流体回收装置和使用其的燃料电池系统的制作方法

专利名称：流体回收装置和使用其的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料回收装置和使用其的燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池是无污染的电源装置，因此被誉为下一代清洁能源发电系统。 使用燃料电池的发电系统可用于大型建筑的自备发电机、电动车辆的电源、
便携电源等，且能使用各种燃料，例如天然气、城市煤气、石脑油(naphtha)、 曱醇、废气(wastegas)等。燃料电池一般基于相同原理操作，且根据所使 用的电解质被划分为熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池
(SOFC)、聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、 碱燃料电池(AFC)等。
根据所使用的燃料，聚合物电解质膜燃料电池进一步划分为聚合物电解 质膜燃料电池(PEMFC)或质子交换膜燃料电池，以及直接曱醇燃料电池
(DMFC )。
聚合物电解质膜燃料电池使用固体聚合物作为电解质，因此不会有由于 电解质而腐蚀或蒸发的风险，并可获得高的单位面积电流密度。此外，因为 相比其它类型的燃料电池，聚合物电解质膜燃料电池具有非常高的输出特性 和低操作温度，所以能用于各种应用。例如，已经积极地开发PEMFC作为 向车辆提供动力的便携电源、向房屋或公共建筑等供电的分布式电源、以及 用于向电子设备等供电的小电源。
直接曱醇型燃料电池使用液体燃料例如曱醇等，不需要燃料重整器(fUd reformer),且运行在100°C以下的温度。因此，DMFC适于用作便携电源或 小型电源。
聚合物电解质膜燃料电池一般包括阳极、离子选择膜和阴极。阳极和阴 极包括催化剂层、气体扩散层和电流收集层。离子选择膜允许质子通过，但 对电子传导和阴离子传输有高电阻率。
在如上所述的聚合物电解质膜燃料电池中，如果燃料例如纯氢或甲醇水溶液被提供到阳极，且氧化剂例如空气被提供，则燃料通过在阳极的催化剂 层中的氧化反应而产生质子和电子。这时，质子通过离子选择膜移动到阴极， 电子通过外部电路移动到阴极。质子和电子移动到阴极的催化剂，在那里通 过还原反应产生水和热能。于是通过电子流经外部电路而产生电能。
如上所述的聚合物电解质膜燃料电池使用固体聚合物电解质膜作为离 子选择薄膜。所以，为使质子从阳极经电解质膜传输到阴极，电解质膜必须 适当地润湿。另一方面，在系统运行期间，聚合物电解质膜燃料电池中的水 与质子一起从阳极经膜移动到阴极。水通过蒸发、凝聚、扩散等被排放到燃 料电池外。因此，聚合物电解质膜燃料电池系统提供潮湿的反应物(燃料和 /或氧化剂)到阳极和/或阴极以防止膜变干。
在一般的聚合物电解质膜燃料电池系统中，管理水是非常重要的。所以， 系统包括了回收装置，其回收且再使用燃料电池系统内的水或燃料，以改善 燃料电池系统内的水管理和系统效率。但是，回收装置回收并储存水和/或未 反应的燃料，然后应将其提供给燃料电池的阳极。所以，如果安装到燃料电 池系统的回收装置在震动和旋转期间不能运行，则难以将其应用到小型或便 携式燃料电池系统。

发明内容
根据本发明 一 实施例， 一种流体回收装置能够在震动或旋转期间操作， 同时仅选择性回收外部注入的气体和液体中的液体并电渗地
(electroosmotically )移动所回4欠的'液体。
在本发明另 一实施例中， 一种燃料电池系统通过^f吏用 一种流体回收装置 而能在震动或旋转期间操作。
在本发明一实施例中，流体回收装置包括具有长度以及第一和第二端部 的条状多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一电极。耦接到多孔部件 的第二端部的第二电极、以及在第一电极和第二电极之间施加恒定电压的电
