專利名稱：帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用外部提供的燃料和空氣發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的燃料電池系統(tǒng)，特別是涉及一種可收集提供給發(fā)生器陰極的空氣中含有的液態(tài)水的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般來(lái)說(shuō)，燃料電池系統(tǒng)是將燃料的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。這種燃料電池系統(tǒng)的發(fā)生器通常是以高分子電解質(zhì)膜為中心，并在其兩側(cè)附著上陽(yáng)極和陰極而制成。在陽(yáng)極(氧化電極或燃料極)上進(jìn)行燃料氫的氧化反應(yīng)，而在陰極(還原電極或空氣極)上進(jìn)行氧的還原反應(yīng)，反應(yīng)中生成的電子經(jīng)過(guò)移動(dòng)而產(chǎn)生電能。提供給燃料電池系統(tǒng)的氫氣來(lái)自液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇(CH3OH)和汽油等烴類燃料。在轉(zhuǎn)化爐中使上述燃料經(jīng)過(guò)脫磺→重整反應(yīng)→氫氣精制就可生成氫氣。質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)是使用上述氫氣作為燃料，而硼燃料電池系統(tǒng)則使用由固態(tài)BH4-轉(zhuǎn)化成的液態(tài)BH4-來(lái)作為燃料。圖1為已有技術(shù)的硼燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖。如圖1所示，這種已有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)1是在可產(chǎn)生電的發(fā)生器10一側(cè)設(shè)置了可儲(chǔ)存液態(tài)BH4-的燃料罐2。燃料罐2和發(fā)生器10的陽(yáng)極入口處之間連有燃料供應(yīng)管3，而陽(yáng)極的出口處則連有燃料排出管4。燃料供應(yīng)管3上還設(shè)有可抽取燃料的燃料泵5。此外，發(fā)生器10的陰極上設(shè)有空氣供應(yīng)管6和空氣排出管7，并且空氣供應(yīng)管6上還設(shè)置了可過(guò)濾空氣的空氣過(guò)濾器8、空氣壓縮機(jī)9及加濕器11。另外，燃料排出管4和空氣排出管7上分別設(shè)置了氣液分離器12，12`，并且為了能將從氣液分離器12，12`上分離出的燃料和水送回到燃料罐2而設(shè)置了回用管13，且在回用管13上設(shè)置了循環(huán)泵14。循環(huán)泵14可將從氣液分離器12，12`上分離出的反應(yīng)后的燃料或水送回到燃料罐2中。圖中未說(shuō)明的符號(hào)15，15`為閥門。具有如上構(gòu)成的已有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)工作過(guò)程如下當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，燃料泵5可將儲(chǔ)存在燃料罐2內(nèi)的液態(tài)BH4-通過(guò)燃料供應(yīng)管3提供給發(fā)生器10的陽(yáng)極，與此同時(shí)，空氣壓縮機(jī)8則通過(guò)空氣供應(yīng)管6將空氣提供給發(fā)生器10的陰極。發(fā)生器10的陽(yáng)極和陰極是用碳布包裹住觸媒而構(gòu)成的，陽(yáng)極和陰極間夾有高分子電解質(zhì)膜。在陽(yáng)極上進(jìn)行氫的氧化反應(yīng)，而在陰極上進(jìn)行氧的還原反應(yīng)，反應(yīng)中生成的電子經(jīng)過(guò)移動(dòng)而產(chǎn)生電能，并聚集在圖中未示出的集電板上而用作能源。
這一過(guò)程中的反應(yīng)方程式如下陽(yáng)極副反應(yīng)陰極將陽(yáng)極和陰極上產(chǎn)生的反應(yīng)后的液體和氣體分別用氣液分離器12，12`進(jìn)行分離，然后由循環(huán)泵14將該燃料和水重新送回到燃料罐2而循環(huán)使用。但是，在這種燃料電池系統(tǒng)中，由于提供給發(fā)生器10陰極的空氣和水中不僅含有水蒸氣，而且還含有液態(tài)的水，該液態(tài)的水會(huì)包裹住陰極上的觸媒，從而防礙空氣或水蒸氣與觸媒進(jìn)行反應(yīng)，因此會(huì)使發(fā)生器的發(fā)電性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種可防止液態(tài)的水提供給發(fā)生器的陰極，從而可使陰極上的觸媒與空氣和水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而提高發(fā)生器發(fā)電性能的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)包括可在陽(yáng)極上進(jìn)行氧化反應(yīng)和在陰極上進(jìn)行還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)生器；設(shè)置在發(fā)生器的一側(cè)，可儲(chǔ)存液態(tài)BH4-的燃料罐；連接在燃料罐和發(fā)生器的陽(yáng)極之間，可為發(fā)生器的陽(yáng)極提供燃料的燃料供應(yīng)管；連接在發(fā)生器的陰極入口部，可為發(fā)生器的陰極提供空氣的空氣供應(yīng)管；連接在發(fā)生器的陽(yáng)極出口部，可排出反應(yīng)后燃料的燃料排出管；連接在發(fā)生器的陰極出口部，可排出反應(yīng)后空氣的空氣排出管；分別連接在燃料排出管和空氣排出管上，并可從反應(yīng)后的燃料和空氣中分離出液體和氣體的氣液分離器；設(shè)置在空氣供應(yīng)管上，可對(duì)提供給發(fā)生器陰極的空氣進(jìn)行加濕的加濕器；和設(shè)置在空氣供應(yīng)管上加濕器的后方，可收集提供給發(fā)生器陰極的空氣中含有的液態(tài)水的聚水器。
