專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，更具體地，涉及一種具有氣液分離器的燃料電池系統(tǒng)，該氣液分離器用于除去從電池堆(stack)單元提供到燃料供應(yīng)單元的燃燒器的廢氣(off-gas)中所含的水分。
背景技術(shù)：
圖1為采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)方法的傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的示意圖，在該方法中，諸如LNG、LPG、CH3OH、汽油等烴基燃料通過脫硫處理、重整處理(reforming process)及加氫精煉處理(hydrogen refiningprocess)進行純氫精煉后被用作燃料。
如圖1所示，傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)包括燃料供應(yīng)單元10，用于將從LNG提取的純氫提供到電池堆單元30；空氣供應(yīng)單元20，用于將空氣提供到電池堆單元30和燃料供應(yīng)單元10；電池堆單元30，用于通過所提供的氫和空氣產(chǎn)生電力；以及電力輸出單元40，用于將電池堆單元30產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為交流電，然后將該交流電提供到負(fù)載。
由于燃料和蒸汽在燃料供應(yīng)單元10中進行了重整處理，于是產(chǎn)生了氫。為了產(chǎn)生蒸汽，燃料供應(yīng)單元10設(shè)置有蒸汽發(fā)生器10b和用于向蒸汽發(fā)生器10b供熱的燃燒器10a。
為了驅(qū)動燃燒器10a，將燃料提供到燃燒器10a，然后將產(chǎn)生電力之后電池堆單元30中殘留的廢氣提供到燃燒器10a。但是，由于從電池堆單元30提供的廢氣是高溫的潮濕氣體，所以燃燒器10a無法正常工作。此外，由于廢氣中含有水分，燃燒器10a可能會關(guān)閉。因此，重整處理無法順利進行，從而燃料電池系統(tǒng)會受損。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠除去從電池堆單元提供到燃料供應(yīng)單元的廢氣中所含的水分的燃料電池系統(tǒng)。
為實現(xiàn)這些以及其它優(yōu)點，并且依照本發(fā)明的意圖，如在此具體實施和廣泛描述的，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括電池堆單元，其具有正極和負(fù)極，并通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力；燃料供應(yīng)單元，用于將氫提供到該電池堆單元的正極；空氣供應(yīng)單元，用于將空氣提供到該電池堆單元的負(fù)極；以及氣液分離器，其用于除去在從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的燃燒器的廢氣中所含的水分。
通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的以下具體描述，本發(fā)明的前述以及其它目的、特征、方案和優(yōu)點將更為明顯。


附圖用以提供對于本發(fā)明的進一步理解，其包含在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，附圖示出本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1為根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的方框圖；圖3為圖2所示氣液分離器的放大視圖；圖4為圖2所示氣液分離器的第一修改例的視圖；圖5為圖2所示氣液分離器的第二修改例的視圖；圖6為圖2所示氣液分離器的第三修改例的視圖；圖7為圖2所示氣液分離器、控制器以及火焰?zhèn)鞲衅髦g相互作用的方框圖；圖8為圖2所示氣液分離器、控制器以及溫度傳感器之間相互作用的方框圖；以及圖9為圖2所示氣液分離器、控制器以及濕度傳感器之間相互作用的方框圖。
具體實施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其實例示于附圖中。
圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)的方框圖，以及圖3為圖2的氣液分離器的放大視圖。
參照圖2，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)包括燃料供應(yīng)單元110、空氣供應(yīng)單元120、電池堆單元130、電力輸出單元140、水供應(yīng)單元150以及氣液分離器200。
