CN101372313A - 制氢设备和燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制氢设备和燃料电池发电系统。制氢设备包括：电解槽，其填充有水性电解质溶液；第一电极，其容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液中，并产生电子；第二电极，其容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液中，接收所述电子以生成氢气；以及控制器，其位于所述第一电极和所述第二电极之间，并且控制在一段时间内从所述第一电极向所述第二电极流动的电子的数量。与传统的、在确定的数量的情况下生成氢气的方法不同，可以通过由使用者或燃料电池控制在电极之间流动的电流量而控制生成的氢气的数量。

Description

制氢设备和燃料电池发电系统

相关申请交叉参考

本申请要求在2007年02月14日向韩国知识产权局提交的No.2007-0015552韩国专利申请和在2007年08月23日提交的No.2007-0085138韩国专利申请的优先权，其整体内容结合于此供参考。

技术领域

本发明涉及一种制氢设备，更具体地，本发明涉及一种可以控制提供给燃料电池的氢气的生成量的制氢设备。

背景技术

燃料电池涉及能量转换设备，其通过电化学反应将燃料(氢气、液化天然气、液化石油气、甲醇等等)和空气的化学能直接转换为电能和/或热能。与需要燃料燃烧、蒸发、或涡轮或发电机的传统发电技术不同，燃料电池技术不需要燃烧过程或传动装置，从而提高能量效率和控制环境问题。

图1示出了燃料电池的运行体系结构。

参照图1，燃料电池100由作为燃料极110的阳极和作为空气极130的阴极组成。燃料极110被提供氢分子(H₂)，并且将它们分解为氢离子(H⁺)和电子(e^-)。氢离子(H⁺)经过膜120向空气极130移动，其中该膜是电解质层。电子移动通过外电路140以产生电流。在空气极130中，氢离子和电子与空气中的氧分子结合，生成水分子。下列化学式表示上面的发生在燃料电池100中的化学反应。

化学式1

燃料极110：H₂→2H⁺+2e^-

空气极130：1/2 O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H₂+1/2 O₂→H₂O

简而言之，燃料电池100通过供应电流给外电路140起电池的作用，由于分解得到的电子的流动而产生电流。这种燃料电池100几乎不排出大气污染物例如SO_X和NO_X并且产生很少的噪音和震动。

同时，为了在燃料极110中产生电子，燃料电池100需要可以使普通燃料变成氢气的制氢设备。

然而，通常称为制氢设备的氢气储存箱，占用巨大的空间并应该小心保存。

此外，作为便携式电子装置，例如移动电话和笔记本电脑需要大的电容量，燃料电池必须具有大容量和高性能，而且要求体积小。

为了满足上述需求，由国际民间航空组织(ICAO)许可在飞机中使用的甲醇或甲酸被用于燃料重整，或者甲醇、乙醇、或甲酸被直接用作燃料电池的燃料。

然而，上述前一种情况需要高重整温度，具有复杂的系统，消耗较高的驱动能，并且除了纯氢气之外还含有杂质(例如：CO₂和CO)。后一种情况则由于在阳极中化学反应速度和碳氢化合物穿过膜的速度较低而降低能量密度。

发明内容

本发明提供了一种制氢设备，其可以通过电化学反应在室温生成纯氢气。

本发明还提供了一种制氢设备，其可以在保持简单结构的同时没有分离的BOP(周边设备)单元而控制氢气生成量。

本发明还提供了一种制氢设备，其是经济的和对生态环境友好的。

本发明的一个方面展示了一种制氢设备，其可以控制氢气生成量。

根据本发明的实施例的制氢设备包括：电解槽，其装有水性电解质溶液；第一电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，并产生电子；第二电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，接收电子以生成氢气；以及控制器，其位于该第一电极和第二电极之间，并且控制在一段时间从第一电极向第二电极流动的电子的数量。

