專利名稱：帶有回收單元的燃料電池及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有回收單元的燃料電池及其驅(qū)動方法，在該燃料電池中，回收單元回收在燃料電池系統(tǒng)的電學發(fā)生器中生成的氣體、水和未反應(yīng)燃料，然后將氣體釋放，并有效地重復(fù)利用水和未反應(yīng)燃料。
背景技術(shù)：
一般來說，燃料電池是通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)直接將化學能轉(zhuǎn)換成電能的能量生成系統(tǒng)。在向燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)氫的時候，可以直接使用純氫氣或者從甲醇、乙醇、天然氣或者類似物所得到的氫。另外，在向燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)氧的時候，可以直接使用純氧氣，或者可以由氣泵或者類似物來供應(yīng)空氣中所含的氧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種帶有回收單元的燃料電池及其驅(qū)動方法，其中防止從燃料電池的電學發(fā)生器回收到回收容器中的氣體流入陽極電極，或者防止混合燃料流入陰極電極，并且也防止存儲在回收容器中的混合燃料揮發(fā)。
通過提供以下燃料電池而實現(xiàn)本發(fā)明的實施例，所述燃料電池包括i)電學發(fā)生器，用于基于陽極電極中混合燃料的氧化和陰極電極中氧的還原而產(chǎn)生電；ii)燃料容器，用于存儲原始燃料；iii)回收單元，用于回收和混合所述原始燃料、未參加電學發(fā)生器中氧化的未反應(yīng)燃料以及由還原產(chǎn)生的水，以制成混合燃料，并且將該混合燃料供應(yīng)給電學發(fā)生器；以及iv)空氣進給器，用于向電學發(fā)生器供應(yīng)氧，其中回收單元包括與電學發(fā)生器和燃料容器相連并相通的殼體；布置在殼體內(nèi)部的釋放管，其用于釋放從電學發(fā)生器回收的氣體，并且具有延伸到殼體外部的第一端和延伸到殼體內(nèi)部的第二端以及在釋放管內(nèi)提供的第一閥。
回收單元可以進一步包括在陽極回收管內(nèi)部提供的第二閥，所述陽極回收管連接所述殼體和所述電學發(fā)生器的陽極電極的出口，以便彼此相通。進一步，所述回收單元可以包括提供在陰極回收管內(nèi)部的第三閥，所述陰極回收管連接所述殼體和所述電學發(fā)生器的陰極電極的出口，以便彼此相通。并且，第二閥和第三閥可以包括開/管閥或止回閥。
在一個實施例中，釋放管的第二端連接到一浮子。進一步，所述殼體可以包括放置在其內(nèi)表面上并且鄰近陽極回收管的多孔材料。
本發(fā)明的另一個方面提供了一種驅(qū)動燃料電池的方法，包括i)通過第一供應(yīng)線和第二供應(yīng)線向電學發(fā)生器供應(yīng)氧和含氫的混合燃料；ii)通過電學發(fā)生器中氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電；iii)通過回收路徑回收由電學發(fā)生器的電化學反應(yīng)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品；iv)將包含在所述副產(chǎn)品中的氣體從所述回收單元釋放到空氣中；和v)在向空氣釋放所述氣體時，將水、燃料以及包含在所述副產(chǎn)品中的未反應(yīng)燃料混合成含氫的混合燃料。


本發(fā)明的這些和/或其他方面將從以下結(jié)合附圖對實施例所進行的描述而變得清晰，并且更易于理解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的帶有回收單元的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；和圖2是通過根據(jù)本發(fā)明另一實施例的回收單元的殼體所看到的視圖。
具體實施例方式
燃料電池一般分為工作于室溫或者低于100℃溫度下的i)聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和ii)直接甲醇燃料電池(DMFC)，iii)工作于大約150℃～大約200℃溫度下的磷酸燃料電池(PAFC)，iv)工作于大約600℃～大約700℃溫度的熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，v)工作于高于大約1000℃的高溫下的固體氧化物燃料電池(SOFC)等等。這些燃料電池的基本工作原理相同，但是它們在所使用的燃料、催化劑、電解質(zhì)的種類等方面不同。
