燃料电池系统的制作方法

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，更具体而言，本发明涉及一种带有能提高燃料利用率的堆体的燃料电池系统。
背景技术：
众所周知，燃料电池是发电系统，该系统直接将独立提供的氧及包含于碳氢化合物材料如甲醇、乙醇或天然气中的氢的化学反应能转化为电能。
聚合物电解质膜燃料电池(在下文中，称作PEMFC)近来已经被发展成具有优异的输出特性、低工作温度以及快速启动和响应特性。因为这些特性，PEMFC具有大范围的应用，包括用于汽车的可移动电源、用于住宅或其他建筑的分布式电源和用于电子设备的小尺寸电源。
使用PEMFC结构的燃料电池系统包括燃料电池体或堆体(在下文中，为了方便称作堆体)、为了重整燃料以产生氢并用于将该氢提供给堆体的重整器和为了提供氧气给堆体的空气泵或鼓风机。堆体通过从重整器提供的氢与空气泵或鼓风机提供的氧的电化学反应产生电能。
可选择地，代替PEMFC结构，燃料电池系统可以使用直接氧化燃料电池结构将燃料直接提供给堆体，并通过燃料和氧的电化学反应产生电能。不同于使用PEMFC结构的燃料电池系统，使用直接氧化燃料电池结构的燃料电池系统不要求重整器。
在常规的燃料电池中，当用于燃料电池的燃料，例如氢，提供给堆体时，堆体通过氢和氧的电化学反应产生电能，并释放剩余的氢。从堆体释放的剩余氢量大约为提供给堆体的预定氢量的20％或更多。所以，在常规燃料电池系统中，燃料的利用率，也即为堆体中的反应利用的氢量与提供给堆体的氢的预定量的百分比少于80％，从而损害了堆体的性能。
同样，在常规的燃料电池系统中，因为整个燃料电池系统由从堆体产生的动力所驱动，产生了用于驱动整个燃料电池系统的寄生动力。
同样地，因为常规燃料电池包括将储存在燃料箱中的燃料提供给堆体或重整器的附加的泵，并且这个附加的泵由寄生动力驱动，产生的寄生动力量增加，从而损害整个燃料电池系统的能效。此外，因为常规燃料电池系统要求空间以设置泵，所以难于使整个燃料电池系统紧密。

发明内容
本发明的实施例提供了一种带有能提高燃料利用率的堆体的燃料电池系统。
本发明的另一实施例提供了一种减少寄生动力的量并具有减小的尺寸的燃料电池系统。
根据本发明的一个实施例，提供了一种燃料电池系统包括至少一个适用于通过燃料和氧气之间的反应产生电能并适用于排出燃料的剩余部分的发电体，该发电体包括排出部分；和一个适用于调节发电体中的燃料压力的压力调节单元，该压力调节单元包含阀门单元，其中阀门单元连接到发电体的燃料排出装置，并且其中阀门单元选择性地打开和关闭燃料排出装置。
阀门单元可以包括适用于关闭燃料排出装置以形成相应于发电体中燃料的预定供应量的压力气氛，并适用于打开燃料排出装置以排出发电体中的燃料。
在燃料电池系统中，燃料利用率可以基本上依照发电体中的燃料压力而变化；燃料中的氢浓度可以基本上依照发电体中的燃料压力变化；并且发电体的电输出量可以基本上依照燃料中的氢浓度变化。
压力调节单元可以包括设置在发电体中并适用于传感电输出量的传感器单元。压力调节单元也可以包括适用于依照与电输出量相应的数值而控制阀门单元的控制单元。
燃料电池系统可以使用聚合物电解质膜燃料电池结构，在该结构中氢气用作燃料。
可选择的，燃料电池系统可以使用直接氧化燃料电池结构，在该结构中液体燃料用作燃料。
氧可以从空气中获得。
根据本发明的另一实施例，提供了一种燃料电池系统，包括至少一个适用于通过燃料和氧气之间的反应产生电能并适用于释放燃料的剩余部分的发电体，该发电体包括燃料排出装置；适用于为发电体提供预定量的燃料的燃料供应单元；适用于为发电体提供氧的氧供应单元；连接到发电体的燃料排出装置并适用于调节发电体中的燃料压力的阀门单元；设置在发电体中并适用于传感发电体的电输出量的传感器单元；和适用于将传感器单元来的传感信号转化为预定控制信号并适用于用预定控制信号控制阀门单元的控制单元。
发电体可以包括分隔件和设置在分隔件之间的薄膜电极组件。在这种情况下，发电体可以包括多个彼此靠近堆叠以形成堆体的发电体。
堆体可以包括燃料排出装置，其中燃料排出装置从发电体排出燃料剩余部分。在这种情况下，阀门单元可以包括连接到燃料排出装置并在控制单元的控制下选择性地打开和关闭燃料排出装置的阀门。
