CN101399346B - 燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池发电系统，包括：产生氢气的氢气产生装置；燃料电极，该燃料电极的一部分连接至氢气产生装置以便接收氢气并使氢气分解成氢离子和电子，并且在燃料电极中形成具有一个侧开口的燃料通道；膜，堆叠在燃料电极上使得该膜覆盖燃料通道的开口侧；空气电极，该空气电极连接至膜并且接收从燃料电极穿过膜的氢离子；以及压力传感器，该压力传感器形成在燃料电极的一部分上，并且测量燃料通道内部的压力以及调节供应至燃料电极的氢气的量。利用该系统，可以以简单的方式调节氢气的流量。

Description

燃料电池发电系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年9月28日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2007-0098382号的优先权，将其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种燃料电池发电系统。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应将燃料(氢气、LNG、LPG等)和空气的化学能直接转换成电和热的装置。与采用燃烧燃料、产生蒸汽、驱动涡轮机，以及驱动发电机(power generator)工艺(过程)的常规发电技术相反，燃料电池的利用不需要燃烧过程(工艺)或驱动装置。同样，对于发电来说，燃料电池是相对新的技术，其提供高效率和很少的环境问题。
图1是典型的燃料电池的工作原理的示图。
参照图1，燃料电池100可以包括作为阳极的燃料电极110和作为阴极的空气电极130。燃料电极110接收氢分子(H2)，该氢分子(H2)被分解成氢离子(H+)和电子(e-)。氢离子穿过膜(隔膜，membrane)120向空气电极130移动。该膜120相当于电解质层。
电子通过外电路140移动以产生电流。在空气电极130处，氢离子和电子与空气中的氧结合以产生水。下列反应式1表示上述化学反应。
[反应式1]
燃料电极110：H2→2H++2e-
空气电极130：1/2O2+2H++2e-→H2O
总反应：H2+1/2O2→H2O
简而言之，由于从燃料电极110分离的电子产生通过外电路的电流，因此燃料电池100可以起电池的作用。这样的燃料电池100是无污染的电源(功率源)，因为其并不产生任何污染排放物如SOx、NOx等，并且仅产生少量的二氧化碳。并且，燃料电池可以提供一些其他优点，如低噪声和小的振动等。
对于燃料电池所需要的最至关重要的任务之一是氢气的稳定供应。氢气储存罐(贮氢罐，hydrogen storage tank)可以用于该目的，但是罐装置占用很大的体积并且必须特别小心保存。
为了使燃料电池合适地适应目前的便携式电子设备(便携式电话、膝上型计算机等)中对高容量电源(供电)装置的需求，燃料电池需要提供小体积和高性能。
因此，合理的备选方案可以是使用氢气产生装置来产生氢气。氢气产生装置可以将含氢原子的普通燃料(规整燃料，regular fuel)转化成含大量氢气的气体，其随后可以被燃料电池100使用。
燃料电池可以采用在对由ICAO(国际民间航空组织，International Civil Aviation Organization)批准带入飞机的燃料如甲醇或甲酸等进行重整之后产生氢气的方法，或可以采用直接使用甲醇、乙醇、或甲酸等作为燃料的方法。
然而，前一种情况可能需要高的重整温度、复杂的系统、以及高的驱动功率，并且很可能包含除了纯氢之外的杂质(例如，CO2、CO等)。另一方面，后一种情况由于在阳极处化学反应的低速度和碳氢化合物穿过膜的渗透(cross-over)而可能引起非常低的功率密度的问题。
比较地，通过使用利用电化学反应的氢气产生装置，可以在室温下获得纯氢。另外，可以仅利用筒(cartridge)和塔(stack)来实现简单的系统，并且可以在无需单独的BOP(周边设备)单元的情况下通过调节电流来获得期望的氢气流量以控制产生的氢气的量。
图2是根据现有技术的用于调节氢气流量的反馈系统的方块图。调节氢气流量的现有方法可以包括降低电极之间的电阻以及使用包括开关或可变电阻的控制单元来调节流量。
如图所示，对于按需控制(按照要求控制，on-demand control)来说，控制单元可以接收由燃料电池或其上连接有燃料电池的电子装置(移动电话)所需的功率反馈，并且如果数值大于燃料电池的当前功率，则可以增加氢气流量，或者如果数值较低，则降低氢气流量。然而，该调节氢气流量的方法可能引起某些困难，因为需要复杂的电路设计并且必须精确地测量功率需求。
