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)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及使燃料電池系統(tǒng)的堆的冷卻更容易的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池是用于產(chǎn)生電能(electric power)的系統(tǒng)。在燃料電池中，由氧氣和烴族材料如甲醇、乙醇和天然氣中包含的氫之間的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池的獨(dú)特特征就是由燃料和氧化劑之間的電化學(xué)反應(yīng)(不包括燃燒過程)產(chǎn)生的電能和它的副產(chǎn)品熱都可以被利用。
根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型，燃料電池可以分為如下不同類型在大約150-200EC范圍內(nèi)運(yùn)行的磷酸鹽燃料電池；在大約600-700EC范圍內(nèi)運(yùn)行的熔融碳酸鹽燃料電池；在1000EC或更高運(yùn)行的固體氧化物燃料電池；及在室溫和100EC之間的范圍運(yùn)行的聚合物電解質(zhì)或堿性燃料電池。雖然每種這些不同類型的燃料電池利用相同的原理運(yùn)行，但是它們?cè)谑褂玫娜剂?、催化劑和電解質(zhì)的類型及其驅(qū)動(dòng)溫度方面不同。
目前聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)正在發(fā)展中。與其他燃料電池相比，PEMFC具有優(yōu)異的輸出特性、低運(yùn)行溫度和快的啟動(dòng)和反應(yīng)特性。PEMFC具有廣泛的應(yīng)用范圍，包括通過利用由重整甲醇(reformingmethanol)、天然氣等制得的氫氣而用在車輛中、用在家庭中和大廈中，以及在電子設(shè)備中用作電源。
PEMFC的基本組成包括堆(stack)、重整器(reformer)、燃料容器(fuel tank)和燃料泵(fuel pump)。堆形成燃料電池的主體。燃料泵將燃料容器中的燃料提供給重整器。在將燃料容器中儲(chǔ)存的燃料提供給堆的過程中，重整器重整燃料，由此產(chǎn)生氫氣并提供氫氣給堆。因此，通過燃料泵的運(yùn)行，PEMFC將燃料容器中的燃料傳送給重整器，重整器重整燃料來產(chǎn)生氫氣，在堆中氫氣與氧進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生電能。
另一類型燃料電池是直接甲醇燃料電池(DMFC)。DMFC與PEMFC不同在于，利用這種方法液體甲醇直接提供給堆，因而無需重整器。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，堆(發(fā)電進(jìn)行的地方)構(gòu)造成包括幾個(gè)到幾十個(gè)單元電池，每個(gè)包括膜電極組件(MEA)和設(shè)置在其兩側(cè)的隔板(separator)(或雙極板)。在MEA中，陽極電極(也稱作“燃料極”或“氧化電極”)和陰極電極(也稱作“空氣極”或“還原電極”)彼此相對(duì)設(shè)置，電解質(zhì)層夾在其之間。隔板用于提供將燃料電池反應(yīng)所需要的氫氣和氧氣提供給MEA的陽極電極和陰極電極所通過的通道。此外，隔板用作用于串聯(lián)連接每個(gè)MEA的陽極電極和陰極電極的導(dǎo)體。因此，通過隔板將含有氫的燃料氣體提供給陽極電極，以及將含有氧的氧氣提供給陰極電極。通過這個(gè)過程，在陽極電極中發(fā)生燃料氣體的電化學(xué)氧化，以及在陰極電極中發(fā)生氧氣的電化學(xué)還原。通過在這個(gè)過程期間發(fā)生的電子移動(dòng)而產(chǎn)生電。還產(chǎn)生了熱和水分(moisture)。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，為了確保電解質(zhì)層的穩(wěn)定性和避免整體性能的衰減，必須將堆穩(wěn)定地保持在適當(dāng)?shù)臏囟取榱藢?shí)現(xiàn)這個(gè)，在這種系統(tǒng)中通常使用空氣冷卻型冷卻裝置，從而通過將相對(duì)低溫的空氣吹在其上，然后排出得到的被加熱的空氣而使堆冷卻。
