CN101340000A - 燃料电池装置 - Google Patents

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CN101340000A CNA2007101273881A CN200710127388A CN101340000A CN 101340000 A CN101340000 A CN 101340000A CN A2007101273881 A CNA2007101273881 A CN A2007101273881A CN 200710127388 A CN200710127388 A CN 200710127388A CN 101340000 A CN101340000 A CN 101340000A
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许年辉
王正
李璟柏
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Abstract

一种燃料电池装置，包括燃料电池模块、热交换组件以及气流产生元件。燃料电池模块是用以执行燃料电池的化学反应。热交换组件包括第一热交换部分、第二热交换部分以及连接部分，其中连接部分分别连接第一热交换部分与第二热交换部分。气流产生元件适于产生气流，气流依次流经第一热交换部分、燃料电池模块及第二热交换部分。

Description

燃料电池装置
技术领域
本发明涉及一种电池，且特别是涉及一种燃料电池装置。
背景技术
燃料电池具有高效率、低噪音、无污染的优点，是符合时代趋势的能源技术。燃料电池区分为多种类型，常见的为质子交换膜型燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)以及直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell，DMFC)。以直接甲醇燃料电池为例，直接甲醇燃料电池的燃料电池模块包括质子交换膜(proton exchange membrance)及分别设置于质子交换膜两侧的阴极(cathode)与阳极(anode)。
直接甲醇燃料电池使用甲醇水溶液作为燃料，且直接甲醇燃料电池的反应式如下：
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：3/2O2+6H++6e-→3H2O
总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
由上列反应式可知，直接甲醇燃料电池反应时，需供给足够的氧气(O2)至阴极。此外，若反应时的温度愈高，则反应效率愈好。
图1是现有燃料电池装置的示意图。请参照图1，现有燃料电池装置100包括风扇110以及燃料电池模块120。风扇110是用以产生气流50至燃料电池模块120，以供给阴极反应所需的氧气。此外，燃料电池模块120在反应的过程中会产生热量Q，若气流50流至燃料电池模块120之前的温度为TA，则当气流50流过燃料电池模块120后，气流50的温度会升高至TB，其中TB-TA正比于Q。
然而，由于风扇110产生的气流50的温度低于燃料电池模块120的温度，所以当气流50流至燃料电池模块120时，会降低燃料电池模块120的温度。如此，将导致燃料电池模块120的反应效率变差，进而降低燃料电池装置100的性能。此外，因风扇110的扬程(lift)较低，故气流50不易将阴极反应所生成的水直接带离燃料电池模块120。所以，阴极反应所生成的水通常会先被蒸发成水蒸气，之后才随着气流50离开燃料电池模块120。但是，温度较低的气流50的空气饱和蒸气压(saturated water vapor pressure)较小，此将导致水的蒸发不易。
此外，习知燃料电池装置100之水蒸气会被直接排至外界，造成水无法回收。另外，由于风扇110产生之气流50的温度较低，所以水蒸气容易凝结在燃料电池模块120之阴极的表面，造成流道堵塞。如此，将导致氧气较不易被供给至阴极，因而使燃料电池装置100的性能变差。
发明内容
本发明提供一种燃料电池装置，以改进现有技术的缺点。
本发明的实施例提出一种燃料电池装置，包括燃料电池模块、热交换组件以及气流产生元件。燃料电池模块用以执行燃料电池的化学反应。热交换组件包括第一热交换部分、第二热交换部分以及连接部分，其中连接部分分别连接第一热交换部分与第二热交换部分。气流产生元件适于产生气流，气流依次流经第一热交换部分、燃料电池模块及第二热交换部分。