形成第一电极的金属可以具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。

制氢设备可以进一步包括测量从第二电极生成的氢气量的流速计，其中控制器接收设定值，将氢气生成量与该设定值相比较，并且控制电子的数量。可以直接由使用者通过输入单元或连接至该制氢设备的燃料电池将设定值输入控制器。

控制器可以将设定值与氢气生成量相比较，如果氢气生成量小于设定值，那么增加电子的数量；如果氢气生成量大于设定值，那么减少电子的数量；以及如果氢气生成量等于设定值，那么保持电子的数量。

设定值具有上限和下限，并且控制器可以将设定值与氢气生成量相比较；如果氢气生成量小于下限设定值，那么增加电子的数量；如果氢气生成量大于上限设定值，那么减少电子的数量；以及如果氢气生成量在上限设定值和下限设定值之间的范围内，那么保持电子的数量。

本发明的另一方面提出具有制氢设备的燃料电池发电系统，该制氢设备可以控制氢气生成量。

燃料电池发电系统包括：制氢设备，其通过控制一段时间内在电极之间流动的电子的数量而控制氢气生成量；燃料电池，其被提供由制氢设备生成的氢气，并且将氢气的化学能转换为电能；和负载，其被提供电能，并且执行预定的运行。

制氢设备包括：电解槽，其装有水性电解质溶液；第一电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，和产生电子；第二电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，接收电子以生成氢气；以及控制器，其从负载接收所需电能，测量燃料电池的输出，将该所需电能与该输出相比较，并且控制在一段时间从第一电极向第二电极流动的电子的数量。

控制器可以将所需电能与输出相比较；以及如果输出大于所需电能，那么减少电子的数量；如果输出小于所需电能，那么增加电子的数量；以及如果输出等于所需电能，那么保持电子的数量。

在另一实施例中的燃料电池发电系统可以进一步包括充电电池，其连接在燃料电池和负载之间，由来自燃料电池的电能充电，以及当负载需要时提供所充的电能。

制氢设备可以包括：电解槽，其装有水性电解质溶液；第一电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，和产生电子；第二电极，其容纳在该电解槽中，浸入该水性电解质溶液中，接收电子以生成氢气；控制器，其测量充电电池的当前电压，将完全充电电压与该当前电压相比较，并且控制在一段时间从第一电极向第二电极流动的电子的数量。形成第一电极的金属具有比形成第二电极的金属更高的电离倾向。

控制器可以将当前电压与完全充电电压相比较；以及如果当前电压小于完全充电电压，那么增加电子的数量；以及如果当前电压等于或者大于完全充电电压，那么使电子的数量减到最少。

附图说明

通过以下说明、附加的权利要求书和附图可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中：

图1示出了燃料电池的运行体系结构；

图2示出了根据本发明的实施例的制氢设备的截面图；

图3是示出移动电话的能量消耗的曲线；

图4是示出在第一电极和第二电极之间流动的电流量是如何与第二电极上生成的氢气的体积相关的曲线；

图5示出了根据本发明的实施例的制氢设备的控制单元的简图；

图6示出了根据本发明的另一实施例，包括制氢设备的控制器、连接于其上的燃料电池、和负载的燃料电池发电系统；以及

图7示出了根据本发明的又一实施例，包括制氢设备的控制器、连接于其上的燃料电池、和负载的燃料电池发电系统。

具体实施方式

由于本发明可以有多种置换和实施方式，所以将参照附图阐明和描述一些实施方式。但这绝不能将本发明限于某些实施方式，应理解为本发明的精神和保护范围覆盖所有的置换、等效替换和调整。在全部附图中类似的部件用相同的标记号表示。在本发明的整个描述中，当对某一技术的描述被确定为与本发明的要点无关时，将省略与其相关的详细描述。

术语如“第一”和“第二”可以被用于描述各种各样的部件，但是上述部件不应当被限于上述术语。上述术语仅用于使一个部件区别于另一个部件。例如，在不背离本发明的权利要求书的保护范围的情况下，第一部件可以被命名为第二部件，反之亦然。术语“和/或”应当包括多个所列出项目的组合或该多个所列出项目的任意一个。

