CN101140998B - 具有集成处理器的模块式直接燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模块式直接甲醇燃料电池系统，其包括壳体，所述壳体具有用于将燃料从燃料箱供给到所述燃料电池堆的泵、和用于电控制所述模块式直接甲醇燃料电池系统的系统控制器。集成处理器包含在所述壳体中，该集成控制器集成了水冷凝器和气体/液体流分离器。在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间设置第一流体连接单元，用于将从所述燃料电池堆排出的空气和燃料馈送到所述集成处理器。在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间设置第二流体连接单元，用于将燃料混合物从所述集成处理器馈送到所述燃料电池堆。所述直接甲醇燃料电池系统还包括第三流体连接单元，用于将纯燃料从所述燃料箱馈送到所述集成处理器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求对于2006年9月8日提交欧洲知识产权局的欧洲专利申请No.06 120 362.6和2007年8月30日提交韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2007-0087919的优先权和权益，上述专利申请的全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及一种具有集成处理器的模块式直接燃料电池系统。
背景技术
燃料电池通过由外部燃料供给的氢气与氧气之间的电化学反应发电。燃料电池中所使用的典型反应物为阳极一侧的氢气和阴极一侧的氧气。由于燃料电池仅有的副产品为水蒸汽，因此，这类燃料电池由于其高效且使用中基本无排放而被视为优选。
燃料电池通常根据其使用的电解液的类型进行划分。一些燃料电池可用于固定发电设施，而其他燃料电池可用于小型移动装置或用于电动汽车。
直接甲醇燃料电池(DMFC)依靠在催化剂层上的甲醇氧化来形成二氧化碳。DMFC在阳极上消耗水，而在阴极上生成水。质子H+穿过质子交换膜而传送到阴极，在阴极处，质子与氧气反应生成水。电子从阳极经外部电路传送到阴极，从而将功率供给到外部装置。DMFC不使用重整器从燃料中提取氢气，从而允许DMFC具有紧凑的设计，例如适用于移动电话中。
更具体地，DMFC包括阳极、阴极、和在阳极与阴极之间的电解液膜。甲醇水溶液用作燃料。燃料供给源连接到DMFC以将燃料供给到阳极，而空气供给源将空气供给到阴极。热交换器连接到阴极排放流，从而冷却排放流，从排放流中冷凝水，并将冷凝的水排放以备与燃料混合。冷凝水被再循环至燃料供给源以备再次使用。不必将燃料与水预混合，从而允许减小DMFC的尺寸。
DMFC系统的功能在于，从由所述堆的燃料出口排放的包含甲醇、水和CO2的混合物在内的流中分离出CO2。为了使DMFC正常工作，CO2必须在所述流再循环回到所述堆之前从所述流中分离。美国专利6,110,613和美国专利出版物20040062964中已经公开了这类DMFC系统。后者进行了如下公开：在DMFC系统的热交换器中对水进行冷凝，从而从DMFC系统的排放流中分离出水，将该水再循环，并将该水与燃料混合。
在所述堆的燃料出口的下游安装CO2/燃料分离器。用于燃料混合物的阳极循环(包括CO2/燃料分离器)从反应流中去除CO2并通过排放出口将CO2排放至大气中。在燃料混合器中，去除CO2的燃料混合物流与接收自燃料箱的浓缩燃料混合。燃料泵将燃料混合物馈送回所述堆的燃料入口。
通常，DMFC系统在不同部件之间具有众多流体连接，而这些流体连接导致DMFC系统制造上的困难。更具体地，由于各部件的复杂几何形状，会导致众多流体连接的组装难以实现自动化。此外，流体连接的渗漏和混用会导致DMFC系统的质量下降。进一步，众多的模块式部件会使传统的DMFC系统的流体连接数量增大。
发明内容
一种模块式直接甲醇燃料电池(DMFC)系统包括：壳体，所述壳体具有用于将燃料从燃料箱供给到燃料电池堆的泵、用于电控制所述模块式直接甲醇燃料电池系统的系统控制器。集成处理器包含在所述壳体中，该集成控制器集成了水冷凝器和气体/液体流分离器。在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间设置第一流体连接单元，用于将从所述燃料电池堆排出的空气和燃料馈送到所述集成处理器。在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间设置第二流体连接单元，用于将燃料混合物从所述集成处理器馈送到所述燃料电池堆。所述直接甲醇燃料电池系统还包括第三流体连接单元，用于将纯燃料从所述燃料箱馈送到所述集成处理器。
所述集成处理器可包括：连接所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器的连接器；和第一集成流体连接单元，其用于在所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器之间提供流体连通。其中所述系统控制器适于接收至少来自集成处理器传感器和/或燃料电池堆传感器的输入信号，并适于输出用于控制所述模块式直接甲醇燃料电池系统的输出信号。
所述第一流体连接单元可包括相互分离的第一流体连接器和第二流体连接器，第三流体连接单元可包括通过燃料泵将来自燃料箱的燃料引入所述集成处理器的第三流体连接器和第四流体连接器。
在一个示例性实施例中，所述燃料泵集成到所述集成处理器中，而第三流体连接单元包括燃料箱流体连接器，其将燃料箱流体连接到集成处理器的燃料泵。
