CN1921199A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：电池堆单元，其具有正极和负极，通过氢和氧之间的电化学反应而产生电力；燃料供应单元，用于将氢提供到该电池堆单元的正极；空气供应单元，用于将空气提供到该电池堆单元的负极；以及气液分离器，用于除去从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的燃烧器的废气中包含的水分。废气中所含的水分被气液分离器除去，因而燃烧器内的燃烧可以有效进行。由此，可以稳定地将蒸汽提供到蒸汽重整器，因而重整反应得以平稳进行，从而提高了燃料电池系统的整体性能。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种具有气液分离器的燃料电池系统，该气液分离器用于除去从电池堆(stack)单元提供到燃料供应单元的燃烧器的废气(off-gas)中所含的水分。
背景技术
图1为采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)方法的传统燃料电池系统的示意图，在该方法中，诸如LNG、LPG、CH3OH、汽油等烃基燃料通过脱硫处理、重整处理(reforming process)及加氢精炼处理(hydrogen refiningprocess)进行纯氢精炼后被用作燃料。
如图1所示，传统燃料电池系统包括：燃料供应单元10，用于将从LNG提取的纯氢提供到电池堆单元30；空气供应单元20，用于将空气提供到电池堆单元30和燃料供应单元10；电池堆单元30，用于通过所提供的氢和空气产生电力；以及电力输出单元40，用于将电池堆单元30产生的电力转换为交流电，然后将该交流电提供到负载。
由于燃料和蒸汽在燃料供应单元10中进行了重整处理，于是产生了氢。为了产生蒸汽，燃料供应单元10设置有蒸汽发生器10b和用于向蒸汽发生器10b供热的燃烧器10a。
为了驱动燃烧器10a，将燃料提供到燃烧器10a，然后将产生电力之后电池堆单元30中残留的废气提供到燃烧器10a。但是，由于从电池堆单元30提供的废气是高温的潮湿气体，所以燃烧器10a无法正常工作。此外，由于废气中含有水分，燃烧器10a可能会关闭。因此，重整处理无法顺利进行，从而燃料电池系统会受损。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够除去从电池堆单元提供到燃料供应单元的废气中所含的水分的燃料电池系统。
为实现这些以及其它优点，并且依照本发明的意图，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种燃料电池系统，包括：电池堆单元，其具有正极和负极，并通过氢和氧之间的电化学反应而产生电力；燃料供应单元，用于将氢提供到该电池堆单元的正极；空气供应单元，用于将空气提供到该电池堆单元的负极；以及气液分离器，其用于除去在从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的燃烧器的废气中所含的水分。
通过结合附图对于本发明的以下具体描述，本发明的前述以及其它目的、特征、方案和优点将更为明显。
附图说明
附图用以提供对于本发明的进一步理解，其包含在说明书中并构成说明书的一部分，附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1为根据传统技术的燃料电池系统的示意图；
图2为根据本发明第一实施例的燃料电池系统的方框图；
图3为图2所示气液分离器的放大视图；
图4为图2所示气液分离器的第一修改例的视图；
图5为图2所示气液分离器的第二修改例的视图；
图6为图2所示气液分离器的第三修改例的视图；
图7为图2所示气液分离器、控制器以及火焰传感器之间相互作用的方框图；
图8为图2所示气液分离器、控制器以及温度传感器之间相互作用的方框图；以及
图9为图2所示气液分离器、控制器以及湿度传感器之间相互作用的方框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的优选实施例，其实例示于附图中。
图2为根据本发明第一实施例的燃料电池系统的方框图，以及图3为图2的气液分离器的放大视图。
参照图2，根据本发明第一实施例的燃料电池系统包括燃料供应单元110、空气供应单元120、电池堆单元130、电力输出单元140、水供应单元150以及气液分离器200。
燃料供应单元110包括重整器111和管道112，其中重整器111用于从LNG中精炼氢，从而将氢提供到电池堆单元130的正极131。重整器111包括：脱硫反应器111a(DS)，用于除去燃料中所含的硫；蒸汽重整器111b(SR)，用于通过对燃料和蒸汽进行重整而产生氢；高温蒸汽重整器111c(HTSR)和低温蒸汽重整器111d(LTSR)，分别用于使通过蒸汽重整器111b之后产生的一氧化碳重新反应而附加地产生氢；部分氧化反应器111e(PROX)，用于通过利用空气作为催化剂除去燃料中所含的一氧化碳来精炼氢；蒸汽发生器111f，用于将蒸汽提供到蒸汽重整器111b；以及燃烧器111g，用于将热量提供到蒸汽发生器111f。
