CN1330033C - 燃料电池系统和燃料供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统和燃料供应装置。该燃料电池系统包括：至少一个电产生单元，该电产生单元用于通过氧和氢之间的电化学反应生成电能；用于重整燃料以生成提供给电产生单元的氢气的重整器；用于吸收贮存在燃料贮存器中的液体燃料和供应燃料给重整器的燃料供应装置；以及用于供应氧气到电产生单元的氧供应源。该燃料供应装置采用具有毛细管通道的吸收器，在毛细管通道中，由于热能引起的浓度差而产生渗透压。渗透压使得燃料流动。

Description

燃料电池系统和燃料供应装置

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种用于给重整器(reformer)供应燃料的燃料供应装置。

背景技术

本领域公知，燃料电池是一种用于通过氧和氢之间的化学反应产生电能的系统。在一些燃料电池系统中，氢可以作为液态或气态碳氢化合物材料提供，比如甲醇、乙醇或者天然气。

近来，在燃料电池领域中，一种聚合物电解质膜燃料电池(以下称作PEMFC)已被开发出来。因为PEMFC具有良好的输出特性、低的操作温度、以及快速启动和响应性能，所以它具有广阔的应用范围，比如用于交通工具的移动电源、用于房屋或建筑物的分散式电源、以及电子装置中使用的小尺寸电源。

PEMFC系统通常包括堆(stack)、重整器、燃料罐和燃料泵。堆是一发电装置，其由多个单元电池组成。燃料泵将燃料从燃料罐供应给重整器。重整器重整燃料以生成氢气，并提供氢气到堆。因此，在PEMFC系统中，燃料罐中的燃料通过燃料泵传送到重整器中，在重整器中燃料被重整以生成氢气。然后，氢气连同由单独的泵或压缩机所提供的空气一起供应到堆。随后，氢气与空气中的氧气在堆中发生电化学反应从而产生电能。

堆产生的电能的一部分被消耗，以驱动整个系统。驱动该系统所消耗的这部分电能被称作“寄生电能”。

因为传统燃料电池系统包含为重整器提供燃料的单独的燃料泵，所以随着用于驱动单独的燃料泵的寄生电能增加，整个系统的容量和其能量效率减小。另外，因为传统燃料电池系统必须具备用于该单独的燃料泵的空间，所以很难将这样的系统设计为紧凑的尺寸。

发明内容

本发明的一个实施例提供一种简单结构的燃料供应装置，该装置可以为重整器提供燃料。本发明的另一个实施例中，提供一种采用该燃料供应装置的燃料电池系统。

根据本发明的一个实施例，提供一种用于燃料电池系统的燃料供应装置。该燃料供应装置包含可贮存燃料的燃料贮存器、与燃料贮存器相连从而自燃料贮存器吸收燃料并且为重整器提供燃料的流动单元。

燃料贮存器包括用来排出燃料的排料口。流动单元连接该排料口。

流动单元包含由多孔材料构成的吸收器，该吸收器通过毛细管作用吸收燃料。例如，该吸收器可以包含毛细管通道，其具有至少一个多孔入口和至少一个与该入口相连的出口。

在吸收器中，由于热能引起的浓度差，在毛细管通道中产生渗透压。该渗透压允许燃料流动。

密封件可设置在除了入口和出口外的吸收器的整个表面上，以避免燃料的泄漏。

在本发明的一个实施例中，毛细管通道包含：第一部分，该第一部分具有从入口向出口横截面积逐渐减小的路径；以及第二部分，该第二部分与第一部分相连，且具有朝出口其横截面积逐渐增加的路径。

在吸收器的一面上，可以设置至少一个槽，从而形成出口。

在一个实施例中，流动单元包括与吸收器接触的加热器，从而为吸收器提供热能以蒸发燃料。通过蒸发燃料，实现了浓度差，并且渗透压通过流动单元汲取燃料。

在一个实施例中，加热器包含加热板，该加热板被设置为与对应第二部分的吸收器的表面相接触。并入加热板的加热线圈产生热能。

根据本发明的另一个实施例，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包含：至少一个电产生单元，该电产生单元用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能；重整器，用于重整燃料以生成被供给至电产生单元的氢气；用于供给氧到电产生单元的氧供应源；以及如上所述的燃料供给装置，用于提供燃料给重整器。