换句话说，氢气的流量可能必须根据燃料电池和电子装置的功率消耗需求来调节，并且当电压或电流必须通过电路测量时，可能使系统更复杂。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池发电系统，利用该燃料电池发电系统可以以简单的方式调节由氢气产生装置供应至燃料电池的氢气的流量，并且通过该燃料电池发电系统可以改善氢气产生装置的稳定性。
本发明的一个方面提供了一种燃料电池发电系统，包括：产生氢气的氢气产生装置；燃料电极，该燃料电极的一部分连接至氢气产生装置以便接收氢气并使氢气分解成氢离子和电子，并且在燃料电极中形成具有一个侧开口的燃料通道；膜，堆叠在燃料电极上使得该膜覆盖燃料通道的开口侧；空气电极，该空气电极连接至膜并且接收从燃料电极穿过膜的氢离子；以及压力传感器，该压力传感器形成在燃料电极的一部分上，并且测量燃料通道内部的压力以及调节供应至燃料电极的氢气的量。
这里，氢气产生装置可以包括：电解槽(electrolyte bath)，该电解槽容纳包括氢离子的电解质溶液；第一电极，该第一电极定位在电解槽的内部并浸到电解质溶液中，并且被构造成产生电子；第二电极，该第二电极定位在电解槽的内部并浸到电解质溶液中，并且被构造成接收电子和产生氢气；以及控制单元，该控制单元定位在第一电极与第二电极之间，并被构造成与燃料电极处所需的压力一致地控制从第一电极流到第二电极的电子的量。
控制单元可以根据由使用者输入的压力值控制电子的量。
并且，燃料通道可以具有死端结构(dead end structure)，其中，通道的一个端部与外部隔开。
燃料电池发电系统可以进一步包括阀，该阀可以设置在燃料电极与氢气产生装置之间并且可以调节氢气产生装置的内压力。
在某些具体实施方式中，可以在空气电极中形成与燃料通道相对应的空气通道。
本发明的另外的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，并且部分通过该描述而显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
附图说明
图1是典型的燃料电池的工作原理的示图；
图2是根据现有技术的用于调节氢气流量的反馈系统的方块图；
图3是氢气产生装置的示意图；
图4是根据本发明一种具体实施方式的燃料电池发电系统的剖视图；
图5是根据本发明一种具体实施方式的燃料电极的透视图；
图6是根据本发明一种具体实施方式的调节氢气流量的方法的流程图。
具体实施方式
由于本发明允许多种改变和大量具体实施方式，因此将在附图中示出并在书面描述中详细地描述特定的具体实施方式。然而，这并不用于将本发明限制于特定的实施模式，并且应当理解，不背离本发明的精神和技术范围的所有改变、等价物、以及替换均包括在本发明内。在本发明的描述中，当相关技术的某些详细说明被认为可能不必要地使本发明的实质难理解的情况下，其将被省略。
虽然如“第一”、“第二”等这样的术语可以用于描述多种元件，但这样的元件不必限于上述术语。上述术语仅用于区别一个元件与另一个元件。
在本申请中使用的术语仅用于描述特定的具体实施方式，而不用于限制本发明。用于单数的表达包括复数的表达，除非其在上下文中具有明确不同的含义。在本申请中，应当理解，诸如“包括”或“具有”等的术语用于表示在说明书中披露的特征、数量、步骤、动作、元件、部件、或者它们的组合的存在，而不用于排除一个或多个其他特征、数量、步骤、动作、元件、部件、或者它们的组合可能存在或可能增加的可能性。
现在将在下面参照附图更详细地描述本发明的某些具体实施方式。
在产生用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的氢气中使用的方法可以主要分为利用铝的氧化的方法、利用金属硼氢化物的水解的方法、以及利用金属电极上的反应的方法。在这些之中，一种有效地调节氢气产生的速率的方法是使用金属电极的方法。图3是使用金属电极的氢气产生装置的示意图。
在示出的附图中，由镁制成的阳极220和由不锈钢制成的阴极230浸渍在电解槽210内的含水电解质溶液215中。
氢气产生装置200的基本原理是在镁电极220处产生电子，该镁电极220具有比不锈钢电极230更大的电离倾向，并且产生的电子移动至不锈钢电极230。然后，电子可以与含水电解质溶液215反应以产生氢气。
下列反应式2表示上述氢气产生装置200中的化学反应。
[反应式2]
阳极220：Mg→Mg2++2e-
阴极230：2H2O+2e-→H2+2(OH)-
总反应：Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2