传感器单元可以包括设置在至少一个分隔件中并传感从发电体输出的电压值和/或电值的传感器。
控制单元可以包括微计算机，其适用于控制整个燃料电池系统，包括依照传感器单元所传感信号的阀门单元的打开和关闭操作。
管形排出线可以被连接到燃料排出装置。在这种情况下，阀门单元可以包括设置在排出线中并在控制单元的控制下选择性地打开和关闭燃料排出单元的阀门。
燃料供应单元可以包括适用于存储燃料的燃料箱，和连接到燃料箱并适用于排出存储在燃料箱中的燃料的燃料泵。此外，燃料供应单元可以包括连接到燃料箱和发电体的燃料处理单元，该燃料处理单元适用于从燃料产生氢并适用于提供氢到发电体。在这种情况下，燃料处理单元可以包括连接到燃料箱并适用于通过使用热能的化学催化反应从燃料产生氢的重整器；和至少一个连接到重整器并适用于减少包含于氢中的一氧化碳浓度的一氧化碳清除体。
燃料电池系统还可以包括设置在把燃料箱连接到重整器的燃料供应通道中并适用于选择性地打开和关闭燃料供应通道的阀门。在这种情况下，阀门可以在控制单元的控制下调节从燃料箱供应到重整器的燃料流动速率。
氧供应单元可以包括至少一个适用于泵浦空气并给发电体提供空气的空气泵。
根据本发明另一实施例，提供了一种燃料电池系统包括至少一个适用于通过燃料和氧之间的反应产生电能并适用于排出燃料的燃料剩余部分的发电体，该发电体包括燃料排出装置；适用于从燃料产生氢并适用于提供氢到发电体的燃料处理单元；适用于提供预定量的燃料到燃料处理单元的燃料供应单元；适用于提供氧到发电体的氧供应单元；连接到发电体的燃料排出装置并适用于调节发电体中的燃料压力的阀门单元；设置在发电体中并适用于传感发电体电输出量的传感器单元；和适用于把来自传感器单元的传感信号转化为预定控制信号并适用于用预定控制信号控制阀门单元的控制单元。
燃料供应单元可以包括形成封闭空间的圆柱体部分和设置在圆柱体部分中的燃料储存部分。
燃料储存部分可以具有柔性外形结构。
燃料供应单元可以包括连接到圆柱体部分并适用于给圆柱体部分提供压缩空气以充分地压缩燃料储存部分的偏置部分(bias part)。在这种情况下，偏置部分可以包括适用于把压缩空气注入到圆柱体部分中的压缩空气供应构件。
燃料供应单元可以包括连接到圆柱体部分和燃料储存部分的偏置部分，该部分用预定的弹力压缩燃料储存部分。在这种情况下，偏置部分可以包括设置在圆柱体部分中并连接到燃料储存部分的弹性构件。
燃料电池系统还可以包括设置在连接燃料供应单元到燃料处理单元的燃料供应通道中并适合于选择性地打开和关闭燃料供应通道的阀门。


附图与说明书示出了本发明的示范性实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的整体结构的方框图；图2是示出图1所示的堆体结构的分解透视图；图3是示意性地示出根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的整体结构的方框图；图4是示出图3所示的燃料供应单元实例的透视图；图5是图4所示的燃料供应单元的剖面图；图6是示出根据本发明的第二实施例的燃料供应单元改进实例的剖面图；
图7是示出根据本发明的第三实施例的燃料供应单元实例的剖面图；图8是示出根据本发明的第三实施例的燃料供应单元改进实例的剖面图；并图9是示意性地示出根据本发明的第四实施例的燃料电池系统的整体结构的方框图；具体实施方式
在下面的详细描述中，本发明的某些实施例通过图解示出并描述。那些熟悉本领域的人员会认识到，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以对所描述的实施例进行各种修改。因而，图和描述本质上应该当作举例说明的而非限制性的。
图1是示意性地示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统100的整体结构的方框图；根据图1，燃料电池系统100具有聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)结构，该结构重整燃料以产生氢并允许氢和氧彼此电化学地反应以产生电能。
