專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，更特別地涉及一種能夠供應具有適當溫度的氫和空氣到堆疊體單元的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
圖1是示出根據(jù)相關技術的燃料電池系統(tǒng)的每個部件的圖。參照圖1，相關技術的燃料電池系統(tǒng)10包括將氫供應到堆疊體11的重整器12；用于將包含在供應到堆疊體11的氫中的濕氣清除的氣液分離單元13；用于熱交換堆疊體11中產(chǎn)生的熱的熱交換器14；和用于加濕供應到堆疊體11的空氣的加濕器15。
堆疊體11依照每個由電極和電解質構成的用于發(fā)電的多個電池單元相互堆疊而形成。該堆疊體11對溫度非常敏感。由于氫和空氣之間的電化學反應速度隨著堆疊體11的溫度而改變，該堆疊體11必須在考慮到電池單元的持久性下維持適當?shù)臏囟?。例如，在質子交換膜燃料電池(PEMFC)中僅采用氫作為燃料，堆疊體11必須具有50℃～80℃的適當溫度。因此，熱交換器14導出(boot)空氣和氫的溫度。
氣液分離單元13清除含在氫中的濕氣以提供具有適當濕度的空氣到堆疊體11，以及加濕器15向空氣提供濕氣。
如圖1所示，相關技術的燃料電池系統(tǒng)包括重整器12，氣液分離單元13，熱交換器14和加濕器15。燃料電池系統(tǒng)的組件獨立地組裝從而通過管道相互連接。當氫和空氣通過重整器12、氣液重整器13、熱交換器14、加濕器15和管道供應到堆疊體11中時，其中的溫度劇烈變化，因此會發(fā)生壓力/流量損失。
因此，各自具有適當溫度的氫和空氣沒有被平穩(wěn)地輸送到堆疊體11，因此在堆疊體11中沒有進行最優(yōu)化的電化學反應。
另外，當氫和空氣通過重整器12、氣液重整器13、熱交換器14、加濕器15和管道時，其中的熱損失增加從而降低了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
此外，由于重整器12、氣液重整器13、熱交換器14、加濕器15和管道獨立地組裝，因此燃料電池系統(tǒng)的整個體積增加。當這些組件被獨立地制備時，燃料電池系統(tǒng)的批量生產(chǎn)率降低。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠供應各自具有適當溫度的氫和空氣到堆疊體單元的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠增加熱效率的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的另外一目的是提供一種具有降低的體積和增加的批量生產(chǎn)率的燃料電池系統(tǒng)。
為了獲得在此具體化和概括描述的這些和其它的優(yōu)點和根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括用于通過氫和空氣的電化學反應產(chǎn)生電能的堆疊體單元；用于向堆疊體單元供應氫的燃料供應單元；用于向堆疊體單元供應空氣的空氣供應單元；以及模塊單元，該模塊單元具有用于排出燃料供應單元產(chǎn)生的廢氣的廢氣管道、具有用于供應燃料供應單元提供的氫到堆疊體單元的燃料供應管道，并具有用于供應空氣供應單元提供的空氣到堆疊體單元的空氣供應管道，其中該廢氣管道、燃料供應管道和空氣供應管道順序布置并整體模塊化。
結合附圖從本發(fā)明的下述詳細描述中，本發(fā)明的上述和其它特點、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。


用于提供對本發(fā)明的進一步理解并結合而構成本說明書的一部分的附圖，解釋了本發(fā)明的實施方式并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
附圖中圖1是示出根據(jù)相關技術的燃料電池系統(tǒng)的每一部件的圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖3是示出圖2的模塊單元的圖；圖4是示出根據(jù)第一改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括第一和第二氣液分離單元與第一和第二再收集管道；圖5是示出根據(jù)第二改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括熱交換器；以及圖6是示出根據(jù)第三改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括第一和第二氣液分離單元、第一和第二再收集管道以及熱交換器。
具體實施例方式
現(xiàn)在詳細地介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其實施例以附圖進行說明。
以下，參照附圖將更加詳細地解釋根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖，以及圖3是示出圖2的模塊單元的圖。
