CN101807706A - 燃料电池系统和用于燃料电池系统的回收单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池系统和用于燃料电池系统的回收单元。该燃料电池系统包括：燃料电池堆体，用于通过氧化剂与混合燃料的反应产生电能，并用于排出未反应的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳；混合器，用于通过将至少一部分未反应的燃料、氧化剂和水分与浓缩燃料混合来制备混合燃料，并将所述混合燃料提供到所述燃料电池堆体；燃料提供单元，用于将所述浓缩燃料提供到所述混合器；氧化剂提供单元，用于将所述氧化剂提供到所述燃料电池堆体；第一热交换器，在所述燃料电池堆体的出口与所述混合器之间；和第二热交换器，在所述燃料电池堆体的入口与所述混合器之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和用于燃料电池系统的回收单元。
背景技术
燃料电池是电化学地发电的装置，其使用燃料(氢或重整气体)和氧化剂(氧或空气)并通过电化学反应直接将外部提供的燃料(氢或重整气体)和氧化剂(氧或空气)转化为电能。
纯氧或包含大量氧的空气被用作燃料电池的氧化剂，且纯氢或通过重整烃基燃料(LNG、LPG、CH3OH等)而产生的包含大量氢的燃料被用作燃料。
此后，为了更好的理解和描述的方便，将主要描述燃料电池中的直接甲醇燃料电池(DMFC)。直接甲醇燃料电池向燃料电池堆体提供高浓度的甲醇，以通过与氧的反应产生电能。
直接甲醇燃料电池使用高浓度燃料以提高能量重量密度(energy weightdensity)。为了使用高浓度燃料，在阳极中消耗的水被阴极中产生的水补充。在已知的燃料电池系统中，从阴极的出口排出的流体首先被热交换器冷凝以回收在阴极产生的水。此后，冷凝流体和从阳极排出的未反应的燃料被气液分离器分离为液体和气体。被气液分离器分离的气体被排出到外部，被气液分离器分离的液体与燃料混合并被提供回燃料电池堆体。
在该已知的燃料电池系统中，冷凝流体和未反应的燃料在气液分离器中相互混合。流入气液分离器的未反应的燃料具有与冷凝流体相比相对较高的温度。结果，当与未反应的燃料混合时，一些冷凝流体被蒸发。
当冷凝流体被蒸发时，水回收效率变差，且为了回收适当数量的水，需要用于冷凝从阴极排出的流体的设备的尺寸大。
此外，当外部环境的温度高时，气液分离器中的温度进一步升高，使得水回收效率进一步变差。
在背景部分中公开的上述信息仅用于增进对本发明背景的理解，因此可能包含未成为本国本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的示范性实施例的一方面提供一种具有提高的水回收效率的燃料电池系统。
本发明的示范性实施例的另一方面提供一种具有减小的体积的燃料电池系统。
本发明的示范性实施例提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆体，用于通过氧化剂与混合燃料的反应产生电能，并用于排出未反应的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳；混合器，用于通过将至少一部分未反应的燃料、氧化剂和水分与浓缩燃料混合来制备混合燃料，并将混合燃料提供到燃料电池堆体；燃料提供单元，用于将浓缩燃料提供到混合器；氧化剂提供单元，用于将氧化剂提供到燃料电池堆体；第一热交换器，在燃料电池堆体的出口与混合器之间；和第二热交换器，在燃料电池堆体的入口与混合器之间。
本发明的另一示范性实施例提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆体，用于将氧化剂与混合燃料进行电化学反应、用于输出电能、以及用于排出在电化学反应中未反应的燃料、氧化剂和水分；燃料提供单元，用于提供浓缩燃料；氧化剂提供单元，用于向燃料电池堆体提供氧化剂；第一气液分离器，用于容纳排出的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳，并用于将排出的燃料、氧化剂和水分分离为第一气体和第一液体；第一热交换器，用于冷却和至少部分冷凝第一气体；第二气液分离器，用于将部分冷凝的第一气体分离为第二气体和第二液体；混合器，用于通过混合从燃料提供单元提供的浓缩燃料、第一液体和第二液体而制备混合燃料；和第二热交换器，用于冷却混合燃料。