当一个部件被描述为与另一部件“连接”或“接触”，其应当被理解为与该另一个部件直接地连接或接触，但是也可理解为可能在其间存在另一部件。另一方面，如果一个部件被描述为与另一部件“直接连接”或“直接接触”，其应当被理解为其间没有其它部件。

在说明书中使用的术语仅仅想要描述某些实施例，决不用于限制本发明。除非明确地以其它方式使用，否则单数的表达包括复数的含义。在本发明的描述中，如“包括(包含)”或“由...组成的”表达是用来指明特征、数量、步骤、行动、部件、部分或其组合，并且不应当理解为排除一个或更多其它特征、数量、步骤、行动、部件、部分或其组合的任何存在或可能性。

除非以其它方式限定，在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有如其通常被本发明相关的领域的普通技术人员所理解的同样含义。在通用字典中定义的任何术语应当被理解为在相关领域的情况下具有同样的含义，并且，除非明确地以其它方式限定，不应当解释为具有唯心主义或过度形式主义的含义。

在下文中，将参照附图详细描述某些实施例。不管附图号如何，相同或相应的部件用相同的标记号表示，并且不再重复对该相同或相应的部件的任何冗余的描述。

图2是根据本发明的实施例的制氢设备的截面图。

制氢设备200包括电解槽210、第一电极220、第二电极230和控制单元240。为了便于描述和理解，下面将假定第一电极220由镁(Mg)形成，第二电极230由不锈钢形成。

电解槽210装有水性电解质溶液215。水性电解质溶液215含有氢离子，氢离子被制氢设备200使用以生成氢气。

用于水性电解质溶液215的电解质的实例是LiCl、KCl、NaCl、KNO₃、NaNO₃、CaCl₂、MgCl₂、K₂SO₄、Na₂SO₄、MgSO₄、AgCl等等。

电解槽210容纳第一电极220和第二电极230，第一电极和第二电极的全部或部分被浸入电解质溶液215。

第一电极220是活泼电极，由于镁和水的电离能不同，镁(Mg)在该电极被氧化成镁离子(Mg²⁺)，释放出电子。被释放的电子通过第一电线225、控制单元240、第二电线235转移到第二电极230。

第二电极230是不活泼电极，在该电极处水分子接收从第一电极220转移来的电子并随后被分解为氢分子。

上述化学反应可以用下述化学式2表达：

化学式2

第一电极220：Mg→Mg²⁺+2e^-

第二电极230：2H₂O+2e^-→H₂+2(OH)^-

总反应：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂

化学反应的反应速率和效率取决于多种因素，包括：第一电极220和/或第二电极230的面积，水性电解质溶液215的浓度，水性电解质溶液215的种类，第一电极220和/或第二电极230的数量，连接第一电极220和第二电极230的方法，第一电极220和第二电极230之间的电阻。

改变任何上述因素会影响在第一电极220和第二电极230之间流动的电流量(即电子的数量)，进而改变化学式2中示出的电化学反应的反应速率，后者又改变在第二电极230中生成的氢气的量。

因此，可以通过控制在第一电极220和第二电极230之间流动的电流量而控制在第二电极230中生成的氢气的量。法拉第定律对此作出的解释如下面数学公式1中所示。

数学公式1

$N_{\mathrm{hydrogen}}=\frac{i}{\mathrm{nE}}$

$N_{\mathrm{hydrogen}}=\frac{i}{2\×96485}\left(\mathrm{mol}\right)$

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{hydrogen}}=\frac{i}{2\×96485}\×60\×22400(\mathrm{ml}/\min )\\ =7\×i(\mathrm{ml}/\min )\end{array}$

其中，N_hydrogen是每秒钟生成的氢气的量(mol/s)，V_hydrogen是每分钟生成的氢气的体积(ml/min)，i是电流(C/s)，n是反应电子的数量，以及E是每摩尔电子电荷(C/mol)。