在這些燃料電池當中，在運行在相對較低溫度下的DMFC中，甲醇和水的混合燃料被直接供應(yīng)到電學發(fā)生器的陽極電極，空氣中的氧被供應(yīng)到陰極電極，并且由氧和甲醇中所包含的氫之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電。
同時，燃料電池可以包括回收容器，以回收沒有參加陽極電極電化學反應(yīng)的未反應(yīng)燃料和由陰極電極化學反應(yīng)所產(chǎn)生的水，從而將它們再次供應(yīng)給電學發(fā)生器。所述回收容器包括釋放管，其用以釋放包含在未反應(yīng)燃料中的多余氣體。
這樣的回收容器連接到電學發(fā)生器，并與其交換流體。因此，當燃料電池被非正常放置時，例如當燃料電池被傾斜地或者顛倒地放置時，存儲在所述回收容器中的混合燃料可能流入陰極電極，或者氣體可能流入陽極電極。
進一步，如果釋放管被長時間打開而未運行燃料電池，那么存儲在回收容器中的混合燃料會由于其高揮發(fā)性而通過釋放管持續(xù)地揮發(fā)，從而將燃料浪費殆盡。
在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中相同的附圖標記代表相同的元件，并且避免了重復(fù)的描述。進一步，圖中所示的元件尺寸可能為了方便的目的而被放大。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的帶有回收單元的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
在一個實施例中，如圖1中的燃料電池系統(tǒng)所示，原始燃料是甲醇，特別是高濃度的甲醇，而混合燃料或者含氫的混合燃料是原始燃料和水和/或從電學發(fā)生器回收的未反應(yīng)燃料的混合物。
參照圖1，燃料電池系統(tǒng)包括燃料容器110，回收單元(或燃料提供器)130，電學(或者電)發(fā)生器140，以及空氣進給器(或者氧提供器)150。
存儲在燃料容器110中的原始燃料通過燃料供應(yīng)管111供應(yīng)到回收單元130，所述燃料供應(yīng)管111連接到回收單元130并且與其相通。在回收單元130中，水、原始燃料以及從電學發(fā)生器140釋放的未反應(yīng)混合燃料被混合，從而制成具有預(yù)定濃度的混合燃料。燃料泵160使混合燃料沿混合燃料供應(yīng)管124流動，并且通過陽極入口147導入電學發(fā)生器140的陽極電極142。稍后將更加詳細地描述回收單元130。
電學發(fā)生器140通過氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電，所述氫包含在從回收單元130供應(yīng)的混合燃料中，所述氧由空氣進給器150供應(yīng)。電學發(fā)生器140包括至少一個用以產(chǎn)生電能的單元電池。所述單元電池包括用以氧化混合燃料和還原氧的膜電極組件(MEA)144，所述單元電池還包括隔離板145，其用以向膜電極組件144供應(yīng)混合燃料和氧，并且釋放膜電極組件144中氧化/還原反應(yīng)所生成的產(chǎn)物。膜電極組件144通常包括陽極電極142、陰極電極143以及介于陽極電極142和陰極電極143之間的電解質(zhì)膜141。進一步，電學發(fā)生器140具有堆疊結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中堆疊有多個單元電池。
同時，在一個或更多個鄰近陽極電極142的隔離板145中形成的通道(未示出)排列成行并且彼此相通。所排列的通道的一端與形成于電學發(fā)生器140一側(cè)的陽極入口147相通，而另一端與形成于電學發(fā)生器140另一測的陽極出口146相通。
此外，在一個或更多個鄰近陰極電極143的隔離板145中形成的通道(未示出)排列成行并且彼此相通。所排列的通道的一端與形成于電學發(fā)生器140一側(cè)的陰極入口149相通，而另一端與形成于電學發(fā)生器140另一測的陰極出口148相通。
采用這樣的配置，通過電學發(fā)生器140的陽極入口147導入混合燃料，并且沿著鄰近陽極電極142的隔離板145中的通道供應(yīng)到陽極電極142。進一步，通過電學發(fā)生器140的陰極入口149導入氧，并且沿著鄰近陰極電極143的隔離板145中的通道供應(yīng)到陰極電極143。
