專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其是燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置方面的發(fā)明。
為了解決上述化學(xué)燃料所存在的各種問題，近年來，開發(fā)出了燃料電池系統(tǒng)。燃料電池是向電池的陰極提供燃料，向陽極提供外界的氧氣，二者發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，也叫做發(fā)電裝置。燃料電池的發(fā)電方法不是燃料燃燒的氧化反應(yīng)，而是通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，將電勢差直接轉(zhuǎn)換成電能的方法。這種燃料電池不產(chǎn)生NOx和SOx，不產(chǎn)生噪音和震動，熱效率為發(fā)電量和熱量之和，達到80％以上，而且不會產(chǎn)生NOx和SOx等有害氣體，是清潔發(fā)電系統(tǒng)。
如
圖1所圖示，現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)由以下結(jié)構(gòu)構(gòu)成設(shè)置有燃料極11和空氣極12的燃料電池堆10，燃料電池堆的作用是通過氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；從燃料源中提煉出氫氣，并將產(chǎn)生的氫氣供給到燃料極11的燃料供給裝置20；將氧氣供給燃料電池堆10的空氣極12上的空氣供給裝置30；將從燃料電池堆10中產(chǎn)生的電能提供給負載的電能輸出裝置40；調(diào)節(jié)燃料電池堆10、燃料供給裝置20、空氣供給裝置30、電能輸出裝置40的控制裝置(圖中未示)。
通常在燃料電池堆10和燃料源21之間設(shè)有轉(zhuǎn)化爐25，轉(zhuǎn)化爐25由消除燃料源中的硫磺S的脫硫器26；同水蒸氣接觸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的轉(zhuǎn)化器27；從產(chǎn)生的氫氣中分離出二氧化碳、一氧化碳、氮氣、水蒸氣等的CO轉(zhuǎn)換器28和CO消除器29構(gòu)成。
圖中，22是燃料泵，31是空氣壓縮機，32是加濕器，41是變壓器，42是負荷。
現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)動作如下當(dāng)控制裝置指令驅(qū)動，燃料源21一般按順序經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐25的脫硫器26、轉(zhuǎn)化器27、CO轉(zhuǎn)換器28和CO消除器29，生成氫氣，并且將生成的氫氣提供給燃料電池堆10的燃料極11。與此同時，通過空氣供給裝置30將空氣供給到燃料電池堆10的空氣極12，與燃料極11中的燃料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電能。
上述的燃料電池系統(tǒng)，由于氫氣生成裝置的轉(zhuǎn)化器25的負荷太大而且過于復(fù)雜，因此在家庭用發(fā)電系統(tǒng)中是可以用的，但是攜帶外出，從負荷和價格上都是不合算的。為了解決上述問題，提出了消除負荷大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氫氣生成裝置的轉(zhuǎn)化器25，如圖2所示，將壓縮儲藏的氫氣的高壓儲氣瓶50以拆卸形式連接在燃料電池堆10的燃料極11上。但是，使用氫氣高壓儲氣瓶50或者是往氫氣高壓儲氣瓶50中灌氫氣時，需要直接進行高壓壓縮充氣，這對于一般的人來說是比較困難的，還存在相當(dāng)大的危險，并且燃料的更換周期短，使用不便。