本发明的再一示范性实施例提供一种用于燃料电池系统的回收单元，包括：第一气液分离器，具有入口、第一出口和第二出口，该第一气液分离器的入口连接到燃料电池堆体的一个或多个出口；第一热交换器，具有入口和出口，该第一热交换器的入口连接到第一气液分离器的第一出口；第二气液分离器，具有入口、第一出口和第二出口，该第二气液分离器的入口连接到第一热交换器的出口；混合器，具有出口和至少一个入口，该混合器的至少一个入口连接到第一气液分离器的第二出口、所述第二气液分离器的第一出口和燃料提供单元；和第二热交换器，具有入口和出口，第二热交换器的入口连接到混合器的出口，且第二热交换器的出口连接到燃料电池堆体的入口。
如此，根据本发明的示范性实施例，通过冷却第一气液分离器所分离的气体并从冷却的材料分离液体，提高了水回收效率。
附图说明
图1是示出根据本发明示范性实施例的燃料电池系统的示意图；
图2是示出图1所示的燃料电池堆体的结构的分解透视图；
图3是示出根据本发明另一示范性实施例的燃料电池系统的示意图；
图4是示出根据本发明第一示范性实施例的燃料电池系统的堆体操作评估的图表；
图5是示出根据本发明第一示范性实施例的堆体温度和从堆体排出的未反应燃料温度的图表；
附图标记说明
100燃料电池系统 10燃料提供单元
12燃料箱 20氧化剂提供单元
25氧化剂泵 26氧化剂控制阀
30燃料电池堆体 31电极组件
32，33分离器 35发电单元
37，38端板 37a第一入口
37b第二入口 38端板
38a第一出口 38b第二出口
40回收单元 41第一气液分离器
42第一热交换器 43第二气液分离器
45混合器 47缓冲装置
47a过滤器 48第二热交换器
具体实施方式
下文中，将参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示范性实施例。如本领域技术人员所认识到的，所描述的实施例可以以不同的方式改进而不脱离本发明的精神或范畴。
图1是示出根据本发明示范性实施例的燃料电池系统的示意图。
参考上述图，根据本发明示范性实施例的燃料电池系统100可以采用直接甲醇燃料电池方案，其通过甲醇与氧的直接反应产生电能。
然而，本发明不限于此，例如，根据本示范性实施例的燃料电池系统可以通过直接氧化燃料电池方案构建，在该方案中，将包含氢的液体或气体燃料例如乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷气体或其他可使用的燃料与氧反应。此外，该燃料电池系统可以构建为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，其通过将燃料重整为包含足够氢的重整气体来使用燃料。
在燃料电池系统100中使用的燃料通常表示液态或气态的烃基燃料，例如甲醇、乙醇、天然气、LPG或其他类似燃料。
此外，燃料电池系统100可以使用存储在额外的存储构件中的氧气或空气作为与氢反应的氧化剂。
根据本示范性实施例的燃料电池系统100包括：燃料电池堆体30，通过使用燃料和氧化剂发电；燃料提供单元10，将燃料提供到燃料电池堆体30；氧化剂提供单元20，将氧化剂提供到燃料电池堆体30；和回收单元40，回收从燃料电池堆体30排出的未反应的燃料和水分并重新将该未反应的燃料和水分提供到燃料电池堆体30。
燃料提供单元10与燃料电池堆体30连接并包括存储液化燃料的燃料箱12和连接到燃料箱12的燃料泵14。燃料泵14用于通过抽吸力(例如，预定抽吸力)将存储在燃料箱12中的液化燃料排出。在示范性实施例中，存储在燃料提供单元10中的燃料可以包括含约100％MeOH的高浓度甲醇。
氧化剂提供单元20与燃料电池堆体30连接并包括氧化剂泵25，氧化剂泵25通过抽吸力(例如，预定抽吸力)将外部空气提供到燃料电池堆体30。这里，控制氧化剂供应的氧化剂控制阀26安装在燃料电池堆体30与氧化剂提供单元20之间。
图2是示出图1所示的燃料电池堆体的结构的分解透视图。
参考图1和2，燃料电池堆体30包括多个发电单元35，该发电单元35通过引发燃料和氧化剂之间的氧化和还原反应而产生电能。
每个发电单元35表示单元电池，该单元电池产生电并包括膜电极组件(MEA)31和隔板(也称为双极板)32和33，其中膜电极组件31氧化和还原燃料和氧化剂，隔板32和33提供燃料和氧化剂到膜电极组件31。
发电单元35具有这样的结构，其中隔板32和33设置在膜电极组件31周围的相应侧。膜电极组件31包括设置在其中心的电解质膜、设置在电解质膜一侧的阴极电极和设置在电解质膜另一侧的阳极电极。
隔板32和33与插设在其间的膜电极组件31紧密接触。隔板32和33位于膜电极组件31的相应侧，且每个隔板32和33均具有燃料通道和空气通道。这里，燃料通道设置在膜电极组件31的阳极电极处，空气通道设置在膜电极组件31的阴极电极处。此外，电解质膜使离子交换能够进行，其中从阳极电极产生的氢离子移动到阴极电极并与来自阴极电极的氧结合以产生水。