由于通过燃料电池模块的温度较高的气流会流经热交换组件的第二热交换部分，所以能增加热交换组件的温度。因此，气流流经热交换组件的第一热交换部分时，气流的温度会升高。与现有技术相比，由于流至燃料电池模块的气流温度较高，所以能提高燃料电池装置的效能。
附图说明
图1是现有燃料电池装置的示意图。
图2是本发明实施例的一种燃料电池装置的示意图。
图3是本发明另一实施例的一种燃料电池装置的示意图。
图4是本发明另一实施例的一种燃料电池装置的示意图。
图5是本发明另一实施例的燃料电池装置的局部示意图。
图6是本发明另一实施例的燃料电池装置的局部示意图。
图7是本发明另一实施例的燃料电池装置的示意图。
简单符号说明
50、80：气流
60、60’：燃料
90：水
100、200、200’：燃料电池装置
110：风扇
120、210：燃料电池模块
212：入风端
214：出风端
216：第二燃料输出口
218：第二燃料输入口
220：热交换组件
222：第一热交换部分
222a、224a、270：鳍片
224：第二热交换部分
226：连接部分
230：气流产生元件
240、240’、240”：槽体
242：第一输入口
244：第一输出口
246：第二输出口
247：第二输入口
248：第三输入口
250：隔热元件
260：上盖
262：底部
280：热交换流道板
282：第一燃料输入口
284：第一燃料输出口
T1～T4：温度
D2：延伸方向
具体实施方式
下列各实施例的说明是参考附图，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
图2是本发明实施例的一种燃料电池装置的示意图。请参照图2，本实施例的燃料电池装置200包括燃料电池模块210、热交换组件220以及气流产生元件230。燃料电池模块210用以执行燃料电池的化学反应，具有相对的入风端212与出风端214。热交换组件220包括第一热交换部分222(加热端)、第二热交换部分224(冷凝端)以及连接部分226，其中第一热交换部分222配置于入风端212旁，两者位置互相对应，第二热交换部分224配置于出风端214旁，两者位置也互相对应，而连接部分226连接第一热交换部分222与第二热交换部分224。气流产生元件230产生气流80，且此气流80依次流经第一热交换部分222、从燃料电池模块210的入风端212进入燃料电池模块210、从燃料电池模块210的出风端214离开燃料电池模块210及流经第二热交换部分224。
上述燃料电池装置200中，气流产生元件230可例如为风扇。此外，虽然图2的气流产生元件230配置于第一热交换部分222与燃料电池模块210之间，但气流产生元件230也可配置于第一热交换部分222的远离燃料电池模块210的一侧、燃料电池模块210与第二热交换部分224之间或是第二热交换部分224的远离燃料电池模块210的一侧。
承上述，连接部分226，例如是热管226，其具有高导热系数。举例来说，连接部分226的导热系数大于1000W/mK。此外，第一热交换部分222与第二热交换部分224分别为多个鳍片222a、224a，由此提高热交换能力，每一鳍片222a、224a的延伸方向D2实质上平行于气流80的流动方向，且每一鳍片222a、224a实质上正交连接连接部分226。鳍片222a、224a的材料可选用具高导热系数的材料，且鳍片222a、224a具有减少流阻的导流功能。热交换组件220的热管220可以由铜管制成，而鳍片222a、224a可以由铜、铝、不锈钢、石墨制成。
在本实施例中，由于燃料电池模块210进行燃料电池反应的过程中会产生热量Q，若流至燃料电池模块210的入风端212的气流80的温度为T2，则自燃料电池模块210的出风端214流出的气流80的温度会被提高至T3，其中T3-T2正比于Q。换言之，气流80会带走部分的热量Q。此外，当气流80流至热交换组件220的第二热交换部分224时，气流80会与第二热交换部分224进行热交换，也就是说，被气流80带走的热量会有一部分进入热交换组件220。
承上述，气流80流过热交换组件220的第二热交换部分224后，气流80的温度会由T3降至T4。此外，气流80流过燃料电池模块210时，会将阴极反应所生成的水蒸发成水蒸气，且水蒸气会随着气流80流出燃料电池模块210。因此，当气流80的温度由T3降低至T4时，水蒸气的饱和蒸气压会下降，造成气流80中的部分水蒸气凝结成水。所以，在本实施例中，燃料电池装置200还可包含槽体240(如图3所示)，槽体240的配置位置需对应第二热交换部分224的位置，以使凝结的水能滴入槽体240内，而达到水回收的效果，例如：可使第二热交换部分224穿入槽体240中(如图3所示)或位于该槽体的开口的正上方，或者该槽体可置于第二热交换部分224的邻近区域，并以导管导引水流进入该槽体。