為了解決技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，所述的燃料電池系統(tǒng)包括包含電解質(zhì)膜和位于電解質(zhì)膜兩側(cè)的燃料極和空氣極的燃料電池堆，燃料極的燃料和空氣極的空氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；向燃料電池堆的燃料極提供液體燃料的燃料供給裝置；向燃料電池堆的空氣極提供空氣的空氣供給裝置；將燃料電池堆上產(chǎn)生的電能提供給負荷的電能輸出裝置，其特征是所述的燃料供給裝置包括將液體燃料填充成高濃度液體狀態(tài)或粉末或膠體狀態(tài)的燃料槽；排列在燃料槽的一側(cè)，向燃料電池堆的燃料極提供燃料，內(nèi)部填充滿水，并能與燃料槽內(nèi)的液體燃料混合在一起的燃料稀釋用水槽；通過燃料供給管和水供給管分別同燃料槽和水槽連接在一起的并將高濃度的液體燃料和水混合成適當(dāng)濃度的緩沖槽；將緩沖槽循環(huán)連接在燃料電池堆的燃料極上的燃料循環(huán)管；設(shè)置在燃料循環(huán)管的中間位置上，將燃料抽向燃料極的燃料泵。
所述的緩沖槽中設(shè)置有能夠感應(yīng)出同水混合的液體燃料濃度的濃度傳感器，在濃度傳感器上還設(shè)置有將更換時間告知給使用者的顯示裝置。
所述的水供給管中設(shè)置有能夠儲藏一定水的能夠進行裝卸的加濕用水槽。
考慮到燃料和水的適量使用，燃料槽、燃料稀釋用水槽、加濕用水槽形成一體。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的高濃度液體燃料以粉狀或液狀或膠體1狀儲藏燃料槽內(nèi)，在緩沖槽內(nèi)對水混合之后，供給燃料電池堆的燃料極中，延長了燃料的供給時間，延緩了燃料槽的交替時間，使用方便。燃料槽、燃料稀釋用水槽、加濕用水槽都是能夠裝卸的，燃料電池系統(tǒng)可以攜帶使用。一體化形成燃料槽和兩個水槽，實現(xiàn)了燃料槽和水槽切換一體化。將通過空氣極的水循環(huán)使用，防止了不必要的能量損失。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置的部分流程圖。
圖3是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置的流程圖。
圖4是燃料電池堆的斷面圖。
圖5是本發(fā)明的另一實施例的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置的流程圖。
圖中，110燃料電池堆；113燃料極；114空氣極；120燃料供給裝置；121燃料槽；122燃料稀釋用水槽；123燃料供給管；123a燃料泵；124稀釋用水供給管；124a第1水泵；125緩沖槽；126燃料循環(huán)管；127a，127b燃料調(diào)節(jié)閥門；130空氣供給裝置；132空氣供給管；140空氣加濕裝置；141加濕器；142加濕用水槽；150水循環(huán)裝置；152氣液分離器；160電能輸出裝置。
燃料電池堆110如圖4所示，是由多個單元電池111構(gòu)成；每個單元電池111由電解質(zhì)膜112；疊層在電解質(zhì)膜112的兩側(cè)上的燃料極113和空氣極114；疊層在燃料極113和空氣極114外側(cè)的分離器115，116構(gòu)成。分離器的作用是使燃料和空氣各自接觸在燃料極113空氣極114上，并使空氣和燃料能夠進行循環(huán)。疊層在兩側(cè)分離器115，116的外側(cè)的形成集電電極的集電器117，118。
電解質(zhì)膜112用可以通過氫離子的高分子材料制成的膜，如在濕潤狀態(tài)下帶導(dǎo)電性的高分子離子交換膜。
燃料極113和空氣極114由支撐體和疊層在其支撐體兩側(cè)面上的催化劑層構(gòu)成。支撐體是由碳黑紙或碳黑布構(gòu)成，催化劑層使用適應(yīng)氧氣的還原反應(yīng)的鉑金。為了增大催化的有效表面積，催化劑層涂布在微小的鉑金和微小碳粒子表面形成的。
分離115，116是具有良好的導(dǎo)電性和強耐腐蝕性的石墨類的物質(zhì)，同燃料極113和空氣極114接觸的每個內(nèi)側(cè)面上形成有使燃料液通過的燃料通道Cf和空氣通道Co。設(shè)置在單元電池111之間的分離器115、116其一側(cè)形成燃料通道Cf，另一側(cè)形成空氣通道Co。設(shè)置在燃料電池堆110兩端上的分離器115，116，只在其內(nèi)側(cè)面上形成燃料通道Cf或者是空氣通道Co。設(shè)置在分離115，116上的燃料通道Cf和空氣道Co通過多個并排連通。
