CN100524920C - 使用丁烷的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，该系统包括：燃料箱，其用于存储采用压力液化的燃料；重整器，其用于由所述燃料通过基于热能的催化反应生成氢气；发电装置，其用于通过将氢气与氧气之间的电化学反应的能量转化成电能来发电；冷凝器，其用于冷凝在所述发电装置中生成的水；和热交换器，其经过所述冷凝器并用于通过所述燃料的潜热来冷却所述冷凝器。采用这种构造，由燃料箱的潜热冷却的冷却水被用来冷却所述冷凝器，而不需要使用分立的冷却器。进一步，空气被混合以丁烷燃料，而不需要使用分立的功率单元，从而可以获得更为紧密和更为高效的燃料电池。

Description

使用丁烷的燃料电池系统
优先权申明
本申请要求早先于2006年1月17日提交于韩国知识产权局、名称为“使用丁烷的燃料电池系统(FUEL CELL SYSTEM USING BUTANE)”且分配序列号为10-2006-0005089的申请的所有权益，而且该申请合并于此作为参考。
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体地说，涉及一种使用便携式丁烷燃料的燃料电池系统。
背景技术
一般而言，燃料电池是一种发电系统，其通过氢气与氧气之间的电化学反应而将化学能直接转化成电能。在向燃料电池系统供应氢气的过程中，可以直接使用纯氢气，或者可以重整甲醇、乙醇、天然气等等。此外，在向燃料电池系统供应氧气的过程中，可以直接使用纯氧气，或者可以通过空气泵等供应包含于空气中的氧气。
同时，燃料电池可分为：聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)，这两种燃料电池在室温下或低于100℃的温度下运行；磷酸燃料电池(PAFC)，其运行于150℃～200℃的温度下；熔融碳燃料电池(MCFC)，其运行于600℃～700℃的温度下；固态氧化物燃料电池(SOFC)，其运行于超过1000℃的高温下；等等。这些燃料电池基本上以相同的原理运行，但是它们在所使用的燃料、催化剂、电解液等等方面是不同的。
在燃料电池中，聚合物电解液膜燃料电池(PEMFC)使用通过重整甲醇、乙醇、天然气等等而获得的氢气，并且与其它类型的燃料电池相比，PEMFC具有的优势在于，它的输出性能极好，它的运行温度较低，并且它的启动和响应均可快速执行。因此，PEMFC可以广泛地应用作：用于住宅和公共建筑的分布式电源；用于便携式电子装置等的小型可携带电源；以及用于车辆的便移电源。
在聚合物电解液膜燃料电池系统中，燃料是诸如甲醇、乙醇、天然气之类的原料，这些原料可被重整而生成氢气。此外，丁烷燃料和水的混合物称为混合燃料。
聚合物电解液膜燃料电池主要包括：燃料箱，其用于存储燃料；重整器，其用于重整燃料以生成氢气；和发电装置，其用于通过氢气与氧气之间的电化学反应产生预定的电压和电流。
当燃料供给到重整器时，需要有要求分立电源的燃料泵。此外，重整器由需要分立电源的空气进给器供应以氧气，从而使燃料燃烧。同时，在发电装置中生成的水被冷却并凝结于冷凝器中。为了易于实现冷凝器的冷却效应，需要有要求分立电源的冷却器。
这样，在运行这种聚合物电解液膜燃料电池系统时，需要有要求分立电源的单元。因此，另外还需要用于驱动燃料电池的功率，进而使燃料电池的有效运行恶化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种带有空气进给器和冷却器而不需要额外电源的燃料电池系统。
本发明的上述和/或其它目的通过提供一种这样的燃料电池系统而实现，该燃料电池系统包括：燃料箱，其用于存储采用压力液化的燃料；重整器，其用于由所述燃料通过基于热能的催化反应生成氢气；发电装置，其用于通过将氢气与氧气之间的电化学反应的能量转化成电能来发电；冷凝器，其用于冷凝在所述发电装置中生成的水；和热交换器，其经过所述冷凝器并用于通过所述燃料的潜热来冷却所述冷凝器。
根据本发明的一方面，所述燃料电池系统进一步包括冷却水箱，其与所述燃料箱相接触并用于存储冷却水。进一步，所述燃料电池系统包括设置于所述冷却水箱外部的隔离材料。
根据本发明的一方面，所述冷却水箱和所述热交换器相连接，从而彼此连通。进一步，所述热交换器包括使所述冷却水流经的导管。另外，所述热交换器与所述冷凝器的至少一侧相接触。在这种情况下，所述重整器通过所述燃料经过文氏导管之时产生的负压被进给以空气。
根据本发明的一方面，所述燃料包括气态烃类原料，特别是丁烷。进一步，所述燃料箱包括便携式丁烷燃料箱。
根据本发明的一方面，所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
附图说明
随着结合附图并参照下文详细说明而使本发明得到更好的理解，本发明的更为详尽的认知及其附带的优点将更易于理解，在所述附图中，相同的附图标记代表相同或相似的元件，其中：
图1是根据本发明实施例的聚合物电解液膜燃料电池系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的设置于燃料箱中的冷却水箱的透视图；
图3是根据本发明实施例的设置于冷凝器中的热交换器的透视图；和
