专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，并特别涉及一种用来处理堆所产生的水分的燃料电池系统的结构。
背景技术：
燃料电池作为一种产生电的系统而被广泛熟知，它通过氧或含氧空气与诸如甲醇和天然气的烃基物质中含有的氢之间的电化学反应，直接将化学能转化为电能。更具体地，燃料电池具有一种特征，即它能产生通过氢氧之间的电化学反应而不燃烧来产生的电，并且提供可同时加以利用的作为副产品的热。
根据所用电解质的种类，燃料电池分为以下几类工作在约150℃到200℃温度的磷酸盐(或磷酸)燃料电池，工作在约600℃到700℃高温的熔融碳酸盐燃料电池，工作在约1000℃或更高温度的固态氧化物燃料电池，工作在室温或者100℃或更低的温度的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFCpolymer electrolyte membrane fuel cell)和碱性燃料电池。这些燃料电池基本上基于相同原理工作，但在燃料种类、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。
与其它燃料电池相比，最近发展的PEMFC具有优越的输出特性、低工作温度、以及快速启动与响应特性，并且使用通过重整甲醇、乙醇和天然气等得到的氢。因此，PEMFC的应用范围广泛，例如车辆用移动电源、家庭或建筑物用分布式电源、以及电子设备用小型电源。
上述PEMFC具有燃料电池主体(以下称堆(stack))、燃料容器(fuel tank)、和从燃料容器向堆供应燃料的燃料泵，从而构成一个常规系统。这样的燃料电池还包括重整器(reformer)，用于重整燃料来生成氢气并将氢气供应到堆。因此，在PEMFC中，通过燃料泵的抽汲功率(bumping power)将储存在燃料容器中的燃料供应到重整器。然后重整器重整燃料从而生成氢气。堆使氢气和氧气相互进行电化学反应，从而产生电能。
可选地，这样的燃料电池也可以使用直接甲醇燃料电池(DMFC)方案来直接向堆供应含氢的液体燃料从而产生电。与PEMFC不同，采用DMFC方案的燃料电池不需要重整器。
在上述燃料电池系统中，实际产生电的堆具有几个或几十个单元电池(unit cell)构成的堆叠结构，每个单元电池具有膜电极组件(MEAmembrane-electrode assembly)和隔板(separator)(或双极板bipolar plate)。MEA具有其中阳极电极和阴极电极通过它们之间的电解质膜相互结合的结构。隔板同时执行通过其供应燃料电池反应所需的氧气和氢气的通道的功能以及串联连接每个MEA的阳极电极和阴极电极的导体的功能。
因此，通过隔板，氢气供应到阳极电极，氧气(或者含氧的空气)供应到阴极电极。在阳极电极上发生氢气的氧化反应，并且在阴极电极上发生氧气的还原反应。由于此时产生的电子的运动，因此能够同时获得电、热和水。
这里，穿过隔板供应到MEA阴极的空气中有一部分参与了反应，而其它未参与反应的空气被排出。排出的空气含有大量在产生电时生成的水分。在传统的燃料电池系统中，当把含有大量水分的未反应(或未参与)空气直接排放到温度相对较低的大气中时，未反应空气与大气接触，其所含有的水分因此会凝结。
结果，传统的燃料电池系统还需要一个附加的装置，用来存储和再循环未反应空气中的水分凝结时产生的水。所以，这就不可能使整个系统的体积紧凑，并且由于附加装置的运转的热或电负载还施加到系统从而降低了系统的效率和性能。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统，具有能够蒸发含在堆所排出的未反应空气中的水分并将蒸发的水分排出的结构。