然而，如上所述的具有空氣冷卻型冷卻結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，通過堆而被加熱的空氣簡單地被廢棄。這是巨大的能量浪費(fèi)。
此外，通過隔板提供給MEA的陰極電極用于堆發(fā)電的空氣僅部分發(fā)生反應(yīng)，而其余空氣未發(fā)生發(fā)應(yīng)并且在含有大量水分的狀態(tài)被排出。當(dāng)此含有大量水分的空氣從堆中排放到相對(duì)低溫的大氣中時(shí)，通過與大氣接觸而發(fā)生凝結(jié)。因此，需要額外的裝置儲(chǔ)存或再利用由這個(gè)過程所產(chǎn)生的水。這個(gè)增加了系統(tǒng)的尺寸。如果該額外的裝置需要運(yùn)行，則通過這個(gè)過程產(chǎn)生熱并且耗電，由此使燃料電池系統(tǒng)的整體效率和性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其具有總體緊湊的結(jié)構(gòu)，并且將冷卻堆時(shí)所被加熱的空氣與通過堆所排出的未反應(yīng)空氣混合，使得未反應(yīng)的氣體在蒸發(fā)且未凝結(jié)的狀態(tài)排放，由此提高系統(tǒng)效率和性能。
在本發(fā)明的一示例性實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)包括具有發(fā)電器(electricity generator)的堆，用于接收燃料和空氣從而產(chǎn)生電能；用于向堆提供燃料的燃料供應(yīng)單元；在其中安裝堆的機(jī)罩(housing)；用于為冷卻發(fā)電器而將外部空氣流提供到機(jī)罩內(nèi)部的風(fēng)扇單元；以及冷卻發(fā)電器時(shí)所被加熱的空氣和從堆中放出且含有水分的空氣在其中混合的區(qū)域。在該區(qū)域中混合的空氣從該區(qū)域中排出。
機(jī)罩包括主體和混合單元，所述堆安裝在該主體中并且該主體與所述風(fēng)扇單元連接，該混合單元整體地從該主體延伸從而實(shí)現(xiàn)該區(qū)域并且具有蒸發(fā)的空氣被排出到所述機(jī)罩的外部所經(jīng)過的排出孔。
風(fēng)扇單元包括通過風(fēng)扇管道與所述主體連接的風(fēng)扇，由此將外部空氣提供到所述主體的內(nèi)部?？蛇x擇地，風(fēng)扇單元包括安裝到主體的一側(cè)的風(fēng)扇。
混合單元為漏斗形并且具有在朝向排出孔的方向逐漸減小的內(nèi)部直徑，并且包括從堆排出的空氣進(jìn)入混合單元所通過的納入孔，和排出孔。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該區(qū)域包括與機(jī)罩分開設(shè)置且與機(jī)罩和堆連接的混合容器(mixing tank)。燃料電池系統(tǒng)還包括與機(jī)罩和混合容器連接的第一返回管道(return line)，和與堆和混合容器連接的第二返回管道。
機(jī)罩包括形成在且穿過機(jī)罩的一側(cè)的納入孔和形成在且穿過機(jī)罩的與形成納入孔所穿過的側(cè)相對(duì)的一側(cè)的排出孔，風(fēng)扇單元提供的外部空氣通過該納入孔提供到機(jī)罩內(nèi)部，被加熱的空氣通過該排出孔排放到機(jī)罩的外部。混合容器包括通過第一返回管道與所述排出孔連接的第一流入孔，和通過第二返回管道與堆連接的第二流入孔。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該區(qū)域包括與機(jī)罩分開設(shè)置且與機(jī)罩和堆連接的混合管。第一返回管道與機(jī)罩和混合管連接，并且第二返回管道與堆和混合管連接。
機(jī)罩包括形成在且穿過機(jī)罩的一側(cè)的納入孔和形成在且穿過機(jī)罩的與形成納入孔所穿過的側(cè)相對(duì)的一側(cè)的排出孔，風(fēng)扇單元提供的外部空氣通過該納入孔提供到機(jī)罩內(nèi)部，被加熱的空氣通過該排出孔排放到機(jī)罩的外部。
混合管包括通過第一返回管道與所述排出孔連接的第一流入孔，和通過第二返回管道與堆連接的第二流入孔?；旌瞎転槿ü?。