此時，電學發(fā)生器140中的電化學反應(yīng)可以由下面的反應(yīng)式1來表示。
陽極CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-陰極3/2O2+6H++6e-→3H2O總反應(yīng)式CH3OH+3/2O2→CO2+H2O如上面的反應(yīng)式所示，在陽極電極142中產(chǎn)生的諸如二氧化碳的氣體以及沒有參加陽極電極電化學反應(yīng)的未反應(yīng)燃料，沿著在鄰近陽極電極142的隔離板145中形成的通道流動，并且通過陽極出口146釋放。
進一步，如同上述反應(yīng)式所示，在陰極電極143中產(chǎn)生的水，沿著在鄰近陰極電極143的隔離板145中形成的通道流動，并且通過陰極出口148釋放。
同時，燃料電池包括回收單元130，其用以回收并重復(fù)利用通過陽極出口146釋放的未反應(yīng)混合燃料以及通過陰極出口148釋放的水。恢復(fù)單元130具有殼體131，未反應(yīng)的混合燃料、水和從燃料容器110供應(yīng)的原始燃料在殼體131中混合。
此時，電學發(fā)生器的陽極出口146和回收單元130的殼體131通過陽極回收管123彼此連接并相通，從而使得由陽極電極中反應(yīng)產(chǎn)生的諸如二氧化碳的氣體通過陽極回收管123導入回收單元130的殼體131，而來自陽極出口146的未反應(yīng)燃料被回收到殼體131。進一步，電學發(fā)生器140的陰極出口148和回收單元130的殼體131通過陰極回收管121彼此連接并且相通，從而使得從陰極出口148釋放的水被導入回收單元的殼體131。
回收單元130的殼體131包括釋放管132。釋放管132具有延伸到殼體131外部并且?guī)в械谝婚y133的第一端。釋放管132具有延伸到殼體131內(nèi)部并且刺入浮子134的第二端。由于浮子134與殼體131的傾斜狀態(tài)無關(guān)，所以釋放管132的第二端可以暴露到殼體131所包含的氣體中。因此，回收單元130的殼體131中所存在的諸如二氧化碳或者類似物的氣體被導入釋放管132的第二端，并且通過釋放管132的第一端釋放到外部。
打開或者關(guān)閉第一閥133，以控制釋放管132的開啟狀態(tài)，從而允許流體通過釋放管132或者阻塞流體。例如，當燃料電池產(chǎn)生電時打開第一閥133，從而使得從電學發(fā)生器140流向殼體131的諸如二氧化碳或者類似物的氣體通過釋放管132釋放到外部。另一方面，當燃料電池停止工作時關(guān)閉第一閥133，從而防止殼體131中的混合燃料通過釋放管132揮發(fā)耗盡。這里，可以由開/關(guān)閥或者止回閥來實現(xiàn)第一閥133。
進一步，陽極回收管123包括第二閥125，而陰極回收管121包括第三閥126。打開/關(guān)閉第二閥125和第三閥126，以分別控制陽極回收管123和陰極回收管121的開啟狀態(tài)，從而允許流體通過陽極回收管123和陰極回收管121，或者阻塞流體。例如，第二閥125和第三閥126可以由開/關(guān)閥實現(xiàn)。當燃料電池工作時打開第二閥125和第三閥126，當燃料電池停止工作時關(guān)閉第二閥125和第三閥126。這樣，在燃料電池未被使用時，即使燃料電池被非正常的放置，在回收單元130的殼體131中存儲的諸如二氧化碳的氣體也不會通過陽極出口146導入電學發(fā)生器140的陽極電極，或者存儲在殼體131中的混合燃料也不會通過陰極出口148導入電學發(fā)生器140的陰極電極143。
作為替換地，例如，第二閥125和第三閥126可以由止回閥實現(xiàn)，止回閥僅僅允許流體沿著朝向回收單元130的殼體131內(nèi)部的方向流動。這樣，不管燃料電池是工作還是停止，都可以通過陽極出口146和陰極出口148將未反應(yīng)燃料和諸如二氧化碳的氣體回收到回收單元130的殼體131中，但是存儲在回收單元130的殼體131中的諸如二氧化碳的氣體不能通過陽極出口146導入電學發(fā)生器140的陽極電極142，或者存儲在殼體131中的混合燃料也不能通過陰極出口148導入到電學發(fā)生器140的陰極電極143。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，混合燃料供應(yīng)管124包括第四閥(未示出)，其用于控制混合燃料的供應(yīng)。第四閥可以放置在燃料泵160之前或之后。提供第四閥來防止混合燃料由于燃料泵160故障而被不必要地從回收單元130導入電學發(fā)生器140的陽極入口147。當燃料電池未被使用時，第四閥保持關(guān)閉。這樣，即使燃料泵160故障，也可以防止混合燃料從回收單元130導入電學發(fā)生器140的陽極入口147。然而，當燃料電池工作的時候，第四閥保持打開，從而使得混合燃料被燃料泵160從回收單元130導入電學發(fā)生器140的陽極入口147。
