CN101083333A - 燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池装置包括：分别具有阳极和阴极的各电池并通过化学反应发电的电力发生部(12)；容纳燃料的燃料槽(14)；以及向电力发生部提供燃料和空气的循环系统(20)。循环系统包括：允许燃料通过阳极循环的燃料通道(22)；允许空气通过阴极循环的气体通道(24)；以及设置于电力发生部的流出端和燃料槽两者间的燃料通道中、将流体分离成液体和气体的气液分离器(34)。气液分离器与电力发生部连接，从而使从电力发生部的流出端流出至气液分离器的流入端的流体其流速为燃料槽的槽容量的40％以下。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种用作电子设备等的电源的燃料电池装置。
背景技术
诸如锂离子电池这类二次电池现在主要用作诸如便携式笔记本型个人计算机(称为笔记本PC)和移动设备这类电子设备的电源。近来的高性能电子设备使得功耗增加和设备使用时间延长。这种情况下，期望微燃料电池成为不需要充电的新型高功率电源。有许多类型的燃料电池。那些燃料电池当中，尤其是使用甲醇溶液作为液体燃料的直接甲醇燃料电池(DMFC)已作为电子设备的电源受到关注，这是因为该燃料更容易处理，并且系统结构与使用氢作为燃料的燃料电池相比更简单。
通常，DMFC包括容纳甲醇的燃料槽、用于将甲醇压送至电力发生部的液体进给泵、以及用于将空气馈送至电力发生部的空气进给泵。电力发生部包括电池堆，其中堆叠有分别具有阳极和阴极的多个单元电池。当稀释的甲醇被馈送至电池堆的阳极、而空气被馈送至阴极时电力发生部通过化学反应发电。作为发电结果的反应副产品是未反应的甲醇以及阳极产生的碳酸和阴极产生的水。作为反应副产品的水以蒸汽的形式排出。
如例如日本特开2005-108718号公报中所披露的那样，在电力发生部的阳极出口和燃料槽两者间延伸的通道中设置有气液分离器。在电力发生部的阳极所产生的未反应的甲醇以及碳酸气被送至将这两者分离成甲醇和碳酸气的气液分离器。接着该分离以后，甲醇通过回收通道被送至燃料槽，而碳酸气通过排气通道被送至阴极通道。
如上所述结构的燃料电池装置中，从电力发生部的阳极出口所排出的流体包含未反应的甲醇以及碳酸气。这种情况下，当所排出的流体从电力发生部流至气液分离器时气体发生体积膨胀。结果是，与电力发生部以及气液分离器相连接的管路其压力升高，并且压力升高通过液体通道作用于燃料槽上以提高燃料槽中的燃料液面。通常，燃料槽其中包含水位传感器检测所包含的燃料的液面高度，来基于所检测的水位检测剩余燃料量。当燃料通道中的压力升高使得如上所述情形的液面提高时，便难以准确测定剩余燃料量。这种情况下，发生燃料过量或燃料不足，导致燃料电池装置的可靠性降低。
经过气液分离器气液分离处理的燃料返回至燃料槽，再次用于发电。因而，为了有效利用燃料，需要处于电力发生部和燃料槽两者间的气液分离器能够可靠地将进入的流体分离成燃料和碳酸气。
发明内容
本发明的设计正是考虑到以上情况，其目的在于提供一种能够抑制燃料槽中液面的变化，从而准确测定燃料量，可靠地发生电力的燃料电池装置。本发明另一目的在于提供一种能够可靠回收未反应的燃料并有效利用燃料的燃料电池装置。
根据本发明一个方面提供的燃料电池装置，其特征在于，包括：包括分别具有阳极和阴极的各电池并通过化学反应发电的电力发生部；容纳燃料的燃料槽；以及循环系统，其中具有：允许燃料槽所馈送的燃料通过电力发生部的阳极循环的燃料通道；允许空气通过电力发生部的阴极循环的气体通道；以及设置于电力发生部的流出端和燃料槽两者间的燃料通道中、将流体分离成液体和气体的气液分离器，气液分离器与电力发生部连接，从而使从电力发生部的流出端流出至气液分离器的流入端的流体其流速为燃料槽的槽容量的40％以下。
