CN100438178C - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：具有阳极和阴极的燃料电池单元；收存甲醇和水的混合物的混合罐；连通上述混合罐和上述阳极，向上述阳极供给上述混合物，且回收从上述阳极排出的排出流体的循环流路；以及在上述循环流路上配置且从上述排出流体的液相分离气相的气液分离体。

Description

燃料电池系统

(相关申请的交叉引用

本申请基于并要求在先的日本专利申请No.2004-073062(2004年3月15日递交)为优先权，其全部内容在此引作参考。)

技术领域

本发明涉及从排出液中回收水的燃料电池系统。

背景技术

直接型甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池的一种，可以不对甲醇改性而直接利用。一般地，直接型甲醇燃料电池具有包含多个电池单元的燃料电池层叠结构。各电池单元具有由阴极催化剂层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、以及夹在上述阴极催化剂层和上述阳极催化剂层之间的电解质膜构成的膜电极接合体(MEA)。甲醇和水的混合物被供给到阳极上，空气被供给到阴极上。作为燃料电池中的反应的结果，生成水并从阴极排出。

水是DMFC内的反应所必需的，希望能回收已生成的水。在日本专利公开公报2002-110199号中公开了有关回收从阴极排出的水的技术。根据该技术，燃料电池系统具有混合罐，该回收的水和从混合罐供给的燃料在混合罐中混合形成混合物。上述水被包含在上述混合物中被向DMFC的阳极供给。

发明内容

根据本发明的第1方面，提供一种燃料电池系统，包括：具有阳极和阴极的燃料电池单元；收存甲醇和水的混合物的混合罐；连通上述混合罐和上述阳极，向上述阳极供给上述混合物，且回收从上述阳极排出的排出流体的循环流路；在上述循环流路上配置且从上述排出流体的液相分离气相的气液分离体；以及在上述循环流路上且被配置在上述气液分离体的下游、使由上述气液分离体分离了的液相冷却的阳极侧冷却器，所述燃料电池系统构成为在从上述排出流体的液相分离出气相后仅把液相的排出流体回收。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式1的燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方式2的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的实施方式1的燃料电池系统1包括：燃料电池(FC)本体3、燃料罐9、混合罐11、阳极侧冷却器29、阴极侧冷却器33、排气冷却器43。FC本体3由一个或更多个燃料电池构成，各燃料电池具有阳极5、阴极7和被夹在它们之间的膜电极接合体(MEA)。MEA包括：阴极催化剂层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、以及夹在上述阴极催化剂层和上述阳极催化剂层之间的电解质膜。在图1中，虽然分别画出阳极5和阴极7，省略了MEA，但实际上阳极5、MEA和阴极7是紧密地层叠在一起的。而且，在燃料电池系统1中也可以包含多个阳极5和多个阴极7，但以下为了便于说明，对具有一对阳极5和阴极7的场合进行说明。

燃料罐9收存作为用于发电的燃料的甲醇。混合罐11如后所述，收存甲醇和水的混合物。

由连接路13、流出路17和燃料供给路15构成的循环流路反燃料罐9、阳极侧冷却器29、混合罐11和阳极5连通起来。连接路13把阳极5和阳极侧冷却器29连通起来。燃料罐9与连接路13相连，具有开闭阀V1和用来送出燃料的泵P1。阳极侧冷却器29具有在阳极5的出口侧配置的气液分离膜27。流出路17把阳极侧冷却器29连通到混合罐11。燃料供给路15把混合罐11连通到阳极5，具有用来把上述混合物送到阳极5的泵P2。

从燃料罐9供给的甲醇在向混合罐11流动的过程中，在连接路13、阳极侧冷却器29和流出路17中，与来自阳极5的排出液混合。由此，在上述排出液中包含的未反应的甲醇被回收。

