CN1790793A - 燃料电池用混合罐和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用罐，包括：收藏用于燃料电池的燃料的容器；具有空洞，收藏在所述容器中的吸收构件；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合，形成被所述吸收构件吸收的混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；用于把所述空洞内的气体向外部导出的连接所述空洞和混合罐外部的排气管道；用于把被所述吸收构件吸收的所述混合物向所述燃料电池导入的连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路。

Description

燃料电池用混合罐和燃料电池系统
本申请是申请日为2003年11月21日、申请号为200310118320.9、发明名称为燃料电池用混合罐和燃料电池系统的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及能根据来自燃料电池的排气来再利用水，且无论向着哪个方向都能使用的、燃料电池用混合罐和燃料电池系统。
背景技术
一般来说，燃料电池如图1所示，具有阳极103、阴极105和夹在它们之间的电解质膜7。须指出的是，在图1中，表示直接型甲醇燃料电池。图2是考虑燃料电池系统的一般结构的例子。燃料(此时是甲醇)通过泵111提供给阳极103，包含氧化剂(一般是氧)的气体(一般是空气)通过泵113提供给阴极105。在阳极103和阴极105中分别进行以下的反应。
在阳极103中，
-(1)
在阴极105中，
-(2)
如果质子和电子在阳极103和阴极105之间自由输送，则以下的全部反应在所述燃料电池的内部完全，不产生发电。
-(3)
但是，所述电解质膜107具有阳离子选择性，阳离子(此时，质子)比阴离子(此时，电子)优先输送。因此，电子被取出到所述燃料电池的外部，所以如图1所示，能发电。在所述发电的过程中，在阳极103中产生二氧化碳，在阴极105产生水。
为了付与所述阳离子选择性，所述电解质膜107有必要保湿。提出把用于保湿的水预先混合在所述燃料中，供给它的技术。
提出了各种的用途，其中之一是移动电子仪器的电源。在把所述燃料电池应用于所述移动电子仪器中时，组入所述移动电子仪器中的所述燃料电池和所述燃料罐向着各种方向。需要无论所述移动电子仪器向着哪个方向，所述燃料都能稳定地从所述燃料罐提供给所述燃料电池。
在日本专利公报H04-14473号中说明了相关的技术。
根据所述相关技术，即使令燃料罐上下颠倒，也能把收藏在所述燃料罐中的燃料提供给燃料电池。但是，基于所述相关技术的燃料罐未采用从来自燃料电池的排气再利用水的结构。因此，与所述提出的技术同样，有必要把水预先混合到收藏在所述燃料罐中的所述燃料中。因为所述燃料被水稀释，所以与使用浓厚的燃料时相比，能量密度减小。
发明内容
鉴于所述问题的存在，本发明的目的在于：提供能根据来自燃料电池的排气来再利用水，且无论向着哪个方向都能使用的燃料电池用混合罐。
根据本发明的第一方面，燃料电池用罐包括：收藏用于燃料电池的燃料的容器；具有空间，收藏在所述容器中的吸收构件；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合，形成被所述吸收构件吸收的混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；用于把所述空间内的气体向外部导出的连接所述空间和混合罐外部的排气管道；用于把被所述吸收构件吸收的所述混合物向所述燃料电池导入的连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路。
根据本发明的第二方面，燃料电池用罐包括：收藏用于燃料电池的燃料的容器；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合形成混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；在内部具有流出路和排气管道，贯通所述容器的侧面，安装为可旋转的旋转轴；与所述排气管道连接、连通的气体取入管；与所述流出路连接、连通，实质上与所述气体取入管反向的混合物取入管；为了使所述混合物取入管向下，使所述气体取入管向上而安装在所述混合物取入管上的重锤。
