CN1612384A - 带有聚水器的燃料电池系统 - Google Patents

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金奎正
黄勇准
崔鸿
金铁焕
朴明碩
李明浩
高承泰
许成根
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Abstract

一种带有聚水器的燃料电池系统。其包括发生器、燃料罐、燃料供应管、空气供应管、燃料排出管、空气排出管、气液分离器、加湿器和聚水器。本发明提供的带有聚水器的燃料电池系统是在发生器阴极上连接的空气供应管上设置了可收集液态水的聚水器，从而可将经过加湿器的空气中含有的液态水积聚到聚水器内，而仅将空气和水蒸气提供给发生器的阴极，并使其与触媒进行反应，从而可提高该系统的发电性能。另外，聚水器内收集的液态水还可通过水回收管送回到加湿器而用作加湿空气用水，这样就不需要经常给加湿器补充水。

Description

带有聚水器的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种利用外部提供的燃料和空气发生的电化学反应而产生电能的燃料电池系统，特别是涉及一种可收集提供给发生器阴极的空气中含有的液态水的带有聚水器的燃料电池系统。
背景技术
一般来说，燃料电池系统是将燃料的能量直接转换为电能的装置。这种燃料电池系统的发生器通常是以高分子电解质膜为中心，并在其两侧附着上阳极和阴极而制成。在阳极(氧化电极或燃料极)上进行燃料氢的氧化反应，而在阴极(还原电极或空气极)上进行氧的还原反应，反应中生成的电子经过移动而产生电能。提供给燃料电池系统的氢气来自液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇(CH3OH)和汽油等烃类燃料。在转化炉中使上述燃料经过脱磺→重整反应→氢气精制就可生成氢气。质子交换膜燃料系统是使用上述氢气作为燃料，而硼燃料电池系统则使用由固态BH4 -转化成的液态BH4 -来作为燃料。图1为已有技术的硼燃料电池系统构成简图。如图1所示，这种已有技术的燃料电池系统1是在可产生电的发生器10一侧设置了可储存液态BH4 -的燃料罐2。燃料罐2和发生器10的阳极入口处之间连有燃料供应管3，而阳极的出口处则连有燃料排出管4。燃料供应管3上还设有可抽取燃料的燃料泵5。此外，发生器10的阴极上设有空气供应管6和空气排出管7，并且空气供应管6上还设置了可过滤空气的空气过滤器8、空气压缩机9及加湿器11。另外，燃料排出管4和空气排出管7上分别设置了气液分离器12，12`，并且为了能将从气液分离器12，12`上分离出的燃料和水送回到燃料罐2而设置了回用管13，且在回用管13上设置了循环泵14。循环泵14可将从气液分离器12，12`上分离出的反应后的燃料或水送回到燃料罐2中。图中未说明的符号15，15`为阀门。具有如上构成的已有技术的燃料电池系统工作过程如下：当按动启动开关时，燃料泵5可将储存在燃料罐2内的液态BH4 -通过燃料供应管3提供给发生器10的阳极，与此同时，空气压缩机8则通过空气供应管6将空气提供给发生器10的阴极。发生器10的阳极和阴极是用碳布包裹住触媒而构成的，阳极和阴极间夹有高分子电解质膜。在阳极上进行氢的氧化反应，而在阴极上进行氧的还原反应，反应中生成的电子经过移动而产生电能，并聚集在图中未示出的集电板上而用作能源。
这一过程中的反应方程式如下：
阳极：
副反应：
阴极：
将阳极和阴极上产生的反应后的液体和气体分别用气液分离器12，12`进行分离，然后由循环泵14将该燃料和水重新送回到燃料罐2而循环使用。但是，在这种燃料电池系统中，由于提供给发生器10阴极的空气和水中不仅含有水蒸气，而且还含有液态的水，该液态的水会包裹住阴极上的触媒，从而防碍空气或水蒸气与触媒进行反应，因此会使发生器的发电性能下降。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可防止液态的水提供给发生器的阴极，从而可使阴极上的触媒与空气和水蒸气进行反应，进而提高发生器发电性能的带有聚水器的燃料电池系统。
为了达到上述目的，本发明提供的带有聚水器的燃料电池系统包括：可在阳极上进行氧化反应和在阴极上进行还原反应而产生电能的发生器；设置在发生器的一侧，可储存液态BH4 -的燃料罐；连接在燃料罐和发生器的阳极之间，可为发生器的阳极提供燃料的燃料供应管；连接在发生器的阴极入口部，可为发生器的阴极提供空气的空气供应管；连接在发生器的阳极出口部，可排出反应后燃料的燃料排出管；连接在发生器的阴极出口部，可排出反应后空气的空气排出管；分别连接在燃料排出管和空气排出管上，并可从反应后的燃料和空气中分离出液体和气体的气液分离器；设置在空气供应管上，可对提供给发生器阴极的空气进行加湿的加湿器；和设置在空气供应管上加湿器的后方，可收集提供给发生器阴极的空气中含有的液态水的聚水器。
本发明提供的带有聚水器的燃料电池系统是在发生器阴极上连接的空气供应管上设置了可收集液态水的聚水器，从而可将经过加湿器的空气中含有的液态水积聚到聚水器内，而仅将空气和水蒸气提供给发生器的阴极，并使其与触媒进行反应，从而可提高该系统的发电性能。另外，聚水器内收集的液态水还可通过水回收管送回到加湿器而用作加湿空气用水，这样就不需要经常给加湿器补充水。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的带有聚水器的燃料电池系统进行详细。
图1为已有技术的硼燃料电池系统构成简图。
图2为本发明的带有聚水器的燃料电池系统构成简图。
图3为本发明提供的燃料电池系统中单电池结构剖视图。
图4为图3中A部位结构放大图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提供的燃料电池系统100中设有可与液态BH4 -和空气进行电化学反应而产生电能的发生器101；和与发生器101间隔一定距离且可储存可提供给发生器101上阳极132的液态BH4 -的燃料罐102。另外，燃料罐102和发生器101的阳极132入口部之间连接有可提供燃料的燃料供应管103，而阳极132出口部上则连接有燃料排出管104，而且燃料供应管103上还设有可抽取燃料的燃料泵105。此外，发生器101的阴极133入口部上连接有可提供空气的空气供应管109，而阴极133出口部上设有可将反应后的空气排出的空气排出管110。另外，空气供应管109上依次设有可过滤提供给发生器101的空气的空气过滤器111、可传送空气的空气压缩机112和可加湿空气的加湿器113，并在加湿器113的后侧设置了可收集夹杂在向发生器101的阴极133提供的空气中液态水的聚水器150。另外，聚水器150内收集的液态水可通过聚水器150和加湿器113之间连接的水回收管151回收到加湿器113中，从而能够用作加湿器的加湿用水。此外，燃料排出管104和空气排出管110分别连接有气液分离器120，120`，该气液分离器120，120`和燃料罐102之间则连接有回用管122，并且回用管122上设有可将气液分离器120，120`分离出的燃料和水送回到燃料罐102的循环泵123。发生器101可由多个层叠的电池或单电池构成。如图3和图4所示，单电池包括：由位于中间部位的电解质膜131和贴在其两侧且可扩散反应气体的阳极132和阴极133组成的膜-电极组件134；紧贴在膜-电极组件134的两侧并可在阳极132和阴极133上形成燃料气体及含氧气体的流路135的分隔板136；和设置在分隔板136的两侧，可构成阳极132和阴极133集电极的集电板137。膜-电极组件134的电解质膜131是由高分子材料制成的离子交换膜，最具代表性的商品为杜邦公司的Nafion膜，其不仅具有氢离子传导体的作用，而且还可防止氧气和氢气相互接触。如图4所示，阳极132和阴极133是铂催化层的支持体，其是由多孔性碳布142贴附在电解质膜131的两侧而构成。分隔板136是由致密的碳板形成，且其内侧面上形成有可使冷媒流动的多个流路135。集电板137应该选用导电性好、耐蚀性好而且不会减少氢气生成量的材料，比如钛、不锈钢或铜中的任一种。在具有如上构成的本发明的带有聚水器的燃料电池系统中，当按动启动开关时，由蓄电池提供且通过电力转换器的电能可将燃料泵105启动，该燃料泵105可将储存在燃料罐102内的液态BH4 -通过燃料供应管103提供给发生器101的阳极132。与此同时，空气压缩机112则通过空气供应管109将经过空气过滤器111过滤并在加湿器113上加至适当湿度的空气提供给发生器101的阴极133。提供给发生器101内部的液态BH4将沿着位于阳极132外侧的流路135流动，并进行全面扩散，从而在阳极132上进行氧化反应，而空气则沿着位于阴极133外侧的流路135流动，并且也进行全面的扩散，从而在阴极133上进行还原反应，这时反应中生成的电子经过移动而产生电能，该电能最终集聚在集电板137上而用作能源。
这一过程中的反应方程式如下：
阳极：   E0＝1.24V
阴极：         E0＝0.4V
总反应：       E0＝1.64V
为使用作燃料的液态BH4 -成稳定状态而在其内混合了一定量的钠，随之带来了下面的副反应：
阳极：2H2O+NaBH4+4H2
另外，阳极上产生的反应后的燃料和反应气体及阴极上产生的反应后的空气和水是通过燃料排出管104和空气排出管110排到气液分离器120，120`，再由循环泵123抽回到燃料罐102进行回收利用，而反应气体则就此排放掉。此外，在进行发电时，通过空气供应管109提供的空气先在加湿器113上进行加湿，然后将空气和水蒸气一起提供给发生器101的阴极133，此时空气和水蒸气中含有的液态水可在聚水器150上被分离出来而积聚在聚水器150的内侧底部，从而仅将空气和水蒸气提供给发生器101的阴极133而使其与触媒层141上的触媒进行反应。另外，再将聚水器150内收集的液态水通过水回收管151送回到加湿器113而用作加湿空气用水。

