CN101853957B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统。根据本发明示范性实施例的燃料电池系统包括：燃料电池堆叠，通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能；燃料供应单元，用于供应燃料到燃料电池堆叠；氧化剂供应单元，用于供应氧化剂到燃料电池堆叠。燃料供应单元包括燃料渗透膜，该燃料渗透膜在设置从燃料电池堆叠回收的燃料的空间与设置储存燃料的空间之间。该燃料电池系统能够易于控制供应到燃料电池堆叠的燃料的浓度。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是利用燃料(氢气或重整气)和氧化剂(氧气或空气)电化学地产生能量的装置。燃料(氢气或重整气)和氧化剂(氧气或空气)从电池外部持续供应并通过电化学反应转化成电能。
纯氧气或含有大量氧气的空气被用作燃料电池的氧化剂。纯氢气或含有大量氢气的燃料(其通过重整碳氢化合物基燃料(LNG、LPG、CH3OH等)而产生)被用作燃料。
为了便于解释和理解，将主要描述直接甲醇燃料电池(DMFC)。直接甲醇燃料电池供应高浓度甲醇燃料到燃料电池堆叠以通过与氧气的反应而产生电。直接甲醇燃料电池使用高浓度燃料以增大能量重量密度(energyweight density)。当使用高浓度燃料时，直接甲醇燃料电池将高浓度燃料与回收的燃料混合，并将适当浓度的燃料供应到燃料电池堆叠。
供应燃料到燃料电池堆叠的方案分为主动方案和被动方案。在主动方案中，使用燃料泵将燃料供应到燃料电池堆叠。在被动方案中，通过利用毛细现象或废气向燃料盒加压从而将燃料供应到燃料电池堆叠。
主动方案根据燃料电池系统的条件有利地控制燃料的浓度和流速。然而，主动方案的缺点是需要诸如燃料泵、再循环泵、流速传感器、浓度传感器等的器件，从而增大了燃料电池系统的体积、重量和能耗。具体地，需要高精泵以精确控制流速，但是这种高精泵昂贵且依赖流速的变化而易于出故障。
相反，被动方案能够减小燃料电池系统的体积、重量和能耗，这是因为仅利用被动物理现象供应燃料而不需要泵或传感器。然而，不能精确控制流速，从而显著降低燃料电池系统的效率或导致对燃料电池系统的永久损坏。此外，被动方案目前不能控制大流速，使得难以在高输出燃料电池系统中采用被动方案。
在本背景技术部分中公开的信息被单独呈现以增强对本发明背景的理解，因此可以包含不是本领域技术人员知晓的现有技术的一部分的信息。
发明内容
根据本发明一个实施例，采用低功率向燃料电池系统供应燃料。
本发明的示范性实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆叠、供应燃料到燃料电池堆叠的燃料供应单元和供应氧化剂到燃料电池堆叠的氧化剂供应单元。燃料电池堆叠通过燃料和氧化剂的电化学反应来产生电能。
燃料供应单元包括燃料渗透膜，该燃料渗透膜安装在燃料回收腔(fuelrecovery chamber)和燃料储存腔之间。燃料储存腔容纳具有第一浓度的燃料，燃料回收腔允许从燃料电池堆叠回收的具有第二浓度的燃料的通过。第一浓度高于第二浓度。燃料渗透膜可以是反渗透膜(reverse osmosismembrane)，其选择性渗透储存燃料，也就是，其仅允许储存燃料(具有第一浓度)通过该膜。燃料供应单元可以包括燃料储存腔，该燃料储存腔根据储存燃料的体积变化而膨胀和收缩。
燃料储存腔容纳储存燃料并包括连接到燃料回收腔的通道，燃料回收腔包括被回收的燃料通过其循环的通道。燃料渗透膜可以设置在燃料储存腔和燃料回收腔之间。
在备选的实施例中，浓度控制器可以连接到燃料储存腔。浓度控制器可以包括第二燃料储存腔、燃料渗透膜和燃料回收腔。第二燃料储存腔接收来自第一燃料储存腔的具有第一浓度的燃料，燃料渗透膜安装在第二燃料储存腔和回收腔之间。
