專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，尤其是一種具有提高整個系統(tǒng)的燃料效率的結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是用來產(chǎn)生電力的系統(tǒng)。在燃料電池中，氧與包含在諸如甲醇、乙醇和天然氣的烴類材料中的氫之間的化學(xué)反應(yīng)能直接轉(zhuǎn)化成電能。
根據(jù)在燃料電池中使用的電解質(zhì)類型，將燃料電池劃分為不同類型磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和聚合物電解質(zhì)(polymer electrolyte)燃料電池或者堿性燃料電池。雖然每個不同類型的燃料電池使用相同的原理，但所使用的燃料、催化劑和電解質(zhì)的類型、以及驅(qū)動溫度不同。
最近推出了一種聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)。與其它燃料電池相比，PEMFC具有優(yōu)良的輸出特性、低操作溫度以及快速啟動和響應(yīng)的特性。PEMFC可用作汽車電源，在家庭、建筑和電子器件中用作電源。因此PEMFC具有廣泛的應(yīng)用范圍。
PEMFC的基本組件是堆疊、重整器、燃料罐和燃料泵。堆疊形成燃料電池的主體。燃料泵將存儲在燃料罐中的燃料供送給重整器。重整器重整燃料以產(chǎn)生氫氣，并將氫氣供送給堆疊。因此，PEMFC通過運(yùn)行燃料泵將燃料罐中的燃料送到重整器。燃料在重整器中被重整以產(chǎn)生氫氣，該氫氣與堆疊中的氧氣反應(yīng)從而產(chǎn)生電能。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，堆疊構(gòu)建成包括幾個至幾十個利用薄膜電極組件(MEA)實(shí)現(xiàn)的單元小室，分隔件設(shè)置在薄膜電極組件的兩側(cè)。在MEA中，陽極電極和陰極電極彼此相對設(shè)置，其間夾置著電解質(zhì)層。而且，分隔件利用公知的雙極板實(shí)現(xiàn)，并且分隔件用來分隔每個MEA。分隔件也用來提供通道，燃料反應(yīng)所需的氫氣和氧氣經(jīng)過該通道被供送給MEA的陽極電極和陰極電極。另外，分隔件用作用于串聯(lián)連接各MEA的陽極電極和陰極電極的導(dǎo)體。因此經(jīng)由分隔件將氫氣供送給陽極電極，將氧氣供送給陰極電極。氫氣的氧化反應(yīng)在陽極電極中發(fā)生，氧氣的還原反應(yīng)在陰極電極中發(fā)生。在該過程中通過電子的運(yùn)動發(fā)電。也產(chǎn)生了熱量和濕氣。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，必須將堆疊連續(xù)保持在合適的溫度以確保電解質(zhì)層的穩(wěn)定性，并防止性能下降。為此，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)通常包括空冷冷卻裝置以利用比從所述堆疊輻射的熱量冷的空氣冷卻所述堆疊。通常也使用以水來降低堆疊溫度的水冷冷卻裝置。
但是，使用這種空冷或者水冷系統(tǒng)的傳統(tǒng)燃料電池的缺點(diǎn)在于在冷卻堆疊之后被加熱的空氣或水被簡單排放。這樣極大地浪費(fèi)了能源。
另外，供送給陰極電極的空氣中只有一部分發(fā)生反應(yīng)，而其余部分作為在發(fā)電過程中生成的潮濕高溫蒸汽被排放。當(dāng)水被從堆疊排放到溫度較低的大氣中時，水與大氣接觸從而產(chǎn)生凝結(jié)。因此，水從電子器件外殼逃逸，從而使用戶感到不適。
而且，在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，重整器和堆疊經(jīng)常在首次啟動系統(tǒng)時要預(yù)熱。實(shí)施這一預(yù)熱使用的能量降低了系統(tǒng)的總效率。
最后，傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)使用通過對堆疊發(fā)電所需的燃料單獨(dú)加熱和氣化來經(jīng)由重整器產(chǎn)生氫氣的結(jié)構(gòu)。在重整器中將燃料加熱到所需溫度使用的能量再次使系統(tǒng)的總效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一示例性實(shí)施例中提供了一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)具有將在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量和水再次用作驅(qū)動系統(tǒng)的能量源的結(jié)構(gòu)，從而提高了整個系統(tǒng)的性能和效率。
在本發(fā)明的一示例性實(shí)施例中，一種燃料電池系統(tǒng)包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給電力發(fā)生器；以及第一熱交換器，與重整器和電力發(fā)生器連接，并且在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中供送重整器的熱能以預(yù)熱電力發(fā)生器。
所述重整器包括利用燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)器。燃料供送組件包括存儲燃料的第一罐、以及連接到第一罐的第一泵。第一罐和第一反應(yīng)器通過第一供送管線互連。
氧氣供送組件包括用于引入空氣的空氣泵。該空氣泵和第一反應(yīng)器通過第二供送管線互連。
設(shè)置多個電力發(fā)生器，通過以相鄰結(jié)構(gòu)安裝所述電力發(fā)生器形成一堆疊。而且，所述堆疊包括安裝在相鄰電力發(fā)生器之間的通道組件，并且所述通道組件具有供熱能通過的通道。
第一熱交換器包括噴嘴部件，與所述通道的一端相連，從而使第一反應(yīng)器和所述通道互連；回收部件，與所述通道的另一端相連，從而與噴嘴部件連通。第一反應(yīng)器和噴嘴部件通過第三供送管線互連。
通道組件為板形式的高溫傳導(dǎo)部件。該高溫傳導(dǎo)部件由從鋁、銅和鋼中選取的傳導(dǎo)材料制成。
每個電力發(fā)生器包括膜電極組件和安裝在所述膜電極組件的相對側(cè)上的分隔件。所述通道組件在相鄰分隔件中形成通道。
在另一方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給電力發(fā)生器；以及第二熱交換器，在電力發(fā)生器中循環(huán)燃料，以便減少在正常運(yùn)行過程中在電力發(fā)生器中產(chǎn)生的熱量，并且向重整器供送在循環(huán)通過電力發(fā)生器時被加熱的預(yù)熱燃料。
所述氧氣供送組件包括用于引入空氣的空氣泵。該空氣泵和電力發(fā)生器通過第四供送管線互連。
設(shè)置多個電力發(fā)生器，通過以相鄰結(jié)構(gòu)安裝所述電力發(fā)生器形成一堆疊。所述堆疊包括安裝在相鄰電力發(fā)生器之間的通道組件，并且所述通道組件具有供熱能通過的通道。
第二熱交換器包括噴嘴部件，與所述通道的一端相連，從而使所述燃料供送組件和所述通道互連；回收部件，與所述通道的另一端相連，從而與噴嘴部件連通。
所述燃料供送組件包括第一罐，存儲包含氧的液體燃料；第二罐，存儲水；以及第一泵，分別與所述第一罐和第二罐相連。所述第一和第二罐與噴嘴部件通過第五供送管線互連。
重整器包括第一反應(yīng)器，通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器，利用所述熱能蒸發(fā)燃料-水的混合物；以及第三反應(yīng)器，通過蒸發(fā)重整催化反應(yīng)從蒸發(fā)的混合物中產(chǎn)生氫氣。所述回收部件和所述第二反應(yīng)器通過第六供送管線相連。
所述通道組件為高溫傳導(dǎo)部件，包括通道，并且介于相鄰電力發(fā)生器之間。
每個所述電力發(fā)生器包括膜電極組件和安裝在所述膜電極組件的相對側(cè)上的分隔件。所述通道組件在相鄰分隔件中形成通道。
所述重整器還包括至少一個用于減少氫氣中所含一氧化碳濃度的反應(yīng)器。
