CN1405912A - 用于燃料电池的阳极气体循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要是有关于一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，主要包括一阳极气体供应源，一开关装置与一调节装置，用以适当地控制阳极气体供应量的大小；一传感器，用以感测燃料电池反应后所排出的阳极气体含量，该传感器与该开关装置相连接，以控制该开关装置的开启或关闭；及一增湿装置，用以调整排出阳极气体的湿度；而经调整湿度后的排出阳极气体则连接至该燃料电池的阳极气体输入端，形成一阳极气体循环。

Description

用于燃料电池的阳极气体循环系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，尤其是一种应用于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)的阳极气体循环系统(anode streamer circulation system)，特别是关于用于质子交换膜燃料电池的氢气循环系统。

背景技术

随着人类文明的进步，传统能源，譬如煤、石油及天然气的消耗量持续攀高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体会、认识到天然能源的存量是有限的，如果被持续地滥用，可能在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池(fuel cell)便是其中的一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相较，燃料电池具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。

简而言之，燃料电池是一种将氢和氧通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池为例，其包括多个电池单体，每一电池单体的结构大致如图1中所示，包括位于中央的一质子交换膜10(proton exchange membrane，PEM)，其两侧各设一层催化剂12，其外再各设置一层气体扩散层14(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极板16与阴极板18，将此构件紧密结合在一起后，即形成一电池单体。由于燃料电池在实际应用时，通常是将多个上述的电池单体堆栈串联起来，如图2中所示，始能获得足够的发电功率；因此，互相串联邻接的电池单体，可以共享一电极板，如图3中所示，以分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极，故此电极板通常便称为双极板20(bipolar plate)。双极板20的两面通常皆设有许多沟槽22，如图3中所示，以输送用来反应的气体，如氢气与空气(以提供氧气)，并排出反应后的生成物，如水滴或水气。

现有燃料电池中的气体供应系统，包括一阴极气体供应系统，譬如一氧气供应系统，以及一阳极气体循环系统，譬如一氢气循环系统，其大致如图4中所示。其中，氧气供应系统30可利用空气作为其供应源，经由一过滤器32(filter)将其过滤后，再利用一鼓风机34(blower)将空气加压输送至燃料电池50中；经燃料电池50反应后所排放的多余空气，则流经一水收集器36(water recuperator)后排出，水收集器36可将排放空气中可能含有的少量水份收集至一冷却循环系统38，燃料电池50反应后所排出的废热亦导经该冷却循环系统38，最后，再将冷却循环系统38所使用的冷却液，导回该燃料电池50以提供其适当的冷却。

现有燃料电池中的阳极气体循环系统，则包括一氢气供应源40，其以一调节阀42(regulation valve)控制氢气的输入量，燃料电池50的另一端，则设一氢气泵44(hydrogen pump)，以排出反应后剩余的氢气，同时亦可促进氢气供应源40的氢气输入燃料电池50中，排出的剩余氢气随后通过一增湿装置46(humidifier)，譬如一起泡器(bubbler)，以增加剩余氢气的湿度。此排出的剩余氢气然后回流至氢气供应源的管线中，与新鲜供应的氢气混合并重复上述循环。增湿装置46中的水则可与冷却循环系统38中的水互相流通。

由于燃料电池的双极板中的氢气必须具有相当程度的湿度，才能将反应生成的氢离子(H+)携带并穿越质子交换膜，与质子交换膜另一侧所供应的氧气及外电路所携带的电子进行反应，实现质子导电。一般来说，氢气中含水量过少时，质子交换膜会脱水，使得燃料电池的电阻增大、电压降低，进而影响燃料电池的使用寿命。反之，若含水量过多，则有可能阻塞双极板中气体流通的通道，使得气体间的反应无法继续进行，亦会对燃料电池的性能产生负面的影响。因此，阳极气体循环系统中，通常皆需设置一增湿装置来调整氢气的湿度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，其可减少燃料电池系统本身电能的寄生损失(parasitic loss)，以提高燃料电池整体系统的发电功率。

本发明的另一目的在于提供一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，可自动通畅燃料电池内的气体通道，不会有沉积水珠而影响发电效率。

本发明的另一目的在于提供一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，其可简化制造程序及降低生产成本。

为了达到上述目的，本发明技术方案为：一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，该燃料电池包含一阳极气体输入端及一阳极气体输出端，而该阳极气体循环系统，则包括一阳极气体供应源，以提供该燃料电池进行反应所需的阳极气体；一开关装置，是与该阳极气体供应源相连接，以控制该阳极气体供应源的开启或关闭；一调节装置，其具有一端与该开关装置相连接，并具有另一端连接至该燃料电池的阳极气体输入端，用以控制阳极气体供应量的大小；一传感器，设于该燃料电池的阳极气体输出端，用以感测燃料电池反应后所排出的阳极气体含量，该传感器并与该开关装置相连接，其可依排出阳极气体含量的多寡，控制该开关装置的开启或关闭；及一增湿装置，设于该燃料电池的阳极气体输出端，用以调整排出阳极气体的湿度；而经调整湿度后的排出阳极气体则连接至该燃料电池的阳极气体输入端，形成一阳极气体循环。