在上面的数学公式2的情况下，由于两个电子在第二电极230处反应，所以n的数值为2，以及E具有-96,485C/mol的数值。

每分钟生成的氢气的体积可以通过使时间(60秒)和氢气的摩尔体积(22400ml)与每秒钟生成的氢气的数量相乘而计算得出。

例如，在燃料电池用于2W系统中的情况下，以及假定燃料电池在室温正在运行0.6V的电压和氢的利用率是60％，消耗42ml/mol的氢和6A的电流。在燃料电池使用于5W系统中的情况下，消耗105ml/mol的氢和15A的电流。

制氢设备200可以通过控制流过第一电线225(连接到第一电极220)和第二电线235(连接到第二电极230)的电流量而实现连接到其上的燃料电池的不同的氢需求。

然而，一旦制氢设备200已经制造完成，除了第一电极220和第二电极230之间的电阻之外，决定发生在制氢设备200的第二电极处的氢生成反应的速率的大多数因素很难改变。

因此，为了调节第一电极220和第二电极230之间的电阻，根据本发明的该实施例的制氢设备200具有设置在第一电线225和第二电线235(分别连接第一电极220和第二电极230)之间的控制单元240。

因此，制氢设备200控制第一电极220和第二电极230之间的电阻，即控制其间流动的电流量，从而生成与燃料电池所需求的一样多的氢气。

第一电极220还可以由具有相对高的电离倾向的金属形成，例如：铁(Fe)、铝(Al)、锌(Zn)等等。第二电极230还可以由具有与第一电极220的金属相比而相对低的电离倾向的金属形成，例如：铂(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)等等。

控制单元240控制转移速率，即电流量，以该转移速率在第一电极220中产生的电子被传递到第二电极230。

控制单元240接收连接到燃料电池的负载所需要的电能的信息，并且根据该信息保持或增加或减少从第一电极220流向第二电极230的电子的数量。

例如，下面针对图3中所示的移动电话的电能消耗加以说明。图3是示出了移动电话的电能消耗的曲线。

移动电话的状态取决于当前工作的按键或菜单选择，电能消耗也相应地改变。

范围301显示出通过拨号请求通话的情况，范围302显示出在听回铃声的情况下等待接收者的回答的情况，范围303显示出通过电话交谈的情况，范围304显示出结束通话的情况，范围305显示出发送通话费用信息的情况。由于移动电话在每种情况下运行不同的部件，所以如图3中所示能量消耗常常改变。

因此控制器240接收负载如移动电话所需要的能量的反馈(如图3中所示)，并且控制以生成如所需要的一样多的氢气来提供充足的能量给连接到燃料电池上的负载。

制氢设备可以进一步包括输入装置，以便使用者手动地输入所需要的电能或氢气的数量。

控制单元240包括可调电阻器作为其部件，并且控制可调电阻器的电阻，由此调节在第一电极220和第二电极230之间流动的电流量。在另一实施例中，控制单元240具有控制通/断操作的时机的通/断(ON/OFF)开关，由此调节第一电极220和第二电极230之间的电流量。

本发明的制氢设备可以具有多个第一电极220和/或第二电极230。在设置有多个第一电极220和/或第二电极230的情况下，因为制氢设备200可以每单位时间生成更多的氢气，所以可以在更短的时间生成所需要的氢气量。

图4是示出在第一电极220和第二电极230之间流动的电流量是如何与第二电极230上生成的氢气的体积相关的曲线。在此，应该注意，氢气的体积是以每分钟测量的流速来显示，原因在于，对于燃料电池来说重要的不是生成的氢气的总体积而是氢气的流速。

在下述条件下实施图3的实验：

第一电极220：镁(Mg)

第二电极230：不锈钢

电极之间的距离：3mm

电解液的成分和浓度：30wt％KCl

电极的数量：每个3个镁(电极)，每个3个不锈钢(电极)

