專(zhuān)利名稱(chēng)：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)，并特別涉及一種用來(lái)處理堆所產(chǎn)生的水分的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃料電池作為一種產(chǎn)生電的系統(tǒng)而被廣泛熟知，它通過(guò)氧或含氧空氣與諸如甲醇和天然氣的烴基物質(zhì)中含有的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。更具體地，燃料電池具有一種特征，即它能產(chǎn)生通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而不燃燒來(lái)產(chǎn)生的電，并且提供可同時(shí)加以利用的作為副產(chǎn)品的熱。
根據(jù)所用電解質(zhì)的種類(lèi)，燃料電池分為以下幾類(lèi)工作在約150℃到200℃溫度的磷酸鹽(或磷酸)燃料電池，工作在約600℃到700℃高溫的熔融碳酸鹽燃料電池，工作在約1000℃或更高溫度的固態(tài)氧化物燃料電池，工作在室溫或者100℃或更低的溫度的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFCpolymer electrolyte membrane fuel cell)和堿性燃料電池。這些燃料電池基本上基于相同原理工作，但在燃料種類(lèi)、工作溫度、催化劑和電解質(zhì)方面彼此不同。
與其它燃料電池相比，最近發(fā)展的PEMFC具有優(yōu)越的輸出特性、低工作溫度、以及快速啟動(dòng)與響應(yīng)特性，并且使用通過(guò)重整甲醇、乙醇和天然氣等得到的氫。因此，PEMFC的應(yīng)用范圍廣泛，例如車(chē)輛用移動(dòng)電源、家庭或建筑物用分布式電源、以及電子設(shè)備用小型電源。
上述PEMFC具有燃料電池主體(以下稱(chēng)堆(stack))、燃料容器(fuel tank)、和從燃料容器向堆供應(yīng)燃料的燃料泵，從而構(gòu)成一個(gè)常規(guī)系統(tǒng)。這樣的燃料電池還包括重整器(reformer)，用于重整燃料來(lái)生成氫氣并將氫氣供應(yīng)到堆。因此，在PEMFC中，通過(guò)燃料泵的抽汲功率(bumping power)將儲(chǔ)存在燃料容器中的燃料供應(yīng)到重整器。然后重整器重整燃料從而生成氫氣。堆使氫氣和氧氣相互進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。
可選地，這樣的燃料電池也可以使用直接甲醇燃料電池(DMFC)方案來(lái)直接向堆供應(yīng)含氫的液體燃料從而產(chǎn)生電。與PEMFC不同，采用DMFC方案的燃料電池不需要重整器。
在上述燃料電池系統(tǒng)中，實(shí)際產(chǎn)生電的堆具有幾個(gè)或幾十個(gè)單元電池(unit cell)構(gòu)成的堆疊結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元電池具有膜電極組件(MEAmembrane-electrode assembly)和隔板(separator)(或雙極板bipolar plate)。MEA具有其中陽(yáng)極電極和陰極電極通過(guò)它們之間的電解質(zhì)膜相互結(jié)合的結(jié)構(gòu)。隔板同時(shí)執(zhí)行通過(guò)其供應(yīng)燃料電池反應(yīng)所需的氧氣和氫氣的通道的功能以及串聯(lián)連接每個(gè)MEA的陽(yáng)極電極和陰極電極的導(dǎo)體的功能。
因此，通過(guò)隔板，氫氣供應(yīng)到陽(yáng)極電極，氧氣(或者含氧的空氣)供應(yīng)到陰極電極。在陽(yáng)極電極上發(fā)生氫氣的氧化反應(yīng)，并且在陰極電極上發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)。由于此時(shí)產(chǎn)生的電子的運(yùn)動(dòng)，因此能夠同時(shí)獲得電、熱和水。
