專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基本上涉及一種燃料電池系統(tǒng)。更具體地，涉及一種能夠?qū)⑿?的催化劑微粒供給到反應(yīng)效率已經(jīng)降低的一氧化碳凈化器的燃料電池系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)是發(fā)電系統(tǒng)，其直接將由燃料氣體和氧氣的反應(yīng) 所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化為電能。近來，由于有關(guān)能源枯竭和環(huán)境污染 的問題，所以該燃料電池可用于諸如無污染機(jī)動(dòng)車輛、家用發(fā)電系統(tǒng)、移 動(dòng)通訊設(shè)備、醫(yī)療器械，軍事設(shè)備等不同的領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)包括例如，堆，燃料處理單元和燃料箱。燃料 處理單元包括將燃料重整以產(chǎn)生氫氣的重整器，和使氫氣中包含的一氧 化碳的濃度降低的一氧化碳凈化器。 一氧化碳凈化器的一個(gè)實(shí)例為在現(xiàn)有 技術(shù)中已知的一氧化碳優(yōu)先氧化(PR0X)反應(yīng)器。
一氧化碳凈化器包括反應(yīng)器主體，其具有內(nèi)部空間；和填充在反應(yīng) 器主體中的氧化催化劑床。氧化催化劑中的每一個(gè)都具有由氧化鋁 (A1203)、氧化硅(Si02)等組成的每一個(gè)小球狀載體都攜帶諸如鉑(Pt) 或釕(RU)的至少一種催化劑材料的結(jié)構(gòu)。這些氧化催化劑按層排列以形 成氧化催化劑床。
因此，當(dāng)將從重整器產(chǎn)生的氫氣供給至反應(yīng)器主體中，并且然后通過 氧化催化劑床時(shí)，包含在氫氣中的一氧化碳引起選擇性的氧化反應(yīng)，從而 其轉(zhuǎn)變成二氧化碳。因此，降低了一氧化碳的濃度。
在這種一氧化碳凈化器中，隨時(shí)間流逝，氧化催化劑床受到抑制而使 催化劑的活性衰退，從而降低了一氧化碳凈化器的反應(yīng)效率。因此，在傳 統(tǒng)的一氧化碳凈化器中，將氧化催化劑床的厚度制成足夠厚的厚度，從而，
盡管位于上游的催化劑的活性衰退，但是位于下游的催化劑允許一氧化碳 促進(jìn)氧化反應(yīng)。
然而，由于傳統(tǒng)的一氧化碳凈化器包括為氧化催化劑耐久性所考慮的 厚催化劑床，因此這不得不增加其體積。結(jié)果，不能減少傳統(tǒng)燃料電池系 統(tǒng)的尺寸。
另外，由于氧化催化劑床被形成為厚于需要的厚度，因此提高了產(chǎn)品 的初始成本，并且當(dāng)氫氣通過厚氧化催化劑床時(shí)，會(huì)增加壓力的損失。結(jié) 果，增加了燃料電池系統(tǒng)的操作能量。
此外，當(dāng)傳統(tǒng)的一氧化碳凈化器由于其內(nèi)部空間的限制而沒有設(shè)置具 有足夠厚度的氧化催化劑床時(shí)，必須定期替換其耐久性終止的一氧化碳凈 化器。因此，該燃料電池系統(tǒng)提高了維護(hù)成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種燃料電池系統(tǒng)，盡管氧化催化劑 床的活性由于持續(xù)的操作而惡化但是所述燃料電池系統(tǒng)能夠防止反應(yīng)效 率被降低。
本發(fā)明的另一方面是提供一種能夠減小尺寸并確保充分耐久性的燃 料電池系統(tǒng)，及其控制方法。
本發(fā)明的另外的方面和/或優(yōu)點(diǎn)將部分地在以下的說明中被闡述，并 部分地從說明中變得明顯，或可從本發(fā)明的實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到。
本發(fā)明的前述和/或其它的方面通過提供一種燃料電池系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)， 該燃料電池系統(tǒng)包括重整器，所述重整器通過重整反應(yīng)產(chǎn)生燃料氣體； 一氧化碳凈化器，所述一氧化碳凈化器包括反應(yīng)器主體，所述反應(yīng)器主體 具有將重整的燃料氣體引入到其中的入口和使凈化的燃料氣體排出的出 口，以及填充在所述反應(yīng)器主體內(nèi)、并降低包含在從所述重整器產(chǎn)生的燃
料氣體中的一氧化碳濃度的氧化催化劑床；至少一個(gè)電發(fā)生器，所述電發(fā) 生器被供給來自所述一氧化碳凈化器的燃料氣體并通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電； 以及催化劑供給裝置，所述催化劑供給裝置從材料產(chǎn)生催化劑微粒并將所 述催化劑微粒供給至所述氧化催化劑床。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述催化劑供給裝置包括加熱材料以產(chǎn)生催化