集電器117，118是為了從燃料電池堆110上將電能輸出，通常由銅材質(zhì)的導(dǎo)電體形成。
燃料供給裝置120包括以下結(jié)構(gòu)以高濃度的液體狀態(tài)或者是粉狀或者是膠體狀態(tài)將液體燃料填充的燃料槽121；排列在上述燃料槽121的一側(cè)，為了向燃料極113提供燃料，內(nèi)部填充滿水，并可同燃料槽121內(nèi)的液體燃料混合在一起的燃料稀釋用水槽122；通過燃料供給管123和稀釋用水供給管124分別同燃料槽121和燃料稀釋用水槽122連接在一起，并將高濃度的液體燃料和水混合成適當(dāng)濃度的緩沖槽125；將緩沖槽125循環(huán)連接在燃料極113上的燃料循環(huán)管126；設(shè)置在燃料循環(huán)管126的中間位置上，并且將燃料抽向燃料極113的燃料泵126a。
在燃料槽121和緩沖槽125之間的燃料供給管123中，為了使燃料槽121中的高濃度的液體燃料抽向緩沖槽125內(nèi)，設(shè)置有燃料泵123a。在燃料稀釋用水槽122和緩沖槽125之間的稀釋用水供給管124上，為了將燃料稀釋用水槽122中的少量水抽到緩沖槽125內(nèi)，設(shè)置有第1水泵124a。
在緩沖槽125上設(shè)置具備顯示裝置的濃度傳感器D。通過設(shè)置濃度傳感器D感應(yīng)液體燃料濃度，掌握燃料槽121更換時間。
在緩沖槽125的入口和出口處各設(shè)置調(diào)節(jié)開閉程度的燃料調(diào)節(jié)閥127a，127b。通過設(shè)置燃料調(diào)節(jié)閥適當(dāng)?shù)卣{(diào)整當(dāng)更換燃料槽121時候的燃料循環(huán)管126的關(guān)閉和燃料量。
如圖3所示，燃料槽121可與燃料稀釋用水槽122、加濕用水槽142單獨獨立設(shè)置。也可以如圖5所示，燃料槽121與燃料稀釋用水槽122、加濕通水槽142一體化形成。
空氣供給裝置130由空氣壓縮機131和空氣供給管132構(gòu)成。空氣壓縮機131起到壓縮大氣中的空氣的作用。空氣供給管132起到將空氣壓縮機131連接到空氣極114的作用。在空氣壓縮機131的入口處設(shè)置有凈化空氣的空氣過濾器133。在空氣供氣管132的中間及空氣壓縮器131的出口處設(shè)置了將通過空氣供給管132的空氣適當(dāng)加濕的加濕器141。在加濕器141的入口側(cè)設(shè)置了防止空氣逆流的檢驗閥134，在出口處設(shè)置了空氣調(diào)節(jié)閥135。
空氣加濕裝置140由設(shè)置在空氣供給管132中間位置上的加濕器141；連接加濕器141和加濕用水槽142的加濕用供水管143；設(shè)置在加濕用供水管143中間位置上，將水抽進加濕器141上的第2水泵144構(gòu)成。在加濕用供水管143上設(shè)置了將加濕用水槽142中的水供給到加濕器141上的供水閥145。
加濕器141通常由超聲波型、起泡型、加熱型等構(gòu)成。
一般在家庭使用時，加濕用水槽142連接在上水上。如本發(fā)明中用于攜帶時，由存儲一定量的水的加濕用水槽142構(gòu)成。
考慮到將加濕用水槽142同上述的燃料槽121同時更換使用，根據(jù)燃料和水的使用量，如圖5所示，按一定的體積比例，燃料槽121和稀釋用水槽122一體化形成。
水循環(huán)裝置150包含以下結(jié)構(gòu)連接空氣極114和加濕用供水管143的水循環(huán)管151；設(shè)置在水循環(huán)管151的中間位置上，將通過燃料電池堆110的水同大氣中的水分離出來，并使水循環(huán)到加濕器141上的氣液分離器152；設(shè)置在加濕用供水管143和水循環(huán)管151的連接點上，并且能夠改變水的通道而設(shè)置的三向閥門的水轉(zhuǎn)換閥153。
在氣液分離器152上設(shè)置有水位傳感器L。水位傳感器的作用是根據(jù)分離出來的水量，同加濕用水槽142反復(fù)交替連接到加濕用供水管143。
圖中154指排氣管。