根据本发明的一示范性实施例，提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括堆，用于通过氢氧之间的电化学反应产生电能；燃料供应单元，用于向堆供应燃料；空气供应单元，用于向堆供应空气；以及蒸发单元，其与堆相连并用来蒸发从堆排出的水分。
蒸发单元可以由通过毛细作用吸收水分的多孔部件构成。
蒸发单元可以包括主体和在主体中形成的毛细管道，毛细管道有入口和与入口相通的出口。
可以在主体中形成多个毛细管道，并且这些毛细管道的出口可以形成一个槽形出口(grooved exit)。
其中形成有多个毛细管道的主体可以括一个连通各出口的沟槽从而形成一个槽形出口。
可以包括具有第一区域通道的第一区域和从第一区域延伸并具有第二通道区域的第二区域，其中第一区域通道从毛细管道中的该至少一个的入口向毛细管道中的该至少一个的出口逐渐变窄，第二通道区域从第一区域向毛细管道的该至少一个的出口逐渐扩大。
该燃料电池系统还可以包括一个与主体相连的加热器，加热毛细管道中的至少一个的出口周围的区域。
加热器可以设置在主体的对应第二区域的部分上。
堆和蒸发单元可以通过设置在它们之间的流动通道彼此连接。
燃料供应单元可以包括存储燃料的燃料容器和连接到燃料容器的燃料泵。
空气供应单元可以包括抽吸外部空气的气泵。
用于重整燃料供应单元所供应的燃料从而生成含氢气体的重整器设置在燃料供应单元和堆之间，并与燃料供应单元和堆相连。
该燃料电池系统可以采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)方案或者直接甲醇燃料电池(DMFC)方案。
图1是示出了根据本发明一实施例的燃料电池系统的示意图。
图2是示出了图1所示堆的分解透视图。
图3是示意性示出了图1所示蒸发单元的分解透视图。
图4是示出了图3所示组合结构的截面图。
具体实施例方式
根据本发明的燃料电池系统的示范性实施例采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)方案，其中通过重整含氢燃料生成氢气，并且通过氢气和氧气之间的电化学反应产生的化学能直接转化为电能。
另外，根据本发明的燃料电池系统的示范性实施例可以采用直接甲醇燃料电池(DMFC)方案，其中直接将液体燃料供应到堆。
在下文中，将阐述采用PEMFC方案的燃料电池系统的示范性实施例，这只是为示范目的而本发明并非局限于此。在该示范性实施例中，用于产生电的燃料除了烃基或醇基燃料如甲醇、乙醇和/或天然气外，还包括水和氧。在下面的描述中，液体燃料指烃基或醇基燃料或者是烃基或醇基燃料与水的混合物的混合燃料。另外，存储在附加存储装置中的纯氧可以用作氧燃料，或者含氧的空气可以用作氧燃料。下文中，将阐述其中使用外部空气作为氧燃料的燃料电池系统的示范性实施例。
参考图1，依照本发明实施例的燃料电池系统100包括用来重整液体燃料而生成氢气的重整器30。堆10将重整器30生成的气体(或氢)和外部空气之间的化学反应能转化为电能，从而产生电。燃料供应单元50向重整器30供应液体燃料。空气供应单元70向堆10供应外部空气。
重整器30通过重整反应将液体燃料转变为产生电所需的氢气，并去除与氢气混在一起的一氧化碳。通常，重整器30包括一个用来重整液体燃料来生成氢气的重整部，以及用来从氢气中去除一氧化碳的一氧化碳去除部。通过催化反应如气相重整(vapor reformation)、部分氧化或自热反应(autothermal reaction)，重整部将燃料转变为富含氢的重整气(reformed gas)。通过催化反应如水煤气变换反应和CO优先氧化(preferential CO oxidation)、或者使用分离隔膜的提纯氢的方法，一氧化碳去除部从重整气中去除一氧化碳。
燃料供应单元50连接到重整器30，并包括存储燃料的燃料容器51和连接到燃料容器51的燃料泵53。燃料供应单元50和重整器30可以通过第一供应管道81彼此连接。
空气供应单元70连接到堆10，并包括一个以预定抽汲功率抽吸外部空气的气泵71。堆10和空气供应单元70可以通过第二供应管道82连接。
