专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，更特别地，涉及能根据载荷大小适当控制供应到堆单元的氢气和空气量的燃料电池系统。
背景技术：
图1显示了相关技术的PEMFC(质子交换膜燃料电池)型燃料电池系统(通常称为“燃料电池系统”)，其中烃基(CH-基)燃料如LNG、LPG、CH3OH、汽油等依次经过脱硫过程、改性反应和氢气纯化过程来纯化只有氢气(H2)用作燃料。
如图1所示，相关技术的燃料电池系统包括用于从LNG中只提取氢气(H2)并供应它到堆单元30的燃料供应单元、用于供应空气到堆单元30的空气供应单元20和燃料供应单元10，堆单元30具有按照供应的氢气和空气之间的电化学反应产生电力的阳极31和阴极32，燃料电池系统还包括用于将堆单元30中产生的电力转化成AC并供应它到载荷如家用器具上的电力输出单元40。
但是，在相关技术的燃料电池系统中，从燃料供应单元10供应到堆单元30的阳极31的氢气量和从空气供应单元20供应到堆单元30的阴极32的空气量是均匀的，始终与载荷大小无关。
也就是说，尽管对于较小的载荷需要较小的电力量，但超过需要的氢气和空气仍被连续供应到堆单元，相反，尽管对于较大的载荷需要较大的电力量，但足量的氢气和空气不能及时被供应。另外，由于燃料电池系统不能适当地应付载荷，因此氢气不必要地被浪费，导致燃料电池系统总体性能的下降。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供能根据载荷大小适宜地控制供应到堆单元的空气或氢气量的燃料电池系统。
为实现这些和其它优点，并符合本文体现和主要描述的本发明目的，提供一种燃料电池系统，包括用于按照空气和氢气之间的电化学反应产生电力的堆单元；用于供应氢气到堆单元的燃料供应单元；用于供应空气到堆单元的空气供应单元；用于测量堆单元产生的电力的电流值并同时或分开控制氢气和空气量的载荷对应单元。
载荷对应单元可包括安装在再循环管线上以将堆单元排放的氢气再循环到堆单元的燃料循环鼓风机；和用于根据电流值控制燃料循环鼓风机的驱动电压的燃料控制器。
载荷对应单元可包括安装在空气供应管线上用于从空气供应单元供应空气到堆单元的空气循环鼓风机；和用于根据电流值控制空气循环鼓风机的驱动电压的空气控制器。
载荷对应单元可包括安装在再循环管线上以将堆单元排放的氢气再循环到堆单元的燃料循环鼓风机；安装在空气供应管线上用于从空气供应单元供应空气到堆单元的空气循环鼓风机；和用于根据电流值控制燃料循环鼓风机和空气循环鼓风机的驱动电压的集成控制器。
当结合附图时，从下面的本发明详细描述中将更清楚本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点。
包括附图以提供对发明的进一步理解，这些附图被结合并构成本说明书的一部分，说明本发明的实施方案，并和说明书一起用于解释本发明的原理。
在图中图1为显示根据相关技术的燃料电池系统的示意方块图；图2显示了根据本发明的示例性实施方案的燃料电池系统的分布图；图3为显示图2中载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图；图4为显示根据第一种变化的载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图；和图5为显示根据第二种变化的载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图。
具体实施例方式
现在将参考附图描述根据本发明的示例性实施方案的燃料电池系统。图2显示了根据本发明的示例性实施方案的燃料电池系统的分布图，图3为显示图2中载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图。
参考图2，根据本发明的示例性实施方案的燃料电池系统包括用于供应氢气的燃料供应单元110；用于供应空气的空气供应单元120；按照供应的氢气和空气之间的反应产生电力的堆单元130；用于冷却堆单元130和回收堆单元130产生的热的冷却单元150；通过管156供应热水到蒸汽发生器111f的热水供应单元170；用于将堆单元130产生的电能转化成AC并供应它到载荷的电力输出单元180；和用于测量堆单元130产生的DC电流值并控制氢气或空气量的载荷对应单元200。
