TW201347287A - 燃料電池系統 - Google Patents
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Abstract
一種液體電解質燃料電池系統(10),其包括具有位在相對電極之間的液體電解質腔室的至少一燃料電池,該等電極係一陽極與一陰極,以及用於向鄰接陰極之氣體腔室供給氣流並從該鄰接陰極之氣體腔室排出廢氣流(38)之手段(30、32),該系統也包括一液體電解質儲存槽(40),以及令液體電解質流通於該液體電解質儲存槽(40)與該等燃料電池之間的手段(42、44、47、48)。另外,該系統包括一鄰接該儲存槽(40)的儲水槽(60),以及用於從該廢氣流(38)中冷凝水蒸氣之手段(50、51),與用於進給(56)該冷凝後的水蒸氣進入該儲水槽(60)之手段(50、51)。該儲水槽(60)具有一溢出口(64);及一導通管體(68)連結於該液體電解質儲存槽(40)與該儲水槽(60)溢出口下方水位(60)。此自動補充從電解質中蒸發的任何水,而無須任何電子元件。
Description
本發明關於液體電解質燃料電池系統,其較佳地但不全然係配合鹼性燃料電池運作。
燃料電池已被認定為一種相對較乾淨且有效率的電力來源。由於鹼性燃料電池可運作在相對低溫下、有效率且在機械性或電化學性上更耐用,因此特別引人關注。酸性燃料電池及運用其他液體電解質的燃料電池也同樣引人關注。此述燃料電池一般包括一電解質腔室,該電解質腔室分開設置於一燃料氣體腔室(包含有燃料氣體,一般為氫)及進而一氣體腔室(包含有氧氣,通常為空氣)。該電解質腔室係利用電極分開設置於該氣體腔室。典型用於鹼性燃料電池的電極包括一導體材料(一般為鎳),其為該電極提供機械強度,且該電極也配設有一觸媒,該觸媒上可塗佈有包括活性碳及觸媒金屬(一般為鉑)。
在過程中,化學反應發生在每一電極上,而產生電。舉例而言,若燃料電池被提供分別供給至一陽極腔室及至一陰極腔室的氫氣與空氣,其反應如下,在陽極上:
H2+2OH- → 2H2O+2e-;在陰極上:½O2+H2O+2e- → 2OH-
因此全部的反應為氫加氧產生水,而同時產生電,以及從陰極往陽極透過電解質擴散的氫氧根離子。而由於陽極發生之反應係生成水,水也會在這些電極上蒸發,故其可能會因電解質濃度發生變化而產生問題。
本發明之燃料電池系統可解決或減輕現有技術中的一個以上問題。
按,本發明提供一種液體電解質燃料電池系統,其包括至少一燃料電池,每一燃料電池在相對的電極之間包括一液體電解質腔室,該等電極係為一陽極與一陰極;以及用於向一鄰接電極的氣體腔室供給一氣流並從鄰接電極的氣體腔室排出廢氣流之手段,該系統也包括一液體電解質儲存槽,以及令液體電解質流通於該液體電解質儲存槽與每一液體電解質腔室之間的手段;其中該系統包括一鄰接該液體電解質儲存槽的儲水槽,及用於從該廢氣流中冷凝水蒸氣之手段,以及用於進給該冷凝後的水蒸氣進入該儲水槽之手段;該儲水槽具有一溢出口;且具有一管體,該管體提供該液體電解質儲存槽與該儲水槽溢出口下方水位之間的導通。
該溢出口確保了該儲水槽中的水位實質上恆定。該溢出口的高度可為可調整的,然而在任何情況下,較佳地設置為,當電解質儲存槽中的電解質位於一預期
水位,在所有電解質儲存槽和該儲水槽中的該導通管體的壓力水位都是相同的。
業已發現,在燃料電池系統的運作中,因為電解質溫度高於環境溫度,故會有水的淨蒸發。因此,系統內的電解質體積會逐漸降低,且電解質濃度會逐漸增加。本發明之系統確保水可被提供至儲水槽中,並且該系統中電解質體積上的任何減少可自動致使水從該儲水槽流入,從而該電解質的體積保持恆定。其不需要動態化的控制,當需要時,水輸送入電解質,僅需依賴重力。
該導通管體可包括一止回閥,或一手動閥,以防止電解質在啟動期間流入該儲水槽。一旦該燃料電池系統處於運作中,任何此述之手動閥可保持開啟。該導通管體之尺寸較佳地為,在運作期間通過該導通管體的水流量可防止電解質的反向擴散。
在一實施例中,該儲水槽包括有多數擋板以抑制流入水所造成的任何紊流。
既然從鄰接陰極之氣體腔室流出的廢氣一般大於從鄰接陽極之腔室流出的廢氣,且通常含有大量水蒸氣,該電極較佳地為一陰極。該系統也可包括用於向一鄰接陽極之氣體腔室供給一燃料氣流並從該鄰接陽極之氣體腔室排出一排放氣流之手段,及用於從該排放氣流中冷凝水蒸氣之手段,以及用於進給該冷凝後的水蒸氣進入該儲水槽之手段。