根据本发明另一方面提供的燃料电池装置，其特征在于，包括：包括分别具有阳极和阴极的各电池并通过化学反应发电的电力发生部；容纳燃料的燃料槽；以及循环系统，其中具有：允许燃料槽所馈送的燃料通过电力发生部的阳极循环的燃料通道；具有进气端和排气端并通过电力发生部的阴极提供空气的气体通道；设置于气体通道的进气口和电力发生部两者间位置处的气体通道中、从进气端吸入空气并且向电力发生部提供空气的空气进给泵；设置于电力发生部的流出端和燃料通道中的燃料槽两者间、将流体分离成液体和气体的气液分离器；以及从气液分离器延伸至气体通道、将气液分离器所分离的气体引导至气体通道的排气通道，气液分离器包括限定液体通道的分离管、覆盖该分离管并与排气通道连接的壳体、以及设置于分离管中允许气体透过的分离膜，气液分离器配置为通过分离管中的第一压力和壳体中的第二压力两者间的压力差从流过分离管的流体当中分离气体，并通过分离膜将气体释放至壳体，排气通道与第二压力高于第一压力的位置处的气体通道相连接。
附图说明
结合于说明书中并组成其中一部分的附图对本发明各实施例进行了图示，并与上面给出的总体说明和下面给出的各实施例的具体说明一起用来说明本发明原理。
图1是示出本发明第一实施例的燃料电池装置中的循环系统的框图。
图2是示出燃料电池装置中的电池堆和气液分离器的剖视图。
图3是示出电池堆的单元电池的示意图。
图4是示出燃料电池装置其中的空气通道和空气通道其中各点压力两者间关系的示意图。
图5是示出本发明第二实施例的燃料电池装置中的循环系统的框图。
具体实施方式
下面参照附图具体说明本发明第一实施例的燃料电池装置。
图1示出燃料电池装置其循环系统的配置。如图1所示，燃料电池装置10构成为使用甲醇作为液体燃料的DMFC。燃料电池装置10包括形成电力发生部的电池堆12、燃料槽14、以及用于向电池堆12提供燃料和空气的循环系统20。
燃料槽14具有密封闭合结构，并且包含甲醇作为液体燃料。燃料槽14可以采取以可脱卸方式附接于燃料电池装置10上的燃料卡盒这种形式。燃料槽14设置有一水位传感器15，测定燃料槽中所容纳的甲醇的液面(水位)高度，从而检测剩余燃料量。
循环系统20包括用于使燃料槽14的燃料供给口14a所提供的燃料通过电池堆12循环的燃料通道(液体通道)，用于使包含空气的气体通过电池堆12循环的空气通道(气体通道)24，以及设置于燃料通道和空气通道中的多个辅助装置。燃料通道22和空气通道24分别用例如管形成。
空气通道24包括具有进气口的进气端24a和具有排气口的排气端24b。空气进给泵26安装于进气口24a和电池堆12两者间的空气通道24中。空气进给泵26通过进气口24a将空气吸入到空气通道24中，并通过空气通道将空气馈送至电池堆12的阴极(空气电极)。
进口侧清除过滤器28安装于进气端24a和空气进给泵26两者间的空气通道24中。形成清除部的进口侧清除过滤器28滤除流过空气通道24的空气中包含的灰尘、诸如二氧化碳、蚁酸、燃料气体、和甲酸甲酯这类杂质、以及有害物质。排气侧清除过滤器30安装于电池堆12的流出终端和排气端24b两者间的空气通道24中。形成清除部的排气侧清除过滤器30滤除流过空气通道24的空气中包含的灰尘、诸如二氧化碳、蚁酸、燃料气体、和甲酸甲酯这类杂质、以及有害物质。
燃料通道22通过电池堆12的阳极(燃料电极)从燃料槽14的燃料供给口14a延伸至燃料槽14的燃料回收口14b。设置于燃料通道22中的辅助装置是设置于燃料槽14的燃料供给口14a和电池堆12两者间的燃料通道22中的液体进给泵32，以及设置于电池堆的流出终端和燃料槽14的燃料回收口14b两者间的燃料通道中的气液分离器34。液体进给泵32对燃料槽14所馈送的甲醇进行加压，向电池堆12的阳极提供经过加压的甲醇。
