专利名称：燃料电池系统的燃料供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，尤其是燃料电池系统的燃料供给装置方面的发明。
为了解决上述化学燃料所存在的各种问题，近年来，开发出了燃料电池系统。燃料电池是向电池的阴极提供燃料，向阳极提供外界的氧气，二者发生电化学反应，也叫做发电装置。燃料电池的发电方法不是燃料燃烧的氧化反应，而是通过氢气和氧气的电化学反应，将电势差直接转换成电能的方法。这种燃料电池不产生NOx和SOx，不产生噪音和震动，热效率为发电量和热量之和，达到80％以上，而且不会产生NOx和SOx等有害气体，是清洁发电系统。
如
图1所图示，现有技术的燃料电池系统由以下结构构成设置有燃料极11和空气极12的燃料电池堆10，燃料电池堆的作用是通过氢气和氧气的电化学反应产生电能；从燃料源中提炼出氢气，并将产生的氢气供给到燃料极11的燃料供给装置20；将氧气供给燃料电池堆10的空气极12上的空气供给装置30；将从燃料电池堆10中产生的电能提供给负载的电能输出装置40；调节燃料电池堆10、燃料供给装置20、空气供给装置30、电能输出装置40的控制装置(图中未示)。
通常在燃料电池堆10和燃料源21之间设有转化炉25，转化炉25由消除燃料源中的硫磺S的脱硫器26；同水蒸气接触反应产生氢气的转化器27；从产生的氢气中分离出二氧化碳、一氧化碳、氮气、水蒸气等的CO转换器28和CO消除器29构成。
图中，22是燃料泵，31是空气压缩机，32是加湿器，41是变压器，42是负荷。
现有技术的燃料电池系统动作如下当控制装置指令驱动，燃料源21一般按顺序经过转化炉25的脱硫器26、转化器27、CO转换器28和CO消除器29，生成氢气，并且将生成的氢气提供给燃料电池堆10的燃料极11。与此同时，通过空气供给装置30将空气供给到燃料电池堆10的空气极12，与燃料极11中的燃料发生氧化还原反应，产生电能。
上述的燃料电池系统，由于氢气生成装置的转化器25的负荷太大而且过于复杂，因此在家庭用发电系统中是可以用的，但是携带外出，从负荷和价格上都是不合算的。为了解决上述问题，提出了消除负荷大、结构复杂的氢气生成装置的转化器25，如图2所示，将压缩储藏的氢气的高压储气瓶50以拆卸形式连接在燃料电池堆10的燃料极11上。但是，使用氢气高压储气瓶50或者是往氢气高压储气瓶50中灌氢气时，需要直接进行高压压缩充气，这对于一般的人来说是比较困难的，还存在相当大的危险，并且燃料的更换周期短，使用不便。
为了解决技术问题，本发明采用的技术方案是一种燃料电池系统的燃料供给装置，所述的燃料电池系统包括包含电解质膜和位于电解质膜两侧的燃料极和空气极的燃料电池堆，燃料极的燃料和空气极的空气发生电化学反应产生电能；向燃料电池堆的燃料极提供液体燃料的燃料供给装置；向燃料电池堆的空气极提供空气的空气供给装置；将燃料电池堆上产生的电能提供给负荷的电能输出装置，其特征是所述的燃料供给装置包括将液体燃料填充成高浓度液体状态或粉末或胶体状态的燃料槽；排列在燃料槽的一侧，向燃料电池堆的燃料极提供燃料，内部填充满水，并能与燃料槽内的液体燃料混合在一起的燃料稀释用水槽；通过燃料供给管和水供给管分别同燃料槽和水槽连接在一起的并将高浓度的液体燃料和水混合成适当浓度的缓冲槽；将缓冲槽循环连接在燃料电池堆的燃料极上的燃料循环管；设置在燃料循环管的中间位置上，将燃料抽向燃料极的燃料泵。
所述的缓冲槽中设置有能够感应出同水混合的液体燃料浓度的浓度传感器，在浓度传感器上还设置有将更换时间告知给使用者的显示装置。
所述的水供给管中设置有能够储藏一定水的能够进行装卸的加湿用水槽。
考虑到燃料和水的适量使用，燃料槽、燃料稀释用水槽、加湿用水槽形成一体。
本发明的有益效果是本发明的高浓度液体燃料以粉状或液状或胶体1状储藏燃料槽内，在缓冲槽内对水混合之后，供给燃料电池堆的燃料极中，延长了燃料的供给时间，延缓了燃料槽的交替时间，使用方便。燃料槽、燃料稀释用水槽、加湿用水槽都是能够装卸的，燃料电池系统可以携带使用。一体化形成燃料槽和两个水槽，实现了燃料槽和水槽切换一体化。将通过空气极的水循环使用，防止了不必要的能量损失。