10‧‧‧燃料電池系統
12‧‧‧電解質
20‧‧‧燃料電池堆
22‧‧‧氫儲存瓶
24‧‧‧調節器
26‧‧‧控制閥
28‧‧‧第一氣體出口管體
30‧‧‧送風機
32‧‧‧淨化器
34‧‧‧過濾器
38‧‧‧第二氣體出口管體
40‧‧‧電解質儲存槽
41‧‧‧排出口
42‧‧‧抽水機
44‧‧‧水箱
45‧‧‧排出口
46‧‧‧溢流管
47‧‧‧管體
48‧‧‧回流管體
49‧‧‧熱交換器
50‧‧‧熱交換器
51‧‧‧氣/液分離器
52‧‧‧出口
53‧‧‧出口
54‧‧‧出口
55‧‧‧出口
56‧‧‧共同饋送管
60‧‧‧進入儲水槽
62‧‧‧擋板
64‧‧‧溢流口
65‧‧‧廢水管
66‧‧‧水
68‧‧‧連結管
70‧‧‧止回閥
第1圖揭示本發明之燃料電池系統中流體流動之示意圖。
本發明於下將以示例的方式,並參照圖式,作進一步及更具體的描述。
參照第1圖,一燃料電池系統10包括一燃料電池堆20(示意性表示),其使用了氫氧化鉀水溶液作為電解質12,舉例而言為6莫耳的濃度。該燃料電池堆20係被供給氫氣作為燃料、空氣作為氧化劑,以及電解質12,且運作於電解質溫度大約65°或70℃的條件下。氫氣係從一氫儲存瓶22通過一調節器24及一控制閥26被供給至該燃料電池堆20,且一排放氣流通過一第一氣體出口管體28排出。空氣係藉一送風機30供給,且在送達該燃料電池堆20之前藉由通過一淨化器32及一過濾器34來淨化,而廢氣體通過一第二氣體出口管體38排出。
在燃料電池堆20具體結構並非為本發明主體的情況下,該燃料電池堆20以示意性表示,然而在此示例中其由一燃料電池堆所構成,每一燃料電池包括一在相對電極之間的液體電解質腔室,該等電極係為一陽極與一陰極。在每一電池中空氣流通過一鄰接陰極之氣體腔室,並作為廢氣體排出。類似地,在每一電池中,氫流通過一鄰接陽極的氣體腔室,且排放氣流排出,其可以被稱為作為淨化氣流。
該燃料電池堆20的運作藉上述化學反應的定性而產生電,並也產生水。此外水蒸發,而該排放氣流與該廢氣體皆包含水蒸氣。整體結果會是電解質12不斷流失水。
該電解質12儲存於提供有一排出口41的電解質儲存槽40內。一抽水機42將電解質從該儲存槽40循環至提供有一排出口45的水箱44,該水箱44具有一溢流管46,藉此電解質可回流至該儲存槽40。此確保在該水箱44中的電解質水位為恆定。該電解質係在恆定壓力下被供給,通過一管體47至該燃料電池堆20;且廢電解質通過包括有熱交換器49以移除餘熱的一回流管體48回流至該儲存槽40。
該第一氣體出口管體28包括一熱交換器50及一氣/液分離器51,該氣/液分離器51從該排出的排放氣流中冷凝水蒸氣,從而被冷卻的排放氣流通過一出口52排出,而一水流從一出口53排出。類似地,該第二氣體出口管體38包括一熱交換器50及一氣/液分離器51來從該廢氣體中冷凝水蒸氣,從而被冷卻的廢氣體通過一出口54排出且一水流從一出口55排出。
從出口53和出口55排出的水流,通過一進入儲水槽60並緊接於該電解質儲存槽40之共同饋送管56被饋送。該儲水槽60包括一定數量從相對壁體上延伸的水平擋板62,其抑制因流入水而生的紊流,且提供有一溢流口64連通於一廢水管65。在使用中,該儲水槽60可包含上至由該溢流口64高度所設定水位的水
66。該儲水槽60與該電解質儲存槽40共用一共同壁體,因此在熱量透過該共同壁體傳輸的情況下,水66可受該電解質12加溫。
在接近該儲水槽60底部處有一短的連結管68,其提供流體在該儲水槽60與該電解質儲存槽40之間的流通,且該連結管68包括一止回閥70。該溢流口64之高度係選定以令:若該電解質儲存槽40中的電解質12的水位處於其預期水位,則在連結管68的位置上,因該電解質12而生的流體靜壓力係相同於因水66而生的流體靜壓力。而可理解的是,其液體水位是不一樣的,因為電解質12和水66的密度是不同的。因此,在操作中,多餘的水由該溢流口64流出並進入該廢水管65,但水也流通過該連結管68而進入該電解質儲存槽40以彌補電解質中因蒸發而失去的水。該連結管68的直徑例如可為3 mm或4mm,但在任何情況下該直徑應當為,令持續通過該連結管68的水流可處在一足夠流速下,以防止氫氧化鉀的任何反向擴散。