根据本发明的第三方面，燃料电池用罐包括：收藏用于燃料电池的燃料的容器；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合形成混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；用于把气体向外部导出的连接所述容器和所述容器外部的排气管道；用于把所述混合物向所述燃料电池导入的连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路；与所述排气管道连接、连通的气体取入挠性管；用于使所述气体取入挠性管的顶端比所述混合物更向上方突出的安装在所述气体取入挠性管上的浮动构件；与所述流出路连接、连通的混合物取入挠性管；用于使所述混合物取入挠性管没入所述混合物中的安装在所述混合物取入挠性管上的重锤。
根据本发明的第四方面，燃料电池系统包括：具有阳极、阴极和由它们夹着的电解质膜的燃料电池；收藏燃料的容器；具有空洞，收藏在所述容器中的吸收构件；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合，形成被所述吸收构件吸收的混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；用于把所述空洞内的气体向外部导出的连接所述空洞和混合罐的外部的排气管道；用于把被所述吸收构件吸收的所述混合物向所述阳极供给的连接所述吸收构件和所述阳极的排出路；向所述阴极供给所述空气的空气供给装置。
根据本发明的第五方面，燃料电池系统包括：具有阳极、阴极和由它们夹着的电解质膜的燃料电池；收藏燃料的容器；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合，形成混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；在内部具有与所述阳极连接的流出路、排气管道，贯通所述容器的侧面安装为可旋转的旋转轴；与所述排气管道连接、连通的气体取入管；与所述流出路连接、连通，实质上与所述气体取入管反向的混合物取入管；用于使所述气体取入管向下，使所述混合物取入管向上而安装在所述混合物取入管上的重锤；向所述阴极供给空气的空气供给装置。
根据本发明的第六方面，燃料电池系统包括：具有阳极、阴极和由它们夹着的电解质膜的燃料电池；收藏燃料的容器；把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合，形成混合物的连接所述燃料电池和所述容器的流入路；用于把气体向外部导出的连接所述容器和所述容器外部的排气管道；用于把所述混合物向所述阳极导入的连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路；与所述排气管道连接、连通的气体取入挠性管；用于使所述气体取入挠性管的顶端比所述混合物更向上方突出的安装在所述气体取入挠性管上的浮动构件；与所述流出路连接、连通的混合物取入挠性管；用于使所述混合物取入挠性管没入所述混合物中的安装在所述混合物取入挠性管上的重锤；向所述阴极供给空气的空气供给装置。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是基于现有技术的直接型甲醇燃料电池的模式图。
图2是基于现有技术的燃料电池系统的模式图。
图3是本发明实施例1的混合罐的模式图。
图4是本发明实施例1的变形例的混合罐的模式图。
图5A是本发明实施例2的混合罐的模式图。
图5B是本发明实施例2的变形例的混合罐的分解立体图。
图6是本发明实施例3的混合罐的模式图。
图7是应用了本发明实施例的任意一个混合罐的燃料电池系统第一例的模式图。
图8是应用了本发明实施例的任意一个混合罐的燃料电池系统第二例的模式图。
具体实施方式
下面，参照图3来说明本发明实施例1。
