CN1612393A - 燃料电池系统的燃料回收调节装置 - Google Patents

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趙太熙
金奎正
黄勇準
崔鴻
金鐵煥
朴明碩
李明浩
高承泰
許成根
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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统的燃料回收调节装置，在气液分离器的上端部上，设置在空气排出管上的燃料排出调节阀门，从而在气液分离器上分离的水和反应后的燃料在水位传感器成高水准时，燃料排出调节阀门将关闭，从而由气液分离器的内部空气压力，水和反应后的燃料通过燃料回收管路输送到燃料罐上，在低水准时燃料排出调节阀门将开启，从而使空气通过空气排出管排出，而使水和反应后的燃料储藏到气液分离器，从而由简单的结构，在气液分离器上分离出的水和反应后的燃料回收到燃料罐上，进而使整个燃料电池系统的大小将变成小型化。

Description

燃料电池系统的燃料回收调节装置
技术领域
本发明是关于燃料电池，特别涉及的是燃料电池系统的燃料回收调节装置。更详细的说是关于通过从外部供给的燃料和空气的电化学反应产生电的燃料电池系统，由简单的构成而使回收使用完后的燃料能够再使用，从而能使机器的全体大小紧凑的构成的燃料电池系统的燃料回收调节装置
背景技术
一般，燃料电池系统是把燃料的能源直接转换为电能源的装置，这种燃料电池系统的电发生器是通常以高分子电解质膜为中心，在两边上附着阳极和阴极。阳极(氧化电极或燃料极)上进行燃料氢的电化学氧化反应，并且，阴极(还原电极或空气极)上进行氧化剂氧的电化学还原反应，此时因生成的电子移动而产生电能。
如此供给到燃料电池中的氢气是液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、甲醇(CH3OH)、汽油等碳氢系(CH系列)，燃料在转化炉里经过脱磺工程→转化反应→氢气提炼工程单提炼出氢(H2)并将提炼出的氢(H2)以气态的形式使用的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)系统，或是使用把固态的BH4-转化为水溶液状态，直接作为燃料使用的硼燃料电池(Boron Fuel Cell)系统。
现有BFC的简略构成如图1所示，对此进行简单说明如下。如图所示，现有的燃料电池1是在产生电的电发生器10的一侧上具备有为了储藏水溶液状态的BH4 -的燃料罐2，其燃料罐2和电发生器10的阳极入口部能够使燃料罐2的燃料供给到电发生器10的阳极上，而用燃料供给管路3进行连接，在其燃料供给管路3上设置有为了抽吸燃料的燃料泵4。
另外，上述电发生器10的阴极入口部上能够使外部空气供给到电发电器10的阴极上而用空气供给管路5进行连接，在其空气供给管路5上依次设置有为了过滤所供给空气的空气过滤器6和为了抽吸过滤后空气的空气压缩机7以及为了加湿空气的加湿器8。
另外，电发生器10的阳极出口部上连接为了排出反应完后燃料的燃料排出管路9的一端部，在阴极出口部上连接为了排出反应完后的空气和水蒸气的空气排出管路11的一端部。
另外，上述燃料排出管路9和空气排出管路11的另一端部连接在为了分离气体和液体的气液分离器12的一侧上端部上，其气液分离器12的另一端下端部和上述燃料罐2是由为了使从气液分离器12上分离出的水和燃料回收到燃料罐2上的燃料回收管路13进行连接，并在其燃料回收管路13上设置有为了抽吸气液分离器12的水和燃料的回收泵14。
未说明的图中符号15是水位传感器，16是空气排出管。
如上构成的现有燃料电池系统在机器的动作开关接通时，在燃料泵4上泵出储存在燃料罐2的水溶液状态BH4 -，并通过燃料供给管路3供给到电发生器10的阳极(燃料极)，与此同时启动空气压缩机7，使空气通过空气供给管路5供给到电发生器10的阴极(空气极)。
如上供给到电发生器10的水溶液状态的BH4 -和空气，在电发生器10中供给到把高分子电解质膜夹在中间两侧上触媒由碳布包裹而设置的阳极和防极上，从而在阳极上进行氢的电化学氧化反应在阴极上进行氧气的电化学还原，此时因生成的电子移动而产生电，此时发生的电聚集在集电板(图中未示出)上而用于能源。
此时的反应方程式如下：
阳极上是
副反应是
阴极上是 ，用NaOH(气)使反应后在阳极和阴极上产生的液体和气体在各自的气液分离器12上分离出来，如此分离出的反应后的燃料和水由循环泵14重新循环，而输送到燃料罐2上再使用，而在其气液分离器12上分离出的空气通过空气排出管16排出到外部。