在将水冷凝器连接到气体/液体流分离器的流体开口之间设置密封件，从而允许冷却的空气/水混合物从水冷凝器提供到气体/液体流分离器。在一个示例性实施例中，气体/液体流分离器具有单一隔间。
附图说明
随着结合各附图并参照以下的详细描述而使本发明得到更好的理解，将易于更为完整而清晰地认知本发明及其带来的诸多优点，其中相同的附图标记指代相同的或相似的部件，其中：
图1是传统的模块式直接甲醇燃料电池系统的示意图；
图2是根据本发明示例性实施例的包含集成处理器的模块式直接甲醇燃料电池系统的示意性局部透视图；
图3是根据本发明另一示例性实施例的包含集成处理器的模块式直接甲醇燃料电池系统的示意性局部透视图；
图4是图2的集成处理器的示意性分解透视图；
图5是图3的集成处理器的示意性分解透视图；
图6是根据本发明另一示例性实施例的集成处理器的示意性分解透视图。
具体实施方式
现在参见图1，一种传统的DMFC系统包括具有空气入口11和空气出口13的燃料电池堆10。空气泵或风扇12将反应空气通过空气入口11供给到燃料电池堆10中的阴极。在燃料电池堆10的燃料出口16下游安装CO2分离器20。用于稀释燃料的阳极循环(包括CO2分离器20)将CO2从反应流中去除并将CO2通过气体出口21排放到大气中。在混合器22中，来自水分离器60的燃料流与由燃料箱30供给的纯燃料混合。燃料泵23将所混合的燃料馈送回燃料电池堆10的燃料入口15。
在燃料电池堆10的空气出口13下游安装热交换器50。诸如风扇之类的通风器55安装用于冷却热交换器50，从而冷却来自空气出口13的流并将水冷凝。相应地，从热交换器50输出二相流，并且通风器55和热交换器50形成热交换组件。在热交换器50的下游安装从空气流分离出水的水分离器60。分离出的水通过泵70返回到DMFC系统的阳极循环，而其余的水通过水出口61排放到外部。
用于控制DMFC系统的控制器76接收来自传感器的输入信号77a、77b，所述传感器例如为温度传感器、水位传感器、浓度传感器或其他传感器。使用输入信号77a、77b，控制器76输出用于对上述系统的有效部件进行控制的输出信号78a、78b，所述有效部件例如为空气泵12、风扇55或其他部件。
如图1所示，在系统各部件之间需要进行多个流体连接，这就增加生产成本并占用系统中的较大空间。而且，由于在系统组装期间交替进行流体连接或者在系统运行期间流体连接出现松动，会导致出现质量问题。
图2是根据本发明示例性实施例的包含集成处理器的模块式直接甲醇燃料电池系统的示意性局部透视图。模块式直接燃料电池系统包括壳体，该壳体具有基底171、盖172、燃料电池堆110、空气泵175、系统控制单元176、燃料箱130、和集成处理器180。集成处理器180所集成的功能如下：将通过燃料电池堆110的空气出口排出的流中的水冷凝，从空气流中分离出冷凝水，将所分离的水馈送回阳极循环，从通过燃料电池堆110的燃料出口排放的燃料中分离出CO2，以及将来自燃料箱130的浓缩燃料混合进入阳极循环。这样，与传统的DMFC系统相比，模块式DMFC系统要求的流体连接更少，原因在于，多个流体连接被集成在集成处理器180的子单元中。模块式直接燃料电池系统包括：两个连接100、100a，离开燃料电池堆110的空气和燃料通过这两个连接流到集成处理器180；和流体连接101，燃料混合物从集成处理器180通过该流体连接101流到燃料电池堆110。此外，模块式DMFC系统包括流体连接102和102a，所述浓缩燃料从燃料箱130始，流过流体连接102和102a，流经流体泵131，流到集成处理器180。由于如上所述减少了流体连接的数量，系统组件就得以简化，节省了生产成本，并减小了与流体连接失效相关的质量问题的可能性。
图3是根据本发明另一示例性实施例的公开了一种集成处理器的模块式直接甲醇燃料电池系统的示意性局部透视图。集成处理器280集成了燃料泵231和循环泵223。相应地，可以进一步减少模块式DMFC系统中的流体连接的数量，由此，从燃料电池堆210至集成处理器280存在两个连接200、200a，从集成处理器280至燃料电池堆210存在一个流体连接201，并且从燃料箱230至集成处理器280存在一个流体连接202。
图4是图2的集成处理器180的示意性分解透视图。集成处理器180安装在壳体的盖172下方，并包括冷凝器或者说热交换器150和气体/液体分离器190。气体/液体分离器190至少包括CO2/燃料分离隔间120和空气/水分离隔间160，这两个隔间被隔膜部分地隔开，而又例如通过在该隔膜中的开口125流体连通。在本实施例中，CO2/燃料分离隔间120也用作混合器。
来自燃料电池堆110空气出口的空气/水混合物通过空气连接100进入热交换器150。空气/水混合物被冷却以将空气/水混合物中所含之水冷凝成液态水。经冷却的空气/水混合物通过由开口153、163形成的流体连接进入空气/水分离隔间160。在空气/水分离隔间160中，从空气中分离出液态水，而空气通过出口161排放到大气中。
仍然参见图2，从燃料电池堆110的燃料出口排出的CO2/燃料混合物通过连接100a进入CO2/燃料分离隔间120。在CO2/燃料分离隔间120中，CO2从CO2/燃料混合物中分离出，并通过出口121排放到大气中。来自燃料箱130的浓缩燃料通过流体连接102馈送到CO2/燃料分离隔间120，在空气/水分离隔间160中被冷凝和分离出的水通过开口125馈送到CO2/燃料分离隔间120。以上述方法生成的燃料混合物通过流体连接101重新进入燃料电池堆110。
