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(jìn)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(jìn)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)生電力之后殘留在電池堆單元30中的廢氣提供到燃燒器10a。但是，由于電池堆單元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(jìn)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(shí)現(xiàn)這些以及其它優(yōu)點(diǎn)，并且依照本發(fā)明的意圖，如在此具體實(shí)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，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，具有用于與從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的廢氣相接觸的冷卻裝置，從而使廢氣中所含的水分冷凝。
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(diǎn)將更為明顯。


附圖用以提供對于本發(fā)明的進(jìn)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(shí)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(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖3為圖2所示氣液分離器的放大平面圖；圖4為圖3所示氣液分離器除去封蓋后的平面圖；圖5為在圖3所示冷卻管上形成的Z字(zigzag)形凹槽的平面圖；圖6為在圖3所示容器內(nèi)壁上形成的凸凹面的平面圖；圖7為沿圖6中VII-VII線的截面圖；圖8為在圖3所示容器內(nèi)壁上形成的壓花的平面圖；以及圖9為沿圖8中IX-IX線的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其實(shí)例在附圖中示出。
以下參照

根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。
圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
參照圖2，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(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(jìn)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、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)而能夠同時(shí)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，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，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。
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安裝在電池堆單元130與燃料供應(yīng)單元110之間。
圖3為圖2所示氣液分離器的放大平面圖，圖4為圖3所示氣液分離器除去封蓋后的平面圖，圖5為在圖3所示冷卻管上形成的Z字形凹槽的平面圖。
參照圖3和圖4，氣液分離器200包括氣液分離本體210、進(jìn)氣口220、出氣口230、水分出口240、冷卻裝置如冷卻水管250、以及分隔壁260。
氣液分離本體210包括容器211，用于臨時(shí)存儲廢氣；封蓋212，用于覆蓋容器211的前表面；以及連接件213，用于將容器211和封蓋212相互連接。優(yōu)選地，封蓋212由透明的丙烯(acryl)板形成，從而由外部易于觀察氣液分離本體210中產(chǎn)生的水分分離現(xiàn)象。連接件213優(yōu)選由便于連接的螺釘形成，用于連接螺釘?shù)穆莶?11e形成在容器211的前表面上。
進(jìn)氣口220用于將廢氣引入氣液分離本體210，而且安裝為穿透容器211的左壁211a的下端。進(jìn)氣口220的一端向容器211的下壁211c彎曲，從而防止廢氣被直接排到出氣口230。
出氣口230用以將氣液分離本體210中已除去水分的廢氣排到燃料供應(yīng)單元110(參照圖2)。出氣口230安裝為穿透容器211的左壁211a的最上端，從而延遲廢氣從氣液分離本體210排出的時(shí)間。
水分出口240用于排出從廢氣分離出的水分，而且安裝在容器211的右壁211b的下端，并與水供應(yīng)容器151相連接(參照圖2)。
參照圖4和圖5，冷卻水管250安裝在氣液分離本體210中，并在容器211中形成為具有特定高度H的Z字形，從而通過增加與廢氣的接觸面積而提高傳熱效率。
冷卻水管250以允許范圍的曲率半徑R彎曲，并具有特定的間隙h，從而通過在容器211中具有最大的長度來增加與廢氣的接觸面積。優(yōu)選地，冷卻水管250由SUS材料形成，用于提高熱交換效率而不會生銹。
當(dāng)廢氣與冷卻水管250的外周表面接觸時(shí)，廢氣被冷卻水管250中流動的低溫冷卻水液化。由此，廢氣中所含的水分冷凝并從廢氣中分離。分離出的水分通過水分出口240排到水供應(yīng)容器151(參照圖2)。經(jīng)與廢氣熱交換而變熱的冷卻水可被用作用于加熱的供水。
如圖5所示，在冷卻水管250的外周表面上形成Z字形的凹槽250a，從而增加與廢氣的接觸面積。在冷卻水管250的外周表面上，也可以形成凹凸面或壓花，替代Z字形的凹槽。
在優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻水管250用以冷凝廢氣中的水分。然而，也可以用散熱器、多個(gè)銷釘?shù)葮?gòu)成冷卻裝置，起到冷卻水管250的作用。
分隔壁260防止廢氣直接排到出氣口230。分隔壁260從容器211的左壁211a向右壁211b連續(xù)地凸出為Z字形，從而適配于彎曲的冷卻水管250。分隔壁260可安裝在左壁211a或右壁211b上。然而，分隔壁260優(yōu)選安裝在左壁211a及右壁211b上，從而更有效地防止廢氣直接排到出氣口230。優(yōu)選地，分隔壁260以Z字形連續(xù)適配于冷卻水管250，從而利于空間利用。
