置多个最小单元形成具有电池堆结构的电池堆10。电池堆10可附加包括用于定位多个发电元件11以使其在电池堆10最外端彼此紧密邻接的压板13和14。但是，本实施方式的燃料电池的电池堆10是通过在发电元件11的最外端设置隔板16以代替使用单独的压板13和14来起压紧发电元件11的作用而形成的。反之，也可将压板13和14形成为与隔板16的固有功能相同而不是为了紧密排列多个发电元件11，这将在下文中进行说明。
膜电极组件12的两侧具有阳极和阴极，以起氧化和还原氢和空气中的氧的作用。隔板16通过形成在膜电极组件12两侧的气体通道供应氢气和空气，并且隔板还起串联连接阳极和阴极的导体的作用。
压板13具有向隔板16的氢通道供应氢气的第一进口13a和向隔板16的空气通道供应空气的第二进口13b。另一压板14具有第一出口14a和第二出口14b，第一出口用于释放在膜电极组件12的阳极处反应之后剩余的氢气，第二出口用于释放在氢气和通过膜电极组件12的阴极的氧气的还原反应产生的水分进行反应之后剩余的空气。
图3是图1所示的反应源供给装置中存储区域的结构透视图，图4是解释图3所示的反应源供给装置的结构和功能的示意图。
参考图3和4，将更详细地描述本发明该实施方式的电池堆10中用于向发电元件11供应氢和空气的反应源供给装置50。
如图1-4所示，根据本实施方式，反应源供给装置50被安装成与发电元件11相连，其从含氢燃料中产生氢气，并将氢气和空气一起供应给发电元件11。
反应源供给装置50包括具有用于分别储存压缩空气和含氢燃料的分隔内部空间的存储区域51和重整器30，重整器30与存储区域51和电池堆10连接并固定，用于从燃料中产生氢并且将氢供给电池堆10。
存储区域51是具有预定体积的内部空间的密封容器，其包括储存压缩空气的第一分隔区域52和储存燃料的第二分隔区域53。
第一和第二分隔区域52和53通过安装在存储区域51的内侧的弹性部分54分隔。弹性部分54大约安装在存储区域51的中央，以防止材料在第一和第二分隔区域52和53之间来回运动。而且，弹性部分54由可变形的和弹性的材料形成，因此，当给第一分隔区域52提供预定气压时，由于向其内部空间提供压缩空气，该弹性部分能朝第二分隔区域53弯曲。由于存储在第一分隔区域52中的压缩空气的压力，使弹性部分54弹性地朝第二分隔区域53的内侧变形并释放存储在第二分隔区域53中燃料。可以采用隔膜作为弹性部分54。
通过使用压缩空气的压力第一分隔区域52能使弹性部分54弹性变形，同时向重整器30和电池堆10供应压缩空气。此外，第一分隔区域52具有用于向其内部空间供应压缩空气的入口52a和用于将压缩空气释放到容器外部的三个出口52b、52c和52d。
另外，第二分隔区域53可储存来自单独燃料罐(未示出)的燃料并通过第一分隔区域52内侧的气压向重整器30供应燃料。第二分隔区域还具有用于向其中输入燃料的入口53a和用于将储存在其内部空间中的燃料释放到容器外部的两个第一和第二出口53b和53c。
反应源供给装置50还具有能够向具有上述结构的存储区域51的第一分隔区域52供应压缩空气的压缩机55。根据压缩机的结构与运行，压缩机55可以为多种型式，例如，作为一对的两个凹转子和凸转子以相反方向旋转并螺旋地压缩以枢轴方向流动的空气的螺杆式空气压缩机；多个叶轮高速旋转的涡轮式空压机；或活塞往复运动压缩空气使之流入气缸中的往复式活塞空压机。当然，压缩机55是相关领域中众所周知的，在本说明书中不作进一步描述。压缩机55通过第一供应管线91连接到第一分隔区域52的入口52a。
另外，重整器30包括通常用于通过燃料和空气的催化氧化反应产生热能的加热源31、利用热能通过蒸气重整催化反应从燃料中产生氢气的重整反应区域32、和用于降低包含在氢气内的一氧化碳浓度的一氧化碳降低区域33和34。
一氧化碳降低区域33和34可以包括通过水气转移(WGS)催化反应附加地产生氢气和主要降低包含在氢气内的一氧化碳浓度的第一一氧化碳降低区域33，和通过氢气和空气的优选一氧化碳氧化(PROX)催化反应二次降低包含在氢气内的一氧化碳浓度的第二一氧化碳降低区域34。
加热源31、重整反应区域32和重整器30的一氧化碳降低区域33和34可以分开形成，以具有圆柱状而且通过管道连接。
图5是本发明一实施方式的用于燃料电池系统的重整器30的分解透视图，其中，将加热源31、重整反应区域32、和一氧化碳降低区域33和34形成为具有用于使燃料从其间流过的堆叠的板状。
重整器30通过在加热源31的上方依次堆叠重整反应区域32和第一一氧化碳降低区域33和在加热源31的下方堆叠第二一氧化碳降低区域34而形成。
更具体地说，如附图所示，若以第一基底31a作为基准，通过在第一反应基底31a的上方依次堆叠第二反应基底32a和第三反应基底33a和在第一反应基底31a的下方堆叠的第四反应基底34a而形成重整器。另外，可将盖板41附加地结合在置于重整器30的最外面的第三反应基底33a的上方。