图4是聚合物电解液膜燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
下文中，将参照附图对本发明的优选实施例进行描述，其中相同的附图标记代表相同的元件，并且将适当避免重复的描述。
图1是根据本发明实施例的聚合物电解液膜燃料电池系统的示意图。
在根据本发明实施例的燃料电池系统中，燃料可以是在市场上通用的丁烷，但是所述燃料并不限于此。可选地，燃料可包括气态烃类原料，例如液化天然气(LNG)、丙烷、纯丁烷等等。在通用的丁烷燃料中，纯丁烷和纯丙烷可以预定的比率混合。进一步，丁烷燃料和水的混合物称为混合燃料。
参照图1，根据本发明实施例的聚合物电解液膜燃料电池包括燃料箱110、冷却水箱120、空气混合器133、重整器140、发电装置150、热交换器174、冷凝器175和水存储箱180。
燃料箱110是气密且抗压的，从而可存储燃料。燃料箱110可以使用市场上通用的便携式丁烷燃料箱。下文中，便携式丁烷燃料箱将作为燃料箱110的示例而进行描述。燃料箱110存储以预定的压力而被液化的丁烷燃料。然而，燃料箱110周围的环境温度气化了其中一些液化的丁烷燃料，从而使气化的丁烷燃料增大了燃料箱110中的内压，进而在燃料箱110的喷口(未示出)开启之时，可将丁烷燃料排放到分配器130而不需要分立的单元。同时，通过丁烷燃料从液态变化为气态之时产生的潜热，燃料箱110得到冷却。
图2是根据本发明实施例的围绕燃料箱设置的冷却水箱的透视图。参照图2，冷却水箱120接触燃料箱110的外部，并且在冷却水箱120上设置有隔离材料121。在这种情况下，存储于冷却水箱120中的冷却水由于与燃料箱110表面的接触而得到冷却，并且冷却水的冷却状态通过隔离材料121得到保持，其中冷却箱110通过由于潜热的上述冷却效应而得到冷却。
返回参照图1，冷却水经过冷却水供给导管172而由泵171供给到热交换器174。优选地，泵171被选择地尽可能小，从而需要最小功率。冷却水沿着形成于热交换器174中的管道移动，并通过热交换来冷却热交换器174。然后，与热交换器174接触的冷凝器175得到冷却，进而增强了冷凝器175的冷凝效果。在采用热交换器174交换热之后，冷却水通过冷却水回收导管173而回收于冷却水箱120中，并再次被冷却。采用这种构造，冷凝器175通过燃料箱110的冷却效应得到冷却，而不需要使用要求基本上分立功率的冷却器，且只需使用要求相对较小功率的泵171。因此，所提供的燃料电池更为紧密并且效率更高。
由燃料箱110向分配器130供给的丁烷燃料分为两部分。一些丁烷燃料作为重整燃料经第一燃料供给导管134而供给到重整器140(将在下文描述)的重整反应部分141，其余燃料作为燃烧燃料经第二燃料供给导管135而供给到重整器140的热源部分142。第一燃料供给导管134和第二燃料供给导管135分别设置有阀131和132。因此，不需要分立的驱动单元，所供给的重整燃料和燃烧燃料的数量可以分别通过调节阀131和132的打开状态而得到控制。
同时，燃烧燃料必须混合以燃烧反应所需的预定数量的空气，然后供给到重整器140的热源部分142。在这种情况下，空气可以经空气混合器133而混合以燃烧燃料，而不需要分立的需要功率的单元。空气混合器133的中央设置有文氏导管136，并且文氏导管136的中心设置有吸入导管137来和外部空气连通。当燃烧燃料通过文氏导管136被引入时，由于管道变得更窄，使得燃烧燃料的速度增大。然后，根据伯努利定律，压力会降低，从而产生负压，进而经吸入导管137而吸入外部空气。因此，燃烧燃料被混合以空气，并且所混合的燃料经第二燃料供给导管135而供给到重整器140的热源部分142。因此，燃烧燃料和空气被混合，而不需要分立的需要功率的单元。同样，不需要分立的需要功率的单元，重整燃料也可混合以存储于水存储箱180中的水。
重整器140包括重整反应部分141和热源部分142。通过经蒸汽重整催化反应而对重整燃料的重整，重整反应部分141生成具有氢基的重整气体。燃烧燃料和空气被引入热源部分142中，并被燃烧以将热传递到重整反应部分141。同时，重整气体包含预定数量的一氧化碳。如果含有一氧化碳的重整气体被引入发电装置150，则催化剂中毒，进而使燃料电池系统的性能恶化。因此，为了减少重整气体中所含的一氧化碳，水气转换催化反应和选择氧化催化反应通过水气转化器143和选择氧化器144而应用于重整气体。因此，重整气体中所含的一氧化碳被移除，从而获得了高浓度的氢气。
发电装置150包括用于氧化氢气并还原氧气的膜电极组件154，和用于向膜电极组件154供应氢气和氧气的双极板155。膜电极组件154可以具有用于膜电极组件的特定结构，在该结构中，电解液膜151被插置于阳极电极152与阴极电极153之间。在发电装置150中，电化学反应可以由下列反应式来表述：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：(1/2)O2+2H++2e-→H2O
总反应：H2+(1/2)O2→H2O+电流+热
发电装置150在其一端与前述的冷凝器175连接。冷凝器175通过前述的冷却效应来冷凝从发电装置150排放出的高温蒸汽，而且冷凝后的水存储于水存储箱180中。