图2是现有技术的燃料电池系统的燃料供给装置的部分流程图。
图3是本发明的燃料电池系统的燃料供给装置的流程图。
图4是燃料电池堆的断面图。
图5是本发明的另一实施例的燃料电池系统的燃料供给装置的流程图。
图中，110燃料电池堆；113燃料极；114空气极；120燃料供给装置；121燃料槽；122燃料稀释用水槽；123燃料供给管；123a燃料泵；124稀释用水供给管；124a第1水泵；125缓冲槽；126燃料循环管；127a，127b燃料调节阀门；130空气供给装置；132空气供给管；140空气加湿装置；141加湿器；142加湿用水槽；150水循环装置；152气液分离器；160电能输出装置。
燃料电池堆110如图4所示，是由多个单元电池111构成；每个单元电池111由电解质膜112；叠层在电解质膜112的两侧上的燃料极113和空气极114；叠层在燃料极113和空气极114外侧的分离器115，116构成。分离器的作用是使燃料和空气各自接触在燃料极113空气极114上，并使空气和燃料能够进行循环。叠层在两侧分离器115，116的外侧的形成集电电极的集电器117，118。
电解质膜112用可以通过氢离子的高分子材料制成的膜，如在湿润状态下带导电性的高分子离子交换膜。
燃料极113和空气极114由支撑体和叠层在其支撑体两侧面上的催化剂层构成。支撑体是由碳黑纸或碳黑布构成，催化剂层使用适应氧气的还原反应的铂金。为了增大催化的有效表面积，催化剂层涂布在微小的铂金和微小碳粒子表面形成的。
分离115，116是具有良好的导电性和强耐腐蚀性的石墨类的物质，同燃料极113和空气极114接触的每个内侧面上形成有使燃料液通过的燃料通道Cf和空气通道Co。设置在单元电池111之间的分离器115、116其一侧形成燃料通道Cf，另一侧形成空气通道Co。设置在燃料电池堆110两端上的分离器115，116，只在其内侧面上形成燃料通道Cf或者是空气通道Co。设置在分离115，116上的燃料通道Cf和空气道Co通过多个并排连通。
集电器117，118是为了从燃料电池堆110上将电能输出，通常由铜材质的导电体形成。
燃料供给装置120包括以下结构以高浓度的液体状态或者是粉状或者是胶体状态将液体燃料填充的燃料槽121；排列在上述燃料槽121的一侧，为了向燃料极113提供燃料，内部填充满水，并可同燃料槽121内的液体燃料混合在一起的燃料稀释用水槽122；通过燃料供给管123和稀释用水供给管124分别同燃料槽121和燃料稀释用水槽122连接在一起，并将高浓度的液体燃料和水混合成适当浓度的缓冲槽125；将缓冲槽125循环连接在燃料极113上的燃料循环管126；设置在燃料循环管126的中间位置上，并且将燃料抽向燃料极113的燃料泵126a。
在燃料槽121和缓冲槽125之间的燃料供给管123中，为了使燃料槽121中的高浓度的液体燃料抽向缓冲槽125内，设置有燃料泵123a。在燃料稀释用水槽122和缓冲槽125之间的稀释用水供给管124上，为了将燃料稀释用水槽122中的少量水抽到缓冲槽125内，设置有第1水泵124a。
在缓冲槽125上设置具备显示装置的浓度传感器D。通过设置浓度传感器D感应液体燃料浓度，掌握燃料槽121更换时间。
在缓冲槽125的入口和出口处各设置调节开闭程度的燃料调节阀127a，127b。通过设置燃料调节阀适当地调整当更换燃料槽121时候的燃料循环管126的关闭和燃料量。
如图3所示，燃料槽121可与燃料稀释用水槽122、加湿用水槽142单独独立设置。也可以如图5所示，燃料槽121与燃料稀释用水槽122、加湿通水槽142一体化形成。
空气供给装置130由空气压缩机131和空气供给管132构成。空气压缩机131起到压缩大气中的空气的作用。空气供给管132起到将空气压缩机131连接到空气极114的作用。在空气压缩机131的入口处设置有净化空气的空气过滤器133。在空气供气管132的中间及空气压缩器131的出口处设置了将通过空气供给管132的空气适当加湿的加湿器141。在加湿器141的入口侧设置了防止空气逆流的检验阀134，在出口处设置了空气调节阀135。
