專利名稱：用于燃料電池的凈化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，其能夠在不具有凈化設(shè)備的情況下產(chǎn)生氮氣N2從而凈化所述燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般來說，燃料電池是一種將燃料的能量直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。這種燃料電池是一種燃料電池系統(tǒng)，在該燃料電池系統(tǒng)中在聚合物電解質(zhì)膜的兩側(cè)安裝有陽極和陰極，并且該系統(tǒng)在陽極(氧化電極或者燃料電極)發(fā)生用作燃料的氧的電化學氧化和在陰極(還原電極或者空氣電極)發(fā)生用作氧化劑的氧的電化學還原時，通過所產(chǎn)生的電子的運動而產(chǎn)生電能，該燃料電池系統(tǒng)也被稱為一種發(fā)電設(shè)備。
根據(jù)操作溫度和主要燃料的類型，上述燃料電池被分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸電解液燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及離子交換膜燃料電池(PEMFC)等。在這些燃料電池中，離子交換膜燃料電池的電解質(zhì)不是液體而是固態(tài)聚合物膜，這與其它類型的燃料電池不同。在離子交換膜燃料電池中，一般以以下方式使用燃料諸如液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)之類的碳氫(CH)燃料通過在重整裝置中進行脫硫、重整反應(yīng)以及加氫煉制工藝被煉制為氫(H2)，且所煉制的氫被供應(yīng)至堆疊裝置(stack unit)的燃料電極。
圖1為離子交換膜燃料電池(PEMFC)式燃料電池的系統(tǒng)圖，在該燃料電池中諸如LNG、LPG、CH3OH等(圖中為“LNG”)碳氫(CH)燃料，通過在重整裝置中進行脫硫、重整反應(yīng)以及加氫煉制工藝被煉制為氫(H2)，從而將氫用作燃料。
如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池包括重整裝置10，其用于從LNG中煉制氫；堆疊裝置20，其設(shè)置有連接至重整裝置10以接收所煉制的氫的燃料電極21和從空氣中接收氧的空氣電極22，用于通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)而產(chǎn)生電和熱；電轉(zhuǎn)換器30，其連接至堆疊裝置20的輸出側(cè)，用于電的轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換的電供應(yīng)至負載；凈化裝置40，其用于當系統(tǒng)停止時通過供氮管42用氮凈化堆疊裝置20，該供氮管42在以下進行說明，凈化裝置40連接至堆疊裝置20的燃料電極21和空氣電極22的入口側(cè)；以及控制裝置(未示出)，其電連接至上述的重整裝置10、堆疊裝置20、電轉(zhuǎn)換器30、凈化裝置40以對它們進行控制。
凈化裝置40包括氮氣罐41，其用于儲存高壓狀態(tài)下的、預(yù)定量的惰性氣體氮；供氮管42，其將氮氣罐41與重整裝置10的出口側(cè)和堆疊裝置20的燃料電極21的入口側(cè)之間的燃料供應(yīng)管的中部相連接；以及供氮閥43，其安裝在供氮管42的中部并由控制裝置開啟和關(guān)閉。
以上所述的現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池的操作如下。
即，碳氫燃料在重整裝置10被重整并煉制為氫，且所述氫被供應(yīng)至堆疊裝置20的燃料電極21而空氣供應(yīng)至堆疊裝置20的空氣電極22，由此在燃料電極21處發(fā)生氧化反應(yīng)和在空氣電極22處發(fā)生還原反應(yīng)。在此過程中產(chǎn)生的電子在從燃料電極21向空氣電極22運動時就產(chǎn)生了電，且所述電被轉(zhuǎn)化為交流電并從而被供應(yīng)至各種用電設(shè)備。
這里，如果堆疊裝置20處于操作狀態(tài)，則供氮閥43由控制裝置關(guān)閉，且因此燃料(LNG)在重整裝置10中被煉制為氫并供應(yīng)至堆疊裝置20的燃料電極21，且同時空氣供應(yīng)至空氣電極22，以使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)正常的發(fā)生，從而產(chǎn)生電能和熱能。