气液分离器34将流过燃料通道22的流体分离成液体和气体，具体来说，如稍后说明的那样将流体分离成未反应的甲醇和作为反应副产品的二氧化碳，它们被排出了电池堆12。经过分离的液体，在这种情况下是甲醇，通过燃料通道22和燃料回收口14b回收到燃料槽14中。
循环系统20包括通过形成管路等并从气液分离器34延伸至空气通道24来限定的排气通道36，以及用于对流过排气通道的流体进行加热的加热器38。排气通道36与处于清除过滤器28和30的上游位置的空气通道24相连接。举例来说，排气通道36与进气端24a和进口侧清除过滤器28两者间连接位置37的空气通道24相连接。
包含气液分离器34所分离的二氧化碳的气体通过排气通道36被馈送至空气通道24。此时，由加热器38对流过排气通道36的流体进行加热，从而使流体中的水分蒸发。从排气通道36馈送至空气通道24的气体通过进而滤除诸如二氧化碳、蚁酸、燃料气体、和甲酸甲酯这类杂质、以及有害物质的清除过滤器28，然后该流体通过空气进给泵26、电池堆12、以及清除过滤器30，最后从通风口排出。
图2示出电池堆12和气液分离器34的堆叠结构，而图3示意性地示出各电池的发电反应。如图2和图3所示，电池堆12包括其中交替层叠有多个(例如四个)单元电池140和五片板状分隔体142这种堆叠体，以及支持该堆叠体的框架145。各单元电池140包含的膜电极组合件(MEA)为分别用催化剂层和炭纸形成的矩形阴极52和阳极47、以及阴极和阳极两者间夹住的矩形聚电解质膜144所组成的组合件。聚电解质膜144的面积大于阳极47和阴极52其中每一个的面积。
三片分隔体142分别层叠于相邻的两两单元电池140之间，而剩余的两片分隔体则在层叠方向上如所观察的那样安置于堆的两端。有一用于将燃料提供给每一单元电池140的阳极47的燃料通道146和一用于将空气提供给每一单元电池的阴极52的空气通道147形成于分隔体142和框架145中。
如图3所示，所提供的燃料和空气在阳极47和阴极52两者间设置的聚电解质膜144中彼此化学反应以便在阳极和阴极两者间发电。如图1所示，电池堆12中所生成的电力通过电池控制器40提供给电子设备等。电池控制器40控制空气进给泵26、液体进给泵32、和加热器38的动作，从水位传感器15输出的检测信号当中检测剩余燃料量，控制整个燃料电池装置。
如图2所示，气液分离器34包括限定燃料通道(液体通道)的分离管60，覆盖分离管60的中空壳体62，以及设置于分离管中允许气体透过的分离膜64。分离管60通过壳体62延伸，而分离膜64处于中空壳体62中。分离管60的流入端60a与电池堆12其中更为接近阳极的流出端相连接。分离管60的流出端60b与燃料通道22连接。壳体62的内部与排气通道36连通。
从燃料通道22提供给电池堆12的燃料流向阳极47，从电池堆12其中更为接近阳极的流出端流向分离管60，接着从流出端60b流入燃料通道22。假定分离管60中的内部压力(第一压力)是P1，而壳体62中的内部压力(第二压力)是P2(＜P1)，流过分离管60的流体在压力P1和P2两者间的压差ΔP(ΔP＝P1-P2)之下分离成气体和液体。所分离的液体被馈送至燃料通道22。所分离的气体透过分离膜64并进入壳体62，通过排气通道36并到达空气通道24。
压差ΔP越大，即壳体62中的压力P2越低，气液分离器34的气液分离能力越高。壳体62中的压力P2与连接有排气通道36的空气通道24其中的压力成正比。由于这个原因，空气通道24与空气通道24其中压力较低的位置连接。