參照圖2，根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)包括燃料供應單元110、空氣供應單元120、堆疊體單元130、電輸出單元140、水供應單元150、溫水供應單元170、第一氣液分離單元180、第二氣液分離單元190和模塊單元200。
燃料供應單元110包括從LNG中提煉氫從而將氫供應到堆疊體單元130的陽極131的重整器111，和用于供應LNG到重整器111的管道112。重整器111包括用于將燃料中含有的硫清除的脫硫反應器111a、用于通過重整燃料和蒸汽來產(chǎn)生氫的蒸汽重整器111b、分別用于對通過蒸汽重整器111b后產(chǎn)生的一氧化碳再反應而另外產(chǎn)生氫的高溫蒸汽重整器111c和低溫蒸汽重整器111d、通過采用空氣作為催化劑通過清除燃料中包括的一氧化碳來提煉氫的部分氧化反應器111e、用于將蒸汽供應到蒸汽重整器111b的蒸汽發(fā)生器111f以及將熱供應到蒸汽發(fā)生器111f的燃燒器111g。
從重整器111產(chǎn)生的廢氣通過廢氣管道L1被供應到稍后進行解釋的模塊單元200中。同樣，重整器111產(chǎn)生的氫在通過模塊單元200后通過燃料供應管道L2被供應到堆疊體單元130中。
空氣供應單元120包括第一空氣供應管道121、第二空氣供應管道123和空氣供應風扇122。第一空氣供應管道121安裝在空氣供應風扇122和第二預熱器162之間以供應大氣到陰極132。第二空氣供應管道123安裝在空氣供應風扇122和燃燒器111g之間以供應大氣到燃燒器111g。從第二預熱器162排出的空氣通過空氣供應管道L3供應到模塊單元200。
堆疊體單元130包括陽極131和陰極132，分別用于通過氫和氧之間的電化學反應產(chǎn)生電能和熱能，氫和氧分別從燃料供應單元110和空氣供應單元120中供應。已經(jīng)穿過模塊單元200的氫供應到陽極131，以及已經(jīng)穿過模塊單元200的空氣供應到陰極132。
電輸出單元140將從堆疊體單元130產(chǎn)生的電能轉換成交流電，從而將其供應到負載。
水供應單元150供應水到燃料供應單元110的堆疊體單元130從而冷卻堆疊體單元130。該水供應單元150包括用于容納一定量水的水供應容器151、用于將堆疊體單元130和水供應容器151彼此連接的水循環(huán)管道152、安裝在水循環(huán)管道152的中部以抽吸水供應容器151的水的水供應泵153，以及安裝在水循環(huán)管道152的中部以冷卻供應的水的熱交換器154和散熱扇155。
用于加速第一氣液分離單元180工作的第一再收集管道L4安裝在水供應單元150和第一氣液分離單元180之間，以及用于加速第二氣液分離單元190工作的第二再收集管道L5安裝在水供應單元150和第二氣液分離單元190之間。更具體地，安裝該第一再收集管道L4以穿過第一氣液分離單元180的內部。第一氣液分離單元180內氫中含有的濕氣通過在第一再收集管道L4上流動的水供應單元150的冷卻水而得到冷凝，然后被排出。安裝該第二再收集管道L5以穿過第二氣液分離單元190的內部。在第二氣液分離單元190內廢氣中含有的濕氣通過在第二再收集管道L5上流動的水供應單元150的冷卻水而得到冷凝，然后被排出。
溫水供應單元170通過管道156供應儲存的溫水到蒸汽發(fā)生器111f。
第一氣液分離單元180安裝在燃料供應單元110和堆疊體單元130之間，從而清除從燃料供應單元110供應到堆疊體單元130的氫中含有的濕氣。清除濕氣的原理在第一再收集管道L4中已經(jīng)提及，因此省略了對其的詳細描述。
第二氣液分離單元190安裝在燃料供應單元110和堆疊體單元130之間，從而清除從堆疊體單元130供應到燃料供應單元110的廢氣中含有的濕氣。清除濕氣的原理在第二再收集管道L5中已經(jīng)提及，因此省略了對其的詳細描述。
圖3是示出圖2的模塊單元的圖，其中粗箭頭表示熱的傳遞方向。
參照圖3，模塊單元200包括用于排出燃料供應單元110產(chǎn)生的廢氣的廢氣管道L1、緊密地設置在廢氣管道L1的下面以將燃料供應單元110供應的氫供應到堆疊體單元130的燃料供應管道L2，以及緊密地設置在燃料供應管道L2的下面以將空氣供應單元120供應的空氣供應到堆疊體單元130的空氣供應管道L3。廢氣管道L1、燃料供應管道L2和空氣供應管道L3整體地形成一個模塊。該廢氣管道L1、燃料供應管道L2和空氣供應管道L3可以通過各種方法例如螺旋耦合、粘接和焊接等來整體地模塊化。
作為另一實施例，廢氣管道L1設置在中心，燃料供應管道L2設置為覆蓋廢氣管道L1的外圍表面，以及空氣供應管道L3設置為覆蓋燃料供應管道L2的外圍表面。
燃料供應管道L2緊密地設置在廢氣管道L1的下面從而接收廢氣的熱量。從而，在燃料供應管道L2內的氫具有升高的溫度，并被供應到堆疊體單元130。廢氣管道L1具有彎曲的形狀以加速在廢氣管道L1內的具有高溫的廢氣的熱擴散。
空氣供應管道L3緊密地設置在燃料供應管道L2的下面以接收燃料供應管道L2內部氫的熱量。從而，空氣供應管道L3內部的空氣具有升高的溫度，并被供應到堆疊體單元130。