所述重整器包括第四反應(yīng)器，利用水氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)(aqueous gasconversion catalytic reaction)來實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的首次減少；第五反應(yīng)器，利用選擇氧化催化反應(yīng)(selective oxidation catalytic reaction)來實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的二次減少。所述第五反應(yīng)器和電力發(fā)生器通過第七供送管線互連。
每個反應(yīng)器包括板形主體、形成在該主體的上表面上以允許流體流過的流道、以及與各流道相連的通道孔。重整器具有通過所述主體的組合形成的疊置結(jié)構(gòu)。所述重整器包括與最上部主體相連的蓋。
所述電力發(fā)生器包括水排放部件，用于排出在氫和氧的化合反應(yīng)中產(chǎn)生的高溫水，以未反應(yīng)狀態(tài)被包含在該水中的氧氣，并且所述電力發(fā)生器還包括氫氣排放部件，用于排出未與氧氣反應(yīng)的氫氣。重整器包括通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)器。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第三熱交換器，用來冷凝通過水排放部件排出的包含有未反應(yīng)氧氣的水，從而分別產(chǎn)生水和氧氣；以及第一循環(huán)部分，將第三熱交換器產(chǎn)生的水供送給燃料供送組件，將氧氣供送給第一反應(yīng)器。
第三熱交換器包括冷凝器，與水排放部件相連；以及第八供送管線，與水排放部件和冷凝器連接。第一循環(huán)部分包括使冷凝器和燃料供送組件互連的第九供送管線、以及使冷凝器與第一反應(yīng)器互連的第十供送管線。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第二循環(huán)部分，用于將從氫氣排放部件排出的未反應(yīng)氫氣供送給第一反應(yīng)器。第二循環(huán)部分包括使氫氣排放部件與第一反應(yīng)器互連的第十一供送管線。
在本發(fā)明的另一方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給電力發(fā)生器；第一熱交換器，在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中供送重整器的熱能以預(yù)熱電力發(fā)生器；以及第二熱交換器，在電力發(fā)生器中循環(huán)燃料，以便減少在正常運(yùn)行過程中在電力發(fā)生器中產(chǎn)生的熱量，并且向重整器供送在循環(huán)通過電力發(fā)生器時被加熱的預(yù)熱燃料。
所述電力發(fā)生器包括水排放部件，用于排出在氫和氧的化合反應(yīng)中產(chǎn)生的高溫水，和以未反應(yīng)狀態(tài)被包含在該水中的氧氣，并且所述電力發(fā)生器還包括氫氣排放部件，用于排出未與氧氣反應(yīng)的氫氣。重整器包括通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)器。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第三熱交換器，用來冷凝通過水排放部件排出的包含有未反應(yīng)氧氣的水，從而分別產(chǎn)生水和氧氣；以及第一循環(huán)部分，將第三熱交換器產(chǎn)生的水供送給燃料供送組件，將氧氣供送給第一反應(yīng)器。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第二循環(huán)部分，用于將從氫氣排放部件排出的未反應(yīng)氫氣供送給第一反應(yīng)器。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第四熱交換器，用于蒸發(fā)從第一反應(yīng)器排出的排氣。該第四熱交換器包括用于加熱排氣的加熱器，所述加熱器和第一反應(yīng)器通過第十二供送管線互連。
所述重整器包括第二反應(yīng)器，利用熱能蒸發(fā)燃料-水混合物；第三反應(yīng)器，從所蒸發(fā)的燃料混合物中通過蒸發(fā)重整催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；以及至少一個用于減小該氫氣中一氧化碳濃度的反應(yīng)器。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第一輔助燃料供送組件，用于將一氧化碳濃度減小的氫氣供送給第一反應(yīng)器。該第一輔助燃料供送組件包括第十三供送管線，用于將從重整器向電力發(fā)生器供送氫氣的供送管線與從電力發(fā)生器向第一反應(yīng)器供送未反應(yīng)氫氣的供送管線互連起來。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括第二輔助燃料供送組件，用于另外將燃料供送給第一反應(yīng)器。該第二輔助燃料供送組件包括第十四供送管線，將燃料供送組件與第一反應(yīng)器互連起來；第二泵，與該第十四供送管線相連。
在又一方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括至少一個電力發(fā)生器，通過氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給電力發(fā)生器；氧氣供送組件，將氧氣供送給電力發(fā)生器；以及第五熱交換器，經(jīng)過外部負(fù)載循環(huán)燃料，以便減少外部負(fù)載產(chǎn)生的熱量。
所述第五熱交換器包括冷卻板，該冷卻板具有通道并且與負(fù)載接觸。燃料供送組件和所述通道通過第十五供送管線互連。
所述燃料電池系統(tǒng)還包括重整器，通過化學(xué)催化反應(yīng)利用熱能從燃料產(chǎn)生氫氣，所述重整器安裝在所述電力發(fā)生器和燃料供送組件之間并且與所述電力發(fā)生器和燃料供送組件相連。
所述燃料電池系統(tǒng)使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池方法或者直接甲醇燃料電池方法。


參照結(jié)合附圖的下述詳細(xì)說明，本發(fā)明的更完整的評價以及其它優(yōu)點(diǎn)將變得明了，同時也得到更深入理解。在附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同或者相似的部件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一示例實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1中的重整器的分解透視圖；圖3是以裝配狀態(tài)示出的圖1中的重整器的透視圖；圖4是圖1中的堆疊的分解透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一修改示例的堆疊的分解透視圖；圖6是圖1中的第一熱交換器和相關(guān)元件的示意圖；圖7是圖6中的噴嘴部件和回收部件的分解透視圖；圖8是圖1中的第二熱交換器和相關(guān)元件的示意圖；圖9是圖1中的第三熱交換器和相關(guān)元件的示意圖；圖10是圖1中的第一循環(huán)部分和相關(guān)元件的示意圖；圖11是圖1中的第二循環(huán)部分和相關(guān)元件的示意圖；圖12是圖1中的第四熱交換器和相關(guān)元件的示意圖；圖13是圖1中的第一輔助燃料供送組件和相關(guān)元件的示意圖；圖14是圖1中的第二輔助燃料供送組件和相關(guān)元件的示意圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
在該實(shí)施例中，用于發(fā)電的燃料要包括包含氫氣的燃料，諸如甲醇、乙醇或者天然氣。在下文中，使用所述燃料，假定為液體形式，也許還和水混合。
而且，在根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100中，要與包含在燃料中的氫氣反應(yīng)的氧氣可以是存儲在獨(dú)立存儲容器中的純氧氣，或者只簡單地為空氣中所包含的氧氣。在下文中，假定使用空氣中所包含的氧氣。
