CN101079490A - 具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，包含有一燃料电池组与一阳极未反应气体排放管路，阳极未反应气体排放管路连接于燃料电池组的阳极气体出口，用以导通阳极气体出口排出的阳极未反应气体至一触媒转化器、或经由一阴极气体入口导通至燃料电池组的阴极触媒层，以将导通的阳极未反应气体与阴极气体反应，并予以排放。

Description

具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统
技术领域
本发明是关于一种燃料电池反应气体的技术，特别是关于一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能量如媒、石油及天然气的消耗量持续的升高，造成地球严重的污染，以及加重温室效应及酸雨等环境恶化的因子。人类已清楚地认识到天然能源的存量有限，如果持续地滥用，在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池组便是其中一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相较，燃料电池组具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
燃料电池组是由多个燃料电池单体所组成，而各燃料电池单体皆是一种将阳极反应物与阴极反应物通过电化学反应产生电能的发电装置，而其基本上可说是一种电解逆反应，以将其化学能转换成电能。
请参阅图1，其显示一公知燃料电池系统100的示意图。如图所示，一燃料电池系统100包含有一燃料电池组1、一阳极气体管路2及一阴极气体管路3。阳极气体管路2包含有一供应阳极气体予燃料电池组1的阳极气体供应源21、一加压装置22与一阳极气体循环管23。阴极气体管路3包含有一供应阴极气体予燃料电池组1的阴极气体供应源31。
公知的燃料电池系统100作用方式为，将阳极气体与阴极气体分别自阳极气体供应源21与阴极气体供应源31供应予燃料电池组1，而阳极气体即与阴极气体于燃料电池组1内进行化学反应生成热能、电能及生成物。而未反应的阳极气体及阴极气体即分别排出；未反应阴极气体直接排入大气中，而阳极未反应气体则经由加压装置22加压及阳极气体循环管23的导通，而导通至燃料电池组1的阳极气体入口而循环使用。
公知的燃料电池系统是将燃料电池排出的阳极气体再导入燃料电池循环使用，虽然阳极气体供应源含有高纯度的阳极气体，但自燃料电池排出的阳极气体易存有杂质成份，因而，高纯度阳极气体经与循环使用的阳极气体混合会产生纯度降低(即毒化)的问题，导入燃料电池的不纯阳极气体会影响燃料电池整体的效率。
然而自阳极气体出气口排出的阳极气体也不能直接排放至大气中(阳极气体如氢气的局部浓度若超过4％易有爆炸、自燃的情况发生)，故如何解决阳极气体管路的未反应气体即为各界研究的课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其是以一阳极未反应气体排放管路，将阳极未反应气体于燃料电池系统开机初期或在燃料电池系统运作一预定间隔期间导出并与阴极气体进行燃烧反应。
本发明的另一目的是提供一种可循环利用阳极气体的燃料电池系统，除可将部分的阳极气体导出并与氧气进行燃烧反应，而另一部分的阳极气体导入燃料电池组，并与阳极气体供应源提供的高纯度阳极气体混合而循环使用。
本发明的另一目的是提供一种结合于燃料电池阴极触媒层的阳极未反应气体排放处理装置，通过燃料电池的阴极触媒层进行阳极未反应气体的处理，使阳极未反应气体与阴极气体在燃料电池阴极触媒层反应再将予以排放。
本发明为解决现有技术的问题所采用的技术手段是提供一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，包含有一燃料电池组与一阳极未反应气体排放管路，该阳极未反应气体排放管路是连接于燃料电池组的阳极气体出口，用以导通阳极气体出口排出的阳极未反应气体至一触媒转化器、或经由一阴极气体入口导通至燃料电池组的阴极触媒层，以将导通的阳极未反应气体与阴极气体反应，并予以排放。
相较于现有技术，本发明所提供的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，不仅能将自阳极气体出气口排出的部分阳极气体导回阳极气体进气口以将阳极气体循环使用，并将部分排出的阳极气体有效处理而解决排出阳极气体的储存及排放问题，更能通过减少排出阳极气体导入阳极气体进气口的量而达到提高输入氢气纯度的目的。
附图说明
图1显示公知的燃料电池系统示意图。
图2显示本发明第一具体实施例的示意图。
图3显示本发明第一具体实施例的气体混合腔室示意图。
图4显示本发明第二具体实施例的示意图。
图5显示本发明第二具体实施例的阳极未反应气体于阴极触媒层反应的示意图。