电极连接方法：串连

水性电解质溶液的体积：60cc(额外条件)

电极的尺寸：24mm×85mm×1mm

图4示出了比基于数学公式1的理论值大的氢气的流速，原因在于三对电极的相互作用。

然而，从图4证实，氢气的流速与第一电极220和/或第二电极230之间的电流量相关联。此外，该曲线示出了流速和电流量之间的几乎是线性关系，这与数学公式1一致。

图5是根据本发明的实施例的制氢设备的控制单元240的简图。

控制单元240连接到流速计510。

流速计510以流速的单位来测量从制氢设备的第二电极230处生成的氢气量。如上所述，为了通过连接于燃料电池而使用根据本发明的制氢设备200，应该保持一定量的氢气生成而不是保持氢气生成的总量，因此需要以ml/min的单位来测量氢气的生成量。当然，可以使用其他度量单位，只要该单位可以测量流速。

控制器240以设定值输入，该设定值与氢气生成量相关联。制氢设备200设置有单独的输入装置(未示出)，使用者可以通过该输入装置输入设定值。所需的输出量(即电能、电压、电流、阻抗、以及其组合)或氢气生成量可以通过连接到制氢设备200上的燃料电池输入。在后者的情况中，燃料电池可以单独地配备氢气需求单元，用于输入输出量或由制氢设备200所需要的氢气生成量。

控制器240比较输入的设定值与由流速计510测量的氢气生成量。如果生成的氢气量小于设定值，那么控制从第一电极220流向第二电极230的电子的数量以增加氢气生成量；如果生成的氢气量大于设定值，那么控制从第一电极220流向第二电极230的电子的数量以减少氢气生成量。也就是，控制器240通过控制从第一电极220流向第二电极230的电子的数量来控制氢气生成量。

图6是根据本发明另一实施例的燃料电池发电系统，包括制氢设备200的控制器240、连接于其上的燃料电池、和负载。

控制器240与负载610连接，由燃料电池100向该负载提供电能。如上所述，负载610根据当前工作状态需要不同的电能(参照图3)。因此，控制器接收根据负载610的当前工作状态所需的电能。

以及，控制器240与燃料电池100连接以接收燃料电池100的输出。燃料电池100的输出是，例如由燃料电池100提供给负载610的电能，燃料电池接收来自制氢设备200的氢气。如上所述，为了通过连接至燃料电池而使用根据本发明的制氢设备200，应该保持氢气生成的一定数量而不是氢气生成的总量，以及由此以瓦特(W)单位接收燃料电池100的基于氢气生成量的电能。此外，控制器240测量燃料电池100的电压并且通过使用电阻转换成电能。当然，可以使用其它度量单位，只要该单位可以测量电能。

控制器240将燃料电池100的输出与负载610所需的电能相比较。如果燃料电池100的输出小于所需电能，控制器240增加从第一电极220流向第二电极230的电子的数量以增加氢气生成量；如果燃料电池100的输出大于所需电能，控制器240减少从第一电极220流向第二电极230的电子的数量以减少氢气生成量。如果燃料电池100的输出与所需电能相比而位于确定的误差范围内，则保持当前的氢气生成量。

图7是根据本发明又一实施例的燃料电池发电系统，包括制氢设备200的控制器240、连接于其上的燃料电池、和负载。

当与图6中示出的燃料电池发电系统相比较时，图7中的燃料电池发电系统进一步包括充电电池710。由于燃料电池具有较慢的反应性，所以不能即时地响应负载610的最高功率。因此通过预先给充电电池710充电而可以实现对最高功率的响应。

控制器240测量充电电池710的电压以便连续地产生氢气，用于将充电电池710完全充电以及用于使燃料电池100坚持提供电压。以及控制器240提供充电电池710的充电电压，这样，如果充电电池710的电压下降，使制氢设备200生成氢气。