根据本发明实施例，燃料能够稳定地供应到燃料电池堆叠并在燃料传送时使功耗最小化。此外，通过减小系统中部件的数量能够减小制造成本。
附图说明
图1为根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。
图2为图1的燃料电池系统的燃料电池堆叠的结构的分解透视图。
图3为根据本发明实施例的浓度控制器的分解透视图。
图4为根据本发明另一实施例的燃料电池系统的示意图。
图5为根据本发明实施例的浓度控制器的截面图。
图6为示出在根据本发明实施例的燃料电池系统中燃料浓度与回收燃料的流速之间的关系的曲线图。
图7为示出在根据本发明实施例的燃料电池系统中燃料浓度的平均值和标准偏差根据回收燃料的流速的曲线图。
具体实施方式
图1为根据本发明示范性实施例的燃料电池系统的构造的示意图。参照图1，燃料电池系统100可以是直接甲醇燃料电池(DMFC)，其通过甲醇和氧气的直接反应而产生电能。然而，本发明不限于DMFC。例如，根据本发明示范性实施例的燃料电池系统可以是直接氧化燃料电池，其使液态或气态的含氢燃料(例如，乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷气等)与氧气反应。
燃料电池系统100中所用的燃料通常为液态或气态的碳氢化合物基燃料，例如甲醇、乙醇、天然气、LPG等。
此外，燃料电池系统100可以使用存储在外部储存容器中的氧气或者空气作为与氢基燃料反应的氧化剂。
根据示范性实施例，燃料电池系统100包括：燃料电池堆叠30，用于使燃料与氧化剂反应以产生能量；燃料供应单元10，用于供应燃料到燃料电池堆叠30；氧化剂供应单元20，用于供应氧化剂到燃料电池堆叠30；回收单元40，用于回收未反应的燃料和从燃料电池堆叠30排出的水蒸气以及将未反应的燃料和水蒸气再供应到燃料电池堆叠30。
燃料供应单元10连接到燃料电池堆叠30并包括燃料储存腔12以及连接到燃料储存腔12的浓度控制器19。下文将更详细描述燃料供应单元10。
氧化剂供应单元20连接到燃料电池堆叠30并包括氧化剂泵25，氧化剂泵25吸入外部空气并将外部空气供应到燃料电池堆叠30。
图2为图1所示的燃料电池堆叠的结构的分解透视图。参照图1和图2，燃料电池系统100中的燃料电池堆叠30包括多个电产生单元35，其通过引起燃料与氧化剂的氧化和还原反应来产生电能。每个电产生单元35代表产生电的单元电池，并包括膜电极组件(MEA)31(其氧化燃料并还原氧化剂中的氧气)以及隔板(也称为双极板)32和33(其供应燃料和氧化剂到膜电极组件)。
在电产生单元35中，隔板32和33设置在膜电极组件31周围且在其两侧。膜电极组件31包括设置在其中央的电解质膜、设置在电解质膜一侧的阴极电极以及设置在电解质膜另一侧的阳极电极。
隔板32和33彼此靠近，膜电极组件31设置在隔板之间。隔板32和33的每个在膜电极组件31两侧具有燃料通道和空气通道。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，电解质膜能够使离子交换，其中从阳极电极产生的氢离子移动到阴极电极并在阴极电极处与氧结合而产生水。
在燃料电池系统100中，多个电产生单元35被依次布置以形成燃料电池堆叠30。用于固定燃料电池堆叠30中的电产生单元的端板37和38安装在燃料电池堆叠30的最外部。
用于将燃料供应到燃料电池堆叠30的第一入口37a和用于将氧化剂供应到该堆叠的第二入口37b形成在一个端板37中。此外，第一出口38a和第二出口38b形成在另一个端板38中，第一出口38a用于排出在膜电极组件31的阳极电极处反应后剩余的未反应燃料，第二出口38b用于排出膜电极组件31的阴极电极处氢与氧的键合反应所产生的水蒸气和未反应的空气。