图2是示出了图1所示堆10的结构的分解透视图。
参考图1和图2，燃料电池系统100中所用的堆10包括多个电产生器(electricity generator)11，电产生器11在通过重整器30重整得到的氢气和外部空气之间诱发氧化还原反应，从而产生电能。
每个电产生器11构成一个用于产生电的单元电池，并且包括用来氧化/还原氢气和包含在空气中的氧气的膜电极组件(MEA)12、以及用来向MEA12中供应氢气和空气的隔板16。在每个电产生器11中，MEA 12设置在中心位置，而隔板16分别设置在MEA 12的两表面上。
堆10通过连续堆叠电产生器11而构成。输入端板13和输出端板13′设置在堆10的两端并用于通过把它们固定到堆10上来支撑电产生器11。
MEA 12具有其中阳极电极和阴极电极设置在MEA 12的电解质膜的两表面上的结构。阳极电极通过隔板16供应以氢气，并且包括催化层和气体扩散层(GDL)，催化层用于通过氧化反应将氢气转化为电子和氢离子(或正离子或质子)，气体扩散层用来平稳转移电子和氢离子。阴极电极通过隔板16供应以空气，并且包括催化层和气体扩散层，催化层用于通过还原反应将包含在空气中的氧气转化为电子和氧离子，气体扩散层用来平稳转移电子和氧离子。电解质膜由固态聚合物电解质制成，具有50到200μm的厚度，并且具有把在阳极电极的催化层产生的氢离子转移到阴极电极的催化剂层的离子交换功能。
隔板16具有将MEA 12的阳极电极和阴极电极彼此串联连接起来的导体的作用。另外，隔板16具有通道的作用，将MEA 12的氧化/还原反应所需的氢气和空气提供到阳极电极和阴极电极中。供应MEA 12的氧化/还原反应所需的气体的流动通道17形成在隔板16的表面。
特别地，隔板16设置在MEA 12的两表面上而MEA 12插在在它们之间，并与MEA 12的阳极电极和阴极电极紧密接触。向阳极电极供应氢气以及向阴极电极供应空气的流动通道17，形成在隔板16的与MEA 12的阳极电极和阴极电极紧密接触的表面中。
端板13和13′分别设置在堆10的最外层表面上，并也可以作为隔板(双极板)16(除了用来把电产生器压在一起以外)。端板13和13′分别与MEA12的阳极电极或阴极电极紧密接触。向任一电极供应氢气或空气的流动通道17形成在与MEA 12紧密接触的端板13或13′的表面上。
特别地，端板13包括第一供应管13a和第二供应管13b，第一供应管13a用于向隔板16的流动通道17中供应从重整器30生成的氢气，第二供应管13b用于向其它流动通道17注入空气。端板13′包括第一排放管13c和第二排放管13d，第一排放管13c用于排出未参与反应并最后留在多个电产生器11内的氢气，第二排放管13d用于排出最后留在多个电产生器11内的未反应的空气和产生电时产生的水分。更具体地参考图1，端板13的第一供应管13a和重整器30可以通过第三供应管道83彼此连接。端板13的第二供应管13b和空气供应单元70可以通过前文所述的第二供应管道82彼此连接。
当具有上述结构的燃料电池系统100工作时，一部分供应到堆10的空气参与反应产生电，另一部分未参与反应(或未反应的)空气与大量在产生电时生成的水分一起通过端板13′的第二排放管13d排出。此时，当未反应的空气从堆10的第二排放管13d排出时(即，含有大量水分的空气排放到温度相对较低的大气中)，未反应空气中含有的水分会接触到空气并凝结。
然而，根据本发明的示范性实施例，燃料电池系统100包括蒸发单元90，能够蒸发堆10产生电时从排放管13d排出的未反应空气中的水分，并将蒸发的未反应空气中的水分向外部排出。
图3是分解透视图，其示意性地示出了图1所示的本发明示范性实施例的蒸发单元90的结构。图4是示出了根据本发明示范性实施例的图3的组合结构的截面图。