用于燃料电池系统100的燃料可以包括包含氢的液体燃料或气体燃料，比如甲醇、乙醇和天然气。然而，为了便利的目的在本实施例中以液体燃料作为例子。
燃料电池系统100可以利用储存在额外的储存器中的纯氧作为与氢反应所必需的氧，或者可以利用包含于空气中的氧作为所必需的氧。然而，在下面的描述中以后者作为例子。
燃料电池系统100包括通过氢和氧之间的反应以产生电能的堆体10，用于从燃料产生氢和用于为堆体10提供燃料的燃料处理单元30，为燃料处理单元30提供燃料的燃料供应单元50，和为堆体10提供氧的氧供应单元70。
堆体10具有连接到燃料处理单元30和氧供应单元70的发电体(或单元电池)11，由燃料处理单元30提供氢，并由氧供应单元70提供氧。发电体11通过氢和氧的电化学反应产生电能。堆体10的具体结构会根据图2在下面更详细的描述。
燃料处理单元30(也称为燃料处理器)包括通过使用热能的重整反应从燃料产生富氢气体的重整器31和为减少包含于富氢气体中的一氧化碳浓度的一氧化碳清除体33。重整器31通过诸如蒸汽重整反应、部分氧化反应或自热(auto-thermal)反应的催化反应从燃料产生包括氢、二氧化碳、一氧化碳等的富氢气体(在下文中，为方便称为氢)。一氧化碳清除体33通过诸如水煤气转化反应和优先CO氧化反应的催化反应或使用分离薄膜的氢净化法减少包含于氢中的一氧化碳浓度。燃料处理单元30可以包括用于具有PEMFC结构的燃料电池系统中并为熟悉本领域的人员所公知的任何合适的重整器31和任何合适的一氧化碳清除体33。
给燃料处理单元30提供燃料的燃料供应单元50包括用于储存燃料的燃料箱51和连接到燃料箱51并从燃料箱51排出燃料的燃料泵53。氧供应单元70包括使用预定泵浦功率泵浦空气并给堆体10提供空气的空气泵71。氧供应单元70不限于空气泵71，还可以包括常规鼓风机。
图2是示出图1所示的堆体10的分解透视图。根据本发明实施例的堆体10具有发电体11，其中分隔件(也称为双极板)13设置在薄膜电极组件(在下文中，称为MEA)12的两个表面上。在本实施例中，多个发电体11彼此靠近堆叠以形成堆体10。
设置在分隔件13之间的MEA 12包括形成在一个表面上的阳极、形成在另一个表面上的阴极和形成于阳极和阴极之间的电介质薄膜。阳极将氢分解为氢离子和电子。电解质薄膜将氢离子移动到阴极。阴极通过电子和从阳极移来的氢离子与空气中的氧的反应产生水气。
设置在靠近MEA 12的两个表面的分隔件13充当将MEA 12的阳极和阴极彼此串联连接的导体，并且也起到将从燃料处理单元30提供的氢气提供给MEA 12的阳极以及把空气泵71提供的空气提供给阴极的作用。
堆体10的最远边可以装备使多个发电体11彼此紧密接触的额外的施压板15和15’。根据本发明的堆体10可以被构造以便固定在多个发电体11的最远边的分隔件13代替施压板15和15’起到施压板的作用。
施压板15和15’装备有用于给发电体11提供氢的第一注入孔15a、给发电体11提供空气的第二注入孔15b、从发电体11排出剩余氢的第一排出孔15c、和排出通过氢和氧的结合反应(bonding reaction)产生的水气以及来自发电体11的剩余空气的第二排出孔15d。用于从堆体10排出剩余氢的管形排出线99如图1所示连接到第一排出孔15c。
根据本发明的燃料电池系统100中，元件通过管形流动通道连接。也即，燃料箱51和重整器31通过第一供应线91连接，重整器31和一氧化碳清除体33通过第二供应线92连接，一氧化碳清除体33和堆体10的第一注入孔15a通过第三供应线93连接，空气泵和堆体10的第二注入孔15b通过第四供应线94连接。
第一供应线91装备有下面所述的用于在控制单元117的控制下选择性地打开和关闭第一供应线91的第一阀门95。第一阀门95具有公知的流动速率调节阀门，例如，节流阀，使用燃料泵53的泵浦功率调节从燃料箱51排出的燃料量并给燃料处理单元30提供预定量燃料。第一阀门95能实施为本领域的技术人员所公知的任何合适的节流阀。
在本发明中，因为能将预定量的燃料提供给燃料处理单元30，所以燃料处理单元30能从燃料产生预定量的氢并给发电体11提供氢。