Claims (2)

1.一种带有聚水器的燃料电池系统，其特征在于：所述的带有聚水器的燃料电池系统包括：可在阳极(132)上进行氧化反应和在阴极(133)上进行还原反应而产生电能的发生器(101)；设置在发生器(101)的侧，可储存液态BH4 -的燃料罐(102)；连接在燃料罐(102)和发生器(101)的阳极(132)之间，可为发生器(101)的阳极(132)提供燃料的燃料供应管(103)；连接在发生器(101)的阴极(133)入口部，可为发生器(101)的阴极(133)提供空气的空气供应管(109)；连接在发生器(101)的阳极(132)出口部，可排出反应后燃料的燃料排出管(104)；连接在发生器(101)的阴极(133)出口部，可排出反应后空气的空气排出管(110)；分别连接在燃料排出管(104)和空气排出管(110)上，并可从反应后的燃料和空气中分离出液体和气体的气液分离器(120，120’)；设置在空气供应管(109)上，可对提供给发生器(101)阴极(133)的空气进行加湿的加湿器(113)；和设置在空气供应管(109)上加湿器(113)的后方，可收集提供给发生器(101)阴极(133)的空气中含有的液态水的聚水器(150)。
2.根据权利要求1所述的带有聚水器的燃料电池系统，其特征在于：所述的带有聚水器的燃料电池系统还包括可连接聚水器(150)和加湿器(113)，并可将聚水器(150)内收集的水提供给加湿器(113)以用作加湿空气用水的水回收管(151)。
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