劑微粒的催化劑微粒產(chǎn)生裝置。另外，所述催化劑供給裝置進(jìn)一步包括流 體源，所述流體源使從催化劑微粒產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的催化劑微粒流至所述氧 化催化劑床。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述流體源包括氣體以高壓填充在其中的氣體 箱，或者風(fēng)扇。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述催化劑微粒產(chǎn)生裝置包括產(chǎn)生裝置主體， 所述產(chǎn)生裝置主體具有在其一側(cè)上的出口，從而允許催化劑微粒被排出； 加熱板，所述加熱板安裝在所述產(chǎn)生裝置主體中并且所述加熱板上放置有 材料；和加熱放置在所述加熱板上的材料的加熱元件。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述催化劑供給裝置包括催化劑供給管，所述 催化劑供給管將通過所述催化劑出口排出的所述催化劑微粒引導(dǎo)至一氧 化碳凈化器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述催化劑供給管與連接所述重整器和所述一 氧化碳凈化器的所述入口的連接管相連通。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，連接管包括第一流體管道和第二流體管道， 所述第一流體管道在其一端與所述催化劑供給管相連通、并且在另一端與 所述一氧化碳凈化器的所述入口相連通，所述第二流體管道在其一端與所 述第一流體管道相連通、并且在另一端與所述重整器相連通。根據(jù)本發(fā)明 的一方面，電池燃料系統(tǒng)進(jìn)一步包括流體通道開關(guān)，所述流體通道開關(guān)轉(zhuǎn) 換流體通道從而允許所述第一流體管道與所述催化劑供給管和所述第二 流體管道中的至少一個(gè)選擇性地連通。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括支管，所述支管從 連接一氧化碳凈化器的出口和電發(fā)生器的連接管分支出；以及流體通道開 關(guān)，所述流體通道開關(guān)轉(zhuǎn)換流體通道從而允許通過一氧化碳凈化器的出口 排出的燃料氣體流至所述支管和所述電發(fā)生器中的至少一個(gè)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述催化劑微粒產(chǎn)生裝置可拆卸地安裝至所述 一氧化碳凈化器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括氣體傳感器，所述氣 體傳感器測(cè)量包含在通過所述氧化催化劑床的燃料氣體中的一氧化碳的 濃度。
本發(fā)明的另一方面提供一種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料 電池系統(tǒng)包括重整器和降低包含在從所述重整器中產(chǎn)生的燃料氣體中的 一氧化碳的濃度。所述方法包括測(cè)量包含在從所述一氧化碳凈化器排出 的燃料氣體中的一氧化碳的濃度；并且當(dāng)測(cè)量的濃度高于參考值時(shí)，將從 催化劑微粒產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的催化劑微粒供給至一氧化碳凈化器。
將催化劑微粒供給至一氧化碳凈化器包括控制流體通道開關(guān)以關(guān)閉 重整器和一氧化碳凈化器之間的流體通道，并打開一氧化碳凈化器和催化 劑微粒產(chǎn)生裝置之間的另一流體通道。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，將催化劑微粒供給至一氧化碳凈化器進(jìn)一步包 括控制流體源以產(chǎn)生氣體流；并且將功率施加至所述催化劑微粒產(chǎn)生裝 置，并加熱材料以產(chǎn)生催化劑微粒。


本發(fā)明的這些和/或其他方面和優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖的以下的實(shí)施例的 說明中變得明顯且更易于理解，其中
圖1是結(jié)構(gòu)圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 的構(gòu)造；
圖2是截面圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原料電池系統(tǒng) 中的一氧化碳凈化器的結(jié)構(gòu)；
圖3是截面圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的催化劑微粒產(chǎn) 生裝置的結(jié)構(gòu)；
