CN1976106A - 燃料电池系统 - Google Patents

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CN1976106A CNA2006101635229A CN200610163522A CN1976106A CN 1976106 A CN1976106 A CN 1976106A CN A2006101635229 A CNA2006101635229 A CN A2006101635229A CN 200610163522 A CN200610163522 A CN 200610163522A CN 1976106 A CN1976106 A CN 1976106A
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Abstract

一种燃料电池系统包括：通过氢和空气的电化学反应产生电的堆叠体单元；用于将氢供应到堆叠体单元的燃料供应单元；用于将空气供应到堆叠体单元的空气供应单元；以及模块单元；该模块单元具有废气管道以用于排出燃料供应单元产生的废气，具有燃料供应管道以用于将燃料供应单元提供的氢供应到堆叠体单元，以及具有空气供应管道以用于将空气供应单元提供的空气供应到堆叠体单元，其中该废气管道、该燃料供应管道以及该空气供应管道顺序地设置并整体模块化。将分别具有堆叠体单元需要温度的氢和空气供应到堆叠体单元，从而提高了燃料电池系统的热效率。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更特别地涉及一种能够供应具有适当温度的氢和空气到堆叠体单元的燃料电池系统。
背景技术
图1是示出根据相关技术的燃料电池系统的每个部件的图。参照图1，相关技术的燃料电池系统10包括将氢供应到堆叠体11的重整器12；用于将包含在供应到堆叠体11的氢中的湿气清除的气液分离单元13；用于热交换堆叠体11中产生的热的热交换器14；和用于加湿供应到堆叠体11的空气的加湿器15。
堆叠体11依照每个由电极和电解质构成的用于发电的多个电池单元相互堆叠而形成。该堆叠体11对温度非常敏感。由于氢和空气之间的电化学反应速度随着堆叠体11的温度而改变，该堆叠体11必须在考虑到电池单元的持久性下维持适当的温度。例如，在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中仅采用氢作为燃料，堆叠体11必须具有50℃～80℃的适当温度。因此，热交换器14导出(boot)空气和氢的温度。
气液分离单元13清除含在氢中的湿气以提供具有适当湿度的空气到堆叠体11，以及加湿器15向空气提供湿气。
如图1所示，相关技术的燃料电池系统包括重整器12，气液分离单元13，热交换器14和加湿器15。燃料电池系统的组件独立地组装从而通过管道相互连接。当氢和空气通过重整器12、气液重整器13、热交换器14、加湿器15和管道供应到堆叠体11中时，其中的温度剧烈变化，因此会发生压力/流量损失。
因此，各自具有适当温度的氢和空气没有被平稳地输送到堆叠体11，因此在堆叠体11中没有进行最优化的电化学反应。
另外，当氢和空气通过重整器12、气液重整器13、热交换器14、加湿器15和管道时，其中的热损失增加从而降低了燃料电池系统的热效率。
此外，由于重整器12、气液重整器13、热交换器14、加湿器15和管道独立地组装，因此燃料电池系统的整个体积增加。当这些组件被独立地制备时，燃料电池系统的批量生产率降低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够供应各自具有适当温度的氢和空气到堆叠体单元的燃料电池系统。
本发明的另一目的是提供一种能够增加热效率的燃料电池系统。
本发明的另外一目的是提供一种具有降低的体积和增加的批量生产率的燃料电池系统。
为了获得在此具体化和概括描述的这些和其它的优点和根据本发明的目的，提供了一种燃料电池系统，其包括：用于通过氢和空气的电化学反应产生电能的堆叠体单元；用于向堆叠体单元供应氢的燃料供应单元；用于向堆叠体单元供应空气的空气供应单元；以及模块单元，该模块单元具有用于排出燃料供应单元产生的废气的废气管道、具有用于供应燃料供应单元提供的氢到堆叠体单元的燃料供应管道，并具有用于供应空气供应单元提供的空气到堆叠体单元的空气供应管道，其中该废气管道、燃料供应管道和空气供应管道顺序布置并整体模块化。
结合附图从本发明的下述详细描述中，本发明的上述和其它特点、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