圖2是穿過根據(jù)本發(fā)明另一實施例的回收單元的殼體所看到的視圖。
參照圖2，除了多孔材料135之外，回收單元230包括與圖1中回收單元130的殼體相同的殼體131。多孔材料135安裝在殼體131的內(nèi)表面上。在一個實施例中，多孔材料135安裝得遍及陰極回收管121、陽極回收管123以及混合燃料供應(yīng)管124的入口和殼體131的底部。因為多孔材料135擋住存儲于殼體131中的混合燃料，即使回收單元230被放置在非正常的狀態(tài)，例如被翻轉(zhuǎn)或者類似的情況，混合燃料也可以持續(xù)地通過混合燃料管124供應(yīng)。進一步，由于鄰近陽極回收管123的入口放置了多孔材料135，所以可以防止氣體被導入到陽極回收管123。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，即使回收單元被放置在非正常狀態(tài)，例如傾斜或者翻轉(zhuǎn)，也可以防止諸如二氧化碳的氣體和混合燃料被分別導入到電學發(fā)生器的陽極電極和陰極電極。在一個實施例中，燃料電池系統(tǒng)包括可以探測燃料電池傾斜度的傳感器(未示出)。
進一步，即使燃料電池長時間未被使用，也可以防止混合燃料通過回收單元殼體中所提供的釋放管而揮發(fā)。所以，防止了燃料電池發(fā)生故障，并且因此更加有效地產(chǎn)生電。
雖然以上描述指出了本發(fā)明應(yīng)用于不同實施例時的新穎特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以對所示設(shè)備或者過程的形式和細節(jié)進行各種省略、替換或者改變，而并不脫離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求而不是之前的說明書限定。所有在權(quán)利要求的內(nèi)涵和等價范圍內(nèi)的變化都包括在其范圍中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括電發(fā)生器，被配置為基于電化學反應(yīng)產(chǎn)生電；燃料容器，被配置為存儲原始燃料；回收單元，被配置為混合i)所述原始燃料、ii)未參加所述電化學反應(yīng)的未反應(yīng)燃料、以及iii)由所述電化學反應(yīng)產(chǎn)生的水，以產(chǎn)生混合燃料，并且將所述混合燃料供應(yīng)到所述電發(fā)生器；和氧提供器，被配置為向所述電發(fā)生器供應(yīng)氧；其中所述回收單元包括殼體，與所述電發(fā)生器和燃料容器相連并互通流體；位于所述殼體內(nèi)部的釋放管，被配置為釋放從電發(fā)生器回收的氣體，并且具有延伸到殼體外部的第一端和延伸到殼體內(nèi)部的第二端；和位于所述釋放管內(nèi)的第一閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述回收單元進一步包括位于陽極回收管內(nèi)的第二閥，所述陽極回收管將所述殼體與所述電發(fā)生器的陽極電極的出口相連接，以便彼此互通流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中所述回收單元進一步包括位于陰極回收管內(nèi)的第三閥，所述陰極回收管將所述殼體與所述電發(fā)生器的陰極電極的出口相連接，以便彼此互通流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述第二閥和第三閥均包括開/管閥或止回閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其中所述第一閥包括開/關(guān)閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中所述釋放管的第二端連接到一浮子。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中所述殼體包括放置在其內(nèi)表面上并鄰近所述陽極回收管的多孔材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中所述回收單元進一步包括放置在混合燃料供應(yīng)管中的第四閥，所述混合燃料供應(yīng)管將所述殼體與所述電發(fā)生器的陽極電極的入口相連接，以便彼此互通流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中所述混合燃料供應(yīng)管與一燃料泵相連接，并且所述第四閥放置在該燃料泵之前。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中所述混合燃料供應(yīng)管與一燃料泵相連接，并且所述第四閥放置在該燃料泵之后。