燃料供應(yīng)單元110包括重整器111和管道112，其中重整器111用于從LNG中精煉氫，從而將氫提供到電池堆單元130的正極131。重整器111包括脫硫反應(yīng)器111a(DS)，用于除去燃料中所含的硫；蒸汽重整器111b(SR)，用于通過對燃料和蒸汽進行重整而產(chǎn)生氫；高溫蒸汽重整器111c(HTSR)和低溫蒸汽重整器111d(LTSR)，分別用于使通過蒸汽重整器111b之后產(chǎn)生的一氧化碳重新反應(yīng)而附加地產(chǎn)生氫；部分氧化反應(yīng)器111e(PROX)，用于通過利用空氣作為催化劑除去燃料中所含的一氧化碳來精煉氫；蒸汽發(fā)生器111f，用于將蒸汽提供到蒸汽重整器111b；以及燃燒器111g，用于將熱量提供到蒸汽發(fā)生器111f。
用于向電池堆單元130的負(fù)極132提供空氣的空氣供應(yīng)單元120包括第一空氣供應(yīng)管線121和第二空氣供應(yīng)管線123，以及空氣供應(yīng)風(fēng)扇122。第一空氣供應(yīng)管線121安裝在空氣供應(yīng)風(fēng)扇122與第二預(yù)加熱器162之間，用于將大氣中的空氣提供到負(fù)極132。第二空氣供應(yīng)管線123安裝在空氣供應(yīng)風(fēng)扇122與燃燒器111g之間，用于將大氣中的空氣提供到燃燒器111g。
電池堆單元130包括正極131和負(fù)極132，從而通過分別從燃料供應(yīng)單元110和空氣供應(yīng)單元120提供的氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，能夠同時產(chǎn)生電能和熱能。
電力輸出單元140將電池堆單元130產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為交流電，然后將該交流電提供到負(fù)載。
水供應(yīng)單元150將水提供到燃料供應(yīng)單元110的重整器111和電池堆單元130，從而冷卻重整器111和電池堆單元130。水供應(yīng)單元150包括水供應(yīng)容器151，用于容納一定量的水；水循環(huán)管線152，用于通過循環(huán)方法連接電池堆單元130和水供應(yīng)容器151；水循環(huán)泵153，其安裝在水循環(huán)管線152中，用于泵出水供應(yīng)容器151內(nèi)的水；熱交換器154和吹風(fēng)扇155，其安裝在水循環(huán)管線152中，用于冷卻所提供的水；以及城市用水(city water)供應(yīng)管線156，用于將水供應(yīng)容器151內(nèi)的水或圖示的城市用水提供到重整器111。
參照圖2和圖3，氣液分離器200除去從電池堆單元130排出并提供到燃料供應(yīng)單元110的燃燒器111g的廢氣中所含的水分。氣液分離器200包括氣液分離本體210、排水管道220以及冷卻風(fēng)扇230，該冷卻風(fēng)扇230即氣液分離加速器。
氣液分離本體210安裝在用于連接電池堆單元130與燃料供應(yīng)單元110的燃燒器111g的管道上，用于臨時存儲廢氣。在氣液分離本體210中，從廢氣中分離出其中所含的水分。
排水管道220安裝在氣液分離本體210的一側(cè)，并且通過該排水管道220排出氣液分離本體210中從廢氣分離的水分。
冷卻風(fēng)扇230安裝在氣液分離本體210的另一側(cè)，用于加速氣液分離本體210內(nèi)的氣體和液體之間的分離。利用氣液分離器200的冷卻風(fēng)扇230，廢氣中所含的水分被冷卻，從而從廢氣中分離。然后，通過排水管道220排出水分。因此，防止了由于廢氣中含有水分而導(dǎo)致圖2中燃燒器111g關(guān)閉的現(xiàn)象發(fā)生。
如圖4至圖6所示，可以構(gòu)造不同的氣液分離器200。用相同的參考標(biāo)號來表示與上述組件相同的組件，因而省略對這些組件的解釋。圖4為圖2所示氣液分離器的第一修改例的視圖，圖5為圖2所示氣液分離器的第二修改例的視圖，以及圖6為圖2所示氣液分離器的第三修改例的視圖。
在根據(jù)第一修改例的圖4的氣液分離器200中，用冷卻管道240替代冷卻風(fēng)扇230來作為氣液分離加速器。為了增加熱交換面積，安裝彎曲形狀的冷卻管道240，使其穿過氣液分離本體210的內(nèi)部。利用氣液分離器200的冷卻管道240，廢氣中所含的水分被冷卻，從而從廢氣中分離。然后，通過排水管道220排出水分。因此，防止了由于廢氣中含有水分而導(dǎo)致圖2中燃燒器111g關(guān)閉的現(xiàn)象發(fā)生。
在根據(jù)第二修改例的圖5的氣液分離器200中，用散熱片250替代冷卻風(fēng)扇230來作為氣液分離加速器。散熱片250安裝在氣液分離本體210的外壁，并且為了增加熱交換面積，從氣液分離本體210延伸出具有一定間隙的多個散熱片250。利用氣液分離器200的散熱片250，廢氣中所含的水分被冷卻，從而從廢氣中分離。然后，通過排水管道220排出水分。因此，防止了由于廢氣中含有水分而導(dǎo)致圖2中燃燒器111g關(guān)閉的現(xiàn)象發(fā)生。
在根據(jù)第三修改例的圖6的氣液分離器200中，用多孔構(gòu)件260替代冷卻風(fēng)扇230來作為氣液分離加速器。多孔構(gòu)件260安裝在氣液分離本體210的內(nèi)部。包含在廢氣中的水分通過氣液分離器200的多孔構(gòu)件260，從而從廢氣中分離。然后，通過排水管道220排出水分。因此，防止了由于廢氣中含有水分而導(dǎo)致圖2中燃燒器111g關(guān)閉的現(xiàn)象發(fā)生。