用于向电池堆单元130的负极132提供空气的空气供应单元120包括第一空气供应管线121和第二空气供应管线123，以及空气供应风扇122。第一空气供应管线121安装在空气供应风扇122与第二预加热器162之间，用于将大气中的空气提供到负极132。第二空气供应管线123安装在空气供应风扇122与燃烧器111g之间，用于将大气中的空气提供到燃烧器111g。
电池堆单元130包括正极131和负极132，从而通过分别从燃料供应单元110和空气供应单元120提供的氢和氧之间的电化学反应，能够同时产生电能和热能。
电力输出单元140将电池堆单元130产生的电能转换为交流电，然后将该交流电提供到负载。
水供应单元150将水提供到燃料供应单元110的重整器111和电池堆单元130，从而冷却重整器111和电池堆单元130。水供应单元150包括：水供应容器151，用于容纳一定量的水；水循环管线152，用于通过循环方法连接电池堆单元130和水供应容器151；水循环泵153，其安装在水循环管线152中，用于泵出水供应容器151内的水；热交换器154和吹风扇155，其安装在水循环管线152中，用于冷却所提供的水；以及城市用水(city water)供应管线156，用于将水供应容器151内的水或图示的城市用水提供到重整器111。
参照图2和图3，气液分离器200除去从电池堆单元130排出并提供到燃料供应单元110的燃烧器111g的废气中所含的水分。气液分离器200包括气液分离本体210、排水管道220以及冷却风扇230，该冷却风扇230即气液分离加速器。
气液分离本体210安装在用于连接电池堆单元130与燃料供应单元110的燃烧器111g的管道上，用于临时存储废气。在气液分离本体210中，从废气中分离出其中所含的水分。
排水管道220安装在气液分离本体210的一侧，并且通过该排水管道220排出气液分离本体210中从废气分离的水分。
冷却风扇230安装在气液分离本体210的另一侧，用于加速气液分离本体210内的气体和液体之间的分离。利用气液分离器200的冷却风扇230，废气中所含的水分被冷却，从而从废气中分离。然后，通过排水管道220排出水分。因此，防止了由于废气中含有水分而导致图2中燃烧器111g关闭的现象发生。
如图4至图6所示，可以构造不同的气液分离器200。用相同的参考标号来表示与上述组件相同的组件，因而省略对这些组件的解释。图4为图2所示气液分离器的第一修改例的视图，图5为图2所示气液分离器的第二修改例的视图，以及图6为图2所示气液分离器的第三修改例的视图。
在根据第一修改例的图4的气液分离器200中，用冷却管道240替代冷却风扇230来作为气液分离加速器。为了增加热交换面积，安装弯曲形状的冷却管道240，使其穿过气液分离本体210的内部。利用气液分离器200的冷却管道240，废气中所含的水分被冷却，从而从废气中分离。然后，通过排水管道220排出水分。因此，防止了由于废气中含有水分而导致图2中燃烧器111g关闭的现象发生。
在根据第二修改例的图5的气液分离器200中，用散热片250替代冷却风扇230来作为气液分离加速器。散热片250安装在气液分离本体210的外壁，并且为了增加热交换面积，从气液分离本体210延伸出具有一定间隙的多个散热片250。利用气液分离器200的散热片250，废气中所含的水分被冷却，从而从废气中分离。然后，通过排水管道220排出水分。因此，防止了由于废气中含有水分而导致图2中燃烧器111g关闭的现象发生。
在根据第三修改例的图6的气液分离器200中，用多孔构件260替代冷却风扇230来作为气液分离加速器。多孔构件260安装在气液分离本体210的内部。包含在废气中的水分通过气液分离器200的多孔构件260，从而从废气中分离。然后，通过排水管道220排出水分。因此，防止了由于废气中含有水分而导致图2中燃烧器111g关闭的现象发生。
冷却风扇230、冷却管道240、散热片250以及多孔构件260可以同时安装在气液分离器200上，或者可以将其中任意一个或多个安装在气液分离器200上。
为了增强从废气中分离水分的功能，在气液分离器200上可以进一步安装：传感器，用于测量燃烧器111g的燃烧程度并因而产生信号；以及控制器310，用于通过接收该信号来控制气液分离器200。
图7为图2所示气液分离器、控制器以及火焰传感器之间相互作用的方框图，图8为图2所示气液分离器、控制器以及温度传感器之间相互作用的方框图，以及图9为图2所示气液分离器、控制器以及湿度传感器之间相互作用的方框图。
用相同的参考标号来表示与上述组件相同的组件，因而省略对这些组件的解释。
参照图7，在燃料电池系统中还安装有火焰传感器320和控制器310，该控制器310用于根据火焰传感器320的信号来控制气液分离器200的水分分离量。
火焰传感器320安装在燃烧器111g中，并检测燃烧器111g的火焰从而将信号发送到控制器310。控制器310根据该信号控制冷却风扇230的速度或者冷却管道240中流动的冷却水量，从而控制气体和液体的分离量。
更具体地，当燃烧器111g的火焰较弱时，增加冷却风扇230的速度或者增加冷却管道240中流动的冷却水量，从而增加气液分离器200的水分分离量。相反，当燃烧器111g的火焰较强时，减小冷却风扇230的速度或者减小冷却管道240中流动的冷却水量。因此，可以根据实际情况来控制气液分离器200的水分分离量。
参照图8，燃料电池系统还包括温度传感器330和控制器310，该控制器310用于根据温度传感器330的信号来控制气液分离器200分离的气体和液体分离量。
