CN1691393A - 燃料处理装置、具有该装置的燃料电池系统及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，该系统包括电池堆、燃料处理装置、燃料供应单元和空气供应单元。电池堆通过氢气和氧气之间的反应发电，燃料处理装置与电池堆相连，以从燃料中产生氢气并将所获得的氢气提供给电池堆，燃料供应单元将燃料提供给燃料处理装置，空气供应单元将空气分别提供给电池堆和燃料处理装置。燃料处理装置包括通过利用电能的燃料电解反应产生与氢气一道的副产品的第一重整器和利用热能通过燃料的重整反应产生氢气的第二重整器。本发明的燃料电池系统由于将从第一重整器排出的副产品和从电池堆排出的未反应的氢气作为第二重整器的热源被再利用，所以可减少燃料消耗量并可提高整个燃料电池系统的热效率。

Description

燃料处理装置、具有该装置的燃料 电池系统及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种具有利用电能和热能的综合燃料处理装置的燃料电池系统。
背景技术
概括而言，燃料电池是将包含在如甲醇、乙醇和天然气之类的碳氢化合物材料中的氢气与氧气之间反应产生的化学能直接转换成电能的发电系统。
与其他燃料电池相比，近来研发的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有极佳的输出特性、低工作温度及快速启动和响应特性。PEMFC具有宽广的应用范围，包括用于车辆的移动电源、用于房屋或建筑物的配电电源、和用于电子装置的小型电源。
PEMFC主要需要电池堆、重整器、燃料箱和燃料泵。电池堆构成通过氢气和氧气之间反应发电的燃料电池主体。燃料泵将存储在燃料箱中的燃料提供给重整器。然后，重整器转化燃料以产生氢气并将氢气提供给电池堆。
PEMFC的重整器通过需要输入热能的催化化学反应从燃料中产生氢气。因此，重整器包括产生热能的热源单元和利用热能通过燃料转化产生氢气的重整单元。热源单元产生热能，此热能是利用使催化剂氧化在燃料和氧气之间通过氧化反应产生的。
由于重整器在燃料和氧气之间通过氧化反应产生热能并利用热能通过燃料的重整反应产生氢气，导致这些反应所需的启动时间延长。这将使系统负载集中在重整器上，因而将降低燃料电池系统的整体性能。
针对快速启动系统和分配系统负载的各种研究已有所进展。这类重整器的例子被公开在美国专利6299744号中，其将燃料转化为氢气和如一氧化碳及二氧化碳之类的副产品。这种重整器有利于启动系统和分配系统负载，但由于不能除去或者再利用其副产品，相反副产品被直接排出，因而对系统的性能和可靠性不利。
在传统的燃料电池系统中，电池堆排放出发电后残留的未反应的氢气。这时，未反应的氢气未被再利用而被排放掉，由此降低了整个燃料电池系统的热效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种燃料处理装置、包括该燃料处理装置的燃料电池系统、和用于驱动该燃料电池系统的方法。
本发明的解决方案是提供一种利用电能和热能从燃料中产生氢气的综合燃料处理装置，借此可缩短燃料电池系统的启动时间和分配集中在重整器上的负载。这种改进可提高整个燃料电池系统的性能。
此外，由于从第一重整器排放出的副产品和从电池堆排放出的未反应的氢气能够作为第二重整器的热源被再利用，可降低燃料消耗和提高整个燃料电池系统的热效率。
在随后的描述中将阐述本发明的其他特点，其中部分特点可从这些描述中明显得知，或从本发明的实施中得到启示。
本发明公开了一种用于燃料电池系统的燃料处理装置，该装置与通过氢气和氧气之间的反应发电的电池堆相连，其从燃料中产生氢气并将氢气提供给电池堆。本燃料处理装置包括利用电能通过燃料的电解反应产生氢气的第一重整器和利用热能通过燃料的重整反应产生氢气的第二重整器。
本发明还公开了一种燃料电池系统，其包括通过氢气和氧气之间的反应发电的电池堆和与电池堆连接以从燃料产生氢气并将氢气提供给电池堆的燃料处理装置。此燃料电池系统还包括分别将燃料提供给燃料处理装置的燃料供应单元和将空气提供给电池堆和燃料处理装置的空气供应单元。所述燃料处理装置包括利用电能通过燃料的电解反应产生氢气的第一重整器。该燃料处理装置还包括利用热能通过燃料的重整反应产生氢气的第二重整器。