圖4是圖解示出了圖3的加熱器的透視圖5是結(jié)構(gòu)圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 的構(gòu)造；
圖6是視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中的供 給催化劑的操作；以及
圖7是流程圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 的控制方法。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施例，其實(shí)例在附圖中被圖示說明，其中
相同的附圖標(biāo)記始終指示相同的元件。以下將通過參照附圖來描述實(shí)施 例，以解釋本發(fā)明。
圖1是結(jié)構(gòu)圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 的構(gòu)造。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括重整器IO， 該重整器10通過由熱能引起的重整催化反應(yīng)從諸如甲醇或乙醇的燃料產(chǎn) 生燃料氣體(以下，稱為"氫氣")的；提供重整催化反應(yīng)所需要的熱能
的熱源ll; 一氧化碳凈化器20，所述一氧化碳凈化器20降低重整的氫氣中 所包含的一氧化碳的濃度；至少一個(gè)電發(fā)生器31，所述電發(fā)生器31通過從 一氧化碳凈化器20中提供的氧氣和氫氣的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能；將燃料 供給至重整器10的燃料供給裝置40;和將空氣供給至一氧化碳凈化器20 和電發(fā)生器31的空氣供給裝置50。
重整器10通過熱源引起的重整催化反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫氣，例如諸如水 蒸汽重整或例如部分氧化的催化反應(yīng)。連接至重整器10并提供熱量的熱源 ll包括燃燒諸如甲醇或乙醇的液體燃料或諸如與空氣一起的甲烷氣體或 丙烷氣體的氣體燃料的燃燒器(未顯示)，并由此產(chǎn)生在預(yù)定的溫度范圍 內(nèi)的熱能。
一氧化碳凈化器20構(gòu)成為通過一氧化碳和包含在空氣中的氧氣的一 氧化碳優(yōu)先氧化(PROX)反應(yīng)，減少包含在重整氫氣中的一氧化碳的濃度。
電發(fā)生器31是發(fā)電的最小單元燃料電池。多個(gè)電發(fā)生器31形成堆30。 電發(fā)生器31包括膜電極組件，和放置在膜電極組件相對(duì)側(cè)的分離器。該膜 電極組件包括發(fā)生活性氣體的氧化一還原反應(yīng)的活性區(qū)域，并且包括在其 一側(cè)上的陽極，在其另一側(cè)上的陰極，以及在這些電極之間的電解質(zhì)膜。 在陽極中，發(fā)生氧化反應(yīng)以使氫氣分子中的每一個(gè)都轉(zhuǎn)化為氫離子和電 子。此時(shí)，氫離子通過電解質(zhì)膜被輸送到陰極。同時(shí)，在陰極中，發(fā)生還 原反應(yīng)，使氧氣分子中的每一個(gè)都轉(zhuǎn)化為氧離子。這里，氧離子與氫離子 發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生水分子。電發(fā)生器31的構(gòu)造是用于聚合物電解型燃料 電池的現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的，并且因此省略其詳細(xì)說明。
燃料供給裝置40包括儲(chǔ)存燃料的燃料箱41;排出儲(chǔ)存在燃料箱41
中的燃料泵42;和連接燃料箱41與重整器10的燃料供給管43。另外，空氣 供給裝置50包括空氣泵51，所述空氣泵51以預(yù)定壓力吸入空氣并將吸入的 空氣供給至電發(fā)生器31和一氧化碳凈化器20。
圖2是截面圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 中的一氧化碳凈化器的結(jié)構(gòu)。
如圖1和2所示， 一氧化碳凈化器20包括反應(yīng)器主體21，該反應(yīng)器主 體21具有預(yù)定的內(nèi)部空間；和氧化催化劑床22，所述氧化催化劑床22設(shè)置 在反應(yīng)器主體21的內(nèi)部空間中并輔助一氧化碳和空氣的選擇性氧化反應(yīng)。
