CN1532980A - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN1532980A CNA031210082A CN03121008A CN1532980A CN 1532980 A CN1532980 A CN 1532980A CN A031210082 A CNA031210082 A CN A031210082A CN 03121008 A CN03121008 A CN 03121008A CN 1532980 A CN1532980 A CN 1532980A
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�泰熙
曺泰熙
朴明硕
李明浩
黄龙俊
金铁焕
高承兑
许成根
崔鸿
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统：燃料罐和发电机的阳极通过燃料供应线和燃料回收管连结；其阴极通过空气供应线和空气排出线连结；上述燃料回收管上设置有氢气分离机，其用于分离燃料和氢气，为了能够使在上述氢气分离机分离的氢气作为加湿装置的燃料使用，氢气回收管连结上述氢气分离机和加湿装置的喷灯；在上述空气排出线上设置有水分离机，其用于分离空气和水，为了能够将在上述水分离机分离的水供应给上述加湿装置的储水罐，利用水回收管连结上述水分离机和储水罐。将上述氢气分离机分离的氢气作为上述加湿装置的加热燃料使用，将水分离机分离的水供应给储水罐，再利用了反应过程中产生的氢气和水，提高了能源利用效率，除去了燃料中的氢气提高了发电性能。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种通过从外部供应的燃料和空气进行电化学反应发电的燃料电池系统，进一步说，则涉及一种可以带来如下效果的燃料电池系统：以BH4 -(四氢化硼负离子)作为燃料的电池组发电时，能够将反应后的燃料、空气中的氢气和水分离，进行再利用。
背景技术
一般，燃料电池系统(FUEL CELL SYSTEM)是指将燃料所具有的能量直接转换成电能的装置。在上述燃料电池系统中，以高分子电解质膜为中心，其两侧设置有阳极(ANODE)和阴极(CATHODE)，向上述阳极(或称为氧化电极、燃料极)供应作为燃料的氢气，上述氢气产生电化学还原反应；向上述阴极(或称还原电极、空气极)供应作为氧化剂的氧气，上述氧气产生电化学氧化反应，这时通过生成的电子移动，产生电能。
最近广为使用的燃料电池有质子半透膜燃料电池(PEMFC，ProtonExchange Membrane Fuel Cell)和硼燃料电池(BFC，Boron Fuel Cell)。在质子半透膜(PEMFC)燃料电池中，LNG、LPG、CH3OH、汽油等碳氢气体系列(CH系列)燃料在转化装置中通过脱硫工序→转化反应→氢气精制工序，精制成氢气H2，向燃料电池供应气体氢气。硼燃料(BFC)电池将固体状态的BH4 -(四氢化硼负离子)制作成水溶液状态，直接作为燃料使用。
图1显示出现有技术中硼燃料(BFC)电池的简单结构图，下面对此进行简要说明。
如图所示，在燃料电池1的整体结构中，用于产生电的发电机10的一侧设置有用于储藏水溶液状态的BH4 -的燃料罐2；上述燃料罐2和发电机10的阳极通过燃料供应线3和燃料回收管4进行连结；上述燃料供应线3上设置有用于抽吸燃料的燃料泵5。
另外，在上述发电机10的阴极上设置有空气供应线6和空气排出线7，上述空气供应线6上设置有用于抽吸供应的空气的空气压缩机(aircompressor)8。
在具有上述结构的现有技术燃料电池中，只要导通机器的启动开关，上述燃料泵5抽吸储藏在燃料罐2内的水溶液状态的BH4 -，通过上述燃料供应线3，燃料供应给上述发电机10的阳极燃料极；同时上述空气压缩机8启动，通过上述空气供应线6向上述发电机10的阴极空气极供应空气。
在上述发电机10内，向上述发电机10供应的水溶液状态的BH4 -和空气隔着高分子电解质膜流动，在阳极产生氢气的电化学还原反应；在阴极产生氧气的电化学氧化反应。这时通过生成的电子移动产生电，产生的电被集电板(附图中没有显示出)收集，形成能量源。
这时的反应式是：
，
其中，为了将BH4 -制作成稳定的溶液，混合有一定量的Na，于是由此产生的副反应为：
在阳极产生的反应为：
，这时产生的氢气将被废弃。
因此，具有上述结构的现有技术的燃料电池具有如下缺点：不能再利用上述发电机10的阳极副反应产生的氢气，直接废弃，在提高发电效率上有局限性。
发明内容
鉴于上述以有技术的问题而提出的本发明的目的是，提供可以带来如下效果的燃料电池系统：再利用发电时副反应产生的氢气和水，提高发电效率。
