CN101030645A - 带有回收单元的燃料电池及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有回收单元的燃料电池及其驱动方法。在一个实施例中，所述燃料电池包括：i)基于电化学反应生成电的电学发生器，ii)回收单元，用以回收并混合燃料、未反应燃料以及由电化学反应产生的气体和水，并向所述电学发生器供应混合燃料，其中回收单元包括被配置为释放气体的阀，该阀根据燃料电池的工作而选择性地开启和关闭。采用这样的配置，即使回收单元倾斜或者翻转，气体或者燃料也不会被导入电学发生器。进一步，即使燃料电池长时间不使用，也能防止混合燃料通过释放管挥发。

Description

带有回收单元的燃料电池及其驱动方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求2006年3月3日递交韩国知识产权局的韩国专利申请No.2006-0020532的优先权，该申请所公开的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及带有回收单元的燃料电池及其驱动方法，在该燃料电池中，回收单元回收在燃料电池系统的电学发生器中生成的气体、水和未反应燃料，然后将气体释放，并有效地重复利用水和未反应燃料。

背景技术

一般来说，燃料电池是通过氢和氧之间的电化学反应直接将化学能转换成电能的能量生成系统。在向燃料电池系统供应氢的时候，可以直接使用纯氢气或者从甲醇、乙醇、天然气或者类似物所得到的氢。另外，在向燃料电池系统供应氧的时候，可以直接使用纯氧气，或者可以由气泵或者类似物来供应空气中所含的氧。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种带有回收单元的燃料电池及其驱动方法，其中防止从燃料电池的电学发生器回收到回收容器中的气体流入阳极电极，或者防止混合燃料流入阴极电极，并且也防止存储在回收容器中的混合燃料挥发。

通过提供以下燃料电池而实现本发明的实施例，所述燃料电池包括：i)电学发生器，用于基于阳极电极中混合燃料的氧化和阴极电极中氧的还原而产生电；ii)燃料容器，用于存储原始燃料；iii)回收单元，用于回收和混合所述原始燃料、未参加电学发生器中氧化的未反应燃料以及由还原产生的水，以制成混合燃料，并且将该混合燃料供应给电学发生器；以及iv)空气进给器，用于向电学发生器供应氧，其中回收单元包括：与电学发生器和燃料容器相连并相通的壳体；布置在壳体内部的释放管，其用于释放从电学发生器回收的气体，并且具有延伸到壳体外部的第一端和延伸到壳体内部的第二端以及在释放管内提供的第一阀。

回收单元可以进一步包括在阳极回收管内部提供的第二阀，所述阳极回收管连接所述壳体和所述电学发生器的阳极电极的出口，以便彼此相通。进一步，所述回收单元可以包括提供在阴极回收管内部的第三阀，所述阴极回收管连接所述壳体和所述电学发生器的阴极电极的出口，以便彼此相通。并且，第二阀和第三阀可以包括开/管阀或止回阀。

在一个实施例中，释放管的第二端连接到一浮子。进一步，所述壳体可以包括放置在其内表面上并且邻近阳极回收管的多孔材料。

本发明的另一个方面提供了一种驱动燃料电池的方法，包括：i)通过第一供应线和第二供应线向电学发生器供应氧和含氢的混合燃料；ii)通过电学发生器中氢和氧之间的电化学反应产生电；iii)通过回收路径回收由电学发生器的电化学反应所产生的副产品；iv)将包含在所述副产品中的气体从所述回收单元释放到空气中；和v)在向空气释放所述气体时，将水、燃料以及包含在所述副产品中的未反应燃料混合成含氢的混合燃料。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面将从以下结合附图对实施例所进行的描述而变得清晰，并且更易于理解。

图1是根据本发明实施例的带有回收单元的燃料电池系统的示意图；和

图2是通过根据本发明另一实施例的回收单元的壳体所看到的视图。

具体实施方式

燃料电池一般分为：工作于室温或者低于100℃温度下的i)聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)和ii)直接甲醇燃料电池(DMFC)，iii)工作于大约150℃～大约200℃温度下的磷酸燃料电池(PAFC)，iv)工作于大约600℃～大约700℃温度的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，v)工作于高于大约1000℃的高温下的固体氧化物燃料电池(SOFC)等等。这些燃料电池的基本工作原理相同，但是它们在所使用的燃料、催化剂、电解质的种类等方面不同。

在这些燃料电池当中，在运行在相对较低温度下的DMFC中，甲醇和水的混合燃料被直接供应到电学发生器的阳极电极，空气中的氧被供应到阴极电极，并且由氧和甲醇中所包含的氢之间的电化学反应产生电。