另一方面，如果堆疊裝置20處于啟動或者關(guān)閉過程中，供氮閥43由控制裝置開啟，且因此在氮氣罐41中填充的高壓氮氣(N2)通過供氮管42供應(yīng)至燃料電池系統(tǒng)的管線中，以使殘留在各管線中的燃料和空氣排出，由此防止催化劑氧化，并維護所述燃料電池系統(tǒng)的耐用性和穩(wěn)定性。
然而，在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，如果燃料電池安裝在諸如房間等室內(nèi)時，由于必須有高壓氮氣罐41以及燃料電池系統(tǒng)，并且還需將氮填充在氮氣罐41中，因此引起安全問題和使用中的不便。

發(fā)明內(nèi)容
因此，鑒于現(xiàn)有技術(shù)中燃料電池的上述問題提出了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，其能夠在不具有供氮設(shè)備的情況下通過使用燃料完全燃燒所產(chǎn)生的惰性氣體來凈化所述燃料電池系統(tǒng)自身。
為實現(xiàn)這些以及其它優(yōu)點，并且根據(jù)本發(fā)明的目的，如在此具體實施和廣泛描述的，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，其包括燃料供應(yīng)裝置；重整裝置，其連接至所述燃料供應(yīng)裝置，用于重整碳氫燃料并將所述碳氫燃料煉制為氫；堆疊裝置，其設(shè)置有從所述重整裝置接收煉制的氫的燃料電極以及從空氣中接收氧的空氣電極，用于通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能；凈化裝置，其選擇性地與所述堆疊裝置連通，用于凈化所述堆疊裝置；以及控制裝置，其電連接至所述凈化裝置，用于控制所述凈化裝置的操作。


所述附圖旨在提供對本發(fā)明的進一步理解，其并入說明書并構(gòu)成說明書的一部分，這些附圖示出了本發(fā)明的實施例并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池一實例的系統(tǒng)圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明具有凈化裝置的燃料電池一實例的系統(tǒng)圖；以及圖3為示出根據(jù)本發(fā)明燃料電池在操作時，燃料運送過程的系統(tǒng)圖；以及圖4為示出根據(jù)本發(fā)明當燃料電池在啟動/停止時燃料運送過程的系統(tǒng)圖。
具體實施例方式
下面將參考一個實施例說明根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，所述實施例在附圖中示出。
圖2為根據(jù)本發(fā)明具有凈化系統(tǒng)的燃料電池的一實例的系統(tǒng)圖。圖3為示出根據(jù)本發(fā)明當燃料電池在操作時燃料運送過程的系統(tǒng)圖。圖4為示出根據(jù)本發(fā)明當燃料電池在啟動/停止時燃料運送過程的系統(tǒng)圖。
如圖2、圖3和圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池包括重整裝置110，其從通過燃料供應(yīng)裝置的燃料供應(yīng)泵1供應(yīng)的LNG中煉制氫；堆疊裝置120，其設(shè)置有連接至重整裝置110以接收所煉制的氫的燃料電極121和從空氣中接收氧的空氣電極122，用于通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)而產(chǎn)生電和熱；電轉(zhuǎn)換器130，其連接至堆疊裝置120的輸出側(cè)，用于將電供應(yīng)至負載；凈化裝置140，其根據(jù)堆疊裝置120是否處于操作狀態(tài)而進行操作，用于凈化堆疊裝置120的燃料電極；以及控制裝置(未示出)，其電連接至上述的重整裝置110、堆疊裝置120、電轉(zhuǎn)換器130、凈化裝置140。
凈化裝置140包括催化燃燒器141，用于通過燃料的完全燃燒而產(chǎn)生惰性氣體；燃料配送管142，其中部安裝有該催化燃燒器141；以及凈化氣體閥143，其安裝于燃料配送管142，并由控制裝置選擇性地開啟或者關(guān)閉。
在催化燃燒器141中，主要使用鉑(Pt)族元素作為催化劑。主要還使用比鉑更便宜和更輕的鈀(Pd)作為催化劑。
燃料配送管142在連接于燃料供應(yīng)泵1和重整裝置110入口側(cè)之間的燃料供應(yīng)管的中部分出，并在重整裝置110的出口側(cè)和堆疊裝置120的入口側(cè)之間匯合。
凈化氣體閥143由開/關(guān)閥組成，并與堆疊裝置120一起連接至控制裝置(未示出)，以使該凈化氣體閥143根據(jù)堆疊裝置120是否處于操作狀態(tài)而進行操作。