用于提供对本发明的进一步理解并结合而构成本说明书的一部分的附图，解释了本发明的实施方式并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图中：
图1是示出根据相关技术的燃料电池系统的每一部件的图；
图2是示出根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的框图；
图3是示出图2的模块单元的图；
图4是示出根据第一改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括第一和第二气液分离单元与第一和第二再收集管道；
图5是示出根据第二改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括热交换器；以及
图6是示出根据第三改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括第一和第二气液分离单元、第一和第二再收集管道以及热交换器。
具体实施方式
现在详细地介绍本发明的优选实施方式，其实施例以附图进行说明。
以下，参照附图将更加详细地解释根据本发明第一实施方式的燃料电池系统。图2是示出根据本发明第一实施方式的燃料电池系统的框图，以及图3是示出图2的模块单元的图。
参照图2，根据本发明第一实施方式的燃料电池系统包括燃料供应单元110、空气供应单元120、堆叠体单元130、电输出单元140、水供应单元150、温水供应单元170、第一气液分离单元180、第二气液分离单元190和模块单元200。
燃料供应单元110包括从LNG中提炼氢从而将氢供应到堆叠体单元130的阳极131的重整器111，和用于供应LNG到重整器111的管道112。重整器111包括用于将燃料中含有的硫清除的脱硫反应器111a、用于通过重整燃料和蒸汽来产生氢的蒸汽重整器111b、分别用于对通过蒸汽重整器111b后产生的一氧化碳再反应而另外产生氢的高温蒸汽重整器111c和低温蒸汽重整器111d、通过采用空气作为催化剂通过清除燃料中包括的一氧化碳来提炼氢的部分氧化反应器111e、用于将蒸汽供应到蒸汽重整器111b的蒸汽发生器111f以及将热供应到蒸汽发生器111f的燃烧器111g。
从重整器111产生的废气通过废气管道L1被供应到稍后进行解释的模块单元200中。同样，重整器111产生的氢在通过模块单元200后通过燃料供应管道L2被供应到堆叠体单元130中。
空气供应单元120包括第一空气供应管道121、第二空气供应管道123和空气供应风扇122。第一空气供应管道121安装在空气供应风扇122和第二预热器162之间以供应大气到阴极132。第二空气供应管道123安装在空气供应风扇122和燃烧器111g之间以供应大气到燃烧器111g。从第二预热器162排出的空气通过空气供应管道L3供应到模块单元200。
堆叠体单元130包括阳极131和阴极132，分别用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能和热能，氢和氧分别从燃料供应单元110和空气供应单元120中供应。已经穿过模块单元200的氢供应到阳极131，以及已经穿过模块单元200的空气供应到阴极132。
电输出单元140将从堆叠体单元130产生的电能转换成交流电，从而将其供应到负载。
水供应单元150供应水到燃料供应单元110的堆叠体单元130从而冷却堆叠体单元130。该水供应单元150包括用于容纳一定量水的水供应容器151、用于将堆叠体单元130和水供应容器151彼此连接的水循环管道152、安装在水循环管道152的中部以抽吸水供应容器151的水的水供应泵153，以及安装在水循环管道152的中部以冷却供应的水的热交换器154和散热扇155。
用于加速第一气液分离单元180工作的第一再收集管道L4安装在水供应单元150和第一气液分离单元180之间，以及用于加速第二气液分离单元190工作的第二再收集管道L5安装在水供应单元150和第二气液分离单元190之间。更具体地，安装该第一再收集管道L4以穿过第一气液分离单元180的内部。第一气液分离单元180内氢中含有的湿气通过在第一再收集管道L4上流动的水供应单元150的冷却水而得到冷凝，然后被排出。安装该第二再收集管道L5以穿过第二气液分离单元190的内部。在第二气液分离单元190内废气中含有的湿气通过在第二再收集管道L5上流动的水供应单元150的冷却水而得到冷凝，然后被排出。
温水供应单元170通过管道156供应储存的温水到蒸汽发生器111f。
第一气液分离单元180安装在燃料供应单元110和堆叠体单元130之间，从而清除从燃料供应单元110供应到堆叠体单元130的氢中含有的湿气。清除湿气的原理在第一再收集管道L4中已经提及，因此省略了对其的详细描述。