实施例1的混合罐13具有混合容器15。所述混合容器15收藏用于吸收液体的液体吸收构件17。所述液体吸收构件17由象为了利用毛细管力的海绵等多孔性材料那样的适当材料构成。在所述液体吸收构件17中形成空洞19，位于所述混合容器15的近似中心位置上，特别是重心位置上。
在图3中，所述空洞19实质上由所述液体吸收构件17包围。可以这样构成，也可以是所述空洞19的一端不被所述液体吸收构件17覆盖，与所述混合容器15的内表面任意一个连通。所述液体吸收构件17可以与所述混合容器15的任意内表面接触并保持。
所述混合容器15具有：从燃料罐(未图示)供给作为燃料的甲醇的燃料注入口21、从燃料电池(未图示)供给排出物的排气流入路23。所述排出物包含水、二氧化碳以及在所述燃料电池中未反应的甲醇。所述排气流入路23是中空的构件，其内端23A到达所述空洞19。
所述排出物中包含的水和未反应的甲醇高效地由所述液体吸收构件17吸收。而所述排出物种的气体成分例如二氧化碳向所述空洞19扩散。因此，从所述燃料注入口21供给的所述甲醇与从所述排气流入路23供给的所述水和所述未反应的甲醇混合，生成混合物。
所述混合容器15具有分别把所述混合容器15内的所述混合物和气体分别向外部喷出的混合物流出路25和排气流出路27。所述混合物流出路25是中空的构件，即其内端25A埋没在所述液体吸收构件17内。因此，所述混合物经由所述混合物流出路25向所述燃料电池喷出。
所述排气流出路27也是中空的构件，其内端27A位于所述空洞19的几乎中央。所述内端27A具有阻止液体的通过，允许气体的通过的气液分离膜。因此，当所述液体吸收构件17中包含的所述液体变为过饱和，向所述空洞19内漏出时，防止所述液体向所述排气流出路27喷出，所述排气稳定，从所述排气流出路27排出。
所述混合罐13的结构是这样的，所以从所述燃料注入口21供给的甲醇与由所述燃料电池供给的水和未反应甲醇构成的所述液体混合，生成混合物。所述混合物经由所述混合物流出路25向所述燃料电池供给。从所述燃料电池供给的所述气体向所述空洞19扩散，经由所述气液分离膜29从所述排气流出路27排出。
所述液体吸收构件17稳定吸收所述混合容器15内的所述液体，所以防止所述空洞19由所述液体充满。因此，保证气体的排出稳定。
所述混合容器15能为各种方向。所述混合容器15朝向所述混合物流出路25的内端25A位于其下方时，所述混合物没有问题地提供给所述燃料电池。如果假定所述混合容器15朝向所述混合物流出路25的内端25A位于其上方时，则所述混合物通过所述液体吸收构件17的毛细管力向所述混合物流出路25的内端25A引导。因此，所述混合物稳定地提供所述燃料电池。
所述混合容器15能具有两个以上的混合物流出路25。此时，所述多个混合物流出路25彼此分离，无论所述混合容器15向着哪个方向，如果任意的混合物流出路25位于其下方，就可以了。通过采用这样的结构，所述混合物能稳定地向所述燃料电池供给。
所述实施例1如图4所示的变形例那样，能变形。本变形例的混合罐213与所述同样，具有：收藏由多孔性材料那样的适当材料构成液体吸收构件217的混合容器215。所述液体吸收构件217在其内部不具有空洞，而在所述混合罐213的任意一个以上的面之间具有间隙219。所述混合容器215与所述结构同样，具有从燃料电池(未图示)供给排出物的排气流入路223，在所述液体吸收构件217中生成混合物。
所述混合罐213具有：用于把所述间隙219的气体向外部喷出的分别面向所述间隙219的排气口227A和227B。所述排气口227A和排气口227B如图4所示，希望位于远离的位置。通过采用这样的结构，任意排气口227A或227B万一被液体阻塞，能通过另一方保证排气。另外，所述排气口227A和227B可以彼此接近，也可以是只有任意一方。所述排气口227A和227B分别具有气液分离膜。
所述混合容器215具有向外部喷出所述混合物的混合物流出路225。其顶端225A位于所述液体吸收构件217的近似中心，特别是重心。所述液体吸收构件217吸收的所述混合物通过毛细管力总向所述顶端225A输送。所述顶端225A位于所述液体吸收构件217的近似中心，所以无论所述混合容器215向着那个方向，都能稳定输送所述混合物。能产生与所述结构同样的效果。