图3是根据本发明实施例的设置于冷凝器中的热交换器的透视图。参照图3，热交换器174形成为空心管，并且被弯折足够次数，用于在与冷凝器175的上下表面接触之时进行热交换。热交换器174的一端与冷却水供给导管172连通，而热交换器174的另一端与冷却水回收导管173连通。所述冷却水经冷却水供给导管172而被引入到热交换器174中，并且沿着热交换器174的内部流动，进而与热交换器174进行热交换。然后，热交换器174被冷却，并和与其相接触的冷凝器175进行热交换。因此，冷凝器175被冷却，并更易于冷凝由发电装置150生成的高温蒸汽。在热交换后，冷却水通过冷却水回收导管173排出。在本实施例中，热交换器174设置于冷凝器175的两个表面上，不过本发明并不限于此。可选地，热交换器174可设置于冷凝器175的一个表面上。
图4是聚合物电解液膜燃料电池系统的示意图。
在附图中，相同的附图标记代表相同的元件。因此，关于图4中未被描述的附图标记的元件，参照上文实施例中具有相同附图标记的元件的描述。
在图4中的聚合物电解液膜燃料电池系统中，燃料是诸如甲醇、乙醇、天然气之类的原料，这些原料可以被重整以生成氢气。进一步，丁烷燃料和水的混合物称为混合燃料。
参照图4，聚合物电解液膜燃料电池主要包括用于存储燃料的燃料箱110；用于重整燃料以生成氢气的重整器140；以及发电装置150，发电装置150用于通过氢气与氧气之间的电化学反应来产生预定的电压和电流。
当燃料供给到重整器140时，需要有要求分立电源的燃料泵221和222。进一步，重整器140通过需要分立电源的空气进给器224供给以氧气，从而使燃料燃烧。同时，在发电装置150中生成的水被冷却并冷凝于冷凝器175中。为了易于实现冷凝器175的冷却效应，需要有要求分立电源的冷却器274。
这样，在运行这种聚合物电解液膜燃料电池系统时，需要有要求分立电源的单元。因此，还需要有用于驱动燃料电池的功率，从而使燃料电池的有效运行恶化。
根据本发明的实施例，提供有这样的燃料电池系统，在该系统中，通过燃料箱的潜热冷却的冷却水被用来冷却冷凝器，而不需要使用分立的冷却器。此外，空气被混合以丁烷燃料，而不需要使用分立的功率单元，从而可以获得更为紧密和更高效率的燃料电池。
虽然已经对本发明的一些实施例进行了显示和描述，不过本领域的技术人员可以理解的是，在不偏离本发明的原则和精神下，可以对所述实施例进行改造，而且本发明的范围由权利要求书及其等效物所限定。

Claims (16)

1、一种燃料电池系统，包括：
燃料箱，其用于存储采用压力液化的燃料；
重整器，其用于由所述燃料通过基于热能的催化反应生成氢气；
发电装置，其用于通过将氢气与氧气之间的电化学反应的能量转化成电能来发电和产生水；
冷凝器，其用于冷凝在所述发电装置中生成的水；
热交换器，其经过所述冷凝器并用于通过所述燃料的潜热来冷却所述冷凝器；和
冷却水箱，其与所述燃料箱相接触且与所述热交换器流体连通并用于存储冷却水。
2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述热交换器与所述冷凝器的至少一侧相接触。
3、根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括设置于所述冷却水箱的外部上的隔离材料。
4、根据权利要求2所述的燃料电池系统，进一步包括使所述冷却水在所述热交换器与所述冷却水箱之间流通的导管。
5、根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述重整器通过在所述燃料经过文氏导管之时产生的负压被进给以空气。
6、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括气态烃类原料。
7、根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述燃料包括丁烷。
8、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述燃料箱包括便携式丁烷燃料箱。
9、根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
10、根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
11、根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
12、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
13、根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
14、根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
15、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
16、根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统包括聚合物电解液膜燃料电池系统。
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