本发明的优点是：其利用检测排出剩余氢气的压力，来控制氢气源输入的开放与否，免去现有氢气泵的设置，减少燃料电池系统本身电能的寄生损失(parasitic loss)，其既可省去现有燃料电池中阳极气体循环系统的部分必要构件，降低零件成本，又可降低阳极气体循环系统所需消耗的电能，提高燃料电池系统整体的发电效率。并且，通过控制氢气源的间歇式启闭动作所产生的压力脉冲，本发明可以自动通畅燃料电池内的气体通道，不会有沉积水珠而影响发电效率。另外，本发明通过改良阳极气体循环系统中增湿装置的设计，以简化制造程序及降低生产成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是显示现有燃料电池的电池单体结构的剖面分解示意图；

图2是显示将多个现有电池单体组合后应用的剖面分解示意图；

图3是显示现有燃料电池部分结构的剖面分解示意图；

图4是显示现有燃料电池中气体供应系统的示意图；

图5是显示本发明阳极气体循环系统的较佳实施例的示意图；及

图6是显示本发明的较佳实施例中，其燃料电池内阳极气体压力随着时间变化的示意图。

图中符号说明：

10    质子交换膜

12    催化剂

14    气体扩散层

16    阳极板

18    阴极板

20    双极板

22    沟槽

30    氧气供应系统

32    过滤器

34    鼓风机

36    水收集器

38    冷却循环系统

40    氢气供应源

42    调节阀

44    氢气泵

46    增湿装置

50    燃料电池

60    阳极气体供应源

62    开关装置

64    调节装置

66    传感器

70    增湿装置

72    壳体

74    水

76    亲水性物件

78    止回阀

80    燃料电池

82    输入端

84    输出端

具体实施方式

本发明燃料电池的阳极气体循环系统，主要是针对质子交换膜燃料电池的氢气循环系统，其中一种较佳实施例大致如图5中所示，包括一阳极气体供应源60，以提供燃料电池80进行反应所需的阳极气体，在质子交换膜燃料电池的实施例中，该阳极气体为纯氢。该阳极气体流经一开关装置62及一调节装置64后，才经由一输入端82被输入至燃料电池80中。开关装置62可为一电磁阀(solenoid valve)，其可单向控制管线的流通与否，以决定是否自阳极气体供应源60供应新的气体。至于调节装置64，例如一调节阀(regulation valve)，则用于控制阳极气体流量的大小，通常将其设定在可以提供较产生某一指定电能所需的化学计量为高的流量，以确保燃料电池80中电化学反应充分进行。此外，燃料电池80具有一输出端84，而阳极气体循环系统另于此输出端84后的阳极气体输出管线适当处，设置一传感器66，例如本较佳实施例中所使用的压力开关(pressure switch)，用以感测燃料电池80反应后所排出的阳极气体含量。同时，传感器66与开关装置62互相电连接，因此，传感器66可依排出阳极气体压力的高低，控制开关装置62的开启或关闭。本发明另包括一增湿装置70，其设于燃料电池80的阳极气体输出管线中，用以调整排出阳极气体的湿度。经调整湿度后的排出阳极气体，则进一步连接至燃料电池80的阳极气体输入管线中，与自阳极气体供应源60所供应经开关装置62及调节装置64所控制释放的新鲜阳极气体混合，如图5所示，形成一阳极气体循环。

在本较佳实施例中，传感器66是测量燃料电池80所排出阳极气体的压力，当此压力高达一特定的第一临界值，例如表压力实质上大于10磅力每平方英寸(psi)时，传感器66便输出一信号以将开关装置62关闭。当此压力降到较第一临界值为低的一特定第二临界值，例如表压力实质上小于2psi时，传感器66便输出另一信号以将开关装置62开启。同时，调节装置64将燃料电池80的阳极气体供应压力，控制在与第一临界值约略相同的压力值，如本实施例中的10psi。因此，当燃料电池80要开始运作时，开关装置62便被开启而供阳极气体输入，当传感器66所测得的阳极气体压力达到第一临界值时，传感器66便发出控制信号，而将开关装置62关闭，此时便无新的阳极气体继续输入。由于阳极气体流量的大小，设定在可以提供较产生某一指定电能所需的化学计量为高的流量，以确保电化学反应的充分进行，因此，燃料电池80的输出管线中，便会有反应后所剩余的阳极气体输出，此剩余的阳极气体会回流至燃料电池80的阳极气体输入端，以重复被使用。随着燃料电池80内的电化学反应的进行，阳极气体持续地被消耗，燃料电池80所输出的剩余阳极气体的压力便不断地下降，当此压力降到第二临界值时，传感器66便发出控制信号，而将开关装置62开启，以供新的阳极气体输入。图6中便显示燃料电池80中的阳极气体压力随着时间变化的示意图，由此可知，当阳极气体被消耗到某一程度时，本发明的阳极气体循环系统便会自动地补充新的阳极气体予燃料电池进行反应，完全不需如现有技术中另外设置一氢气泵44，才能达成气体循环供应的目的，因此，本发明可减少燃料电池系统本身电能的寄生损失，在本较佳实施例中，约可达燃料电池输出电能的5％左右，确实提高燃料电池整体系统的发电功率。