因此，在阳极电极中，氢通过氧化反应分解为电子和质子(氢离子)。此外，质子通过电解质膜移动到阴极电极，且电子不移动通过电解质膜，而是通过隔板33移动到相邻的膜电极组件31的阴极电极。这里，电子的流动产生电流。此外，在阴极电极中，通过移动的质子和电子与氧的还原反应产生水分。
在燃料电池系统100中，多个发电单元35连续设置(或彼此相邻堆叠)，以构成燃料电池堆体30。这里，用于整体固定燃料电池堆体30的端板37和38安装在燃料电池堆体30的外部。
用于向堆体提供氧化剂的第一入口37a和用于向燃料电池堆体30提供燃料的第二入口37b形成在一个端板37中。此外，第一出口38a和第二出口38b形成在另一端板38中，其中第一出口38a用于排出未反应的空气，该未反应的空气包含由膜电极组件31的阴极电极中的氢和氧的结合反应所产生的水分，第二出口38b用于排出在膜电极组件31的阳极电极中的反应之后未反应的燃料和其他材料(例如，二氧化碳)。
同时，回收单元40包括第一气液分离器41、第一热交换器42、第二气液分离器43和混合器45，其中第一气液分离器41收集从排出出口38a和38b排出的材料(例如，流体等)并将它们分离为气体和液体，第一热交换器42冷却从第一气液分离器41排出的气体，第二气液分离器43将从第一热交换器42排出的流体分离为气体和液体，混合器45混合来自第二气液分离器43的液体和来自第一气液分离器41的液体。
安装在燃料电池堆体30的出口侧的第一气液分离器41可以包括离心泵或电动泵，或者分离膜(例如，聚四氟乙烯(PTFE)膜)。第一气液分离器41将从第二出口38b排出的未反应的燃料与从第一出口38a排出的包含水分的未反应的空气或氧化剂混合，以将混合的未反应的燃料和空气分离为液体和气体。
从第一气液分离器41排出的气体移动到第一热交换器42，液体移动到混合器45。第一热交换器42冷却从第一气液分离器41排出的气体并将该气体冷凝(condense)为液体。从燃料电池堆体30排出的未反应的燃料和水分具有相对高的温度。因此，一些气体冷凝为液体以降低第一热交换器42中气体的温度。
第一热交换器42中冷凝的液体和气体被转移到第二气液分离器43。第二气液分离器43可以包括离心泵或电动泵或分离膜，与第一气液分离器41相似。
从第二气液分离器43排出的液体被转移到混合器45，并且气体被排出到外部。从第一气液分离器41和第二气液分离器43转移的液体流入混合器45。该液体包括混合的未反应的燃料和水分。此外，从燃料提供单元10转移的高浓度燃料流入混合器45，且该高浓度燃料通过与混合器中的水分混合而被稀释为适当浓度的燃料。
混合的燃料被转移到第二热交换器48。第二热交换器48降低燃料的温度并向燃料电池堆体30提供燃料。
当液体被第一气液分离器41分离而气体被第一热交换器42冷却时，由于未反应的燃料与未反应的空气之间的温度差异导致的燃料的蒸发被最小化或减少。在相关技术中，当在未反应的空气被冷凝之后未反应的空气与未反应的燃料被混合并在气液分离器中被分离时，具有相对低温度的未反应的空气被加热，使得冷凝液体被蒸发。当冷凝液体被蒸发时，未反应的空气的冷凝效应降低且需要大体积的冷凝器来适应该蒸发。
然而，在本示范性实施例中，当气体和液体彼此分离之后只有气体被冷却时，与冷却液体和气体二者的相关技术相比，热交换器的尺寸可以显著降低。此外，如上所述，由于存在两个热交换器，与相关技术中使用的热交换器相比，第一热交换器42的尺寸可以降低。
此外，从第一热交换器42排出的流体流入第二气液分离器43，以分离气体和液体，从而与相关技术相比提高了水回收效率。当采用相同体积的热交换器时，水回收效率提高约30％。这是因为一些液体在第一气液分离器41中首先被分离，然后从被冷却的气体产生的流体在第二气液分离器43中被分离为液体和气体。
此外，从混合器45排出的流体被第二热交换器48冷却。因此，可以适当地控制通过第二热交换器48流入第二入口37b的燃料的温度。具体地，当通过安装例如两个热交换器来分阶段地降低温度时，温度可以进一步降低，而且与其中使用一个热交换器的相关技术相比，热交换器的尺寸可以形成得较小。也就是说，根据本示范性实施例，两个热交换器的总尺寸可以小于相关技术中的一个热交换器的尺寸。
图3是根据本发明另一示范性实施例的燃料电池系统的示意图。
参考图3，根据本示范性实施例的燃料电池系统200还包括安装在混合器45与第二热交换器48之间的缓冲装置47。
除了缓冲装置47之外，根据本示范性实施例的燃料电池系统200与根据图1的示范性实施例的燃料电池系统具有基本相同的结构。因此，将不再描述这些相同的结构。
缓冲装置47用于临时存储燃料以向燃料电池堆体30提供一定量(例如，预定量)的燃料。用于拦截或过滤杂质防止其流入燃料电池堆体30的过滤器47a可以安装在缓冲装置47中。过滤器47a可以包括过滤包含在液体中的杂质的各种过滤装置。