预定量的燃料指的是能被燃料处理单元30用来产生预定量的氢以成堆体10的预定输出电量的燃料量。也即，预定量的燃料指的是当第一供应线91由第一阀门95打开时，通过第一供应线91，以考虑到燃料泵53的泵压和第一供应线91的管径的预定时间提供给燃料处理单元的燃料量。由于燃料量能依照燃料泵53的泵压、第一供应线91的管径和燃料泵53的驱动时间改变，燃料量不限于任何特定量。
在根据本发明的具有上述结构的燃料电池系统100中，堆体10通过燃料排出装置例如第一排出孔15c从发电体11排出剩余氢。剩余的氢相当于从燃料处理单元30供应到堆体10的预定量氢的约20％。理想地，在堆体10中的燃料的利用率应该接近100％。然而，实际上，燃料的利用率小于80％，因此降低了堆体10的性能。
燃料利用率λ表示的是，和氧反应的氢的量与从燃料处理单元30提供给堆体10的发电体11的氢的预定量之比。也即，燃料利用率λ指的是在发电体中与氧充分反应的氢的量Q2与从燃料处理单元30提供给发电体11的氢的预定量Q1的百分比值。燃料利用率可以被表述为下面的等式。
λ＝Q2/Q1×100根据本发明的燃料电池系统100包括用来调节堆体10的发电体11中的氢压力并充分提高堆体10的利用率λ的压力调节单元110。
压力调节单元110选择性地打开和关闭堆体的第一排出孔15c并因而调节发电体11中的燃料压力，也即，氢压力。
具体地，压力调节单元110包括连接到堆体10的第一排出孔15c的阀门单元111、连接到发电体11并传感发电体11输出电量的传感器单元114和将传感器单元114的传感信号转化为预定控制信号并用控制信号控制阀门单元111的控制单元117。
阀门单元111由设置在上述排出线99中的第二阀门112组成。第二阀门112具有选择性地打开和关闭排出线99的电磁阀(solenoid valve)，也即，在控制单元117的控制下打开和关闭堆体的第一排出孔15c。通过关闭堆体10的第一排出孔15c，第二阀门112形成与发电体11中的氢的预定量相当的氢压力。通过打开堆体10的第一排出孔15c，第二阀门112向外排出发电体11中的氢。第二阀门112能实施为本领域的技术人员所公知的任何合适的电磁阀。
当第二阀门112关闭第一排出孔15c时，氢保留在发电体11中，氢压力增加，这样氢的浓度增加。氢浓度的增加提高了上述燃料利用率λ。
传感器单元114包括设置在发电体11的分隔件13中并探测从发电体11产生的电输出量即，电流值和/或电压值的合适的电探测传感器115。在一个实施例中，电探测传感器115可以设置在多个发电体11中的一个的分隔件13中。
控制单元117是用于燃料电池系统100的整个驱动的控制器。在本实施例中，控制单元117实施为连接到第一和第二阀门95和112以及电探测传感器115的合适的微计算机118。该微计算机118控制第一阀门95以调整从燃料箱51供应到重整器31的燃料量。此外，微计算机118将电探测传感器115所传感的信号转化为控制信号，并用该控制信号控制第二阀门112的打开和关闭。
具体地，微计算机118将电探测传感器115所传感的信号转化为控制信号，读出控制信号，并比较电探测传感器115所传感的输出电量(在下文中，称为传感数值)与在预定允许范围内的输出电量(在下文中，称为参考数值)。当所传感数值大于参考数值，该微计算机118控制第二阀门112以关闭堆体10的第一排出孔15c。相反，当所传感数值小于参考数值，微计算机118控制第二阀门112以打开第一排出孔15c。
输出电量的预定允许范围表示发电体11固定输出电量的80％或更多，该范围可以根据燃料电池系统100的说明书改变。
根据本发明第一实施例的燃料电池系统的操作现更为详细描述如下。
首先，在燃料电池系统110启动时，微计算机118控制第二阀门112以关闭堆体10的第一排出孔15c。
随后，该微计算机118控制第一阀门95以打开第一供应线91。同时，燃料泵53排出储存在燃料箱51中的燃料并通过第一供应线91给重整器31提供燃料。
在此过程中，微计算机118控制第一阀门95从而以预定时间打开第一供应线。因此，储存在燃料箱51中的燃料采用燃料泵53的泵压通过第一供应线91提供给重整器31，其中提供给重整器31的燃料量与堆体10的预定输出电量相应。