另一方面，由于热交换组件220具有极高的导热系数，所以进入热交换组件220的第二热交换部分224的热量会通过连接部分226被传递至第一热交换部分222。因此，当气流80流经第一热交换部分222时，气流80的温度会从T1升高至T2，之后再流至燃料电池模块210。与现有技术相比，在本实施例燃料电池装置200中，由于流至燃料电池模块210的气流80的温度较高，所以可增加燃料电池模块210的反应效率，进而提高燃料电池装置200的效能。
此外，由于流至燃料电池模块210的气流80的温度较高，空气的饱和蒸气压也较高，所以能提高阴极反应所生成的水被蒸发成水蒸气的比率，以增加阴极水分的移除效率。另外，与现有技术相比，由于流至燃料电池模块210的气流80的温度较高，所以水蒸气较不易凝结在燃料电池模块210的阴极的表面。如此，能避免水堵塞流道，以让氧气能顺利被供给至阴极，进而提高燃料电池装置200的效能。
为了减少热损失，可在热交换组件220的连接部分226上包覆隔热元件250(如图4所示)，其包覆的范围介于第一热交换部分222及第二热交换部分224之间。隔热元件250的材料是低导热系数的材料，如泡棉，但不以此为限。由于气流80流经燃料电池模块210后，所带走的水蒸气中会含有少量甲醇，此将腐蚀连接部分226与鳍片222a、224a，故热交换组件220的表面可为抗化学腐蚀层。具体而言，在气流80流出燃料电池模块210后，与其接触的连接部分226的区段及鳍片224a，可选用抗甲醇腐蚀的材料、或镀上防甲醇腐蚀材料，避免腐蚀的情形发生。举例来说，该防甲醇腐蚀材料可为一层四氟化碳(carbon tetrafluoride，CF4)。
图5是本发明另一实施例的燃料电池装置的局部示意图。请参照图5，在本实施例中，设置于第二热交换部分224下方的槽体240’具有第一输入口242、第一输出口244以及第二输出口246。第一输入口242与第一输出口244位于槽体240’的上半部，而第二输出口246位于槽体240’的下半部。此外，槽体240’上方设有覆盖槽体240’的上盖260，上盖260为连接部分226的一部分，热交换组件220的第二热交换部分224连接于上盖260，位于槽体240’中，亦即，鳍片270设于上盖260的底部262。上盖260及鳍片270的材料是具有高导热系数的材料，如铜、铝、不锈钢或其他金属。
在本实施例中，通过燃料电池模块的气流80会从第一输入口242流入槽体240’中，且气流80会与鳍片270及上盖260进行热交换，之后气流80会从第一输出口244流出槽体240’。当气流80与鳍片270及上盖260进行热交换后，进入鳍片270及上盖260的热量会传导至热交换组件220，而且部分水蒸气会凝结成水90，并滴入槽体240’。由于槽体240’上方设有上盖260，所以能避免水蒸发至外界，进而提高水回收效率。
另外，位于槽体240’下半部的第二输出口246则连接至混合槽(未绘示)，以使槽体240’内的水90能流至混合槽，并与混合槽内的燃料混合。
图6是本发明另一实施例的燃料电池装置的局部示意图。图6与图5相似，差别处在于图6的槽体240”为混合槽。更详细地说，槽体240”还具有第二输入口247与第三输入口248。来自燃料电池模块210的阳极的低浓度燃料是从第二输入口247输入槽体240”，而来自燃料罐的高浓度的燃料从第三输入口248输入槽体240”。此外，第一输出口246连接至燃料电池模块210的阳极，以使槽体240”内的燃料能流至燃料电池模块210的阳极。
图7是本发明另一实施例的燃料电池装置的示意图。请参照图7，本实施例的燃料电池装置200’与图2的燃料电池装置200相似，差别处在于燃料电池装置200’还包括热交换流道板280。热交换流道板280配置于热交换组件220的第一热交换部分222与燃料电池模块210之间，位于气流80的流道上，且热交换流道板280的材料是具有高导热系数的材料。此外，热交换流道板280具有第一燃料输入口282与第一燃料输出口284，其中第一燃料输入口282连接至燃料电池模块210的第二燃料输出口216，而第一燃料输出口284连接至燃料电池装置200’的槽体(如图6的槽体240”)。