源。液体在施加于第一和第二电极之间的电场下从多孔部件的第一端部移动 到多孔部件的第二端部，气体通过多孔部件排出。
根据本发明另 一实施例，流体回收装置包括具有长度以及第一和第二端 部的条形多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一电极、耦接到多孔部 件的第二端部的第二电极、在第一和第二电极之间施加恒定电压的电源、以及在多孔部件的第 一和第二端部之间的气液分离器。当气体和液体注入多孔 部件的第一端部附近时，液体通过多孔部件的第二端部排出，气体通过多孔 部件的气液分离器排出。
在一示范性实施例中，多孔部件的条形可以是直的形状或曲折形状，例 如具有一个或多个弯曲的形状。
多孔部件可包括选自聚合物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及它 们的混合物的材料。
流体回收装置可包括耦接到多孔部件的第一和第二端部的热交换器，用 于从气体和液体或者从液体带走热能。
流体回收装置可包括一体地耦接到多孔部件的第二端部的混合罐，用于 储存来自多孔部件的第二端部的水。
在本发明又一实施例中，燃料电池系统包括主体，其具有阳才及、阴极和 在阳极和阴极之间的电解质。燃料电池系统还包括流体回收装置，用于从燃 料电池主体仅选择性回收想要的流体。流体回收装置包括具有长度以及第一 和第二端部的条形多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一电极、耦接 到多孔部件的第二端部的第二电极、以及在第一和第二电极之间施加恒定电 压的电源。当气体和液体注入到多孔部件的第一端部附近时，液体在施加于 第一和第二电极之间的电场下从第一端部附近移动到第二端部附近，气体通 过多孔部件的中部排出。
在一示例性实施例中，燃料电池系统还包括耦接到阴极、阳极的流体出 口和多孔部件的第 一端部的第 一管道、耦接到多孔部件的第二端部的第二管 道。多孔部件包括在多孔部件的第 一端部中的第 一管道插入其中的第 一凹槽 和在多孔部件的第二端部中的第二管道插入其中的第二凹槽。
燃料电池系统还包括第 一 固定装置，用于固定第 一管道到多孔部件的第 一端部。此外，燃料电池系统还可包括第二固定装置，用于固定第二管道到 多孔部件的第二端部。
燃料电池系统还可包括在多孔部件的第 一端部和第二端部之间的气液 分离器。气液分离器可围绕多孔部件。在该情况下，气体通过气液分离器排 出。
燃料电池系统还可包括耦接到多孔部件的第 一端部和/或第二端部的热 交换器，用于冷却气体和液体或者用于冷却液体。燃料电池系统还可包括混合罐，用于储存来自流体回收装置的液体。流 体回收装置的 一端整体地耦接到混合罐。


结合附图参考下面的详细说明，本发明的这些和/或其它特征和优点将变
得明显，附图中
图1是^4居本发明一实施例的流体回收装置的示意图2是根据本发明另 一 实施例的流体回收装置的示意图3是根据本发明又一实施例的流体回收装置的示意图4是使用根据本发明再一实施例的流体回收装置的聚合物电解质膜燃
料电池系统的示意图5是使用根据本发明再一实施例的流体回收装置的直接甲醇燃料电
池；以及
图6是根据本发明一实施例的燃料电池系统的操作的示意图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的某些示意性实施例。为了清楚而省略了对 于完全理解本发明非必要的元件。另外，相似的附图标记始终表示相似的元 件。
这里使用时，"流体回收装置"是用于回收想要的燃料电池系统内的液 体的装置。这里，所述液体包括水。但是，所述液体不限于水，可包括液体 燃料等。 一些部件例如图1-3的16a、 16b、 17a和17b显示于横截面图中以 使得能够容易和清楚地说明本发明。另外，"流体回收装置"主要描述为用 于回收和再利用想要的液体的装置，但本发明不限于此，流体回收装置可回 收不想要的液体(污水)以排放它。