參見圖1，燃料電池系統(tǒng)100包括用于從燃料產(chǎn)生氫氣的重整器30；堆疊10，用于將氫氣和空氣中所包含的氧氣的化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化成電能從而發(fā)電；燃料供送組件50，用于將燃料供送給重整器30；以及氧氣供送組件70，用于將空氣供送給堆疊10。
在帶有上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)100中，使用聚合物電極膜燃料電池(PEMFC)方法，其中由重整器30產(chǎn)生氫氣，將氫氣供送給堆疊10從而通過在氧氣和氫氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
燃料供送組件50包括第一罐51，用于存儲液體燃料；第二罐53，用于存儲水；以及第一泵55，與第一罐51和第二罐53連接。燃料供送組件50還可包括第一閥57，安裝在使第一罐51和第二罐53互連的管線上；以及第二閥59，安裝在使第二罐53和第一泵55互連的管線上。第一閥57和第二閥59是傳統(tǒng)的兩路閥，可利用第一泵55的泵送力來選擇開閉其所在的管線。
氧氣供送組件70包括使用小泵送力實(shí)現(xiàn)空氣吸入的空氣泵71。
圖2是重整器30的分解透視圖，圖3是在裝配狀態(tài)下示出的重整器30的透視圖。
參照圖1-3，重整器30利用化學(xué)催化反應(yīng)來產(chǎn)生氫氣，并且減小氫氣中含有的一氧化碳濃度。重整器30通過蒸汽重整、部分氧化或者自然反應(yīng)的催化反應(yīng)從液體燃料生成氫氣。而且，重整器30使用諸如水氣轉(zhuǎn)化方法或者選擇氧化方法的催化反應(yīng)、或者使用分離層的精煉氫氣的方法來減小氫氣中所包含的一氧化碳濃度。
在示例性實(shí)施例中，重整器30包括順序疊置的第一至第五反應(yīng)器31-35，這些反應(yīng)器通過液體燃料與氧氣之間的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能，利用該能量通過上述化學(xué)催化反應(yīng)從混合燃料生成氫氣，并且減小氫氣中的一氧化碳濃度。
更具體地，重整器30包括第一反應(yīng)器31，用于產(chǎn)生化學(xué)催化反應(yīng)所需的反應(yīng)熱；第二反應(yīng)器32，用于利用由第一反應(yīng)器31產(chǎn)生的熱能蒸發(fā)混合燃料；第三反應(yīng)器33，用于通過重整(SR)催化反應(yīng)從蒸發(fā)的混合氣體中產(chǎn)生氫氣；第四反應(yīng)器34，用于通過水-氣轉(zhuǎn)換(WGS)催化反應(yīng)來產(chǎn)生額外的氫氣，并且實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的首次減少；第五反應(yīng)器35，用于通過優(yōu)選的CO氧化(PROX)催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的二次減少。
在該示例實(shí)施例中，重整器30構(gòu)建成第一反應(yīng)器31位于中央，第三反應(yīng)器33和第四反應(yīng)器34順序疊置在第一反應(yīng)器31的一側(cè)面上，第二反應(yīng)器32和第五反應(yīng)器35順序疊置在第一反應(yīng)器31的另一側(cè)面上。流道31a-35a和通道孔31d、31e，32c、32d、33b-33d、34b和34c形成在各第一至第五反應(yīng)器31-35的上側(cè)面上(圖2和圖3中)，從而使流體流過。而且，可將蓋36安裝在遠(yuǎn)離第三反應(yīng)器33的第四反應(yīng)器34的一側(cè)面上。第一至第五反應(yīng)器31-35可以是具有預(yù)定長度和寬度的四邊形板，可由具有導(dǎo)熱性的金屬制成，諸如鋁、銅和鋼。
第一反應(yīng)器31是加熱元件，該加熱元件產(chǎn)生生成氫氣所需的熱能，并且預(yù)熱整個重整器30。第一反應(yīng)器31通過液體燃料與空氣之間的氧化催化反應(yīng)進(jìn)行燃燒。
第一反應(yīng)器31包括四邊形板形式的第一主體31p。第一流道31a在第一主體31p中形成，以使燃料和空氣流動。第一流道31a具有起始端和終止端，并且形成在與第二反應(yīng)器33相鄰的第一主體31p的一側(cè)上。而且，催化劑層(未示出)形成在第一流道31a中，用于實(shí)現(xiàn)對于燃料和空氣的氧化反應(yīng)的催化操作。
而且，第一進(jìn)入孔31b形成在第一反應(yīng)器31的第一主體31p中，通過該進(jìn)入孔31b將液體燃料和空氣供送給第一流道31a。第一排出孔31c也形成在第一反應(yīng)器31的第一主體31p中，通過該排出孔31c將在經(jīng)過第一流道31a時經(jīng)過氧化并且燃燒的燃燒后氣體排出。第一進(jìn)入孔31b與第一流道31a的起始端相連，第一排出孔31d與第一流道31a的終止端相連。而且，第一通道孔31d和第二通道孔31e形成在第一排出孔31c的區(qū)域中。第一進(jìn)入孔31b通過第一供送管線111與燃料供送組件50的第一罐51相連，并且通過第二供送管線72與氧氣供送組件70的空氣泵71相連。第三閥75安裝在第二供送管線72上。
第二反應(yīng)器31接收供送的混合燃料，來產(chǎn)生氧氣。第二反應(yīng)器32接收來自第一反應(yīng)器31的熱能來蒸發(fā)混合氣體。
第二反應(yīng)器32包括四邊形板形式的第二主體32p。第二流道32a形成在第二主體32p中，從而使混合燃料流動。第二流道32a具有起始端和終止端，并且形成在與第一反應(yīng)器31相鄰的第二主體32p的一側(cè)面上。催化劑層(未示出)形成在第二流道32a中，用來加快混合燃料的蒸發(fā)。
而且，第二進(jìn)入孔32b形成在第二反應(yīng)器32的第二主體32p中，通過該第二進(jìn)入孔32b將混合燃料供送給第二流道32a。第二進(jìn)入孔32b與第二流道32a的起始端相連。而且與第一反應(yīng)器31的第一通道孔31d連通的第三通道孔32c形成在第二主體32p中，與第一反應(yīng)器31的第二通道孔31e連通并且連接到第二流道32a的第四通道孔32d形成在第二主體32p中。
如上所述，第三反應(yīng)器33通過SR催化反應(yīng)從蒸發(fā)混合氣體生成氫氣。第三反應(yīng)器33包括四邊形形式的第三主體33p。第三流道33a形成在該第三主體33p中，從而使混合燃料流動。第一流道33a具有起始端和終止端，并且形成在與第四反應(yīng)器34相鄰的第三主體33p的一側(cè)面上。而且，催化劑層(未示出)形成在第三流道33a中，用來加快在蒸發(fā)混合燃料上進(jìn)行的重整反應(yīng)操作。
為了接收來自第二反應(yīng)器32的蒸發(fā)混合燃料，在第三反應(yīng)器33的第三主體33p中形成與第一反應(yīng)器31的第二通道孔31e連通的第五通道孔33b、與第三流道33a的終止端連接的第六通道孔33c、以及與第一反應(yīng)器31的第一通道孔31d連通的第七通道孔33d。
如上所述，第四反應(yīng)器34通過WGS催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(除了在第三反應(yīng)器33中產(chǎn)生的氫氣以外)，并且實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的首次減少。
第四反應(yīng)器34包括四邊形板形式的第四主體34p。第四流道34a形成在第四主體34p中，從而使氫氣流動。第四流道34a具有起始端和終止端，并且形成在與蓋36相鄰的第四主體34p的一側(cè)面上。并且，催化劑層(未示出)形成在第四流道34a中，用于加快氫氣的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。
而且在第四反應(yīng)器34的第四主體34p中形成與第三反應(yīng)器33的第六通道孔33c連通的第八通道孔34b、與第四流道34a的終止端連接并且與第三反應(yīng)器33的第七通道孔33d連通的第九通道孔34c。