反應(yīng)器主體21包括在其一側(cè)上的入口21a，從重整器10產(chǎn)生的氫氣 和從空氣泵51供給的空氣通過該入口21a被引導(dǎo)至反應(yīng)器主體21中；和在 其另一側(cè)上的出口21b，通過氧化催化劑床22且使包含在其中的一氧化碳 的濃度降低的氫氣通過該出口21b被排出。反應(yīng)器主體21的入口21a通過第 一連接管60與重整器10連接，而反應(yīng)器主體21的出口21b通過第二連接管 70與電發(fā)生器31連接。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括氣體傳感器80，該氣體傳 感器80測(cè)量在通過氧化催化劑床22的同時(shí)被凈化的氫氣中所包含的一氧 化碳的濃度。除了凈化步驟，當(dāng)通過氣體傳感器80測(cè)量的一氧化碳的濃度 高于或等于參考值時(shí)，新的催化劑微粒通過下面將要說明的催化劑供給裝 置100供給至氧化催化劑床22。在圖2中，當(dāng)氣體傳感器80如圖解所示地安 裝在第二連接管70之內(nèi)時(shí)，例如，然而氣體傳感器80的位置可以必要地變 化。
如圖2所示，氧化催化劑床22由按層排列的氧化催化劑形成。每種氧 化催化劑都包括以下結(jié)構(gòu)由氧化鋁(A1203)、氧化硅(Si02)或氧化鈦 (Ti02)組成的每一個(gè)小球狀載體22a都攜帶諸如鉑(Pt)或釕(Ru)中 的至少一種催化劑材料22b。
因此，當(dāng)來自重整器10的氫氣和來自空氣泵51的空氣供給至反應(yīng)器主 體21中時(shí)，由這些催化材料22b促進(jìn)氧化反應(yīng)，從而包含在氫氣中的一氧 化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。結(jié)果，降低了一氧化碳的濃度。然而，隨操作時(shí)間 的推移，催化劑材料22b會(huì)受到抑制，使其活性衰退，從而降低了一氧化 碳凈化器20的反應(yīng)效率。由于該情況，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系
統(tǒng)，包括催化劑供給裝置ioo，該催化劑供給裝置100將新的催化劑微粒周 期性地供給到氧化催化劑床22，并且由此恢復(fù)一氧化碳凈化器20的反應(yīng)效 率。
如圖1所示，催化劑供給裝置100包括催化劑微粒產(chǎn)生裝置IIO，所 述催化劑微粒產(chǎn)生裝置110加熱用作催化劑材料的原材料以產(chǎn)生細(xì)的催化 劑微粒；流體源120，所述流體源120使產(chǎn)生的催化劑微粒流動(dòng)至一氧化碳 凈化器20的氧化催化劑床22;催化劑供給管130，催化劑供給管130將從催 化劑微粒產(chǎn)生裝置110產(chǎn)生的催化劑微粒引導(dǎo)至一氧化碳凈化器20;和管 140，所述管140連接流體源120和催化劑微粒產(chǎn)生裝置110。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使催化劑微粒流動(dòng)的流體源120包括氣體(即 氮?dú)?在高壓下填充到其中的氣體箱121。在該情況下，連接流體源120 和催化劑微粒產(chǎn)生裝置110的管140包括開關(guān)閥門141。當(dāng)開關(guān)閥門141打開
時(shí)，由于氣體自身壓力的原因引起氣體流動(dòng)。氣體流動(dòng)使催化劑微粒產(chǎn)生 裝置110產(chǎn)生的催化劑微粒移動(dòng)至氧化催化劑床22。
圖3是截面圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的催化劑微粒產(chǎn) 生裝置的結(jié)構(gòu)；并且圖4是圖解示出了圖3的加熱器的透視圖。
如圖3和4所示，催化劑微粒產(chǎn)生裝置110包括產(chǎn)生裝置主體lll，該 產(chǎn)生裝置主體111具有流體通道112以便允許由流體源120產(chǎn)生的氣體流 動(dòng)；和加熱器113，該加熱器113加熱且蒸發(fā)在產(chǎn)生裝置主體111中的催化 劑材料M。催化劑材料M包括例如諸如Pt或Ru的金屬塊。
產(chǎn)生裝置主體lll包括在其一側(cè)上的出口llla，該出口llla將產(chǎn)生的 催化劑排放至催化劑供給管130。
加熱器113被安裝成能夠直接加熱與催化劑材料M相接觸的催化劑材 料M，由此允許在短時(shí)間內(nèi)將催化劑材料M加熱直到催化劑材料M蒸發(fā)的溫 度，由此減少了功率消耗。另外，這允許消除加熱器113和催化劑材料M 之間不必要的空間，由此減小了催化劑顆粒產(chǎn)生裝置110的尺寸。
加熱器113包括其上放置有催化劑材料M的加熱板114;埋在加熱板 114中并在被供給功率時(shí)產(chǎn)生熱量的加熱元件115;和把功率施加至加熱元 件115的功率供給裝置(power supply) 116。在圖4中，圖解示出了例如 將鎢線制成的加熱線用作加熱元件的情況。加熱元件115以曲折形大密度
地安置在催化劑材料M的附近，從而它可在短時(shí)間內(nèi)使催化劑材料M蒸發(fā)。