接下来，通过使用热能的重整反应，重整器31从燃料产生预定量的氢。然而，由于重整器31难以彻底地完成重整反应，所以重整器31产生包含作为副产品的非常少量的一氧化碳的富氢气体。
接着，重整器31通过第二供应线92将富氢气体供应到一氧化碳清除器33。然后，一氧化碳清除体33减少包含在富氢气体中的一氧化碳浓度并将富氢气体通过第三供应线93供应到堆体10的第一注入孔15a。同时，微计算机118激活空气泵71以将空气通过第四供应线94供应到堆体10的第二注入孔15b。
接着，微计算机118控制第一阀门95以关闭第一供应线91。
在此过程中，由于堆体10的第一排出孔15c被第二阀门112保持关闭，相应于预定氢量的氢压力形成在堆体10的发电体11中，这样在降低了在发电体11中的氢压。
这样，当在发电体11中即在分隔件13与MEA 12的阳极之间的氢压增加时，氢浓度增加。发电体11通过氢和氧之间的电化学反应产生电能。
当在发电体11中的氢浓度关于供应到堆体10的发电体11的预定氢量增加时，堆体10的燃料利用率λ充分增加。即，由于在发电体11中消耗的氢量关于预定氢量增加，堆体10的燃料利用率λ自然增加。因此，堆体10能够实现燃料利用率λ从80％变化到100％。然而，由于氢和氧之间的反应，在发电体11中的氢浓度随着时间的流逝逐渐降低。因此，堆体10的输出电量逐渐降低。
在此过程中，电探测传感器115传感发电体11的输出电量，例如，电流值和/或电压值，并将所传感信号送到微计算机118。微计算机118将所传感信号转化为控制信号，读出控制信号，并比较通过电探测传感器115传感的输出电量和在预定允许范围内的输出电量，其中在预定允许范围内的输出电量是发电体11固定输出电量的80％或更多。当电探测传感器115所传感的输出电量少于在预定允许范围内的输出电量时，微计算机118控制第二阀门112以打开堆体10的第一排出孔15c；否则微计算机118控制第二阀门112关闭第一排出孔15c。
当第一排出孔15c打开时，在堆体10的发电体11中剩余的氢通过第一排出孔15c排出。通过第一排除孔15c排出的净化气体仅包含非常少量的氢，其它氢已经在发电体11中通过和氧的反应消耗掉了。
随后，微计算机118控制第一阀门95将预定氢量再次供应到燃料处理单元30。然后，燃料电池系统100重复上述一系列过程。
图3是示意性地示出根据本发明第二实施例的燃料电池系统200整体结构的方框图。使用与图1相同参考标号表示的元件是具有相同功能的元件。
根据图3，根据本实施例的燃料电池系统200具有与第一实施例基本上相同的结构，除了采用压缩空气的压力用于将储存在额外的储存器中的燃料供应给燃料处理单元30的燃料供应单元250。
图3所示的堆体10、燃料处理单元30、氧供应单元和压力调节单元110与第一实施例中的那些基本相同，因而他们的详细描述将不再提供。
图4是示出图3所示的燃料供应单元250的例子的透视图，图5是图4所示的燃料供应单元250的剖面图。根据本实施例的燃料供应单元250包括连接到燃料处理单元30的圆柱体部分251和设置在圆柱体部分251中并储存燃料的燃料储存部分256。
该圆柱体部分251具有圆柱形封闭容器结构，该结构具有两端封闭的预定容积的封闭空间。通过第一供应线91连接到燃料处理单元30的排出部分253在圆柱体部分251的一端形成。
在本实施例中，圆柱体部分251将压缩空气储存在封闭空间中，因而在封闭空间中形成压缩空气的预定压力。
燃料储存部分256设置在圆柱体部分251的封闭空间中并形成用于储存燃料的储存空间。燃料储存部分256具有一结构使得储存空间与圆柱体部分251的排出部分253连通。燃料储存部分256由柔性材料构成以使储存空间可以被储存在圆柱体部分251中的压缩空气的压力而改变。也即，燃料储存部分256具有柔性的外壳形状。
图6示出根据第二实施例的燃料供应单元250’的改进例。根据改进例的燃料供应单元具有与第二实施例基本相同的结构，除了波纹形(bellows-shaped)的褶皱部分257在燃料储存部分256’主体部分中形成，从而以压缩空气的压力压缩主体部分。
