CN1612396A - 燃料电池的加湿量调节装置 - 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
許成根
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池的加湿量调节装置。设置在由燃料电池堆、燃料供应部、空气供应部和电能输出部组成的燃料电池系统中，其包括湿度检出部、温度调节部和控制部。本发明提供的燃料电池的加湿量调节装置当负荷变动时是利用加热器/冷却器或空气泵来调节空气的相对湿度，从而可以增减燃料电池堆上空气极的加湿量，使空气泵在适宜的输出下运行，不仅可以防止电能损失，而且可以防止因加湿过多或加湿不足而引起的燃料电池性能低下等问题。

Description

燃料电池的加湿量调节装置
技术领域
本发明涉及一种利用燃料电池产生电能的系统，特别是涉及一种可以调节利用硼化合物等液体燃料的硼燃料电池系统中空气极加湿量的燃料电池的加湿量调节装置。
背景技术
人类使用的能源大部分是从化石燃料获得。使用这些燃料不仅会造成大气污染、酸雨或地球温室效应等严重的环境问题，而且能源的利用率较低。可使用燃料电池来代替上述的化石燃料。与普通的电池不同，燃料电池是一种利用由外部提供给阳极的燃料(氢气或烃类燃料)进行的氧化反应和提供给阴极的氧气进行的还原反应而产生电和热的电池系统，实际上也可将其视为一种发电装置。燃料电池发电方法是一种不经过燃料的燃烧，而是利用氢气和氧气的电化学反应将反应前后的能量差直接转换成电能的方法。根据电解质的类型燃料电池可分为：在200℃左右工作的磷酸型燃料电池；在60℃～110℃下工作的钾电解质型燃料电池；在常温～80℃下工作的高分子电解质燃料电池；在大约500～700℃的高温下工作的熔融碳酸盐电解质型燃料电池；和在1000℃以上高温下工作的固体氧化物燃料电池等。图1为已有技术的燃料电池系统构成图。如图1所示，这种已有技术的燃料电池包括：为使氢气和氧气在中间为图中未示出的电解质膜两侧设置的燃料极11和空气极12上进行电化学反应而产生电能的燃料电池堆10；可将含氢的液态氢化硼(BH4)，实际上将硼氢化钠(NaBH4)提供给燃料极11的燃料供应部20；可将含氧的空气提供给空气极12的空气供应部30；和可将燃料电池堆10产生的电能提供给负荷的电能输出部40。其中，燃料供应部20由可装入一定量硼氢化钠的燃料箱21；可将燃料箱21的出口连接到燃料电池堆10上燃料极11的燃料供应管22；和设置在燃料供应管22的中间，并可将燃料提供给燃料电池堆10上燃料极11的燃料泵23构成。而空气供应部30由露天设置的空气过滤器31；可将空气过滤器31的出口连接到燃料电池堆10上空气极12的空气供应管32；设置在空气供应管32的中间，可将空气提供给燃料电池堆10上空气极12的空气泵33；和设置在空气泵33和燃料电池堆10的空气极12之间并可加湿空气的加湿器34构成。由如上装置构成的燃料电池发电过程如下：当驱动燃料泵23时，其可从燃料箱22中抽取液态BH4，然后提供给燃料电池堆10的燃料极11，此燃料在与向空气极12提供的氧气进行电化学反应而生成水的同时在两电极之间产生电流。
在燃料极11上进行的燃料氧化反应为：
并通过图中未示出的电解质膜传递氧化/还原反应中生成的离子。
而在空气极12上进行的氧气还原反应为：
这时，在燃料极11和空气极12间就会产生电动势，与燃料电池堆10相连的电能输出部40就可利用此电动势将电流提供给负荷。但是，由于这种燃料电池是根据负荷的大小来改变系统的输出，为了对应最大的输出，空气泵33一直按最大容量运行，这样不仅会出现电力损失及因加湿过多而引起的所谓‘溢流’现象，而且还存在燃料电池性能较低的问题。
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随着负荷的变动来调节空气极加湿量的燃料电池的加湿量调节装置。
为了达到上述目的，本发明提供的燃料电池的加湿量调节装置设置在中间为电解质膜而其两侧为燃料极和空气极，可为燃料极提供含氢的燃料，而为空气极提供含氧的空气，利用氢气和氧气发生的电化学反应而产生电能的燃料电池堆；连接在燃料电池堆的燃料极，并可为燃料极提供燃料的燃料供应部；连接在燃料电池堆的空气极，中间按顺序装有空气泵和加湿器，从而将空气泵抽取的空气加至适当的湿度后提供给空气极的空气供应部；和可将燃料电池堆产生的电能提供给负荷的电能输出部组成的燃料电池系统中，所述的燃料电池的加湿量调节装置包括：设置在空气供应部的加湿器与燃料电池堆的空气极之间，并可检测出提供给空气极的空气相对湿度的湿度检出部；可调节空气供应部的加湿器温度，并可维持提供给空气极的空气相对湿度的温度调节部；和设置在湿度检出部与温度调节部之间，可将湿度检出部检测出的相对湿度与设定的相对湿度进行比较，并可调节温度调节部的运行情况以控制空气极加湿量的控制部。