也就是说，控制器240将充电电池710的当前电压与完全充电电压相比较。完全充电电压是指充电电池710被完全充电时的电压。如果当前电压小于完全充电电压，那么增加从第一电极220流向第二电极230的电子的数量以增加氢气生成量；如果当前电压等于或者大于完全充电电压，那么使从第一电极220流向第二电极230的电子的数量减到最少以停止氢气生成。

在此，充电电池710可以是超大电容器或小充电电池。超大电容器具有增大的电容，并且如果需要其可以充入和放出电能。

附图和详细的描述仅仅是本发明的实施例，只用于描述本发明并且决不限制或约束本发明的精神和范围。因此，任何本领域普通技术人员应该理解，大量的改变和其它等效实施例是可能的。本发明的准确的保护范围必须只能由权利要求书的主题来限定。

Claims (14)

1.一种制氢设备，包括：

电解槽，装有水性电解质溶液；

第一电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，并产生电子；

第二电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，接收所述电子以产生氢气；以及

控制器，位于所述第一电极和所述第二电极之间，并且控制在一段时间内从所述第一电极向所述第二电极流动的电子的数量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，形成所述第一电极的金属具有比形成所述第二电极的金属更高的电离倾向。

3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括流速计，其测量从第二电极生成的氢气量，其中，所述控制器接收设定值，将所述氢气生成量与所述设定值相比较，并且控制所述电子的数量。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，直接由使用者通过输入单元或与所述制氢设备连接的燃料电池将所述设定值输入所述控制器。

5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述控制器将所述设定值与所述氢气生成量相比较，如果氢气生成量小于所述设定值，则增加所述电子的数量；如果氢气生成量大于所述设定值，则减少所述电子的数量；以及如果氢气生成量等于所述设定值，则保持所述电子的数量。

6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设定值具有上限和下限，并且所述控制器将所述设定值与所述氢气生成量相比较，如果氢气生成量小于下限设定值，则增加所述电子的数量；如果氢气生成量大于上限设定值，则减少所述电子的数量；以及如果氢气生成量在所述上限设定值和所述下限设定值之间的范围内，则保持所述电子的数量。

7.一种燃料电池发电系统，包括：

制氢设备，通过控制一段时间内在电极之间流动的电子的数量而控制氢气生成量；

燃料电池，被提供由所述制氢设备产生的氢气，并且将所述氢气的化学能转换为电能；以及

负载，被提供所述电能，并且执行预定操作。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述制氢设备包括：

电解槽，装有水性电解质溶液；

第一电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，并产生电子；

第二电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，并接收所述电子以产生氢气；以及

控制器，从所述负载接收所需电能，测量所述燃料电池的输出，将所述所需电能与所述输出相比较，并且控制在一段时间内从所述第一电极向所述第二电极流动的所述电子的数量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，形成所述第一电极的金属具有比形成所述第二电极的金属更高的电离倾向。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器将所述所需电能与所述输出相比较，并且，如果所述输出大于所述所需电能，则减少所述电子的数量；如果所述输出小于所述所需电能，则增加所述电子的数量；以及如果所述输出等于所述所需电能，则保持所述电子的数量。

11.根据权利要求7所述的系统，进一步包括：

充电电池，连接在所述燃料电池和所述负载之间，由来自所述燃料电池的所述电能充电，以及当所述负载需要时提供所充的电能。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述制氢设备包括：

电解槽，装有水性电解质溶液；

第一电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，并产生电子；

第二电极，容纳在所述电解槽中，浸入所述水性电解质溶液，接收所述电子以产生氢气；以及

控制器，测量所述充电电池的当前电压，将完全充电电压与所述当前电压相比较，并且控制在一段时间内从所述第一电极向所述第二电极流动的所述电子的数量。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，形成所述第一电极的金属具有比形成所述第二电极的金属更高的电离倾向。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述控制器将所述当前电压与所述完全充电电压相比较，并且，如果所述当前电压小于所述完全充电电压，则增加所述电子的数量；以及如果所述当前电压等于或者大于所述完全充电电压，则使所述电子的数量减到最少。

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