阳极侧冷却器29具有多个散热扇29A，其尺寸构成为接受从送风器(图1中未示出)送来的风。

气液分离膜27夹在连接路13和冷却器29之间。排气路27A连接到气液分离膜27和排气冷却器43。

排气冷却器43也具有多个散热扇43A、水收集罐45、和对外部大气开放的排气路47，散热扇43A的尺寸也构成为接受从上述送风器(图1中未示出)送来的风。

排气路47还依次具有用来吸收除去挥发性有机物质(VOC)的吸收装置49、开闭阀V5。

水收集罐45经由连接路51与混合罐11连接。连接路51具有用来把在水收集罐45中冷凝的水向混合罐11送出的泵P5、和其下游的检测阀CV。

气液分离膜27从包含从燃料罐9供给的甲醇以及从阳极5排出的未反应的甲醇和水的、从阳极5排出的气液混合流体中，分离包含在阳极5中生成的二氧化碳的气相。由此，二氧化碳实质上不会流入阳极侧冷却器29。这还可以抑制阳极侧冷却器29的内部流路中的压力损失、提高热交换和散热的效率。

从燃料罐9供给的甲醇以及未反应的甲醇和水在阳极侧冷却器29中被充分冷却。由于混合罐11收存已被充分冷却的甲醇和水，所以可有效地防止混合罐11内的液体的温度上升。而且，未反应的甲醇和水实际上被回收，提高了燃料效率。

为了使被气液分离膜27分离的气相中含有的水之类的冷凝性成分被冷凝，在排气冷却器43中被冷却。冷凝水在排气冷却器43中再次从气相中分离，被收集在水收集罐中。剩余的气相在已被充分冷却的状态下排出到外部大气中。冷凝水被供给到混合罐11与甲醇混合。

为了向阴极7供给空气，具有空气供给路23。空气供给路23依次具有过滤器31、开闭阀V3、和空气泵P3。

阴极7经由排出路25与阴极侧冷却器33连通。阴极冷却器33具有多个散热扇33A、水收集罐35、和对外部大气开放的排气路37，散热扇33A的尺寸也构成为接受从上述送风器(图1中未示出)送来的风。

排气路37还依次具有用来吸收除去挥发性有机物质(VOC)的吸收装置39、开闭阀V4。

水收集罐35经由连接路41与混合罐11连接。连接路41具有用来把在水收集罐35中冷凝的水向混合罐11送出的泵P4、和其下游的检测阀CV。

为了使水冷凝并从排出液分离气相，从阴极7排出的包含水蒸气的排出液在阴极侧冷却器33中被冷却。被分离后的气相在已被充分冷却的状态下排出到外部大气中。冷凝水被供给到混合罐11与甲醇混合。

而且，冷却器29、33和34还可以把在燃料电池系统1内生成的过剩的热散掉。

下面，参照图2说明根据本发明的实施方式2。在图2和以下的说明中，对与上述的实施方式1实质上相同的要素标以相同的附图标记并省略其详细说明。

根据根据本发明的的实施方式2，混合罐11具有气液分离膜11A，且排气路21与它连通。与气液分离膜27连通的排气路27A和排气路21合流。排气路21具有在上述合流部下游的开闭阀V2，与来自阴极7的排出部25进一步合流。

与上述的实施方式1同样地，气液分离膜27从包含从燃料罐9供给的甲醇以及从阳极5排出的未反应的甲醇和水的、从阳极5排出的气液混合流体中，分离包含在阳极5中生成的二氧化碳的气相。由此，二氧化碳实质上不会流入阳极侧冷却器29。这还可以抑制阳极侧冷却器29的内部流路中的压力损失、提高热交换和散热的效率。

从燃料罐9供给的甲醇以及未反应的甲醇和水在阳极侧冷却器29中被充分冷却。由于混合罐11收存已被充分冷却的甲醇和水，所以可有效地防止混合罐11内的液体的温度上升。而且，未反应的甲醇和水实际上被回收，提高了燃料效率。

为了使被气液分离膜27分离的气相中含有的水之类的冷凝性成分被冷凝，在排气冷却器43中被冷却。冷凝水在排气冷却器43中再次从气相中分离，被收集在水收集罐35中。剩余的气相在已被充分冷却的状态下排出到外部大气中。冷凝水被供给到混合罐11与甲醇混合。