图4示出空气通道24中的位置和压力两者间的关系。如图4所示，进气口和空气进给泵26的进口侧两者间的空气通道其中一部分处于负压状态，该部分中的压力与分离管60中的压力P1相比足够地低。空气通道24中的气体由空气进给泵26加压。接着，气体通过电池堆12，流过该电池堆时其压力逐渐减小。气体离开该电池堆并且其压力逐渐减小至大气压。因而，空气通道24中的压力低于进气口和空气进给泵26两者间其中一部分(图4中的A1)中的分离管60中的压力P1以及电池堆12的流出端和排气口两者间其中一部分(A2)中的分离管60中的压力P1。排气通道36和空气通道24两者间的连接位置37选定为压力P2低于压力P1的位置，即进气口和空气进给泵26两者间其中一部分(A1)内的位置或电池堆12的流出端和排气口两者间其中一部分(A2)内的位置。本实施例中，如图1所示，排气通道36与进气端24a和空气进给泵26两者间的空气通道24相连接。利用这样的配置，气液分离器34其中的压差ΔP较大，因此气液分离器的气液分离能力得到增强。
如图1和图2所示，气液分离器34与电池堆12和燃料槽14两者间的电池堆12相连接，从而从电池堆12的燃料流出端流至气液分离器的流入端60a的流体其流速为燃料槽14的槽容量的40％或更小。
电池堆12的燃料流出端和气液分离器的流入端60a如图2所示由管路L互连的情况下，燃料槽14中所容纳的液体其水平随管路L的内部容积而改变，即随从电池堆12的燃料流出端流至气液分离器的流入端60a的流体的流速而改变。因而，管路L的内部容积定义如下：
假定燃料槽14的内部尺寸为45mm×45mm，其高度为10mm，槽容量约为20cc，针对管路L容积的增加所能赋予的槽容量用下列燃料电池特性作为基准加以运算。
燃料电池特性：
液面变化相对于容积变化的比值＝0.5mm/cc
正常工作条件下的液面＝5mm(CO2增加+初始液体水平)
液体量变化＝约0.2cc/min
发电所生成的CO2量＝约6cc(液面升高：3mm)
在燃料槽14的情况下，所容纳的液体其液面相对于液体量变化1cc的容积增加约为0.5毫米。假定燃料电池装置正常工作条件下所用的基准液面为5mm，管路L的容积增加转换为液面，而相对于正常工作条件下的液面，从燃料槽容量当中减去液面总数，所得到的差值为可用于液面控制的容量。因而，可用于水位控制的槽容量是通过减小管路L的容积增加来获得。
当基于举例给出的燃料电池特性考虑液体量增加时，发现约10分钟足以使燃料槽充满流体。当考虑燃料槽的倾斜变化和液体量的突变时最好是水位变化其宽裕量至少为±1mm。当运算水位变化宽裕量范围时，可作为随管路L的容积而增加的容量使燃料槽其保证的槽容量为8cc以下(20cc槽容量的40％)。
对管路L的容积进行选择使得从电池堆12的燃料流出端流至气液分离器的流入端60a的流体其流速为燃料槽14的槽容量的40％以下。用语“40％以下”包含零(0)％，而且气液分离器的流入端60a可以与电池堆12的燃料流出端直接连接，而非通过管路L连接。
最大容量是在允许随装置薄型化意图而对燃料槽高度和安装空间加上限制的情况下来运算的。此外，燃料电池特性对于燃料电池来说很合适。因而，最大容量随燃料电池装置的技术规范和开发主题而改变。
这样构成的燃料电池装置10用于电源的情况下，液体进给泵32和空气进给泵26在电池控制器40的控制下工作。靠液体进给泵32将甲醇通过燃料通道22从燃料槽14馈送至电池堆12的阳极47。
靠空气进给泵26从空气通道24的进气端24a将大气或空气吸入空气通道中。空气流过滤除空气中所包含的灰尘和杂质的清除过滤器28。通过清除过滤器28之后，空气流过空气通道24并到达电池堆12的阴极52。
馈送至电池堆12的甲醇和空气在处于阳极47和阴极52两者间的聚电解质膜144中彼此化学反应，由此在阳极47和阴极52两者间生成电力。电池堆12中所生成的电力通过电池控制器40提供给电子设备等。
随电化学反应的进程，电池堆12中生成反应副产品，阳极47处生成二氧化碳，而阴极52处则生成水。阳极47处生成的二氧化碳和未反应的甲醇被送至使它们彼此分离的气液分离器34。经过分离的甲醇从气液分离器34被馈送至燃料通道22，并回收至燃料槽14中再次用于发电。