如本领域公知的那样，可以提供多个电产生单元以形成电产生单元的堆。在这样的实施例中，重整器和堆通过氢气供应通路相互连接，并且氢气供应通路设置有阀。

重整器可以包含用于由燃料生成氢气的重整反应器单元。这种催化反应器的例子是本领域公知的。重整器也可以包含一个或多个一氧化碳缩减单元，其用于减少来自重整反应器单元的所重整的气体中所包含的一氧化碳的量。

在一个实施例中，燃料供应装置包含形成密封空间的燃料贮存器、以及连接至该燃料贮存器以吸收燃料并且提供燃料给重整器的流动单元。

流动单元可以包含由多孔材料构成的吸收器，以吸收燃料。此类吸收器包含至少一个毛细管通道，该毛细管通道具有至少一个多孔入口和与入口相连的至少一个出口。

吸收器通过热能引起的浓度差异在毛细管通道中生成渗透压。这样的渗透压引起燃料通过毛细管通道流动。

流动单元可包含与吸收器相接触的加热器，该加热器提供热能以蒸发燃料并产生渗透压。

另外，氧供应源可包含空气压缩机，其用于为电产生单元供应空气。

附图说明

通过以下实施例的描述，并结合相应的附图，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得明显和更易理解，其中：

图1是示出根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的框图；

图2是示出图1的堆的分解透视图；

图3是示出图1的燃料供应装置的示意性横截面视图；

图4是分解透视图，示出图3的流动单元；以及

图5是横截面视图，示出图4的所装配的流动单元。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的示范实施例，以使本领域技术人员可以没有困难地实施它们。然而，本发明可以以不同于此处所描述的示范实施例的各种方式实施，并不意味被所描述的实施例限定。

图1是一框图，示出根据本发明一实施例的燃料电池系统；图2是分解透视图，示出图1的堆。

根据本发明一实施例的燃料电池系统100采用了聚合物电极膜燃料电池(PEMFC)。通过重整包含氢的燃料生成氢气。氢气与氧化气体发生电化学反应，从而生成电能。

在这样的燃料电池系统100中，该含氢的燃料被选取来包括任何含氢的液体燃料，比如甲醇、乙醇，或者包括含氢的气体燃料，比如天然气。然而，对于本实施例，所描述的燃料是包含液体燃料和水的混合燃料。

根据本发明，用于系统100的氧化气体可以是氧气、在单独的存储容器中储存的空气、或者大气空气。对于本实施例，大气空气作为用来与氢气反应的氧化气体的源。

根据本发明的燃料电池系统100包含：至少一个电产生单元11，该电产生单元通过氧和氢之间的电化学反应生成电能；重整器30，该重整器重整燃料以生成提供给电产生单元11的氢气；燃料供应装置50，该燃料供应装置为重整器30供应燃料；以及氧供应源70，在本实施例中该氧供应源是为电产生单元11提供大气空气的空气压缩机71。

电产生单元11与重整器30和氧供应源70连接以便从重整器30接收氢气并从氧供应源70接收空气，并且在氢气中的氢与空气中的氧之间引起电化学反应以生成电能，由此构成燃料电池的最小单元。

电产生单元11可以被布置成带有在其两侧设置的隔板13(本领域中称为双极板)的膜电极组件(MEA)12。

MEA12配置有在一侧的阳极电极和在另一侧的阴极电极(图中未示出)，并且一电极膜插在这两个电极之间。在这里，阳极电极引起氢气的氧化反应以将氢气转化成氢离子(即质子)和电子。电极膜起离子交换装置的作用，用于将阳极电极中产生的氢离子移动到阴极电极。阴极电极引发氧和氢离子之间的还原反应以产生热和水。

隔板13具有在其间插入MEA12的紧密层状结构，从而向MEA12的阳极电极提供氢气和向MEA12的阴极电极提供空气，隔板13还起串联连接阳极电极和阴极电极的导体的作用。