为了实现发明目的，本发明提供一种燃料电池系统，其发电机的阳极上连结有燃料供应线和燃料回收管，上述燃料供应线用于供应水溶液状态的BH4-，上述燃料回收管用于回收反应之后的燃料；在上述发电机的阴极上连结有空气供应线和空气排出线，空气经加湿装置加湿之后供应到发电机的阴极；通过阳极的电化学氧化反应和阴极的电化学还原产生电，其特征在于：在上述燃料回收管上设置有用于分离燃料和氢气的氢气分离机，为了能够使从上述氢气分离机分离的氢气作为加湿装置的燃料使用，利用氢气回收管连结氢气分离机和加湿装置的喷灯；在上述空气排出线上设置有用于分离空气和水的水分离机，为了能够将从上述水分离机分离的水供应给加湿装置的储水罐，利用水回收管连结上述水分离机和加湿装置的储水罐。
本发明另外提供一种燃料电池系统，其发电机的阳极上连结有燃料供应线和燃料回收管，上述燃料供应线用于供应水溶液状态的BH4 -，上述燃料回收管用于回收反应之后的燃料；在上述发电机的阴极上连结有空气供应线和空气排出线，在加湿装置加湿之后空气供应到发电机的阴极；通过阳极的电化学氧化反应和阴极的电化学还原产生电，其特征在于：在上述燃料回收管上设置有用于分离燃料和氢气的氢气分离机，为了能够使从上述氢气分离机分离的氢气作为加湿装置的燃料使用，利用氢气回收管连结氢气分离机和加湿装置的喷灯；在上述空气排出线上设置有用于分离空气和水的水分离机，为了能够将从上述水分离机分离的水供应给加湿装置的储水罐，利用水回收管连结上述水分离机和加湿装置的储水罐；为了能够将回收到上述氢气回收管的氢气作为质子半透膜燃料电池型发电机的燃料使用，将从氢气回收管分支的氢气再利用线连结在质子半透膜燃料电池型发电机的阳极上。
通过本发明的燃料电池系统可以带来如下效果：
在发电机的后边，利用氢气分离机分离氢气，将上述氢气作为加湿装置的加热燃料使用；利用水分离机分离水，将上述水供应给加湿装置的储水罐内，于是通过再利用反应过程中产生的氢气和水，提高了能源利用效率。
另外，由于上述燃料中的氢气被分离得到重新利用，防止了氢气以气泡状态在燃料内，阻碍在发电机的内部发电时的反应，提高了发电机的发电性能。
另外，由于从氢气分离机分离的氢气作为PEMFC发电机的发电燃料再利用，节省了燃料。
附图说明
图1简要显示出现有技术燃料电池的结构示意图。
图2简要显示出本发明燃料电池系统的第一实施例的结构示意图。
图3显示出本发明单电池结构的剖面图。
图4显示出本发明燃料电池系统的第二实施例的结构示意图。
主要部件附图标记说明
101：发电机                          103：燃料供应线
104：燃料回收管                      106：加热器
107：空气供应线                      108：空气排出线
111：加热器                          112：加湿装置
112a：喷灯                           112b：储水罐
113：吹洗线                          114：三通阀门
115：电池                            116：电力转换器
121：氢气分离机                      122：氢气回收管
123：水分离机                     124：水回收管
132：阳极                         133：阴极
140：PEMFC型发电机                141：氢气再利用线
142：三通阀门
具体实施方式
下面参照附图所示实施例，对具有上述结构的本发明燃料电池系统进行更详细的说明。
图2显示出本发明燃料电池系统的第一实施例的简单结构图。
如图所示，在本发明的第一实施例的燃料电池系统100中，燃料罐(FuelTank)102与发电机(Generator)101保持一定间距设置，上述发电机101通过水溶液状态的BH4的电化学反应和空气的电化学反应进行发电；上述燃料罐102内用于储藏向上述发电机101的阳极供应的水溶液状态的BH4 -(四氢化硼负离子)。上述燃料罐102的下部通过用于供应燃料的燃料供应线103和发电机101的阳极入口端进行连结；阳极的出口端通过燃料回收管104和燃料罐102的上部连结，上述燃料回收管104用于回收反应后的燃料。
在上述燃料供应线103上设置有燃料泵105和加热器106。上述燃料泵105用于抽运燃料；上述加热器(Heater)106用于对燃料进行加热。
另外，上述发电机101阴极入口端上设置有空气供应线107，上述空气供应线107用于向上述发电机101的阴极供应空气；在上述发电机101的阴极出口端上设置有空气排出线108，上述空气排出线108用于排出反应之后的空气。
在上述空气供应线107上依次设置有空气过滤器109、空气压缩机(AirCompressor)110、加热器111和加湿装置(Humidifier)112。上述空气过滤器109用于过滤向上述发电机101供应的空气；上述空气压缩机110用于对上述发电机101进行送风；上述加热器111用于对空气进行加热；上述加湿装置112用于对加热之后的上述空气进行加湿。