將解釋廢氣管道L1、燃料供應管道L2和空氣供應管道L3設置為如圖3的原因。
燃料供應管道L2緊密地設置在廢氣管道L1的下面，從而流動在廢氣管道L1中具有高溫的廢氣的熱量首先被傳送到燃料供應管道L2內部的氫，該氫需要被極大加熱至50℃～80℃。空氣供應管道L3緊密地設置在燃料供應管道L2的下面，從而燃料供應管道L2內部氫的熱量再次被傳送到空氣供應管道L3內部的空氣，該空氣需要稍稍被加熱。
當廢氣管道L1、燃料供應管道L2和空氣供應管道L3整體形成為模塊單元200時，分別具有堆疊體單元130需要溫度的氫和空氣可以被供應到該疊體單元130中。從而，提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。另外，使用從廢氣管道L1排出的廢氣的熱量，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
在下文中，將解釋根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的模塊單元的結構和操作。
圖4是示出根據(jù)第一改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括第一和第二氣液分離單元以及第一和第二再收集管道，圖5是示出根據(jù)第二改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括熱交換器；以及圖6是示出根據(jù)第三改進實施例的圖2的模塊單元的圖，該模塊單元還包括第一和第二氣液分離單元、第一和第二再收集管道以及熱交換器。
參照圖2和4，模塊單元300包括用于排出燃料供應單元110中產(chǎn)生的廢氣的廢氣管道L1、緊密地設置在廢氣管道L1的下面用于將從燃料供應單元110供應的氫供應到堆疊體單元130的燃料供應管道L2、緊密地設置在燃料供應管道L2的下面用于將空氣供應單元120供應的空氣供應到堆疊體單元130的空氣供應管道L3、緊密地設置在廢氣管道L1的左側的第一氣液分離單元180、緊密地設置在第一氣液分離單元180的左側的第二氣液分離單元190、設置在廢氣管道L1和第一氣液分離單元180之間的第一再收集管道L4，以及設置在第一氣液分離單元180和第二氣液分離單元190之間的第二再收集管道L5。
分別具有堆疊體單元130需要溫度的氫和空氣可以通過模塊單元300被供應到該疊體單元130中，從而，提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。另外，使用通過廢氣管道L1排出的廢氣的熱量，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。此外，廢氣管道L1內部的熱傳遞至第一氣液分離單元180和第二氣液分離單元190，從而維持用于氣液分離的適合溫度。
參照圖2和5，模塊單元400包括用于排出燃料供應單元110產(chǎn)生的廢氣的廢氣管道L1、緊密地設置在廢氣管道L1的下面用于將從燃料供應單元110供應的氫供應到堆疊體單元130的燃料供應管道L2、緊密地設置在燃料供應管道L2的下面用于將空氣供應單元120供應的空氣供應到堆疊體單元130的空氣供應管道L3，以及緊密地設置在廢氣管道L1的右側用于交換堆疊體單元130產(chǎn)生的熱量的熱交換器153。在此，熱交換器153可以設置在廢氣管道L1的左側或上面。
分別具有堆疊體單元130需要溫度的氫和空氣可以通過模塊單元400被供應到該疊體單元130中，從而，提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。另外，使用通過廢氣管道L1排出的廢氣的熱量，也提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。此外，廢氣管道L1內部的熱傳遞至熱交換器153，從而也利用了廢氣的熱量。
參照圖2和6，模塊單元500包括用于排出燃料供應單元110中產(chǎn)生的廢氣的廢氣管道L1、緊密地設置在廢氣管道L1的下面用于將從燃料供應單元110供應的氫供應到堆疊體單元130的燃料供應管道L2、緊密地設置在燃料供應管道L2的下面用于將空氣供應單元120供應的空氣供應到堆疊體單元130的空氣供應管道L3、緊密地設置在廢氣管道L1的左側的第一氣液分離單元180、緊密地設置在第一氣液分離單元180的左側的第二氣液分離單元190、設置在廢氣管道L1和第一氣液分離單元180之間的第一再收集管道L4、設置在第一氣液分離單元180和第二氣液分離單元190之間的第二再收集管道L5，以及緊密地設置在廢氣管道L1的右側用于交換堆疊體單元130產(chǎn)生的熱量的熱交換器153。