這里，穿過(guò)隔板供應(yīng)到MEA陰極的空氣中有一部分參與了反應(yīng)，而其它未參與反應(yīng)的空氣被排出。排出的空氣含有大量在產(chǎn)生電時(shí)生成的水分。在傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)把含有大量水分的未反應(yīng)(或未參與)空氣直接排放到溫度相對(duì)較低的大氣中時(shí)，未反應(yīng)空氣與大氣接觸，其所含有的水分因此會(huì)凝結(jié)。
結(jié)果，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)還需要一個(gè)附加的裝置，用來(lái)存儲(chǔ)和再循環(huán)未反應(yīng)空氣中的水分凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生的水。所以，這就不可能使整個(gè)系統(tǒng)的體積緊湊，并且由于附加裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)的熱或電負(fù)載還施加到系統(tǒng)從而降低了系統(tǒng)的效率和性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，具有能夠蒸發(fā)含在堆所排出的未反應(yīng)空氣中的水分并將蒸發(fā)的水分排出的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一示范性實(shí)施例，提供了一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括堆，用于通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供應(yīng)單元，用于向堆供應(yīng)燃料；空氣供應(yīng)單元，用于向堆供應(yīng)空氣；以及蒸發(fā)單元，其與堆相連并用來(lái)蒸發(fā)從堆排出的水分。
蒸發(fā)單元可以由通過(guò)毛細(xì)作用吸收水分的多孔部件構(gòu)成。
蒸發(fā)單元可以包括主體和在主體中形成的毛細(xì)管道，毛細(xì)管道有入口和與入口相通的出口。
可以在主體中形成多個(gè)毛細(xì)管道，并且這些毛細(xì)管道的出口可以形成一個(gè)槽形出口(grooved exit)。
其中形成有多個(gè)毛細(xì)管道的主體可以括一個(gè)連通各出口的溝槽從而形成一個(gè)槽形出口。
可以包括具有第一區(qū)域通道的第一區(qū)域和從第一區(qū)域延伸并具有第二通道區(qū)域的第二區(qū)域，其中第一區(qū)域通道從毛細(xì)管道中的該至少一個(gè)的入口向毛細(xì)管道中的該至少一個(gè)的出口逐漸變窄，第二通道區(qū)域從第一區(qū)域向毛細(xì)管道的該至少一個(gè)的出口逐漸擴(kuò)大。
該燃料電池系統(tǒng)還可以包括一個(gè)與主體相連的加熱器，加熱毛細(xì)管道中的至少一個(gè)的出口周?chē)膮^(qū)域。
加熱器可以設(shè)置在主體的對(duì)應(yīng)第二區(qū)域的部分上。
堆和蒸發(fā)單元可以通過(guò)設(shè)置在它們之間的流動(dòng)通道彼此連接。
燃料供應(yīng)單元可以包括存儲(chǔ)燃料的燃料容器和連接到燃料容器的燃料泵。
空氣供應(yīng)單元可以包括抽吸外部空氣的氣泵。
用于重整燃料供應(yīng)單元所供應(yīng)的燃料從而生成含氫氣體的重整器設(shè)置在燃料供應(yīng)單元和堆之間，并與燃料供應(yīng)單元和堆相連。
該燃料電池系統(tǒng)可以采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)方案或者直接甲醇燃料電池(DMFC)方案。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
圖2是示出了圖1所示堆的分解透視圖。
圖3是示意性示出了圖1所示蒸發(fā)單元的分解透視圖。
圖4是示出了圖3所示組合結(jié)構(gòu)的截面圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的示范性實(shí)施例采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)方案，其中通過(guò)重整含氫燃料生成氫氣，并且通過(guò)氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