在根据本发明的此实施例的燃料电池系统100中，多个如上所述的电产生单元11串联连接，从而构成堆10。

本系统100中的重整器30还可被称作燃料处理器，且被构造来由含氢的燃料生成氢气，并将该氢气提供给堆10的电产生单元11。在一实施例中，重整器还减少氢气中含有的一氧化碳的浓度。重整器30包含重整反应器单元31，该重整反应器单元通过催化重整反应由燃料生成氢气。这样的反应包括水蒸气的重整、部分氧化、自然反应等等。重整器还可以包括至少一个一氧化碳缩减单元32，该单元使用各种方法减少氢气中所含的一氧化碳的浓度，所述方法例如为含氢气体转化、如选择性氧化法的催化反应、或使用隔离膜的氢提纯。由于上述重整器30可以被配置为通常的PEMFC型重整器，所以其详细说明不必给出。

根据本发明的重整器30和堆10通过氢气供应管路91互相连接。氢气供应管路91配备有阀93，以选择性地打开和关闭该供应管路91。阀93可以是本领域公知的恒压阀，该阀根据重整器30处的氢气压力选择性地打开或关闭阀体。也就是说，阀93在重整器30中的氢气压力上升到预定的压力水平时打开氢气供应管路91，在氢气压力保持比该预定的压力水平低时关闭氢气供应管路91。

用于向重整器30供应燃料的燃料供应装置50被配置来吸取贮存在预定的密封空间内的液体燃料，并向重整器30提供该燃料。

将参照附图详细描述上述燃料电池系统100的燃料供应装置50的一实施例。

图3为示意性截面图，示出图1所示的燃料供应装置的结构。

参照图3，根据本发明的燃料供应装置50被配置来吸取和蒸发液体燃料，并将蒸发的燃料供给至重整器30。

为了这个目的，燃料供应装置50包含用于贮存液体燃料的燃料贮存器51、以及用于吸取和蒸发燃料贮存器51中所贮存的燃料并用于向重整器30提供所蒸发的燃料的流动单元(flow unit)60。

燃料贮存器51形成通过壁52定义的密封空间，具有预定的尺寸以贮存合适数量的燃料，并且包含排料口52a，燃料通过该排料口排出。

流动单元60通过毛细管作用和渗透压吸取燃料，并接受热能来蒸发燃料。然后，蒸发的燃料被提供给重整器30。

图4是显示图3的流动单元的分解透视图，图5是显示装配好的图4的流动单元的横截面示图。

参照图4和图5，根据本发明的流动单元60包含连接燃料贮存器51的排料口52a的吸收器61和与吸收器61接触的加热器65。

吸收器61可以由多孔介质构成，比如陶瓷、石灰石、活性炭或者泡沫海绵。吸收器能通过毛细管作用和渗透压吸收贮存在燃料贮存器51中的液体燃料。优选地，根据本发明的吸收器61可由具有高热导率的多孔体62的烧结合金材料形成。在这种情况下，多孔体62可以具有矩形板形状，该矩形板形状具有预定的长度、宽度和厚度。

吸收器61包含在多孔体62中形成的一个或更多个毛细管通道63，每个毛细管通道具有多孔入口(porous inlet)63a和通过毛细管通道与入口63a相连的出口63b。毛细管通道63作为用于通过如上所述的毛细管作用和渗透压提供在燃料贮存器51中贮存的燃料的流动路径，并且沿纵向(即图中的Y轴)形成在多孔体62内。

更详细地，毛细管通道63具有在多孔体62的燃料贮存器侧形成的多孔入口63a、以及在重整器侧形成的与入口63a相连的出口63b。分别地，多孔入口63a与燃料贮存器51的排料口52a相连，出口63b与重整器30相连。出口63b优选地位于形成在多孔体62的侧面的圆形凹槽62a之内。

每个毛细管通道63包括从入口63a朝出口63b为锥形(即其直径逐渐减小)的第一部分A、以及与第一部分A相连且朝出口63b为反锥形(即其直径逐渐增大)的第二部分B。在一个实施例中，相应于第一部分A的路径具有100μm的最大直径，相应于第二部分B的路径具有约1mm或更大的最大直径。

如图3所示，毛细管通道63可以以这样的结构形成，该结构即第一部分A的路径不规则地布置在多孔体62上，从而分别连接第二部分B的其余路径。如图5所示，第一部分A和第二部分B的路径也可以相对于吸收器61的多孔体62规则地排列。