因此，当第一阀门95打开第一供应线91时，燃料储存部分256’被储存在圆柱体部分251的封闭空间中的压缩空气压缩(见图3)。
因而，储存在燃料储存部分256’中的燃料通过排除部分253排出并通过第一排出线91被供应到燃料处理单元30(见图3)。
图7是示出根据本发明的第三实施例的燃料供应单元350的例子的剖面图，除了适用于将压缩空气注入到圆柱体部分351的封闭空间中并使用压缩空气的压力压缩燃料储存部分356的偏置部分354。
参照图7，根据本实施例的燃料供应单元350具有与第二实施例中基本相同的结构，除了适用于将压缩气体注入到圆柱体部分351的封闭空间并用压缩气体的压力压缩燃料存储部分356的偏置部分354。
与封闭空间连通的注入部分352在圆柱体部分351的一端形成，并且排出部分353在另一端形成。
根据本实施例的偏置部分354连接到圆柱体部分351的注入部分352并将压缩气体注入进圆柱体部分351的封闭空间中。偏置部分354可以实施为用于储存压缩空气的压缩空气供应元件354A以。
因此，在压缩空气供应部分354A被连接到圆柱体部分351的注入部分352的状态，储存在压缩空气供应元件354A中的压缩空气通过注入部分352注入进圆柱体部分351的封闭空间中。然后，燃料储存部分356被作用在圆柱体部分351上的压缩空气的压力压缩。因而，储存在燃料储存部分356中的燃料通过燃料储存部分356收缩由排除部分353排出。
图8是示出根据本发明的第三实施例的燃料供应单元350’的改进例的剖面图。
根据图8，偏置部分354’具有适用于压缩燃料储存部分356’的弹性元件354B。
弹性元件354B设置在圆柱体部分351的内部空间中并连接到燃料储存部分356’。在一个实施例中，弹性元件354B可以被实施为具有预定弹力的压缩弹簧。弹性元件354B的一端连接到圆柱体部分351的内壁，并且另一端连接到燃料储存部分356’的主体。
因此，当弹性元件354B的弹力作用于燃料储存部分356’时，燃料储存部分356’被弹力压缩，并且储存在燃料储存部分356’中的燃料可以通过圆柱体部分351的排出部分353排出。
图9是示意性地示出根据本发明的第四实施例的燃料电池系统400整体结构的方框图。
根据图9，根据本实施例的燃料电池系统400使用直接氧化燃料电池结构，该结构直接将液体燃料例如甲醇或乙醇供应给堆体10A并通过燃料和氧之间的反应产生电能。
不同于具有PEMFC结构的燃料电池系统，具有直接氧化燃料电池结构的燃料电池系统400不要求示于图1的燃料处理单元30。作为替换，燃料电池系统400包括燃料供应单元450，该单元可以使用燃料泵53将储存在燃料箱中的燃料直接供应给堆体10A的发电体11’。
燃料电池系统400具有一结构使得燃料供应单元450的燃料箱51(见图1)通过管形流动通道91A连接到堆体10。因此，燃料供应单元450可以直接将燃料供应给堆体10A的发电体11’。
可选择地，燃料供应单元450可以被实施为与图3、4、5、6、7和/或8的实施例基本相同的结构；因此它的详细描述将不再提供。
在图9中，氧供应单元70和压力调节单元110与前述的实施例中的那些基本相同。因此，它们的详细描述将不再提供。
根据上述本发明的实施例，整个堆体的燃料利用率可以通过调节发电体中的氢压而提高，从而提高燃料电池系统的性能。
根据本发明的实施例，通过使用预定压力变形燃料储存部分，储存在燃料储存部分的燃料可以被提供给重整器或堆体。因此，驱动整个系统所要求的寄生动力可以被减少，从而进一步提高燃料电池系统的能量效率。此外，因为不要求燃料泵，所以可以使燃料电池系统更紧密。