本发明也公开了一种驱动包括通过氢气和氧气之间的反应发电的电池堆的燃料电池系统的方法。燃料电池系统包括利用电能通过燃料的电解反应产生氢气的第一重整器以及利用热能通过燃料的重整反应产生氢气的第二重整器。该方法包括：启动燃料电池系统时驱动第一和第二重整器；使第一重整器产生氢气并将由此得到的氢气提供给电池堆；以及使第二重整器产生氢气并将氢气提供给电池堆。
可以理解，上面的概括性描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，旨在进一步说明所要求保护的本发明。
附图说明
下面将结合附图对一些示例性实施方式进行详细描述，通过这些描述本发明的上述和其它特点和优点将变得更加清晰。
图1的方框图示意地示出了本发明第一实施方式的燃料电池系统的整体结构；
图2是图1所示的电池堆结构的分解透视图；
图3的横截面图示意地示出了图1所示的第一重整器的结构；
图4的横截面图示意地示出了图1所示的第二重整器的结构；
图5的方框图示意地示出了本发明第二实施方式的燃料电池系统结构；
图6的方框图示意地示出了本发明第三实施方式的燃料电池系统的结构；
图7的方框图示意地示出了本发明第四实施方式的燃料电池系统的结构。
具体实施方式
图1的方框图示意性地示出了本发明第一实施方式的燃料电池系统的整体结构。
参考图1，第一实施方式的燃料电池系统100具有PEMFC型式，其重整燃料以产生氢气，并使氢气和氧气互相反应以发电。
燃料电池系统100中使用的燃料可以包括含有氢气的液态或气态燃料例如甲醇、乙醇或天然气。在下面所描述的本实施方式中所使用的燃料是液体形式。
燃料电池系统100可以利用存储在另外的存储装置中以和氢气反应的纯氧，或者可以利用含有氧气的空气。下面的描述使用来自空气中的氧气。
燃料电池系统100包括通过氢气和氧气之间的反应发电的电池堆10和重整燃料以产生氢气、并将氢气提供给电池堆10的燃料处理装置30。燃料电池系统100还包括将燃料提供给燃料处理装置30的燃料供应单元50和将空气提供给电池堆10的空气供应单元70。
如图2所示，电池堆10包括通过氢气和氧气之间的电化学反应发电的发电单元11。发电单元11是将也称作“双极板”的隔离膜16设置在膜电极组件(MEA)12的两表面上的单元燃料电池。通过顺序地堆叠多个发电单元11形成电池堆10。
MEA 12包括形成在MEA的一表面上的阳极、形成在MEA 12的另一表面上的阴极、和形成在阳极和阴极之间的电解质膜。阳极将氢气分离成电子和氢离子。电解质膜作为用于将氢离子转移到阴极的媒介。阴极产生水，水是电子和从阳极电极侧供给的氢离子及空气中含有的氧气反应的副产品。
隔离膜16向MEA 12提供氢气和氧气，还使MEA 12的阳极和阴极耦连。
电池堆10的最外边缘可以设置用于压紧多个发电单元11的压板13。当然，本发明的电池堆10也可设置成没有压板13，此时将隔离膜16设置在发电单元11的最外侧以压紧多个发电单元11。
此外，压板13包括用于将氢气提供给发电单元11的氢气注入口13a、用于向发电单元11提供空气的空气注入口、用于从发电单元11排出未反应氢气的未反应氢气排放口13c、以及用于从发电单元11释放未反应空气和通过氢气和氧气之间的反应产生的水的水排放口13d。
在本实施方式中，燃料处理装置30包括利用电能从燃料中产生氢气的第一重整器20和利用热能从燃料中产生氢气的第二重整器40。随后将参考图3和图4详细描述第一重整器20和第二重整器40的结构。
燃料供应单元50向燃料处理装置30的第一和第二重整器20和40提供燃料，该供应单元包括存储燃料的燃料箱51和具有用于从燃料箱51中排出燃料的传统结构的燃料泵53。
空气供应单元70包括至少一个空气泵71，该空气泵可以抽吸来自大气或者另外的气源的空气，并将空气提供给电池堆10的发电单元11和燃料处理装置30的第二重整器40。在如图1所示的实施方式中，空气供应单元70通过单个空气泵71将空气提供给发电单元11和第二重整器40。当然，空气供应单元70不限于这种结构，还可以用包括连接到发电单元11和第二重整器40的一对空气泵代替。此外，空气供应单元70可以包括替代空气泵71的风机。
图3的横截面图示意地示出图1所示的第一重整器的结构。
参考图3，本示例性实施方式的第一重整器20利用电能通过燃料的电解反应产生氢气，其被公开在美国专利6299744号中。