另外，在必要时，为了吹洗(purge)上述发电机101的阳极内部，上述空气供应线107和上述燃料供应线103之间连结有用于供应空气的吹洗线(Purge Line)113，上述吹洗线113和燃料供应线103的连结部位设置有三通阀门(3-Way Valve)114，上述三通阀门114用于调整吹洗时的开放程度。
另外，上述发电机101的一侧设置有电池(Battery)115，上述电池115单独作为上述发电机101的非常电源使用，上述电池115的电能可以通过电力转换器116转换成使用电源进行供应；另外也可以通过上述电力转换器116将上述发电机101产生的电转换成电池储藏的能量。
一方面，在上述发电机101的后边的燃料回收管104上设置有氢气分离机121，上述氢气分离机121用于分离通过副反应产生的氢气；上述氢气分离机121连结在氢气回收管122上，上述氢气回收管122用于将分离的氢气供应给上述加湿装置112的喷灯112a。在上述空气排出线108上设置有水分离机123，上述水分离机123用于分离在上述发电机101反应之后排出的空气中的水；上述水分离机123连结在水回收管124上，上述水回收管124用于将分离的水供应给加湿装置112的储水罐112b。
上述发电机101由多个单电池连续叠加或者由单电池(SINGLE CELL)构成。下面参照附图3对单电池的结构进行说明。单电池大体上包括膜-电极结合体(MEA：MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)134、分隔板(SEPARATOR)136和集电板137。在上述膜-电极结合体134中，在电解质膜131的两侧接合有用于扩散气体的阳极132和阴极133；上述分隔板136紧密结合在上述膜-电极结合体134的两侧，在阳极132和阴极133形成燃料气体和含氧气体的流路135；上述集电板137设置在上述分隔板136的两侧，成为上述阳极132和阴极133的集电电极。
上述膜-电极结合体134的电解质膜131是由高分子材料制作而成的离子交换膜，具有代表性、商品化的电解质膜131有杜邦公司的Nafion膜，其在起到传递氢气离子的传导体作用的同时还起到阻止氧气和氢气相接触的作用。上述阳极132和阴极133是支撑白金(Pt)介质层的支撑体，由多孔性碳素纸(CARBON PAPER)或者碳素布(CARBON CLOTH)接合在上述电解质膜131的两侧。
上述分隔板136由致密材质的碳板(carbon plate)构成，上述分隔板136内侧形成有多个流路槽135a，上述流路槽135a用于流体流动。
上述集电板137最好是由导电性和耐腐蚀性好、不产生氢气的材料，具体而言，可使用钛、不锈钢、铜等，只要满足上述要求性能，采用任何一种都可以。
附图中没有说明的符号CS是指浓度传感器；PS是指压力传感器；TS是指温度传感器；HS是指湿度传感器；v是指阀门。
下面对具有上述结构的本发明第一实施例燃料电池系统的工作过程进行说明。导通启动开关，则从上述电池115供应的电源通过上述电力转换器116供应给上述燃料泵105。随着上述燃料泵105的启动，储藏在上述燃料罐102内的水溶液状态的BH4 -(四氢化硼负离子)被抽运，通过上述燃料供应线103供应给上述发电机101的阳极132，上述水溶液状态的BH4 -经过上述加热器106加热成约70°的状态，进行供应。
另外，上述空气压缩机110通过上述空气供应线107向上述发电机101的阴极133供应空气。上述空气经过上述空气过滤器109过滤之后，在上述加热器111被加热成一定温度，经上述加湿装置112被加湿到适当湿度，然后进行供应。
供应到上述发电机101内部的水溶液状态的BH4 -沿着形成在上述阳极132的外侧面的流路135流动进行扩散；空气沿着形成在上述阴极133的外侧面的流路135流动进行扩散；在上述阳极132产生电化学还原反应，在上述阴极133产生电化学氧化反应，通过电子的移动产生电，产生的电被上述集电板137收集，作为电源使用。
在上述发电机101的电极上产生的反应式是：
阳极：      E0＝1.24V
阴极：            E0＝0.4V
整体：            E0＝1.64V。
为了将作为燃料使用的水溶液状态的BH4 -制作成稳定的溶液，加入一定量的Na进行混合，与之相关的副反应为：
阳极：
这时产生的氢气与反应后的燃料一起排出到上述发电机101外部的燃料回收管104。上述燃料和氢气经过氢气分离机121，将燃料和氢气进行分离，燃料通过上述燃料回收管104回收到上述燃料罐102；氢气通过上述氢气回收管122供应给上述加湿装置112的喷灯112a，作为加湿装置112的燃料使用。
另外，在上述发电机101的阴极133进行反应之后的空气以包含水的状态排出到上述空气排出线108，上述空气和水通过上述水分离机123分离成空气和水，空气向外部排出；水通过上述水回收管124供应到上述加湿装置112的储水罐112b，作为补充水使用。