其次，本发明如此的设计，可以在每次开启开关装置62时，让具有显著较高压力的阳极气体强力冲入整个系统，特别是燃料电池80之中，因此，若燃料电池80的双极板20的沟槽22中因水气凝结所存有水珠或其它任何会阻塞气体流通的物体，皆可被此间歇性冲入的高压气体排挤冲出或散开，故本发明亦兼具间歇性自动通畅燃料电池内气体通道的功能。

再者，在本发明的较佳实施例中，该增湿装置70包括一壳体72，其内容纳有适当高度的水74，壳体72内另设有多个片状的亲水性(hydrophilic)物件76，如海绵体或其他种类似的物件，每一该亲水性物件76的至少一部分沉浸于水74中。至于由燃料电池80输出的剩余阳极气体，则自低于增湿装置70的水面高度以下的位置输入其中，此气体以气泡的形式浮出水面，流经该饱含水份的亲水性物件76后，再由壳体72的另一端输出，故可借此简化构造的增湿装置70来轻易控制阳极气体的湿度。本实施例中所使用的此增湿装置70，其构造明显较现有的起泡器或蒸气产生机简单，制造成本低廉，且在操作时不需消耗任何能源。但在本发明的阳极气体循环系统中，仍可采用现有的起泡器或蒸气产生机来达到其必要的功能与目的。此外，为了确保本发明的阳极气体循环系统的管线中的气体依所设定的方向行进，可另在管线的适当位置，如图5中所示的增湿装置70的两侧，分别设置一止回阀(check valve)78。

本发明为一突破现有技术的新颖设计，然其亦可以其它的特定形式来实现，而不脱离本发明的精神和重要特性。因此上述所列的技术实施方式在各方面都应被视为例示性而非限制性实施例，而所有的改变只要合乎本发明权利要求书所定义的范围或为其技术实施方式等效者，均应包含在本发明的保护范畴内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的阳极气体循环系统，该燃料电池包含一阳极气体输入端及一阳极气体输出端，该阳极气体循环系统包括：

一阳极气体供应源，以提供该燃料电池进行反应所需的阳极气体；

一开关装置，与该阳极气体供应源相连接，借以控制该阳极气体供应源的开启或关闭；

一调节装置，连接于该开关装置，及该燃料电池的阳极气体输入端的间，用以控制阳极气体供应量的大小；

一传感器，同时与该燃料电池的阳极气体输出端及该开关装置相连接，用以感测燃料电池反应后所排出的阳极气体含量，并依排出阳极气体含量的多寡，控制该开关装置的开启或关闭；及

一增湿装置，连接至该燃料电池的阳极气体输出端及阳极气体输入端之间，用以调整排出阳极气体的湿度，以形成一阳极气体循环。

2.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该阳极气体为氢气。

3.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该开关装置为一电磁阀。

4.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该传感器是测量该燃料电池所排出阳极气体的压力，当此压力高达一特定的第一临界值时，该传感器便输出一信号以将该开关装置关闭；当此压力降到较该第一临界值为低的一特定的第二临界值时，该传感器便输出另一信号以将该开关装置开启。

5.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该增湿装置包括一壳体，其内容纳有适当高度的水，该壳体内另设有多个片状的亲水性物件，该亲水性物件的至少一部分是沉浸于水中。

6.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该增湿装置为一起泡器。

7.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该增湿装置为一蒸气产生机。

8.根据权利要求1所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该燃料电池的阳极气体输入端与该增湿装置间，以及该阳极气体输出端与该增湿装置间，分别连设有一止回阀。

9.根据权利要求4所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该调节装置将该阳极气体供应至该燃料电池的压力，控制在与该第一临界值实质上相同的压力值。

10.  根据权利要求4所述的阳极气体循环系统，其特征在于：该第一临界值的表压力实质上大于10psi，而该第二临界值的表压力实质上小于2psi。

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