本发明提供的燃料电池的加湿量调节装置设置在中间为电解质膜而其两侧为燃料极和空气极，可为燃料极提供含氢的燃料，而为空气极提供含氧的空气，利用氢气和氧气发生的电化学反应而产生电能的燃料电池堆；连接在燃料电池堆的燃料极，并可为燃料极提供燃料的燃料供应部；连接在燃料电池堆的空气极，中间按顺序装有空气泵和加湿器，从而将空气泵抽取的空气加至适当的湿度后提供给空气极的空气供应部；和可将燃料电池堆产生的电能提供给负荷的电能输出部组成的燃料电池系统中，所述的燃料电池的加湿量调节装置包括：设置在空气供应部的加湿器与燃料电池堆的空气极之间，并可检测出提供给空气极的空气相对湿度的湿度检出部；和设置在湿度检出部和空气供应部的空气泵之间，可将湿度检出部检测出的相对湿度与设定的相对湿度进行比较，并可调节空气泵的运行速度以控制空气极加湿量的控制部。
本发明提供的燃料电池的加湿量调节装置当负荷变动时是利用加热器/冷却器或空气泵来调节空气的相对湿度，从而可以增减空气极的加湿量，使空气泵在适宜的输出下运行，不仅可以防止电能损失，而且可以防止因加湿过多或加湿不足而引起的燃料电池性能低下等问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的燃料电池的加湿量调节装置进行详细说明。
图1为已有技术的燃料电池系统构成图。
图2为本发明的燃料电池系统构成图。
图3为本发明的燃料电池加湿量调节过程流程图。
图4为本发明的燃料电池另一实施例系统构成图。
图5为本发明的燃料电池另一实施例加湿量调节过程流程图。
具体实施方式
如图2、图3所示，本发明提供的燃料电池包括：可使氢气与氧气在中间为图中未示出的电解质膜两侧设置的燃料极11和空气极12上进行电化学反应而产生电能的燃料电池堆10；可将含氢的硼氢化钠(NaBH4)提供给燃料极11的燃料供应部20；可将含氧的空气提供给空气极12的空气供应部30；可将燃料电池堆10中产生的电能提供给负荷的电能输出部40；设置在空气供应部30与燃料电池堆10之间，可检测出提供给空气极12的空气湿度的湿度检出部50；以湿度检出部50检测出的空气相对湿度为基准来调节加湿器34温度的温度调节部60；和设置在湿度检出部50与温度调节部60之间，可将从湿度检出部50检测出的湿度与设定的湿度进行比较，然后控制温度调节部60的控制部70。其中，燃料供应部20包括：可装入一定量硼氢化钠的燃料箱21；可将燃料箱21的出口连接到燃料电池堆10上燃料极11的燃料供应管22；和设置在燃料供应管22的中间，可将燃料提供给燃料电池堆10上燃料极11的燃料泵23。而空气供应部30包括：露天设置的空气过滤器31；可将空气过滤器31的出口连接到燃料电池堆10上空气极12的空气供应管32；设置在空气供应管32的中间，可为燃料电池堆10上的空气极12提供空气的空气泵33；和设置在空气泵33与燃料电池堆10的空气极12之间，可增加空气中水分的加湿器34。湿度检出部50为设置在空气供应部30上加湿器34的出口与燃料电池堆10上空气极12的入口之间，可检测出经过空气供应管32的空气相对湿度的湿度计。温度调节部60由设置在加湿器34的一侧，可将加湿器34按所定的温度进行加热的加热器或者按所定的温度进行冷却的冷却器构成。控制部70包括：分别连接电能输出部40的输出侧和湿度检出部50的输出侧，并可接受电能输出部40计算出的适宜相对湿度和流经空气供应管32的空气当前相对湿度的输入侧；与输入侧相连，可将适宜相对湿度与当前相对湿度进行比较，并可判断出是否加热或冷却加湿器34的计算侧；和可连接计算侧和温度调节部60，并将计算侧的判断结果传送给温度调节部60的输出侧。具有如上构成的本发明的燃料电池加湿量调节装置工作过程如下：当向燃料极11提供含氢的硼氢化钠(NaBH4)而向空气极12提供含氧的空气时，燃料和空气可在图中未示出的电解质膜两侧的燃料极11和空气极12上进行反应而产生离子。
在燃料极11上进行的燃料氧化反应为：
并通过图中未示出的电解质膜传递氧化/还原反应中生成的离子。
而在空气极12上进行的氧气还原反应为：