第五反應(yīng)器35通過空氣與在第四反應(yīng)器34中產(chǎn)生的氫氣的選擇PROX催化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的二次減少。
第五反應(yīng)器包括四邊形板形式的第五主體35p。第五流道35a形成在第五主體35p中，從而使在第四反應(yīng)器34中生成的氫氣流動。第五流道35a具有起始端和終止端，并且形成在與第二反應(yīng)器32相鄰的第五主體35p的一側(cè)面上。催化劑層(未示出)形成在第五流道35a中，用來加快上述選擇氧化反應(yīng)。
而且，在第五反應(yīng)器35的第五主體35p中形成用于將空氣供送到第五流道35a的第三進(jìn)入孔35b、以及用于將最終生成的氫氣供送到堆疊10的第二排出孔35c。第三進(jìn)入孔35b與第五流道35a的起始端相連，第二排出孔35c與第五流道35a的終止端相連。第三進(jìn)入孔35b通過第七供送管線73與氧氣供送組件70的空氣泵71相連。第四閥76安裝在第七供送管線73上。而且，第二排出孔35c通過氫氣供送通道175與堆疊10相連。
分別為四邊形板的第一至第五反應(yīng)器31-35的第一至第五主體31p-35p的形式是這些部件的可形成形狀中的一個示例。允許第一至第五主體31p-35p堆疊的其它結(jié)構(gòu)也是可以使用的。
圖4是堆疊10的分解透視圖。
參見圖1和4，堆疊10包括至少一個電力發(fā)生器11，用于通過由重整器30生成的氫氣與空氣中包含的氧氣的氧化/還原反應(yīng)來產(chǎn)生電能。每個電力發(fā)生器11(在多于一個的情況下)通過將膜電極組件(MEA)12置于兩個分隔件16之間形成發(fā)電的最小單元小室。多個這樣的單元小室結(jié)合形成了具有堆疊結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例的堆疊10。壓板13安裝到多個電力發(fā)生器11的相對最外層上。但是在本發(fā)明中，在配置中沒有設(shè)置壓板13的情況下，位于所述相對最外層上的分隔件16可代替壓板13使用。當(dāng)使用壓板13時，壓板13可具有除了與所述多個電力發(fā)生器11擠壓在一起以外的功能。即，如在下文所解釋的，壓板13可作用使得分隔件16具有一特定的功能。
陽極電極和陰極電極安裝在每個MEA12的相對表面上，并且電解質(zhì)層位于該陽極電極與陰極電極之間。陽極電極實(shí)施氫氣的氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化的電子被向外吸引，從而由穿過電解質(zhì)層向陰極電極移動氫離子的電子流產(chǎn)生電流。陰極電極實(shí)施氫離子、電子和氧氣的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)向水的轉(zhuǎn)化。而且，所述電解質(zhì)層向陰極電極移動在陽極電極中產(chǎn)生的氫離子。
每個分隔件16用作將MEA12的氧化/還原反應(yīng)所需的氫氣和空氣供送到陽極和陰極的路徑。每個分隔件16也用作串聯(lián)連接相應(yīng)陽極電極和陰極電極的導(dǎo)體。具體地說，每個分隔件16提供流道17來在緊密接觸相應(yīng)MEA12中陽極電極的表面上形成路徑，用來將氫氣輸送到陽極，在緊密接觸相應(yīng)MEA12中陰極電極的表面上形成路徑，用來將空氣輸送到陰極。
壓板13包括用于將氫氣輸送到相應(yīng)分隔件16的氫氣路徑的第一灌輸部件13a；第二灌輸部件13b，用于將空氣供送給相應(yīng)分隔件16的空氣路徑；第一排放部件13c，用于排出在相應(yīng)MEA12的陽極電極中發(fā)生反應(yīng)之后殘余的氫氣；以及第二排放部件13d，用于在相應(yīng)MEA12的陰極中氫和氧的結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和水的反應(yīng)之后排出殘余的空氣。
第一灌輸部件13a可通過氫氣供送通道175連接。第二灌輸部件13b可通過第四供送管線74連接到氧氣供送組件70的空氣泵71。第五閥77安裝在第四供送管線74上。
具有上述的結(jié)構(gòu)的堆疊10也可包括通道組件21，該通道組件22包括至少一個通道22。通道組件21位于相鄰電力發(fā)生器22之間。在一個實(shí)施例中，通道組件21包括高溫傳導(dǎo)部件23，為位于兩個或三個電力發(fā)生器11之間的板的形式。高溫傳導(dǎo)部件23由熱傳導(dǎo)金屬材料制成，能容易地傳遞在電力發(fā)生器11中產(chǎn)生的熱量。所述金屬材料的示例包括鋁、銅和鋼。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一修改示例的堆疊的分解透視圖。
參見圖5，在根據(jù)本發(fā)明一修改示例的該堆疊中，具有至少一個通道22的通道組件21形成在電力發(fā)生器11的分隔件16中。每個通道組件21包括在相鄰分隔件16中形成的凹槽22a。當(dāng)相鄰分隔件16緊密接觸時，凹槽22a結(jié)合從而形成通道22。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100(圖1)中，在重整器30中產(chǎn)生的熱能被供送給堆疊10的電力發(fā)生器11(圖4和5)以提高性能和熱效率。用于進(jìn)行操作以便預(yù)熱電力發(fā)生器11的第一熱交換器110(圖1)位于燃料電池系統(tǒng)100中。
圖6是第一熱交換器110的示意圖。
參見圖1、2和4至6，第一熱交換器110具有用來將液體燃料和空氣供送到重整器30的第一反應(yīng)器31的結(jié)構(gòu)，從而將通過氧化反應(yīng)生成的熱能提供給堆疊10的電力發(fā)生器11。即，第一熱交換器110將從第一反應(yīng)器31排出的較高溫度的排氣供送給電力發(fā)生器11，從而預(yù)熱電力發(fā)生器11。
第一熱交換器110通過第一供送管線111與第一罐51和第一反應(yīng)器31的第一進(jìn)入孔31b連接，并且通過第二供送管線72與空氣泵71和第一進(jìn)入孔31b連接。
第一熱交換器110包括噴嘴部件114，用于向電力發(fā)生器11噴灑從第一反應(yīng)器31發(fā)出的排氣；以及回收部件117，用于在排氣通過電力發(fā)生器11之后回收排氣。
圖7是圖6中噴嘴部件114和回收部件117的分解透視圖。
參見圖4至7，噴嘴部件114將從第一反應(yīng)器31發(fā)出的排氣供送給堆疊10的通道組件21，從而預(yù)熱與通道組件21緊密接觸的電力發(fā)生器11。噴嘴部件114與通道部件21的通道22連接。噴嘴部件114包括多個與通道22連通的噴嘴孔115，并且為一端開口、相對端封閉的管子形式。噴嘴孔115從噴嘴部件114突出以能以緊密接觸的方式插入通道22。開口的噴嘴部件114的端部是被供送排氣所通過的入口116。入口116與第一反應(yīng)器31的第一排出孔31c的連接。
回收部件117收集利用噴嘴部件114的操作穿過通道組件21的排氣，將排氣排放到系統(tǒng)100的外部或者將排氣供送給第一反應(yīng)器31?；厥詹考?17與通道組件21的通道22連接?；厥詹考?17包括多個與通道22連接的回收孔118，并且為一端開口、相對端封閉的管子形式?；厥湛?18從回收部件117突出以能以緊密接觸的方式在與插入噴嘴孔115的端部相對的端部處插入通道22中。開口的回收部件117的所述端部是出口119，排氣通過該出口排出。出口119與第六閥112連接，如圖1所示。
具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)100在電力發(fā)生器11通過第一熱交換器110預(yù)熱的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)普通操作。在電力發(fā)生器11中，電能通過氫氣與空氣中的氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。氫氣和氧氣之間在電力發(fā)生器11中的化學(xué)反應(yīng)還額外產(chǎn)生熱量。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，液體燃料和水的混合物在堆疊10中循環(huán)，從而減少了在電力發(fā)生器11中產(chǎn)生的熱量。第二熱交換器120設(shè)置用來向重整器30提供在冷卻堆疊10時被加熱的混合燃料。