本發(fā)明提供的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)是在發(fā)生器陰極上連接的空氣供應(yīng)管上設(shè)置了可收集液態(tài)水的聚水器，從而可將經(jīng)過(guò)加濕器的空氣中含有的液態(tài)水積聚到聚水器內(nèi)，而僅將空氣和水蒸氣提供給發(fā)生器的陰極，并使其與觸媒進(jìn)行反應(yīng)，從而可提高該系統(tǒng)的發(fā)電性能。另外，聚水器內(nèi)收集的液態(tài)水還可通過(guò)水回收管送回到加濕器而用作加濕空氣用水，這樣就不需要經(jīng)常給加濕器補(bǔ)充水。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)。
圖1為已有技術(shù)的硼燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖。
圖2為本發(fā)明的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖。
圖3為本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)中單電池結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖4為圖3中A部位結(jié)構(gòu)放大圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，本發(fā)明提供的燃料電池系統(tǒng)100中設(shè)有可與液態(tài)BH4-和空氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)生器101；和與發(fā)生器101間隔一定距離且可儲(chǔ)存可提供給發(fā)生器101上陽(yáng)極132的液態(tài)BH4-的燃料罐102。另外，燃料罐102和發(fā)生器101的陽(yáng)極132入口部之間連接有可提供燃料的燃料供應(yīng)管103，而陽(yáng)極132出口部上則連接有燃料排出管104，而且燃料供應(yīng)管103上還設(shè)有可抽取燃料的燃料泵105。此外，發(fā)生器101的陰極133入口部上連接有可提供空氣的空氣供應(yīng)管109，而陰極133出口部上設(shè)有可將反應(yīng)后的空氣排出的空氣排出管110。另外，空氣供應(yīng)管109上依次設(shè)有可過(guò)濾提供給發(fā)生器101的空氣的空氣過(guò)濾器111、可傳送空氣的空氣壓縮機(jī)112和可加濕空氣的加濕器113，并在加濕器113的后側(cè)設(shè)置了可收集夾雜在向發(fā)生器101的陰極133提供的空氣中液態(tài)水的聚水器150。另外，聚水器150內(nèi)收集的液態(tài)水可通過(guò)聚水器150和加濕器113之間連接的水回收管151回收到加濕器113中，從而能夠用作加濕器的加濕用水。此外，燃料排出管104和空氣排出管110分別連接有氣液分離器120，120`，該氣液分離器120，120`和燃料罐102之間則連接有回用管122，并且回用管122上設(shè)有可將氣液分離器120，120`分離出的燃料和水送回到燃料罐102的循環(huán)泵123。發(fā)生器101可由多個(gè)層疊的電池或單電池構(gòu)成。如圖3和圖4所示，單電池包括由位于中間部位的電解質(zhì)膜131和貼在其兩側(cè)且可擴(kuò)散反應(yīng)氣體的陽(yáng)極132和陰極133組成的膜-電極組件134；緊貼在膜-電極組件134的兩側(cè)并可在陽(yáng)極132和陰極133上形成燃料氣體及含氧氣體的流路135的分隔板136；和設(shè)置在分隔板136的兩側(cè)，可構(gòu)成陽(yáng)極132和陰極133集電極的集電板137。膜-電極組件134的電解質(zhì)膜131是由高分子材料制成的離子交換膜，最具代表性的商品為杜邦公司的Nafion膜，其不僅具有氫離子傳導(dǎo)體的作用，而且還可防止氧氣和氫氣相互接觸。如圖4所示，陽(yáng)極132和陰極133是鉑催化層的支持體，其是由多孔性碳布142貼附在電解質(zhì)膜131的兩側(cè)而構(gòu)成。分隔板136是由致密的碳板形成，且其內(nèi)側(cè)面上形成有可使冷媒流動(dòng)的多個(gè)流路135。集電板137應(yīng)該選用導(dǎo)電性好、耐蝕性好而且不會(huì)減少氫氣生成量的材料，比如鈦、不銹鋼或銅中的任一種。在具有如上構(gòu)成的本發(fā)明的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，由蓄電池提供且通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器的電能可將燃料泵105啟動(dòng)，該燃料泵105可將儲(chǔ)存在燃料罐102內(nèi)的液態(tài)BH4-通過(guò)燃料供應(yīng)管103提供給發(fā)生器101的陽(yáng)極132。