100           公知燃料电池系统
200、300      具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统
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
15            阴极触媒层
16            阳极触媒层
17            质子交换膜
2、2a、2b     阳极气体管路
21            阳极气体供应源
22            加压装置
23            阳极气体循环管
24            阳极未反应气体排放管路
25            阀门单元
26            阳极未反应气体排放管路
3、3a、3b     阴极气体管路
31            阴极气体供应源
32            阀门单元
33            阴极气体导通管
4             气体混合腔室
41            喷嘴
411           开口结构
42            混合腔
5             触媒转化器
A             阴极气体
B             生成物
H             阳极未反应气体
具体实施方式
请参阅图2，其显示本发明具有阳极未反应气体排放处理装置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200包括一燃料电池组1、一阳极气体管路2a、一阴极气体管路3a、一气体混合腔室4与一触媒转化器5。
燃料电池系统200与公知燃料电池系统100的不同之处在于，阳极气体管路2a除具有阳极气体供应源21、加压装置22与阳极气体循环管23外，更包括一阳极未反应气体排放管路24与一阀门单元25。
阳极气体供应源21所供应的阳极气体，是经由燃料电池组1的阳极气体入口11导通至燃料电池组1，而阳极未反应气体是自一阳极气体出口12排出。所排出的阳极未反应气体即经由加压装置22予以加压，而加压后的一部分阳极未反应气体经由阳极气体循环管23导通至该阳极气体入口11，而另一部分阳极未反应气体则经阳极未反应气体排放管路24及阀门单元25的控制，而导通至气体混合腔室4。
另外，燃料电池系统200与公知的燃料电池系统100的不同之处在于，阴极气体管路3a更包括一阀门单元32与一阴极气体导通管33。阴极气体供应源31所供应的部分阴极气体，是经由燃料电池组1的阴极气体入口13导通至燃料电池组1，而未反应阴极气体是自一阴极气体出口14排出至大气中；而另一部分的阴极气体则经由阴极气体导通管33及阀门单元32的控制，而导通至气体混合腔室4。
阳极气体于气体混合腔室4中，与由阴极气体导通管33导通至气体混合腔室4中的阴极气体充分混合，再导通至触媒转化器5，并且于触媒转化器5中进行反应生成为反应物，且触媒转化器5将生成物B排至外界。
本发明的气体混合腔室4除可开设适当的连接孔洞，以与阳极未反应气体排放管路24及阴极气体导通管33连接，以分别导通阳极未反应气体与阴极气体外，更可具有如图3所示的结构。
请参阅图3，其显示本发明第一具体实施例所配置的气体混合腔室的示意图。如图所示，气体混合腔室4包括一喷嘴41及一混合腔42，喷嘴41连通混合腔42与阳极未反应气体排放管路24，以将阳极未反应气体H导通至气体混合腔室4，并且通过喷嘴41的开口结构411将阴极气体A导通至气体混合腔室4。
请参阅图4与图5，其分别显示本发明具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统的第二具体实施例示意图及阳极未反应气体于阴极触媒层反应的示意图。如图所示，燃料电池系统300包括一燃料电池组1、一阳极气体管路2b与一阴极气体管路3b。而燃料电池组1则包括有阴极触媒层15、阳极触媒层16与质子交换膜17。
燃料电池系统300与公知的燃料电池系统100的不同之处在于，阳极气体管路2b除包含阳极气体供应源21、加压装置22与阳极气体循环管23外，更包括一阀门单元25与一阳极未反应气体排放管路26。
燃料电池系统300的作用方式与公知的燃料电池系统100的不同之处在于，自阳极气体出口12排出的阳极未反应气体H，经由加压装置22加压后，部分的阳极未反应气体H经阳极未反应气体排放管路26及该阀门单元25的控制，而导通至燃料电池组1的阴极气体入口13，并经阴极气体入口13导通至燃料电池组1的阴极触媒层15。导通的阳极未反应气体H与自阴极气体入口13通入的阴极气体A，即于阴极触媒层15上进行燃烧反应，反应的生成物B即自阴极气体出口14排放。
上述本发明的各实施例中，阴极气体供应源与阳极气体供应源主要是作为分别提供燃料电池阴极气体与阳极气体之用，故在等效的功能及目的下，阴极气体供应源与阳极气体供应源可具有任何其它公知的型式，如阴极气体供应源可为大气空气(搭配鼓风机)，也可为高压氧气瓶、氧气罐，而阳极气体供应源可为高压氢气瓶、氢气罐，也可为储氢合金等。