图l是根据本发明一实施例的流体回收装置的示意图。参照图1,流体 回收装置10包括具有恒定长度以及第一和第二端部的条形多孔部件11、耦 接到多孔部件11的第一端部的第一电极13a、耦接到多孔部件11的第二端 部的第二电极13b、以及用于在第一电极13a和第二电极13b之间施加恒定 电压的电源14。
如图1所示，多孔部件11是直的条形，具有数毫米(mm)至数十厘米(cm)的长度。多孔部件11的横截面可以是圆形、卵形、多边形或其组合。 另外，多孔部件11的第一端部具有第一凹槽12a，多孔部件ll的第二端部 具有第二凹槽12b。用于注入气体和液体的第一管道17a的一端插入到第一 凹槽12a中，用于排出液体的第二管道17b的一端插入到第二凹槽12b中。
多孔部件11可包括选自聚合物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及 它们的混合物的材料。多孔部件11的孔具有允许液体(包括水等)移动的 尺寸。例如，孔的尺寸可在从约数微米到数百微米的范围。
多孔部件11的第一端部包括从多孔部件的第一端部延伸的任意表面， 不限于垂直于多孔部件的纵轴的表面。类似地，多孔部件11的第二端部包 括从多孔部件的第二端部延伸的任意表面，不限于垂直于多孔部件的纵轴的 表面。例如在一实施例中，如图1所示，多孔部件11的第一端部是与垂直 于多孔部件的纵轴的表面相邻的表面，第二端部是在多孔部件的第二端部的 垂直于多孔部件的纵轴的表面。多孔部件11的第一和第二端部之间的中间 部分可以是第一和第二端部之间的任何表面，除了第一和第二端部的表面之 外。例如在一实施例中，如图l所示，中间部分可以是面对第一端部中的第 一凹冲曹12a的表面。
第一电极13a固定地安装到多孔部件11的第一端部，第二电极13b固 定地安装到多孔部件11的笫二端部。第一电极13a耦接到电源14的正才及， 第二电极13b耦接到电源14的负极。
电源14是施加恒定电压到第一电极13a和第二电极13b的装置，可包 括电池、电容器、燃料电池、商业电源等。这里，恒定电压表示能电渗地移 动接触多孔部件11的液体的电压。该电压可选地可根据第一和第二电极13a 和13b之间的间距来设定，且大约是数伏特至数十伏特。例如，当第一和第 二电极13a和13b之间的间距是大约1厘米时，可施加大约IV到2V。
根据本发明一实施例的流体回收装置IO如下操作。当气体和液体通过 第一管道17a注入到多孔部件11内时，液体在施加于第一电极13a和第二 电极13b之间的电场下从第一端部电渗移动到第二端部，然后通过第二管道 17b排出。气体通过第一和第二端部之间的中间部分排出。这时，注入到多 孔部件11内的气体中的湿气在经过多孔部件内部时被冷却且凝聚。所述气 体包括空气或蒸汽(H20(g))，所述液体包括液相水(H20(1))。
图2是才艮据本发明另一实施例的流体回收装置的示意图。参照图2，流体回收装置10a包括具有基本"L，，形的多孔部件lla，带有一弯曲。该流体 回收装置还包括耦接到多孔部件lla的第一端部的第一电极13a和耦接到多 孔部件lla的第二端部的第二电极13b。此外，流体回收装置包括用于在第 一电极13a和第二电极13b之间施加恒定电压的电源14以及在多孔部件的 第一和第二端部之间耦接到多孔部件lla的中间部分的气液分离器15。
除了多孔部件lla具有带一弯曲的"L"形且多孔部件lla的中间部分 携带有气液分离器15之外，流体回收装置10a和流体回收装置IO基本相同。 在该实施例中，当多孔部件11的第一和第二端部无限扩展时，它们是彼此 水平的两个表面，因此液体的流动在大致相同的方向进行。
气液分离器15由多孔材料制成。气液分离器15可由与多孔部件lla相 同的材料制成，可以是附着到多孔部件lla的气液分离器，或形成在多孔部 件lla的表面上的涂层。