下面将描述通过根据本示范性实施例的燃料电池系统200的操作，在45℃的外部环境下，在燃料电池系统200的各个部分中的流体的示范性温度。
从燃料电池堆体30排出的未反应的燃料和未反应的空气具有68.08℃的相对高的温度。从第一气液分离器41排出的液体和气体也具有68.08℃的温度。此后，通过第一热交换器42气体被冷却至50.83℃。
被第一热交换器42冷却的流体通过第二气液分离器43被分离为液体和气体。在此情形下，从第二气液分离器43排出的流体的温度也是50.83℃。从第二气液分离器43排出的液体流入混合器45。这里，从第二气液分离器43排出的液体与通过第一气液分离器41分离的液体混合，使得混合流体的温度升高至67.88℃。从混合器45排出并通过缓冲装置47的流体的温度降低至65.08℃，流经第二热交换器48的流体的温度降低至58℃，使得流体以约58℃提供到燃料电池堆体。
如上所述，第一热交换器42用于将来自第一气液分离器41的一些气体冷凝为液体，第二热交换器48用于降低流入燃料电池堆体30的燃料的温度，从而控制流入燃料电池堆体30的燃料的温度。
这样，当控制流入燃料电池堆体30的燃料的温度时，可以更容易地控制燃料电池堆体30的内部温度和从燃料电池堆体30排出的流体的温度。
图4是示出根据本发明示范性实施例的燃料电池系统的堆体操作的评估图表。图5是示出根据本发明示范性实施例的堆体温度和从堆体排出的未反应燃料的温度的图表。
参考图4和5，图4和5示出在45℃的外部温度下，根据本发明示范性实施例的燃料电池系统的操作结果。测试中使用的燃料电池包括如下特征，例如，系统输出25W(堆体输出36W)，系统电压16.4V，稀释燃料流速25cc/分钟以及重量1.8kg。如图4所示，根据示范性实施例的燃料电池系统具有稳定的输出。
此外，参考图5，当外部温度是45℃时，堆体温度被恒定地保持在约60℃或更低。相反，当在相关技术的燃料电池中采用相同体积的热交换器时，堆体温度约为65℃或更高。
这样，根据本发明的示范性实施例，可以更容易地控制堆体的内部温度，且可以更容易地实现更稳定的输出。
虽然结合当前被认为是可行的示范性实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不限于所公开的实施例，而是旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同设置。
Claims (16)
1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆体，用于通过使氧化剂与混合燃料反应来产生电能，并用于排出未反应的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳；
混合器，用于通过将所述未反应的燃料、氧化剂和水分的至少一部分与浓缩燃料混合来制备所述混合燃料，并将所述混合燃料提供到所述燃料电池堆体；
燃料提供单元，用于将所述浓缩燃料提供到所述混合器；
氧化剂提供单元，用于将所述氧化剂提供到所述燃料电池堆体；
第一热交换器，在所述燃料电池堆体的出口与所述混合器之间；和
第二热交换器，在所述燃料电池堆体的入口与所述混合器之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
第一气液分离器，用于容纳所述未反应的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳，将所述未反应的燃料、氧化剂和水分分离为第一气体和第一液体，将所述第一气体提供到所述第一热交换器并将所述第一液体提供到所述混合器；和
第二气液分离器，用于容纳来自所述第一热交换器的输出物、将所述输出物分离为第二气体和第二液体、并将所述第二液体提供到所述混合器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一热交换器被构建为冷却并部分冷凝来自所述第一气液分离器的所述第一气体，且其中所述第二热交换器被构建为在将所述混合燃料提供到所述燃料电池堆体之前冷却所述混合燃料。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一气液分离器被构建为容纳所有排出的所述未反应的燃料、氧化剂和水分。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一气液分离器包括离心泵、电动泵或分离膜之一。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述分离膜包括聚四氟乙烯膜。