另外，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的示范性實(shí)施例可以采用直接甲醇燃料電池(DMFC)方案，其中直接將液體燃料供應(yīng)到堆。
在下文中，將闡述采用PEMFC方案的燃料電池系統(tǒng)的示范性實(shí)施例，這只是為示范目的而本發(fā)明并非局限于此。在該示范性實(shí)施例中，用于產(chǎn)生電的燃料除了烴基或醇基燃料如甲醇、乙醇和/或天然氣外，還包括水和氧。在下面的描述中，液體燃料指烴基或醇基燃料或者是烴基或醇基燃料與水的混合物的混合燃料。另外，存儲(chǔ)在附加存儲(chǔ)裝置中的純氧可以用作氧燃料，或者含氧的空氣可以用作氧燃料。下文中，將闡述其中使用外部空氣作為氧燃料的燃料電池系統(tǒng)的示范性實(shí)施例。
參考圖1，依照本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)100包括用來(lái)重整液體燃料而生成氫氣的重整器30。堆10將重整器30生成的氣體(或氫)和外部空氣之間的化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而產(chǎn)生電。燃料供應(yīng)單元50向重整器30供應(yīng)液體燃料?？諝夤?yīng)單元70向堆10供應(yīng)外部空氣。
重整器30通過(guò)重整反應(yīng)將液體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)生電所需的氫氣，并去除與氫氣混在一起的一氧化碳。通常，重整器30包括一個(gè)用來(lái)重整液體燃料來(lái)生成氫氣的重整部，以及用來(lái)從氫氣中去除一氧化碳的一氧化碳去除部。通過(guò)催化反應(yīng)如氣相重整(vapor reformation)、部分氧化或自熱反應(yīng)(autothermal reaction)，重整部將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓瑲涞闹卣麣?reformed gas)。通過(guò)催化反應(yīng)如水煤氣變換反應(yīng)和CO優(yōu)先氧化(preferential CO oxidation)、或者使用分離隔膜的提純氫的方法，一氧化碳去除部從重整氣中去除一氧化碳。
燃料供應(yīng)單元50連接到重整器30，并包括存儲(chǔ)燃料的燃料容器51和連接到燃料容器51的燃料泵53。燃料供應(yīng)單元50和重整器30可以通過(guò)第一供應(yīng)管道81彼此連接。
空氣供應(yīng)單元70連接到堆10，并包括一個(gè)以預(yù)定抽汲功率抽吸外部空氣的氣泵71。堆10和空氣供應(yīng)單元70可以通過(guò)第二供應(yīng)管道82連接。
圖2是示出了圖1所示堆10的結(jié)構(gòu)的分解透視圖。
參考圖1和圖2，燃料電池系統(tǒng)100中所用的堆10包括多個(gè)電產(chǎn)生器(electricity generator)11，電產(chǎn)生器11在通過(guò)重整器30重整得到的氫氣和外部空氣之間誘發(fā)氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。
每個(gè)電產(chǎn)生器11構(gòu)成一個(gè)用于產(chǎn)生電的單元電池，并且包括用來(lái)氧化/還原氫氣和包含在空氣中的氧氣的膜電極組件(MEA)12、以及用來(lái)向MEA12中供應(yīng)氫氣和空氣的隔板16。在每個(gè)電產(chǎn)生器11中，MEA 12設(shè)置在中心位置，而隔板16分別設(shè)置在MEA 12的兩表面上。
堆10通過(guò)連續(xù)堆疊電產(chǎn)生器11而構(gòu)成。輸入端板13和輸出端板13′設(shè)置在堆10的兩端并用于通過(guò)把它們固定到堆10上來(lái)支撐電產(chǎn)生器11。