当气体和液体通过恒定压强注入并穿过多孔部件11时，气液分离器可 有效地防止所需液体在空气中排出。因此，气液分离器可提高所需液体的回 收率。
图3是根据本发明又一实施例的流体回收装置的示意图。参照图3，根 据又一实施例的流体回收装置10b包括具有蜿蜒形状以及第一和第二端部的 多孔部件llb、耦接到多孔部件lib的第一端部的第一电极13a、耦接到多 孔部件lib的第二端部的第二电极13b、在第一电才及13a和第二电极13b之 间施加恒定电压的电源14、围绕多孔部件lib的气液分离器15、用于将第 一管道17a牢固地耦接到多孔部件lib的第一端部的第一固定装置16a、以 及用于将第二管道17b牢固地耦"l妄到多孔部件的第二端部的第二固定装置 16b。
多孔部件lib可以以蜿蜒形状连续地形成。具有蜿蜒形状的多孔部件 lib包括位于多孔部件lib的第一端部的第一沟槽12a,第一管道17a的一 端插入在第一沟槽12a中。多孔部件llb还包括位于多孔部件lib的第二端 部的第二沟槽12b，第二管道17b的一端插入在该第二沟槽中。
第一固定装置16a将第一管道17a牢固地耦接到多孔部件llb的第一沟 槽12a，第二固定装置16b将第二管道17b牢固地耦接到多孔部件llb的第 二沟槽12b。第一和第二固定装置16a和16b可以是粘合剂或连接器，且可 以是聚合物材料，例如硅、橡胶、塑料等。气液分离器15围绕多孔部件lib的表面，除了多孔部件lib的第一和 第二端部之外。当气体和液体在多孔部件11b的第一端部附近^^注入且然后 液体朝多孔部件llb的第二端部电渗移动时，气体可通过多孔部件llb的表 面慢慢排出。
因此，当装置停止运行时，能防止残留在多孔部件lib中的液体泄漏到外。
上述每种流体回收装置都人工地设定液体以不同方式流动。因此，流体 回收装置排出不需要的气体，并电渗地移动想要的液体从而仅回收想要的液 体。此外，气体中的湿气接触多孔部件且由于多孔部件具有相对于湿气更低 的温度而被冷却和凝聚。因此，可提高湿气的回收率。此外，流体回收装置 能转移流体而没有单独的转移装置例如燃料泵。另外，由于装置基本不受震 动或旋转影响，因此可以广泛应用。特别地，本发明的流体回收装置适合选 择性地回收燃料电池阴极产生的水。
图4是利用根据本发明另 一实施例的流体回收装置的聚合物电解质膜燃 料电池系统的示意图。参照图4，聚合物电解质膜燃料电池系统100a包括流 体回收装置10c、燃料电池主体140、燃料供应装置150、重整器160以及氧 化剂供应装置170。
流体回收装置包括水回收器110和热交换器120。水回收器110可包括 上面参照图l-3描述的任一流体回收装置。流体回收装置10c包括耦接到热 交换器120的水回收器110。从流体回收装置10c回收的水祯j是供到重整器 160，并可与燃料和/或氧化剂 一起^皮提供到燃料电池主体140 。
水回收器110基本对应于上述流体回收装置，但可与热交换器120等结 合。为了在说明书中清楚地说明，流体回收装置在燃料电池系统中使用时称 为水回收器。水回收器110选择性回收燃料电池主体140的阴极产生的气体 和液体中的液体。气体也能通过水回收器110回收。但是，由于气体的回收 率并不重要，所以假定没有发生气体回收。
热交换器120耦接到水回收器IIO的前端。如果热交换器120耦接到水 交换器110的前端，那么燃料电池主体140的阴极产生的高温液体被冷却到 一定程度，然后注入到水回收器110。因此，可促进水回收器110中蒸汽回 收率的提高。这里，流体的温度与燃料电池主体140的运行温度有关，在一 般的聚合物电解质膜燃料电池中大约是80°C。热交换器120可以是风冷型
ii热交换器和/或水冷型热交换器。
当燃料电池主体140的运行温度较低，例如约50-60°C时，热交换器120 可耦接到水回收器110的后端。在该情况下，水回收器110可包括例如气液 分离器(例如上面关于流体回收装置所描述的)，以增加气体中的湿气的回 收率。