图4中所述未图示，但是为了防止所述液体吸收构件217在所述混合容器215内摇动，可以在所述混合容器215内安装适当的固定部件。通过设置固定部件，即使所述液体吸收构件217反复膨胀和收缩，也不从初始位置偏离，能稳定实现其功能。作为固定部件，所述混合容器215的内表面可以具有多个突起，可以是适当的结合剂。
下面参照图5A，说明本发明的实施例2。
实施例2的混合容器31具有贯穿其一面，安装为可旋转的旋转轴33。所述旋转轴33希望在其两端支撑，用一端也能支撑。
所述旋转轴33具有排气流出路35和混合物流出路37。都贯通所述旋转轴而与该轴平行。在所述混合容器31内侧，在所述轴33上一体形成气体取入管39。所述气体取入管39的顶端比收藏在所述混合容器31中的混合液41的液面41A还向上方突出，具有开口39A。所述气体取入管39为了所述液面41A上的气体流通，与所述排气流出路35连通。
在所述旋转轴33上一体形成混合物取入管43。所述混合物取入管41与所述气体取入管39几乎相对，其顶端没入所述混合液41中。所述混合物取入管43为了所述混合液41流通，与所述混合物流出路37连通。所述混合物取入管43的顶端具有重锤45，所述混合物取入管43总向下，所述气体取入管39总向上。
所述旋转轴33在所述混合容器31的外侧一体设置与所述排气流出路35连通的排气管47、与所述混合物流出路37连通的混合物供给管49。所述混合物供给管49构成所述燃料电池的混合物供给路的一部分。
与所述实施例1同样，所述混合容器31具有从燃料罐(未图示)供给作为燃料的甲醛的燃料注入口、从燃料电池(未图示)供给排出物的排气流入路。
所述结构允许所述混合容器31围绕所述旋转轴33旋转。无论混合容器31向着哪个方向，所述气体取入管39的所述开39A总图所述混合液41的液面41A还突出。因此，所述混合容器31内的气体经由所述气体取入管39和所述排气流出路35排出。所述混合物取入管43的顶端总没入混合液41中，所以所述混合液41经由混合物取入管43、所述混合物流出路37、所述混合物供给管49，稳定地向所述燃料电池喷出。
为了增加所述混合容器的运动的自由度，可以参照图5B，把上述的结构向以下说明的结构变形。
旋转轴33具有在安装时位于所述混合容器31的内侧的环沟51A和51B。所述环沟51A具有与所述排气流出路35连通的连通孔53A。所述环沟51B具有与所述混合物流出路37连通的通孔53B。须指出的是，此时，所述旋转轴33可以固定在所述混合容器31上。
在所述旋转轴33上可旋转地安装旋转轴55。所述旋转轴55具有与所述旋转轴55的轴正交的方向的支撑轴57。所述旋转轴55还具有设置连通孔61A、61B的环沟59A、59B。所述连通孔61A通过所述支撑轴57的内侧与所述连通孔53A连通。所述旋转轴55即使围绕所述旋转轴33旋转，所述环沟51B保持所述连通孔53A和所述连通孔61A的连通。同样，总维持所述连通孔61B与所述连通孔53B的连通。
在所述旋转轴55上可旋转地安装摇动轴63。所述气体取入管39和伴随着重锤45的混合物取入管43形成在该摇动轴63上。但是，与所述实施例2不同，所述气体取入管39与所述混合物取入管43不在一条直线上。所述气体取入管39为了与所述连通孔61A连通，形成在与所述环沟59A对应的位置。同样，所述混合物取入管43为了与所述连通孔61B连通，形成在与所述环沟59B对应的位置。
从所述说明可知，无论所述旋转轴55和所述摇动轴63要朝着哪个方向，都维持所述气体取入管39与所述排气流出路35的连通。同样，总维持所述混合物取入管43与所述混合物流出路37的连通。
当所述混合物围绕所述旋转轴33旋转时，所述旋转轴55围绕所述旋转轴33旋转。当所述混合容器31围绕与所述旋转轴33正交的轴旋转时，所述摇动轴63围绕所述支撑轴57旋转。当所述混合容器31围绕与所述2轴不同的轴旋转时，所述旋转轴55和所述摇动轴63协调地旋转。这样，所述气体取入管39无论所述混合容器31向着那个方向，总维持向着上方。
希望在所述结构中，所述气体取入管39的开口39A还具有气液分离膜，所述混合物取入管43的顶端还具有液体吸收构件。据此，防止液体流入所述混合物气体取入管39中，所述混合液有效地取入所述混合物取入管43中。
下面，参照图6，说明本发明的实施例3。
