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)明涉及從來自燃料電池層疊結(jié)構(gòu)的排出液中回收水的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
直接型甲醇燃料電池(DMFC)是燃料電池的一種，可以不對甲醇改性而直接利用。一般地，直接型甲醇燃料電池具有包含多個電池單元的燃料電池層疊結(jié)構(gòu)。各電池單元具有由陰極催化劑層、陰極氣體擴散層、陽極催化劑層、陽極氣體擴散層、以及夾在上述陰極催化劑層和上述陽極催化劑層之間的電解質(zhì)膜構(gòu)成的膜電極接合體(MEA)。甲醇和水的混合物被供給到陽極上，空氣被供給到陰極上。作為燃料電池中的反應(yīng)的結(jié)果，生成水并從陰極排出。
水是DMFC內(nèi)的反應(yīng)所必需的，希望能回收已生成的水。在日本專利公開公報2002-110199號中公開了有關(guān)回收從陰極排出的水的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，燃料電池系統(tǒng)具有混合罐，該回收的水和從混合罐供給的燃料在混合罐中混合形成混合物。上述水被包含在上述混合物中被向DMFC的陽極供給。但是，被回收的水溫度比較高，成為混合罐中的混合物溫度上升的原因。上述溫度上升使甲醇的蒸氣壓上升，蒸發(fā)了的甲醇在從混合罐排出的氣體中散失，所以使甲醇的損失增大。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第1方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括分別具有陽極和陰極的一個或更多個燃料電池單元；向上述陽極供給燃料的混合罐；與上述燃料電池連接且使來自上述燃料電池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及在上述排出路上具有的、把上述排出物冷卻到被控制的溫度的冷卻器。
根據(jù)本發(fā)明的第2方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有一個或更多個燃料電池單元的燃料電池層疊結(jié)構(gòu)；把來自上述燃料電池層疊結(jié)構(gòu)的排出物排出的排出路；向上述燃料電池層疊結(jié)構(gòu)供給燃料的混合罐；以及把來自上述排出物的水按被控制的量冷凝，把上述水回收到上述混合罐中的冷卻器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式1的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方式1的變形的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施方式2的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施方式3的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實施方式1的燃料電池系統(tǒng)1包括燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3、燃料罐9、和混合罐11。燃料電池層疊結(jié)構(gòu)由一個或更多個燃料電池構(gòu)成，各燃料電池具有陽極5、陰極7和被夾在它們之間的膜電極接合體(MEA)。MEA包括陰極催化劑層、陰極氣體擴散層、陽極催化劑層、陽極氣體擴散層、以及夾在上述陰極催化劑層和上述陽極催化劑層之間的電解質(zhì)膜(圖中未示出)。無須說，在燃料電池系統(tǒng)1中可以包含多個陽極5和多個陰極7，但以下為了便于說明，對具有一個陽極5和陰極7的場合進行說明。
燃料罐9經(jīng)由夾著泵P1的連接路13連接到混合罐11。混合罐11經(jīng)由夾著泵P2的燃料供給路15連接到陽極5。流出路17把陽極5連接到混合罐11，具有陽極側(cè)冷卻器29。
在混合罐11中貯存的甲醇和水的混合物經(jīng)由燃料供給路15被供給到陽極5，在反應(yīng)中利用。從陽極5排出的排出氣體中含有的未反應(yīng)的甲醇水溶液在陽極側(cè)冷卻器29中被冷卻，經(jīng)由流出路17回收到混合罐11中。
混合罐11還與排氣路21連接。排氣路21與來自陰極7的排出路25合流，排出路25包含具有水收集罐33的陰極側(cè)冷卻器31，連通到燃料電池1的外部。水收集罐33經(jīng)由夾著泵P4的連接路37與混合罐11連接，把水送到混合罐11。
還包括送風(fēng)器39和41、以及通風(fēng)路39A和41A。送風(fēng)器39通過通風(fēng)路39A向陽極側(cè)冷卻器28送空氣，送風(fēng)器41通過通風(fēng)路41A向陰極側(cè)冷卻器31送空氣。送風(fēng)器39和41可分別控制送風(fēng)量，控制裝置43為了控制它而設(shè)置，可控制后面的冷卻器29和31的冷卻能力。