上述具体实施方式仅用以说明本发明，而非限定本发明。

Claims (17)

1.一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，包含有：
一燃料电池组，包括：
一阳极气体入口，用以导入一阳极气体供应源供应予燃料电池组的阳极气体；
一阳极气体出口，用以排出阳极未反应气体；
一阴极气体入口，用以导入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；
一触媒转化器；
一阴极气体导通管，连接于阴极气体供应源与触媒转化器，用以导通阴极气体予触媒转化器；
一阳极未反应气体排放管路，连接于燃料电池组阳极气体出口与触媒转化器，用以导通阳极未反应气体至触媒转化器；
所述触媒转化器将导通的阳极未反应气体与阴极气体反应，并予以排放。
2.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一阳极气体循环管，其连接于阳极未反应气体排放管路与阳极气体入口，用以将燃料电池组阳极气体出口排出的阳极未反应气体导通至燃料电池组阳极气体入口。
3.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，阳极气体供应源是储氢合金、氢气罐之一。
4.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，阴极气体供应源是氧气罐、鼓风机之一。
5.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一气体混合腔室，其连接于触媒转化器与阳极未反应气体排放管路及阴极气体导通管。
6.如权利要求4所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，气体混合腔室更包括一喷嘴，其连接于气体混合腔室与阳极未反应气体排放管路及阴极气体导通管。
7.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一阀门单元，其设置于阳极未反应气体排放管路。
8.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一阀门单元，其设置于阴极气体导通管。
9.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一加压装置，其设置于阳极未反应气体排放管路。
10.如权利要求1所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，自阴极气体出口所排出的未反应阴极气体是直接排至大气中。
11.一种具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，包含有：
一燃料电池组，包括：
一阴极触媒层；
一阳极气体入口，用以导入一阳极气体供应源供应予燃料电池组的阳极气体；
一阳极气体出口，用以排出阳极未反应气体；
一阴极气体入口，用以导入一阴极气体供应源供应予燃料电池组阴极触媒层的阴极气体；
一阴极气体出口，用以排出未反应阴极气体；
一阳极未反应气体排放管路，连接于燃料电池组的阳极气体出口与燃料电池组的阴极气体入口，用以导通阳极未反应气体至燃料电池组的阴极触媒层；
所述阴极触媒层将导通的阳极未反应气体与阴极气体反应，并由阴极气体出口予以排放。
12.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一阳极气体循环管，其连接于阳极未反应气体排放管路与阳极气体入口，用以将燃料电池组阳极气体出口排出的阳极未反应气体导通至燃料电池组阳极气体入口。
13.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，阳极气体供应源是储氢合金、氢气罐之一。
14.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，阴极气体供应源是氧气罐、鼓风机之一。
15.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一阀门单元，其设置于阳极未反应气体排放管路。
16.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，更包括一加压装置，其设置于阳极未反应气体排放管路。
17.如权利要求11所述的具有阳极未反应气体排放处理装置的燃料电池系统，其特征在于，自阴极气体出口所排出的未反应阴极气体是直接排至大气中。
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