第二气液分离单元190安装在燃料供应单元110和堆叠体单元130之间，从而清除从堆叠体单元130供应到燃料供应单元110的废气中含有的湿气。清除湿气的原理在第二再收集管道L5中已经提及，因此省略了对其的详细描述。
图3是示出图2的模块单元的图，其中粗箭头表示热的传递方向。
参照图3，模块单元200包括用于排出燃料供应单元110产生的废气的废气管道L1、紧密地设置在废气管道L1的下面以将燃料供应单元110供应的氢供应到堆叠体单元130的燃料供应管道L2，以及紧密地设置在燃料供应管道L2的下面以将空气供应单元120供应的空气供应到堆叠体单元130的空气供应管道L3。废气管道L1、燃料供应管道L2和空气供应管道L3整体地形成一个模块。该废气管道L1、燃料供应管道L2和空气供应管道L3可以通过各种方法例如螺旋耦合、粘接和焊接等来整体地模块化。
作为另一实施例，废气管道L1设置在中心，燃料供应管道L2设置为覆盖废气管道L1的外围表面，以及空气供应管道L3设置为覆盖燃料供应管道L2的外围表面。
燃料供应管道L2紧密地设置在废气管道L1的下面从而接收废气的热量。从而，在燃料供应管道L2内的氢具有升高的温度，并被供应到堆叠体单元130。废气管道L1具有弯曲的形状以加速在废气管道L1内的具有高温的废气的热扩散。
空气供应管道L3紧密地设置在燃料供应管道L2的下面以接收燃料供应管道L2内部氢的热量。从而，空气供应管道L3内部的空气具有升高的温度，并被供应到堆叠体单元130。
将解释废气管道L1、燃料供应管道L2和空气供应管道L3设置为如图3的原因。
燃料供应管道L2紧密地设置在废气管道L1的下面，从而流动在废气管道L1中具有高温的废气的热量首先被传送到燃料供应管道L2内部的氢，该氢需要被极大加热至50℃～80℃。空气供应管道L3紧密地设置在燃料供应管道L2的下面，从而燃料供应管道L2内部氢的热量再次被传送到空气供应管道L3内部的空气，该空气需要稍稍被加热。
当废气管道L1、燃料供应管道L2和空气供应管道L3整体形成为模块单元200时，分别具有堆叠体单元130需要温度的氢和空气可以被供应到该叠体单元130中。从而，提高了燃料电池系统的热效率。另外，使用从废气管道L1排出的废气的热量，从而提高了燃料电池系统的热效率。
在下文中，将解释根据本发明另一实施方式的模块单元的结构和操作。
图4是示出根据第一改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括第一和第二气液分离单元以及第一和第二再收集管道，图5是示出根据第二改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括热交换器；以及图6是示出根据第三改进实施例的图2的模块单元的图，该模块单元还包括第一和第二气液分离单元、第一和第二再收集管道以及热交换器。
参照图2和4，模块单元300包括用于排出燃料供应单元110中产生的废气的废气管道L1、紧密地设置在废气管道L1的下面用于将从燃料供应单元110供应的氢供应到堆叠体单元130的燃料供应管道L2、紧密地设置在燃料供应管道L2的下面用于将空气供应单元120供应的空气供应到堆叠体单元130的空气供应管道L3、紧密地设置在废气管道L1的左侧的第一气液分离单元180、紧密地设置在第一气液分离单元180的左侧的第二气液分离单元190、设置在废气管道L1和第一气液分离单元180之间的第一再收集管道L4，以及设置在第一气液分离单元180和第二气液分离单元190之间的第二再收集管道L5。
分别具有堆叠体单元130需要温度的氢和空气可以通过模块单元300被供应到该叠体单元130中，从而，提高了燃料电池系统的热效率。另外，使用通过废气管道L1排出的废气的热量，从而提高了燃料电池系统的热效率。此外，废气管道L1内部的热传递至第一气液分离单元180和第二气液分离单元190，从而维持用于气液分离的适合温度。
参照图2和5，模块单元400包括用于排出燃料供应单元110产生的废气的废气管道L1、紧密地设置在废气管道L1的下面用于将从燃料供应单元110供应的氢供应到堆叠体单元130的燃料供应管道L2、紧密地设置在燃料供应管道L2的下面用于将空气供应单元120供应的空气供应到堆叠体单元130的空气供应管道L3，以及紧密地设置在废气管道L1的右侧用于交换堆叠体单元130产生的热量的热交换器153。在此，热交换器153可以设置在废气管道L1的左侧或上面。
分别具有堆叠体单元130需要温度的氢和空气可以通过模块单元400被供应到该叠体单元130中，从而，提高了燃料电池系统的热效率。另外，使用通过废气管道L1排出的废气的热量，也提高了燃料电池系统的热效率。此外，废气管道L1内部的热传递至热交换器153，从而也利用了废气的热量。