燃料供应装置150储存含氢燃料，并将所储存的含氢燃料供应到重整器 160。合适的含氢燃料的非限制性示例包括碳氢燃料例如曱醇(MeOH)、乙 醇、丁烷气体等，硼氢化钠(NaBH4),纯氢气(H2)等。燃料供应装置150 可以是储存含氢燃料的燃料罐和在燃料罐和重整器160之间的转移装置例如 燃料泵。另外，燃料供应装置150可以是储存丁烷的压力罐等。
重整器160重整含氢燃料以产生富氢重整气，并将所产生的重整气供应 到燃料电池主体140的阳极。重整器160可以是通过燃烧含氢燃料(或其它 燃料)产生热的热源和使用热源产生的热来将含氢燃料重整成蒸汽(steam) 的重整反应器。在该情况下，重整反应器所需的水可以是从水回收器IIO回 收的水。当使用纯氢作为燃料电池系统中的含氬燃料时，重整器160可被省 略。
氧化剂供应装置170供应大气中的空气到燃料电池主体140。氧化剂供
应装置no可以是空气泵、风机等。
燃料电池主体140通过空气中包含的氧和重整气中的氢发生电化学反应
而产生电能，且排出阳极排出物(例如作为副产物的未反应重整气)和阴极
排出物(例如水等)。燃料电池主体140可包括阳极、阴极和位于阳极与阴 极之间的电解质。阳极和阴极每个可包括催化剂层、气体扩散层和分离器。 在一示意性实施例中，燃料电池主体可以是使用固态聚合物的聚合物电解质 膜燃料电池，但本发明不限于此。
在根据一实施例的燃料电池系统中，当阴极分离器包括具有蜿蜒形状的 沟道(channel)时，产生阴极流体入口和阴极流体出口之间的内部压强差。 另外，由于阴极流体出口的相对低的内部压强，在阴极流体出口附近发生水 涌现象(flooding phenomenon )。但是，耦接到阴极流体出口的流体回收装 置通过压力从阴极排水，因此防止水涌现象。
图5是利用根据本发明又一实施例的流体回收装置的直接曱醇燃料电 池。参照图5，直接曱醇燃料电池系统100b包括流体回收装置10d、混合罐130、燃料电池主体140a、燃料供应装置150a和氧化剂供应装置170。
流体回收装置10d包括水回收器110和热交换器120。水回收器110可 包括上面参照图1-3描述的流体回收装置中的任一种。流体回收装置10d包 括耦接到混合罐130的水回收器110。在图5所示的实施例中，两个水回收 器110耦接到混合罐130, —个耦接到混合罐130的第一流体入口 ，另一个 耦接到混合罐130的第二流体入口 。混合罐130的第一流体入口通过水回收 器110之一耦接到燃料电池主体140a的阴极流体出口 。混合罐130的第二 流体出口通过另一水回收器110耦接到燃料电池主体140a的阳极流体出口。 在流体回收装置10d中回收的水和未反应燃料与燃料供应装置150a提供的 燃料原料混合，然后供应到燃料电池主体140a。
中的液体。阴极排出物中的液体是水，阳极排出物中的液体是未反应燃料。
混合罐130储存两个水回收器110回收的未反应燃料和水并储存燃料供 应装置150a供应的燃料原料。燃料原料、未反应燃料和水的混合液体燃料 通过转移装置132供应到燃料电池主体140a。混合罐130包括排气孔，用于 将上述第一流体入口和第二流体入口的不期望的气体排放到外。混合罐130 还包括流体出口，用于供应液体燃料到燃料电池主体140a。转移装置132 可以是能转移液体的任何装置例如燃料泵。
燃料供应装置150a储存作为燃料原料的含氢燃料并将所储存的含氢燃 料供应到混合罐130。含氪燃料的非限制性示例包括碳氢燃料例如曱醇 (MeOH )、乙醇等。燃料供应装置150a可以是储存含氢燃料的燃料罐和在 燃料罐与混合罐130之间的转移装置例如燃料泵。另外，燃料供应装置150a 可以是具有恒定压强的压缩罐。
燃料电池主体140a通过使混合罐130供应的液体燃料与空气中包含的 氧发生电化学反应而产生电能。燃料电池主体排出阳极排出物(例如作为副 产物的未反应燃料和二氧化碳等)和阴极排出物(例如水等)。燃料电池主 体140a可以是直4^曱醇燃料电池。