因此，當(dāng)施加功率(power)以加熱加熱元件115，并然后加熱板114 時(shí)，放置在加熱板114上的催化劑材料M被蒸發(fā)。蒸發(fā)的催化劑材料M遇到 從氣體箱121以預(yù)定壓力排出的冷氣流，并因而瞬間被冷卻以形成細(xì)的催 化劑微粒P。通過催化劑供給管130將這些細(xì)催化劑微粒P供給到一氧化碳 凈化器20的氧化催化劑床22。
如圖1所示，催化劑供給管130與第一連接管60相連通，所述第一連接 管60連接重整器10和一氧化碳凈化器20的入口21a。
第一連接管60包括第一流體管道61，所述第一流體管道61在其一端 與催化劑供給管130相連通，并在其另一端與一氧化碳凈化器20的入口21a 相連通；和第二流體管道62，所述第二流體管道62在其一端與第一流體管 道61相連通，并在另一端與重整器10相連通。第一流體通道開關(guān)91安裝至 第一連接管60和催化劑供給管130之間的連接點(diǎn)處。第一流體通道開關(guān)91 轉(zhuǎn)換流體通道從而允許第一流體管道61選擇性地與催化劑供給管130和第 二流體管道62中任一個(gè)相連通。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一流體通道開關(guān) 91包括三通閥門。然而，第一流體通道開關(guān)91并不局限于此，并可根據(jù)需 要變化。
當(dāng)?shù)谝涣黧w通道開關(guān)91使第一流體管道61與第二流體管道62相連通 時(shí)，從重整器10產(chǎn)生的燃料氣體被供給至一氧化碳凈化器20并在一氧化碳 凈化器20處被凈化。相反，當(dāng)?shù)谝涣黧w通道開關(guān)91使第一流體管道61與催 化劑供給管130相連通時(shí)，從催化劑微粒產(chǎn)生裝置110產(chǎn)生的催化劑微粒通 過催化劑供給管130、第一流體管道61和入口21a被供給至一氧化碳凈化器 20。
同時(shí)，催化劑微粒產(chǎn)生裝置110可以從一氧化碳凈化器20斷開。為此， 催化劑供給管130設(shè)置有連接配件133，該連接配件133使連接到催化劑微 粒產(chǎn)生裝置110的催化劑供給管130的第一管道131連接至連接到第一連接 管60的第二管道132，或者所述連接配件133使第一管道131從第二管道132 斷開。
在該方式下，當(dāng)可拆卸地安裝時(shí)，只有在必須添加催化劑時(shí)，構(gòu)造為 獨(dú)立單元的催化劑微粒產(chǎn)生裝置110可連接至一氧化碳凈化器20。因而，
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)防止了因催化劑微粒產(chǎn)生裝置而引起的體積的增 大。
另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括從第二連接管70分支
出的支管150。當(dāng)催化劑微粒被供給至氧化催化劑床22之后，支管150排出 來自一氧化碳凈化器20的氣體(當(dāng)流體源使用如在此實(shí)施例中的氮?dú)庀?時(shí)，排出的氣體是從一氧化碳凈化器排出的氮?dú)?。支管150與過濾器151 相連接，該過濾器151過濾催化劑微粒或其它殘留在排出氣體中的有害氣 體。
像第一連接管60—樣，第二連接管70包括第一流體管道71，所述第 一流體管道71在其一端與支管150相連通，并在另一端與一氧化碳凈化器 20的出口21b相連通；和第二流體管道72，所述第二流體管道72在其一端 與第一流體管道71相連通，并在另一端與電發(fā)生器31相連通。第二流體通 道開關(guān)92安裝到第二連接管70和支管150之間的連接點(diǎn)。第二流體通道開 關(guān)92轉(zhuǎn)換流體通道從而允許第一流體管道71選擇性地與支管150和第二流 體管道72中的任一個(gè)相連通。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第二流體通道開關(guān)92
包括三通閥門。然而第二流體通道開關(guān)并不局限于此，并可根據(jù)需要變化。 當(dāng)?shù)诙黧w通道開關(guān)92使第一流體管道71與第二流體管道72相連通
時(shí)，由一氧化碳凈化器20凈化的燃料氣體被供給至電發(fā)生器31，并因此發(fā)
電。相反，當(dāng)?shù)诙黧w通道開關(guān)92使第一流體管道71與支管150相連通時(shí)，
在催化劑微粒供給到氧化催化劑床22之后，通過第一流體管道71和支管
150使從一氧化碳凈化器20排出的氣體排出到外部。
同時(shí)，催化劑微粒產(chǎn)生裝置IIO、開關(guān)闊門141、第一流體通道幵關(guān)91、
和第二流體通道開關(guān)92連接至控制器200,并因此由控制器200控制它們的操作。
圖5是結(jié)構(gòu)圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng) 的構(gòu)造。以下，只說明第二實(shí)施例的特征，并且相同的附圖標(biāo)記代表相同 的元件。