MEA 12具有其中陽(yáng)極電極和陰極電極設(shè)置在MEA 12的電解質(zhì)膜的兩表面上的結(jié)構(gòu)。陽(yáng)極電極通過(guò)隔板16供應(yīng)以氫氣，并且包括催化層和氣體擴(kuò)散層(GDL)，催化層用于通過(guò)氧化反應(yīng)將氫氣轉(zhuǎn)化為電子和氫離子(或正離子或質(zhì)子)，氣體擴(kuò)散層用來(lái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)移電子和氫離子。陰極電極通過(guò)隔板16供應(yīng)以空氣，并且包括催化層和氣體擴(kuò)散層，催化層用于通過(guò)還原反應(yīng)將包含在空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為電子和氧離子，氣體擴(kuò)散層用來(lái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)移電子和氧離子。電解質(zhì)膜由固態(tài)聚合物電解質(zhì)制成，具有50到200μm的厚度，并且具有把在陽(yáng)極電極的催化層產(chǎn)生的氫離子轉(zhuǎn)移到陰極電極的催化劑層的離子交換功能。
隔板16具有將MEA 12的陽(yáng)極電極和陰極電極彼此串聯(lián)連接起來(lái)的導(dǎo)體的作用。另外，隔板16具有通道的作用，將MEA 12的氧化/還原反應(yīng)所需的氫氣和空氣提供到陽(yáng)極電極和陰極電極中。供應(yīng)MEA 12的氧化/還原反應(yīng)所需的氣體的流動(dòng)通道17形成在隔板16的表面。
特別地，隔板16設(shè)置在MEA 12的兩表面上而MEA 12插在在它們之間，并與MEA 12的陽(yáng)極電極和陰極電極緊密接觸。向陽(yáng)極電極供應(yīng)氫氣以及向陰極電極供應(yīng)空氣的流動(dòng)通道17，形成在隔板16的與MEA 12的陽(yáng)極電極和陰極電極緊密接觸的表面中。
端板13和13′分別設(shè)置在堆10的最外層表面上，并也可以作為隔板(雙極板)16(除了用來(lái)把電產(chǎn)生器壓在一起以外)。端板13和13′分別與MEA12的陽(yáng)極電極或陰極電極緊密接觸。向任一電極供應(yīng)氫氣或空氣的流動(dòng)通道17形成在與MEA 12緊密接觸的端板13或13′的表面上。
特別地，端板13包括第一供應(yīng)管13a和第二供應(yīng)管13b，第一供應(yīng)管13a用于向隔板16的流動(dòng)通道17中供應(yīng)從重整器30生成的氫氣，第二供應(yīng)管13b用于向其它流動(dòng)通道17注入空氣。端板13′包括第一排放管13c和第二排放管13d，第一排放管13c用于排出未參與反應(yīng)并最后留在多個(gè)電產(chǎn)生器11內(nèi)的氫氣，第二排放管13d用于排出最后留在多個(gè)電產(chǎn)生器11內(nèi)的未反應(yīng)的空氣和產(chǎn)生電時(shí)產(chǎn)生的水分。更具體地參考圖1，端板13的第一供應(yīng)管13a和重整器30可以通過(guò)第三供應(yīng)管道83彼此連接。端板13的第二供應(yīng)管13b和空氣供應(yīng)單元70可以通過(guò)前文所述的第二供應(yīng)管道82彼此連接。
當(dāng)具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)100工作時(shí)，一部分供應(yīng)到堆10的空氣參與反應(yīng)產(chǎn)生電，另一部分未參與反應(yīng)(或未反應(yīng)的)空氣與大量在產(chǎn)生電時(shí)生成的水分一起通過(guò)端板13′的第二排放管13d排出。此時(shí)，當(dāng)未反應(yīng)的空氣從堆10的第二排放管13d排出時(shí)(即，含有大量水分的空氣排放到溫度相對(duì)較低的大氣中)，未反應(yīng)空氣中含有的水分會(huì)接觸到空氣并凝結(jié)。
然而，根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，燃料電池系統(tǒng)100包括蒸發(fā)單元90，能夠蒸發(fā)堆10產(chǎn)生電時(shí)從排放管13d排出的未反應(yīng)空氣中的水分，并將蒸發(fā)的未反應(yīng)空氣中的水分向外部排出。
圖3是分解透視圖，其示意性地示出了圖1所示的本發(fā)明示范性實(shí)施例的蒸發(fā)單元90的結(jié)構(gòu)。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的圖3的組合結(jié)構(gòu)的截面圖。
