CN1937294A - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN1937294A CNA2006100827081A CN200610082708A CN1937294A CN 1937294 A CN1937294 A CN 1937294A CN A2006100827081 A CNA2006100827081 A CN A2006100827081A CN 200610082708 A CN200610082708 A CN 200610082708A CN 1937294 A CN1937294 A CN 1937294A
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Abstract

一种燃料电池系统，包括：电池堆单元，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，具有用于与从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的废气相接触的冷却装置，从而使废气中所含的水分冷凝。在该燃料电池系统中，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地进行，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残留在电池堆单元30中的废气提供到燃烧器10a。但是，由于电池堆单元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，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，具有用于与从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的废气相接触的冷却装置，从而使废气中所含的水分冷凝。
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示意图；
图3为图2所示气液分离器的放大平面图；
图4为图3所示气液分离器除去封盖后的平面图；
图5为在图3所示冷却管上形成的Z字(zigzag)形凹槽的平面图；
图6为在图3所示容器内壁上形成的凸凹面的平面图；
图7为沿图6中VII-VII线的截面图；
图8为在图3所示容器内壁上形成的压花的平面图；以及
图9为沿图8中IX-IX线的截面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。
以下参照附图说明根据本发明的燃料电池系统。
图2为根据本发明第一实施例的燃料电池系统的示意图。
参照图2，根据本发明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、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而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，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，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。
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安装在电池堆单元130与燃料供应单元110之间。
图3为图2所示气液分离器的放大平面图，图4为图3所示气液分离器除去封盖后的平面图，图5为在图3所示冷却管上形成的Z字形凹槽的平面图。
参照图3和图4，气液分离器200包括气液分离本体210、进气口220、出气口230、水分出口240、冷却装置如冷却水管250、以及分隔壁260。
气液分离本体210包括：容器211，用于临时存储废气；封盖212，用于覆盖容器211的前表面；以及连接件213，用于将容器211和封盖212相互连接。优选地，封盖212由透明的丙烯(acryl)板形成，从而由外部易于观察气液分离本体210中产生的水分分离现象。连接件213优选由便于连接的螺钉形成，用于连接螺钉的螺槽211e形成在容器211的前表面上。
进气口220用于将废气引入气液分离本体210，而且安装为穿透容器211的左壁211a的下端。进气口220的一端向容器211的下壁211c弯曲，从而防止废气被直接排到出气口230。
出气口230用以将气液分离本体210中已除去水分的废气排到燃料供应单元110(参照图2)。出气口230安装为穿透容器211的左壁211a的最上端，从而延迟废气从气液分离本体210排出的时间。
水分出口240用于排出从废气分离出的水分，而且安装在容器211的右壁211b的下端，并与水供应容器151相连接(参照图2)。
参照图4和图5，冷却水管250安装在气液分离本体210中，并在容器211中形成为具有特定高度H的Z字形，从而通过增加与废气的接触面积而提高传热效率。
冷却水管250以允许范围的曲率半径R弯曲，并具有特定的间隙h，从而通过在容器211中具有最大的长度来增加与废气的接触面积。优选地，冷却水管250由SUS材料形成，用于提高热交换效率而不会生锈。
当废气与冷却水管250的外周表面接触时，废气被冷却水管250中流动的低温冷却水液化。由此，废气中所含的水分冷凝并从废气中分离。分离出的水分通过水分出口240排到水供应容器151(参照图2)。经与废气热交换而变热的冷却水可被用作用于加热的供水。
如图5所示，在冷却水管250的外周表面上形成Z字形的凹槽250a，从而增加与废气的接触面积。在冷却水管250的外周表面上，也可以形成凹凸面或压花，替代Z字形的凹槽。
在优选实施例中，冷却水管250用以冷凝废气中的水分。然而，也可以用散热器、多个销钉等构成冷却装置，起到冷却水管250的作用。
分隔壁260防止废气直接排到出气口230。分隔壁260从容器211的左壁211a向右壁211b连续地凸出为Z字形，从而适配于弯曲的冷却水管250。分隔壁260可安装在左壁211a或右壁211b上。然而，分隔壁260优选安装在左壁211a及右壁211b上，从而更有效地防止废气直接排到出气口230。优选地，分隔壁260以Z字形连续适配于冷却水管250，从而利于空间利用。
图6为在图3所示容器内壁上形成的凹凸面的平面图，图7为沿图6中VII-VII线的截面图。参照图6和图7，凸凹面270形成在容器211的内壁211d上。凸凹面270可通过模铸材料与容器211整体形成，或者可单独地形成，再通过焊接材料或粘合剂安装在容器211的内壁211d上。凸凹面270也可形成在封盖212上。由于废气与凸凹面270相接触，因而提高了废气的传热特性。此外，由于废气通过凸凹面270，因而产生涡流，从而废气中所含的水分更有效地从废气中分离。
图8为在图3所示容器内壁上形成的压花的平面图，图9为沿图8中IX-IX线的截面图。参照图8和图9，压花280形成在容器211的内壁211d上。压花280可通过模铸材料与容器211整体形成，或者可单独地形成，再通过焊接或粘合剂安装在容器211的内壁上。压花280也可安装在封盖212上。当废气与压花280相接触时，提高了废气的传热特性。相反，当废气通过压花280时，会产生涡流。由此，废气中所含的水分更有效地从废气中分离。
下面说明根据本发明的燃料电池系统的运行。
参照图2，在燃料供应单元110中重整LNG和蒸汽，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通过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，从而被提供给各种电器(图示的负载)。
为了产生用于重整反应的蒸汽，城市用水被提供到蒸汽发生器111f。然后，在产生电力之后残留在电池堆单元130中的废气被提供到燃烧器111g，从而通过加热城市用水而产生蒸汽。在此，废气中所含的水分通过气液分离器200，从而被除去。
更具体而言，如图4所示，废气通过进气口220被引入气液分离器200。虚线箭头表示冷却水流，实线箭头表示废气流。
引入气液分离器200的废气经分隔壁260与冷却水管250的外周表面相接触。由于低温冷却水在冷却水管250中流动，所以当废气与冷却水管250的外周表面相接触时，废气被低温冷却水液化，因而废气中所含的水分冷凝。由此，废气中所含的水分从废气中分离。如图5所示，由于冷却水管250的外周表面上具有Z字形凹槽250a，因而废气与冷却水管250之间的接触面积增加。如图7至图9所示，由于在容器211的内壁211d上形成的凸凹面270或压花280，因而提高了废气的传热特性，并增大了涡流。由此，废气中所含的水分更有效地从废气中分离。
分离出的水分经水分出口240排到水供应容器151(参照图2)。在此，经与废气热交换而变热的冷却水可用作用于加热的供水。已除去水分的废气通过气体出口230提供到燃料供应单元110的燃烧器111g。由于已经除去了废气中的水分，因而在燃烧器111g中能够更有效地进行燃烧。
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除去，从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，因此重整反应得以平稳地进行，从而提高了燃料电池系统的整体性能。
此外，在气液分离器的冷却水管中流动的冷却水经与废气热交换而变热，变热的冷却水可用作用于加热的供水。
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特征，因此应当理解，除非另外指明，上述实施例不受前述的任何细节所限，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，落入权利要求书围内的所有变化和修改都应被随附权利要求书所涵盖。