圖8是第二熱交換器120和相關(guān)元件的示意圖。
參見圖1和8，第二熱交換器120通過第五供送管線121連接燃料供送組件50和堆疊10的通道組件21，并且通過第六供送管線123連接通道組件21和重整器30的第二反應(yīng)器32。
第二熱交換器120包括噴嘴部件114，用于向電力發(fā)生器11噴灑從第一罐51發(fā)出的液體燃料和從第二罐53發(fā)出的水的混合物；以及回收部件117，用于在該混合物通過電力發(fā)生器11之后回收該混合物，并將該混合物供送給第二反應(yīng)器32。
參見圖6至7，噴嘴部件114將排氣供送給堆疊10的通道組件21，從而減少在電力發(fā)生器11中產(chǎn)生的熱量。噴嘴部件114與通道部件21的通道22連接。噴嘴部件114包括多個與通道22連通的噴嘴孔115，并且為一端開口、相對端封閉的管子形式。噴嘴孔115從噴嘴部件114突出以能以緊密接觸的方式插入通道22。開口的噴嘴部件114的端部是供送燃料混合物所通過的入口116。入口116與第一罐51和第二罐53通過第五供送管線121連接。
回收部件117收集利用噴嘴部件114的操作穿過通道組件21的混合氣體，將該混合氣體排放到第二反應(yīng)器32?；厥詹考?17與通道組件21的通道22連接。回收部件117包括多個與通道22連接的回收孔118，并且為一端開口、相對端封閉的管子形式?；厥湛?18從回收部件117突出以能以緊密接觸的方式在與插入噴嘴孔115的端部相對的端部處插入通道22中。開口的回收部件117的所述端部是出口119，混合氣體通過該出口供送到重整器30的第二反應(yīng)器32。出口119通過第六供送管線123與第二反應(yīng)器32的第二進(jìn)入孔32b相連。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100運(yùn)行期間，電力發(fā)生器11中氫氣和氧氣的接觸反應(yīng)產(chǎn)生高溫濕氣，沒有與氫氣發(fā)生反應(yīng)的含有濕氣的空氣被從堆疊10的第二排放部件13d排出。
在本發(fā)明的示例實(shí)施例中包括第三熱交換器130，用來冷凝以與未反應(yīng)空氣混合的狀態(tài)通過堆疊10的第二排放部件13d發(fā)出的濕氣，并且生成獨(dú)立狀態(tài)的水和空氣。
圖9是第三熱交換器130和相關(guān)元件的示意圖。
參見圖1和9，第三熱交換器130包括用于進(jìn)行水冷凝的冷凝器131。第二排放部件13d和冷凝器13由第八供送管線133連接。冷凝器131冷凝包含高溫濕氣的未反應(yīng)空氣，從而產(chǎn)生水和空氣。將由冷凝器131產(chǎn)生的水和空氣通過第一循環(huán)部分140分別供送到燃料供送組件50和重整器30。
圖10是第一循環(huán)部分140和相關(guān)元件的示意圖。
參見圖1和10，第一循環(huán)部分140包括第九供送管線141，該第九供送管線141將冷凝器131和燃料供送組件50的第二罐53互連，用來將水供送給第二罐53。第一循環(huán)部分140還包括第十供送管線143，該第十供送管線143將冷凝器131和第一反應(yīng)器31的第一進(jìn)入孔31b互連，用來將空氣供送給重整器30的第一反應(yīng)器31。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行過程中，在電力發(fā)生器11中反應(yīng)之后殘余的氫氣被從堆疊10的第一排放部件13c排出。
在本發(fā)明的該示例性實(shí)施例中包括第二循環(huán)部分150，以便將未反應(yīng)的氫氣供送給重整器30的第一反應(yīng)器31。
圖11是第二循環(huán)部分150和相關(guān)部件的示意圖。
參見圖1和11，第二循環(huán)部分150包括第十一供送管線151，該第十一供送管線151將堆疊10的第一排放部件13c和第一反應(yīng)器31的第一進(jìn)入孔31b互連。
在具有上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行過程中，通過第二循環(huán)部分150再次供送給重整器30的第一反應(yīng)器31的未反應(yīng)氫氣中的一部分進(jìn)行反應(yīng)，其余氫氣以未反應(yīng)狀態(tài)被排出。
在本發(fā)明的該示例性實(shí)施例中包括第四熱交換器160，用來加熱排放氣體并且向外排出該氣體。
圖12是第四熱交換器160和相關(guān)元件的示意圖。
參見圖1和12，第四熱交換器160包括加熱器161，用于加熱排放氣體。加熱器161和第一反應(yīng)器31的第一排放孔31c通過第十二供送管線163互連。加熱器161與安裝在第十二供送管線163上的第十一閥165連接。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)100包括第一和第二輔助燃料供送組件170和180，分別用于進(jìn)一步增加在重整器30的第一反應(yīng)器31中產(chǎn)生的熱能。
圖13是第一輔助燃料供送組件170和相關(guān)元件的示意圖，圖14是第二輔助燃料供送組件180和相關(guān)元件的示意圖。
參見圖1和13，第一輔助燃料供送組件170構(gòu)建成使得從重整器30的第五反應(yīng)器35供送到堆疊10的第一灌輸部件13a的氫氣被再次供送給第一反應(yīng)器31。
第一輔助燃料供送組件170包括第十三供送管線171，用于使氫氣供送管線175和第二循環(huán)部分150的第十一供送管線151互連，該氫氣供送管線175連接第五反應(yīng)器35的第二排出孔35c和堆疊10的第一灌輸部件13a。
參見圖1和14，第二輔助燃料供送組件180構(gòu)建成使得存儲在燃料供送組件50的第一罐51中的液體燃料直接被供送給第一反應(yīng)器31。
第二輔助燃料供送組件180包括第十四供送管線181，該第十四供送管線將燃料供送組件50的第一罐51和第一反應(yīng)器31的第一進(jìn)入孔31b互連，并且第二輔助燃料供送組件180還包括安裝在第十四供送管線181上的第二泵183。
下面將詳細(xì)描述根據(jù)帶有上述結(jié)構(gòu)的示例實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行。
在燃料電池系統(tǒng)100的初始運(yùn)行過程中，第一泵55運(yùn)行，從而將存儲在第一罐51中的液體燃料通過第一供送管線供送給第一反應(yīng)器31。同時，空氣泵71運(yùn)行，從而將空氣通過第二供送管線72供送給第一反應(yīng)器31。液體燃料和空氣通過第一反應(yīng)器31的第一進(jìn)入孔31b被供送到第一流道31a。
接著，液體燃料和空氣沿著第一反應(yīng)器31的第一流道31a移動以便進(jìn)行催化氧化反應(yīng)。因此，預(yù)定溫度的反應(yīng)熱通過這種氧化反應(yīng)在第一反應(yīng)器31中產(chǎn)生。因此，在第一反應(yīng)器31中產(chǎn)生的熱能被傳遞給第二反應(yīng)器32、第三反應(yīng)器33、第四反應(yīng)器34和第五反應(yīng)器35，從而預(yù)熱整個重整器30。
在這一運(yùn)行過程中，將在第一反應(yīng)器31中生成的燃燒氣體通過第一排出孔31放出。因此，排氣保持相對較高的溫度，并且通過第三供送管線113被噴入噴嘴部件114的入口116中。
隨后，將排氣通過噴嘴部件114的噴嘴孔115反射到通道部件21的通道22。因此，當(dāng)排氣通過通道22時，排氣自身的熱量被傳遞給分隔件16，從而預(yù)熱電力發(fā)生器11。
接著，將通過通道22的排氣經(jīng)由回收部件117排放到燃料電池系統(tǒng)100的外部，或者供送給重整器30的第一反應(yīng)器31。
在以該方式完成對重整器30和電力發(fā)生器11的預(yù)熱之后，第一泵55運(yùn)行，從而將存儲在第一罐51中的液體燃料和存儲在第二罐53中的水通過燃料供送管線58供送到第二反應(yīng)器32。第二反應(yīng)器32接收在第一反應(yīng)器31中產(chǎn)生的熱量，從而被預(yù)熱到預(yù)定溫度。