參考圖1至4，蒸發(fā)單元90具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中從堆10排出的未反應(yīng)空氣中所含有的水分能夠通過(guò)毛細(xì)作用和滲透作用流過(guò)蒸發(fā)單元90，并且所述水分能夠在所述水分由預(yù)定的熱源蒸發(fā)的狀態(tài)排放到外部。
蒸發(fā)單元90包括主體91和主體中形成的毛細(xì)管道93，毛細(xì)管道93具有入口93a和與入口93a相通的出口93b。
主體91可以安裝在移動(dòng)電子儀器或移動(dòng)電話(huà)的外殼(external case)上。主體91可以是具有預(yù)定長(zhǎng)度、寬度和厚度的矩形板形狀，并且可以由具有熱導(dǎo)性的多孔金屬制成。外殼的其上安裝有主體91的安裝位置(未示出)可以具有多個(gè)排氣孔，用來(lái)把蒸發(fā)單元90蒸發(fā)后的氣體排放到外殼的外部。
毛細(xì)管道93是流體流動(dòng)通道，從堆10的第二排放管13d排出的未反應(yīng)空氣(含有大量水分)流過(guò)它，并且沿著主體91的縱向(圖3中Y軸的方向)形成在主體91的內(nèi)部。在毛細(xì)管道93中，基于寬度方向(圖3中X軸的方向)，入口93a形成在圖3的左側(cè)，與入口93a相通的出口93b形成在圖3的右側(cè)。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，在主體91中形成了許多毛細(xì)管道93。
更具體地，參考圖1和圖4，每個(gè)毛細(xì)管道93包括其通道從入口93a側(cè)向出口93b側(cè)逐漸變窄的第一區(qū)域A，以及從第一區(qū)域A延伸并且其通道向出口93b端逐漸擴(kuò)大的第二區(qū)域B。這里，入口93a可以通過(guò)第四供應(yīng)管道84與堆10的第二排放管13d相連通。
各個(gè)毛細(xì)管道93的多個(gè)出口93b連到形成在主體91的一側(cè)面的其中設(shè)置有出口93b的溝槽91a，并相互連通。出口93b也與外殼上的通孔(未示出)相連通。另外，芳香族材料(aromatic material)(未示出)可以施加在毛細(xì)管道93的內(nèi)表面上。
按照蒸發(fā)單元90的結(jié)構(gòu)，在工作中，從堆10的第二排放管13d排出的未反應(yīng)空氣(含有大量水分)，通過(guò)毛細(xì)作用經(jīng)多孔入口93a供應(yīng)到第一區(qū)域A，流過(guò)第二區(qū)域B，并從毛細(xì)管道93的出口93b排出。結(jié)果，當(dāng)含有較高溫度水分的未反應(yīng)空氣從出口93b排出時(shí)，由于出口93b在直徑上大于入口93a并且與通孔相連通，所以未反應(yīng)空氣的溫度通過(guò)與外部空氣的接觸而降低，并且可以容納未反應(yīng)空氣中的水分的空氣量迅速增加。因此，能夠通過(guò)通孔以氣態(tài)(與凝聚態(tài)相比)排出未反應(yīng)的空氣。
另外，蒸發(fā)單元90可以包括用來(lái)加熱主體91的加熱器95。加熱器95可以設(shè)置在主體91的對(duì)應(yīng)毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的上和下表面上。加熱器95包括其中內(nèi)置有連接到預(yù)定功率源(power source)(未示出)的熱線(xiàn)(hot-wire)96的加熱板97。當(dāng)對(duì)應(yīng)第二區(qū)域B的主體91被加熱時(shí)以及未反應(yīng)空氣通過(guò)毛細(xì)作用從第一區(qū)域A流過(guò)第二區(qū)域B而被蒸發(fā)時(shí)，加熱器95具有加速蒸發(fā)的作用。
在本發(fā)明中，加熱器95分別設(shè)置在主體91的對(duì)應(yīng)毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的上和下表面上。然而，本發(fā)明并不局限于此，加熱器95也可以沿主體91的縱向，分別設(shè)置在主體91的對(duì)應(yīng)毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的兩側(cè)面上。此外，加熱器95也可以分別設(shè)置在主體91的對(duì)應(yīng)毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的上和下表面及兩個(gè)側(cè)面上。