綜上所述，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置作用效果如下控制裝置下驅(qū)動指令，燃料供給裝置120的第1燃料泵123a和第1水泵124a驅(qū)動，第1燃料泵123a從燃料槽121將高濃度的液體燃料壓入緩沖槽125，同時，第1水泵124a從燃料稀釋用水槽122中將水壓入緩沖槽125。
在緩沖槽125里面，燃料槽121的高濃度液體燃料和燃料稀釋用水槽122的水混合，形成一定新的濃度，被稀釋的液體燃料通過燃料泵126a的驅(qū)動，從緩沖槽125上壓入到燃料電池堆110的燃料極113中，并且同供給到空氣極114中的氧氣一起進行電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能之后，通過燃料循環(huán)管126返回到緩沖槽125中。
燃料調(diào)節(jié)閥127a，127b通過控制裝置的控制，調(diào)節(jié)開閉，使液體燃料能夠進行順暢的循環(huán)，同時利用濃度傳感器D，持續(xù)感應(yīng)出液體燃料的濃度，通過顯示裝置告知使用者。
與此同時，空氣壓縮器131驅(qū)動，壓縮大氣中的空氣，通過空氣供給管132，將壓縮的空氣提供給燃料電池堆110的空氣極114中?？諝馔ㄟ^中間部位的加濕器141，加濕成水蒸汽，通過空氣調(diào)節(jié)閥135，提供到空氣極114當(dāng)中，產(chǎn)生電能。
上述過程中，液體燃料通過燃料循環(huán)管126，經(jīng)過形成在燃料電池堆110的分離器115，116中的燃料通道Cf的同時，空氣供給裝置130被打開，使大氣中的空氣通過空氣供給管132，經(jīng)過分離器115，116中形成的空氣通道Co供給。
這時，供水閥145開放，第2水泵144驅(qū)動，加濕用水槽142的水通過加濕用供水管143，提供到加濕器141當(dāng)中，在加濕器141中，空氣變成水蒸汽，提供到燃料電池堆110中。
如上所述，提供到分離器115，116的燃料通道Cf和空氣通道Co中的液體燃料和空氣分別同燃料極113和空氣極114接觸，并通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。
在燃料極1 13進行H+的電化學(xué)氧化反應(yīng)
在電解質(zhì)膜112中，傳送通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的離子，而在空氣極114中，進行氧氣的電化學(xué)還原反應(yīng)
因此，在燃料極113和空氣極114之間產(chǎn)生電勢差，電勢差通過設(shè)置在疊層的兩端的集電器117，118輸出，從集電器117，118中輸出的電流供給到負荷中。
通過燃料電池堆110的空氣極114的空氣，其中的水通過水循環(huán)管151，空氣經(jīng)氣液分離器152排出，而水則殘留，水轉(zhuǎn)換閥153關(guān)閉第2水泵144，在開啟氣液分離器152時經(jīng)第2水泵144，殘留水提供到加濕器141中。此時，根據(jù)設(shè)置在氣液分離器152當(dāng)中的水位傳感器L，判斷出儲藏在氣液分離器152中的水量。當(dāng)其水量達到能夠代替加濕用水槽142的程度時，通過控制裝置的控制，氣液分離器152單獨同加濕器141連接起來。
當(dāng)更換燃料槽121和燃料稀釋用水槽122、加濕用水槽142時，關(guān)閉燃料調(diào)節(jié)閥127a，127b，然后，將燃料槽121更換。但是，如圖5所示，當(dāng)燃料槽121和燃料稀釋用水槽122，還有加濕用水槽142一體化形成時，沒有必要挨個分別更換每個槽，而是進行一次性更換。
通過上述結(jié)構(gòu)，即使不具備轉(zhuǎn)換器，也能夠進行順暢的燃料供應(yīng)。因此，降低了由于設(shè)置轉(zhuǎn)換器而產(chǎn)生的系統(tǒng)的負荷增加和費用的增加。
不僅如此，由于能夠往燃料槽填沖液體燃料，因此攜帶使用，減少使用當(dāng)中的危險系數(shù)，使用方便。
往燃料槽填充高濃度壓縮的粉狀或液狀或膠體狀態(tài)的液體燃料，可根據(jù)需要量，提供給緩沖槽125，進行混合之后，提供到燃料電池堆，實現(xiàn)即使燃料槽卸載，也能夠儲藏量多的燃料，因而延長了燃料槽的更換周期。
