CN1670995A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统，包括：分别具有阳极和阴极的一个或更多个燃料电池单元；向上述阳极供给燃料的混合罐；与上述燃料电池连接且使来自上述燃料电池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及在上述排出路上具有的、把上述排出物冷却到被控制的温度的冷却器。

Description

燃料电池系统

(相关申请的交叉引用

本申请基于并要求在先的日本专利申请No.2004-072988(2004年3月15日递交)为优先权，其全部内容在此引作参考。)

技术领域

本发明涉及从来自燃料电池层叠结构的排出液中回收水的燃料电池系统。

背景技术

直接型甲醇燃料电池(DMFC)是燃料电池的一种，可以不对甲醇改性而直接利用。一般地，直接型甲醇燃料电池具有包含多个电池单元的燃料电池层叠结构。各电池单元具有由阴极催化剂层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、以及夹在上述阴极催化剂层和上述阳极催化剂层之间的电解质膜构成的膜电极接合体(MEA)。甲醇和水的混合物被供给到阳极上，空气被供给到阴极上。作为燃料电池中的反应的结果，生成水并从阴极排出。

水是DMFC内的反应所必需的，希望能回收已生成的水。在日本专利公开公报2002-110199号中公开了有关回收从阴极排出的水的技术。根据该技术，燃料电池系统具有混合罐，该回收的水和从混合罐供给的燃料在混合罐中混合形成混合物。上述水被包含在上述混合物中被向DMFC的阳极供给。但是，被回收的水温度比较高，成为混合罐中的混合物温度上升的原因。上述温度上升使甲醇的蒸气压上升，蒸发了的甲醇在从混合罐排出的气体中散失，所以使甲醇的损失增大。

发明内容

根据本发明的第1方面，提供一种燃料电池系统，包括：分别具有阳极和阴极的一个或更多个燃料电池单元；向上述阳极供给燃料的混合罐；与上述燃料电池连接且使来自上述燃料电池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及在上述排出路上具有的、把上述排出物冷却到被控制的温度的冷却器。

根据本发明的第2方面，提供一种燃料电池系统，包括：具有一个或更多个燃料电池单元的燃料电池层叠结构；把来自上述燃料电池层叠结构的排出物排出的排出路；向上述燃料电池层叠结构供给燃料的混合罐；以及把来自上述排出物的水按被控制的量冷凝，把上述水回收到上述混合罐中的冷却器。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式1的燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方式1的变形的燃料电池系统的示意图；

图3是根据本发明的实施方式2的燃料电池系统的示意图；

图4是根据本发明的实施方式3的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的实施方式1的燃料电池系统1包括：燃料电池层叠结构3、燃料罐9、和混合罐11。燃料电池层叠结构由一个或更多个燃料电池构成，各燃料电池具有阳极5、阴极7和被夹在它们之间的膜电极接合体(MEA)。MEA包括：阴极催化剂层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阳极气体扩散层、以及夹在上述阴极催化剂层和上述阳极催化剂层之间的电解质膜(图中未示出)。无须说，在燃料电池系统1中可以包含多个阳极5和多个阴极7，但以下为了便于说明，对具有一个阳极5和阴极7的场合进行说明。

燃料罐9经由夹着泵P1的连接路13连接到混合罐11。混合罐11经由夹着泵P2的燃料供给路15连接到阳极5。流出路17把阳极5连接到混合罐11，具有阳极侧冷却器29。

在混合罐11中贮存的甲醇和水的混合物经由燃料供给路15被供给到阳极5，在反应中利用。从阳极5排出的排出气体中含有的未反应的甲醇水溶液在阳极侧冷却器29中被冷却，经由流出路17回收到混合罐11中。

混合罐11还与排气路21连接。排气路21与来自阴极7的排出路25合流，排出路25包含具有水收集罐33的阴极侧冷却器31，连通到燃料电池1的外部。水收集罐33经由夹着泵P4的连接路37与混合罐11连接，把水送到混合罐11。

还包括送风器39和41、以及通风路39A和41A。送风器39通过通风路39A向阳极侧冷却器28送空气，送风器41通过通风路41A向阴极侧冷却器31送空气。送风器39和41可分别控制送风量，控制装置43为了控制它而设置，可控制后面的冷却器29和31的冷却能力。

控制装置43构成为与和燃料电池层叠结构3的发电量、发热量等有关的状态相应地控制送风器39和41的送风量。可以用传感器(图中未示出)测定阳极侧冷却器29、阴极侧冷却器31、混合罐11或燃料电池层叠结构3周围的温度。控制装置43存储与电流或温度的值和必要的送风量之间的关系的数据有关的数据表。控制装置43基于上述传感器(图中未示出)的测定值和上述数据表，控制送风器39和41的送风量。例如，数据表具有发电电流值、温度和送风器39、41的送风马达转速之间的关系。送风马达转速影响送风量。

