CN101079484A - 结合加湿装置于未反应气体排放管路的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，是以一加湿装置的一未反应气体入口连接于一未反应阳极气体导出管，以将由燃料电池组的一阳极气体出口所排放的未反应阳极气体导通予该加湿装置；该加湿装置调节未反应阳极气体的相对湿度及浓度，并排放经调节的未反应阳极气体。

Description

结合加湿装置于未反应气体排放管路的燃料电池系统
技术领域
本发明是关于一种燃料电池组未反应气体排放处理的技术，特别是关于一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)为一种借着电化学反应，直接利用含氢燃料和空气产生电力的装置。由于燃料电池具有低污染、高效率、高能量密度等优点，故成为近年来各国研发和推广的对象。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作温度较低、起动迅速、体积与重量的能量密度较高，因而最具产业价值。
燃料电池在反应时依赖氢离子的传输以完成电化学反应，其电池性能与各项操作条件，例如温度、湿度、氢气流量、空气流量...等皆息息相关。就湿度而言，即必需使该燃料电池的高分子质子交换膜维持在合适的操作湿度下才能使该燃料电池保持较高的效能，而对于温度而言，同样必须维持在合适的操作温度下。
综观目前的技术，为了维持燃料电池操作在适当的操作湿度与温度，现有的作法已有在反应气体供应管路中配置一结合有冷却水系统的加湿装置，其是导通该冷却水系统冷却该燃料电池后所排放出的高温冷却水(温度约为摄氏60～70度)至该加湿装置中，以使该反应气体在经过该加湿装置时提高其相对湿度及温度，然后再供应至该燃料电池中。例如以空气(氧气)的供应而言，一般作法即是在鼓风机之后配置该加湿装置，然后再连接至燃料电池中的阴极气体入口，以使该空气在进入至燃料电池中时能得到适当的相对湿度。
另外，由于燃料电池所排放的未反应阳极气体具高度危险性(局部浓度高于4％时易自燃、爆炸)，不如未反应阴极气体可直接排放于大气中，故需针对燃料电池所排放的未反应阳极气体做适当的处理。已有的作法是将该未反应阳极气体导回该燃料电池做循环利用，然此做法易发生阳极气体纯度下降的问题(即毒化)；亦有针对上述作法的改良作法，即是仅导回部分的未反应阳极气体予燃料电池，而导通其余部分的未反应阳极气体予一触媒转化器进行处理再行排放至大气中。
然而，导回部分的未反应阳极气体予燃料电池并导通其余部分的未反应阳极气体予一触媒转化器进行处理再行排放至大气中的作法，虽可解决阳极气体排放的问题并可有效回收利用部分阳极气体，但需花费额外的成本建置昂贵的触媒转化器。另外，以一加湿装置调节提供予该燃料电池反应气体的湿度的作法虽已成熟，却未有出现加湿装置与燃料电池未反应气体相结合的技术。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，是以一加湿装置处理燃料电池组排放的未反应气体，以排放具危险性的未反应阳极气体。
本发明的另一目的即是提供一种具有未反应阳极气体导出管的燃料电池系统，以取代现有用以处理未反应气体的触媒转化器，以降低处理燃料电池组所排放的未处理气体的成本。
本发明的一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，是以一加湿装置的一未反应气体入口连接于一未反应阳极气体导出管，以将由燃料电池组的一阳极气体出口所排放的未反应阳极气体导通予该加湿装置；该加湿装置调节该未反应阳极气体的相对湿度及浓度，并排放经调节的未反应阳极气体。
所述加湿装置更具有一阴极气体源入口，其是以一阴极气体供应管导通一阴极气体供应源供应予该加湿装置进行湿度调节的阴极气体以及一加湿阴极气体出口，其是以一阴极气体导入管连接燃料电池组的阴极气体入口，以导通该加湿阴极气体予燃料电池组；该加湿装置调节阴极气体供应源供应的阴极气体的湿度，以及混合未反应阳极气体与部分阴极气体供应源所供应的阴极气体成一混合气体并调节其湿度，并经由该加湿未反应气体出口排放混合气体。
另外，本发明更结合一水冷系统，以将低温冷却水导入燃料电池组以冷却燃料电池组，并将排放的高温冷却水导入加湿装置，以提供该加湿装置高温的水源，以提升阴极气体源的湿度及温度。
相较于现有技术，本发明的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，可使反应气体在经过加湿装置时提高其相对湿度及温度再供应至燃料电池中，以维持燃料电池在适当的操作湿度与温度。并且可导通部分的未反应阳极气体予燃料电池而循环利用，更具有导通其余部分的未反应阳极气体予加湿装置进行加湿及稀释处理后，再行安全地排放至大气中的功能，以降低处理燃料电池组所排放的未反应气体的成本。