下面將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)的工作。
首先，燃料泵53通過(guò)第一供應(yīng)管道81將存儲(chǔ)在燃料容器51中的液體燃料供應(yīng)到重整器30中。這時(shí)，重整器30通過(guò)蒸汽重整器(SRsteamreformer)催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣，并通過(guò)水煤氣變換(WGSwater-gasshift)催化反應(yīng)或者一氧化碳優(yōu)先氧化(PROXpreferential CO oxidation)催化反應(yīng)來(lái)降低氫氣中含有的一氧化碳的濃度。
然后，降低了其中所含一氧化碳濃度的氫氣通過(guò)第三供應(yīng)管道83從重整器30供應(yīng)到第一供應(yīng)管13a中。這時(shí)，氫氣通過(guò)隔板16供應(yīng)到MEA 12的陽(yáng)極電極。
同時(shí)，氣泵71通過(guò)第二供應(yīng)管道82將外部空氣供應(yīng)到堆10的第二供應(yīng)管13b中。這時(shí)，外部空氣通過(guò)隔板16供應(yīng)到MEA 12的陰極電極。
因此，當(dāng)通過(guò)第一供應(yīng)管13a供應(yīng)了氫氣，并通過(guò)第二供應(yīng)管13b供應(yīng)了外部空氣后，堆10按照如下化學(xué)反應(yīng)生成電、熱和水。
陽(yáng)極反應(yīng)陰極反應(yīng)總反應(yīng)按照化學(xué)反應(yīng)，氫氣通過(guò)隔板16供應(yīng)到MEA 12的陽(yáng)極，并且空氣供應(yīng)到陰極。當(dāng)氫氣流過(guò)陽(yáng)極時(shí)，氫被催化劑層(catalytic layer)催化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮雍唾|(zhì)子(氫離子)。當(dāng)質(zhì)子經(jīng)過(guò)電解膜后，電子、氧離子和質(zhì)子在催化劑的幫助下合成而生成水。陽(yáng)極產(chǎn)生的電子不能通過(guò)電解質(zhì)膜，而是通過(guò)外部電路轉(zhuǎn)移到陰極。通過(guò)這些過(guò)程產(chǎn)生了電、水和熱。
在經(jīng)歷上述過(guò)程期間，供應(yīng)到堆的外部空氣中一部分參與反應(yīng)而產(chǎn)生電，而其它未參與反應(yīng)的空氣通過(guò)第二排放管13d與產(chǎn)生電時(shí)生成的水分一起排出。這時(shí)，含有大量水分的未反應(yīng)空氣可以通過(guò)氣泵71的抽汲功率排放到堆10的第二排放管13d。
根據(jù)本實(shí)施例，經(jīng)第二排放管13d排放的未反應(yīng)空氣通過(guò)第四供應(yīng)管道84供應(yīng)到毛細(xì)管道93的多孔入口93a。這時(shí)，未反應(yīng)空氣到達(dá)多孔入口93a并通過(guò)毛細(xì)管道93的毛細(xì)作用經(jīng)多孔入口93a供應(yīng)到第一區(qū)域A。
在毛細(xì)管道93中，由于從第一區(qū)域A延伸的第二區(qū)域B的通道向出口93b側(cè)逐漸加寬，所以供應(yīng)到毛細(xì)管道93第一區(qū)域A中的未反應(yīng)空氣由于第一區(qū)域A和第二區(qū)域B的截面積的不同而自然地從第一區(qū)域A排放到第二區(qū)域B。這時(shí)，由于未反應(yīng)空氣具有高體積(high volume)和/或保持高溫度，所以未反應(yīng)空氣能夠以蒸發(fā)的狀態(tài)排出。
在歷經(jīng)上述過(guò)程期間，預(yù)定功率源應(yīng)用于加熱器95的熱線(xiàn)96來(lái)加熱對(duì)應(yīng)著毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的主體91。結(jié)果，由于熱線(xiàn)96輻射的熱量，可以進(jìn)一步加速流經(jīng)毛細(xì)管道93第二區(qū)域B的未反應(yīng)空氣中所含的水分的蒸發(fā)。