控制裝置43構(gòu)成為與和燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3的發(fā)電量、發(fā)熱量等有關(guān)的狀態(tài)相應(yīng)地控制送風(fēng)器39和41的送風(fēng)量?？梢杂脗鞲衅?圖中未示出)測定陽極側(cè)冷卻器29、陰極側(cè)冷卻器31、混合罐11或燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3周圍的溫度?？刂蒲b置43存儲與電流或溫度的值和必要的送風(fēng)量之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)表。控制裝置43基于上述傳感器(圖中未示出)的測定值和上述數(shù)據(jù)表，控制送風(fēng)器39和41的送風(fēng)量。例如，數(shù)據(jù)表具有發(fā)電電流值、溫度和送風(fēng)器39、41的送風(fēng)馬達轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。送風(fēng)馬達轉(zhuǎn)速影響送風(fēng)量。
作為燃料在混合罐11中貯存的甲醇和水的混合物被供給到陽極5，空氣被供給到陰極7，則在陽極5上發(fā)生以下反應(yīng)
在陰極7上發(fā)生以下反應(yīng)
陽極5的甲醇部分地穿過陰極7，在陰極上發(fā)生以下氧化反應(yīng)
在各電池單元中，由上述陽極反應(yīng)消耗的每單位時間的甲醇(qMeOHa)、每單位時間的水(qH2Oa)和每單位時間的二氧化碳(qCO2a)由下式表示qMeOHa=(Iop6F+Ic.o.6F)---(1)]]>qH2Oa=(Iop6F+ndIopF+α)---(2)]]>qCO2a=Iop6F---(3)]]>在此，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，IOP是電流，IC.O.是由穿越的甲醇的量換算來的質(zhì)子電流，nd是每個質(zhì)子上運載的水的數(shù)目，α是通過透過和擴散移動的水的摩爾通量。燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3由N個燃料電池構(gòu)成時，應(yīng)把這些值乘N。
在各電池單元中，由上述陰極反應(yīng)消耗的每單位時間的氧氣(qMeOHc)、每單位時間的水(qH2Oc)和每單位時間的二氧化碳(qCO2c)由下式表示qO2c=(Iop4F+Ic.o.4F)---(4)]]>qH2Oc=(3Iop6F+ndIopF+2Ic.o.6F+α)---(5)]]>qCO2c=Ic.o.F---(6)]]>燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3由N個燃料電池構(gòu)成時，應(yīng)把這些值乘N。
陰極7上存在的水，有成為液體的水和具有此時的溫度下的飽和蒸氣壓的水蒸氣的傾向。利用溫度控制(即，在此場合下為冷卻)的飽和水蒸氣壓的控制，成為被回收的水和被排出的水的比率的控制。
另一方面，伴隨著發(fā)電(陰極反應(yīng))生成的水的量，是式(5)的右邊的第一項，用下式表示qH2O_pwr=3Iop6F---(7)]]>燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3由N個燃料電池構(gòu)成時，應(yīng)把這些值乘N。
被允許放出到外部大氣中的水的量是用式(5)減去式(2)得到項，用下式表示
qH2O_rls=(2Iop6F+2Ic.o.6F)---(8)]]>燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3由N個燃料電池構(gòu)成時，應(yīng)把這些值乘N。
式(8)的右邊的第一項相當(dāng)于式(7)的右邊的2/3，第二項相當(dāng)于由穿越的甲醇生成的水。即，把由電池反應(yīng)產(chǎn)生的水的量的2/3和由穿越產(chǎn)生的水的總和排出到外部大氣中，也是可以的。由式(7)表示的水的剩余的1/3是為了滿足陽極1內(nèi)必需的水的要求量必須回收的。
因此，為了回收滿足必需量的水，從陰極7排出的氣體中的水的飽和蒸氣壓PH2Osat必須滿足下式PH2Osat(Tfin_cathode)=N(2Iop6F+2Ic.o.6F)Fcathode_outP---(9)]]>其中Tfin-cathode是對于為了回收所必需量的水的冷凝所必需的溫度，F(xiàn)cathode-out是每單位時間從陰極7排出的氣體的流量，P是陰極側(cè)冷卻器31內(nèi)的氣壓。PH2Osat(T)是溫度T的函數(shù)，用實驗評價。由此，從式(9)算出用于回收滿足在燃料電池系統(tǒng)1內(nèi)必需的量的量的水的溫度Tfin-cathode。在下述式(10)中，示出了水蒸氣壓和溫度的關(guān)系的一例。