但是，如上的现有的燃料电池系统中，为了在气液分离器12上分离出的水和燃料进行再活用，而采用如回收泵等装置，从而使整个系统的大小变大，制作费用上升，为了运转系统的耗电量上升的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种燃料电池系统的燃料回收调节装置，使系统的构成简单，从而使整个系统的大小变得小型化，且减少制造费用的同时，减少耗电量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括：阳极上的电化学氧化和阴极上的电化学还原而产生电的电发生器；设置在其电发生器的一侧使水溶液状态的BH4-燃料进行储藏的燃料罐；连接在其燃料罐和电发生器的阳极上并向发生器的阳极供给燃料的燃料供给管路；连接在电发生器的阴极入口部上并向发生器的阴极供给空气的空气供给管路；连接在电发生器的阳极出口部上并排出反应后燃料的燃料排出管路；连接在电发生器的阴极出口部上并排出反应后空气的空气排出管路；分别连接在燃料排出管路和空气排出管路上，并在反应后的燃料和空气中分离出液体和气体的气液分离器；连接在气液分离器和燃料罐之间的燃料回收管路构成，其特征在于提供具备在气液分离器的上端部上连接的空气排出管上设置燃料排出调节阀，在水位高水准时关闭，由气液分离器的内部空气压力，使水和反应后的燃料通过燃料回收管路输送到燃料罐上，在低水准时开启，使空气通过空气排出管排出，进而使水和反应后的燃料储藏到气液分离器上。
综上所述，本发明的有益效果是：燃料电池系统的燃料回收装置是在气液分离器的上端部上设置的空气排出管上设置燃料排出调节阀门，从而在气液分离器上分离的水和反应后的燃料在水位传感器成高水准时燃料排出调节阀门将关闭从而由气液分离器的内部空气压力而水和反应后的燃料通过燃料回收管路输送到燃料罐上，在成低水准时燃料排出调节阀门将开启从而使空气通过空气排出管排出，而使水和反应后的燃料储藏到气液分离器，从而由简单的结构而在气液分离器上分离出的水和反应后的燃料回收到燃料罐上，进而有使燃料电池系统的全体大小将变成小型化，能够减少制造费用，并能够减少耗电量的效果。
附图说明
图1是现有燃料电池结构的简略构成图。
图2是本发明的具备燃料回收调节装置的燃料电池系统的简略构成图。
图3是本发明单一电池结构的断面图。
图4是本发明的水位传感器成高水准状态的阀门动作状态图。
图5是本发明的水位传感器成低水准状态的阀门动作状态图。
图中：
101：电发生器                    102：燃料罐
103：燃料供给管路                104：燃料排出管路
109：空气供给管路                110：空气排出管路
120：气液分离器                  123：空气排出管
124：水位传感器                  124a：高水准
124b：低水准                     132：阳极
133：阴极                        200：燃料排出调节阀
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：图2是本发明的具备燃料回收调节装置的燃料电池系统的简略构成图。如图所示，本发明的燃料电池100设置有与由水溶液状态的BH4 -和空气的电化学反应完成发电的电发生器101间隔一定距离储藏供给到电发生器101的阳极132上的水溶液状态的BH4 -燃料罐102。
另外在上述燃料罐102的下部和电发生器101的阳极132入口部为了能够供给燃料而用燃料供给管路103进行连接，在阳极132的出口部上连接有燃料排出管路104，且在燃料供给管路103上设置有为了抽吸燃料的燃料泵105。
此外在上述电发生器101的阴极133入口部上连接有为了能够供给空气而设置有空气供给管路109，在阴极133的出口部上设置有能够排出反应后空气的空气排出管110。
并在上述空气供给管路109上依次设置有为了过滤供给到电发生器101上空气的空气过滤器111，为了送风空气的空气压缩机112，为了加湿空气的加湿器113。
此外，从上述燃料排出管路104和空气排出管路110中排出的燃料和空气连接到各自的气液分离器120上，其气液分离器120和燃料罐102用水再活用管122进行连接。
另外，在上述气液分离器120的上端部上设置为了排出气液分离器120上分离出空气的空气排出管123，在其空气排出管123上设置有由气液分离器120上设置的水位传感器124而在水和反应后的燃料125感知成高水准124a时将关闭，由内部压力而使水和反应后的燃料输送到燃料罐102上，在低水准124b时将开启而能够在气液分离器120内部上储藏水和反应后燃料的燃料排出调节阀200。