多個(gè)發(fā)電器安裝在機(jī)罩中，并且外部空氣通過形成在發(fā)電器之間的冷卻通路引導(dǎo)。每個(gè)發(fā)電器包括膜電極組件(membrane-electrode assemblyMEA)、及插入該MEA并與該MEA的相對(duì)側(cè)緊密接觸的一對(duì)隔板。
在每個(gè)隔板的一側(cè)上，冷卻通路形成在對(duì)應(yīng)于形成在鄰近的一隔板上的冷卻通路的區(qū)域處。冷卻通路通過形成在每一個(gè)隔板的接觸表面上的槽的結(jié)合而形成。
燃料電池系統(tǒng)還包括安裝在堆和燃料供應(yīng)單元之間的重整器，從而重整由燃料供應(yīng)單元提供的燃料，由此產(chǎn)生氫氣。
燃料電池系統(tǒng)可以是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池型系統(tǒng)，或直接甲醇燃料電池型系統(tǒng)。


結(jié)合附圖考慮時(shí)，隨著本發(fā)明通過參考下面的詳細(xì)描述被更深理解，則本發(fā)明的完整價(jià)值及其許多附加優(yōu)點(diǎn)將更顯而易見，附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2為沿圖1的線I-I截取的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的堆的分解透視圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的改進(jìn)例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；以及圖6為根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，圖2為沿圖1的線I-I截取的示意圖，圖3為根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的堆的分解透視圖。
參考圖，根據(jù)本發(fā)明第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100利用PEMFC技術(shù)，其中重整烴族燃料如甲醇或天然氣來產(chǎn)生氫氣，并且氫氣與空氣中的氧之間產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，由此直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明還可以利用DMFC技術(shù)，其中將液體甲醇燃料直接提供給堆來發(fā)電。
燃料電池系統(tǒng)100包括接收含氫燃料和空氣中的氧氣從而通過其間的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電的堆10、用于儲(chǔ)存燃料且將燃料提供給堆10的燃料供應(yīng)單元30、以及與燃料供應(yīng)單元30連接的用于將從燃料供應(yīng)單元30接收的燃料重整來產(chǎn)生氫氣的重整器50。
重整器50是常規(guī)PEMFC中使用的類型，因此將不提供這個(gè)部件的詳細(xì)描述。
燃料供應(yīng)單元30包括用于儲(chǔ)存含氫燃料的燃料容器(未示出)、用于使用預(yù)定泵壓將儲(chǔ)存在燃料容器中的燃料提供給重整器50的燃料泵(未示出)。
堆10包括多個(gè)發(fā)電器(electricity generator)11，其接收經(jīng)過重整器50重整的氫氣和空氣中的氧氣以在其間產(chǎn)生氧化/還原反應(yīng)，最后產(chǎn)生電能。
每個(gè)發(fā)電器11包括，作為用于發(fā)電的主要部件，實(shí)現(xiàn)氫氣與氧氣之間的氧化/還原的MEA 12，和用于將氫氣和氧氣提供給MEA 12的隔板16。一對(duì)隔板16插入MEA 12中的一個(gè)。堆10包括彼此鄰近安裝的多個(gè)發(fā)電器11，并且這個(gè)發(fā)電器11組件中的最外側(cè)隔板16稱為端板13。
每個(gè)MEA 12具有電解質(zhì)層位于陽極電極和陰極電極之間的結(jié)構(gòu)。陽極電極包括將氫氣轉(zhuǎn)換成電子和氫離子的催化劑層、和便于電子和氫離子順利遷移的支持層。陰極電極包括將氧氣轉(zhuǎn)化成電子和氧離子的催化劑層、和便于電子和氧離子順利遷移的支持層。電解質(zhì)層為厚度在50到200μm之間的固體聚合物電解質(zhì)，并且執(zhí)行將陽極電極的催化劑層產(chǎn)生的氫離子遷移到陰極電極的催化劑層的離子交換功能。