作为燃料在混合罐11中贮存的甲醇和水的混合物被供给到阳极5，空气被供给到阴极7，则在阳极5上发生以下反应：

在阴极7上发生以下反应：

阳极5的甲醇部分地穿过阴极7，在阴极上发生以下氧化反应：

在各电池单元中，由上述阳极反应消耗的每单位时间的甲醇(q_MeOH ^a)、每单位时间的水(q_H2O ^a)和每单位时间的二氧化碳(q_CO2 ^a)由下式表示：

$q_{\mathrm{MeOH}}^a=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{I_{c.o.}}{6F})---\left(1\right)$

$q_{H_{2}O}^a=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{n_d{I}_{\mathrm{op}}}{F}+\mathrm{\α})---\left(2\right)$

$q_{{\mathrm{CO}}_2}^a=\frac{I_{\mathrm{op}}}{6F}---\left(3\right)$

在此，F是法拉第常数，I_OP是电流，I_C.O.是由穿越的甲醇的量换算来的质子电流，n_d是每个质子上运载的水的数目，α是通过透过和扩散移动的水的摩尔通量。燃料电池层叠结构3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

在各电池单元中，由上述阴极反应消耗的每单位时间的氧气(q_MeOH ^c)、每单位时间的水(q_H2O ^c)和每单位时间的二氧化碳(q_CO2 ^c)由下式表示：

$q_{O_2}^c=(\frac{I_{\mathrm{op}}}{4F}+\frac{I_{c.o.}}{4F})---\left(4\right)$

$q_{H_{2}O}^c=(\frac{3I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{n_d{I}_{\mathrm{op}}}{F}+\frac{2I_{c.o.}}{6F}+\mathrm{\α})---\left(5\right)$

$q_{{\mathrm{CO}}_2}^c=\frac{I_{c.o.}}{F}---\left(6\right)$

燃料电池层叠结构3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

阴极7上存在的水，有成为液体的水和具有此时的温度下的饱和蒸气压的水蒸气的倾向。利用温度控制(即，在此场合下为冷却)的饱和水蒸气压的控制，成为被回收的水和被排出的水的比率的控制。

另一方面，伴随着发电(阴极反应)生成的水的量，是式(5)的右边的第一项，用下式表示：

$q_{H_{2}O\_\mathrm{pwr}}=\frac{3I_{\mathrm{op}}}{6F}---\left(7\right)$

燃料电池层叠结构3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

被允许放出到外部大气中的水的量是用式(5)减去式(2)得到项，用下式表示：

$q_{H_{2}O\_\mathrm{rls}}=(\frac{2I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{2I_{c.o.}}{6F})---\left(8\right)$

燃料电池层叠结构3由N个燃料电池构成时，应把这些值乘N。

式(8)的右边的第一项相当于式(7)的右边的2/3，第二项相当于由穿越的甲醇生成的水。即，把由电池反应产生的水的量的2/3和由穿越产生的水的总和排出到外部大气中，也是可以的。由式(7)表示的水的剩余的1/3是为了满足阳极1内必需的水的要求量必须回收的。

因此，为了回收满足必需量的水，从阴极7排出的气体中的水的饱和蒸气压P_H2O ^sat必须满足下式：

$P_{H_{2}O}^{\mathrm{sat}}\left(T_{\mathrm{fin}\_\mathrm{cathode}}\right)=\frac{N(\frac{2I_{\mathrm{op}}}{6F}+\frac{2I_{c.o.}}{6F})}{F_{\mathrm{cathode}\_\mathrm{out}}}P---\left(9\right)$

其中：T_fin-cathode是对于为了回收所必需量的水的冷凝所必需的温度，F_cathode-out是每单位时间从阴极7排出的气体的流量，P是阴极侧冷却器31内的气压。P_H2O ^sat(T)是温度T的函数，用实验评价。由此，从式(9)算出用于回收满足在燃料电池系统1内必需的量的量的水的温度T_fin-cathode。在下述式(10)中，示出了水蒸气压和温度的关系的一例。

$\ln p_{H_{2}O}^{\mathrm{sat}}\left[\mathrm{Pa}\right]=23.1964-\frac{3816.44}{-46.13+T\left[K\right]}.---\left(10\right)$

如果用利用式(9)给出的温度控制阴极侧冷却器31的温度，从阴极7排出的排出物中可以冷凝并回收必需量的水。在控制装置43的控制下，基于存储的数据表，由送风器41的送风量控制阴极侧冷却器31的温度。