用于加濕空氣的加濕用水可用上水，還可以用裝卸方便的水槽，因此可以攜帶使用，特別是在使用加濕用水槽時，將加濕用水槽與燃料槽和燃料稀釋用水槽一體化形成，因此，在更換燃料槽和燃料稀釋用水槽時一同更換加濕用水槽，使用方便。
將從空氣極排出的空氣一同排到的水循環(huán)加濕器當(dāng)中，然后利用實現(xiàn)加熱用的水加濕空氣。特別是在使用加熱性加濕器的時候，即使用少量的熱量，也能達到高加濕效果，節(jié)約能源。
本發(fā)明不止局限在上述實施例當(dāng)中，在本發(fā)明的思想和范疇內(nèi)存在有多樣化的變形。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，所述的燃料電池系統(tǒng)包括包含電解質(zhì)膜(112)和位于電解質(zhì)膜(112)兩側(cè)的燃料極(113)和空氣極(114)的燃料電池堆(110)，燃料極(113)的燃料和空氣極(114)的空氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；向燃料電池堆(110)的燃料極(113)提供液體燃料的燃料供給裝置(120)；向燃料電池堆(110)的空氣極(114)提供空氣的空氣供給裝置(130)；將燃料電池堆(110)上產(chǎn)生的電能提供給負荷的電能輸出裝置(160)，其特征是所述的燃料供給裝置(120)包括將液體燃料填充成高濃度液體狀態(tài)或粉末或膠體狀態(tài)的燃料槽(121)；排列在燃料槽(121)的一側(cè)，向燃料電池堆的燃料極(113)提供燃料，內(nèi)部填充滿水，并能與燃料槽(121)內(nèi)的液體燃料混合在一起的燃料稀釋用水槽(122)；通過燃料供給管(123)和水供給管分別同燃料槽(121)和水槽連接在一起的并將高濃度的液體燃料和水混合成適當(dāng)濃度的緩沖槽(125)；將緩沖槽(125)循環(huán)連接在燃料電池堆(110)的燃料極(113)上的燃料循環(huán)管(126)；設(shè)置在燃料循環(huán)管(126)的中間位置上，將燃料抽向燃料極(113)的燃料泵(126a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，其特征是所述的緩沖槽(125)中設(shè)置有能夠感應(yīng)出同水混合的液體燃料濃度的濃度傳感器(D)，在濃度傳感器上還設(shè)置有將更換時間告知給使用者的顯示裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，其特征是所述的水供給管中設(shè)置有能夠儲藏一定水的能夠進行裝卸的加濕用水槽(142)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，其特征是考慮到燃料和水的適量使用，燃料槽(121)、燃料稀釋用水槽(122)、加濕用水槽(142)形成一體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池系統(tǒng)的燃料供給裝置，燃料電池系統(tǒng)燃料電池堆、燃料供給裝置、空氣供給裝置、電能輸出裝置，所述的燃料供給裝置包括將液體燃料填充成高濃度液體狀態(tài)或粉末或膠體狀態(tài)的燃料槽；排列在燃料槽的一側(cè)，向燃料電池堆的燃料極提供燃料，內(nèi)部填充滿水，并能與燃料槽內(nèi)的液體燃料混合在一起的燃料稀釋用水槽；通過燃料供給管和水供給管分別同燃料槽和水槽連接在一起的并將高濃度的液體燃料和水混合成適當(dāng)濃度的緩沖槽；將緩沖槽循環(huán)連接在燃料電池堆的燃料極上的燃料循環(huán)管；設(shè)置在燃料循環(huán)管的中間位置上，將燃料抽向燃料極的燃料泵。本發(fā)明延長供料時間，攜帶方便。
文檔編號H01M8/02GK1474473SQ0212913
公開日2004年2月11日 申請日期2002年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月19日
發(fā)明者金寅圭, 樸明碩, 李成煥, 黃龍俊, 高承兌, 張昌龍, 許成根 申請人:樂金電子(天津)電器有限公司