燃料电池系统技术方案

本发明专利技术提供一种燃料电池系统。根据本发明专利技术示范性实施例的燃料电池系统包括：燃料电池堆叠，通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能；燃料供应单元，用于供应燃料到燃料电池堆叠；氧化剂供应单元，用于供应氧化剂到燃料电池堆叠。燃料供应单元包括燃料渗透膜，该燃料渗透膜在设置从燃料电池堆叠回收的燃料的空间与设置储存燃料的空间之间。该燃料电池系统能够易于控制供应到燃料电池堆叠的燃料的浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是利用燃料(氢气或重整气)和氧化剂(氧气或空气)电化学地产生能 量的装置。燃料(氢气或重整气)和氧化剂(氧气或空气)从电池外部持续供应并通过电 化学反应转化成电能。纯氧气或含有大量氧气的空气被用作燃料电池的氧化剂。纯氢气或含有大量氢气 的燃料(其通过重整碳氢化合物基燃料(LNG、LPG、CH30H等)而产生)被用作燃料。为了便于解释和理解，将主要描述直接甲醇燃料电池(DMFC)。直接甲醇燃料电池 供应高浓度甲醇燃料到燃料电池堆叠以通过与氧气的反应而产生电。直接甲醇燃料电池 使用高浓度燃料以增大能量重量密度(energyweight density) 0当使用高浓度燃料时，直 接甲醇燃料电池将高浓度燃料与回收的燃料混合，并将适当浓度的燃料供应到燃料电池堆 叠。供应燃料到燃料电池堆叠的方案分为主动方案和被动方案。在主动方案中，使用 燃料泵将燃料供应到燃料电池堆叠。在被动方案中，通过利用毛细现象或废气向燃料盒加 压从而将燃料供应到燃料电池堆叠。主动方案根据燃料电池系统的条件有利地控制燃料的浓度和流速。然而，主动方 案的缺点是需要诸如燃料泵、再循环泵、流速传感器、浓度传感器等的器件，从而增大了燃 料电池系统的体积、重量和能耗。具体地，需要高精泵以精确控制流速，但是这种高精泵昂 贵且依赖流速的变化而易于出故障。相反，被动方案能够减小燃料电池系统的体积、重量和能耗，这是因为仅利用被动 物理现象供应燃料而不需要泵或传感器。然而，不能精确控制流速，从而显著降低燃料电池 系统的效率或导致对燃料电池系统的永久损坏。此外，被动方案目前不能控制大流速，使得 难以在高输出燃料电池系统中采用被动方案。在本
技术介绍
部分中公开的信息被单独呈现以增强对本专利技术背景的理解，因此可 以包含不是本领域技术人员知晓的现有技术的一部分的信息。
技术实现思路
根据本专利技术一个实施例，采用低功率向燃料电池系统供应燃料。本专利技术的示范性实施例提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池 堆叠、供应燃料到燃料电池堆叠的燃料供应单元和供应氧化剂到燃料电池堆叠的氧化剂供 应单元。燃料电池堆叠通过燃料和氧化剂的电化学反应来产生电能。燃料供应单元包括燃料渗透膜，该燃料渗透膜安装在燃料回收腔(fuelrecovery chamber)和燃料储存腔之间。燃料储存腔容纳具有第一浓度的燃料，燃料回收腔允许从燃 料电池堆叠回收的具有第二浓度的燃料的通过。第一浓度高于第二浓度。燃料渗透膜可以是反渗透膜(reverse osmosismembrane)，其选择性渗透储存燃料，也就是，其仅允许储存 燃料(具有第一浓度)通过该膜。燃料供应单元可以包括燃料储存腔，该燃料储存腔根据 储存燃料的体积变化而膨胀和收缩。燃料储存腔容纳储存燃料并包括连接到燃料回收腔的通道，燃料回收腔包括被回 收的燃料通过其循环的通道。燃料渗透膜可以设置在燃料储存腔和燃料回收腔之间。在备选的实施例中，浓度控制器可以连接到燃料储存腔。浓度控制器可以包括第 二燃料储存腔、燃料渗透膜和燃料回收腔。第二燃料储存腔接收来自第一燃料储存腔的具 有第一浓度的燃料，燃料渗透膜安装在第二燃料储存腔和回收腔之间。根据本专利技术实施例，燃料能够稳定地供应到燃料电池堆叠并在燃料传送时使功耗 最小化。此外，通过减小系统中部件的数量能够减小制造成本。附图说明图1为根据本专利技术实施例的燃料电池系统的示意图。图2为图1的燃料电池系统的燃料电池堆叠的结构的分解透视图。图3为根据本专利技术实施例的浓度控制器的分解透视图。图4为根据本专利技术另一实施例的燃料电池系统的示意图。