如从式(9)理解的那样，随着由燃料电池层叠结构3发电的电流值，阴极侧冷却器31的必需的温度是变化的。控制装置43为了检测电流值并由此适当地控制冷却器29和31的冷却效率，控制送风器39和41的送风量。或者，用通常的温度反馈法控制冷却器31的温度。

如从上述说明理解的那样，在阳极侧冷却器29中，从从燃料电池层叠结构3排出的排出物中，不会过多或不够地回收水。即，通过把在混合罐11中贮存的作为燃料的甲醇和水的混合物供给到阳极5，把空气供给到阴极7，进行发电。此时，从阳极5排出的排出物在阳极侧冷却器29中被冷却，未反应的水和甲醇被冷却到适当的温度，回收到混合罐11中。

从阴极7排出的排出物在阴极侧冷却器31中被冷却。此时的已被冷凝了的水送到水收集罐33，过剩的排出物从排气路35排出到外部大气中。为了把从燃料罐9供给到混合罐11中的甲醇稀释，可以再利用回收到水收集罐33中的水。

因此，在燃料罐9中贮存的甲醇无须预先稀释，可以使用该浓度的甲醇。而且，用来稀释浓度大的甲醇的水罐也不需要了，由此可以整体结构简化和小型化。

阴极侧冷却器31由于通过相应于燃料电池层叠结构3的运转状况在控制装置43的控制下适当地控制送风器41，回收必需量的水，所以可以从从燃料电池层叠结构3排出的排出物，不会过多或不够地回收必需量的水。而且，由于控制装置43可以把送风器41控制成最合适的送风量，可以抑制用于驱动送风器41的电力。

阳极侧冷却器29也是，为了在控制装置43的控制下通过适当地控制送风器39，把燃料电池层叠结构3控制在一定的温度，把从阳极5排出的排出物冷却到适当的温度。

燃料电池层叠结构3伴随发电而发热。上述热作为阴极7上的水的蒸发潜热，从燃料电池层叠结构3运去。上述热还作为阳极和阴极供给物的显热从燃料电池层叠结构3运去。这些热主要从阳极侧冷却器29和阴极侧冷却器31中的排出物散热，还从燃料电池层叠结构3和混合罐11这两者散热。由此，燃料电池层叠结构3的温度被控制在适当的范围内。

上述第一实施方式可以象图2那样变形。根据该变形，一个送风器41向阳极侧冷却器29和阴极侧冷却器31这两者供给分配空气。空气的分配，通过预定的送风量进行，或者也可以是送风通路41A和42B分别具有调量圈等分别调节送风量。本变形具有与上述本发明的实施方式1实质上相同的效果。

以下参照图3说明本发明的实施方式2。

图3中，为了便于说明，把阳极5和阴极7作成相互分离进行了描述，但它们也可以与夹在它们之间的MEA共同形成为一体。而且，虽然图3中没有示出送风器39和41，也可以与图1和2中示出的上述实施方式1同样地具有它们。

开闭阀V1夹在燃料罐9和泵P1之间。泵P1连接到连接路13。连接路13把阳极5连接到阳极侧冷却器29。阳极侧冷却器29具有多个散热扇29A，其尺寸构成为接受从送风器39(图3中未示出)送来的风。气液分离膜27夹在连接路13和冷却器29之间。排气路27A与来自混合罐11的排气路21连接合流。

气液分离膜11A设置在混合罐11和排气路21的连接部上。

排气路21与来自阴极7的排出路25连接，在排气路21和排出路25的连接部的上游具有开闭阀V2。

根据这样构成的本发明的实施方式2的燃料电池系统1，可以冷凝水蒸气回收水和甲醇，而且在返回混合罐11时可以把它们冷却到充分的低温。由此，把混合罐11保持在比较低的温度。

阴极侧冷却器31具有多个散热扇31A，其尺寸构成为接受从送风器41(图3中未示出)送来的风，连接到排气路35。排气路35具有开闭阀V3，与开闭阀V3的下游的排气路45连接。排气路45与水收集罐33连接，绕过阴极侧冷却器31。排气路45具有开闭阀V4。排气路35还依次具有用来吸收除去挥发性有机物质(VOC)的吸收装置47、开闭阀V5。把水收集罐33与混合罐11连通的连接路37具有检查阀CV。

送气通路49与排出路25连接，由此导通到水收集罐33。送气通路49具有过滤器51、用于送风的泵P5、和开闭阀V6。

为了向阴极7供给空气，具有空气供给路23。空气供给路23具有过滤器53和开闭阀V7。

从燃料罐9供给的浓度大的燃料与从阳极5排出的排出流体在阳极侧冷却器29中混合，由此燃料和排出物在到达混合罐11的过程中充分地混合成为均匀的浓度。

由于排气路45具有绕过阴极侧冷却器31的绕路的功能，阴极侧冷却器31把来自阴极7的排出物的一部分通过排气路45直接排出到大气中。在外部气温比较低的场合，阴极侧冷却器31中过剩量的水冷凝时，通过打开开闭阀V4，关闭开闭阀V3，防止水的过冷凝。而且，如果通过送气通路49在外部大气导入到水收集罐33，导致阴极侧冷却器31中的流量增加，伴随流动的上述量增加，冷凝水的量减少。