混合容器65具有排气流入路23、排气流出路67、混合物流出路73。如果与上述的实施例1、2相比，其特征在于：则在所述混合容器65的内侧，由挠性材料构成的气体取入挠性管69连接在所述排气流出路67上。气体取入挠性管69的顶端为了其开口69A总从液面41A向上方突出，由浮动构件71支撑。为了使所述开口69A更向上方，在所述气体取入挠性管69的下方安装有重锤69B。
在所述混合容器65内侧，在所述混合物流出路73上连接着混合物取入挠性管75。所述混合物取入挠性管75的顶端，为了总没入所述混合液41申，安装有重锤77。
根据所述结构，无论所述混合容器65朝着哪个方向，所述气体取入挠性管69的所述顶端69A总从混合液41的液面41A向上方突出。因此，所述混合容器65中的气体经由所述气体取入挠性管69从所述排气流出路67稳定排出。混合物取入挠性管75的顶端总没入混合液41重，所以所述混合液41经由所述混合物取入挠性管75和所述混合物流出路73，稳定地向燃料电池喷出。
希望在本实施例3中，所述气体取入挠性管69的开口69A还具有气液分离膜，所述混合物取入挠性管75的顶端具有液体吸收构件。据，防止液体流入所述气体取入挠性管69重，所述混合液有效地取入所述混合物取入挠性管75重。
通过图7乃至图8的结构，在燃料电池系统中利用本发明实施例的混合罐。在图中，参照编号300是任意的实施例的混合罐。在图7所示的燃料电池系统中，燃料电池101的阳极103和阴极105的任意一方或双方的排气导入混合罐300中。在所述混合罐300中连接燃料罐109和用于供给燃料的泵125，所述燃料和所述排气混合。在所述混合罐300中进行气液分离后，液体通过泵111向所述阳极103导入。在所述阴极105上还连接着空气供给路115和泵113，导入外部气体。从所述液体和所述外部气体进行发电。燃料电池系统如图8所示，可以把所述混合罐300配置在比所述泵111更靠下游的位置。在该结构中，在来自所述燃料电池101的排气管上直接连接着燃料罐109和阀门141，在所述排气管中，所述排气和所述燃料混合。而且，在所述混合罐300中，气液分离。
以上说明了本发明的优选实施例，但本发明并不局限于所述的实施例。根据上述公开的内容，本领域的技术人员可以通过对实施例进行修正或变形来实施本发明。
本申请根据2002年11月22日提出的日本专利申请No.2002-340065，并要求优先权的利益，通过参照而把它的全部内容并入说明书中。

Claims (2)

1.一种燃料电池用混合罐，其特征在于：包括：
收藏用于燃料电池的燃料的容器；
把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合形成混合物的、连接所述燃料电池和所述容器的流入路；
用于把气体向外部导出的、连接所述容器和所述容器的外部的排气管道；
用于把所述混合物导入所述燃料电池的、连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路；
与所述排气管道连接、连通的气体取入挠性管；
用于使所述气体取入挠性管的顶端比所述混合物更向上方突出的、安装在所述气体取入挠性管上的浮动构件；
与所述流出路连接、连通的混合物取入挠性管；和
用于使所述混合物取入挠性管没入所述混合物中的、安装在所述混合物取入挠性管上的重锤。
2.一种燃料电池系统，其特征在于：包括：
具有阳极、阴极和由它们夹着的电解质膜的燃料电池；
收藏用于所述燃料电池的燃料的容器；
把来自所述燃料电池的排出物导入所述容器，与所述燃料混合而形成混合物的、连接所述燃料电池和所述容器的流入路；
用于把气体向外部导出的、连接所述容器和所述容器的外部的排气管道；
用于把所述混合物导入所述阳极的、连接所述吸收构件和所述燃料电池的排出路；
与所述排气管道连接、连通的气体取入挠性管；
用于使所述气体取入挠性管的顶端比所述混合物更向上方突出的、安装在所述气体取入挠性管上的浮动构件；
与所述流出路连接、连通的混合物取入挠性管；
用于使所述混合物取入挠性管没入所述混合物中的、安装在所述混合物取入挠性管上的重锤；和
向所述阴极提供空气的空气供给装置。
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