上述电发生器101可以是连续层叠多个单一电池的形态或单一电池的形态。如图3所示，对单一电池的结构进行说明，包括：在电解质膜131的两侧上粘着为了扩散反应气体的阳极132和阴极133而构成的膜-电极接合体134；紧密粘着在上述膜-电极接合体134的两侧而组装从而在阳极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；设置在分隔板136的两侧构成阳极132和阴极133的集电极的集电板137而构成。
上述膜-电极接合体134的电解质膜131是由高分子材料构成的离子交换膜，且有代表性的商品化的电解质膜131有杜邦公司的Nafion电解质膜，具有作氢离子传导体的作用的同时，有阻挡氧气和氢气接触的作用，阳极和阴极是如图4所示，支持铂(Pt)催化层的支持体，是由多孔性碳布142在电解质膜131的两侧粘贴的结构。
上述分隔板136是由致密质的碳板来形成且在内侧面上形成有为了使流体流动的多个流路槽135a。
上述集电板137应该是导电性好、耐蚀性好、并且是不会发生氢脆化的为最佳，具体是使用钛、不锈钢、铜等能满足上述要求的任何一个都可以。
如上构成的本发明的具有水捕捉装置的燃料电池系统中在机器的动作开关接通时，蓄电池上供给的电源通过电力变换器供给到燃料泵105上从而启动燃料泵105，随之抽吸储存在燃料罐102里的水溶液状态BH4 -再通过燃料供给管路103使燃料供给到电发生器101的阳极132。
此外，上述空气压缩机112通过空气供给管路109使空气供给到电发生器101的阴极133，如此供给的空气是在空气过滤器111上进行过滤后在加湿器113上加湿成恰当的适度而供给。
如上述供给到电发生器101内部的水溶液状态BH4 -间隔着电解质膜131沿着在阳极132的外侧面上形成的流路135流动，并且进行全面扩散，空气沿着阴极133的外侧面上形成的流路135流动，并且进行全面扩散，从而在阳极132上进行电化学氧化反应，而在阴极133上进行电化学还原反应，这时生成的电子移动产生电，此时产生的电在集电板137上集聚并使用为能量源。
在上述电发生器101上发生的反应方程式是：
Anode：   E0＝1.24V
Cathode：         E0＝0.4V
Total：           E0＝1.64V
如上的用于燃料的水溶液状态的BH4 -中为了使溶液成稳定的溶液而混合一定量的Na，随之根来的副反应是
阴极：2H2O+NaBH4+4H2
另外，如上阳极上反应后的燃料和气体及阴极上反应后的排出的空气和水是通过燃料排出管道104和空气排出管道110排出到气液分离器120上，在从其气液分离器120分离出的燃料和水通过燃料回收管路122回收到燃料罐102上。
即，储藏在气液分离器120上的水和反应后的燃料125水位，如图4所示，达到水位传感器124的高水准(HI)124a时燃料排出调节阀200将关闭，从而由气液分离器120的内部的空气压力而水和反应后的燃料125通过燃料回收管路122排出并且回收到燃料罐102上。
相反，储藏在气液分离器120上的水和反应后的燃料125水位，如图5所示，达到水位传感器124的低水准(L0)124b时，燃料排出调节阀200将开启，从而气液分离器120的内部的空气通过空气排出管123排出到外部，而水和反应后的燃料125则是储藏到气液分离器120上。
即，在本发明中是除去在现有的燃料电池系统中具备的回收泵，并使从气液分离器120上分离出的水和反应后的燃料125是由调解在空气排出管123上设置的燃料排出调节阀200而完成，因此燃料电池系统将缩小成在现有设置有回收泵的系统中除去回收泵后的那样大小。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统的燃料回收调节装置，包括：阳极上的电化学氧化和阴极上的电化学还原而产生电的电发生器；设置在其电发生器的一侧使水溶液状态的BH4-燃料进行储藏的燃料罐；连接在其燃料罐和电发生器的阳极上并向发生器的阳极供给燃料的燃料供给管路；连接在电发生器的阴极入口部上并向发生器的阴极供给空气的空气供给管路；连接在电发生器的阳极出口部上并排出反应后燃料的燃料排出管路；连接在电发生器的阴极出口部上并排出反应后空气的空气排出管路；分别连接在燃料排出管路和空气排出管路上，并在反应后的燃料和空气中分离出液体和气体的气液分离器；连接在气液分离器和燃料罐之间的燃料回收管路构成，其特征在于，提供具备在气液分离器的上端部上连接的空气排出管上设置燃料排出调节阀，在水位高水准时关闭，由气液分离器的内部空气压力，使水和反应后的燃料通过燃料回收管路输送到燃料罐上，在低水准时开启，使空气通过空气排出管排出，进而使水和反应后的燃料储藏到气液分离器上。
2.根据权利要求1所述燃料电池系统的燃料回收调节装置，其特征是，在上述气液分离器的内部设置有水位传感器，为了感知水和反应后燃料的水位，燃料排出调节阀随其水位传感器的高水准或低水准而动作。
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