同时，燃料电池可以包括回收容器，以回收没有参加阳极电极电化学反应的未反应燃料和由阴极电极化学反应所产生的水，从而将它们再次供应给电学发生器。所述回收容器包括释放管，其用以释放包含在未反应燃料中的多余气体。

这样的回收容器连接到电学发生器，并与其交换流体。因此，当燃料电池被非正常放置时，例如当燃料电池被倾斜地或者颠倒地放置时，存储在所述回收容器中的混合燃料可能流入阴极电极，或者气体可能流入阳极电极。

进一步，如果释放管被长时间打开而未运行燃料电池，那么存储在回收容器中的混合燃料会由于其高挥发性而通过释放管持续地挥发，从而将燃料浪费殆尽。

在下文中，将参照附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记代表相同的元件，并且避免了重复的描述。进一步，图中所示的元件尺寸可能为了方便的目的而被放大。

图1是根据本发明实施例的带有回收单元的燃料电池系统的示意图。

在一个实施例中，如图1中的燃料电池系统所示，原始燃料是甲醇，特别是高浓度的甲醇，而混合燃料或者含氢的混合燃料是原始燃料和水和/或从电学发生器回收的未反应燃料的混合物。

参照图1，燃料电池系统包括燃料容器110，回收单元(或燃料提供器)130，电学(或者电)发生器140，以及空气进给器(或者氧提供器)150。

存储在燃料容器110中的原始燃料通过燃料供应管111供应到回收单元130，所述燃料供应管111连接到回收单元130并且与其相通。在回收单元130中，水、原始燃料以及从电学发生器140释放的未反应混合燃料被混合，从而制成具有预定浓度的混合燃料。燃料泵160使混合燃料沿混合燃料供应管124流动，并且通过阳极入口147导入电学发生器140的阳极电极142。稍后将更加详细地描述回收单元130。

电学发生器140通过氢和氧之间的电化学反应产生电，所述氢包含在从回收单元130供应的混合燃料中，所述氧由空气进给器150供应。电学发生器140包括至少一个用以产生电能的单元电池。所述单元电池包括用以氧化混合燃料和还原氧的膜电极组件(MEA)144，所述单元电池还包括隔离板145，其用以向膜电极组件144供应混合燃料和氧，并且释放膜电极组件144中氧化/还原反应所生成的产物。膜电极组件144通常包括阳极电极142、阴极电极143以及介于阳极电极142和阴极电极143之间的电解质膜141。进一步，电学发生器140具有堆叠结构，在该结构中堆叠有多个单元电池。

同时，在一个或更多个邻近阳极电极142的隔离板145中形成的通道(未示出)排列成行并且彼此相通。所排列的通道的一端与形成于电学发生器140一侧的阳极入口147相通，而另一端与形成于电学发生器140另一测的阳极出口146相通。

此外，在一个或更多个邻近阴极电极143的隔离板145中形成的通道(未示出)排列成行并且彼此相通。所排列的通道的一端与形成于电学发生器140一侧的阴极入口149相通，而另一端与形成于电学发生器140另一测的阴极出口148相通。

采用这样的配置，通过电学发生器140的阳极入口147导入混合燃料，并且沿着邻近阳极电极142的隔离板145中的通道供应到阳极电极142。进一步，通过电学发生器140的阴极入口149导入氧，并且沿着邻近阴极电极143的隔离板145中的通道供应到阴极电极143。

此时，电学发生器140中的电化学反应可以由下面的反应式1来表示。

[反应式1]

阳极：CH₃OH+H₂O→CO₂+6H⁺+6e^-

阴极：3/2O₂+6H⁺+6e^-→3H₂O

总反应式：CH₃OH+3/2O₂→CO₂+H₂O

如上面的反应式所示，在阳极电极142中产生的诸如二氧化碳的气体以及没有参加阳极电极电化学反应的未反应燃料，沿着在邻近阳极电极142的隔离板145中形成的通道流动，并且通过阳极出口146释放。

进一步，如同上述反应式所示，在阴极电极143中产生的水，沿着在邻近阴极电极143的隔离板145中形成的通道流动，并且通过阴极出口148释放。

同时，燃料电池包括回收单元130，其用以回收并重复利用通过阳极出口146释放的未反应混合燃料以及通过阴极出口148释放的水。恢复单元130具有壳体131，未反应的混合燃料、水和从燃料容器110供应的原始燃料在壳体131中混合。