这是一种其中当电极220中的镁被电离成Mg2+离子时获得的电子移动通过电线并连接至另一金属对象(例如，铝或不锈钢)的方法，其中氢气由水的分解产生。产生的氢气的量可以按照需要进行调节，因为它涉及电流的流动或截止(cut-off)、电极之间的距离、以及电极的尺寸。
图4是根据本发明一种具体实施方式的燃料电池发电系统的剖视图，图5是根据本发明一种具体实施方式的燃料电极的透视图，以及图6是根据本发明一种具体实施方式的调节氢气流量的流程图。在图4或图5中示出了燃料电极300、膜302、空气电极304、燃料通道306、空气通道303、压力传感器308、阀310、电解槽312、弹性件314、含水电解质溶液316、第一电极318、第二电极320、电线322、以及控制单元324。
利用本发明的某些具体实施方式，可以通过调节压力以简单的方式来调节氢气的流量，而不必使用测量电子装置的功率值和测量燃料电池的功率值的复杂的反馈系统。
为了更好的理解和更容易的说明，以下描述将集中在其中第一电极318由镁(Mg)制成而第二电极320由不锈钢制成的构造上。
燃料电极300可以是燃料电池的燃料电极300，并且可以接收氢气产生装置中产生的氢气并使氢气分解成氢离子和电子。燃料电极300的一部分可以连接至氢气产生装置，并且一侧可以形成开口燃料通道306。
如图5所示，燃料电极300可以采用死端结构，其中燃料通道306的端部被堵塞并与外部隔离。由于这种结构，由氢气产生装置供应的氢气可以保持在燃料电极300的燃料通道306中，并且可以测量保持在死端结构中的氢气的压力。
膜302可以堆叠在燃料电极300上使得覆盖燃料通道306的开口侧，并且可以使在燃料电极300中产生的氢离子通过。
空气电极304可以连接至膜302，并且可以被提供有从燃料电极300穿过膜302的氢离子。然后，氢离子可以与电子和空气中的氧结合以形成水，同时电子通过外电路以产生电流。
可以在空气电极304中形成与燃料通道306相对应的空气通道303，以便容纳(保持)产生的水。
压力传感器308可以形成在燃料电极300的一部分上，并且可以测量燃料通道306内部的压力以通过测量调节供应至燃料电极300的氢气的量。由于氢气被消耗同时燃料电池产生电功率，因此氢气的浓度将降低，对于此可以供应更多的氢气以获得期望的氢气浓度。
为了获得和保持期望的氢气浓度，压力传感器308可以测量燃料通道306内部的压力，其可以用来根据燃料通道306内部的特定氢气量保持压力。
同样地，通过保持对应于燃料电极300中的特定氢气量的压力，可以使氢气的浓度保持不变，从而按需控制是可能的，而不考虑电子装置中的功率消耗。
如果问题发生于在燃料电极300中调节氢气流量的过程中，或者发生关于氢气产生装置的内压力方面的问题，则可以打开阀310并且可以清除(purge)氢气。同样，阀310可以用来保持氢气产生装置安全。即，如果氢气产生装置内部的压力超过一定水平，则可以排出氢气。
氢气产生装置可以包括电解槽312、弹性件314、第一电极318、第二电极320、含水电解质溶液316、电线322、以及控制单元324。
电解槽312可以具有一个侧开口，并且可以容纳弹性件314和包括氢离子的含水电解质溶液316。
弹性件314可以插入电解槽312的内部并且在其内部可以包含包括第一电极318和第二电极320的电极以及含水电解质溶液316。弹性件314可以由橡胶或含乙烯基的化合物(乙烯树脂，vinyl)制成，并且当含水电解质溶液316置于弹性件314的内部时，弹性件314可以改变其形状以适合电解槽312的形状。
在电解槽312内部形成的弹性件314可以根据含水电解质溶液316的量弹性地膨胀。并且，当盖(cover)置于电解槽312上时，弹性件314可以固定至形成在电解槽312内部的盖的内表面。
电极318、320可以被分为第一电极318和第二电极320，其可以连接至用作电子移动通道的电线322。
含水电解质溶液316可以包含氢离子，氢离子可以被氢气产生装置使用以产生氢气。如LiCl、KCl、NaCl、KNO3、NaNO3、CaCl2、MgCl2、K2SO4、Na2SO4、MgSO4、AgCl等的化合物可以用于含水电解质溶液316中作为电解质。
第一电极318可以形成在电解槽312内部的一侧上并且可以产生电子。第一电极318可以是有源电极(active electrode)，其中由于镁与水(H2O)之间的电离能不同，镁(Mg)被氧化成镁离子(Mg2+)，释放出两个电子。
由此产生的电子可以通过电线322移动至控制单元324，以及通过电线322移动至第二电极320。同样地，第一电极318可能根据产生的电子而被消耗，并且在一定的时间周期后必须更换。并且，第一电极318可以由具有比用于第二电极320的材料更大电离倾向的金属制成。