参照图2和6，模块单元500包括用于排出燃料供应单元110中产生的废气的废气管道L1、紧密地设置在废气管道L1的下面用于将从燃料供应单元110供应的氢供应到堆叠体单元130的燃料供应管道L2、紧密地设置在燃料供应管道L2的下面用于将空气供应单元120供应的空气供应到堆叠体单元130的空气供应管道L3、紧密地设置在废气管道L1的左侧的第一气液分离单元180、紧密地设置在第一气液分离单元180的左侧的第二气液分离单元190、设置在废气管道L1和第一气液分离单元180之间的第一再收集管道L4、设置在第一气液分离单元180和第二气液分离单元190之间的第二再收集管道L5，以及紧密地设置在废气管道L1的右侧用于交换堆叠体单元130产生的热量的热交换器153。
分别具有堆叠体单元130需要温度的氢和空气可以通过模块单元500被供应到该叠体单元130中，从而，提高了燃料电池系统的热效率。另外，使用通过废气管道L1排出的废气的热量，从而提高了燃料电池系统的热效率。此外，废气管道L1内部的热传递至第一气液分离单元180和第二气液分离单元190，从而维持用于气液分离的适合温度。另外，废气管道L1内部的热量传递到热交换器153，从而利用了废气热量。
如上所述，根据本发明的燃料电池系统具有废气管道、燃料供应管道和空气供应管道整体模块化形成的模块单元。从而，具有堆叠体单元需要温度的氢和空气被供应到堆叠体单元，因此提高了燃料电池系统的热效率。
其次，使用通过废气管道排出的废气的热量，从而提高了燃料电池系统的热效率。
第三，由于每个部件的模块化从而燃料电池系统具有减小的体积，从而具有提高的批量生产率。同样，由于管道的长度短从而降低了燃料电池系统的整个制造成本。
尽管本发明可以表现为几种没有超出其精神或本质特征的形式，但应当理解，除非特别指明，上述实施方式不局限于任何上述描述的细节，而是广泛地包括在附随权利要求限定的其精神和范围内，从而落入权利要求界限的所有变形和修改或这种界限的等同物都倾向于包括在附随权利要求中。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，包括：
用于通过氢和空气的电化学反应产生电的堆叠体单元；
用于将氢供应到堆叠体单元的燃料供应单元；
用于将空气供应到堆叠体单元的空气供应单元；以及
模块单元，其具有废气管道以用于排出燃料供应单元产生的废气，具有燃料供应管道以用于将燃料供应单元提供的氢供应到堆叠体单元，以及具有空气供应管道以用于将空气供应单元提供的空气供应到堆叠体单元，其中所述废气管道、所述燃料供应管道以及所述空气供应管道顺序地设置并整体模块化。
2.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料供应管道设置在所述废气管道的下面，以及所述空气供应管道设置在所述燃料供应管道的下面。
3.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述废气管道设置在中心，所述燃料供应管道设置为覆盖所述废气管道的外围表面，以及所述空气供应管道设置为覆盖所述燃料供应管道的外围表面。
4.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述模块单元还包括：
紧密地设置在废气管道附近的第一气液分离单元，用于清除从燃料供应单元供应到堆叠体单元的氢中含有的湿气；
紧密地设置在第一气液分离单元附近的第二气液分离单元，以用于清除从堆叠体单元供应到燃料供应单元的废气中含有的湿气；
安装在废气管道和第一气液分离单元之间的第一再收集管道；以及
安装在第一气液分离单元和第二气液分离单元之间的第二再收集管道。
5.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述模块单元还包括紧密设置在废气管道附近的热交换器，以用于交换从堆叠体单元产生的热。
6.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述模块单元还包括：
紧密地设置在废气管道左侧的第一气液分离单元，以用于清除从燃料供应单元供应到堆叠体单元的氢中含有的湿气；
紧密地设置在第一气液分离单元左侧的第二气液分离单元，以用于清除从堆叠体单元供应到燃料供应单元的废气中含有的湿气；
紧密地设置在废气管道右侧的热交换器，以用于交换从堆叠体单元产生的热；
安装在废气管道和第一气液分离单元之间的第一再收集管道；以及
安装在第一气液分离单元和第二气液分离单元之间的第二再收集管道，
其中所述燃料供应管道紧密地设置在废气管道的下面，以及所述空气供应管道紧密地设置在所述燃料供应管道的下面。
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