根据此实施例，第一部分A定义了用于通过渗透压吸收在燃料贮存器51中贮存的燃料的区域。第二部分B定义了用于从加热器65接收热量并蒸发燃料以在存在于第一部分A中的液体燃料与蒸发的燃料之间形成浓度差的区域。因此，由于第二部分B与第一部分A相比具有反锥形结构，所以因渗透作用和热膨胀，蒸发的燃料可以通过出口63b容易地排出。另外，在毛细管通道63中，由于第二部分B中的渗透压，存在于第一部分A中的液体燃料能容易地流入第二部分B。

因为吸收器61由多孔介质形成，它具有独特的吸收液体材料的能力。因此，吸收器61配置有密封件64，以防止多孔体62中吸收的燃料自多孔体62的表面泄漏。在一个实施例中，密封件64是由导热材料形成的金属薄膜，该导热材料例如为铝、铜或铁，该密封件覆盖多孔体62的整个表面，入口63a和出口63b除外。

如上所述，根据本发明的加热器65为吸收器61的多孔体62提供热能，以蒸发在毛细管通道63中从第一部分A流到第二部分B的燃料。

加热器65包括加热板66，该加热板被设置来与吸收器61的对应于毛细管通道63的第二部分的多孔体62接触。加热线圈67与加热板66集成。

优选地，加热板66被设置为与多孔体62的上侧和下侧的对应于毛细管通道63的第二部分B的密封件64相接触。加热线圈67可包括通常的电加热线圈，该电加热线圈接收电能(没有在图中示出)，并且通过电阻在预定的温度范围内产生热能。

现在，详细描述根据本发明一实施例的燃料电池系统的操作。

首先，燃料贮存器51的排料口52a被开启，从而排出燃料贮存器51中贮存的液体燃料。在此情况下，燃料在大气压下通过排料口52a排出，不需要任何外界泵送力(pumping force)。

随后，在与吸收器61的多孔体62接触的同时，通过毛细管道63的渗透压，液体燃料被从毛细管通道的多孔入口63a吸到吸收器61的第一部分A。

然后，通过毛细管通道63的朝向出口63b的反锥形部分，燃料从第一部分A流至第二部分B。

在此过程中，通过使用电阻，热被应用于加热器65的加热线圈67，从而在预定的温度范围内产生热能。热能被传递到加热板66，从而加热多孔体62内的毛细管通道63的第二部分B。

因而，流入到毛细管通道63的第二部分B的液体燃料被自加热板66提供的热能蒸发。随后，由于存在于第一部分A中的液体燃料和第二部分B中的蒸发的燃料之间的浓度差，渗透压在第二部分B中产生。由于第二部分B中的接触区域从第一部分A逐渐变大，所以燃料可以容易地被蒸发。这将减少加热器65中的热能损失，从而提高整个系统100的能量效率。

因而，由于第二部分B中的渗透压以及热膨胀导致的增大的压力，蒸发的燃料容易通过毛细管通道63的出口63b排出。

同时，由于第二部分B中的渗透压，存在于第一部分A中的液体燃料流进第二部分B。然后，由于毛细管作用和渗透压，贮存在燃料贮存器51中的燃料通过入口63a以与经过出口63b排出的燃料相同的体积连续地供应给第一部分A。在此情况下，可以通过加热线圈67的热能控制供应给第一部分A的燃料的流速。也就是，当加热线圈67产生的热能增加时，渗透压增加，从而供应给第一部分A的燃料的流量也增加。相反地，当加热线圈67产生的热能减少时，渗透压减少，从而供应给第一部分A的燃料的流量也减少。

然后，自毛细管通道63的出口63b排出的蒸发的燃料被供应给重整器30的重整反应器单元31。通过重整催化反应，例如通过蒸汽重整(SR)催化反应，重整反应器单元31由燃料生成氢气。在这样的实施例中，因为重整反应器单元31难以充分地完成重整催化反应，所以生成的氢气中伴随着作为副产物的一定数量的一氧化碳。

随后，氢气被提供给一氧化碳缩减单元32。这里，通过例如水-气变换反应(WGS)或CO优先氧化(PROX)反应的催化反应，减小了一氧化碳的浓度。然后，具有更低一氧化碳水平的氢气经氢气供应管路91提供给堆10。这里，阀93可以打开和关闭，从而根据堆10的预定的电输出，控制经氢气供应管路91供应到堆10的氢气的流动。