lnpH2Osat[Pa]=23.1964-3816.44-46.13+T[K].---(10)]]>如果用利用式(9)給出的溫度控制陰極側(cè)冷卻器31的溫度，從陰極7排出的排出物中可以冷凝并回收必需量的水。在控制裝置43的控制下，基于存儲的數(shù)據(jù)表，由送風(fēng)器41的送風(fēng)量控制陰極側(cè)冷卻器31的溫度。
如從式(9)理解的那樣，隨著由燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3發(fā)電的電流值，陰極側(cè)冷卻器31的必需的溫度是變化的?？刂蒲b置43為了檢測電流值并由此適當(dāng)?shù)乜刂评鋮s器29和31的冷卻效率，控制送風(fēng)器39和41的送風(fēng)量。或者，用通常的溫度反饋法控制冷卻器31的溫度。
如從上述說明理解的那樣，在陽極側(cè)冷卻器29中，從從燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3排出的排出物中，不會過多或不夠地回收水。即，通過把在混合罐11中貯存的作為燃料的甲醇和水的混合物供給到陽極5，把空氣供給到陰極7，進行發(fā)電。此時，從陽極5排出的排出物在陽極側(cè)冷卻器29中被冷卻，未反應(yīng)的水和甲醇被冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟龋厥盏交旌瞎?1中。
從陰極7排出的排出物在陰極側(cè)冷卻器31中被冷卻。此時的已被冷凝了的水送到水收集罐33，過剩的排出物從排氣路35排出到外部大氣中。為了把從燃料罐9供給到混合罐11中的甲醇稀釋，可以再利用回收到水收集罐33中的水。
因此，在燃料罐9中貯存的甲醇無須預(yù)先稀釋，可以使用該濃度的甲醇。而且，用來稀釋濃度大的甲醇的水罐也不需要了，由此可以整體結(jié)構(gòu)簡化和小型化。
陰極側(cè)冷卻器31由于通過相應(yīng)于燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3的運轉(zhuǎn)狀況在控制裝置43的控制下適當(dāng)?shù)乜刂扑惋L(fēng)器41，回收必需量的水，所以可以從從燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3排出的排出物，不會過多或不夠地回收必需量的水。而且，由于控制裝置43可以把送風(fēng)器41控制成最合適的送風(fēng)量，可以抑制用于驅(qū)動送風(fēng)器41的電力。
陽極側(cè)冷卻器29也是，為了在控制裝置43的控制下通過適當(dāng)?shù)乜刂扑惋L(fēng)器39，把燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3控制在一定的溫度，把從陽極5排出的排出物冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟取?br> 燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3伴隨發(fā)電而發(fā)熱。上述熱作為陰極7上的水的蒸發(fā)潛熱，從燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3運去。上述熱還作為陽極和陰極供給物的顯熱從燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3運去。這些熱主要從陽極側(cè)冷卻器29和陰極側(cè)冷卻器31中的排出物散熱，還從燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3和混合罐11這兩者散熱。由此，燃料電池層疊結(jié)構(gòu)3的溫度被控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。
上述第一實施方式可以象圖2那樣變形。根據(jù)該變形，一個送風(fēng)器41向陽極側(cè)冷卻器29和陰極側(cè)冷卻器31這兩者供給分配空氣?？諝獾姆峙洌ㄟ^預(yù)定的送風(fēng)量進行，或者也可以是送風(fēng)通路41A和42B分別具有調(diào)量圈等分別調(diào)節(jié)送風(fēng)量。本變形具有與上述本發(fā)明的實施方式1實質(zhì)上相同的效果。
以下參照圖3說明本發(fā)明的實施方式2。
圖3中，為了便于說明，把陽極5和陰極7作成相互分離進行了描述，但它們也可以與夾在它們之間的MEA共同形成為一體。而且，雖然圖3中沒有示出送風(fēng)器39和41，也可以與圖1和2中示出的上述實施方式1同樣地具有它們。