隔板16用作將MEA 12的陽極電極和陰極電極串聯(lián)連接的導(dǎo)體。而且，隔板16用作將MEA 12的氧化/還原反應(yīng)所需要的氫氣和氧氣提供給陽極電極和陰極電極所通過的通道。每個(gè)隔板16包括形成在其表面上的用于提供MEA 12的氧化/還原反應(yīng)所需要的反應(yīng)氣體的流動(dòng)通道(flow channel)17。
隔板16成對(duì)設(shè)置，插入MEA 12并且緊密地與MEA 12的陽極電極和陰極電極接觸。而且，用于將氫氣提供給陽極電極和將氧氣提供給陰極電極的流動(dòng)通道17形成在隔板16的與MEA 12的陽極電極和陰極電極接觸的表面上。
每個(gè)端板13施壓于相應(yīng)MEA 12的陽極電極和陰極電極中的一個(gè)。流動(dòng)通道17形成在端板13的施壓表面中從而將氫氣或氧氣提供給端板13接觸的電極。
而且，端板13包括用于將氫氣提供給流動(dòng)路徑中的一個(gè)的第一注入管13a、用于將空氣提供給流動(dòng)路徑中的另一個(gè)的第二注入管13b、用于將發(fā)電器11中殘余的未反應(yīng)氫氣排出的第一排放管13c、和用于將發(fā)電器11中殘余的未反應(yīng)空氣排出的第二排放管13d。第一注入管13a通過燃料供應(yīng)管道51與重整器50連接，燃料供應(yīng)管道51用于將產(chǎn)生的氫氣從重整器50提供給端板13的流動(dòng)通道17。
通過下面的化學(xué)反應(yīng)式，如上所述構(gòu)成的堆10產(chǎn)生電、熱和水。
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)總反應(yīng)參考該反應(yīng)，通過隔板(或雙極板)16氫氣被提供給MEA 12的陽極電極以及空氣被提供給MEA 12的陰極電極。當(dāng)氫氣流到陽極電極時(shí)，在電解質(zhì)層中氫氣被分解成電子和質(zhì)子(氫離子)。當(dāng)質(zhì)子遷移過電解質(zhì)層時(shí)，電子和氧離子以及遷移的質(zhì)子在陰極電極中結(jié)合，從而產(chǎn)生水。陽極電極中產(chǎn)生的電子不能通過電解質(zhì)層，而是通過外部電路遷移到陰極電極。通過這個(gè)過程產(chǎn)生了電和水。
在燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行期間，氫氣和氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱。而且，在堆10中，部分通過隔板16提供給MEA 12的陰極電極的空氣經(jīng)歷用于發(fā)電的反應(yīng)，而剩余空氣未發(fā)生反應(yīng)并且在含有大量水分的狀態(tài)下通過第二排出管13d被排出?，F(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)此未反應(yīng)的空氣被排放到溫度顯著低于未反應(yīng)空氣的大氣中時(shí)，通過未反應(yīng)空氣和大氣之間的相互作用形成凝結(jié)。
燃料電池系統(tǒng)100中提供一種結(jié)構(gòu)，用于利用外部空氣使堆10中產(chǎn)生的熱冷卻，以及用于將在堆10的冷卻期間被加熱的空氣和第二排出管13d排出的未反應(yīng)空氣混合，使得未反應(yīng)的空氣不凝結(jié)，而是以蒸發(fā)的狀態(tài)(vaporized state)被排出到燃料電池系統(tǒng)100的外部。
即，燃料電池系統(tǒng)100包括機(jī)罩(housing)70，其形成了包圍堆10的密封空間；風(fēng)扇單元72，其將外部空氣提供到機(jī)罩70的內(nèi)部以減少由堆10產(chǎn)生的熱；及區(qū)域80，在這里冷卻堆10時(shí)所產(chǎn)生的熱空氣與堆10中排出的未反應(yīng)空氣混合。
機(jī)罩70被使用來容納上面所述的堆10，并且包括具有預(yù)定容積的內(nèi)部空間的密封容器。在第一示例性實(shí)施例中，機(jī)罩70包括形成內(nèi)部空間的主體(body)71。主體71可以形成為長方體。