冷卻風(fēng)扇230、冷卻管道240、散熱片250以及多孔構(gòu)件260可以同時安裝在氣液分離器200上，或者可以將其中任意一個或多個安裝在氣液分離器200上。
為了增強從廢氣中分離水分的功能，在氣液分離器200上可以進一步安裝傳感器，用于測量燃燒器111g的燃燒程度并因而產(chǎn)生信號；以及控制器310，用于通過接收該信號來控制氣液分離器200。
圖7為圖2所示氣液分離器、控制器以及火焰?zhèn)鞲衅髦g相互作用的方框圖，圖8為圖2所示氣液分離器、控制器以及溫度傳感器之間相互作用的方框圖，以及圖9為圖2所示氣液分離器、控制器以及濕度傳感器之間相互作用的方框圖。
用相同的參考標(biāo)號來表示與上述組件相同的組件，因而省略對這些組件的解釋。
參照圖7，在燃料電池系統(tǒng)中還安裝有火焰?zhèn)鞲衅?20和控制器310，該控制器310用于根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅?20的信號來控制氣液分離器200的水分分離量。
火焰?zhèn)鞲衅?20安裝在燃燒器111g中，并檢測燃燒器111g的火焰從而將信號發(fā)送到控制器310。控制器310根據(jù)該信號控制冷卻風(fēng)扇230的速度或者冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而控制氣體和液體的分離量。
更具體地，當(dāng)燃燒器111g的火焰較弱時，增加冷卻風(fēng)扇230的速度或者增加冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而增加氣液分離器200的水分分離量。相反，當(dāng)燃燒器111g的火焰較強時，減小冷卻風(fēng)扇230的速度或者減小冷卻管道240中流動的冷卻水量。因此，可以根據(jù)實際情況來控制氣液分離器200的水分分離量。
參照圖8，燃料電池系統(tǒng)還包括溫度傳感器330和控制器310，該控制器310用于根據(jù)溫度傳感器330的信號來控制氣液分離器200分離的氣體和液體分離量。
溫度傳感器330安裝在燃燒器111g內(nèi)，并檢測燃燒器111g的溫度從而將信號發(fā)送到控制器310。控制器310根據(jù)該信號控制冷卻風(fēng)扇230的速度或者冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而控制氣體和液體的分離量。
更具體地，當(dāng)燃燒器111g內(nèi)的溫度較低時，增加冷卻風(fēng)扇230的速度或者增加冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而增加氣液分離器200的水分分離量。相反，當(dāng)燃燒器111g內(nèi)的溫度較高時，減小冷卻風(fēng)扇230的速度或者減小冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而減小氣液分離器200的水分分離量。因此，可以根據(jù)實際情況來控制氣液分離器200的水分分離量。
參照圖9，燃料電池系統(tǒng)還包括濕度傳感器340和控制器310，該控制器310用于根據(jù)濕度傳感器340的信號來控制氣液分離器200分離的氣體和液體分離量。
濕度傳感器340安裝在用于使氣液分離器200和燃燒器111g彼此連接的管道上，并檢測從氣液分離器200排出并提供給燃燒器111g的廢氣中的濕度?？刂破?10根據(jù)檢測信號控制冷卻風(fēng)扇230的速度或者冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而控制氣體和液體的分離量。
更具體地，當(dāng)提供給燃燒器111g的廢氣的濕度較高時，增加冷卻風(fēng)扇230的速度或者增加冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而增加氣液分離器200的水分分離量。相反，當(dāng)廢氣的濕度較低時，減小冷卻風(fēng)扇230的速度或減小冷卻管道240中流動的冷卻水量，從而減小氣液分離器200的水分分離量。因此，可以根據(jù)實際情況來控制氣液分離器200的水分分離量。
以下，將參照圖2至圖7解釋根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的工作。
LNG和蒸汽在燃料供應(yīng)單元110中重整，從而產(chǎn)生氫。所產(chǎn)生的氫被提供到電池堆單元130的正極131?？諝夤?yīng)單元120將空氣提供到電池堆單元130的負(fù)極132。電池堆單元130利用所提供的氫和空氣產(chǎn)生電力，所產(chǎn)生的電力被電力輸出單元140轉(zhuǎn)換為交流電，從而將交流電提供給各種電器(圖示的負(fù)載)。