在附圖中，類似的附圖標記在本說明書全文中用來指代相同的構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明的用于燃料電池的凈化系統(tǒng)的操作效果如下即，碳氫燃料在重整裝置110重整并煉制為氫，且所述氫被供應(yīng)至堆疊裝置120的燃料電極121，由此發(fā)生氧化反應(yīng)，且同時空氣中的氧被供應(yīng)至堆疊裝置120的空氣電極122，由此發(fā)生還原反應(yīng)。在此過程中產(chǎn)生的電子在從燃料電極121向空氣電極122運動時產(chǎn)生電，且所述電通過電轉(zhuǎn)換器130供應(yīng)至各種用電設(shè)備。
當燃料電池處于啟動或者停止過程中，為了防止堆疊裝置120的催化劑氧化，凈化燃料電池系統(tǒng)是必須的，以維護燃料電池系統(tǒng)的耐用性和穩(wěn)定性。因此，在本發(fā)明中，通過使用燃料本身可以產(chǎn)生惰性氣體氮，且所述氮供應(yīng)至堆疊裝置120以凈化管線。
例如，如圖3所示，在燃料電池系統(tǒng)處于正常操作的狀態(tài)下時，凈化氣體閥143由控制裝置關(guān)閉，從而防止燃料導(dǎo)入催化燃燒器141，以此防止從催化燃燒器141產(chǎn)生氮氣。
另一方面，如圖4所示，當燃料電池系統(tǒng)處于啟動或者停止過程中時，凈化氣體閥143由控制裝置開啟，從而允許燃料通過燃料供應(yīng)管導(dǎo)入由鉑制成的催化燃燒器141，碳氫燃料在催化燃燒器141中完全燃燒，從而產(chǎn)生氮氣(N2)，且在啟動過程中燃料正常供應(yīng)至燃料電池之前或者在停止過程中在對燃料電池系統(tǒng)的燃料供應(yīng)斷開后，所述氮氣供應(yīng)至燃料電池系統(tǒng)，從而防止燃料電池系統(tǒng)中催化劑氧化，并且因此維護燃料電池的耐用性和穩(wěn)定性。
以這種方式，燃料電池系統(tǒng)在處于啟動或關(guān)閉過程中時，利用從供應(yīng)至燃料電池系統(tǒng)的燃料產(chǎn)生的凈化氣體而被凈化，從而在不設(shè)置諸如氮氣罐的凈化設(shè)備的情況下可以進行燃料電池系統(tǒng)的凈化，因此能夠提高安裝和維護燃料電池系統(tǒng)的安全性，并且因為無需更換凈化氣體罐而改善使用的便利性。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，其包括燃料供應(yīng)裝置；重整裝置，其連接至該燃料供應(yīng)裝置，用于重整碳氫燃料并將所述碳氫燃料煉制為氫；堆疊裝置，其設(shè)置有燃料電極，以從該重整裝置中接收所煉制的氫；以及空氣電極，以從空氣中接收氧，該堆疊裝置用于通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能；凈化裝置，其選擇性地與該堆疊裝置連通，用于凈化該堆疊裝置；以及控制裝置，其電連接至該凈化裝置，用于控制該凈化裝置的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其中，該凈化裝置安裝為選擇性地與該燃料供應(yīng)裝置和該堆疊裝置連通。
3.如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其中，該凈化裝置包括燃料配送管，其從該重整裝置的入口側(cè)分出并連接至該堆疊裝置的該燃料電極的入口側(cè)；燃燒器，其安裝在該燃料配送管的中部，用于通過燃料的完全燃燒產(chǎn)生惰性氣體；以及凈化氣體閥，其安裝于位于該燃燒器的入口側(cè)的該燃料配送管，用于調(diào)節(jié)供應(yīng)至該燃燒器的燃料供應(yīng)量。
4.如權(quán)利要求3所述的凈化系統(tǒng)，其中，該燃燒器包括使用鉑族元素的催化燃燒器。
5.如權(quán)利要求4所述的凈化系統(tǒng)，其中，該燃燒器使用鈀元素。
6.如權(quán)利要求1所述的凈化系統(tǒng)，其中，該控制裝置電連接至該堆疊裝置和該凈化裝置，以使該凈化裝置根據(jù)該堆疊裝置是否處于操作狀態(tài)而進行操作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池的凈化系統(tǒng)，其通過供應(yīng)至堆疊裝置的燃料的完全燃燒而產(chǎn)生惰性氣體，并允許在啟動或者關(guān)閉所述凈化系統(tǒng)時使用所述惰性氣體凈化堆疊裝置，以使能夠在不設(shè)置諸如氮氣罐的凈化設(shè)備的情況下實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的凈化，因此能夠改善安裝和維護燃料電池系統(tǒng)時的安全性，且因為無需更換凈化氣體罐而改善了使用的便利性。
文檔編號H01M8/02GK1933227SQ20061012747
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者柳成南, 金泰元 申請人:Lg電子株式會社, Lg化學株式會社