在上述操作之后，液體燃料和水的混合物在流經(jīng)第二反應(yīng)器32的第二流道32a的同時被其加熱蒸發(fā)。蒸發(fā)的燃料混合物順序通過第二反應(yīng)器32的第四通道孔32d、第一反應(yīng)器31的第二通道孔31e、第三反應(yīng)器33的第五通道孔33b，從而流過第三反應(yīng)器33的第三流道33a。因此，第三反應(yīng)器33從蒸發(fā)的燃料混合物中通過蒸發(fā)重整催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。即，混合燃料的分解反應(yīng)和一氧化碳的變性反應(yīng)(degeneration reaction)同時在第三反應(yīng)器33的蒸發(fā)重整催化反應(yīng)中出現(xiàn)，因此產(chǎn)生包含一氧化碳和氫的氫氣。在這一過程中，第三反應(yīng)器33難以完全實(shí)現(xiàn)一氧化碳的變性反應(yīng)，因此生成包含少量一氧化碳作為次產(chǎn)物的氫氣。
接著，氫氣通過第三反應(yīng)器33的第六通道孔33c和第四反應(yīng)器34的第八通道孔34b沿著第四反應(yīng)器34的第四流道34a流動。因此，第四反應(yīng)器34通過水氣轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)產(chǎn)生另外的氫氣，并且實(shí)現(xiàn)了在氫氣中包含的一氧化碳濃度的首次減少。
隨后，通過第四反應(yīng)器34的第四流道34a的氫氣經(jīng)由第四反應(yīng)器34的第九通道孔34c、第三反應(yīng)器的第七通道孔33d、第一反應(yīng)器31的第一通道孔31d、以及第二反應(yīng)器32的第三通道孔32c流入第五反應(yīng)器35的第五流道35a。
同時，空氣泵71運(yùn)行，從而將空氣通過第七供送管線73噴入第五反應(yīng)器35的第三進(jìn)入孔35b。因此，第五反應(yīng)器35通過選擇氧化催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫氣中所包含的一氧化碳濃度的二次減少。
接著，將氫氣通過氣體供送管線175供送給堆疊的第一灌輸部件13a。同時，空氣泵71運(yùn)行，從而將空氣通過第四供送管線74供送給堆疊10的第二灌輸部件13b。因此，將氫氣經(jīng)由分隔件16的空氣路徑供送給MEA12的陽極電極。另外，將空氣經(jīng)由分隔件16的空氣路徑供送給MEA12的陰極電極。
因此，通過在陽極電極處的氧化反應(yīng)將氫氣分解為電子和質(zhì)子(氫離子)。另外，質(zhì)子穿過電解質(zhì)層向陰極電極移動，并且由于電子不能穿過該電解質(zhì)層，因此電子穿過分隔件16朝向MEA12的相鄰陰極電極移動。在該運(yùn)行中電子流產(chǎn)生電流。而且，通過移動的質(zhì)子、電子和氫的還原反應(yīng)另外產(chǎn)生出水和熱量。在電力發(fā)生器11中產(chǎn)生的熱量被通過分隔件16傳遞給通道組件21。在該過程中，第一泵55運(yùn)行，從而將存儲在第一罐51中的液體燃料和存儲在第二罐53中的水通過第五供送管線121供送給噴嘴部件114的入口116。
接著，液體燃料和水的混合物被通過噴嘴部件114的噴嘴孔115供送給通道部件21的通道22。因此，混合燃料通過通道22以減少由電力發(fā)生器11產(chǎn)生的熱量。接著，通過通道22的混合燃料由回收部件117收集。同時，混合燃料冷卻電力發(fā)生器11，并且并加熱到預(yù)定溫度。
隨后，將預(yù)熱后的混合燃料通過第六供送管線123供送給第二反應(yīng)器32?；旌先剂贤ㄟ^噴嘴部件114在第一泵55的泵送力的作用下被噴灑到通道組件21中，并且由回收部件117收集以供送給第二反應(yīng)器32的第二進(jìn)入孔32b。接著，重整器30利用上述連續(xù)操作產(chǎn)生氫氣，并且將氫氣供送給堆疊10的第一灌輸部件13a。
在電力發(fā)生器11發(fā)電的過程中，通過分隔件16供送給MEA12的部分空氣發(fā)生反應(yīng)，剩余的空氣通過第二排放部件13d以包含高溫濕氣的狀態(tài)排出，該高溫濕氣由氫和氧結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)生。
接著，包含未反應(yīng)空氣的濕氣通過第八供送管線133被供送給冷凝器131。因此，濕氣通過經(jīng)由冷凝器131而被轉(zhuǎn)化為水。水通過第九供送管線141返回到第二罐53，并且空氣通過第十供送管線143返回到第一反應(yīng)器31。
而且，通過分隔件16供送到MEA12的陽極電極的部分氫氣在電力發(fā)生器11發(fā)電的過程中發(fā)生反應(yīng)，剩余氫氣未反應(yīng)，并且通過第一排放部件13c排出。
接著，未反應(yīng)的氫氣通過第十一供送管線151被供送給第一反應(yīng)器31。此時，被再次供送給第一反應(yīng)器31的未反應(yīng)氫氣中的一部分發(fā)生反應(yīng)，剩余部分以未反應(yīng)狀態(tài)通過第一反應(yīng)器31的第一排出孔31c被排出。因此，排氣通過第十二供送管線163被供送給加熱器161，以便被加熱。加熱后的排氣通過第十一閥165排放到燃料電池系統(tǒng)100的外部。
另外，將從重整器30的第五反應(yīng)器35被供送給堆疊10的第一灌輸部件13a的氫氣通過第十三供送管線171再次供送給第一反應(yīng)器31。因此，在燃料電池系統(tǒng)100的重整器30上起作用的熱能進(jìn)一步增加。而且作為另外一種增加在重整器30上起作用的熱能的方法，可運(yùn)行第二泵183，從而將存儲在第一罐51中的液體燃料通過第十四供送管線181供送給第一反應(yīng)器31。
圖15是根據(jù)本發(fā)明另一示例實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。相同的附圖標(biāo)記指代與圖1所示部件相同的部件。
根據(jù)本發(fā)明另一示例實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200使用圖1所示燃料電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但構(gòu)建用來減小由諸如膝上型計算機(jī)或移動電話的電子器件的負(fù)載199產(chǎn)生的熱量。負(fù)載199安裝在電子器件中，并且包括應(yīng)用燃料電池系統(tǒng)200中產(chǎn)生的電能的中央處理單元(CPU)、各種電路元件等。
燃料電池系統(tǒng)200包括循環(huán)存儲在燃料供送組件50的第一罐51和第二罐53中的液體燃料、水和/或液體燃料與水的混合物(下文中簡稱“燃料”)的第五熱交換器190。所述燃料穿過負(fù)載199循環(huán)，從而減少在負(fù)載199處產(chǎn)生的熱量。燃料電池系統(tǒng)200應(yīng)用聚合物電極膜燃料電池(PEMFC)方法，其中氫氣通過重整器30產(chǎn)生，該氫氣被供送給電力發(fā)生器11，以便通過與氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。可選地，燃料電池系統(tǒng)200可使用直接甲醇燃料電池(DMFC)方法，其中將燃料直接供送給電力發(fā)生器11來產(chǎn)生電力。DMFC方法的燃料電池可將重整器30從燃料電池系統(tǒng)200中去除，這與使用PEMFC方法時不同。在下文中，假定燃料電池系統(tǒng)200使用PEMFC方法。應(yīng)該明白，本發(fā)明在產(chǎn)生電力的方法上沒有限制。
第五熱交換器190包括具有通道191的冷卻板193，該冷卻板接觸負(fù)載199。燃料供送組件50和通道191通過第十五供送管線195互連。
在該示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200中，存儲在第一罐51和第二罐53中的燃料通過第十五供送管線195被供送給通道191。在負(fù)載199中產(chǎn)生的熱量傳遞到冷卻板193。因此，燃料在流過通道191時冷卻冷卻板199。而且將在冷卻負(fù)載199時被加熱的燃料供送給電力發(fā)生器11和重整器30。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中能預(yù)熱重整器和堆疊的結(jié)構(gòu)，因此整個系統(tǒng)的熱效率提高。