區(qū)域80包括整體地從主體71延伸的混合單元81。混合單元81具有混合的空氣蒸發(fā)成蒸汽時(shí)被排出到區(qū)域80外部所通過的排出孔81a、及堆10排出的空氣提供給混合單元81所通過的納入孔81b。在第一示例性實(shí)施例中，混合單元81具有沿著朝向排出開口81a的方向逐漸減小的內(nèi)部直徑而成為漏斗形狀。
空氣納入孔71A形成在主體71的一側(cè)上?？諝饧{入孔71A與風(fēng)扇單元72連接。而且，穿過主體71側(cè)壁形成的是與堆10的第二注入管13b連通的第一連接71C、與第一注入管13a連通的第二連接71D、與第二排出管13d連通的第三連接71E及與第一排出管13c連通的第四連接71F。
風(fēng)扇單元72用于在堆10的運(yùn)行期間將外部空氣提供到機(jī)罩70中來冷卻發(fā)電器11。風(fēng)扇單元72包括用于執(zhí)行吸入功能的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇73，從而將外部空氣提供給機(jī)罩；以及風(fēng)扇管道74，其將空氣納入孔71A和風(fēng)扇73相互連接，從而提供將風(fēng)扇73提供的空氣送往機(jī)罩71的內(nèi)部所通過的通路。
在改進(jìn)的例子中，參考圖4，包括風(fēng)扇93的風(fēng)扇單元92直接安裝于主體71而沒有使用風(fēng)扇管道。
冷卻通路19形成在相鄰的發(fā)電器11之間，如圖3明顯所示。冷卻通路19允許外部空氣在發(fā)電器11之間通過。而且，由槽(channel)19a形成冷卻通路19，槽19a形成在每一個(gè)隔板16中該隔板的面對(duì)鄰近發(fā)電器11的隔板16的表面上。即，以使用兩個(gè)相鄰的發(fā)電器11作為例子，彼此相對(duì)的隔板16的表面在分別彼此對(duì)應(yīng)的位置處形成有槽19a，使得當(dāng)隔板16接靠時(shí)，相對(duì)的槽19a對(duì)形成冷卻通路19。冷卻通路19設(shè)置在與外部空氣(冷卻介質(zhì))的流動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的方向上。雖然冷卻通路19在圖3中示出為垂直形成，但是本發(fā)明在這方面不被局限。
混合單元81形成一區(qū)域，在該區(qū)域中通過冷卻發(fā)電器11的過程而被加熱到預(yù)定溫度的空氣和堆10中沒有完全反應(yīng)并且在含有大量水分的狀態(tài)通過第二排出管13d排出的未反應(yīng)空氣混合。
在本發(fā)明中，被加熱的空氣和未反應(yīng)空氣在混合單元81中混合的原因是，因?yàn)樵诶鋮s發(fā)電器時(shí)而被加熱到大約30-40EC的空氣很可能含有水分(即已經(jīng)達(dá)到露點(diǎn)溫度)，所以此被加熱的空氣和從堆10中排出的含有大量水分的未反應(yīng)空氣混合、蒸發(fā)并且以汽態(tài)排出到混合單元81的外部。即，混合單元81防止從堆10中以未反應(yīng)狀態(tài)排出的空氣與大氣接觸并經(jīng)歷凝結(jié)的情況。
現(xiàn)在將描述如上所述構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)100的運(yùn)行。
在通過堆10的運(yùn)行而發(fā)電期間，在發(fā)電器11中通過氫氣和氧氣之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱。
為了減少該熱，風(fēng)扇73運(yùn)轉(zhuǎn)從而將空氣提供給機(jī)罩70的主體71。結(jié)果，外部空氣通過發(fā)電器11的冷卻通路19。發(fā)電器11中產(chǎn)生的熱被經(jīng)過冷卻通路19的相對(duì)冷的外部空氣減少，并且此外部空氣通過該運(yùn)行被加熱到預(yù)定溫度。
由風(fēng)扇73產(chǎn)生的空氣流將被加熱的空氣推向混合單元81。同時(shí)，由堆10排出的未反應(yīng)空氣通過第二排出管13d、混合單元81的納入孔81b和將第二排出管13d與納入孔81b相互連接的返回管道83提供到混合單元81的內(nèi)部。