此反应过程中产生的电能可通过电能输出部40提供给负荷以驱动各种必要的电器产品。但实际运行中有时需要反复开关这些电器产品，这样就会使燃料电池的负荷随时间不同而改变。为此，本发明的一个实施例是将单位时间改变的空气适宜相对湿度与当前相对湿度进行比较，使空气的相对湿度始终维持在适当的数值下，这样就可以减少空气泵33的运行负荷，因而也就不会产生过多的电能。例如，如图2及图3所示，可利用电能输出部40中设置的图中未示出的负荷检测装置对负荷的变化进行检测并计算出空气的适宜相对湿度h1，然后将此相对湿度h1提供给控制部70的输入侧，同时利用湿度检出部50检测出通过空气供应管32的空气当前相对湿度h2并将其提供给控制部70的输入侧。计算侧可将提供给控制部70输入侧的适宜相对湿度h1和当前相对湿度h2进行比较，如果数值相近或者处于所定的范围内时就维持现有的加湿状态，而若适宜相对湿度h1高于当前相对湿度h2一定范围的话，控制部70的输出侧就会向温度调节部60下达加热指令以提高当前相对湿度h2，相反若适宜相对湿度h1低于当前相对湿度h2一定范围的话，控制部70的输出侧就会向温度调节部60下达冷却指令以降低当前相对湿度h2。本实施例是通过增加或减少空气的当前相对湿度h2来调节空气极12的加湿量，但图4和图5提供的实施例是通过加快或减慢空气的供应速度来调节空气极12的加湿量。如图4及图5所示，空气供应部30包括空气过滤器31、空气供应管32、空气泵33及加湿器34。空气泵33采用了可以调节运行速度的变极器。可检测出通过空气供应管32提供给燃料电池堆10上空气极12的空气湿度的湿度检出部50设置在加湿器34与空气极12之间的空气供应管32上，而可将湿度检出部50检测出的当前相对湿度h2与电能输出部40检测并计算出的适宜相对湿度h1进行比较并可调节空气泵33运行速度的控制部70则设置在湿度检出部50及电能输出部40与空气泵33之间。这样，控制部70就能将提供给其输入侧的适宜相对湿度h1与当前相对湿度h2在其计算侧中进行比较，如果数值相近或处于所定的范围内时就维持空气泵33的现运行速度，而若适宜相对湿度h1高于当前相对湿度h2一定范围的话，控制部70的输出侧就会向空气泵33下达加速指令以加大空气的供应量，相反若适宜相对湿度h1低于当前相对湿度h2一定范围的话，控制部70的输出侧就会向空气泵33下达减速指令以降低空气的供应量。因此，燃料电池在运行过程中就可随着负荷的变动来增减空气极的加湿量，不仅可以防止电能损失，而且可以防止因加湿过多或加湿不足而引起的燃料电池性能低下等问题。

Claims (3)

1.一种燃料电池的加湿量调节装置，设置在由中间为电解质膜而其两侧为燃料极(11)和空气极(12)，可为燃料极(11)提供含氢的燃料，而为空气极(12)提供含氧的空气，利用氢气和氧气发生的电化学反应而产生电能的燃料电池堆(10)；连接在燃料电池堆(10)的燃料极(11)，并可为燃料极(11)提供燃料的燃料供应部(20)；连接在燃料电池堆(10)的空气极(12)，中间按顺序装有空气泵(33)和加湿器(34)，从而将空气泵(33)抽取的空气加至适当的湿度后提供给空气极(12)的空气供应部(30)；和可将燃料电池堆(10)产生的电能提供给负荷的电能输出部(40)组成的燃料电池系统中，其特征在于：所述的燃料电池的加湿量调节装置包括：设置在空气供应部(30)的加湿器(34)与燃料电池堆(10)的空气极(12)之间，并可检测出提供给空气极(12)的空气相对湿度的湿度检出部(50)；可调节空气供应部(30)的加湿器(34)温度，并可维持提供给空气极(12)的空气相对湿度的温度调节部(60)；和设置在湿度检出部(50)与温度调节部(60)之间，可将湿度检出部(50)检测出的相对湿度与设定的相对湿度进行比较，并可调节温度调节部(60)的运行情况以控制空气极(12)加湿量的控制部(70)。
2.一种燃料电池的加湿量调节装置，设置在中间为电解质膜而其两侧为燃料极(11)和空气极(12)，可为燃料极(11)提供含氢的燃料，而为空气极(12)提供含氧的空气，利用氢气和氧气发生的电化学反应而产生电能的燃料电池堆(10)；连接在燃料电池堆(10)的燃料极(11)，并可为燃料极(11)提供燃料的燃料供应部(20)；连接在燃料电池堆(10)的空气极(12)，中间按顺序装有空气泵(33)和加湿器(34)，从而将空气泵(33)抽取的空气加至适当的湿度后提供给空气极(12)的空气供应部(30)；和可将燃料电池堆(10)产生的电能提供给负荷的电能输出部(40)组成的燃料电池系统中，其特征在于：所述的燃料电池的加湿量调节装置包括：设置在空气供应部(30)的加湿器(34)与燃料电池堆(10)的空气极(12)之间，并可检测出提供给空气极(12)的空气相对湿度的湿度检出部(50)；和设置在湿度检出部(50)和空气供应部(30)的空气泵(33)之间，可将湿度检出部(50)检测出的相对湿度与设定的相对湿度进行比较，并可调节空气泵(33)的运行速度以控制空气极(12)加湿量的控制部(70)。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的加湿量调节装置，其特征在于：所述的控制部(70)与电能输出部(40)相连，其可将电能输出部(40)计算出的适宜相对湿度与湿度检出部(50)检测出的当前相对湿度进行比较并加以控制。
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