而且，在正常運(yùn)行過程中，發(fā)電所需的燃料用來減少由堆疊產(chǎn)生的熱量，從而冷卻堆疊，并且預(yù)熱后的燃料被供送給重整器。因此，系統(tǒng)的冷卻效率提高，冷卻堆疊時的熱損失減少，利用堆疊的放熱滿足了重整器運(yùn)行的預(yù)熱需求。
另外，從堆疊排出的未反應(yīng)空氣作為水和蒸氣回收，該水和蒸氣用作產(chǎn)生氫氣的燃料。因此，不會從堆疊泄漏水，系統(tǒng)的整個熱效率提高，燃料罐的容量減小，從而整個系統(tǒng)更緊湊。
最后，由于從堆疊排出的未反應(yīng)氫氣用作重整器的能量源，因此整個系統(tǒng)的熱效率額外提高。
雖然已經(jīng)結(jié)合特定的示例性實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但應(yīng)該明白本發(fā)明不局限于所公開的示例性實(shí)施例，相反本發(fā)明旨在覆蓋包括在本發(fā)明所附權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的各種修改和/或等效設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給所述至少一個電力發(fā)生器；以及熱交換器，與重整器和所述至少一個電力發(fā)生器連接，并且在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中向所述至少一個電力發(fā)生器供送重整器的熱能，從而預(yù)熱所述至少一個電力發(fā)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括利用燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的反應(yīng)器。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中燃料供送組件包括存儲燃料的第一罐；連接到第一罐的泵；以及第一供送管線，將所述第一罐和反應(yīng)器互連。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中氧氣供送組件包括用于引入空氣的空氣泵；所述系統(tǒng)還包括使該空氣泵和反應(yīng)器互連的第二供送管線。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的反應(yīng)器；所述至少一個電力發(fā)生器包括多個電力發(fā)生器，通過以相鄰結(jié)構(gòu)安裝這些電力發(fā)生器形成一堆疊；并且，其中所述堆疊包括安裝在相鄰電力發(fā)生器之間的通道組件，并且所述通道組件具有供熱能通過的通道。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱交換器包括噴嘴部件，與所述通道的一端相連，從而使所述反應(yīng)器和所述通道互連；以及回收部件，與所述通道的另一端相連，從而與噴嘴部件連通。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括使所述反應(yīng)器和噴嘴部件互連的第三供送管線。
8.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中通道組件為板形式的高溫傳導(dǎo)部件。
9.如權(quán)利要求8所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該高溫傳導(dǎo)部件由從鋁、銅和鋼中選取的傳導(dǎo)材料制成。
10.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中每個電力發(fā)生器包括膜電極組件；和連接在所述膜電極組件的相對側(cè)上的分隔件；其中所述通道組件在相鄰分隔件中形成所述通道。
11.一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給所述至少一個電力發(fā)生器；以及第一熱交換器，用于在所述至少一個電力發(fā)生器中循環(huán)燃料，以便減少在正常運(yùn)行過程中在所述至少一個電力發(fā)生器中產(chǎn)生的熱量，并且向重整器供送在循環(huán)通過所述至少一個電力發(fā)生器時被加熱的預(yù)熱燃料。
12.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氧氣供送組件包括用于引入空氣的空氣泵，并且其中該空氣泵和所述至少一個電力發(fā)生器通過供送管線互連。
13.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個電力發(fā)生器包括多個電力發(fā)生器，通過以相鄰結(jié)構(gòu)安裝這些電力發(fā)生器形成一堆疊，并且其中所述堆疊包括安裝在相鄰電力發(fā)生器之間的通道組件，并且所述堆疊具有供熱能通過的通道。
14.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一熱交換器包括噴嘴部件，與所述通道的一端相連，從而使所述燃料供送組件和所述通道互連；以及回收部件，與所述通道的另一端相連，從而與噴嘴部件連通。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供送組件包括第一罐，存儲包含氧的液體燃料；第二罐，存儲水；以及第一泵，分別與所述第一罐和第二罐相連。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括使所述第一和第二罐與噴嘴部件相連的供送管線。
17.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括第一反應(yīng)器，通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)來產(chǎn)生熱能；第二反應(yīng)器，利用所述熱能蒸發(fā)燃料-水的混合物；以及第三反應(yīng)器，通過蒸發(fā)重整催化反應(yīng)從蒸發(fā)的燃料-水的混合物中產(chǎn)生氫氣。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二反應(yīng)器通過一供送管線與回收部件相連。
19.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述通道組件為高溫傳導(dǎo)部件，包括通道，并且介于相鄰電力發(fā)生器之間。
20.如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中每個所述電力發(fā)生器包括膜電極組件；和安裝在所述膜電極組件的相對側(cè)上的分隔件；其中所述通道組件在相鄰分隔件中形成通道。
21.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括用于減少氫氣中所含一氧化碳濃度的至少一個反應(yīng)器。
22.如權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個反應(yīng)器包括第一反應(yīng)器，利用水氣轉(zhuǎn)換催化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的首次減少；和第二反應(yīng)器，利用選擇氧化催化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)氫氣中所含一氧化碳濃度的二次減少；其中所述第二反應(yīng)器和所述至少一個電力發(fā)生器通過一供送管線互連。
23.如權(quán)利要求22所述的燃料電池系統(tǒng)，其中每個反應(yīng)器包括板形主體、形成在該主體的上表面上以允許流體流過的流道、以及與各流道相連的通道孔。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器具有由所述板形主體的組合構(gòu)成的疊置結(jié)構(gòu)。
25.如權(quán)利要求24所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括與板形主體的最上部主體相連的蓋。