Claims (9)

1、一种燃料电池系统，包括：
电池堆单元，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，具有用于与从该电池堆单元提供到该燃料供应单元的废气相接触的冷却装置，从而使废气中所含的水分冷凝。
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，安装在用于将该电池堆单元连接到该燃料供应单元的燃烧器的管道上；
进气口，用于将废气引入该气液分离本体；
出气口，用于将已除去水分的废气排到该燃料供应单元；以及
水分出口，用于排出从废气分离的水分。
3、如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中该冷却装置是在该气液分离本体中构成为具有特定高度的Z字形冷却水管。
4、如权利要求3所述的燃料电池系统，其中在该冷却水管的外周表面上形成有凹槽。
5、如权利要求3所述的燃料电池系统，其中该气液分离器还包括分隔壁，用于防止经该进气口引入的废气直接排到该出气口。
6、如权利要求5所述的燃料电池系统，其中该分隔壁在容器中连续凸出为Z字形，从而适配于弯曲的冷却水管。
7、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中该气液分离本体包括：
容器，用于临时存储废气；
封盖，用于覆盖该容器的前表面；以及
连接件，用于将该容器和该封盖相互连接。
8、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该容器的内壁上形成有凸凹面。
9、如权利要求7所述的燃料电池系统，其中该容器的内壁上形成有压花。
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