燃料供应单元110包括用于从LNG中纯化氢气(H2)并供应它到堆单元130的阳极131的重整单元111，和用于供应LNG到重整单元111的管112。重整单元111包括对燃料脱硫的脱硫反应器111a；使燃料和蒸汽被重整产生氢气的重整反应器111b；用于使通过重整反应器111b产生的一氧化碳反应额外产生氢气的高温水反应器111c和低温水反应器111d；通过使用空气作为催化剂从燃料中除去一氧化碳来纯化氢气的部分氧化反应器111e；供应蒸汽到重整反应器111b的蒸汽发生器111f；和供应所需的热到蒸汽发生器111f的燃烧器111g。
空气供应单元120包括第一和第二供应管线121和123，和空气供应风扇122。第一空气供应管线121安装在空气供应风扇122和第二预热器162之间，以便供应大气空气到阴极132。第二空气供应管线123安装在空气供应风扇122和燃烧器111g之间，以便供应大气空气到燃烧器111g。
堆单元130包括阳极131和阴极132，并同时根据燃料供应单元110供应的氢气、堆单元130排放的再循环氢气和空气供应单元120供应的空气间的电化学反应产生电能和热能。
冷却单元150通过供应水到堆单元130来冷却燃料供应单元110的堆单元130。冷却单元150包括盛放一定量水的水供应容器151、用于循环连接堆单元130和水供应容器151的水循环管线152、安装在水循环管线152中部并泵送水供应容器151中的水的水循环泵153、设在水循环管线152中部并循环冷却供应水的热交换器154和热释放风扇155。
参考图3，载荷对应单元200包括安装在再循环管线230上用于将堆单元130的阳极131排放的氢气(下文中称为“再循环氢气”)再循环到堆单元130的阳极131的燃料循环鼓风机210；和用于测量堆单元130产生的电力的DC电流值并控制燃料循环鼓风机210的驱动电压的燃料控制器220。
燃料循环鼓风机210包括涡轮风扇或离心式风扇和驱动涡轮风扇或离心式风扇的驱动电动机，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量随旋转数而变化。也就是说，当燃料循环鼓风机210的旋转数增加时，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量增加，当燃料循环鼓风机210的旋转数减少时，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量减少。
根据堆单元130产生的电力的DC电流值大小确定旋转数，DC电流值随载荷大小变化。也就是说，当载荷增加时，DC电流值增加，而当载荷小时，DC电流值变小。因此，DC电流值可为度量载荷大小的变量。
以微计算机等形式形成的燃料控制器220通过测量随载荷大小变化的DC电流值来控制燃料循环鼓风机210的驱动电压大小。也就是说，当DC电流值大时，增加驱动电压以便增加燃料循环鼓风机210的旋转数，从而增加供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量。同时，如果DC电流值小，则驱动电压被降低，以减少燃料循环鼓风机210的旋转数，从而减少供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量。
按照这种方式，通过根据载荷大小控制再循环氢气量，可精确控制供应到堆单元130的阳极131的氢气量，从而根据燃料电池系统的载荷控制堆单元130产生的电力量。因此，可提高燃料电池系统的载荷对应能力，而且氢气消耗的降低导致燃料电池系统总体性能的提高。
参考数字240表示回流防止阀(止回阀)，用于防止氢气供应单元110供应的氢气沿再循环管线230流回到阳极131。
图4为显示根据第一种变化的载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图。参考图4，载荷对应单元300包括安装在第一空气供应管线121上并从空气供应单元120供应空气到堆单元130的阳极132的空气循环鼓风机310；和用于测量堆单元130产生的电力的DC电流值并控制空气循环鼓风机310的驱动电压的空气控制器320。
根据本发明的第一种变化，载荷对应单元包括空气循环鼓风机310代替燃料循环鼓风机210(参考图3)，从而可根据堆单元130产生的电力的DC电流值精确控制供应到堆单元130的空气量。