承上述，燃料电池模块210还具有第二燃料输入口218，而阳极反应所需的燃料60经由第二燃料输入口218输入燃料电池模块210。反应后的燃料60’则经由第二燃料输出口216及第一燃料输入口282输入热交换流道板280中，并经由热交换流道板280的第一燃料输出口284输出至该槽体。
由于反应后的燃料60’具有较高的温度，所以当燃料60’在热交换流道板280内流动时，会与热交换流道板280进行热交换，使热量传递至热交换流道板280中。因此，当气流80流经热交换流道板280时，气流80的温度会再被提高。换言之，流至燃料电池模块210的气流80具有更高的温度，所以能提高燃料电池模块210的反应效率，进而增加燃料电池装置200’的效能。
综上所述，本发明实施例的燃料电池装置至少具有下列之一或部分或全部的优点：
1.气流80流过热交换组件220的第二热交换部分224后，气流80的温度会降低，所以水蒸气的饱和蒸气压会下降，造成气流80中的部分水蒸气凝结成水，所以可达到水回收的效果。
2.进入热交换组件220的第二热交换部分224的热量会被传递至第一热交换部分222，所以当气流80流经热交换组件220的第一热交换部分222时，气流80的温度会升高。由于流至燃料电池模块210的气流80温度较高，所以能提高燃料电池装置200的效能。
3.在热交换组件220的第一热交换部分222与燃料电池模块210之间设置热交换流道板280，可有效利用反应后的高温燃料来提高气流80的温度，以进一步提高燃料电池装置200的效能。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与修改，因此本发明的保护范围以所附权利要求所界定者为准。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭示的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜索之用，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (15)

1.一种燃料电池装置，包括：
燃料电池模块，用以执行燃料电池的化学反应；
热交换组件，包括第一热交换部分、第二热交换部分以及连接部分，其中该连接部分分别连接该第一热交换部分与该第二热交换部分；以及
气流产生元件，适于产生气流，该气流依次流经该第一热交换部分、该燃料电池模块及该第二热交换部分。
2.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中该第一热交换部分与该第二热交换部分分别为多个鳍片。
3.如权利要求2所述的燃料电池装置，其中该每一鳍片的延伸方向实质上平行于该气流的流动方向。
4.如权利要求2所述的燃料电池装置，其中该连接部分为热管。
5.如权利要求3所述的燃料电池装置，其中该连接部分实质上正交连接该每一鳍片。
6.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中该气流产生元件配置于该第一热交换部分的远离该燃料电池模块的一侧。
7.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中该气流产生元件为风扇。
8.如权利要求1所述的燃料电池装置，还包括槽体，其配置位置对应该第二热交换部分的位置。
9.如权利要求8所述的燃料电池装置，其中该连接部分包括上盖，覆盖该槽体，该第二热交换部分连接该上盖，位于该槽体中。
10.如权利要求9所述的燃料电池装置，其中该上盖的材料为金属。
11.如权利要求10所述的燃料电池装置，其中该第二热交换部分为多个鳍片。
12.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中该热交换组件还包括隔热元件，环绕该连接部分。
13.如权利要求1所述的燃料电池装置，还包括：
热交换流道板，该热交换流道板具有燃料输入口与第一燃料输出口，其中该燃料输入口连接至该燃料电池模块的第二燃料输出口；以及
槽体，连接至该第一燃料输出口。
14.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中该气流从该燃料电池模块的入风端进入该燃料电池模块，从该燃料电池模块的出风端离开该燃料电池模块，该第一热交换部分的位置对应该入风端的位置，该第二热交换部分的位置对应该出风端的位置。
15.如权利要求1所述的燃料电池装置，其中位于该气流流过该燃料电池模块后的流道中的该热交换组件的表面为抗化学腐蚀层。
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