與此同時(shí)，空氣壓縮機(jī)112則通過(guò)空氣供應(yīng)管109將經(jīng)過(guò)空氣過(guò)濾器111過(guò)濾并在加濕器113上加至適當(dāng)濕度的空氣提供給發(fā)生器101的陰極133。提供給發(fā)生器101內(nèi)部的液態(tài)BH4將沿著位于陽(yáng)極132外側(cè)的流路135流動(dòng)，并進(jìn)行全面擴(kuò)散，從而在陽(yáng)極132上進(jìn)行氧化反應(yīng)，而空氣則沿著位于陰極133外側(cè)的流路135流動(dòng)，并且也進(jìn)行全面的擴(kuò)散，從而在陰極133上進(jìn)行還原反應(yīng)，這時(shí)反應(yīng)中生成的電子經(jīng)過(guò)移動(dòng)而產(chǎn)生電能，該電能最終集聚在集電板137上而用作能源。
這一過(guò)程中的反應(yīng)方程式如下陽(yáng)極E0＝1.24V陰極E0＝0.4V總反應(yīng)E0＝1.64V為使用作燃料的液態(tài)BH4-成穩(wěn)定狀態(tài)而在其內(nèi)混合了一定量的鈉，隨之帶來(lái)了下面的副反應(yīng)陽(yáng)極2H2O+NaBH4+4H2另外，陽(yáng)極上產(chǎn)生的反應(yīng)后的燃料和反應(yīng)氣體及陰極上產(chǎn)生的反應(yīng)后的空氣和水是通過(guò)燃料排出管104和空氣排出管110排到氣液分離器120，120`，再由循環(huán)泵123抽回到燃料罐102進(jìn)行回收利用，而反應(yīng)氣體則就此排放掉。此外，在進(jìn)行發(fā)電時(shí)，通過(guò)空氣供應(yīng)管109提供的空氣先在加濕器113上進(jìn)行加濕，然后將空氣和水蒸氣一起提供給發(fā)生器101的陰極133，此時(shí)空氣和水蒸氣中含有的液態(tài)水可在聚水器150上被分離出來(lái)而積聚在聚水器150的內(nèi)側(cè)底部，從而僅將空氣和水蒸氣提供給發(fā)生器101的陰極133而使其與觸媒層141上的觸媒進(jìn)行反應(yīng)。另外，再將聚水器150內(nèi)收集的液態(tài)水通過(guò)水回收管151送回到加濕器113而用作加濕空氣用水。
權(quán)利要求
1.一種帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)包括可在陽(yáng)極(132)上進(jìn)行氧化反應(yīng)和在陰極(133)上進(jìn)行還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的發(fā)生器(101)；設(shè)置在發(fā)生器(101)的側(cè)，可儲(chǔ)存液態(tài)BH4-的燃料罐(102)；連接在燃料罐(102)和發(fā)生器(101)的陽(yáng)極(132)之間，可為發(fā)生器(101)的陽(yáng)極(132)提供燃料的燃料供應(yīng)管(103)；連接在發(fā)生器(101)的陰極(133)入口部，可為發(fā)生器(101)的陰極(133)提供空氣的空氣供應(yīng)管(109)；連接在發(fā)生器(101)的陽(yáng)極(132)出口部，可排出反應(yīng)后燃料的燃料排出管(104)；連接在發(fā)生器(101)的陰極(133)出口部，可排出反應(yīng)后空氣的空氣排出管(110)；分別連接在燃料排出管(104)和空氣排出管(110)上，并可從反應(yīng)后的燃料和空氣中分離出液體和氣體的氣液分離器(120，120’)；設(shè)置在空氣供應(yīng)管(109)上，可對(duì)提供給發(fā)生器(101)陰極(133)的空氣進(jìn)行加濕的加濕器(113)；和設(shè)置在空氣供應(yīng)管(109)上加濕器(113)的后方，可收集提供給發(fā)生器(101)陰極(133)的空氣中含有的液態(tài)水的聚水器(150)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)還包括可連接聚水器(150)和加濕器(113)，并可將聚水器(150)內(nèi)收集的水提供給加濕器(113)以用作加濕空氣用水的水回收管(151)。
全文摘要
一種帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)。其包括發(fā)生器、燃料罐、燃料供應(yīng)管、空氣供應(yīng)管、燃料排出管、空氣排出管、氣液分離器、加濕器和聚水器。本發(fā)明提供的帶有聚水器的燃料電池系統(tǒng)是在發(fā)生器陰極上連接的空氣供應(yīng)管上設(shè)置了可收集液態(tài)水的聚水器，從而可將經(jīng)過(guò)加濕器的空氣中含有的液態(tài)水積聚到聚水器內(nèi)，而僅將空氣和水蒸氣提供給發(fā)生器的陰極，并使其與觸媒進(jìn)行反應(yīng)，從而可提高該系統(tǒng)的發(fā)電性能。另外，聚水器內(nèi)收集的液態(tài)水還可通過(guò)水回收管送回到加濕器而用作加濕空氣用水，這樣就不需要經(jīng)常給加濕器補(bǔ)充水。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1612384SQ20031010676
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者趙太熙, 金奎正, 黃勇準(zhǔn), 崔鴻, 金鐵煥, 樸明碩, 李明浩, 高承泰, 許成根 申請(qǐng)人:樂(lè)金電子(天津)電器有限公司