在直接甲醇燃料电池系统中，当燃料电池主体140a的阴极和/或阳极分 离器的沟道具有蜿蜒形状时，阴极流体出口的内部压强低于阴极流体入口的 内部压强，从而在液体燃料和副产物的流动中产生拥塞现象(congestion phenomenon )。但是，根据本发明一实施例的直接曱醇燃料电池系统包括水回收器100,其通过压电渗(pressure-electroosmosis)将水从阴极排出。另 外，耦接到阳极流体出口的另一水回收器IIO通过压力将未反应燃料从阳极 排出，从而流体在阳极内平稳流动。
使用根据本发明实施例的燃料回收装置的燃料电池系统运行时不受系 统震动或旋转影响。本发明的系统通过电渗(electroosmosis)能选择性地移 动来自燃料电池主体的液体，且能排出气体到外部。因此，使用根据本发明 实施例的流体回收装置的燃料电池系统能通过有效地回收从燃料电池主体
流体包括通过二氧化碳、燃料水溶液或燃料穿越(来自燃料电池主体内从阳 极经电解质膜到阴极的移动)从阴极产生的污水。
图6是根据本发明 一 实施例的燃料电池系统中燃料电池主体的操作的示 意图。参照图6，燃料电池主体可以是使用纯氢或富氢重整气作为燃料的聚 合物电解质膜燃料电池，或使用甲醇或其它液体燃料的直接曱醇燃料电池。 燃料电池主体包括阳极电极、阴极电极和位于阳极电极和阴极电极之间的电 解质膜141。
阳极电极包括催化剂层142、微孔层144和气体扩散层146。阴极电极 包括催化剂层143、微孔层145和气体扩散层147。
用作电解质膜141的合适的质子传导聚合物的非限制性示例包括氟基聚 合物、酮类聚合物、苯并咪唑基聚合物、酯基聚合物、酰胺基聚合物、亚酰 胺基聚合物、磺酸基聚合物、苯乙烯基聚合物、碳氢聚合物等。
可使用溶剂来制造电解质膜141 。合适的溶剂的非限制性示例包括乙醇、 异丙醇(isopropylalcohol )、正丙醇(n-propylalcohol )、 丁醇(butylalcohol )、 水、二曱基亚石风(dimethylsulfoxide , DMSO ) 、 二曱基乙酰胺 (dimethylacetamide, DMAc )、 N画曱基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone, NMP )、 以及它们的混合物。在一实施例中，使用了至少两种溶剂的混合物。
阳极电极和阴极电极的催化剂层142、 143促进所提供的燃料或氧化剂 的快速化学反应。在一实施例中，催化剂层142、 143包括选自铂、钌、锇、 4白钌合金、铂锇合金、柏钇合金、铂-M合金(M是选自Ga、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、以及它们的组合的过渡金属)、以及它们的組 合物的金属催化剂。供选地，催化剂可灌输在载体中且包括选自铂、钌、锇、 柏钌合金、铂锇合金、铂钯合金、铂-M合金(M是选自Ga、 Ti、 V、 Cr、Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、以及它们的组合的过渡金属)、以及它们的组 合的金属催化剂。具有导电性的任何材料可用作载体。在一示例性实施例中， 载体是碳载体。
阳极电极和阴极电极的微孔层144、 145用来均匀地^t和供应燃料或 氧化剂到每个催化剂层142、 143。特别地，阴极的微孔层145用于平稳地排 出从阴极的催化剂层143产生的水。上述微孔层144、 145可以是涂覆在支 持层146、 147上的碳层。另外，微孔层144、 145可包括选自石墨、碳纳米 管(CNT)、富勒烯(C60)、活性碳、费尔康(vulcan)、科琴黑(ketjenblack)、 碳黑、碳纳米锥(carbon nanohom)、以及它们的组合的碳材料。微孔层144、 145还可包括选自聚全氟磺酸(poly(perfluorosulfonic acid))、聚四氟乙烯 (poly(tetrafluoroethylene))、氟化乙埽-丙歸(fluorinated ethylene-propylene )、 以及它们的组合。