回收单元40包括气液分离器(gas-liquid separator)45，气液分离器45收集从出口38a和38b排出的流体并将该流体分离成气体和液体。气液分离器45安装在燃料电池堆叠30的出口端，并可以包括离心泵或电动力泵。气液分离器45将从第一出口38a排出的未反应燃料与从第二出口38b排出的未反应空气和水蒸气混合，并将混合的未反应燃料和空气分离为液体和气体。气液分离器45将气体排出到外部并供应回收的燃料到燃料供应单元10。
图3为根据本发明示范性实施例的浓度控制器的分解透视图。参照图1和图3，根据示范性实施例的燃料供应单元包括燃料储存腔12和浓度控制器19。浓度控制器19包括燃料渗透膜15和燃料回收腔16，燃料回收腔16被安装为与燃料渗透膜15的表面接触。
燃料储存腔12可以具有袋形或风箱形(bellows shape)，其能够根据燃料的体积变化而膨胀和收缩。随着燃料被消耗，燃料储存腔12中的燃料的体积逐渐减小。结果，腔中的内部空间也逐渐减小，从而使燃料储存腔12变形。
存储在燃料储存腔12中的燃料被加压。当燃料的体积减小时，燃料储存腔12收缩，其能够使施加在燃料上的压力保持恒定。
燃料渗透膜15连接到燃料储存腔12的开口。燃料渗透膜15是选择性渗透的并根据两个燃料(存储在燃料储存腔中的燃料和燃料回收腔中提供的燃料)之间的浓度差允许燃料渗透。
燃料渗透膜15可以由对燃料具有高渗透性的不同材料制成。例如，燃料渗透膜15可以是全氟磺酸膜，例如对甲醇具有高渗透性的纳芬(Nafion)112(可从E.I.du Pont de Nemours公司获得)。燃料渗透膜15可以在其外围包括用于支撑燃料渗透膜15的框架15a。燃料渗透膜15安装在高浓度燃料(例如，存储在燃料储存腔中的燃料)与低浓度燃料(例如，通过燃料回收腔循环的燃料)之间。膜15允许高浓度燃料穿过该膜渗透到低浓度燃料。在这点上，燃料渗透膜15可以被当作选择性渗透燃料的一种反渗透膜。
燃料回收腔16具有被回收的燃料通过其循环的通道，并安装为与燃料渗透膜15的表面连通。燃料回收腔16可以是板形，并可以具有位于燃料回收腔16的表面上的燃料通道18，回收的燃料通过燃料通道18来循环。燃料通道18可以具有任何适当的形状，例如通道可以具有蜿蜒的凹槽结构(serpentine groove structure)。回收燃料(包含大量水蒸气)被从回收单元40传输到燃料回收腔，并在燃料通道18中循环。蜿蜒的凹槽结构是凹槽成Z字形穿过燃料回收腔的表面而形成蜿蜒形状的结构，如图3所示。
回收的燃料循环穿过与燃料渗透膜15接触的燃料回收腔。随着回收的燃料穿过燃料回收腔移动，来自燃料储存腔的储存燃料(具有高浓度和高压)穿过燃料渗透膜15移动到燃料通道18。当储存燃料穿过膜15移动到回收的燃料，储存的燃料和回收的燃料混合，从而获得适当浓度的燃料。然后，适当浓度燃料通过燃料传输泵50供应到燃料电池堆叠30。
适当浓度燃料的浓度可以通过调节储存的燃料和回收的燃料接触燃料渗透膜15的面积和时间以及调节回收的燃料的流速来控制。
根据本发明示范性实施例，通过调节高浓度燃料(例如，储存的燃料)和低浓度燃料(例如，回收的燃料)之间的接触来控制适当浓度的燃料的浓度，使得适当浓度的燃料可以被供应到燃料电池堆叠30。结果，可以去除诸如泵、浓度传感器和流速传感器的部件，并且燃料仍能稳定地供应到该堆叠。此外，由于大量燃料能够基于储存燃料与回收燃料的接触面积而供应到燃料电池堆叠，所以没有安装额外的燃料泵。
图4为根据本发明备选示范性实施例的燃料电池系统的示意图。参照图4，燃料电池系统200包括：燃料电池堆叠30，由燃料和氧化剂的反应产生电；燃料供应单元10’，用于供应燃料到燃料电池堆叠30；氧化剂供应单元20，用于供应氧化剂到燃料电池堆叠30；以及回收单元40’，用于回收从燃料电池堆叠30排出的未反应的燃料和空气并将未反应的燃料和空气再供应到燃料电池堆叠30。
燃料电池系统200具有与燃料电池系统100相同的构造，除了燃料供应单元10’和回收单元40’之外。回收单元40’包括：热交换器42，用于回收和冷却从燃料电池堆叠30排出的含有未反应燃料和水蒸气的氧化剂；以及气液分离器45，用于将从热交换器42排出的流体分离成气体和液体。