附图说明
图1显示本发明第一具体实施例的示意图。
图2显示本发明第二具体实施例的示意图。
图3显示本发明第三具体实施例的示意图。
100、200、300  燃料电池系统
1              燃料电池组
11             阳极气体入口
12             阳极气体出口
13             阴极气体入口
14             阴极气体出口
2              阳极气体供应源
21             阳极气体导入管
3              阴极气体供应源
31             阴极气体供应管
32             阴极气体导入管
33           未反应阴极气体导出管
4            未反应阳极气体导出管
41           加压装置
42           气体混合装置
43           未反应阳极气体排放量控制单元
44           未反应阳极气体回流管
5            加湿装置
51           未反应气体入口
52           加湿未反应气体出口
53           阴极气体源入口
54           加湿阴极气体出口
6            水冷系统
61           冷却水装置
62           冷却水导入管路
63           冷却水回流管路
64           水加压装置
具体实施方式
请参阅图1，显示本发明结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统的第一具体实施例示意图。如图所示，一燃料电池系统100具有一燃料电池组1、一阳极气体供应源2、一阴极气体供应源3、一未反应阳极气体导出管4与一加湿装置5。
燃料电池组1具有一阳极气体入口11，并且以一阳极气体导入管21导通阳极气体供应源2供应予燃料电池组1的阳极气体。燃料电池组1更具有一用以排出未反应阳极气体的阳极气体出口12、一用以导入阴极气体的阴极气体入口13与一用以排出未反应阴极气体的阴极气体出口14。
未反应阳极气体导出管4连接于阳极气体出口12，用以导通燃料电池组1排出的未反应阳极气体予加湿装置5。未反应阳极气体导出管4更具有一加压装置41、一气体混合装置42与一未反应阳极气体排放量控制单元43，其中加压装置41是用以提供未反应阳极气体适当的压力以加速其流动，气体混合装置42是用以混合导通至气体混合装置42的未反应阳极气体与未反应阴极气体，而未反应阳极气体排放量控制单元43是用以控制未反应阳极气体的排放量。
加湿装置5具有一未反应气体入口51，其是用以连接未反应阳极气体导出管4以导入未反应阳极气体予加湿装置5；一加湿未反应气体出口52；一阴极气体源入口53，是以一阴极气体供应管31导通阴极气体供应源3供应予加湿装置5进行湿度调节的阴极气体；与一加湿阴极气体出口54，是以一阴极气体导入管32连接燃料电池组1的阴极气体入口13，以导通加湿阴极气体予燃料电池组1。燃料电池系统100更具有一未反应阴极气体导出管33，其是连接燃料电池组1的阴极气体出口12与未反应阳极气体导出管4的气体混合装置42，将自阴极气体出口12排出的未反应阴极气体与未反应阳极气体混合成一混合气体后，再经由未反应气体入口51导入加湿装置5。
加湿装置5通过阴极气体供应管31导入阴极气体供应源3供应的相对干燥的阴极气体，经调节该阴极气体的湿度后以阴极气体导入管32将相对潮湿的加湿阴极气体导入燃料电池组1，以提供燃料电池组1适当的操作湿度。
加湿装置5并调节自气体混合装置42导通的未反应阳极气体与未反应阴极气体混合成的混合气体的湿度，并经由加湿未反应气体出口52排放混合气体。通过气体混合装置42的处理，可降低具危险性的未反应阳极气体的浓度，而通过加湿装置5的加湿处理，更可进一步降低未反应阳极气体的浓度(于实际应用中可将其浓度降至1％以下)，并可提升其相对湿度而进一步降低其危险性，而安全地将其排放于大气中。
请参阅图2，显示本发明结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统的第二具体实施例示意图。如图所示，一燃料电池系统200与本发明第一实施例的燃料电池系统100的不同处系在该燃料电池系统200的未反应阳极气体导出管4更具有一未反应阳极气体回流管44，其是连接于该阳极气体导入管21。