為了產(chǎn)生用于重整反應(yīng)的蒸汽，將城市用水提供到蒸汽發(fā)生器111f。然后，為了通過加熱城市用水而產(chǎn)生蒸汽，將產(chǎn)生電力之后電池堆單元130中殘留的廢氣提供到燃燒器111g。
在此，包含在廢氣中的水分通過氣液分離器200，從而被除去。由于廢氣中的水分已被除去，因而燃燒器111g內(nèi)的燃燒能夠更有效地進行。
如前所述，在根據(jù)本發(fā)明第一實施例的燃料電池系統(tǒng)中，廢氣中所含的水分被氣液分離器200除去，從而燃燒器內(nèi)部的燃燒可以有效地進行。由此，可以穩(wěn)定地將蒸汽提供到蒸汽重整器111b，因此重整反應(yīng)得以平穩(wěn)進行，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的整體性能。
由于本發(fā)明可具體實施為多種形式而不脫離本發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，因此應(yīng)當(dāng)理解，除非另有規(guī)定，上述實施例不限于前述的任何具體細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求書所限定的精神和范圍內(nèi)寬泛地解釋。因此，落入權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有變化和修改都應(yīng)被隨附權(quán)利要求書所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括電池堆單元，其具有正極和負(fù)極，通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力；燃料供應(yīng)單元，用于將氫提供到該電池堆單元的正極；空氣供應(yīng)單元，用于將空氣提供到該電池堆單元的負(fù)極；以及氣液分離器，用于除去在從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的燃燒器的廢氣中包含的水分。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離器包括氣液分離本體，用于臨時存儲廢氣；氣液分離加速器，用于加速廢氣中所含水分的分離；以及排水管道，用于排出從廢氣中分離的水分。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離加速器是安裝在該氣液分離本體一側(cè)的冷卻風(fēng)扇。
4.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離加速器是被安裝為穿過該氣液分離本體內(nèi)部的冷卻管道。
5.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離加速器是安裝在該氣液分離本體一側(cè)的散熱片。
6.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離加速器是安裝在該氣液分離本體內(nèi)部的多孔構(gòu)件。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括傳感器，用于測量該燃燒器的燃燒程度，從而產(chǎn)生信號；以及控制器，用于根據(jù)該信號控制該氣液分離器分離的氣體和液體分離量。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該傳感器是用于檢測該燃燒器內(nèi)部火焰的火焰?zhèn)鞲衅鳌?br> 9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該傳感器是用于測量該燃燒器內(nèi)部火焰溫度的溫度傳感器。
10.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該傳感器是用于測量該氣液分離器排出的廢氣濕度的濕度傳感器。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括電池堆單元，其具有正極和負(fù)極，通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電力；燃料供應(yīng)單元，用于將氫提供到該電池堆單元的正極；空氣供應(yīng)單元，用于將空氣提供到該電池堆單元的負(fù)極；以及氣液分離器，用于除去從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的燃燒器的廢氣中包含的水分。廢氣中所含的水分被氣液分離器除去，因而燃燒器內(nèi)的燃燒可以有效進行。由此，可以穩(wěn)定地將蒸汽提供到蒸汽重整器，因而重整反應(yīng)得以平穩(wěn)進行，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的整體性能。
文檔編號H01M8/00GK1921199SQ20061008270
公開日2007年2月28日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者黃龍俊, 許成根 申請人:Lg電子株式會社