第二电极320可以邻近第一电极318形成，并且可以利用电子和含水电解质溶液316来产生氢气。第二电极320可以是惰性电极(inactive electrode)。第二电极320可以接收从第一电极318的镁移动来的电子，并且可以与含水电解质溶液316反应以产生氢气。
并且，由于第二电极320可以是惰性电极并且可以不被消耗，因此与第一电极318不同，第二电极320可以形成为比第一电极318更低的厚度。
为了更加具体，在第二电极320处的化学反应涉及在接收来自第一电极318的电子后水在第二电极320处分解。
上述反应可以由下列反应式3表示。
[反应式3]
第一电极：Mg→Mg2++2e-
第二电极：2H2O+2e-→H2+2(OH)-
总反应：Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2
上述化学反应的速率和效率由许多因素决定。决定反应速率的因素的实例包括：第一电极318和/或第二电极320的面积，含水电解质溶液316的浓度，含水电解质溶液316的种类，第一电极318和/或第二电极320的数量，第一电极318与第二电极320之间连接的方法，以及第一电极318与第二电极320之间的电阻。
上述因素的改变可以更改在第一电极318与第二电极320之间流动的电流的量，从而可以改变反应式3中所示的电化学反应的速率。电化学反应速率的变化将导致在第二电极320处产生的氢气的量的变化。
因此，在本发明的具体实施方式中，可以通过调节在第一电极318与第二电极320之间流动的电流的量而调节产生的氢气的量。这种根本原理可以使用法拉第定律由下列公式1解释。
[公式1]
Figure S2008101335172D00121
Figure S2008101335172D00122
这里，N氢气表示每秒钟产生的氢气的量(mol/s)，而V氢气表示每分钟产生的氢气的体积(ml/min)。i表示电流(C/s)，n表示反应电子的数量，以及E表示每一摩尔电子的电荷(C/mol)。
对于上述反应式3，由于两个电子在第二电极320处反应，所以n等于2，并且每一摩尔电子的电荷为约-96,485库仑。
一分钟产生的氢气的体积可以通过使时间(60秒)和一摩尔氢气的体积(22,400ml)与一秒钟产生的氢气的量相乘而计算出。
如果燃料电池用于2W系统中，则需要的氢气的量可能为约42ml/mol，并且可能需要6A的电流。如果燃料电池用于5W系统中，则需要的氢气的量可能为约105ml/mol，并且可能需要15A的电流。
因此，通过调节在第一电极318与第二电极320之间流动的电流的量，可以使氢气产生装置产生由连接的燃料电池所需要的氢气的量。
在本发明的具体实施方式中，第一电极318可以由除了镁之外的具有相对高电离倾向的金属如铁(Fe)或碱金属如铝(Al)、锌(Zn)等制成。第二电极320还可以由相比于用于第一电极318的金属具有相对低的电离倾向的金属如铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铁(Fe)等制成。
控制单元324可以调节速率，以该速率通过电化学反应在第一电极318处产生的电子被转移至第二电极320，即，控制单元324可以调节电流。
控制单元324可以输入有燃料电池所需的功率的量或氢气的量，并且如果所需的值很高，则可以增加从第一电极318流动至第二电极320的电子的量，或者如果所需的值很低，则可以降低从第一电极318流动至第二电极320的电子的量。
即，控制单元324可以与燃料电极300中所需的压力一致地控制从第一电极318流动至第二电极320的电子的量。并且，控制单元324可以根据由使用者输入的压力控制电子的量。
例如，控制单元324可以包括可变电阻，以通过改变电阻值来调节在第一电极318与第二电极320之间流动的电流，或者可以包括通断开关(on/offswitch)，以通过控制通断定时(on/offtiming)来调节在第一电极318与第二电极320之间流动的电流。
并且，控制单元324可以分别连接至阀310和电线322，以调节由氢气产生装置产生的氢气的量。
盖可以与电解槽312连接使得电线322露出在电解槽312的外部。为了使电线322的部分露在电解槽312的外面，可以在盖中形成通孔，电线322可以穿过该通孔。这里，为了防止电解槽312中产生的氢气泄漏，可以在通孔中施加(涂敷)密封剂。因此，可以将电解槽的内部和外部隔离。
图6是根据本发明一种具体实施方式的调节氢气流量的流程图。下面将参照图6描述用于调节氢气流量的方法。首先，在氢气产生装置中，可以接通开关，或可以将可变电阻设置为较低，使得氢气产生至特定压力，并且可以构造对于氢气的设定值(S10)。这里，设定值可以包括上限(B1)、下限(B2)、以及最大设定值(C)。