热交换器42用于冷却和凝结从燃料电池堆叠30排出的高温流体。气液分离器45将凝结的流体分离为气体和液体、将气体排出到外部并将液体供应到燃料供应单元10。
图5为根据本发明示范性实施例的浓度控制器的截面图。参照图4和图5，燃料供应单元10’包括第一燃料储存腔12和连接到第一燃料储存腔12的浓度控制器60。第一燃料储存腔12可以具有用于存储燃料的任意适合的结构。备选地，第一燃料储存腔12可以具有包括燃料的可替换箱(replaceablecartridge)。
浓度控制器60包括第二燃料储存腔61，第二燃料储存腔61通过管道连接到第一燃料储存腔12并具有储存燃料在其中循环的空间。浓度控制器60还包括燃料回收腔65，燃料回收腔65具有被回收的燃料通过其循环的燃料通道67。此外，浓度控制器60包括在第二燃料储存腔61与燃料回收腔65之间的燃料渗透膜62。
第二燃料储存腔61基本上为板形并具有凹槽形的燃料通道63。此外，入口61a形成在第二燃料储存腔61的与第一燃料储存腔12连通的一端处。第二燃料储存腔61的另一端是封闭的。因此，第二燃料储存腔61具有与第一燃料储存腔12相同的内部压力。
第二燃料储存腔61中的燃料通道63接触燃料渗透膜62，使得从第一燃料储存腔12流入的储存燃料通过燃料渗透膜62排出。
燃料回收腔65基本上为板形。燃料通道67形成在燃料回收腔65的面对燃料渗透膜62的表面上，回收燃料通过燃料通道67来循环。燃料通道67的两端都是敞开的。通道的一端连接到回收单元40’并接收回收燃料，而该通道的另一端连接到燃料电池堆叠30并将适当浓度的燃料供应到燃料电池堆叠30。
燃料渗透膜62可以是反渗透膜，其将来自第二燃料储存腔的燃料选择性渗透和传输到燃料回收腔，如以上关于图1示出的实施例所述。因此，储存的燃料通过燃料渗透膜62与回收的燃料混合。在此过程中，燃料的浓度被适当的控制。
根据本发明的示范性实施例，使用连接(例如，经由管道)到第一燃料储存腔12的浓度控制器60能够容易地控制供应到燃料电池堆叠30的燃料的浓度。
图6为示出根据本发明示范性实施例的燃料电池系统中回收燃料的燃料浓度和流速之间的关系的曲线图。如图6所示，随着回收燃料的流速增长，供应到燃料电池堆叠的燃料的浓度阶梯地降低。当回收燃料的流速为20cc/min或更大时，燃料的浓度显著地保持恒定。
图7为示出在根据本发明示范性实施例的燃料电池系统中燃料浓度的平均值和标准偏差随回收燃料的流速变化的曲线图。如图7所示，当回收燃料的流速为20cc/min或更大时，燃料浓度的标准偏差保持在0.02M或更小。因此，根据本发明示范性实施例，通过控制回收燃料的流速可以实现与通过使用高精泵所实现的相同水平的燃料浓度稳定性。
尽管已经结合特定示范性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，可以对描述的实施例做出各种修改和变化而不脱离由权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种燃料供应单元，用于供应燃料到燃料电池系统的燃料电池堆叠，所述燃料供应单元包括：
燃料储存腔，构造为容纳具有燃料的第一浓度的储存燃料；
燃料回收腔，构造为允许具有燃料的第二浓度的回收燃料通过，其中所述第二浓度小于所述第一浓度；和
燃料渗透膜，在所述燃料储存腔与所述燃料回收腔之间，所述燃料渗透膜构造为使所述储存燃料通过而到达所述燃料回收腔。
2.根据权利要求1所述的燃料供应单元，其中所述燃料储存腔具有袋形或风箱形。
3.根据权利要求1所述的燃料供应单元，其中所述燃料渗透膜包括全氟磺酸膜。
4.根据权利要求1所述的燃料供应单元，其中所述燃料回收腔包括凹槽，所述回收燃料流过该凹槽。
5.根据权利要求4所述的燃料供应单元，其中所述凹槽包括蜿蜒的凹槽形状。