图5为根据本专利技术实施例的浓度控制器的截面图。图6为示出在根据本专利技术实施例的燃料电池系统中燃料浓度与回收燃料的流速 之间的关系的曲线图。图7为示出在根据本专利技术实施例的燃料电池系统中燃料浓度的平均值和标准偏 差根据回收燃料的流速的曲线图。具体实施例方式图1为根据本专利技术示范性实施例的燃料电池系统的构造的示意图。参照图1，燃 料电池系统100可以是直接甲醇燃料电池(DMFC)，其通过甲醇和氧气的直接反应而产生电 能。然而，本专利技术不限于DMFC。例如，根据本专利技术示范性实施例的燃料电池系统可以是直接 氧化燃料电池，其使液态或气态的含氢燃料(例如，乙醇、LPG、LNG、汽油、丁烷气等)与氧气 反应。燃料电池系统100中所用的燃料通常为液态或气态的碳氢化合物基燃料，例如甲 醇、乙醇、天然气、LPG等。此外，燃料电池系统100可以使用存储在外部储存容器中的氧气或者空气作为与 氢基燃料反应的氧化剂。根据示范性实施例，燃料电池系统100包括燃料电池堆叠30，用于使燃料与氧化 剂反应以产生能量；燃料供应单元10，用于供应燃料到燃料电池堆叠30 ；氧化剂供应单元 20，用于供应氧化剂到燃料电池堆叠30;回收单元40，用于回收未反应的燃料和从燃料电 池堆叠30排出的水蒸气以及将未反应的燃料和水蒸气再供应到燃料电池堆叠30。燃料供应单元10连接到燃料电池堆叠30并包括燃料储存腔12以及连接到燃料 储存腔12的浓度控制器19。下文将更详细描述燃料供应单元10。氧化剂供应单元20连接到燃料电池堆叠30并包括氧化剂泵25，氧化剂泵25吸入外部空气并将外部空气供应到燃料电池堆叠30。图2为图1所示的燃料电池堆叠的结构的分解透视图。参照图1和图2，燃料电 池系统100中的燃料电池堆叠30包括多个电产生单元35，其通过引起燃料与氧化剂的氧 化和还原反应来产生电能。每个电产生单元35代表产生电的单元电池，并包括膜电极组件 (MEA) 31 (其氧化燃料并还原氧化剂中的氧气)以及隔板(也称为双极板)32和33 (其供应 燃料和氧化剂到膜电极组件)。在电产生单元35中，隔板32和33设置在膜电极组件31周围且在其两侧。膜电 极组件31包括设置在其中央的电解质膜、设置在电解质膜一侧的阴极电极以及设置在电 解质膜另一侧的阳极电极。隔板32和33彼此靠近，膜电极组件31设置在隔板之间。隔板32和33的每个在 膜电极组件31两侧具有燃料通道和空气通道。燃料通道设置在膜电极组件31的阳极电极 处，空气通道设置在膜电极组件31的阴极电极处。此外，电解质膜能够使离子交换，其中从 阳极电极产生的氢离子移动到阴极电极并在阴极电极处与氧结合而产生水。在燃料电池系统100中，多个电产生单元35被依次布置以形成燃料电池堆叠30。 用于固定燃料电池堆叠30中的电产生单元的端板37和38安装在燃料电池堆叠30的最外 部。用于将燃料供应到燃料电池堆叠30的第一入口 37a和用于将氧化剂供应到该堆 叠的第二入口 37b形成在一个端板37中。此外，第一出口 38a和第二出口 38b形成在另一 个端板38中，第一出口 38a用于排出在膜电极组件31的阳极电极处反应后剩余的未反应 燃料，第二出口 38b用于排出膜电极组件31的阴极电极处氢与氧的键合反应所产生的水蒸 气和未反应的空气。回收单元40包括气液分离器(gas-liquid s印arator) 45，气液分离器45收集从 出口 38a和38b排出的流体并将该流体分离成气体和液体。气液分离器45安装在燃料电 池堆叠30的出口端，并可以包括离心泵或电动力泵。气液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料供应单元，用于供应燃料到燃料电池系统的燃料电池堆叠，所述燃料供应单元包括：燃料储存腔，构造为容纳具有燃料的第一浓度的储存燃料；燃料回收腔，构造为允许具有燃料的第二浓度的回收燃料通过，其中所述第二浓度小于所述第一浓度；和燃料渗透膜，在所述燃料储存腔与所述燃料回收腔之间，所述燃料渗透膜构造为使所述储存燃料通过而到达所述燃料回收腔。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗永承，宋仁燮，郑永秀，宋美贞，赵慧贞，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]