此时，电学发生器的阳极出口146和回收单元130的壳体131通过阳极回收管123彼此连接并相通，从而使得由阳极电极中反应产生的诸如二氧化碳的气体通过阳极回收管123导入回收单元130的壳体131，而来自阳极出口146的未反应燃料被回收到壳体131。进一步，电学发生器140的阴极出口148和回收单元130的壳体131通过阴极回收管121彼此连接并且相通，从而使得从阴极出口148释放的水被导入回收单元的壳体131。

回收单元130的壳体131包括释放管132。释放管132具有延伸到壳体131外部并且带有第一阀133的第一端。释放管132具有延伸到壳体131内部并且刺入浮子134的第二端。由于浮子134与壳体131的倾斜状态无关，所以释放管132的第二端可以暴露到壳体131所包含的气体中。因此，回收单元130的壳体131中所存在的诸如二氧化碳或者类似物的气体被导入释放管132的第二端，并且通过释放管132的第一端释放到外部。

打开或者关闭第一阀133，以控制释放管132的开启状态，从而允许流体通过释放管132或者阻塞流体。例如，当燃料电池产生电时打开第一阀133，从而使得从电学发生器140流向壳体131的诸如二氧化碳或者类似物的气体通过释放管132释放到外部。另一方面，当燃料电池停止工作时关闭第一阀133，从而防止壳体131中的混合燃料通过释放管132挥发耗尽。这里，可以由开/关阀或者止回阀来实现第一阀133。

进一步，阳极回收管123包括第二阀125，而阴极回收管121包括第三阀126。打开/关闭第二阀125和第三阀126，以分别控制阳极回收管123和阴极回收管121的开启状态，从而允许流体通过阳极回收管123和阴极回收管121，或者阻塞流体。例如，第二阀125和第三阀126可以由开/关阀实现。当燃料电池工作时打开第二阀125和第三阀126，当燃料电池停止工作时关闭第二阀125和第三阀126。这样，在燃料电池未被使用时，即使燃料电池被非正常的放置，在回收单元130的壳体131中存储的诸如二氧化碳的气体也不会通过阳极出口146导入电学发生器140的阳极电极，或者存储在壳体131中的混合燃料也不会通过阴极出口148导入电学发生器140的阴极电极143。

作为替换地，例如，第二阀125和第三阀126可以由止回阀实现，止回阀仅仅允许流体沿着朝向回收单元130的壳体131内部的方向流动。这样，不管燃料电池是工作还是停止，都可以通过阳极出口146和阴极出口148将未反应燃料和诸如二氧化碳的气体回收到回收单元130的壳体131中，但是存储在回收单元130的壳体131中的诸如二氧化碳的气体不能通过阳极出口146导入电学发生器140的阳极电极142，或者存储在壳体131中的混合燃料也不能通过阴极出口148导入到电学发生器140的阴极电极143。

根据本发明的另一实施例，混合燃料供应管124包括第四阀(未示出)，其用于控制混合燃料的供应。第四阀可以放置在燃料泵160之前或之后。提供第四阀来防止混合燃料由于燃料泵160故障而被不必要地从回收单元130导入电学发生器140的阳极入口147。当燃料电池未被使用时，第四阀保持关闭。这样，即使燃料泵160故障，也可以防止混合燃料从回收单元130导入电学发生器140的阳极入口147。然而，当燃料电池工作的时候，第四阀保持打开，从而使得混合燃料被燃料泵160从回收单元130导入电学发生器140的阳极入口147。

图2是穿过根据本发明另一实施例的回收单元的壳体所看到的视图。

参照图2，除了多孔材料135之外，回收单元230包括与图1中回收单元130的壳体相同的壳体131。多孔材料135安装在壳体131的内表面上。在一个实施例中，多孔材料135安装得遍及阴极回收管121、阳极回收管123以及混合燃料供应管124的入口和壳体131的底部。因为多孔材料135挡住存储于壳体131中的混合燃料，即使回收单元230被放置在非正常的状态，例如被翻转或者类似的情况，混合燃料也可以持续地通过混合燃料管124供应。进一步，由于邻近阳极回收管123的入口放置了多孔材料135，所以可以防止气体被导入到阳极回收管123。

根据本发明的实施例，即使回收单元被放置在非正常状态，例如倾斜或者翻转，也可以防止诸如二氧化碳的气体和混合燃料被分别导入到电学发生器的阳极电极和阴极电极。在一个实施例中，燃料电池系统包括可以探测燃料电池倾斜度的传感器(未示出)。