6.一种燃料供应单元，用于供应燃料到燃料电池系统的燃料电池堆叠，所述燃料供应单元包括：
第一燃料储存腔，构造为容纳具有燃料的第一浓度的储存燃料；和
浓度控制器，包括：
第二燃料储存腔，构造为接收来自所述第一燃料储存腔的所述储存燃料；
燃料回收腔，构造为允许具有燃料的第二浓度的回收燃料通过，其中所述第二浓度小于所述第一浓度；和
燃料渗透膜，在所述第二燃料储存腔与所述燃料回收腔之间，所述燃料渗透膜构造为允许所述储存燃料通过而到达所述燃料回收腔。
7.根据权利要求6所述的燃料供应单元，其中所述燃料渗透膜包括全氟磺酸膜。
8.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆叠，构造为使燃料与氧化剂反应以产生电能；
燃料供应单元，构造为供应燃料到所述燃料电池堆叠，所述燃料供应单元包括：
燃料储存腔，构造为容纳具有燃料的第一浓度的储存燃料，
燃料回收腔，构造为允许具有燃料的第二浓度的回收燃料通过，其中所述第二浓度小于所述第一浓度，和
燃料渗透膜，在所述燃料储存腔与所述燃料回收腔之间，所述燃料渗透膜构造为允许所述储存燃料通过而到达所述燃料回收腔；以及
氧化剂供应单元，构造为供应氧化剂到所述燃料电池堆叠。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料储存腔具有袋形或风箱形。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料渗透膜包括全氟磺酸膜。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述燃料回收腔包括凹槽，所述回收燃料配置为流过该凹槽。
12.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括燃料传输泵，该燃料传输泵构造为将燃料从所述燃料回收腔传送到所述燃料电池堆叠。
13.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括燃料回收单元，该燃料回收单元构造为回收来自所述燃料电池堆叠的未反应的燃料并将回收的燃料传送到所述燃料供应单元的所述燃料回收腔。
14.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆叠，构造为使燃料与氧化剂反应以产生电能；
燃料供应单元，构造为供应燃料到所述燃料电池堆叠，所述燃料供应单元包括：
第一燃料储存腔，构造为容纳具有燃料的第一浓度的储存燃料，和
浓度控制器，包括：
第二燃料储存腔，构造为接收来自所述第一燃料储存腔的所述储存燃料，
燃料回收腔，构造为允许具有燃料的第二浓度的回收燃料通过，其中所述第二浓度小于所述第一浓度，和
燃料渗透膜，在所述第二燃料储存腔与所述燃料回收腔之间，所述燃料渗透膜构造为允许所述储存燃料通过而到达所述燃料回收腔；以及
氧化剂供应单元，构造为供应氧化剂到所述燃料电池堆叠。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，还包括燃料回收单元，该燃料回收单元构造为从所述燃料电池堆叠回收未反应的燃料并将回收的燃料传送到所述燃料供应单元的所述燃料回收腔。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述燃料回收单元包括热交换器和气液分离器。
17.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述燃料渗透膜包括全氟磺酸膜。
18.根据权利要求14所述的燃料电池系统，还包括燃料传输泵，该燃料传输泵构造为将燃料从所述燃料回收腔传送到所述燃料电池堆叠。
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