空气加湿装置140由设置在空气供给管132中间位置上的加湿器141；连接加湿器141和加湿用水槽142的加湿用供水管143；设置在加湿用供水管143中间位置上，将水抽进加湿器141上的第2水泵144构成。在加湿用供水管143上设置了将加湿用水槽142中的水供给到加湿器141上的供水阀145。
加湿器141通常由超声波型、起泡型、加热型等构成。
一般在家庭使用时，加湿用水槽142连接在上水上。如本发明中用于携带时，由存储一定量的水的加湿用水槽142构成。
考虑到将加湿用水槽142同上述的燃料槽121同时更换使用，根据燃料和水的使用量，如图5所示，按一定的体积比例，燃料槽121和稀释用水槽122一体化形成。
水循环装置150包含以下结构连接空气极114和加湿用供水管143的水循环管151；设置在水循环管151的中间位置上，将通过燃料电池堆110的水同大气中的水分离出来，并使水循环到加湿器141上的气液分离器152；设置在加湿用供水管143和水循环管151的连接点上，并且能够改变水的通道而设置的三向阀门的水转换阀153。
在气液分离器152上设置有水位传感器L。水位传感器的作用是根据分离出来的水量，同加湿用水槽142反复交替连接到加湿用供水管143。
图中154指排气管。
综上所述，本发明的燃料电池系统的燃料供给装置作用效果如下控制装置下驱动指令，燃料供给装置120的第1燃料泵123a和第1水泵124a驱动，第1燃料泵123a从燃料槽121将高浓度的液体燃料压入缓冲槽125，同时，第1水泵124a从燃料稀释用水槽122中将水压入缓冲槽125。
在缓冲槽125里面，燃料槽121的高浓度液体燃料和燃料稀释用水槽122的水混合，形成一定新的浓度，被稀释的液体燃料通过燃料泵126a的驱动，从缓冲槽125上压入到燃料电池堆110的燃料极113中，并且同供给到空气极114中的氧气一起进行电化学反应，产生电能之后，通过燃料循环管126返回到缓冲槽125中。
燃料调节阀127a，127b通过控制装置的控制，调节开闭，使液体燃料能够进行顺畅的循环，同时利用浓度传感器D，持续感应出液体燃料的浓度，通过显示装置告知使用者。
与此同时，空气压缩器131驱动，压缩大气中的空气，通过空气供给管132，将压缩的空气提供给燃料电池堆110的空气极114中。空气通过中间部位的加湿器141，加湿成水蒸汽，通过空气调节阀135，提供到空气极114当中，产生电能。
上述过程中，液体燃料通过燃料循环管126，经过形成在燃料电池堆110的分离器115，116中的燃料通道Cf的同时，空气供给装置130被打开，使大气中的空气通过空气供给管132，经过分离器115，116中形成的空气通道Co供给。
这时，供水阀145开放，第2水泵144驱动，加湿用水槽142的水通过加湿用供水管143，提供到加湿器141当中，在加湿器141中，空气变成水蒸汽，提供到燃料电池堆110中。
如上所述，提供到分离器115，116的燃料通道Cf和空气通道Co中的液体燃料和空气分别同燃料极113和空气极114接触，并通过电化学反应产生电能。
在燃料极1 13进行H+的电化学氧化反应
在电解质膜112中，传送通过氧化还原反应产生的离子，而在空气极114中，进行氧气的电化学还原反应
因此，在燃料极113和空气极114之间产生电势差，电势差通过设置在叠层的两端的集电器117，118输出，从集电器117，118中输出的电流供给到负荷中。
通过燃料电池堆110的空气极114的空气，其中的水通过水循环管151，空气经气液分离器152排出，而水则残留，水转换阀153关闭第2水泵144，在开启气液分离器152时经第2水泵144，残留水提供到加湿器141中。此时，根据设置在气液分离器152当中的水位传感器L，判断出储藏在气液分离器152中的水量。当其水量达到能够代替加湿用水槽142的程度时，通过控制装置的控制，气液分离器152单独同加湿器141连接起来。
当更换燃料槽121和燃料稀释用水槽122、加湿用水槽142时，关闭燃料调节阀127a，127b，然后，将燃料槽121更换。但是，如图5所示，当燃料槽121和燃料稀释用水槽122，还有加湿用水槽142一体化形成时，没有必要挨个分别更换每个槽，而是进行一次性更换。