分別具有堆疊體單元130需要溫度的氫和空氣可以通過模塊單元500被供應到該疊體單元130中，從而，提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。另外，使用通過廢氣管道L1排出的廢氣的熱量，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。此外，廢氣管道L1內部的熱傳遞至第一氣液分離單元180和第二氣液分離單元190，從而維持用于氣液分離的適合溫度。另外，廢氣管道L1內部的熱量傳遞到熱交換器153，從而利用了廢氣熱量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有廢氣管道、燃料供應管道和空氣供應管道整體模塊化形成的模塊單元。從而，具有堆疊體單元需要溫度的氫和空氣被供應到堆疊體單元，因此提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
其次，使用通過廢氣管道排出的廢氣的熱量，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
第三，由于每個部件的模塊化從而燃料電池系統(tǒng)具有減小的體積，從而具有提高的批量生產(chǎn)率。同樣，由于管道的長度短從而降低了燃料電池系統(tǒng)的整個制造成本。
盡管本發(fā)明可以表現(xiàn)為幾種沒有超出其精神或本質特征的形式，但應當理解，除非特別指明，上述實施方式不局限于任何上述描述的細節(jié)，而是廣泛地包括在附隨權利要求限定的其精神和范圍內，從而落入權利要求界限的所有變形和修改或這種界限的等同物都傾向于包括在附隨權利要求中。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于通過氫和空氣的電化學反應產(chǎn)生電的堆疊體單元；用于將氫供應到堆疊體單元的燃料供應單元；用于將空氣供應到堆疊體單元的空氣供應單元；以及模塊單元，其具有廢氣管道以用于排出燃料供應單元產(chǎn)生的廢氣，具有燃料供應管道以用于將燃料供應單元提供的氫供應到堆疊體單元，以及具有空氣供應管道以用于將空氣供應單元提供的空氣供應到堆疊體單元，其中所述廢氣管道、所述燃料供應管道以及所述空氣供應管道順序地設置并整體模塊化。
2.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料供應管道設置在所述廢氣管道的下面，以及所述空氣供應管道設置在所述燃料供應管道的下面。
3.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述廢氣管道設置在中心，所述燃料供應管道設置為覆蓋所述廢氣管道的外圍表面，以及所述空氣供應管道設置為覆蓋所述燃料供應管道的外圍表面。
4.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述模塊單元還包括緊密地設置在廢氣管道附近的第一氣液分離單元，用于清除從燃料供應單元供應到堆疊體單元的氫中含有的濕氣；緊密地設置在第一氣液分離單元附近的第二氣液分離單元，以用于清除從堆疊體單元供應到燃料供應單元的廢氣中含有的濕氣；安裝在廢氣管道和第一氣液分離單元之間的第一再收集管道；以及安裝在第一氣液分離單元和第二氣液分離單元之間的第二再收集管道。
5.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述模塊單元還包括緊密設置在廢氣管道附近的熱交換器，以用于交換從堆疊體單元產(chǎn)生的熱。
6.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述模塊單元還包括緊密地設置在廢氣管道左側的第一氣液分離單元，以用于清除從燃料供應單元供應到堆疊體單元的氫中含有的濕氣；緊密地設置在第一氣液分離單元左側的第二氣液分離單元，以用于清除從堆疊體單元供應到燃料供應單元的廢氣中含有的濕氣；緊密地設置在廢氣管道右側的熱交換器，以用于交換從堆疊體單元產(chǎn)生的熱；安裝在廢氣管道和第一氣液分離單元之間的第一再收集管道；以及安裝在第一氣液分離單元和第二氣液分離單元之間的第二再收集管道，其中所述燃料供應管道緊密地設置在廢氣管道的下面，以及所述空氣供應管道緊密地設置在所述燃料供應管道的下面。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)包括通過氫和空氣的電化學反應產(chǎn)生電的堆疊體單元；用于將氫供應到堆疊體單元的燃料供應單元；用于將空氣供應到堆疊體單元的空氣供應單元；以及模塊單元；該模塊單元具有廢氣管道以用于排出燃料供應單元產(chǎn)生的廢氣，具有燃料供應管道以用于將燃料供應單元提供的氫供應到堆疊體單元，以及具有空氣供應管道以用于將空氣供應單元提供的空氣供應到堆疊體單元，其中該廢氣管道、該燃料供應管道以及該空氣供應管道順序地設置并整體模塊化。將分別具有堆疊體單元需要溫度的氫和空氣供應到堆疊體單元，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
文檔編號H01M8/00GK1976106SQ20061016352
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權日2005年11月29日
發(fā)明者樸明碩, 許成根 申請人:Lg電子株式會社, 株式會社Lg化學