阳极电极和阴极电极的支持层146、 147用于支持每个催化剂层142、 143,同时用于分散燃料、水、空气等，收集所产生的电流，以及防止每个 催化剂层142、 143中的材料的损失。上述支持层146、 147可以是碳基材料， 例如碳布、碳纸等。
现在将描述上述燃料电池主体的操作原理。含氢燃料从燃料供应装置供 应到燃料电池主体。氧化剂例如空气中的氧被提供到阴极。通过阳极电极处 的电化学反应，含氢燃料被离子化和氧化成质子(f)和电子(e—)。所产 生的质子通过电解质膜141移动到阴极电极，电子通过外部电路从阳极电极 移动到阴极电极。到达阴极电极的质子和供应到阴极电极的氧化剂的电化学 还原反应产生热和水。还原反应所需的电子通过从阳极电极移动到阴极电极 而产生电能。
当曱醇用作含氢燃料时，燃料电池主体的电化学反应可由下面的反应式 1表示。
当纯氢或富氢重整气用作含氢燃料时，燃料电池主体的电化学反应可由 下面的反应式2表示。
反应式1
燃料电池整体:
阳极: 阴极:
CH3OH + H20 — C02 + 6!f + 6e 3/202 + 611" + 6e- — 3H20 CH3OH + 3/202 — C02 + 3H20
15反应式2
阳极 H2(g) — 2H" + 2e-
阴极 1/202 + 2Pf + 2e' — H20
燃料电池整体 H2 + 1/202 — H20
如上所述，根据本发明实施例，从外部注入的气体和液体中只有液体被 选择性回收。另外，本发明实施例提供一种具有简单结构的流体回收装置， 能电渗地转移所回收的液体。因此，流体回收装置的结构保持能稳定地操作 该系统，而与包括该流体回收装置的设备(例如便携式燃料电池系统)的操 作状态的变化(例如震动、旋转、倒置等)。4是供具有流体回收装置的燃料 电池系统，由此制造小的燃料电池系统。
虽然已经示出和描述了本发明的示范性实施例，但是本领域技术人员将 意识到，可以进行某些修改和改变而不偏离所附权利要求定义的本发明的原 理、思想和范围。
权利要求
1. 一种流体回收装置，包括多孔部件，具有第一端部和第二端部；第一电极，耦接到该多孔部件的第一端部；第二电极，耦接到该多孔部件的第二端部；以及电源，用于施加电压到该第一电极和该第二电极之间，其中该多孔部件用于在所述电源施加的电压下将液体从该多孔部件的第一端部移动到该多孔部件的第二端部，且用于排出气体。
2. 如权利要求1所述的流体回收装置，还包括气液分离器，在该多孔部件的第一端部和该多孔部件的第二端部之间， 其中当在该多孔部件的第一端部附近注入气体和液体时，该液体通过该多孔 部件的第二端部排出，该气体通过该气液分离器排出。
3. 如权利要求1所述的流体回收装置，其中该多孔部件基本为条形。
4. 如权利要求1所述的流体回收装置，其中该多孔部件具有带至少一弯 曲的基本曲折的形状。
5. 如权利要求1所述的流体回收装置，其中该多孔部件具有基本蜿蜒的 形状。
6. 如权利要求1所述的流体回收装置，其中该多孔部件包括选自由聚合 物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及它们的混合物构成的组的材料。
7. 如权利要求1所述的流体回收装置，还包括耦接到该多孔部件的第一 端部和第二端部的热交换器，其中该热交换器用于从该气体和液体除去热 能。
8. 如权利要求1所述的流体回收装置，还包括耦接到该多孔部件的第二 端部的混合罐，其中该混合罐用于储存来自该多孔部件的第二端部的水。
