[發(fā)明專利]燃料電池系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910002980.8
• 申請日: 2009-01-23
• 公開（公告）號: CN101494291A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 樸程建;金東賢;河明珠
• 申請（專利權(quán)）人: 三星SDI株式會社
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所
• 代理人: 張 波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，特別是，設(shè)計為更加有效地重復(fù)利用包含在燃料電池系統(tǒng)的燃料循環(huán)中的濕氣且具有無向性(orientation?freefunctionality)的燃料電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)

燃料電池系統(tǒng)設(shè)計為通過氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能。燃料電池根據(jù)所使用的燃料不同分成各種類型，例如，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)等。

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池采用氫離子交換聚合物膜作為電解質(zhì)膜。包含氫的燃料與其中包含氧的氧化氣體進行電化學(xué)反應(yīng)，從而連續(xù)產(chǎn)生電能和熱。與其它類型的燃料電池相比，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池典型地顯示出極好的輸出特性，并且運行溫度很低。另外，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池與其它類型的燃料電池相比，啟動和響應(yīng)較快。采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)用于各種用途，例如，便攜式電源或者電池替代電源(battery-alternative?power)。燃料電池系統(tǒng)通常設(shè)計為給每個燃料電池堆提供氧化氣體和燃料。

在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，諸如甲醇的液化燃料直接供給每個燃料電池堆而沒有采用燃料重整器(fuel?reformer)。聚合物電解質(zhì)膜燃料電池容放液化燃料和空氣，并且通過燃料的氧化反應(yīng)和其中的氧化氣體的還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能。采用聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的燃料電池系統(tǒng)典型地具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，并且因此已經(jīng)用于便攜式電源和小型電源。

在上述燃料電池系統(tǒng)中，在燃料與氧化氣體電化學(xué)反應(yīng)后，沒有反應(yīng)的燃料和二氧化碳(CO₂)通過陽極出口排放，而沒有反應(yīng)的氧化氣體和水通過陰極出口排放。為了重復(fù)利用沒有反應(yīng)的燃料，二氧化碳被單獨排放，而沒有反應(yīng)的燃料再循環(huán)到燃料電池堆。此外，沒有反應(yīng)的氧化氣體單獨排放，而電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水(濕氣)與沒有反應(yīng)的燃料混合，并且提供給燃料電池堆。

在燃料電池系統(tǒng)中，電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的濕氣通過陰極出口排放，混有沒有反應(yīng)的氧化氣體。因此，為了重復(fù)利用水(濕氣)，典型的燃料電池系統(tǒng)包括燃料重復(fù)利用設(shè)備，用于將濕氣與氧化氣體分離。燃料重復(fù)利用設(shè)備將從燃料電池堆排放的沒有反應(yīng)的氧化氣體冷卻到預(yù)定溫度或者更低，以將包含在氧化氣體中的濕氣凝縮成液態(tài)水，從而濕氣和氧化氣體能由重力而彼此分離。

例如，當(dāng)具有直接甲醇燃料電池的燃料電池系統(tǒng)用作便攜式或者小型電源時，燃料重復(fù)利用設(shè)備會搖動或者旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，從沒有反應(yīng)的氧化氣體分離出來的水會與沒有反應(yīng)的氧化氣體再度混合，或者泄漏出燃料電池系統(tǒng)。這類問題通常稱為“低無向性(low?orientation?free?performance)”。就是說，因為典型的燃料電池系統(tǒng)具有低無向性，所以降低了典型燃料電池系統(tǒng)的功效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的示范性實施例提供燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)設(shè)計為將電化學(xué)反應(yīng)利用后從燃料電池主體中排放出來的流體分離成液態(tài)流體和氣態(tài)流體。

本發(fā)明的示范性實施例還提供具有極好無向性的燃料電池系統(tǒng)，其將流體分離成液體和氣體，而不受燃料電池系統(tǒng)搖動和轉(zhuǎn)動的影響。

一些實施例所提供的燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池堆；第一氣體/液體分離單元；第二氣體/液體分離單元；以及緩沖管線。燃料電池堆包括用于供給燃料的陽極進口、將用過的和沒有反應(yīng)的燃料排放出來的陽極出口、供給氧化劑的陰極進口和將沒有反應(yīng)的氧化劑和水蒸氣排放出來的陰極出口。陽極出口流體連接到第一氣體/液體分離單元的進口，在這里將沒有反應(yīng)的燃料與二氧化碳分離。陰極出口流體連接到第二氣體/液體分離單元的進口，在這里氣體與液態(tài)的水分離。第一和第二氣體/液體分離單元的出口流體連接到緩沖管線。緩沖管線的出口流體連接到燃料電池堆的陽極進口。在一些實施例中，緩沖管線包括蛇管或者盤管，其成型為適合于在緊湊的體積內(nèi)。緩沖管線的體積根據(jù)燃料電池堆疊的容量來選擇，以容納燃料電池堆排放的沒有反應(yīng)的燃料和水的體積。燃料電池系統(tǒng)的實施例顯示出無向運行。