未反应阳极气体回流管44是用以自阳极气体导入管21导通部分的未反应阳极气体予燃料电池组1，以将部分的未反应阳极气体予以回收循环利用。而部分的未反应阳极气体仍将导通至气体混合装置42与未反应阴极气体混合，再导通至加湿装置5予以处理并排放。
请参阅图3，显示本发明结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统的第三具体实施例示意图。如图所示，一燃料电池系统300与本发明第二实施例的燃料电池系统200的不同处是在燃料电池系统300更结合有一水冷系统6。
水冷系统6的一冷却水装置61经由一冷却水导入管路62提供低温冷却水予燃料电池组1，以冷却燃料电池组1反应时产生的高温以维持该燃料电池组1的正常操作。而冷却燃料电池组1后所排放的高温冷却水是导入加湿装置5，以提供加湿装置5高温的水源，以提升阴极气体的湿度及温度，以及提升自气体混合装置42导入的混合气体的湿度。而导入加湿装置5的高温冷却水再经一冷却水回流管路63导通至冷却水装置进行冷却。一水加压装置64是提供压力予水冷系统6的冷却水，以加速其流动。
以上实施例的未反应阴极气体导出管33仅是将未反应阴极气体导通至气体混合装置42，以与未反应阳极气体混合而降低未反应阳极气体的浓度，于实际的应用时，阴极气体出口14排出的未反应阴极气体可直接排放于大气中，而气体混合装置42用以混合未反应阳极气体所用的阴极气体可直接取自大气中(例如由气体混合装置42另开一空气入口)。
另外，阳极气体供应源2与阴极气体供应源3仅是提供燃料电池组1反应气体之用，其可分别为储氢合金、氢气罐或氧气罐、鼓风机，亦可为任何其它公知型式的气体供应源。气体混合装置42亦仅是提供未反应阳极气体与未反应阴极气体之用，于实际的应用时，气体混合装置42可为一气体混合腔，亦可为一个三通连接管。未反应阳极气体排放量控制单元43亦仅是作为控制未反应阳极气体排放量之用，故在等效的目的及功能下，未反应阳极气体排放量控制单元可为节流阀或电磁阀，或其它任何公知型式的控制单元。
由以上较佳实施例，本发明可使反应气体在经过加湿装置时提高其相对湿度及温度再供应至该燃料电池中，以维持燃料电池在适当的操作湿度与温度。并且可导通部分的未反应阳极气体予燃料电池而循环利用，更具有导通其余部分的未反应阳极气体予加湿装置进行加湿及稀释处理后，再行安全地排放至大气中的功能，以降低处理燃料电池组所排放的未处理气体的成本。
上述具体实施方式仅用以说明本发明，而非限定本发明。

Claims (22)

1.一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，包含有：
一燃料电池组，包括：一阳极气体入口，以一阳极气体导入管导通一阳极气体供应源供应予该燃料电池组的阳极气体；一阳极气体出口，用以排出未反应阳极气体；一阴极气体入口，用以导入阴极气体；一阴极气体出口，用以排出未反应阴极气体；一未反应阳极气体导出管，连接于阳极气体出口，用以导通该燃料电池组排出的未反应阳极气体；
一加湿装置，包括：一未反应气体入口，连接于未反应阳极气体导出管，用以导入未反应阳极气体予该加湿装置；一加湿未反应气体出口；一阴极气体源入口，以一阴极气体供应管导通一阴极气体供应源供应予该加湿装置进行湿度调节的阴极气体；一加湿阴极气体出口，以一阴极气体导入管连接燃料电池组的阴极气体入口，以导通该加湿阴极气体予燃料电池组；
所述加湿装置调节阴极气体供应源供应的阴极气体的湿度，以及混合未反应阳极气体与部分阴极气体供应源所供应的阴极气体成一混合气体并调节其湿度，并经由加湿未反应气体出口排放该混合气体。
2.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阴极气体是自阴极气体出口排放于大气中。
3.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一未反应阴极气体导出管，其是连接于燃料电池组的阴极气体出口与加湿装置的未反应气体入口，用以导通未反应阴极气体予加湿装置。
4.如权利要求3所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一气体混合装置，连接于未反应阳极气体导出管、未反应阴极气体导出管与加湿装置的未反应气体入口，用以混合未反应阳极气体与未反应阴极气体再导入加湿装置。
5.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，混合气体是直接排放于大气中。