26.如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個電力發(fā)生器包括水排放部件，用于排出在氫和氧的化合反應(yīng)中產(chǎn)生的高溫水，和以未反應(yīng)狀態(tài)被包含在該水中的氧氣；和氫氣排放部件，用于排出未與氧氣反應(yīng)的氫氣；并且其中重整器包括通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的一反應(yīng)器。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第二熱交換器，用來冷凝通過水排放部件排出的包含有未反應(yīng)氧氣的水，從而產(chǎn)生水和氧氣；以及第一循環(huán)部分，將第二熱交換器產(chǎn)生的水供送給燃料供送組件，將氧氣供送給所述反應(yīng)器。
28.如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二熱交換器包括冷凝器，與水排放部件相連；以及與水排放部件和冷凝器連接的一供送管線。
29.如權(quán)利要求28所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第一循環(huán)部分包括使冷凝器和燃料供送組件互連的第二供送管線；以及使冷凝器與第一反應(yīng)器互連的第三供送管線。
30.如權(quán)利要求27所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第二循環(huán)部分，用于將從氫氣排放部件排出的未反應(yīng)氫氣供送給所述反應(yīng)器。
31.如權(quán)利要求30所述的燃料電池系統(tǒng)，其中第二循環(huán)部分包括使氫氣排放部件與第一反應(yīng)器互連的一供送管線。
32.一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給所述至少一個電力發(fā)生器；第一熱交換器，在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中供送重整器的熱能以預(yù)熱所述至少一個電力發(fā)生器；以及第二熱交換器，在所述至少一個電力發(fā)生器中循環(huán)燃料，以便減少在正常運(yùn)行過程中在所述至少一個電力發(fā)生器中產(chǎn)生的熱量，并且向重整器供送在循環(huán)通過所述至少一個電力發(fā)生器時被加熱的預(yù)熱燃料。
33.如權(quán)利要求32所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個電力發(fā)生器包括水排放部件，用于排出在氫和氧的化合反應(yīng)中產(chǎn)生的高溫水，和以未反應(yīng)狀態(tài)被包含在該水中的氧氣；氫氣排放部件，用于排出未與氧氣反應(yīng)的氫氣；其中所述重整器包括通過燃料和氧氣的氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱能的第一反應(yīng)器。
34.如權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第三熱交換器，用來冷凝通過水排放部件排出的包含有未反應(yīng)氧氣的水，從而產(chǎn)生水和氧氣；以及第一循環(huán)部分，將第三熱交換器產(chǎn)生的水供送給燃料供送組件，將氧氣供送給第一反應(yīng)器。
35.如權(quán)利要求34所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第二循環(huán)部分，用于將從氫氣排放部件排出的未反應(yīng)氫氣供送給第一反應(yīng)器。
36.如權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第三熱交換器，用于蒸發(fā)從第一反應(yīng)器排出的排氣。
37.如權(quán)利要求36所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該第三熱交換器包括用于加熱排氣的加熱器，所述加熱器和第一反應(yīng)器通過一供送管線互連。
38.如權(quán)利要求33所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述重整器包括第二反應(yīng)器，利用熱能蒸發(fā)燃料-水混合物；第三反應(yīng)器，從所蒸發(fā)的燃料混合物中通過蒸發(fā)重整催化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；以及用于減小該氫氣中一氧化碳濃度的至少一個附加反應(yīng)器。
39.如權(quán)利要求38所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第一輔助燃料供送組件，用于將一氧化碳濃度減小的氫氣供送給第一反應(yīng)器。
40.如權(quán)利要求39所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一輔助燃料供送組件包括用于將從重整器向電力發(fā)生器供送氫氣的第二供送管線與從電力發(fā)生器向第一反應(yīng)器供送未反應(yīng)氫氣的第三供送管線互連起來的第一供送管線。
41.如權(quán)利要求39所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括第二輔助燃料供送組件，用于另外將燃料供送給第一反應(yīng)器。
42.如權(quán)利要求41所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述第二輔助燃料供送組件包括將第二輔助燃料供送組件與第一反應(yīng)器互連起來的一供送管線、以及與該供送管線相連的泵。
43.一種燃料電池系統(tǒng)，包括至少一個電力發(fā)生器，通過氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給所述至少一個電力發(fā)生器；氧氣供送組件，將氧氣供送給所述至少一個電力發(fā)生器；以及熱交換器，經(jīng)過外部負(fù)載循環(huán)燃料，以便減少外部負(fù)載產(chǎn)生的熱量。
44.如權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱交換器包括冷卻板，該冷卻板具有通道并且與負(fù)載接觸，并且其中所述燃料供送組件和所述通道通過一供送管線互連。
45.如權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括重整器，通過化學(xué)催化反應(yīng)利用熱能從燃料產(chǎn)生氫氣，所述重整器安裝在所述至少一個電力發(fā)生器和燃料供送組件之間并且與所述至少一個電力發(fā)生器和燃料供送組件相連。
46.如權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)，其中使用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池方法作為電化學(xué)反應(yīng)。
47.如權(quán)利要求43所述的燃料電池系統(tǒng)，其中使用直接甲醇燃料電池方法作為電化學(xué)反應(yīng)。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，利用化學(xué)催化反應(yīng)和熱能從含有氫的燃料產(chǎn)生氫氣；至少一個電力發(fā)生器，通過所述氫氣與氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供送組件，將燃料供送給重整器；氧氣供送組件，將氧氣供送給所述至少一個電力發(fā)生器；以及熱交換器，與重整器和所述至少一個電力發(fā)生器連接，并且在系統(tǒng)的初始運(yùn)行過程中向所述至少一個電力發(fā)生器供送重整器的熱能，從而預(yù)熱所述至少一個電力發(fā)生器。
文檔編號H01M8/06GK1694289SQ20051000935
公開日2005年11月9日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者金周龍, 金亨俊, 李東勛, 安圣鎮(zhèn), 曹誠庸, 殷瑩讃, 權(quán)鎬真 申請人:三星Sdi株式會社