空气循环鼓风机310包括涡轮风扇或离心式风扇和驱动涡轮风扇或离心式风扇的驱动电动机，供应到堆单元130的阳极132的空气量随旋转数变化。
也就是说，当空气循环鼓风机310的旋转数增加时，供应到堆单元130的阴极132的空气量增加，当空气循环鼓风机310的旋转数减少时，供应到堆单元130的阴极132的空气量减少。
根据堆单元130产生的电力的DC电流值大小确定旋转数，DC电流值随载荷大小变化。也就是说，当载荷增加时，DC电流值增加，而当载荷小时，DC电流值变小。因此，DC电流值可为度量载荷大小的变量。
以微计算机等形式形成的空气控制器320通过测量随载荷大小变化的DC电流值来控制空气循环鼓风机310的驱动电压大小。也就是说，当DC电流值大时，增加空气循环鼓风机310的旋转数，从而增加供应到堆单元130的阴极132的空气量。同时，如果DC电流值小，则空气循环鼓风机310的旋转数被减少，从而减少供应到堆单元130的阴极132的空气量。
按照这种方式，通过根据载荷大小精确控制供应到堆单元130的阴极132的空气量，从而根据燃料电池系统的载荷控制堆单元130产生的电力量。
因此，可提高燃料电池系统的载荷对应能力，而且氢气消耗的降低导致燃料电池系统总体性能的提高。
图5为显示根据第二种变化的载荷对应单元和堆单元之间操作关系的图。参考图5，载荷对应单元400包括安装在再循环管线230上用于将堆单元130的阳极131排放的氢气(下文中称为“再循环氢气”)再循环到堆单元130的阳极131的燃料循环鼓风机410；安装在第一空气供应管线121上用于从空气供应单元120供应空气到堆单元130的阴极132的空气循环鼓风机420；和用于测量堆单元130产生的电力的DC电流值并控制燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420的驱动电压的集成控制器430。
根据本发明的第二种变化，载荷对应单元包括燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420两者，因而可根据堆单元130产生的电力的DC电流值精确控制供应到堆单元130的氢气和空气量。
燃料循环鼓风机410包括涡轮风扇或离心式风扇和驱动涡轮风扇或离心式风扇的驱动电动机，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量随旋转数变化。也就是说，当燃料循环鼓风机410的旋转数增加时，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量增加，当燃料循环鼓风机410的旋转数减少时，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量减少。
空气循环鼓风机420包括涡轮风扇或离心式风扇和驱动涡轮风扇或离心式风扇的驱动电动机，供应到堆单元130的阳极132的空气量随旋转数变化。也就是说，当空气循环鼓风机420的旋转数增加时，供应到堆单元130的阴极132的空气量增加，当空气循环鼓风机420的旋转数减少时，供应到堆单元130的阴极132的空气量减少。
根据堆单元130产生的电力的DC电流值大小确定燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420的旋转数，DC电流值随载荷大小变化。也就是说，当载荷增加时，DC电流值增加，而当载荷小时，DC电流值变小。因此，DC电流值可为度量载荷大小的变量。
以微计算机等形式形成的集成控制器430通过测量随载荷大小变化的DC电流值来控制燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420的驱动电压大小。也就是说，当DC电流值大时，增加驱动电压以便增加燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420的旋转数，从而增加供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量和供应到堆单元130的阴极132的空气量。