6.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阳极气体导出管更包括一加压装置，用以加压未反应阳极气体。
7.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，阳极气体供应源是储氢合金、氢气罐之一。
8.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，阴极气体供应源是氧气罐、鼓风机之一。
9.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阳极气体导出管更以一未反应阳极气体回流管连接阳极气体导入管，用以将阳极气体出口所排放的部分未反应阳极气体导入燃料电池组。
10.如权利要求1所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一水冷系统，其是以一冷却水装置将低温冷却水导入燃料电池组以冷却燃料电池组，并将冷却燃料电池组后所排放的高温冷却水导入加湿装置，以提供加湿装置高温的水源，提升阴极气体源的湿度及温度。
11.如权利要求10所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，导入加湿装置的高温冷却水更经一冷却水回流管路导通至冷却水装置进行冷却。
12.一种结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，包含有：
一燃料电池组，包括：一阳极气体入口，以一阳极气体导入管导通一阳极气体供应源供应予该燃料电池组的阳极气体；一阳极气体出口，用以排出未反应阳极气体；一阴极气体入口，以一阴极气体导入管导通一阴极气体供应源供应予燃料电池组的阴极气体；一阴极气体出口，用以排出未反应阴极气体；一未反应阳极气体导出管，连接于阳极气体出口，用以导通该燃料电池组排出的未反应阳极气体；
一加湿装置，包括：一未反应气体入口，连接于未反应阳极气体导出管，用以导入未反应阳极气体予该加湿装置；一加湿未反应气体出口；
所述加湿装置调节未反应阳极气体的湿度及浓度，并经由加湿未反应气体出口排放。
13.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阴极气体是自阴极气体出口排放于大气中。
14.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一未反应阴极气体导出管，其是连接于燃料电池组的阴极气体出口与加湿装置的未反应气体入口，用以导通未反应阴极气体予加湿装置。
15.如权利要求14所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一气体混合装置，连接于未反应阳极气体导出管、未反应阴极气体导出管与加湿装置的未反应气体入口，用以混合未反应阳极气体与未反应阴极气体再导入加湿装置。
16.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阳极气体经加湿装置调节直接排放于大气中。
17.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阳极气体导出管更包括一加压装置，用以加压未反应阳极气体。
18.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，阳极气体供应源是储氢合金、氢气罐之一。
19.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，阴极气体供应源是氧气罐、鼓风机之一。
20.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，未反应阳极气体导出管更以一未反应阳极气体回流管连接该阳极气体导入管，用以将阳极气体出口所排放的部分未反应阳极气体导入燃料电池组。
21.如权利要求12所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，更包括一水冷系统，其是以一冷却水装置将低温冷却水导入燃料电池组以冷却燃料电池组，并将冷却燃料电池组后所排放的高温冷却水导入加湿装置，以提供加湿装置高温的水源，提升阴极气体源的湿度及温度。
22.如权利要求21所述的结合加湿装置于燃料电池未反应气体排放管路的燃料电池系统，其特征在于，导入加湿装置的高温冷却水更经一冷却水回流管路导通至冷却水装置进行冷却。
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