11.一種驅(qū)動燃料電池的方法，包括通過第一供應(yīng)線和第二供應(yīng)線向電發(fā)生器供應(yīng)氧和含氫的混合燃料；通過電發(fā)生器中氫和氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電；在回收單元通過回收路徑回收由電化學反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)品；將包含在所述副產(chǎn)品中的氣體從所述回收單元釋放到環(huán)境中；和混合i)包含在所述副產(chǎn)品中的未反應(yīng)燃料，ii)水和iii)原始燃料，以便在向所述環(huán)境釋放氣體時生成含氫的混合燃料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在氧和含氫的混合燃料未被供應(yīng)到所述電發(fā)生器時，停止所述釋放。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中在氧和含氫的混合燃料未被供應(yīng)到所述電發(fā)生器時，關(guān)閉所述回收路徑。
14.一種用于燃料電池的燃料提供器，包括第一入口，被配置為接收第一燃料；第二入口，被配置為接收第二燃料，其中所述第一燃料和第二燃料具有彼此不同的濃度，并且第一燃料和第二燃料其中之一包括氣體；第三入口，被配置為接收水；第一出口，被配置為根據(jù)所述第一燃料和第二燃料提供混合燃料；和第二出口，被配置為釋放所述氣體，其中，所述燃料提供器被配置為選擇性地關(guān)閉所述第二出口和第三入口中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料提供器，其中所述第二出口被配置為在所述燃料電池不工作時關(guān)閉。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料提供器，其中所述第三入口被配置為在所述燃料電池不工作時關(guān)閉。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃料提供器，進一步包括傾斜度探測傳感器，其被配置為探測所述燃料電池的傾斜度。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料提供器，其中所述燃料提供器包括浮子，其被配置為僅釋放所述氣體。
19.一種驅(qū)動具有陽極側(cè)和陰極側(cè)的燃料電池的方法，該方法包括接收第一燃料；接收第二燃料，其中所述第一燃料和第二燃料具有彼此不同的濃度，并且第一燃料和第二燃料其中之一包括氣體；根據(jù)所述第一燃料和第二燃料生成混合燃料；釋放所述氣體；和從所述陰極側(cè)接收水，其中在燃料電池傾斜時不允許所述混合燃料進入所述陰極側(cè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中在所述燃料電池不工作時，不釋放所述氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有回收單元的燃料電池及其驅(qū)動方法。在一個實施例中，所述燃料電池包括i)基于電化學反應(yīng)生成電的電學發(fā)生器，ii)回收單元，用以回收并混合燃料、未反應(yīng)燃料以及由電化學反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和水，并向所述電學發(fā)生器供應(yīng)混合燃料，其中回收單元包括被配置為釋放氣體的閥，該閥根據(jù)燃料電池的工作而選擇性地開啟和關(guān)閉。采用這樣的配置，即使回收單元傾斜或者翻轉(zhuǎn)，氣體或者燃料也不會被導入電學發(fā)生器。進一步，即使燃料電池長時間不使用，也能防止混合燃料通過釋放管揮發(fā)。
文檔編號H01M8/00GK101030645SQ20071008004
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者樸程建, 金東賢 申請人:三星Sdi株式會社