温度传感器330安装在燃烧器111g内，并检测燃烧器111g的温度从而将信号发送到控制器310。控制器310根据该信号控制冷却风扇230的速度或者冷却管道240中流动的冷却水量，从而控制气体和液体的分离量。
更具体地，当燃烧器111g内的温度较低时，增加冷却风扇230的速度或者增加冷却管道240中流动的冷却水量，从而增加气液分离器200的水分分离量。相反，当燃烧器111g内的温度较高时，减小冷却风扇230的速度或者减小冷却管道240中流动的冷却水量，从而减小气液分离器200的水分分离量。因此，可以根据实际情况来控制气液分离器200的水分分离量。
参照图9，燃料电池系统还包括湿度传感器340和控制器310，该控制器310用于根据湿度传感器340的信号来控制气液分离器200分离的气体和液体分离量。
湿度传感器340安装在用于使气液分离器200和燃烧器111g彼此连接的管道上，并检测从气液分离器200排出并提供给燃烧器111g的废气中的湿度。控制器310根据检测信号控制冷却风扇230的速度或者冷却管道240中流动的冷却水量，从而控制气体和液体的分离量。
更具体地，当提供给燃烧器111g的废气的湿度较高时，增加冷却风扇230的速度或者增加冷却管道240中流动的冷却水量，从而增加气液分离器200的水分分离量。相反，当废气的湿度较低时，减小冷却风扇230的速度或减小冷却管道240中流动的冷却水量，从而减小气液分离器200的水分分离量。因此，可以根据实际情况来控制气液分离器200的水分分离量。
以下，将参照图2至图7解释根据本发明的燃料电池系统的工作。
LNG和蒸汽在燃料供应单元110中重整，从而产生氢。所产生的氢被提供到电池堆单元130的正极131。空气供应单元120将空气提供到电池堆单元130的负极132。电池堆单元130利用所提供的氢和空气产生电力，所产生的电力被电力输出单元140转换为交流电，从而将交流电提供给各种电器(图示的负载)。
为了产生用于重整反应的蒸汽，将城市用水提供到蒸汽发生器111f。然后，为了通过加热城市用水而产生蒸汽，将产生电力之后电池堆单元130中残留的废气提供到燃烧器111g。
在此，包含在废气中的水分通过气液分离器200，从而被除去。由于废气中的水分已被除去，因而燃烧器111g内的燃烧能够更有效地进行。
如前所述，在根据本发明第一实施例的燃料电池系统中，废气中所含的水分被气液分离器200除去，从而燃烧器内部的燃烧可以有效地进行。由此，可以稳定地将蒸汽提供到蒸汽重整器111b，因此重整反应得以平稳进行，从而提高了燃料电池系统的整体性能。
由于本发明可具体实施为多种形式而不脱离本发明的精神或实质，因此应当理解，除非另有规定，上述实施例不限于前述的任何具体细节，而应在随附权利要求书所限定的精神和范围内宽泛地解释。因此，落入权利要求书范围内的所有变化和修改都应被随附权利要求书所涵盖。

Claims (10)

1、一种燃料电池系统，包括：
电池堆单元，其具有正极和负极，通过氢和氧之间的电化学反应而产生电力；
燃料供应单元，用于将氢提供到该电池堆单元的正极；
空气供应单元，用于将空气提供到该电池堆单元的负极；以及
气液分离器，用于除去在从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的燃烧器的废气中包含的水分。
2、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中该气液分离器包括：
气液分离本体，用于临时存储废气；
气液分离加速器，用于加速废气中所含水分的分离；以及
排水管道，用于排出从废气中分离的水分。
3、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该气液分离加速器是安装在该气液分离本体一侧的冷却风扇。
4、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该气液分离加速器是被安装为穿过该气液分离本体内部的冷却管道。
5、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该气液分离加速器是安装在该气液分离本体一侧的散热片。
6、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该气液分离加速器是安装在该气液分离本体内部的多孔构件。
7、如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
传感器，用于测量该燃烧器的燃烧程度，从而产生信号；以及
控制器，用于根据该信号控制该气液分离器分离的气体和液体分离量。
8、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该传感器是用于检测该燃烧器内部火焰的火焰传感器。
9、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该传感器是用于测量该燃烧器内部火焰温度的温度传感器。
10、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该传感器是用于测量该气液分离器排出的废气湿度的湿度传感器。
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