專利名稱：包括可靠供氣線的燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及改進成可靠供應空氣的燃料電池系統。
背景技術：
圖6示出了常規的燃料電池系統。如圖6所示，常規燃料電池系 統400包括采用氫氣和氧氣之間的電化學反應來產生直流電能的燃料 電池堆410,用于將例如液化天然氣(LNG )或者液化石油氣等烴基發 電材料重整成富含氫氣的氣體的燃料處理單元420，具有加濕器的供氣 單元以及用于提供氧氣給燃料電池堆410的氣泵，用于冷卻燃料電池 堆410的冷卻單元440，用于將由燃料電池堆410產生的直流電能轉換 成交流電能的功率變換器450。常規的燃料電池系統400還包括用于容 納和保護上述構成元件、多個外圍設備(BOP) ( Balance of Plants ) 以及控制器的主體460。
常規燃料電池系統400包括第一氣泵434，該第一氣泵用作供氣單 元以供應用于進行電化學反應的氧氣給燃料電池堆410。常規的燃料電 池系統400還包括用于加熱燃料處理單元420的重整反應器到預定溫 度的燃燒室421的第二氣泵435，以及用于去除燃料處理單元420中的 一氧化碳的第三氣泵436。第一，第二和第三氣泵434， 435， 436共享 通過一個進氣通道引入的空氣。該進氣通道從形成在主體460上的進 氣孔461延伸。
在常規燃料電池系統400中，燃料電池堆410和燃料處理單元420 中殘留的空氣通過排氣通道進行排氣。排氣通道連接到形成在主體460 上的排氣孔462上，以排出空氣。常規的燃料電池系統400包括作為 冷卻單元440的構成元件之一的輔助燃燒器。在耗熱量大于回收到水 箱中的廢熱量時驅動該輔助燃燒器。將輔助燃燒器所需的空氣通過形 成在主體460上的另一進氣孔463引入，通過另一排氣通道464輸出。
常規的燃料電池系統400 —般安裝在房間中。因此，當燃料電池 系統400在密封空間中長時間工作時，引入到該系統的空氣中的氧氣
百分比減少。結果是，燃料電池系統400不能可靠地產生電能。
此外，在常規的燃料電池系統400中，會出現空氣浪涌(air surging) 現象，其中所供應的空氣量根據諸如環境溫度，壓強等安裝環境條件 而變化。結果是，燃料電池系統400不能從燃料電池堆410可靠地產 生電能。
在該背景技術部分所公開的上述信息僅用于加強理解本發明的背 景，因此其可包含沒有形成在該國中本領域普通技術人員已經知道的 現有技術的信息
發明內容
技術問題
本發明的示例性實施例提供一種具有供氣單元的燃料電池系統， 不管燃料電池系統的安裝位置以及諸如環境溫度、壓強等安裝環境條 件，該改進的燃料電池系統可可靠地供應空氣。
本發明的示例性實施例還可提供一種燃料電池系統，其能以簡單 的結構進行設計并且可通過為各個構成元件將進氣和排氣系統合并在 一起而提高效率。
技術方案
在本發明的示例性實施例中， 一種燃料電池系統，包括采用氫氣 和氧氣之間的電化學反應來產生電能的燃料電池堆，通過將發電材料 重整成富含氫氣的重組氣體而將重整氣體供應給燃料電池堆的燃料處 理單元，以及供應包含氧氣的空氣給燃料電池堆的供氣單元。該供氣 單元包括從外部空間延伸到燃料電池堆的進氣通道，安裝在進氣通道 上使得空氣引入到燃料電池堆中的第一氣泵，以及設置在第一氣泵和 燃料電池堆之間以將沿著進氣通道流動的空氣壓力減小到小于預定壓 力水平的第一壓力緩沖容器。
該供氣單元還包括第一氣流速度控制器，該第一氣流速度控制器 設置在第一壓力緩沖容器和燃料電池堆之間，以通過檢測沿著進氣通 道流動的空氣流速，并且操作笫一氣泵以響應所檢測的空氣流速來調 節空氣的流速。
該供氣單元還可以包括安裝在延伸到安裝燃料電池系統的空間之 外的進氣通道的外部端的外部空氣入口容器，以及安裝在外部空氣入口容器和第一氣泵之間的進氣通道上的過濾器以過濾掉包含在正被引 入的空氣中的外來物質。