接着，可以使用压力传感器308测量燃料通道306内的压力(A)(S20)。可以将设定值与测量的压力值(A)进行比较(S30)。
对于此，可以输入设定值作为上限(B1)和下限(B2)(S40)，可以将该上限(B1)和下限(B2)与测量的压力(A)进行比较(S42)。
当在电子装置中功率消耗的程度很高并且在燃料电极300中消耗的氢气的量增加时，保持在燃料电极300的燃料通道306内部的氢气的压力可能被降低。如果使用压力传感器308测量的燃料通道306内的测量压力(A)低于下限(B2)设置，则可以在氢气产生装置中接通开关或可以降低可变电阻，以使更大的电流在电极之间流动(S440)。这样，更多的氢气可以供应至燃料电极300，通过其可以根据燃料通道306中的氢气的量而增加压力。
相反地，如果在电子装置中功率消耗的程度降低，则由于氢气的连续产生，可以增加燃料通道306内的压力。如果燃料通道306内的测量压力(A)高于上限(B1)设置，则可以在氢气产生装置中切断开关或可以增加可变电阻，以降低氢气产生的量(S442)。这样，可以降低燃料电极300的燃料通道306中的内压力。
如果测量压力(A)保持在上限(B1)与下限(B2)之间，则可以在氢气产生装置中交替地接通和切断开关，或可以使低电阻和高电阻交替(S444)。
因此，在不需要复杂的工序如测量电子装置中所需的功率以及与燃料电池的功率比较的情况下，可以通过保持燃料电极300的燃料通道306内的恒定压力，实施由电子装置所需要的按需控制。
可替换地，当输入设定值时，可以输入最大设置(C)(S50)，以使测量压力(A)与最大设置(C)进行比较(S52)。
如果测量压力(A)低于最大设置(C)，则可以认为氢气产生装置的压力处于适当的水平，因此阀310可以不工作(S540)。
相反地，如果测量压力(A)大于最大设置(C)，则存在在燃料电极300中出现问题的危险，其在调节氢气流量的过程中可能导致问题。如果氢气产生装置产生超过一定水平的压力，如到达使氢气产生装置存在爆炸危险的程度，则可以打开阀310(S542)并清除氢气，以避免这样的危险。以这种方式，可以使氢气产生装置保持安全。
如上所述，根据本发明某些具体实施方式的燃料电池发电系统可以通过简单的调节压力的方法来调节氢气的流量，并且可以增加反应速度，而无需使用测量电子装置的功率值和燃料电池的功率值的复杂反馈系统。并且，如果发生异常以过度地增加压力，则可以清除氢气，保持氢气产生装置稳定。
虽然已经参考特定具体实施方式详细地描述了本发明的精神，但是这些具体实施方式只用于说明目的而并不限制本发明。应当理解，本领域技术人员可以在不背离本发明的范围和精神的情况下，对这些具体实施方式进行改变或修改。

Claims (5)

1.一种燃料电池发电系统，包括：
氢气产生装置，所述氢气产生装置被构造成产生氢气；
燃料电极，所述燃料电极的一部分连接至所述氢气产生装置并且具有形成在其中的燃料通道并被构造成接收所述氢气和使所述氢气分解成氢离子和电子，所述燃料通道具有其一个侧开口；
膜，所述膜堆叠在所述燃料电极上使得所述膜覆盖所述燃料通道的开口侧；
空气电极，所述空气电极连接至所述膜并被构造成接收从所述燃料电极穿过所述膜的所述氢离子；以及
压力传感器，所述压力传感器形成在所述燃料电极的一部分上并被构造成测量所述燃料通道内部的压力以及调节供应至所述燃料电极的氢气的量；
其中，所述氢气产生装置包括：
电解槽，所述电解槽容纳包括氢离子的电解质溶液；
第一电极，所述第一电极定位在所述电解槽的内部并浸到所述电解质溶液中以及被构造成产生电子；
第二电极，所述第二电极定位在所述电解槽的内部并浸到所述电解质溶液中以及被构造成接收所述电子和产生氢气；以及
控制单元，所述控制单元定位在所述第一电极与所述第二电极之间并被构造成与所述燃料电极处所需的压力一致地控制从所述第一电极流动到所述第二电极的电子的量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其中，所述控制单元根据由使用者输入的压力值控制电子的量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其中，所述燃料通道具有死端结构，所述通道的端部与外部隔开。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，进一步包括：
阀，所述阀设置在所述燃料电极与所述氢气产生装置之间并被构造成调节所述氢气产生装置的内压力。
5.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其中，在所述空气电极中形成与所述燃料通道对应的空气通道。
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