尽管已经描述了本发明连同某些实施例，本领域的技术人员将会理解，在本发明不限于公开的实施例，而是相反地旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改进。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括至少一个发电体，适用于通过燃料和氧之间的反应产生电能，并适用于排出燃料的剩余部分，所述发电体包括燃料排出装置；以及压力调节单元，适用于调节发电体中的燃料压力，所述压力调节单元包括阀门单元，其中所述阀门单元连接到发电体的燃料排出装置，以及其中所述阀门单元选择性地打开和关闭燃料排出装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述阀门单元包含适用于关闭燃料排出装置以形成与发电体中的预定燃料供应量相应的压力环境并适用于打开燃料排出装置以排出发电体中的燃料的阀门。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料利用率基本上依照发电体中的燃料压力变化。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述燃料中的氢浓度基本上依照发电体中的燃料压力变化。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述发电体的输出电量完全依照燃料中的氢浓度变化。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述压力调节单元包括设置在发电体中的传感器单元，其中所述传感器单元传感输出电量，而且其中所述压力调节单元也包括依照与输出电量相应的数值来控制所述阀门单元的控制单元。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中氢气被用作燃料。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中液体燃料被用作燃料。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述氧从空气中获得。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中聚合物电解质膜燃料电池结构被使用。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中直接氧化燃料电池结构被使用。
12.一种燃料电池系统包括至少一个发电体，适用于通过燃料和氧之间的反应产生电能，并适用于排出燃料的剩余部分，发电体包括燃料排出装置；燃料供应单元，适用于将预定量的燃料供应给发电体；氧供应单元，适用于将氧供应给发电体；阀门单元，连接到发电体的燃料排出装置，并适用于调节发电体中的燃料压力；传感器单元，设置在发电体中，并适用于传感发电体的输出电量；以及控制单元，适用于将来自传感器单元的传感信号转化为预定控制信号，并适用于使用该预定控制信号控制阀门单元。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述发电体包括分隔件和设置在分隔件之间的薄膜电极组件。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述发电体包括多个彼此堆叠靠近以形成堆体的发电体。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述堆体包括燃料排出装置，并且其中所述燃料排出装置从发电体排出燃料剩余部分。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中所述阀门单元包括连接到燃料排出装置的阀门，并且其中所述该阀门在控制单元的控制下选择性地打开和关闭燃料排出装置。
17.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述传感器单元包括设置在至少分隔件之一中的传感器，并且其中所述该传感器传感从发电体输出的电压值和/或电流值。
18.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述控制单元包括微计算机，该微计算机适用于控制整个燃料电池系统，包括依照传感器单元所传感信号的阀门单元的打开和关闭操作。
19.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中管形排出装置线连接到燃料排出装置。