参考图1至4，蒸发单元90具有这样一种结构，其中从堆10排出的未反应空气中所含有的水分能够通过毛细作用和渗透作用流过蒸发单元90，并且所述水分能够在所述水分由预定的热源蒸发的状态排放到外部。
蒸发单元90包括主体91和主体中形成的毛细管道93，毛细管道93具有入口93a和与入口93a相通的出口93b。
主体91可以安装在移动电子仪器或移动电话的外壳(external case)上。主体91可以是具有预定长度、宽度和厚度的矩形板形状，并且可以由具有热导性的多孔金属制成。外壳的其上安装有主体91的安装位置(未示出)可以具有多个排气孔，用来把蒸发单元90蒸发后的气体排放到外壳的外部。
毛细管道93是流体流动通道，从堆10的第二排放管13d排出的未反应空气(含有大量水分)流过它，并且沿着主体91的纵向(图3中Y轴的方向)形成在主体91的内部。在毛细管道93中，基于宽度方向(图3中X轴的方向)，入口93a形成在图3的左侧，与入口93a相通的出口93b形成在图3的右侧。在本发明的示范性实施例中，在主体91中形成了许多毛细管道93。
更具体地，参考图1和图4，每个毛细管道93包括其通道从入口93a侧向出口93b侧逐渐变窄的第一区域A，以及从第一区域A延伸并且其通道向出口93b端逐渐扩大的第二区域B。这里，入口93a可以通过第四供应管道84与堆10的第二排放管13d相连通。
各个毛细管道93的多个出口93b连到形成在主体91的一侧面的其中设置有出口93b的沟槽91a，并相互连通。出口93b也与外壳上的通孔(未示出)相连通。另外，芳香族材料(aromatic material)(未示出)可以施加在毛细管道93的内表面上。
按照蒸发单元90的结构，在工作中，从堆10的第二排放管13d排出的未反应空气(含有大量水分)，通过毛细作用经多孔入口93a供应到第一区域A，流过第二区域B，并从毛细管道93的出口93b排出。结果，当含有较高温度水分的未反应空气从出口93b排出时，由于出口93b在直径上大于入口93a并且与通孔相连通，所以未反应空气的温度通过与外部空气的接触而降低，并且可以容纳未反应空气中的水分的空气量迅速增加。因此，能够通过通孔以气态(与凝聚态相比)排出未反应的空气。
另外，蒸发单元90可以包括用来加热主体91的加热器95。加热器95可以设置在主体91的对应毛细管道93第二区域B的上和下表面上。加热器95包括其中内置有连接到预定功率源(power source)(未示出)的热线(hot-wire)96的加热板97。当对应第二区域B的主体91被加热时以及未反应空气通过毛细作用从第一区域A流过第二区域B而被蒸发时，加热器95具有加速蒸发的作用。
在本发明中，加热器95分别设置在主体91的对应毛细管道93第二区域B的上和下表面上。然而，本发明并不局限于此，加热器95也可以沿主体91的纵向，分别设置在主体91的对应毛细管道93第二区域B的两侧面上。此外，加热器95也可以分别设置在主体91的对应毛细管道93第二区域B的上和下表面及两个侧面上。
下面将详细描述根据本发明示范性实施例的具有上述结构的燃料电池系统的工作。
首先，燃料泵53通过第一供应管道81将存储在燃料容器51中的液体燃料供应到重整器30中。这时，重整器30通过蒸汽重整器(SRsteamreformer)催化反应从燃料产生氢气，并通过水煤气变换(WGSwater-gasshift)催化反应或者一氧化碳优先氧化(PROXpreferential CO oxidation)催化反应来降低氢气中含有的一氧化碳的浓度。
然后，降低了其中所含一氧化碳浓度的氢气通过第三供应管道83从重整器30供应到第一供应管13a中。这时，氢气通过隔板16供应到MEA 12的阳极电极。
同时，气泵71通过第二供应管道82将外部空气供应到堆10的第二供应管13b中。这时，外部空气通过隔板16供应到MEA 12的阴极电极。
因此，当通过第一供应管13a供应了氢气，并通过第二供应管13b供应了外部空气后，堆10按照如下化学反应生成电、热和水。