同时，如果DC电流值小，则降低驱动电压以减少燃料循环鼓风机410和空气循环鼓风机420的旋转数，从而减少供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量和供应到堆单元130的阴极132的空气量。
按照这种方式，通过根据载荷大小控制再循环氢气量和空气量，可精确控制供应到堆单元130的阳极131的氢气量和供应到阴极132的空气量，从而根据燃料电池系统的载荷控制堆单元130产生的电力量。因此，可提高燃料电池系统的载荷对应能力，而且氢气消耗的降低导致燃料电池系统总体性能的提高。
参考数字240表示回流防止阀(止回阀)，用于防止氢气供应单元110供应的氢气沿再循环管线230流回到阳极131。
下面将参考图2和3描述根据本发明一种实施方案的燃料电池系统的操作和效果。
参考图2，燃料供应单元110的重整单元111重整LNG和蒸汽产生氢气并供应氢气到堆单元130的阳极131。
从堆单元130的阳极131排放的再循环氢气被再次供应到堆单元130的阳极131。空气供应单元120供应空气到堆单元130的阳极132。按照这种方式，堆单元130根据这样接受的氢气、再循环氢气和空气之间的电化学反应产生电力。
当载荷随电力使用量的增加而增加时，堆单元130产生的电力的DC电流值增加。于是，燃料控制器220增加燃料循环鼓风机210的驱动电压。由于驱动电压被增加，燃料循环鼓风机210的旋转数增加，供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量增加，因此，堆单元130产生的电力量随增加的载荷而增加。
如果载荷因电力使用量降低而降低，则堆单元130产生的电力的DC电流值减少。于是，燃料控制器220降低燃料循环鼓风机210的驱动电压。由于驱动电压被降低，燃料循环鼓风机210的旋转数降低，减少供应到堆单元130的阳极131的再循环氢气量。
因此，堆单元130产生的电力量随降低的载荷而减少。
就描述的而言，根据本发明的燃料电池系统具有以下优点。
也就是，载荷对应单元测量堆单元产生的电力的电流值，并根据载荷大小适宜地控制供应到堆单元的氢气和空气量。因此，由于能根据载荷大小精确控制供应到堆单元的氢气和空气量，因此可根据燃料电池系统的载荷大小控制堆单元产生的电力量。因此，可提高燃料电池系统的载荷对应能力，并由于氢气和空气的消耗被减少，因此可提高燃料电池系统的总体性能。
由于只要不脱离本发明的精神或基本特征，本发明就可以以几种形式体现，因此还应认识到，上述实施方案不受前面描述的任何细节限制，除非另外说明，而是应广泛地认为都在附加权利要求所限定的其精神和范围内，因此落在权利要求边界和界限内的所有变化和改变或这种边界和界限的等价物都因此被附加权利要求所包括。
权利要求
1.燃料电池系统，包括用于按照空气和氢气之间的电化学反应产生电力的堆单元；用于供应氢气到堆单元的燃料供应单元；用于供应空气到堆单元的空气供应单元；用于测量堆单元产生的电力的电流值并同时或分开控制氢气和空气量的载荷对应单元。
2.权利要求1的燃料电池系统，其中载荷对应单元包括安装在再循环管线上以将堆单元排放的氢气再循环到堆单元的燃料循环鼓风机；和用于根据电流值控制燃料循环鼓风机的驱动电压的燃料控制器。
3.权利要求1的燃料电池系统，其中载荷对应单元包括安装在空气供应管线上用于从空气供应单元供应空气到堆单元的空气循环鼓风机；和用于根据电流值控制空气循环鼓风机的驱动电压的空气控制器。
4.权利要求1的燃料电池系统，其中载荷对应单元包括安装在再循环管线上以将堆单元排放的氢气再循环到堆单元的燃料循环鼓风机；安装在空气供应管线上用于从空气供应单元供应空气到堆单元的空气循环鼓风机；和用于根据电流值控制燃料循环鼓风机和空气循环鼓风机的驱动电压的集成控制器。
全文摘要
本发明提供了燃料电池系统，其包括用于按照空气和氢气之间的电化学反应产生电力的堆单元；用于供应氢气到堆单元的燃料供应单元；用于供应空气到堆单元的空气供应单元；用于测量堆单元产生的电力的电流值并同时或分开控制氢气和空气量的载荷对应单元。提高了燃料电池系统的载荷对应能力，并因此提高了系统的总体性能。
文档编号H01M8/04GK101079486SQ20071008430
公开日2007年11月28日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年5月25日
发明者黄龙俊, 朴正圭, 朴明硕 申请人:Lg电子株式会社, 株式会社Lg化学