在这个过程中，空气压缩机71开始运行，以提供空气到堆10中。随后，通过氢和空气中包含的氧之间的电化学反应，电产生单元11产生预定量的电能输出。

因而，通过重复上述一系列过程，根据本发明的燃料电池系统100能通过堆向预定负载提供预定量的电能输出，所述负载例如为包括笔记本电脑或者PDA的移动电子设备，或一些其它的移动通讯终端。

如上所述，与传统燃料电池系统相比，根据本发明的燃料电池系统不需要燃料泵。因此，可以减少用来驱动整个系统的寄生能量消耗，从而提高了系统性能和效率。另外，整个系统可以构造成更紧凑的尺寸。

虽然以上已参照特定示范实施例详细描述了本发明的实施例，但是可以理解，本发明不限于所公开的示范性实施例，相反，其覆盖了如所附权利要求所定义的本发明的主旨和范围内包括的各种修改和/或等同布置。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池系统的燃料供应装置，包括：

适于贮存液体燃料的燃料贮存器；以及

流动单元，包含吸收器，其适于吸收该液体燃料并向重整器提供该燃料，该吸收器由适于通过毛细管作用吸收该液体燃料的多孔材料形成，并定义有入口和出口，

其中该燃料贮存器还包括与该流动单元相连的排料口。

2.根据权利要求1的燃料供应装置，其中该吸收器包括至少一个毛细管通道，该毛细管通道具有至少一个多孔入口和至少一个出口。

3.根据权利要求2的燃料供应装置，还包括适于向该吸收器施加热能且朝该毛细管通道的该出口定位的加热器。

4.根据权利要求2的燃料供应装置，还包括密封件，该密封件围绕该吸收器设置，所述入口和出口除外。

5.根据权利要求2的燃料供应装置，其中该至少一个毛细管通道从该入口到该出口定义有一路径，该路径先在横截面面积上逐渐减小，然后在横截面面积上逐渐增大。

6.根据权利要求2的燃料供应装置，其中在该吸收器的该出口处形成有至少一个凹槽。

7.根据权利要求1的燃料供应装置，还包括与该吸收器接触的加热器。

8.根据权利要求7的燃料供应装置，其中该加热器朝着该吸收器的出口定位。

9.根据权利要求8的燃料供应装置，其中该加热器包括：

加热板；以及

结合在该加热板中的加热线圈。

10.一种燃料电池系统，包括：

至少一个电产生单元，该电产生单元适于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能；

适于重整燃料并向该电产生单元提供氢的重整器；

燃料供应装置，包含具有排料口的燃料贮存器、以及吸收器，该吸收器适于吸收液体燃料并向该重整器提供该燃料，该吸收器由适于通过毛细管作用吸收该液体燃料的多孔材料形成，并定义有入口和出口；以及

适于向该电产生单元供应氧的氧供应源。

11.根据权利要求10的燃料电池系统，其中多个电产生单元被提供从而形成堆。

12.根据权利要求11的燃料电池系统，其中该重整器和该堆通过氢气供应通路彼此连接，且该氢气供应通路包含阀。

13.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该重整器包括：

至少一个重整反应器单元，其适于通过催化反应由该燃料产生氢气流；以及

至少一个一氧化碳缩减单元，其适于减少该氢气流中包含的一氧化碳的浓度。

14.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该吸收器包括至少一个毛细管通道，该毛细管通道定义了至少一个多孔入口和至少一个出口。

15.根据权利要求14的燃料电池系统，还包括密封件，该密封件围绕该吸收器设置，所述入口和出口除外。

16.根据权利要求14的燃料电池系统，其中该吸收器还包括加热器，该加热器适于向该吸收器施加热能，且朝该毛细管通道的该出口定位。

17.根据权利要求14的燃料电池系统，其中该至少一个毛细管通道从该入口到该出口定义有一路径，该路径先在横截面面积上逐渐减小，然后在横截面面积上逐渐增大。

18.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该流动单元还包括与该吸收器相接触的加热器，该加热器朝着该吸收器的出口定位。

19.根据权利要求18的燃料电池系统，其中该加热器包括：

加热板；以及

结合在该加热板中的加热线圈。

20.根据权利要求10的燃料电池系统，其中该氧供应源包括空气压缩机。

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