热交换器150在邻近气体/液体分离器190的表面上具有至少一个流体开口153，流体开口153可为流体入口或流体出口。气体/液体分离器190具有与流体开口153相对应的流体开口163。在流体开口153与163之间可设置密封件195，例如为垫圈、胶带、钎焊材料或任何其他足以胜任的密封料。
气体/液体分离器上的连接器196、196a适于分别装配在热交换器150上的槽197、197a上，从而将气体/液体分离器连接到热交换器。连接器196、196a例如可为螺钉、螺栓、棘齿、插销之类。
由于如前所述的各元件的配置，热交换器150和气体/液体分离器190可通过连接器196、196a进行连接，使得其相应的流体开口153和163对准并被密封件1 95密封。这样，热交换器150可直接连接到气体/液体分离器190，而不需要另行装配用于流体连接的管道或软管。
根据示例性实施例，可通过在各部件的对应表面上的流体开口之间设置密封件，来密封集成处理器180的各部件之间的流体连接。而且，根据示例性实施例，可使用另装的连接器198、198a将集成处理器180连接到壳体的基底171，或者将集成处理器180连接到燃料电池系统的其他部件。
图5是图3的集成处理器的示意性分解透视图。在一个示例性实施例中，热交换器出口252邻近于各热交换元件254，例如热交换板、管道之类。热交换器出口252可直接连接到气体/液体分离器290的流体开口263。组装期间，在热交换器250与气体/液体分离器290之间可设置密封件295。
在一个示例性实施例中，气体/液体分离器290被组装为单一隔间，并且在该单一隔间中从空气/水混合物中分离出空气并从CO2/燃料混合物中分离出CO2。这些处理直接实现了冷凝水与燃料的混合，并减少了为安装隔膜和流体引导装置所需的空间。因此，可减小在热交换器出口252与空气/水分离隔间260之间的流体连接间的压降，进而降低泵抽空气所用的能耗。
更具体地，至少一个泵223直接连接到集成处理器280的流体连接210。使用另一密封件296对流体连接210密封。泵223可为循环泵，其通过流体连接210从气体/液体分离器290泵抽燃料混合物，并将该燃料混合物供给到燃料电池堆10的燃料入口。还可组合有燃料泵231，该燃料泵231从燃料箱130泵抽浓缩燃料，并将该浓缩燃料馈送到流体连接210，从而与气体/液体分离器290中的燃料混合物混合。
图6是根据本发明另一示例性实施例的集成处理器的示意性分解透视图。热交换器350和气体/液体分离器390经流体流动通道391相连。流体流动通道391具有两个基本功能：一个功能在于，将从热交换器350的出口352排放的水和空气的冷凝流体引导经过流体连接357而到达气体/液体分离器390的入口363。第二功能在于，将热交换器350与气体/液体分离器390相连。通过将流体流动通道391连接到热交换器350和气体/液体分离器390，实现了流体连接和机械组装。
使用另装的流体通道391，风扇355可采用适合的连接器399、399a连接到本实施例的集成处理器380。这样就简化了燃料电池系统的整体组装。
根据本发明的示例性实施例，采用机械组装和流体连接来组合气体/流体分离器和热交换器/冷凝器装置。在燃料电池系统的壳体上可形成另装的连接器198、198a(图4)。进一步，诸如泵或风扇的系统部件可连接到集成处理器80以简化系统结构和制造工艺。
虽然已经参照本发明的示例性实施例来具体显示和描述本发明，但本领域普通技术人员应理解的是，在不偏离由所附各权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式上和细节上的不同改造。
Claims (29)
1.一种模块式直接甲醇燃料电池系统，包括：
燃料电池堆；
壳体，其包括用于将来自燃料箱的燃料供给到所述燃料电池堆的泵、用于电控制所述模块式直接甲醇燃料电池系统的系统控制器以及集成了水冷凝器和气体/液体流分离器的集成处理器；
在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间的第一流体连接单元，其用于将排出所述燃料电池堆的空气和再循环燃料馈送到所述集成处理器；
在所述燃料电池堆与所述集成处理器之间的第二流体连接器，其用于将来自所述集成处理器的燃料混合物馈送到所述燃料电池堆；和
第三流体连接器，其用于将来自所述燃料箱的燃料馈送到所述集成处理器，
其中所述集成处理器进一步包括：
连接所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器的紧固件；和
至少一个流体开口，其提供在所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述泵、所述燃料电池堆、所述集成处理器和所述燃料箱设置在所述壳体的基底上。
3.根据权利要求2所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述系统控制器适于接收至少来自集成处理器传感器和/或燃料电池堆传感器的输入信号，并适于产生用于控制所述模块式直接甲醇燃料电池系统的输出信号。
4.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述燃料电池堆和所述燃料箱位于所述集成处理器的相反侧上。
5.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述第一流体连接单元包括从所述燃料电池堆的燃料出口和空气出口连出的第一排放连接器和第二排放连接器。
6.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述第三流体连接器包括用于使燃料从所述燃料箱经燃料泵供给到所述集成处理器的流动路径。