9. 如权利要求1所述的流体回收装置，其中该多孔部件包括在该多孔部 件的第一端部的第一沟槽和在该多孔部件的第二端部的第二沟槽，其中第一 管道耦接到该第 一沟槽，第二管道耦接到该第二沟槽。
10. —种燃料电池系统，包括燃料电池主体，包括阳极、阴极和在该阳极和阴极之间的电解质；以及 流体回收装置，用于从该燃料电池主体选^H"生回收流体，该流体回收装置包括多孔部件，具有第一端部和第二端部； 第一电极，耦接到该多孔部件的第一端部； 第二电极，耦接到该多孔部件的第二端部；以及 电源，用于施加电压到该第一电极和该第二电极之间， 其中该多孔部件用于在该电源施加的电压下将液体从该多孔部件的第 一端部移动到该多孔部件的第二端部且排出气体。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括第一管道，耦接到该阴极和阳极的流体出口以及在该多孔部件的第一端 部的沟槽；以及第二管道，耦接到该阴极和阳极的流体出口以及在该多孔部件的第二端 部的沟槽。
12. 如权利要求11所述的燃料电池系统，还包括用于固定该第一管道到 该多孔部件的第 一端部的第 一 固定装置以及用于固定该第二管道到该多孔 部件的第二端部的第二固定装置。
13. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括在该多孔部件的第一和 第二端部之间的气液分离器，其中该气体通过该气液分离器排出。
14. 如权利要求13所述的燃料电池系统，其中该气液分离器围绕该多孔 部件。
15. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括热交换器，用于冷却所 述气体和液体。
16. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括混合罐，用于储存来自 该流体回收装置的液体，其中该混合罐耦接到该流体回收装置。
17. 如权利要求10所述的燃料电池系统，其中该多孔部件具有基本条形。
18. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中该多孔部件具有带至少一 个弯曲的基本曲折形状。
19. 如权利要求10所述的燃料电池系统，其中该多孔部件具有基;M^蜒形状。
20. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中该多孔部件包括选自由聚 合物、硅石、硅、石英、陶乾、以及它们的混合物构成的组的材料。
21. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中所述恒定电压根据该第一电极和该第二电极之间的距离确定。
22. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，还包括用于供应氧化剂到该阴 极的氧化剂供应装置以及用于供应燃料到该阳极的燃料供应装置。
23. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中该燃料电池主体包括聚合 物电解质膜燃料电池或直接曱醇燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种流体回收装置以及使用该流体回收装置的燃料电池系统。该流体回收装置，包括多孔部件，具有第一端部和第二端部；第一电极，耦接到该多孔部件的第一端部；第二电极，耦接到该多孔部件的第二端部；以及电源，用于施加电压到该第一电极和该第二电极之间。该多孔部件在所述电源施加的电压下将液体从该多孔部件的第一端部移动到该多孔部件的第二端部，且排出气体。
文档编号H01M8/06GK101425594SQ20081017475
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年10月30日
发明者宋仁燮, 河明珠 申请人:三星Sdi株式会社