20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述阀门单元包括设置在排出线中的阀门，并且其中该阀门在控制单元的控制下选择性地打开和关闭燃料排出装置。
21.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括适用于储存燃料的燃料箱和连接到燃料箱的燃料泵，并且其中该燃料泵排出储存在该燃料箱中的燃料。
22.根据权利要求21所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括连接到燃料箱和发电体的燃料处理单元，该燃料处理单元适用于从燃料产生氢和适用于将氢供应给发电体。
23.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述燃料处理单元包括重整器，连接到燃料箱，并适用于通过使用热能的化学催化反应从燃料产生氢；以及至少一个一氧化碳清除体，连接到重整器，并适用于减少包含于氢中的一氧化碳浓度。
24.根据权利要求23所述的燃料电池系统，还包括设置在将燃料箱连接到重整器的燃料供应通道中、并适用于选择性地打开和关闭燃料供应通道的阀门。
25.根据权利要求24所述的燃料电池系统，其中阀门在控制单元的控制下调节从燃料箱供应到重整器的燃料流动速率。
26.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述氧供应单元包括至少一个适用于泵浦空气并适用于将空气供应到发电体的空气泵。
27.一种燃料电池系统包括至少一个发电体，适用于通过燃料和氧之间的反应产生电能，并适用于排出燃料的剩余部分，发电体包括燃料排出装置；燃料处理单元，适用于从燃料产生氢，并适用于将氢供应给发电体；燃料供应单元，适用于将预定量的燃料供应给燃料处理单元；氧供应单元，适用于将氧供应给发电体；阀门单元，连接到发电体的燃料排出装置，并适用于调节发电体中燃料压力；传感器单元，设置在发电体中，并适用于传感发电体的输出电量；以及控制单元，适用于将传感器单元所传感的信号转化为预定的控制信号，并适用于使用该预定控制信号控制该阀门单元。
28.根据权利要求27所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括形成封闭空间的圆柱体部分和设置在圆柱体部分中的燃料储存部分。
29.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述燃料储存部分包括柔性形状结构。
30.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括连接到圆柱体部分的偏置部分，并且其中该偏置部分将压缩气体供应给圆柱体部分以充分压缩燃料储存部分。
31.根据权利要求30所述的燃料电池系统，其中所述偏置部分包括适用于将压缩气体注入进圆柱体部分的压缩气体供应元件。
32.根据权利要求28所述的燃料电池系统，其中所述燃料供应单元包括连接到圆柱体部分和燃料储存部分的偏置部分，并且其中所述偏置部分使用预定的弹力压缩燃料储存部分。
33.根据权利要求32所述的燃料电池系统，其中所述偏置部分包括设置在圆柱体中并连接到燃料储存部分的弹性元件。
34.根据权利要求27所述的燃料电池系统，还包括设置在将燃料供应单元连接到燃料处理单元的燃料供应通道中、并适用于选择性地打开和关闭燃料供应通道的阀门。
全文摘要
一种燃料电池系统，包括至少一个通过燃料和氧之间的反应产生电能并排出剩余燃料的发电体；供应预定量的燃料给发电体的燃料供应单元；供应氧给发电体的氧供应单元；连接到发电体的燃料排出装置并调节发电体中的燃料压力的阀门单元；设置在发电体中并传感发电体的输出电量的传感器单元；以及将该传感器单元所传感信号转化为预定控制信号并使用该预定控制信号控制阀门的控制单元。
文档编号H01M8/00GK1776948SQ20051011811
公开日2006年5月24日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年11月16日
发明者安圣镇, 李钟基, 徐晙源, 曹诚庸, 殷莹讚, 金占迪, 权镐真 申请人:三星Sdi株式会社