當該燃料電池系統10初步設置完成,電解質12被引入該電解質儲存槽40,且該止回閥70防止電解質12回流入該儲水槽60。在持續正常操作燃料電池系統10期間,該止回閥70並不與水流碰撞,且電解質12亦無往相反方向流動的傾向。
可理解的是,上面所述之燃料電池系統10可在不脫離本發明的範疇內以各種方式修改。例如該連結管68,其如所示為一通過該共同壁體的直向管體,亦
可替代為一連結該等儲存槽40及60底部位置並突出於該等儲存槽40及60底部下方的U-形管體。該止回閥70,在另外替代方案中,可由一手動閥來取代,其可在初步設置而引入電解質12期間關閉,且可在一旦該儲水槽60內有了適當水位的水之後開啟,且該電池堆20可達到一穩定的運作狀態。如另一修改中,該溢流口64亦可取代為過餘水能通過之窗檻或堰體;且此窗檻或堰體之高度為可調的。
在進一步的替代方案中,該廢氣體流與該排放氣流係相結合,且通過隨後接液/氣分離器51的單一熱交換器50,以向該饋送管56產生水流。
10‧‧‧燃料電池系統
12‧‧‧電解質
20‧‧‧燃料電池堆
22‧‧‧氫儲存瓶
24‧‧‧調節器
26‧‧‧控制閥
28‧‧‧第一氣體出口管體
30‧‧‧送風機
32‧‧‧淨化器
34‧‧‧過濾器
38‧‧‧第二氣體出口管體
40‧‧‧電解質儲存槽
41‧‧‧排出口
42‧‧‧抽水機
44‧‧‧水箱
45‧‧‧排出口
46‧‧‧溢流管
47‧‧‧管體
48‧‧‧回流管體
49‧‧‧熱交換器
50‧‧‧熱交換器
51‧‧‧氣/液分離器
52‧‧‧出口
53‧‧‧出口
54‧‧‧出口
55‧‧‧出口
56‧‧‧共同饋送管
60‧‧‧進入儲水槽
62‧‧‧擋板
64‧‧‧溢流口
65‧‧‧廢水管
66‧‧‧水
68‧‧‧連結管
70‧‧‧止回閥
Claims (10)
- 一種液體電解質燃料電池系統,其包括至少一燃料電池,每一燃料電池包括一位在相對電極之間的液體電解質腔室,該等電極係為一陽極與一陰極;以及用於向一鄰接電極之氣體腔室供給一氣流並從該鄰接電極的氣體腔室中排出一廢氣流之手段;該系統也包括一液體電解質儲存槽,以及令液體電解質流通於該液體電解質儲存槽與每一液體電解質腔室之間的手段;其中該系統包括一鄰接該液體電解質儲存槽的儲水槽,以及用於從該廢氣流中冷凝水蒸氣之手段,以及用於進給該冷凝後的水蒸氣進入該儲水槽之手段;該儲水槽具有一溢出口;且具有一管體提供該液體電解質儲存槽與該儲水槽溢出口下方水位之間的導通。
- 如申請專利範圍第1項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該溢出口的高度係可調整的。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該溢出口的高度係設定以令該電解質儲存槽內的電解質位於一預期水位時,在該導通管體水位下的壓力係與電解質儲存槽及該儲水槽中的壓力皆相同。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該導通管體包括一止回閥。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該導通管體包括一手動閥。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該導通管體的橫截面面積係令運作期間內通過該導通管體的水流量可防止電解質的反向擴散。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該儲水槽包括多數擋板以抑制紊流。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中該電極係為一陰極。
- 如前述申請專利範圍中任一項所述之液體電解質燃料電池系統,其中氣流係分別被提供至鄰接陽極的氣體腔室以及至該陰極,且從該鄰接陽極的氣體腔室排出的廢氣流被提供至該陰極,以及向每一廢氣流提供用於冷凝水蒸氣之手段及用於將冷凝後的水蒸氣饋入該儲水槽之手段。
- 一種參照附圖實質上如上文所述,並且如圖所示之液體電解質燃料電池系統。
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