通過(guò)出口93b側(cè)的蒸發(fā)的氣體與經(jīng)毛細(xì)作用供應(yīng)到第一區(qū)域A中的未反應(yīng)空氣之間的濃度的不同產(chǎn)生的滲透作用，以及通過(guò)未反應(yīng)空氣在區(qū)域B側(cè)的熱膨脹(thermal expansion)，上述蒸發(fā)單元90可以向第一區(qū)域A連續(xù)供應(yīng)從堆10的第二排放管13d排出的未反應(yīng)空氣。這時(shí)，供應(yīng)到第一區(qū)域A的未反應(yīng)空氣的流率(flow rate)可以由加熱器95的熱值(heat value)來(lái)控制。
特別地，隨著加熱器95的熱值的增大，滲透壓增大，從而未反應(yīng)空氣的流率增大。與之相反，如果加熱器95的熱值降低，滲透壓降低，因而未反應(yīng)空氣的流率(flow rate)降低。
鑒于以上所述以及根據(jù)本示范性實(shí)施例，經(jīng)毛細(xì)管道93的出口93b排出的蒸發(fā)的氣體通過(guò)外殼(未示出)的通孔以非凝聚態(tài)排放到外部。
在依照本發(fā)明的某些實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，由于該系統(tǒng)具有能夠蒸發(fā)未反應(yīng)空氣從而將蒸發(fā)后的空氣排放到外部的結(jié)構(gòu)，因此不需要提供一個(gè)附加的裝置來(lái)存儲(chǔ)和再循環(huán)空氣凝結(jié)生成的水。因此，通過(guò)減少了熱或電能的損失能夠進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能，并可以使整個(gè)系統(tǒng)的尺寸緊湊化。
盡管已經(jīng)結(jié)合某些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明涵蓋了包含在所附權(quán)利要求及其等效的精神和范圍內(nèi)的各種修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括堆，其用于通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；燃料供應(yīng)單元，其用于向所述堆供應(yīng)燃料；空氣供應(yīng)單元，其用于向所述堆供應(yīng)空氣；以及蒸發(fā)單元，其與所述堆相連，并用來(lái)蒸發(fā)從所述堆排出的水分。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)單元包括用于通過(guò)毛細(xì)作用吸收所述水分的多孔部件。
3.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)單元包括主體；以及毛細(xì)管道，其形成在所述主體中，所述毛細(xì)管道有入口和出口，所述出口與所述入口相通。
4.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)單元包括主體；以及多個(gè)毛細(xì)管道，其形成在所述主體中，每個(gè)所述毛細(xì)管道有入口和出口，所述毛細(xì)管道的出口形成一槽形出口。
5.如權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，其中所述主體的其中形成有多個(gè)出口的部分包括用來(lái)連通各個(gè)所述毛細(xì)管道的出口從而形成一槽形出口的溝槽。
6.如權(quán)利要求3所的燃料電池系統(tǒng)，其中所述毛細(xì)管道包括具有第一區(qū)域通道的第一區(qū)域，其中所述第一區(qū)域通道從所述毛細(xì)管道的所述入口向所述毛細(xì)管道的所述出口逐漸變窄；以及從所述第一區(qū)域延伸并具有第二區(qū)域通道的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域通道從所述第一區(qū)域向毛細(xì)管道的出口逐漸擴(kuò)大。
7.如權(quán)利要求3的燃料電池系統(tǒng)，還包括與所述主體相連的加熱器，其用來(lái)加熱所述毛細(xì)管道的所述出口周?chē)膮^(qū)域。