相反，冷凝水的量不足时，通过增加送风器41的送风量，增加冷却效率，可以增加上述水量。

如从上述说明理解的那样，由于可以把回收的水量保持在适当的范围内，可以使用浓度大的燃料，可以把它贮存在燃料罐9中。在混合罐11中贮存的甲醇和水的混合物保持在比较低的温度，由此抑制了从混合罐11排出的气体中含有的水和甲醇的蒸气，从而提高了燃料效率。

如图4所示，根据本发明的实施方式3，则还具有：海绵之类的发泡体55、具有开闭阀V8的连接路57、送风器59、发泡体55吸收由水的集罐收集的回收水，送到连接路57。送风器59构成为用来向发泡体55送风。阴极侧冷却器31中的过剩量的水冷凝时，通过打开开闭阀V8，向被吸收的水送空气，就可以把上述水部分地放到外部大气中。

该构成具有与本发明的上述各实施方式实质上相同的效果，而且还可获得由发泡体55导致的放出水的效果。

虽然利用优选的实施例说明了本发明，但本发明不限于上述实施例。本领域普通技术人员可以基于上述公开内容对实施例修改或变形后实施本发明。

Claims (21)

1、一种燃料电池系统，包括：

分别具有阳极和阴极的一个或更多个燃料电池单元；

向上述阳极供给燃料的混合罐；

与上述燃料电池连接且使来自上述燃料电池的排出物流到上述混合罐的排出路；以及

在上述排出路上具有的、把上述排出物冷却到被控制的温度的冷却器。

2、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

与上述冷却器连通且收集从上述排出物冷凝得到的水的收集罐；以及

使上述收集罐与上述混合罐连通的连接路。

3、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中：

上述燃料是甲醇和水的混合物。

4、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

向上述冷却器可控制地送风的送风器。

5、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

为了把上述排出物控制到上述被控制的温度而控制上述送风器的控制装置。

6、如权利要求5所述的燃料电池系统，其中：

上述控制装置具有数据表，根据该数据表控制上述送风器，上述数据表与上述燃料电池单元发电的电流值和由上述送风器送风的流量的关系有关。

7、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中：

上述被控制的温度被确定为用来除去作为来自上述排出路的排出气中含有的水的潜热、来自上述冷却器中的上述排出气的散热、来自上述燃料电池单元的散热、和来自上述混合罐的散热的上述燃料电池单元发出的热。

8、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中：

上述被控制的温度被确定为用来使满足上述燃料电池内的要求的量的水冷凝。

9、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

把上述排出路连接到上述混合罐且绕过上述冷却器的绕路流路。

10、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中还包括：

连接上述送风器和上述冷却器的通风路。

11、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中还包括：

把上述已被冷凝了的水作为蒸气放出的水放出体。

12、一种燃料电池系统，包括：

具有一个或更多个燃料电池单元的燃料电池层叠结构；

把来自上述燃料电池层叠结构的排出物排出的排出路；

向上述燃料电池层叠结构供给燃料的混合罐；以及

把来自上述排出物的水按被控制的量冷凝，把上述水回收到上述混合罐中的冷却器。

13、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中：

上述燃料是甲醇和水的混合物。

14、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中还包括：

向上述冷却器可控制地送风的送风器。

15、如权利要求14所述的燃料电池系统，其中还包括：

为了控制上述被控制的量而控制上述送风器的控制装置。

16、如权利要求15所述的燃料电池系统，其中：

上述控制装置具有数据表，根据该数据表控制上述送风器，上述数据表与上述燃料电池单元发电的电流值和由上述送风器送风的流量的关系有关。

17、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中：

上述被控制的量被确定为用来除去作为来自上述排出路的排出气中含有的水的潜热、来自上述冷却器中的上述排出气的散热、来自上述燃料电池单元的散热、和来自上述混合罐的散热的上述燃料电池单元发出的热。

18、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中：

上述被控制的量被确定为用来满足上述燃料电池内的要求。

19、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中还包括：

把上述排出路连接到上述混合罐且绕过上述冷却器的绕路流路。

20、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中还包括：

连接上述送风器和上述冷却器的通风路。

21、如权利要求12所述的燃料电池系统，其中还包括：

把上述已被冷凝了的水作为蒸气放出的水放出体。

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