7.根据权利要求6所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述燃料泵被集成到所述集成处理器中，所述第三流体连接器包括在所述燃料箱与所述集成处理器的燃料泵之间的直接连接。
8.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述第一流体连接单元将来自所述燃料电池堆的空气/水混合物提供给所述水冷凝器。
9.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中在将所述水冷凝器连接到所述气体/液体流分离器的流体开口之间设置有密封件，从而允许经冷却的空气/水混合物从所述水冷凝器提供给所述气体/液体流分离器。
10.根据权利要求9所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述水冷凝器的流体开口为流体入口或流体出口。
11.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述气体/液体流分离器包括相互连通的气体/燃料分离器和空气/水分离器。
12.根据权利要求11所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述第二流体连接器将来自所述燃料电池堆的燃料/气体混合物提供给所述气体/燃料分离器。
13.根据权利要求11所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述气体/燃料分离器包括排放气体所经过的通气装置。
14.根据权利要求11所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述气体/燃料分离器和所述空气/水分离器被一隔膜部分地相互隔开，而该隔膜带有的流体开口适于使一部分冷凝水返回到所述燃料电池堆。
15.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述水冷凝器为热交换器。
16.根据权利要求9所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述密封件从由垫圈、胶带和钎焊材料组成的组中选出。
17.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述紧固件包括在所述水冷凝器上的第一紧固件和在所述气体/液体流分离器上的第二紧固件，或者包括在所述气体/液体流分离器上的第一紧固件和在所述水冷凝器上的第二紧固件，其中所述第一紧固件适于装配到所述第二紧固件。
18.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述紧固件为带螺纹的螺钉或螺栓，或者为具有相应凹槽的棘齿或插销。
19.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述水冷凝器的流体开口与在所述水冷凝器中形成的热交换元件流体接触。
20.根据权利要求19所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述热交换元件包括板或管道。
21.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述气体/液体流分离器被组装为单一隔间，并且在该单一隔间中从空气/水混合物中分离出空气并从CO2/燃料混合物中分离出CO2。
22.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，进一步包括：适于将燃料泵抽至所述燃料电池堆的至少一个泵。
23.根据权利要求22所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述至少一个泵为循环泵，用于将燃料混合物从所述集成处理器泵抽至所述燃料电池堆。
24.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述集成处理器进一步包括流体流动通道，该流体流动通道为用于连接所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器的流体引导件。
25.根据权利要求24所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述流体引导件包括冷凝流流体引导件，用于将从所述水冷凝器流出的水/空气冷凝流引导至所述气体/液体流分离器中，并用于在所述水冷凝器与所述气体/液体流分离器之间提供机械连接。
26.根据权利要求1所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，进一步包括：连接到所述水冷凝器的风扇。
27.根据权利要求24所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述流体引导件位于所述水冷凝器和所述气体/液体流分离器的上部。
28.根据权利要求24所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述流体引导件呈矩形。
29.根据权利要求22所述的模块式直接甲醇燃料电池系统，其中所述至少一个泵为燃料泵，用于将来自所述燃料箱的燃料泵抽至所述集成处理器。
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