8.如權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中所述毛細(xì)管道包括具有第一區(qū)域通道的第一區(qū)域，其中所述第一區(qū)域通道從所述毛細(xì)管道的所述入口向所述毛細(xì)管道的所述出口逐漸變窄；以及從所述第一區(qū)域延伸并具有第二區(qū)域通道的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域通道從所述第一區(qū)域向所述毛細(xì)管道的所述出口逐漸擴(kuò)大；以及其中所述加熱器設(shè)置在所述主體的對(duì)應(yīng)所述第二區(qū)域的部分上。
9.如權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，還包括流動(dòng)通道，其中所述堆和所述蒸發(fā)單元通過(guò)設(shè)置在它們之間的所述流動(dòng)通道彼此連通。
10.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供應(yīng)單元包括用來(lái)存儲(chǔ)液體燃料的燃料容器；以及連接到所述燃料容器的燃料泵。
11.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述空氣供應(yīng)單元包括用來(lái)抽吸外部空氣的氣泵。
12.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括重整器，其用于重整由所述燃料供應(yīng)單元供應(yīng)的燃料從而生成含氫氣體，其中所述重整器設(shè)置在所述燃料供應(yīng)單元和所述堆之間并與所述燃料供應(yīng)單元和所述堆相連。
13.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)是直接甲醇燃料電池系統(tǒng)。
15.一種蒸發(fā)單元，用于蒸發(fā)從燃料電池中排出的水分，所述蒸發(fā)單元包括主體；以及毛細(xì)管道，其形成在所述主體中，所述毛細(xì)管道有入口和出口，所述出口與所述入口相通；其中所述蒸發(fā)單元與燃料電池系統(tǒng)的堆相連，并蒸發(fā)從所述堆排出的水分。
16.如權(quán)利要求15的蒸發(fā)單元，還包括與所述主體相連的加熱器，其用于加熱所述毛細(xì)管道的所述出口周?chē)膮^(qū)域。
17.如權(quán)利要求15的蒸發(fā)單元，其中所述毛細(xì)管道包括具有第一區(qū)域通道的第一區(qū)域，其中所述第一區(qū)域通道從所述毛細(xì)管道的所述入口向所述毛細(xì)管道的所述出口逐漸變窄；以及從所述第一區(qū)域延伸并具有第二區(qū)域通道的第二區(qū)域，其中所述第二區(qū)域通道從所述第一區(qū)域向所述毛細(xì)管道的所述出口逐漸擴(kuò)大。
18.一種燃料電池系統(tǒng)，包括堆，其用于通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；以及蒸發(fā)單元，其與所述堆相連，該蒸發(fā)單元包括主體；多個(gè)毛細(xì)管道，其形成在所述主體中，每個(gè)所述毛細(xì)管道有入口和出口；以及溝槽，其形成在所述主體中，所述溝槽連通所述主體內(nèi)各個(gè)所述毛細(xì)管道的所述出口；其中所述蒸發(fā)單元蒸發(fā)從所述堆排出的水分。
19.如權(quán)利要求18的燃料電池系統(tǒng)，還包括與主體相連的加熱器，其用于加熱所述毛細(xì)管道的所述出口周?chē)膮^(qū)域。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于通過(guò)氫氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電的堆、向堆供應(yīng)燃料的燃料供應(yīng)單元、向堆供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元、以及與堆相連的用來(lái)蒸發(fā)堆所排出的水分的蒸發(fā)單元。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1734817SQ200510069798
公開(kāi)日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者韓奎南, 李東勛 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社