然后，重整器30具有能使燃料流到每个反应基底31a、32a、33a和34a表面上的通道31c、32c、33c和34c。通道31c、32c、33c和34c的内表面上具有催化剂层(图中未示出)。
重整器30与存储区域51相连，其中，重整器30的加热源31分别连接到存储区域51的第一和第二分隔区域52和53。更具体地说，加热源31通过第二供应管线92连接到第二分隔区域53的第一出口53b，并通过第三供应管线93连接到第一分隔区域52的第一出口52b。通过第四供应管线94将重整器30中的重整反应区域32与第二分隔区域53相连，更明确地说，与其第二出口53c相连。另外，通过第五供应管线95将重整器30中的第二一氧化碳降低区域34与第一分隔区域52相连，更明确地说，与其第二出口52c相连。
另一方面，通过第六供应管线96将第二一氧化碳降低区域34与电池堆10的第一入口13a相连，通过供应管线97将第一分隔区域52的第三出口52d与电池堆10的第二入口13b相连。连接存储区域51和重整器30的每个区域及电池堆10的各供应管线具有选择性地开启和关闭的阀门99。通过分离地安装在阀门上的控制器(图中未示出)可调节阀门99。
根据本发明的另一实施方式，燃料电池系统100也可选择采用直接氧化燃料电池方法，其中，可通过直接向电池堆10供应燃料来发电。与聚合物电解质燃料电池不同，直接氧化燃料电池不需要重整器30。因此，直接氧化燃料电池被形成为具有与电池堆52的第二入口13b相连、用于供应空气的第一分隔区域52，和与电池堆10的第一入口13a相连、用于供应氢气的第二分隔区域53。
下面进一步详细说明根据本发明此实施方式制得的直接氧化燃料电池。
首先，向第二分隔区域53内侧注入液态含氢燃料，然后通过第一供应管线91向第一分隔区域52供应由压缩机55压缩到其内部空间的空气。
之后，由于压缩空气的压力，安装在存储区域51内侧的隔膜54朝存储区域51中的第二分隔区域53的内部空间弹性地弯曲到像图4所示的″X″的预定程度，并且通过第二供应管线92将储存在第二分隔区域53内侧的燃料提供给重整器30的加热源31。换句话说，因为由于弹性部分54的扩展在第二分隔区域53中的燃料被挤压，燃料可通过第二供应管线92被提供给重整器30的加热源。同时，储存在第一分隔区域52中的压缩空气通过第三供应管线93被提供给重整器30的加热源31。然后，通过燃料和空气的氧化催化反应，加热源31产生具有预定温度的反应热。压缩机55处于连续运转以向第一分隔区域52的内部空间供应压缩空气的状态。
接下来，通过第四供应管线94将储存在第二分隔区域53内侧的燃料提供给重整器30的重整反应区域32。由于借助于第一分隔区域52中压缩空气的压力安装在存储区域51内部的弹性部分54向第二分隔区域53的内部空间弯曲，因此能将第二分隔区域53中的燃料提供给重整反应区域32。然后，重整反应区域32吸收由加热源31产生的热能，并利用热能通过蒸气重整催化反应从燃料中产生氢气。也就是说，因为燃料通过蒸气重整催化反应分解，重整反应区域32产生含有少量二氧化碳和氢的氢气。其也产生含有少量一氧化碳的氢气作为副产品。
然后，将含有少量一氧化碳的氢气提供给第一一氧化碳降低区域33。
第一一氧化碳降低区域33通过水气转移(WGS)催化反应另外产生氢气，此反应主要是降低氢气中所含的一氧化碳浓度。
随后，将这股氢气提供给第二一氧化碳降低区域34，同时通过第五供应管线95将储存在第一分隔区域52内部的压缩空气也供给第二一氧化碳降低区域34。通过氢气和空气的优选催化反应第二一氧化碳降低区域34可降低氢气中所含的一氧化碳浓度，并且通过第六供应管线96将这些氢气供给电池堆10中的发电元件11。
最后，通过上述步骤将储存在存储区域51的第一分隔区域52中的压缩空气提供给电池堆10中的发电元件11。
然后，通过隔板16的氢通道将氢气提供给膜电极组件12的阳极。通过隔板16的空气通道将空气提供给膜电极组件12的阴极。
接下来，氢气在阳极处被氧化，产生电子和质子。质子通过电解质薄膜移动到阴极，但电子不是通过电解质薄膜而是通过隔板16移动到膜电极组件12的阴极，产生电流，并且也产生水和热作为副产品。
另一方面，图6是本发明另一实施方式的燃料电池系统中存储区域的分解透视图。
依据本发明的此实施方式，存储区域151包括储存压缩空气的第一分隔区域152和储存上述燃料的第二分隔区域153。第一和第二分隔区域152和153通过安装在存储区域151内侧的弹性部分154而隔开。弹性部分154大致安装在存储区域151内部空间的中央，以防止材料在第一和第二分隔区域152和153之间来回流动。
依据本发明的此实施方式，第二分隔区域153一侧开口，以将燃料盒130容纳于其中。燃料盒130具有能够固定到存储区域151且能将其从该存储区域卸下的结构，以便能够使用预先存储的燃料而不必从单独燃料罐中供应燃料。