阳极反应阴极反应总反应按照化学反应，氢气通过隔板16供应到MEA 12的阳极，并且空气供应到阴极。当氢气流过阳极时，氢被催化剂层(catalytic layer)催化转变为电子和质子(氢离子)。当质子经过电解膜后，电子、氧离子和质子在催化剂的帮助下合成而生成水。阳极产生的电子不能通过电解质膜，而是通过外部电路转移到阴极。通过这些过程产生了电、水和热。
在经历上述过程期间，供应到堆的外部空气中一部分参与反应而产生电，而其它未参与反应的空气通过第二排放管13d与产生电时生成的水分一起排出。这时，含有大量水分的未反应空气可以通过气泵71的抽汲功率排放到堆10的第二排放管13d。
根据本实施例，经第二排放管13d排放的未反应空气通过第四供应管道84供应到毛细管道93的多孔入口93a。这时，未反应空气到达多孔入口93a并通过毛细管道93的毛细作用经多孔入口93a供应到第一区域A。
在毛细管道93中，由于从第一区域A延伸的第二区域B的通道向出口93b侧逐渐加宽，所以供应到毛细管道93第一区域A中的未反应空气由于第一区域A和第二区域B的截面积的不同而自然地从第一区域A排放到第二区域B。这时，由于未反应空气具有高体积(high volume)和/或保持高温度，所以未反应空气能够以蒸发的状态排出。
在历经上述过程期间，预定功率源应用于加热器95的热线96来加热对应着毛细管道93第二区域B的主体91。结果，由于热线96辐射的热量，可以进一步加速流经毛细管道93第二区域B的未反应空气中所含的水分的蒸发。
通过出口93b侧的蒸发的气体与经毛细作用供应到第一区域A中的未反应空气之间的浓度的不同产生的渗透作用，以及通过未反应空气在区域B侧的热膨胀(thermal expansion)，上述蒸发单元90可以向第一区域A连续供应从堆10的第二排放管13d排出的未反应空气。这时，供应到第一区域A的未反应空气的流率(flow rate)可以由加热器95的热值(heat value)来控制。
特别地，随着加热器95的热值的增大，渗透压增大，从而未反应空气的流率增大。与之相反，如果加热器95的热值降低，渗透压降低，因而未反应空气的流率(flow rate)降低。
鉴于以上所述以及根据本示范性实施例，经毛细管道93的出口93b排出的蒸发的气体通过外壳(未示出)的通孔以非凝聚态排放到外部。
在依照本发明的某些实施例的燃料电池系统中，由于该系统具有能够蒸发未反应空气从而将蒸发后的空气排放到外部的结构，因此不需要提供一个附加的装置来存储和再循环空气凝结生成的水。因此，通过减少了热或电能的损失能够进一步增强整个系统的效率和性能，并可以使整个系统的尺寸紧凑化。
尽管已经结合某些实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不局限于所公开的实施例，而是相反，本发明涵盖了包含在所附权利要求及其等效的精神和范围内的各种修改。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括堆，其用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能；燃料供应单元，其用于向所述堆供应燃料；空气供应单元，其用于向所述堆供应空气；以及蒸发单元，其与所述堆相连，并用来蒸发从所述堆排出的水分。
2.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述蒸发单元包括用于通过毛细作用吸收所述水分的多孔部件。
3.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述蒸发单元包括主体；以及毛细管道，其形成在所述主体中，所述毛细管道有入口和出口，所述出口与所述入口相通。