如圖5所示，在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料系統(tǒng)中，將風(fēng)扇122用 作流體源120。在圖l的第一實(shí)施例中，儲(chǔ)存在氣體箱121中的氣體用作將 催化劑微粒傳送至一氧化碳凈化器20的介質(zhì)。然而，在本發(fā)明的第二實(shí)施
例中，通過風(fēng)扇122流動(dòng)的空氣使從催化劑微粒產(chǎn)生裝置110產(chǎn)生的催化劑 微粒移動(dòng)到一氧化碳凈化器20。連接風(fēng)扇122和催化劑微粒產(chǎn)生裝置110 的管140a連接至過濾點(diǎn)41a，所述過濾器141a過濾從外部引入的空氣。
現(xiàn)在，將參照?qǐng)Dl、 6和7說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的 操作和控制方法。圖6是視圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的燃料電 池系統(tǒng)中的供給催化劑的操作；以及圖7是流程圖，圖解示出了根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的控制方法。
通過驅(qū)動(dòng)燃料泵42使儲(chǔ)存在燃料箱41中的燃料供給至重整器10。然
后，重整器10被提供來自熱源11的熱量，并且通過重整反應(yīng)從燃料產(chǎn)生氫 氣。此時(shí)，很難完全實(shí)現(xiàn)重整反應(yīng)，由此產(chǎn)生含有副產(chǎn)品一氧化碳的氫氣。 在該方式下，通過第一連接管60將從重整器10產(chǎn)生的氫氣供給至一氧化碳 凈化器20。此時(shí)，控制器200控制第一流體通道開關(guān)91以關(guān)閉催化劑供給 管130，并使第一連接管60的第一和第二流體管道61和62相互連通，因此 從重整器10產(chǎn)生的氫氣可被供給至一氧化碳凈化器20。包含在供給至一氧 化碳凈化器20的氫氣中的一氧化碳通過反應(yīng)器主體21中的氧化催化劑床 22，并且與由空氣泵51供給的空氣中的氧氣發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)。因此， 降低了一氧化碳的濃度。經(jīng)過該凈化步驟的氫氣通過第二連接管70被供給 至電發(fā)生器31。此時(shí)，控制器200控制第二流體通道開關(guān)92以關(guān)閉支管150， 并且使第二連接管70的第一和第二流體管道71和72相互連通，以便從一氧 化碳凈化器20排出的氫氣可被供給至電發(fā)生器31 。供給至電發(fā)生器31的氫 氣與由空氣泵51供給的空氣(氧氣) 一起參與氧化還原反應(yīng)，由此產(chǎn)生電 (見操作310)。
同時(shí)，當(dāng)經(jīng)過該凈化步驟的氫氣供給至電發(fā)生器31時(shí)，該氫氣通過安 裝至第二連接管70的氣體傳感器80。此時(shí)，氣體傳感器80測(cè)量未由一氧化 碳凈化器20消除的一氧化碳的濃度(Cm)，并將測(cè)量的結(jié)果提供至控制器 200 (見操作320)。
然后，控制器200將測(cè)量的一氧化碳的濃度Cm與參考值Cs比較(見操 作330)。根據(jù)比較的結(jié)果，當(dāng)判定測(cè)量的一氧化碳的濃度高于或等于參考 值時(shí)，控制器200停止如操作310中所述的電的產(chǎn)生，并且控制第一和第二 流體通道開關(guān)91和92以轉(zhuǎn)換流體通道。更具體而言，控制器200控制第一流體通道開關(guān)91，不僅使第一連接管60的第一流體管道61與催化劑供給管 130相連通，而且使第一連接管60的第二流體管道62關(guān)閉。另外，控制器 200控制第二流體通道開關(guān)92，不僅f吏第二連接管70的第一流體管道71與 支管150相連通，而且使第二連接管70的第二流體管道72關(guān)閉(見操作 340)。當(dāng)判定測(cè)量的Cm的濃度小于參考值時(shí)，步驟返回到操作320并且重 復(fù)測(cè)量步驟。
在該狀態(tài)下，控制器200打開安裝至連接氣體箱121和催化劑微粒產(chǎn)生 裝置110的管140的開關(guān)閥門141，以使預(yù)定壓力的氣體從氣體箱121排出。 然后，排出的氣體流動(dòng)至催化劑微粒產(chǎn)生裝置IIO。(這與圖5的第二實(shí)施 例的不同在于控制器200操作風(fēng)扇122以使空氣流動(dòng)至催化劑微粒產(chǎn)生裝 置)。另外，控制器200將功率施加至催化劑微粒產(chǎn)生裝置110，由此加熱 加熱板114以使放置在加熱板114上的催化劑材料M蒸發(fā)。蒸發(fā)的催化劑材 料M遇到氣體流從而被瞬間冷卻。在該步驟中，產(chǎn)生細(xì)催化劑微粒P。產(chǎn)生 的催化劑微粒P經(jīng)由第一連接管60的第一流體管道61與通過催化劑供給管 130的氣體流一起通過一氧化碳凈化器20的氧化催化劑床22。此時(shí)，催化 劑微粒P附于氧化催化劑床22的載體22a。在該方式下，當(dāng)新的催化劑微粒 供給至氧化催化劑床22時(shí)，氧化催化劑床22的功能被恢復(fù)以提高一氧化碳 凈化器20的反應(yīng)效率。穿過氧化催化劑床22的氣體流通過出口21b從反應(yīng) 器主體21中排出，并然后通過第二連接管70的第一流體管道71和支管150 排到外部(見操作350)。