通過這個(gè)過程被加熱的空氣和未反應(yīng)的空氣在混合單元81中混合。結(jié)果，未反應(yīng)的空氣沒有如常規(guī)系統(tǒng)中那樣經(jīng)歷凝結(jié)，而是通過與被加熱的空氣的反應(yīng)，未反應(yīng)的空氣蒸發(fā)成汽態(tài)，用于通過混合單元81的排出開口(exhaust opening)81a輸出。
因此，通過本發(fā)明的燃料電池100系統(tǒng)的這種運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了堆10的發(fā)電和冷卻，并且冷卻堆10時(shí)被加熱的空氣和堆10中排出的未反應(yīng)空氣混合，從而防止了由未反應(yīng)的空氣所引起的水的產(chǎn)生。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明另外的實(shí)施例。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖，以及圖6為根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
這些實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)基本上與第一示例性實(shí)施例的相同，僅在與產(chǎn)生混合空氣的區(qū)域有關(guān)的構(gòu)造方面不同。
首先參考圖5，在第二示例性實(shí)施例中，區(qū)域90設(shè)置成與機(jī)罩70分離的單元，并且包括與安裝在機(jī)罩70中的堆10及機(jī)罩70自身連接的混合容器91。
混合容器(mixing tank)91是具有預(yù)定容積之內(nèi)部空間的密封容器?；旌先萜?1通過第一返回管道85與機(jī)罩70連接，使得來自機(jī)罩70的熱空氣可以通過第一流入孔91a進(jìn)入混合容器91中，并且混合容器91通過第二返回管道87與堆10連接，使得來自堆10的未反應(yīng)空氣可以通過第二流入孔91b進(jìn)入混合容器91中。被加熱的空氣和未反應(yīng)的空氣混合時(shí)被蒸發(fā)，然后此被蒸發(fā)的空氣通過混合容器91中形成的排出孔91c輸出。通過由風(fēng)扇單元72產(chǎn)生的空氣流的作用，機(jī)罩70中的熱空氣通過第一流入孔91a流入混合容器91的內(nèi)部空間。
在第一示例性實(shí)施例中，回頭參考圖1，當(dāng)混合容器81中混合的空氣被蒸發(fā)且被排出到混合容器81的外部時(shí)，通過由風(fēng)扇單元72產(chǎn)生的空氣流，蒸汽可以通過排出開口81a被排出。另一方面，在此實(shí)施例中，混合容器91中安裝有泵(未示出)，使得蒸汽可以通過排出孔91c從混合容器91中排出。
第一返回管道85與穿過機(jī)罩70的主體71的一側(cè)(與形成空氣納入孔71A所穿過的側(cè)相對(duì)的一側(cè))形成的空氣排出孔71B連接，并且第一返回管道85與混合容器91的第一流入孔91a連接。第二返回管道87與堆10的第二排出管13d及混合容器91的第二流入孔91b連接。
在根據(jù)本發(fā)明第三示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100中，參考圖6，區(qū)域100包括與機(jī)罩70分開形成的混合管101，并且該混合管101與機(jī)罩70內(nèi)的堆10及機(jī)罩70自身連接。
混合管101形成為三通管，允許流體通過分隔在三處的通道流入和流出。混合管101包括通過第一返回管道85與機(jī)罩70連接的第一流入孔101a，使得來自機(jī)罩70的熱空氣提供到混合管101的內(nèi)部；通過第二返回管道87與堆10連接的第二流入孔101b，使得來自堆10的未反應(yīng)空氣提供到混合管101的內(nèi)部；及排出孔101b，熱空氣和未反應(yīng)空氣在混合且蒸發(fā)之后通過其排出。
第一返回管道85與穿過機(jī)罩70主體71的一側(cè)(與形成空氣納入孔71A所穿過的側(cè)相對(duì)的一側(cè))形成的空氣排出孔72B連接，并且與混合管101的第一流入孔101a連接。第二返回管道87與堆10的第二排出管13d及混合管101的第二流入孔101b連接。