经过分离的二氧化碳通过排气通道36被送至空气通道24，并与空气一起被馈送至将其清除的清除过滤器28。从电池堆12排出的气体包含诸如蚁酸、甲醇气体、以及甲酸甲酯这类杂质，上述杂质以及二氧化碳由清除过滤器28滤除。结果是，可以防止杂质被馈送至空气进给泵26和电池堆12，由此防止由杂质造成的对空气进给泵的损害以及发电效率的降低。流过排气通道36的流体受到加热器38的加热和干燥，经过干燥的流体被送至空气通道24。结果是，湿气未通过空气通道24被馈送至空气进给泵26，并抑制因湿气造成空气进给泵其性能降低。
电池堆12的阴极52所生成的大部分水蒸发为蒸汽，其接着排出与空气一起进入到空气通道24中。所排出的水和蒸汽被馈送至接着滤除灰尘和杂质的清除过滤器30，然后从空气通道24的排气端24b排出到外部。
这样构成的燃料电池装置10中，处于电池堆和燃料槽两者间的气液分离器与电池堆相连接，从而从电池堆的燃料流出端流至气液分离器的流入端的流体其流速为燃料槽的槽容量的40％以下。此技术特征减小燃料槽中的水位因循环系统20中的气体发生体积膨胀而造成该水位提高，使相对于流体控制的不良后果最小。
由气液分离器分离并且包含杂质的气体与所吸入的空气一起被送至空气通道并且被滤除。其中滤除了杂质的空气排出至外部。此时，从气液分离器排出的气体受到加热和干燥，由此抑制空气进给泵性能降低。气液分离器排出端与空气通道中的低压位置相连接。此技术特征对压差进行全面利用以增强气液分离器的气液分离能力。
由上述说明可知，可提供一种能够准确测定燃料量以防止燃料泄漏，并且以高可靠性发电的燃料电池装置。此外，可获得一种能够可靠回收未反应的燃料并且有效使用燃料的燃料电池装置。
现说明本发明第二实施例的燃料电池装置。如图5所示，按照第二实施例，从气液分离器34的壳体延伸的排气通道36与电池堆12的流出端和空气通道24中的排气侧清除过滤器30两者间的位置相连接。气液分离器34所分离的二氧化碳以及其它杂质通过排气通道36被送至空气通道24，接着被送至清除过滤器30。二氧化碳和杂质由过滤器滤除并排出至外部。
第二实施例不需要排气通道36中设置的加热器。因为排气侧清除过滤器将杂质滤除，因而可以省略处于空气进给泵28上游的进气侧清除过滤器。
第二实施例的剩余组成部分基本上与第一实施例的对应组成部分相同。为了便于说明，同样或等效的组成部分由同样的参照标号标注。第二实施例与第一实施例同样动作，与第一实施例情形相比较产生有益效果。
另外的优势和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本发明在其较宽方面不限于在此给出和说明的具体细节和代表性实施例。因而，可以在不背离如所附权利要求及其等效方案所限定的总体发明构思的实质或范围的情况下进行种种修改。
替代方案中，提供一混合器用于混合燃料和水，电力发生部生成的燃料和水由混合器混合，用水稀释的燃料被馈送至电力发生部。燃料电池可以是聚合体电解质燃料电池(PEFC)或除了DMFC以外的任何其它类型。

Claims (15)

1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
包括分别具有阳极和阴极的各电池并通过化学反应发电的电力发生部；
容纳燃料的燃料槽；以及
循环系统，该循环系统具有：允许燃料槽所馈送的燃料通过电力发生部的阳极循环的燃料通道；允许空气通过电力发生部的阴极循环的气体通道；以及设置于电力发生部的流出端和燃料槽两者间的燃料通道中、将流体分离成液体和气体的气液分离器，
气液分离器与电力发生部连接，从而使从电力发生部的流出端流出至气液分离器的流入端的流体其流速为燃料槽的槽容量的40％以下。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，气液分离器的流入端与电力发生部的流出端相接触。