開閉閥V1夾在燃料罐9和泵P1之間。泵P1連接到連接路13。連接路13把陽極5連接到陽極側(cè)冷卻器29。陽極側(cè)冷卻器29具有多個散熱扇29A，其尺寸構(gòu)成為接受從送風(fēng)器39(圖3中未示出)送來的風(fēng)。氣液分離膜27夾在連接路13和冷卻器29之間。排氣路27A與來自混合罐11的排氣路21連接合流。
氣液分離膜11A設(shè)置在混合罐11和排氣路21的連接部上。
排氣路21與來自陰極7的排出路25連接，在排氣路21和排出路25的連接部的上游具有開閉閥V2。
根據(jù)這樣構(gòu)成的本發(fā)明的實施方式2的燃料電池系統(tǒng)1，可以冷凝水蒸氣回收水和甲醇，而且在返回混合罐11時可以把它們冷卻到充分的低溫。由此，把混合罐11保持在比較低的溫度。
陰極側(cè)冷卻器31具有多個散熱扇31A，其尺寸構(gòu)成為接受從送風(fēng)器41(圖3中未示出)送來的風(fēng)，連接到排氣路35。排氣路35具有開閉閥V3，與開閉閥V3的下游的排氣路45連接。排氣路45與水收集罐33連接，繞過陰極側(cè)冷卻器31。排氣路45具有開閉閥V4。排氣路35還依次具有用來吸收除去揮發(fā)性有機物質(zhì)(VOC)的吸收裝置47、開閉閥V5。把水收集罐33與混合罐11連通的連接路37具有檢查閥CV。
送氣通路49與排出路25連接，由此導(dǎo)通到水收集罐33。送氣通路49具有過濾器51、用于送風(fēng)的泵P5、和開閉閥V6。
為了向陰極7供給空氣，具有空氣供給路23?？諝夤┙o路23具有過濾器53和開閉閥V7。
從燃料罐9供給的濃度大的燃料與從陽極5排出的排出流體在陽極側(cè)冷卻器29中混合，由此燃料和排出物在到達混合罐11的過程中充分地混合成為均勻的濃度。
由于排氣路45具有繞過陰極側(cè)冷卻器31的繞路的功能，陰極側(cè)冷卻器31把來自陰極7的排出物的一部分通過排氣路45直接排出到大氣中。在外部氣溫比較低的場合，陰極側(cè)冷卻器31中過剩量的水冷凝時，通過打開開閉閥V4，關(guān)閉開閉閥V3，防止水的過冷凝。而且，如果通過送氣通路49在外部大氣導(dǎo)入到水收集罐33，導(dǎo)致陰極側(cè)冷卻器31中的流量增加，伴隨流動的上述量增加，冷凝水的量減少。
相反，冷凝水的量不足時，通過增加送風(fēng)器41的送風(fēng)量，增加冷卻效率，可以增加上述水量。
如從上述說明理解的那樣，由于可以把回收的水量保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，可以使用濃度大的燃料，可以把它貯存在燃料罐9中。在混合罐11中貯存的甲醇和水的混合物保持在比較低的溫度，由此抑制了從混合罐11排出的氣體中含有的水和甲醇的蒸氣，從而提高了燃料效率。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的實施方式3，則還具有海綿之類的發(fā)泡體55、具有開閉閥V8的連接路57、送風(fēng)器59、發(fā)泡體55吸收由水的集罐收集的回收水，送到連接路57。送風(fēng)器59構(gòu)成為用來向發(fā)泡體55送風(fēng)。陰極側(cè)冷卻器31中的過剩量的水冷凝時，通過打開開閉閥V8，向被吸收的水送空氣，就可以把上述水部分地放到外部大氣中。
該構(gòu)成具有與本發(fā)明的上述各實施方式實質(zhì)上相同的效果，而且還可獲得由發(fā)泡體55導(dǎo)致的放出水的效果。
雖然利用優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以基于上述公開內(nèi)容對實施例修改或變形后實施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括分別具有陽極和陰極的一個或更多個燃料電池單元；向上述陽極供給燃料的混合罐；與上述燃料電池連接且使來自上述燃料電池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及在上述排出路上具有的、把上述排出物冷卻到被控制的溫度的冷卻器。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括與上述冷卻器連通且收集從上述排出物冷凝得到的水的收集罐；以及使上述收集罐與上述混合罐連通的連接路。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述燃料是甲醇和水的混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括向上述冷卻器可控制地送風(fēng)的送風(fēng)器。