第一重整器20包括形成预定内部空间的壳体21。电解质膜24将壳体21的内部空间分隔为独立的空间以形成阳极室22和阴极室23。阳极25设置在阳极室22中的电解膜24的一侧，阴极26设置在阴极室23中的电解膜24的另一侧。与阳极25和阴极26相连的电源27向阳极25和阴极26提供电压。
阳极室22通过管道与燃料箱51相连并接收来自燃料箱51的燃料。阴极室23形成用电解质膜24与阳极室22的内部空间分离的真空区(emptyspace)。阳极25形成在作为用于氧化反应的催化剂的电解质膜24的一表面上。阴极26形成在作为用于还原反应的催化剂的电解质膜24的另一表面上。阳极室22包括例如用于排放通过阳极25的氧化反应产生的如一氧化碳和二氧化碳之类的副产品的副产品排放口28。阴极室23包括用于排放通过在阴极26处的还原反应产生的氢气的氢气排放口29。这时，氢气排放口29可以通过管道连接到如图2所示的电池堆10的氢气注入口13a。
图4的横截面图示意性地示出如图1所示的第二重整器40的结构。
参考图4，本示例性实施方式的第二重整器40具有利用热能通过燃料的催化转化产生氢气的传统重整器结构，例如，蒸汽重整、部分氧化和自热反应(auto-thermal reaction)。
根据本实施方式，第二重整器40包括通过燃料和空气之间的氧化反应产生热能的热源单元41。第二重整器40还包括利用从热源单元41产生的热能通过重整反应从燃料产生氢气的重整单元42。
热源单元41具有容易地将通过燃料和空气之间的氧化反应产生的热能传递到重整单元42的结构。它还包括加速燃料和空气之间的氧化反应以消耗(combust)燃料和空气的催化剂43。热源单元41通过管道与燃料供应单元50的燃料箱51相连，并可与空气供应单元70的空气泵71相连。
重整单元42包括加速产生氢气的燃料重整的催化剂44。重整单元42通过管道与燃料供应单元50的燃料箱51相连并可以连接到如图2所示的电池堆的氢气注入口13a。
根据本实施方式，构成第二重整器40的热源单元41和重整单元42可以形成在如图4所示的容器中。当然，本发明不限于这种情况，热源单元41和重整器单元42可以用平板形部件代替，该平板形部件具有用于各反应需要的燃料流动的通道和形成在所述通道中的催化层，而且热源单元和重整单元彼此紧密接触。
下面将详细描述驱动本发明第一示例性实施方式的燃料电池系统的方法。
首先，起动燃料泵53以将存储在燃料箱51中的燃料提供给第一重整器20的阳极室22；同时启动第一重整器20和第二重整器40。接着通过第一重整器20的电源27向阳极25施加正电压并向阴极26施加负电压。这导致在阳极25和阴极26上同时发生电解反应。该反应通过在阳极室22中阳极25的氧化反应从燃料中产生氢离子(质子)和电子。这时，通过阳极室22的副产品排放口28排放如一氧化碳和二氧化碳之类的副产品。
接着，通过电解质膜24将氢离子转移到阴极26，而电子通过导线移动到阴极26。然后，通过阴极电极26的还原反应使氢离子和电子结合，3
阴极室23生成用于电池堆10工作的足够量的氢气。通过阴极室23的氢气排放口29将所获得的氢气排出。
通过燃料泵51向第二重整器40的热源单元41供给燃料，并通过空气泵71向热源单元41提供空气。然后，热源单元41通过燃料和空气中含有的氧气之间的氧化反应产生热量，并将热能提供给重整单元42。
同时，通过燃料泵51将燃料提供给重整单元42。然后，重整单元42利用来自热源单元41的热量通过燃料的重整催化反应产生足以使电池堆10工作的氢气量。
即使在启动第一重整器20的同时启动第二重整器40，第二重整器40在第一重整器之后产生氢气。这是因为第一重整器20利用电能产生氢气，因此启动时间短。反之，第二重整器40通过在燃料和氧气之间氧化反应产生热量，然后利用热能通过重整反应产生氢气，因此其启动时间比第一重整器20长。
若第二重整器40产生足够量的氢气，则中断向第一重整器20供应燃料和电源。于是，第一重整器20停止工作。
将从重整单元42产生的氢气输送到电池堆10的氢气注入口13a，同时通过空气泵71将空气输送到空气注入口13b。然后，通过隔离膜16将氢气和空气提供给MEA 12。因此，电池堆10的发电单元11通过氢气和空气中含有的氧气之间的化学反应发电。