7.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第二气液分离器包括离心泵或电动泵之一。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括位于所述混合器与第二热交换器之间的缓冲器，该缓冲器用于临时存储所述混合燃料以控制提供到所述第二热交换器的所述混合燃料的量。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述缓冲器包括用于从所述混合燃料除去杂质的过滤器。
10.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆体，用于使氧化剂与混合燃料进行电化学反应、用于输出电能、以及用于排出在所述电化学反应中未反应的燃料、氧化剂和水分；
燃料提供单元，用于提供浓缩燃料；
氧化剂提供单元，用于向所述燃料电池堆体提供所述氧化剂；
第一气液分离器，用于容纳所述排出的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳，并用于将所述排出的燃料、氧化剂和水分分离为第一气体和第一液体；
第一热交换器，用于冷却和至少部分冷凝所述第一气体；
第二气液分离器，用于将所述部分冷凝的第一气体分离为第二气体和第二液体；
混合器，用于通过混合从所述燃料提供单元提供的所述浓缩燃料、所述第一液体和所述第二液体而制备所述混合燃料；和
第二热交换器，用于冷却所述混合燃料。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述排出的燃料、氧化剂和水分包括来自所述燃料电池堆体的膜电极组件的阴极电极侧的未反应的氧化剂和来自所述燃料电池堆体的膜电极组件的阳极电极侧的未反应的燃料，且其中所有的所述未反应的氧化剂和所有的所述未反应的燃料均提供到所述第一气液分离器。
12.一种用于燃料电池系统的回收单元，包括：
第一气液分离器，具有入口、第一出口和第二出口，所述第一气液分离器的所述入口连接到燃料电池堆体的一个或多个出口；
第一热交换器，具有入口和出口，所述第一热交换器的所述入口连接到所述第一气液分离器的所述第一出口；
第二气液分离器，具有入口、第一出口和第二出口，所述第二气液分离器的所述入口连接到所述第一热交换器的所述出口；
混合器，具有出口和至少一个入口，所述混合器的所述至少一个入口连接到所述第一气液分离器的所述第二出口、所述第二气液分离器的所述第一出口和燃料提供单元；和
第二热交换器，具有入口和出口，所述第二热交换器的所述入口连接到所述混合器的所述出口，且所述第二热交换器的所述出口连接到所述燃料电池堆体的入口。
13.根据权利要求12所述的回收单元，其中：
所述第一气液分离器用于容纳来自所述燃料电池堆体的未反应的燃料、氧化剂、水分和二氧化碳，用于将所述未反应的燃料、氧化剂和水分分离为第一气体和第一液体，并且用于将所述第一气体提供到所述第一热交换器并将所述第一液体提供到所述混合器；
所述第一热交换器用于容纳来自所述第一气液分离器的所述第一气体，用于冷却和部分冷凝所述第一气体，并用于将所述部分冷凝的第一气体提供到所述第二气液分离器；
所述第二气液分离器用于容纳来自所述第一热交换器的所述部分冷凝的第一气体，用于将所述部分冷凝的第一气体分离为第二气体和第二液体，并用于将所述第二液体提供到所述混合器；
所述混合器用于容纳来自所述第一气液分离器的所述第一液体、来自所述第二气液分离器的所述第二液体和来自所述燃料提供单元的浓缩燃料，所述混合器还用于通过混合所述第一液体、所述第二液体和所述浓缩燃料而制备所述混合燃料，以及用于向所述第二热交换器提供所述混合燃料；而且
所述第二热交换器用于容纳来自所述混合器的所述混合燃料，用于冷却所述混合燃料和用于向所述燃料电池堆体提供所述冷却的混合燃料。
14.根据权利要求13所述的回收单元，还包括连接在所述混合器的所述出口与所述第二热交换器的所述入口之间的缓冲器，所述缓冲器临时存储所述混合燃料以控制提供到所述第二热交换器的所述混合燃料的量。
15.根据权利要求14所述的回收单元，其中所述缓冲器包括用于从所述混合燃料除去杂质的过滤器。
16.根据权利要求13所述的回收单元，还包括所述燃料电池堆体，其中所述燃料电池堆体被构建为容纳来自所述第二热交换器的冷却的混合燃料和来自氧化剂提供单元的氧化剂，通过使所述冷却的混合燃料与所述氧化剂电化学反应而产生电能，并将所述电化学反应之后剩余的所述未反应的燃料、氧化剂和水分排出到所述第一气液分离器。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20130417 Termination date: 20160203 |