除區(qū)域90和100的構(gòu)造不同之外，第二和第三示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的其他所有方面均與第一示例性實(shí)施例的相同，包括其運(yùn)行。因此，在此將不對(duì)第二和第三示例性實(shí)施例的運(yùn)行進(jìn)行詳細(xì)描述。
使用上述根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，冷卻堆時(shí)產(chǎn)生的熱空氣和從堆中排出的未反應(yīng)空氣混合，使得未反應(yīng)空氣以蒸發(fā)且未凝結(jié)的狀態(tài)被排出。因此，在冷卻堆時(shí)沒有熱能浪費(fèi)。
另外，不需要用于儲(chǔ)存并再使用由堆中排出的未反應(yīng)空氣凝結(jié)所產(chǎn)生的水的單獨(dú)裝置。這減少了熱能和電能的損失，由此改善了整體系統(tǒng)的效率和性能。
雖然上面已經(jīng)結(jié)合特定示例性實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不局限于已公開的示例性實(shí)施例，而恰恰相反，本公開是要覆蓋包括在如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的各種改進(jìn)和/或等效設(shè)置。
本申請(qǐng)參考、在此引入并要求于2004年1月28日向韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的第2004-5359號(hào)申請(qǐng)-燃料電池系統(tǒng)-的所有優(yōu)先權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有至少一個(gè)發(fā)電器的堆，用于接收燃料和空氣從而產(chǎn)生電能；用于將所述燃料提供給所述堆的燃料供應(yīng)單元；所述堆安裝于其中的機(jī)罩；用于將外部空氣提供到所述機(jī)罩內(nèi)部的風(fēng)扇單元，用于冷卻所述至少一個(gè)發(fā)電器；以及冷卻所述至少一個(gè)發(fā)電器時(shí)所被加熱的空氣和從所述堆中排出且含有水分的空氣在其中混合的區(qū)域；其中將在該區(qū)域中混合的空氣從該區(qū)域排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述機(jī)罩包括主體和混合單元，所述堆安裝在該主體中并且該主體與所述風(fēng)扇單元連接，該混合單元整體地從該主體延伸從而實(shí)現(xiàn)所述區(qū)域并且具有混合空氣被排出到所述機(jī)罩的外部所經(jīng)過的排出孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述風(fēng)扇單元包括通過風(fēng)扇管道與所述主體連接的風(fēng)扇，用于將外部空氣提供到所述主體的內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述風(fēng)扇單元包括安裝到所述主體的一側(cè)的風(fēng)扇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合單元為漏斗形并且具有在朝向所述排出孔的方向逐漸減小的內(nèi)部直徑，并且所述混合單元包括從所述堆排出的空氣進(jìn)入所述混合單元所經(jīng)過的納入孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中該區(qū)域包括與所述機(jī)罩分開設(shè)置且與所述機(jī)罩和所述堆連接的混合容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述機(jī)罩和所述混合容器連接的第一返回管道，及與所述堆和所述混合容器連接的第二返回管道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中所述機(jī)罩包括形成在所述機(jī)罩的一側(cè)中的納入孔，由所述風(fēng)扇單元提供的外部空氣通過該納入孔提供到所述機(jī)罩的內(nèi)部，并且所述機(jī)罩包括形成在所述機(jī)罩的另一側(cè)中的排出孔，所述被加熱的空氣通過該排出孔排出到所述機(jī)罩的外部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合容器包括通過所述第一返回管道與所述排出孔連接的第一流入孔，及通過所述第二返回管道與所述堆連接的第二流入孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述區(qū)域包括與所述機(jī)罩分開設(shè)置且與所述機(jī)罩和所述堆連接的混合管。