4.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述蒸发单元包括主体；以及多个毛细管道，其形成在所述主体中，每个所述毛细管道有入口和出口，所述毛细管道的出口形成一槽形出口。
5.如权利要求4的燃料电池系统，其中所述主体的其中形成有多个出口的部分包括用来连通各个所述毛细管道的出口从而形成一槽形出口的沟槽。
6.如权利要求3所的燃料电池系统，其中所述毛细管道包括具有第一区域通道的第一区域，其中所述第一区域通道从所述毛细管道的所述入口向所述毛细管道的所述出口逐渐变窄；以及从所述第一区域延伸并具有第二区域通道的第二区域，其中所述第二区域通道从所述第一区域向毛细管道的出口逐渐扩大。
7.如权利要求3的燃料电池系统，还包括与所述主体相连的加热器，其用来加热所述毛细管道的所述出口周围的区域。
8.如权利要求7的燃料电池系统，其中所述毛细管道包括具有第一区域通道的第一区域，其中所述第一区域通道从所述毛细管道的所述入口向所述毛细管道的所述出口逐渐变窄；以及从所述第一区域延伸并具有第二区域通道的第二区域，其中所述第二区域通道从所述第一区域向所述毛细管道的所述出口逐渐扩大；以及其中所述加热器设置在所述主体的对应所述第二区域的部分上。
9.如权利要求2的燃料电池系统，还包括流动通道，其中所述堆和所述蒸发单元通过设置在它们之间的所述流动通道彼此连通。
10.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括用来存储液体燃料的燃料容器；以及连接到所述燃料容器的燃料泵。
11.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述空气供应单元包括用来抽吸外部空气的气泵。
12.如权利要求1的燃料电池系统，还包括重整器，其用于重整由所述燃料供应单元供应的燃料从而生成含氢气体，其中所述重整器设置在所述燃料供应单元和所述堆之间并与所述燃料供应单元和所述堆相连。
13.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统是聚合物电解质膜燃料电池系统。
14.如权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统是直接甲醇燃料电池系统。
15.一种蒸发单元，用于蒸发从燃料电池中排出的水分，所述蒸发单元包括主体；以及毛细管道，其形成在所述主体中，所述毛细管道有入口和出口，所述出口与所述入口相通；其中所述蒸发单元与燃料电池系统的堆相连，并蒸发从所述堆排出的水分。
16.如权利要求15的蒸发单元，还包括与所述主体相连的加热器，其用于加热所述毛细管道的所述出口周围的区域。
17.如权利要求15的蒸发单元，其中所述毛细管道包括具有第一区域通道的第一区域，其中所述第一区域通道从所述毛细管道的所述入口向所述毛细管道的所述出口逐渐变窄；以及从所述第一区域延伸并具有第二区域通道的第二区域，其中所述第二区域通道从所述第一区域向所述毛细管道的所述出口逐渐扩大。
18.一种燃料电池系统，包括堆，其用于通过电化学反应产生电能；以及蒸发单元，其与所述堆相连，该蒸发单元包括主体；多个毛细管道，其形成在所述主体中，每个所述毛细管道有入口和出口；以及沟槽，其形成在所述主体中，所述沟槽连通所述主体内各个所述毛细管道的所述出口；其中所述蒸发单元蒸发从所述堆排出的水分。
19.如权利要求18的燃料电池系统，还包括与主体相连的加热器，其用于加热所述毛细管道的所述出口周围的区域。
全文摘要
一种燃料电池系统，包括用于通过氢氧之间的电化学反应而产生电的堆、向堆供应燃料的燃料供应单元、向堆供应空气的空气供应单元、以及与堆相连的用来蒸发堆所排出的水分的蒸发单元。
文档编号H01M8/00GK1734817SQ200510069798
公开日2006年2月15日 申请日期2005年2月8日 优先权日2004年2月13日
发明者韩奎南, 李东勋 申请人:三星Sdi株式会社