根据第一实施方式，启动燃料电池系统100时，使用电能的第一重整器20可完全不依赖于利用热能的第二重整器40而产生氢气。因此，能更快速地启动燃料电池系统。而且，由于第一和第二重整器20和40同时产生使电池堆10工作的足够量的氢气，所以可以分配集中在第二重整器40上的负载。
图5的方框图示意性地示了本发明第二实施方式的燃料电池系统的结构。
参考图5，除可将第二重整器40A构成为通过由第一重整器20的副产品排放口28排放的副产品的氧化反应产生热能之外，第二实施方式的燃料电池系统200具有与第一实施方式相同的基本结构。
为此，本实施方式的燃料电池系统200包括将第一重整器20的副产品排放口28和第二重整器40A的热源单元41A彼此连接的第一连接单元60。第一连接单元60具有一端与副产品排放口28相连、另一端与热源单元41A相连的第一管道61。
据此，当将由第一重整器20的副产品排放口28排出的副产品通过第一管道61提供给第二重整器40A的热源单元41A、并通过空气泵71将空气提供给热源单元41A时，通过所述副产品和空气之间的氧化反应，热源单元41A产生热量。
由于第二实施方式的燃料电池系统200的其它结构和工作元件与第一实施方式相同，在此不再赘述。
图6的方框图示意地示出本发明第三实施方式的燃料电池系统。
参考图6，除第二重整器40B通过由电池堆10的未反应氢气排放口13c排出的未反应的氢气的氧化反应产生热量之外，第三实施方式的燃料电池系统300具有同第一实施方式相同的基本结构。
为此，第三实施方式的燃料电池系统300包括用于连接电池堆10的未反应的氢气排放口13c和第二重整器40B的热源单元41B的第二连接单元80。第二连接单元80具有一端与未反应氢气排放口13c相连、另一端与热源单元41B相连的第二管道81。
当将从电池堆10的未反应氢气排放口13c排出的未反应的氢气通过第二管道81提供给第二重整器40B的热源单元41B、且通过空气泵71将空气提供给热源单元41B时，通过在未反应的氢气和氧气之间的氧化反应热源单元41B产生热量。
另外，由于第三实施方式的燃料电池系统300的结构和工作情况与第一实施方式相同，在此不再赘述。
图7的方框图示意地示出本发明的第四实施方式的燃料电池系统的结构。
参考图7，除将第二重整器40C构造成通过由第一重整器20的副产品排放口28排出的副产品和从电池堆10的未反应的氢气排放口13c中排出的未反应的氢气之间的氧化反应来产生热量之外，第四实施方式的燃料电池系统400具有和所述实施方式相同的基本结构。
为此，第四实施方式的燃料电池系统400包括连接第一重整器20的副产品排放口28和第二重整器40C的热源单元41C的第一连接单元60。它还包括连接电池堆10的未反应氢气排放口13c和第二重整器40C的热源单元41C的第二连接单元80。第四实施方式的第一连接单元60和第二连接单元80分别具有与第二实施方式和第三实施方式的第一和第二连接单元相同的结构，在此不再赘述。
通过第一连接单元60将从第一重整器20的副产品排放口28排出的副产品提供给第二重整器40C的热源单元41C。通过第二连接单元80将从电池堆10的未反应氢气排放口13c排出的未反应的氢气提供给第二重整器40C的热源单元41C。然后，通过副产品和未反应的氢气与通过空气泵71提供给热源单元41B中的空气中所含的氧气之间的氧化反应，热源单元41C产生热量。
本发明提供了一种利用电能和热能从燃料中产生氢气的综合燃料处理装置。于是，可缩短燃料电池系统的启动时间，并可利用这种热量分配集中在重整器上的负载。因此，能进一步提高整个燃料电池系统的性能。
此外，由于从第一重整器排出的副产品和从电池堆排出的未反应的氢气能够作为第二重整器的热源被再利用，所以可减少燃料消耗量并提高整个燃料电池系统的热效率。
显然，在不超出本发明的构思和范围的前提下，本领域技术人员可对本发明作出各种改型和变换。因此，本发明应涵盖在所附权利要求及其等同物的范围内作出的各种改型和变换。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池系统的燃料处理装置，包括：利用电能通过含氢燃料的电解反应产生氢气的第一重整器；
利用热能通过含氢燃料的重整反应产生氢气的第二重整器，
其中，所述燃料处理装置与通过氢气和氧气之间的反应发电的电池堆相连；