进一步，即使燃料电池长时间未被使用，也可以防止混合燃料通过回收单元壳体中所提供的释放管而挥发。所以，防止了燃料电池发生故障，并且因此更加有效地产生电。

虽然以上描述指出了本发明应用于不同实施例时的新颖特征，但是本领域技术人员可以理解，可以对所示设备或者过程的形式和细节进行各种省略、替换或者改变，而并不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围由所附的权利要求而不是之前的说明书限定。所有在权利要求的内涵和等价范围内的变化都包括在其范围中。

Claims (20)

1、一种燃料电池，包括：

电发生器，被配置为基于电化学反应产生电；

燃料容器，被配置为存储原始燃料；

回收单元，被配置为混合i)所述原始燃料、ii)未参加所述电化学反应的未反应燃料、以及iii)由所述电化学反应产生的水，以产生混合燃料，并且将所述混合燃料供应到所述电发生器；和

氧提供器，被配置为向所述电发生器供应氧；

其中所述回收单元包括：

壳体，与所述电发生器和燃料容器相连并互通流体；

位于所述壳体内部的释放管，被配置为释放从电发生器回收的气体，并且具有延伸到壳体外部的第一端和延伸到壳体内部的第二端；和

位于所述释放管内的第一阀。

2、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述回收单元进一步包括位于阳极回收管内的第二阀，所述阳极回收管将所述壳体与所述电发生器的阳极电极的出口相连接，以便彼此互通流体。

3、根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述回收单元进一步包括位于阴极回收管内的第三阀，所述阴极回收管将所述壳体与所述电发生器的阴极电极的出口相连接，以便彼此互通流体。

4、根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述第二阀和第三阀均包括开/管阀或止回阀。

5、根据权利要求4所述的燃料电池，其中所述第一阀包括开/关阀。

6、根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述释放管的第二端连接到一浮子。

7、根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述壳体包括放置在其内表面上并邻近所述阳极回收管的多孔材料。

8、根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述回收单元进一步包括放置在混合燃料供应管中的第四阀，所述混合燃料供应管将所述壳体与所述电发生器的阳极电极的入口相连接，以便彼此互通流体。

9、根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述混合燃料供应管与一燃料泵相连接，并且所述第四阀放置在该燃料泵之前。

10、根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述混合燃料供应管与一燃料泵相连接，并且所述第四阀放置在该燃料泵之后。

11、一种驱动燃料电池的方法，包括：

通过第一供应线和第二供应线向电发生器供应氧和含氢的混合燃料；

通过电发生器中氢和氧之间的电化学反应产生电；

在回收单元通过回收路径回收由电化学反应产生的副产品；

将包含在所述副产品中的气体从所述回收单元释放到环境中；和

混合i)包含在所述副产品中的未反应燃料，ii)水和iii)原始燃料，以便在向所述环境释放气体时生成含氢的混合燃料。

12、根据权利要求11所述的方法，其中在氧和含氢的混合燃料未被供应到所述电发生器时，停止所述释放。

13、根据权利要求11所述的方法，其中在氧和含氢的混合燃料未被供应到所述电发生器时，关闭所述回收路径。

14、一种用于燃料电池的燃料提供器，包括：

第一入口，被配置为接收第一燃料；

第二入口，被配置为接收第二燃料，其中所述第一燃料和第二燃料具有彼此不同的浓度，并且第一燃料和第二燃料其中之一包括气体；

第三入口，被配置为接收水；

第一出口，被配置为根据所述第一燃料和第二燃料提供混合燃料；和

第二出口，被配置为释放所述气体，

其中，所述燃料提供器被配置为选择性地关闭所述第二出口和第三入口中的至少一个。

15、根据权利要求14所述的燃料提供器，其中所述第二出口被配置为在所述燃料电池不工作时关闭。

16、根据权利要求14所述的燃料提供器，其中所述第三入口被配置为在所述燃料电池不工作时关闭。

17、根据权利要求16所述的燃料提供器，进一步包括倾斜度探测传感器，其被配置为探测所述燃料电池的倾斜度。

18、根据权利要求14所述的燃料提供器，其中所述燃料提供器包括浮子，其被配置为仅释放所述气体。

19、一种驱动具有阳极侧和阴极侧的燃料电池的方法，该方法包括：

接收第一燃料；

接收第二燃料，其中所述第一燃料和第二燃料具有彼此不同的浓度，并且第一燃料和第二燃料其中之一包括气体；

根据所述第一燃料和第二燃料生成混合燃料；

释放所述气体；和

从所述阴极侧接收水，其中在燃料电池倾斜时不允许所述混合燃料进入所述阴极侧。

20、根据权利要求19所述的方法，其中在所述燃料电池不工作时，不释放所述气体。

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