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括為了把上述排出物控制到上述被控制的溫度而控制上述送風(fēng)器的控制裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述控制裝置具有數(shù)據(jù)表，根據(jù)該數(shù)據(jù)表控制上述送風(fēng)器，上述數(shù)據(jù)表與上述燃料電池單元發(fā)電的電流值和由上述送風(fēng)器送風(fēng)的流量的關(guān)系有關(guān)。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述被控制的溫度被確定為用來除去作為來自上述排出路的排出氣中含有的水的潛熱、來自上述冷卻器中的上述排出氣的散熱、來自上述燃料電池單元的散熱、和來自上述混合罐的散熱的上述燃料電池單元發(fā)出的熱。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述被控制的溫度被確定為用來使?jié)M足上述燃料電池內(nèi)的要求的量的水冷凝。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括把上述排出路連接到上述混合罐且繞過上述冷卻器的繞路流路。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括連接上述送風(fēng)器和上述冷卻器的通風(fēng)路。
11.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括把上述已被冷凝了的水作為蒸氣放出的水放出體。
12.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有一個或更多個燃料電池單元的燃料電池層疊結(jié)構(gòu)；把來自上述燃料電池層疊結(jié)構(gòu)的排出物排出的排出路；向上述燃料電池層疊結(jié)構(gòu)供給燃料的混合罐；以及把來自上述排出物的水按被控制的量冷凝，把上述水回收到上述混合罐中的冷卻器。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述燃料是甲醇和水的混合物。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括向上述冷卻器可控制地送風(fēng)的送風(fēng)器。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括為了控制上述被控制的量而控制上述送風(fēng)器的控制裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述控制裝置具有數(shù)據(jù)表，根據(jù)該數(shù)據(jù)表控制上述送風(fēng)器，上述數(shù)據(jù)表與上述燃料電池單元發(fā)電的電流值和由上述送風(fēng)器送風(fēng)的流量的關(guān)系有關(guān)。
17.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述被控制的量被確定為用來除去作為來自上述排出路的排出氣中含有的水的潛熱、來自上述冷卻器中的上述排出氣的散熱、來自上述燃料電池單元的散熱、和來自上述混合罐的散熱的上述燃料電池單元發(fā)出的熱。
18.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中上述被控制的量被確定為用來滿足上述燃料電池內(nèi)的要求。
19.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括把上述排出路連接到上述混合罐且繞過上述冷卻器的繞路流路。
20.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括連接上述送風(fēng)器和上述冷卻器的通風(fēng)路。
21.如權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中還包括把上述已被冷凝了的水作為蒸氣放出的水放出體。
全文摘要
提供一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)，包括分別具有陽極和陰極的一個或更多個燃料電池單元；向上述陽極供給燃料的混合罐；與上述燃料電池連接且使來自上述燃料電池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及在上述排出路上具有的、把上述排出物冷卻到被控制的溫度的冷卻器。
文檔編號H01M8/00GK1670995SQ200510055070
公開日2005年9月21日 申請日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者佐藤裕輔, 坂上英一, 松岡敬, 富岡健太郎 申請人:株式會社東芝