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述機(jī)罩和所述混合管連接的第一返回管道，及與所述堆和所述混合管連接的第二返回管道。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池系統(tǒng)，其中所述機(jī)罩包括形成在所述機(jī)罩的一側(cè)中的納入孔，由所述風(fēng)扇單元提供的外部空氣通過該納入孔提供到所述機(jī)罩的內(nèi)部，并且所述機(jī)罩包括形成在所述機(jī)罩的另一側(cè)中的排出孔，所述被加熱的空氣通過該排出孔排出到所述機(jī)罩的外部。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合容器包括通過所述第一返回管道與所述排出孔連接的第一流入孔，及通過所述第二返回管道與所述堆連接的第二流入孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的燃料電池系統(tǒng)，其中所述混合管為三通管。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)發(fā)電器包括安裝在所述機(jī)罩中的多個(gè)發(fā)電器，并且其中所述外部空氣流過形成在所述多個(gè)發(fā)電器之間的冷卻通路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的燃料電池系統(tǒng)，其中每個(gè)所述發(fā)電器包括膜電極組件、及插入所述膜電極組件并與所述膜電極組件的相對(duì)側(cè)緊密接觸的一對(duì)隔板；并且其中，在每個(gè)隔板的一側(cè)上，冷卻通路形成在對(duì)應(yīng)于形成在鄰近的一隔板上的冷卻通路的區(qū)域處。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的燃料電池系統(tǒng)，其中所述冷卻通路通過形成在每個(gè)所述隔板的接觸表面上的槽的結(jié)合而形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池的系統(tǒng)，還包括安裝在所述堆和所述燃料供應(yīng)單元之間的重整器，用于重整所述燃料供應(yīng)單元提供的燃料從而產(chǎn)生氫氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括聚合物電解質(zhì)膜燃料電池型系統(tǒng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括直接甲醇燃料電池型系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其包括具有發(fā)電器的堆，用于接收燃料和空氣從而產(chǎn)生電能；用于將燃料提供給堆的燃料供應(yīng)單元；在其中安裝堆的機(jī)罩；用于將外部空氣提供到機(jī)罩內(nèi)部以冷卻所述發(fā)電器的風(fēng)扇單元；以及冷卻所述發(fā)電器時(shí)所被加熱的空氣和從堆中排出且含有水分的空氣在其中混合的區(qū)域。將在該區(qū)域中混合的空氣從該區(qū)域中排出。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1722500SQ20051006979
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月28日
發(fā)明者安圣鎮(zhèn), 權(quán)鎬真, 金亨俊, 金周龍, 殷瑩讚, 曹誠庸, 李東勛 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社