而且，为了使水冷凝并从排出液分离气相，从阴极7排出的包含水蒸气的排出液在阴极侧冷却器33中被冷却。被分离后的气相在已被充分冷却的状态下排出到外部大气中。冷凝水被供给到混合罐11与甲醇混合。

而且，冷却器29和33还可以把在燃料电池系统1内生成的过剩的热散掉。

在任一个实施方式中，如果在混合罐11中收存的甲醇和水的混合物被供给到阳极5，空气被供给到阴极7，则在阳极5上发生以下反应：

CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

在阴极7上发生以下反应：

3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

阳极5的甲醇部分地穿过阴极7，在阴极上发生以下氧化反应：

CH₃OH+3/2O₂→CO₂+2H₂O

在各电池单元中，由上述阳极反应消耗的每单位时间的甲醇(q_MeOH ^a)、每单位时间的水

和每单位时间的二氧化碳

由下式表示：

$q_{\mathrm{MeOH}}^a=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{I_{\mathrm{co}}}{6F})---\left(1\right)$

$q_{H_{2}O}^a=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{n_d{I}_{\mathrm{op}}}{F}+\mathrm{\α})---\left(2\right)$

$q_{{\mathrm{CO}}_2}^a=\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}---\left(3\right)$

在此，F是法拉第常数，I_OP是电流，I_C.O.是由穿越的甲醇的量换算来的质子电流，n_d是每个质子上运载的水的数目，α是通过透过和扩散移动的水的摩尔通量。FC本体3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

在各电池单元中，由上述阴极反应消耗的每单位时间的氧气(q_MeOH ^c)、每单位时间的水和每单位时间的二氧化碳

由下式表示：

$q_{O_2}^c=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{4F}+\frac{I_{\mathrm{co}}}{4F})---\left(4\right)$

$q_{H_{2}O}^c=(\frac{{3I}_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{{n_{d}I}_{\mathrm{co}}}{F}+\frac{{2I}_{\mathrm{co}}}{6F}+\mathrm{\α})---\left(5\right)$

$q_{{\mathrm{CO}}_2}^c=\frac{I_{\mathrm{cp}}}{F}---\left(6\right)$

FC本体3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

由上述阳极反应生成的二氧化碳，与从阳极5排出的液体一起形成气液两相流体。两相流体被气液分离膜27分解成气相和液相。由此，通过在液相的流路中不含气相，抑制了液体的压力损失。而且，由于抑制了阳极侧冷却器29中的液体的流量，提高了阳极侧冷却器29的散热效率。

虽然利用优选的实施例说明了本发明，但本发明不限于上述实施例。本领域普通技术人员可以基于上述公开内容对实施例修改或变形后实施本发明。

Claims (5)

1、一种燃料电池系统，包括：

具有阳极和阴极的燃料电池单元；

收存甲醇和水的混合物的混合罐；

连通上述混合罐和上述阳极，向上述阳极供给上述混合物，且回收从上述阳极排出的排出流体的循环流路；

在上述循环流路上配置且从上述排出流体的液相分离气相的气液分离体；以及

在上述循环流路上且被配置在上述气液分离体的下游、使由上述气液分离体分离了的液相冷却的阳极侧冷却器，

所述燃料电池系统构成为在从上述排出流体的液相分离出气相后仅把液相的排出流体回收.

2、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

与上述阴极的流出口连接且从来自上述阴极的排出流体分离气相的气液分离装置.

3、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中还包括：

为了使已由上述气液分离体分离了的上述气相和来自上述阴极的上述排出流体合流形成混合流体，而使上述气液分离体和上述气液分离装置连通的流路.

4、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

为了把已由上述气液分离体分离了的气相中含有的冷凝性成分冷凝并把上述冷凝性成分送出到上述混合罐，与上述气液分离体和上述混合罐连接的排气冷却器.

5、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中还包括：

为了使上述气液分离装置中分离了的气相中所包含的冷凝性成分冷凝并回收，把上述气液分离装置和上述混合罐连通的连接路，用于把已冷凝了的上述冷凝性成分导入到上述混合罐.

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