3.如权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括从气液分离器延伸至气体通道将气液分离器所分离的气体引导至气体通道的排气通道。
4.如权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括设置于气体通道和排气通道两者间连接部的下游位置处的气体通道中、将有害物质从流过气体通道的气体当中清除的清除组件。
5.如权利要求4所述的燃料电池装置，其特征在于，空气通道包括具有进气口的进气端和具有排气口的排气端，而清除构件包括设置于排气端和电力发生部两者间的气体通道中的清除过滤器。
6.如权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，排气通道与电力发生部和清除过滤器两者间的气体通道相连接。
7.如权利要求5所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括设置于进气口和电力发生部两者间的气体通道中、通过进气部吸入空气并将空气馈送至电力发生部的空气进给泵，排气通道与进气口和空气进给泵两者间位置处的气体通道相连接。
8.如权利要求7所述的燃料电池装置，其特征在于，清除构件包括另一清除过滤器，该清除过滤器设置于排气通道和气体通道两者间的连接部与空气进给泵之间的位置处的气体通道中。
9.如权利要求7或8所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括对流过排气通道的流体进行加热的加热器。
10.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
包括分别具有阳极和阴极的各电池并通过化学反应发电的电力发生部；
容纳燃料的燃料槽；以及
循环系统，该循环系统具有：允许燃料槽所馈送的燃料通过电力发生部的阳极循环的燃料通道；具有进气端和排气端并通过电力发生部的阴极提供空气的气体通道；设置于气体通道的进气口和电力发生部两者间位置处的气体通道中、从进气端吸入空气并且向电力发生部提供空气的空气进给泵；设置于电力发生部的流出端和燃料通道中的燃料槽两者间、将流体分离成液体和气体的气液分离器；以及从气液分离器延伸至气体通道、将气液分离器所分离的气体引导至气体通道的排气通道，
气液分离器包括限定液体通道的分离管、覆盖该分离管并与排气通道连接的壳体、以及设置于分离管中允许气体透过的分离膜，气液分离器配置为通过分离管中的第一压力和壳体中的第二压力两者间的压力差从流过分离管的流体当中分离气体，并通过分离膜将气体释放至壳体，以及
排气通道与第二压力高于第一压力的位置处的气体通道相连接。
11.如权利要求10所述的燃料电池装置，其特征在于，排气通道与进气端和空气进给泵两者间的气体通道相连接。
12.如权利要求10所述的燃料电池装置，其特征在于，排气通道与排气端和电力发生部的流出端两者间的气体通道相连接。
13.如权利要求11或12所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括设置于气体通道和排气通道两者间连接部的下游位置处的气体通道中、将有害物质从流过气体通道的气体当中清除的清除构件。
14.如权利要求12所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括设置于气体通道和排气通道两者间的连接部与空气进给泵之间的位置处的气体通道中、将有害物质从流过气体通道的气体当中清除的清除过滤器。
15.如权利要求14所述的燃料电池装置，其特征在于，循环系统包括对流过排气通道的流体进行加热的加热器。
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