所述燃料处理装置向所述电池堆提供氢气。
2.如权利要求1所述的燃料处理装置，其中，所述第一重整器包括：
排出氢气的第一排放口；
排出连同氢气一起产生的副产品的第二排放口。
3.如权利要求1所述的燃料处理装置，其中，所述第二重整器包括：
产生热能的热源单元；
通过利用来自所述热源单元的热能的重整反应产生氢气的重整单元。
4.如权利要求2所述的燃料处理装置，其中，所述第二重整器包括：
产生热能的热源单元；
利用来自所述热源单元的热能通过重整反应产生氢气的重整单元；
所述热源单元与所述第二排放口连接并通过由所述第二排放口排出的所述副产品的氧化反应产生热能。
5.如权利要求3所述的燃料处理装置，其中，所述热源单元与所述电池堆相连，并通过从所述电池堆排出的未反应的氢气的氧化反应产生热能。
6.如权利要求4所述的燃料处理装置，其中，所述热源单元与所述电池堆相连，并通过从所述电池堆排出的未反应的氢气的氧化反应产生热能。
7.如权利要求3所述的燃料处理装置，其中，所述热源单元与存储燃料的燃料箱连接，并通过从该燃料箱提供的燃料的氧化反应产生热能。
8.一种燃料电池系统，包括：
电池堆，其通过氢气和氧气之间的反应产生电能；
燃料处理装置，其与所述电池堆相连，以从燃料中产生氢气并将氢气提供给所述电池堆；
燃料供应单元，其向所述燃料处理装置提供燃料；
空气供应单元，其向所述电池堆和所述燃料处理装置提供空气，
其中，所述燃料处理装置包括第一重整器和第二重整器，第一重整器利用电能通过燃料的电解反应产生连同氢气一起的副产品，第二重整器利用热能通过燃料的重整反应产生氢气。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述第一重整器包括用于排出氢气的第一排放口和用于排出所述副产品的第二排放口。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述第二重整器包括产生热能的热源单元和利用来自该热源单元的热能通过重整反应产生氢气的重整单元。
11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述第二重整器包括：
产生热能的热源单元；
利用来自所述热源单元的热能通过重整反应产生氢气的重整单元；
所述第二排放口通过第一连接单元和所述热源单元彼此连接。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述热源单元通过由所述第一连接单元提供的所述副产品的氧化反应产生热能。
13.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述电池堆包括至少一个产生电能的发电单元和排出未反应的氢气的未反应氢气排放口；所述未反应氢气排放口通过第二连接单元与所述热源单元彼此连接。
14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中，所述热源单元通过由所述第二连接单元提供的所述未反应的氢气的氧化反应产生热能。
15.如权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述电池堆包括至少一个产生电能的发电单元和排出未反应的氢气的未反应氢气排放口；所述未反应氢气排放口通过第二连接单元与所述热源单元彼此连接。
16.如权利要求15所述的燃料电池系统，其中，所述热源单元通过由所述第二连接单元提供的所述未反应氢气的氧化反应产生热能。
17.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述热源单元通过来自所述燃料供应单元的燃料的氧化反应产生热能。
18.一种驱动包括通过氢气和氧气之间的反应产生电能的电池堆的燃料电池系统的方法，该方法包括：
向第一重整器和第二重整器提供燃料以启动所述燃料电池系统；
使所述第一重整器产生氢气并将所产生的氢气提供给所述电池堆；
使所述第二重整器产生氢气并将所产生的氢气提供给所述电池堆。
19.如权利要求18所述的方法，其中，使所述第二重整器产生并提供足够量的氢气之后，停止驱动所述第一重整器。
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