在催化劑的供給步驟持續(xù)達(dá)固定時(shí)間后，步驟返回到操作310，即通 過相同的步驟產(chǎn)生電(見操作360)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，新的催化劑微粒適于供給至一氧化 碳凈化器的氧化催化劑床，從而總體上可以改善一氧化碳凈化器和燃料電 池系統(tǒng)的性能。
另外，盡管氧化催化劑床沒有被形成為比出于其耐久性的考慮所需求 的厚度更厚，但是卻能充分保證氧化催化劑床的耐久性。因此，可以總體 上減小根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一氧化碳凈化器和燃料電池系統(tǒng)的尺寸。此 外，燃料電池系統(tǒng)可節(jié)省產(chǎn)品的初始成本，操作成本，以及維修成本。
盡管已經(jīng)示出并說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人
員可以認(rèn)識(shí)到的是，可在不背離本發(fā)明的原則和精神的情況下作出改變， 其范圍限定在權(quán)利要求及其等同物中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括重整器，所述重整器通過重整反應(yīng)產(chǎn)生燃料氣體；一氧化碳凈化器，所述一氧化碳凈化器包括反應(yīng)器主體，所述反應(yīng)器主體具有將重整的燃料氣體引入到其中的入口和使凈化的燃料氣體排出的出口；和氧化催化劑床，所述氧化催化劑床填充在反應(yīng)器主體內(nèi)，并降低包含在從所述重整器產(chǎn)生的燃料氣體中的一氧化碳的濃度；至少一個(gè)電發(fā)生器，將來自所述一氧化碳凈化器的燃料氣體供給所述至少一個(gè)電發(fā)生器以通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電；以及催化劑供給裝置，所述催化劑供給裝置從材料產(chǎn)生催化劑微粒并將所述催化劑微粒供給至所述氧化催化劑床。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述催化劑供給裝置包 括催化劑微粒產(chǎn)生裝置，所述催化劑微粒產(chǎn)生裝置加熱材料以產(chǎn)生催化劑 微粒。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述催化劑供給裝置進(jìn) 一步包括流體源，所述流體源使從催化劑微粒產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的催化劑微粒 流到所述氧化催化劑床。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流體源包括氣體箱， 氣體以高壓填充在所述氣體箱中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述流體源包括風(fēng)扇。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述催化劑微粒產(chǎn)生裝置包括產(chǎn)生裝置主體，所述產(chǎn)生裝置主體具有在其一側(cè)上的出口，從而允許催化劑微粒被排出；加熱板，所述加熱板 安裝在所述產(chǎn)生裝置主體中并且在所述加熱板上放置有材料；和加熱放置 在所述加熱板上的材料的加熱元件；并且所述催化劑供給裝置進(jìn)一步包括催化劑供給管，所述催化劑供給管將 通過催化劑出口排出的催化劑微粒引導(dǎo)到一氧化碳凈化器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述催化劑供給管與連 接重整器和一氧化碳凈化器的入口的連接管相連通。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述連接管包括第一流體管道和第二流體管道，所述第一流體管道在其一端與所述催 化劑供給管相連通、并且在另一端與一氧化碳凈化器的入口相連通，所述 第二流體管道在其一端與所述第一流體管道相連通、并且在另一端與重整 器相連通；以及流體通道開關(guān)，所述流體通道開關(guān)轉(zhuǎn)換流體通道從而允許第一流體管 道與催化劑供給管和第二流體管道中的至少一個(gè)選擇性地連通。