圖6為在圖3所示容器內(nèi)壁上形成的凹凸面的平面圖，圖7為沿圖6中VII-VII線的截面圖。參照圖6和圖7，凸凹面270形成在容器211的內(nèi)壁211d上。凸凹面270可通過模鑄材料與容器211整體形成，或者可單獨(dú)地形成，再通過焊接材料或粘合劑安裝在容器211的內(nèi)壁211d上。凸凹面270也可形成在封蓋212上。由于廢氣與凸凹面270相接觸，因而提高了廢氣的傳熱特性。此外，由于廢氣通過凸凹面270，因而產(chǎn)生渦流，從而廢氣中所含的水分更有效地從廢氣中分離。
圖8為在圖3所示容器內(nèi)壁上形成的壓花的平面圖，圖9為沿圖8中IX-IX線的截面圖。參照圖8和圖9，壓花280形成在容器211的內(nèi)壁211d上。壓花280可通過模鑄材料與容器211整體形成，或者可單獨(dú)地形成，再通過焊接或粘合劑安裝在容器211的內(nèi)壁上。壓花280也可安裝在封蓋212上。當(dāng)廢氣與壓花280相接觸時(shí)，提高了廢氣的傳熱特性。相反，當(dāng)廢氣通過壓花280時(shí)，會產(chǎn)生渦流。由此，廢氣中所含的水分更有效地從廢氣中分離。
下面說明根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行。
參照圖2，在燃料供應(yīng)單元110中重整LNG和蒸汽，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通過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，從而被提供給各種電器(圖示的負(fù)載)。
為了產(chǎn)生用于重整反應(yīng)的蒸汽，城市用水被提供到蒸汽發(fā)生器111f。然后，在產(chǎn)生電力之后殘留在電池堆單元130中的廢氣被提供到燃燒器111g，從而通過加熱城市用水而產(chǎn)生蒸汽。在此，廢氣中所含的水分通過氣液分離器200，從而被除去。
更具體而言，如圖4所示，廢氣通過進(jìn)氣口220被引入氣液分離器200。虛線箭頭表示冷卻水流，實(shí)線箭頭表示廢氣流。
引入氣液分離器200的廢氣經(jīng)分隔壁260與冷卻水管250的外周表面相接觸。由于低溫冷卻水在冷卻水管250中流動，所以當(dāng)廢氣與冷卻水管250的外周表面相接觸時(shí)，廢氣被低溫冷卻水液化，因而廢氣中所含的水分冷凝。由此，廢氣中所含的水分從廢氣中分離。如圖5所示，由于冷卻水管250的外周表面上具有Z字形凹槽250a，因而廢氣與冷卻水管250之間的接觸面積增加。如圖7至圖9所示，由于在容器211的內(nèi)壁211d上形成的凸凹面270或壓花280，因而提高了廢氣的傳熱特性，并增大了渦流。由此，廢氣中所含的水分更有效地從廢氣中分離。
分離出的水分經(jīng)水分出口240排到水供應(yīng)容器151(參照圖2)。在此，經(jīng)與廢氣熱交換而變熱的冷卻水可用作用于加熱的供水。已除去水分的廢氣通過氣體出口230提供到燃料供應(yīng)單元110的燃燒器111g。由于已經(jīng)除去了廢氣中的水分，因而在燃燒器111g中能夠更有效地進(jìn)行燃燒。
如前所述，在根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)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除去，從而燃燒器內(nèi)的燃燒可以有效進(jìn)行。由此，可以穩(wěn)定地將蒸汽提供到蒸汽重整器，因此重整反應(yīng)得以平穩(wěn)地進(jìn)行，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的整體性能。
此外，在氣液分離器的冷卻水管中流動的冷卻水經(jīng)與廢氣熱交換而變熱，變熱的冷卻水可用作用于加熱的供水。
由于本發(fā)明可具體實(shí)施為多種形式而不脫離本發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)特征，因此應(yīng)當(dāng)理解，除非另外指明，上述實(shí)施例不受前述的任何細(xì)節(jié)所限，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，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，具有用于與從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的廢氣相接觸的冷卻裝置，從而使廢氣中所含的水分冷凝。
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，安裝在用于將該電池堆單元連接到該燃料供應(yīng)單元的燃燒器的管道上；進(jìn)氣口，用于將廢氣引入該氣液分離本體；出氣口，用于將已除去水分的廢氣排到該燃料供應(yīng)單元；以及水分出口，用于排出從廢氣分離的水分。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該冷卻裝置是在該氣液分離本體中構(gòu)成為具有特定高度的Z字形冷卻水管。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在該冷卻水管的外周表面上形成有凹槽。
5.如權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離器還包括分隔壁，用于防止經(jīng)該進(jìn)氣口引入的廢氣直接排到該出氣口。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該分隔壁在容器中連續(xù)凸出為Z字形，從而適配于彎曲的冷卻水管。
7.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離本體包括容器，用于臨時(shí)存儲廢氣；封蓋，用于覆蓋該容器的前表面；以及連接件，用于將該容器和該封蓋相互連接。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該容器的內(nèi)壁上形成有凸凹面。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該容器的內(nèi)壁上形成有壓花。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，包括電池堆單元，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，具有用于與從該電池堆單元提供到該燃料供應(yīng)單元的廢氣相接觸的冷卻裝置，從而使廢氣中所含的水分冷凝。在該燃料電池系統(tǒng)中，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(jìn)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)地進(jìn)行，從而提高了燃料電池系統(tǒng)的整體性能。
文檔編號H01M8/00GK1937294SQ200610082708
公開日2007年3月28日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者陸炯圭, 崔弘 申請人:Lg電子株式會社