图4显示出本发明燃料电池系统的第二实施例的简单结构图。如图所示，基本结构与图2所示的第一实施例相同，对于相同的部分赋予相同的附图标记，在此省略对其详细的说明。
在第二实施例中，上述发电机101的周边设置有PEMFC型发电机(质子半透膜燃料电池)140，上述PEMFC型发电机140以氢气作为燃料使用，为了能够将回收到上述氢气回收管122的氢气作为PEMFC型发电机140的燃料使用，从上述氢气回收管122将氢气再利用线141连结在上述PEMFC型发电机140的阳极上。
另外，氢气再利用线141和上述氢气回收管122的连结部位设置有三通阀门142，上述三通阀门142用于调整开放度。
另外，在上述PEMFC型发电机140的阳极反应之后的氢气通过氢气再供应线143再供应给上述燃料回收管104，上述燃料回收管104和氢气再供应线143的连结部为设置有用于调节开放度的三通阀门144。
附图中没有说明的符号145是空气供应线；146是空气排出线。
上述本发明的第二实施例的作用基本上与第一实施例相同，不同点是，在第一实施例中，回收到氢气回收管122的氢气供应给加湿装置112的喷灯112a，作为加热燃料使用；而在第二实施例中，根据需要调节三通阀门142的开放度，通过氢气再利用线141将回收的氢气同时还可供应给PEMFC型发电机140的阳极，作为PEMFC型发电机140的发电燃料使用。

Claims (9)

1、一种燃料电池系统，其发电机的阳极上连结有燃料供应线和燃料回收管，上述燃料供应线用于供应水溶液状态的BH4 -，上述燃料回收管用于回收反应之后的燃料；在上述发电机的阴极上连结有空气供应线和空气排出线，空气经加湿装置加湿之后供应到发电机的阴极；通过阳极的电化学氧化反应和阴极的电化学还原产生电，其特征在于：
在上述燃料回收管上设置有用于分离燃料和氢气的氢气分离机，为了能够使从上述氢气分离机分离的氢气作为加湿装置的燃料使用，利用氢气回收管连结氢气分离机和加湿装置的喷灯；在上述空气排出线上设置有用于分离空气和水的水分离机，为了能够将从上述水分离机分离的水供应给加湿装置的储水罐，利用水回收管连结上述水分离机和加湿装置的储水罐。
2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
上述燃料供应线和空气供应线上分别设置有加热器，上述加热器用于将燃料和空气加热成一定温度。
3、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
为了能够在必要时利用空气吹洗发电机的阳极内部，吹洗线连结上述空气供应线和燃料供应线，上述燃料供应线和吹洗线的连结部位设置有用于调节开放度的三通阀门。
4、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：
上述发电机的一侧还设置有电池和电力转换器，上述电池作为非常电源使用，上述电力转换器用于转换上述电池供应的电源。
5、一种燃料电池系统，其发电机的阳极上连结有燃料供应线和燃料回收管，上述燃料供应线用于供应水溶液状态的BH4 -，上述燃料回收管用于回收反应之后的燃料；在上述发电机的阴极上连结有空气供应线和空气排出线，在加湿装置加湿之后空气供应到发电机的阴极；通过阳极的电化学氧化反应和阴极的电化学还原产生电，其特征在于：
在上述燃料回收管上设置有用于分离燃料和氢气的氢气分离机，为了能够使从上述氢气分离机分离的氢气作为加湿装置的燃料使用，利用氢气回收管连结氢气分离机和加湿装置的喷灯；在上述空气排出线上设置有用于分离空气和水的水分离机，为了能够将从上述水分离机分离的水供应给加湿装置的储水罐，利用水回收管连结上述水分离机和加湿装置的储水罐；为了能够将回收到上述氢气回收管的氢气作为质子半透膜燃料电池型发电机的燃料使用，将从氢气回收管分支的氢气再利用线连结在质子半透膜燃料电池型发电机的阳极上。
6、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于：
上述燃料供应线和空气供应线上分别设置有加热器，上述加热器用于将燃料和空气加热成一定温度。
7、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于：
为了能够在必要时利用空气吹洗发电机的阳极内部，吹洗线连结上述空气供应线和燃料供应线，上述燃料供应线和吹洗线的连结部位设置有用于调节开放度的三通阀门。
8、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于：
上述发电机的一侧还设置有电池和电力转换器，上述电池作为非常电源使用，上述电力转换器用于转换上述电池供应的电源。
9、根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于：
在上述氢气再利用线和氢气回收管的连结部位设置有在必要时用于调整开放度的三通阀门。
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