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括支管，所述支管從連接一氧化碳凈化器的出口和電發(fā)生器的連接管分 支出；以及流體通道開關(guān)，所述流體通道開關(guān)轉(zhuǎn)換流體通道從而允許通過一氧化 碳凈化器的出口排出的燃料氣體流到支管和電發(fā)生器中的至少一個(gè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述催化劑微粒產(chǎn)生 裝置可拆卸地安裝至一氧化碳凈化器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括氣體傳感器， 所述氣體傳感器測(cè)量包含在通過所述氧化催化劑床的燃料氣體中的一氧 化碳的濃度。
12. —種控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)包括重整 器和一氧化碳凈化器，所述一氧化碳凈化器降低包含在從所述重整器產(chǎn)生 的燃料氣體中的一氧化碳的濃度，所述方法包括以下步驟測(cè)量包含在從所述一氧化碳凈化器排出的所述燃料氣體中的一氧化 碳的濃度；以及當(dāng)測(cè)量的濃度高于或等于參考值時(shí)，將從催化劑微粒產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的 催化劑微粒供給到一氧化碳凈化器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述催化劑微粒供給到一氧 化碳凈化器的步驟包括當(dāng)所述測(cè)量的濃度高于或等于參考值時(shí)，控制流體通道開關(guān)以關(guān)閉重 整器和一氧化碳凈化器之間的流體通道，并打開一氧化碳凈化器和催化劑 微粒產(chǎn)生裝置之間的另一流體通道。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述催化劑微粒供給到一氧 化碳凈化器的步驟包括控制流體源以產(chǎn)生氣體流；以及將功率施加至所述催化劑微粒產(chǎn)生裝置，并加熱材料以產(chǎn)生催化劑微粒。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的燃料電池系統(tǒng)，其中當(dāng)所述測(cè)量的一氧化碳的濃度高于或等于參考值時(shí)，新的催化劑微粒通過所述催化劑供給裝置 供給到氧化催化劑床。
16. —種控制具有重整器和一氧化碳凈化器的燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟將燃料氣體供給到電發(fā)生器，并產(chǎn)生電； 測(cè)量從一氧化碳凈化器排出的一氧化碳的濃度； 判定測(cè)量的一氧化碳的濃度是否大于或等于參考值； 當(dāng)判定所述測(cè)量的濃度大于或等于所述參考值時(shí)停止電的產(chǎn)生，并控 制流體通道開關(guān)以關(guān)閉重整器和一氧化碳凈化器之間的流體通道，并且打 開所述一氧化碳凈化器和催化劑微粒產(chǎn)生裝置之間的另一流體通道；以及 將從催化劑微粒產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的催化劑微粒供給至一氧化碳凈化器 達(dá)預(yù)定時(shí)間段，并且在經(jīng)過預(yù)定時(shí)間段后產(chǎn)生電。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，盡管氧化催化劑床的活性由于持續(xù)的操作而損害但是能夠防止反應(yīng)效率被降低。該燃料電池系統(tǒng)包括重整器，該重整器通過重整反應(yīng)產(chǎn)生燃料氣體；一氧化碳凈化器，該一氧化碳凈化器包括反應(yīng)器主體，該反應(yīng)器主體具有將重整的燃料氣體引入到其中的入口和使凈化的燃料氣體排出的出口，以及填充在反應(yīng)器主體內(nèi)、并降低包含在從重整器中產(chǎn)生的燃料氣體中的一氧化碳濃度的氧化催化劑床；至少一個(gè)電發(fā)生器，將從一氧化碳凈化器產(chǎn)生的燃料氣體供給至電發(fā)生器用以通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電；以及催化劑供給裝置，該催化劑供給裝置從材料產(chǎn)生催化劑微粒并將催化劑微粒供給至氧化催化劑床。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101179130SQ20071014834
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者地埈虎 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社