通过上述结构，即使不具备转换器，也能够进行顺畅的燃料供应。因此，降低了由于设置转换器而产生的系统的负荷增加和费用的增加。
不仅如此，由于能够往燃料槽填冲液体燃料，因此携带使用，减少使用当中的危险系数，使用方便。
往燃料槽填充高浓度压缩的粉状或液状或胶体状态的液体燃料，可根据需要量，提供给缓冲槽125，进行混合之后，提供到燃料电池堆，实现即使燃料槽卸载，也能够储藏量多的燃料，因而延长了燃料槽的更换周期。
用于加湿空气的加湿用水可用上水，还可以用装卸方便的水槽，因此可以携带使用，特别是在使用加湿用水槽时，将加湿用水槽与燃料槽和燃料稀释用水槽一体化形成，因此，在更换燃料槽和燃料稀释用水槽时一同更换加湿用水槽，使用方便。
将从空气极排出的空气一同排到的水循环加湿器当中，然后利用实现加热用的水加湿空气。特别是在使用加热性加湿器的时候，即使用少量的热量，也能达到高加湿效果，节约能源。
本发明不止局限在上述实施例当中，在本发明的思想和范畴内存在有多样化的变形。
权利要求
1.一种燃料电池系统的燃料供给装置，所述的燃料电池系统包括包含电解质膜(112)和位于电解质膜(112)两侧的燃料极(113)和空气极(114)的燃料电池堆(110)，燃料极(113)的燃料和空气极(114)的空气发生电化学反应产生电能；向燃料电池堆(110)的燃料极(113)提供液体燃料的燃料供给装置(120)；向燃料电池堆(110)的空气极(114)提供空气的空气供给装置(130)；将燃料电池堆(110)上产生的电能提供给负荷的电能输出装置(160)，其特征是所述的燃料供给装置(120)包括将液体燃料填充成高浓度液体状态或粉末或胶体状态的燃料槽(121)；排列在燃料槽(121)的一侧，向燃料电池堆的燃料极(113)提供燃料，内部填充满水，并能与燃料槽(121)内的液体燃料混合在一起的燃料稀释用水槽(122)；通过燃料供给管(123)和水供给管分别同燃料槽(121)和水槽连接在一起的并将高浓度的液体燃料和水混合成适当浓度的缓冲槽(125)；将缓冲槽(125)循环连接在燃料电池堆(110)的燃料极(113)上的燃料循环管(126)；设置在燃料循环管(126)的中间位置上，将燃料抽向燃料极(113)的燃料泵(126a)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的燃料供给装置，其特征是所述的缓冲槽(125)中设置有能够感应出同水混合的液体燃料浓度的浓度传感器(D)，在浓度传感器上还设置有将更换时间告知给使用者的显示装置。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的燃料供给装置，其特征是所述的水供给管中设置有能够储藏一定水的能够进行装卸的加湿用水槽(142)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的燃料供给装置，其特征是考虑到燃料和水的适量使用，燃料槽(121)、燃料稀释用水槽(122)、加湿用水槽(142)形成一体。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池系统的燃料供给装置，燃料电池系统燃料电池堆、燃料供给装置、空气供给装置、电能输出装置，所述的燃料供给装置包括将液体燃料填充成高浓度液体状态或粉末或胶体状态的燃料槽；排列在燃料槽的一侧，向燃料电池堆的燃料极提供燃料，内部填充满水，并能与燃料槽内的液体燃料混合在一起的燃料稀释用水槽；通过燃料供给管和水供给管分别同燃料槽和水槽连接在一起的并将高浓度的液体燃料和水混合成适当浓度的缓冲槽；将缓冲槽循环连接在燃料电池堆的燃料极上的燃料循环管；设置在燃料循环管的中间位置上，将燃料抽向燃料极的燃料泵。本发明延长供料时间，携带方便。
文档编号H01M8/02GK1474473SQ0212913
公开日2004年2月11日 申请日期2002年8月19日 优先权日2002年8月19日
发明者金寅圭, 朴明硕, 李成焕, 黄龙俊, 高承兑, 张昌龙, 许成根 申请人:乐金电子(天津)电器有限公司