燃料盒130具有与存储区域151的弹性部分154相应的另一弹性部分134。这些弹性部分134和154由弹性的且可变形的材料构成，以便向第一分隔区域152提供压缩空气而产生预定气压时，它们能够朝第二分隔区域153的内部空间弯曲。通过存储在第一分隔区域152中的压缩空气的气压弹性部分134和154朝第二分隔区域153的内部空间弹性地弯曲，使之能够实现释放存储在第二分隔区域153中的燃料的功能。可以用隔膜作为弹性部分134和154。
根据本发明一实施方式，燃料电池系统包括通过单个压缩机向电池堆供应燃料以发电的反应源供给装置。因此，能够降低用于驱动整个系统的附加能源消耗，且能够进一步提高系统的能量效率。
与现有技术不同，本发明的燃料系统不包括多个泵而采用单个压缩机，从而可减小尺寸并使系统紧凑。
虽然已经结合实际实例的实施方式对本发明进行了描述，但应当理解，本发明不限于所公开的实施方式，反之，本发明应涵盖包括在所附权利要求的构思和保护范围内的各种改型和同等变换。

Claims (17)

1.一种燃料电池系统，包括：
至少一个适于通过氢和氧的电化学反应产生电能的发电元件；
适于连接所述发电元件并向所述发电元件提供含氢燃料和含氧空气的反应源供给装置，该反应源供给装置包括存储区域，
其中所述存储区域包括：
适于储存压缩空气的第一分隔区域；
适于储存燃料的与第一分隔区域毗连的第二分隔区域；和
适于分隔所述毗连的第一和第二分隔区域的弹性部分。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述弹性部分包括隔膜结构。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述存储区域包括适于可拆卸地附着于所述第二分隔区域的燃料盒。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述反应源供给装置包括适于连接所述第一分隔区域并且向所述第一分隔区域提供压缩空气的压缩机。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述压缩机与所述第一分隔区域相连的第一供应管线。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述反应源供给装置还包括适于与所述存储区域相连、通过化学催化吸热反应从燃料中产生氢气并将所述氢气供应给所述发电元件的重整器。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述重整器包括：
适于通过燃料和氧之间的催化氧化反应产生热能的加热源；
适于通过吸收热能从燃料中产生氢气的重整活性区；和
至少一个适于通过一氧化碳优先催化氧化反应降低氢气中所含的一氧化碳浓度的一氧化碳降低区域。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述存储区域的所述第二分隔区域与所述重整器的所述加热源相连的第二供应管线。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述存储区域的所述第一分隔区域与所述重整器的所述加热源相连的第三供应管线。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述存储区域的所述第二分隔区域与所述重整器的所述重整活性区相连的第四供应管线。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述存储区域的所述第一分隔区域与所述重整器的所述一氧化碳降低区域相连的第五供应管线。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述重整器的所述一氧化碳降低区域与所述发电元件相连的第六供应管线。
13.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括适于将所述存储区域的所述第一分隔区域与所述发电元件相连的第七供应管线。
14.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，将多个所述发电元件堆叠而形成电池堆。
15.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，该燃料电池系统为聚合物电解质薄膜燃料电池系统。
16.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，该燃料电池系统为直接氧化燃料电池系统。
17.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述弹性部分包括借助于压缩空气的压力弹性变形的材料。
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