該進氣通道可包括從位于第一氣泵前面的點分叉并連接到燃料處 理單元上的第一部分。該供氣單元還可包括安裝在進氣通道的第一部 分上以吸入空氣的笫二氣泵，安裝在第二氣泵和燃料處理單元之間以
將沿著進氣通道的第一部分流動的空氣壓力減小到小于預定壓力水平 的第二壓力緩沖容器，以及設置在第二壓力緩沖容器和燃料處理單元 之間以通過檢測沿著進氣通道的第 一部分流動的空氣的流速來調節引 入的空氣流速的第二氣流速度控制器。
進氣通道的第一部分可連接到燃燒室和燃料處理單元的一氧化碳 清除器中的一個上。
燃料電池系統還可包括用于冷卻該燃料電池堆的冷卻單元。冷卻 單元具有用于根據耗熱量來加熱回收到水箱中的水的輔助燃燒器。此 外，該進氣通道可包括從位于第一氣泵的前面的點分叉并連接到冷卻 單元的輔助燃燒器的第二部分。用于從燃料電池堆，燃料處理單元以 及冷卻單元排出殘留空氣的排氣通道連接成單個通道并且該單個通道 延伸到外部。
該進氣通道還包括從位于第一壓力緩沖容器的后部的點分叉并連 接到該燃料處理單元的第三部分。該供氣單元還包括第三氣流速度控 制器，該第三氣流速度控制器設置在第一壓力緩沖容器和燃料處理單 元之間，以通過檢測沿著進氣通道的第三部分流動的空氣的流速來調 節被引入的空氣的流速。
有益效果
如上所述，根據本發明的燃料電池系統的供氣單元可以可靠地供 應空氣，而不受諸如環境溫度，壓力等安裝環境條件以及安裝位置的 限制。因此，本發明的燃料電池系統可穩定地產生電能同時明顯地減 小了由空氣浪涌所導致的抖動現象。
此外，由于簡化了進氣系統以及排氣系統，因此容易實現該燃料 電池系統的安裝和維護。


圖l是根據本發明第一示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。
圖2是圖1的燃料電池系統的供氣單元的示意圖。 圖3圖示出圖1的燃料電池系統的供氣性能以及常規燃料電池系 統的供氣性能。
圖4是根據本發明第二示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。 圖5是根據本發明第三示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。 圖6是常規燃料電池系統的示意圖。
表示附圖中的主要元件的附圖標記說明
跳200，300，400:燃料電池系統
110，210,310，410:燃料電池堆
120，220，320，420:燃料處理單元
140，240，340，440:冷卻單元
150，250，350，450:功率變換器
160,260，360，460:供氣單元
131,231，331:外部進氣系統
132，232，332:進氣通道
133，233,333:過濾器
134，135，136，234， 235， 236:供氣壓力調節單元
137，337，434，435， 436:氣泵
138，238,338:壓力緩沖容器
139，339a，339b， 339c:氣流速度控制器
具體實施例方式
最佳模式
現在具體參考本發明的優選實施例，其具體實例在附圖中示出。 然而，本發明可以許多不同的形式實施，而不應被理解為局限于本文 中所提出的實施例。
<第一示例性實施例>
圖l是根據本發明的示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。
如圖1所示，第一示例性實施例的燃料電池系統100包括采用氫 氣和氧氣之間的電化學反應產生直流電能的燃料電池堆110，用于將諸 如液化天然氣(LNG)或者液化石油氣的烴基發電材料重整成富含氫
氣的氣體并將該重整的氣體供應給燃料電池堆110的燃料處理單元 120，具有加濕器以及用于將包含氧氣的空氣供應給燃料電池堆110的 氣泵的供氣單元130，用于冷卻該燃料電池堆110的冷卻單元140，以 及用于將燃料電池堆產生的直流電能轉換成交流電能的功率變換器 150。
該燃料電池系統IOO還包括主體160，該主體用于容納和保護上述 構成元件，多個外圍設備如氣泵、水泵、發電材料氣體壓縮機、以及 與燃料電池堆110和燃料處理單元120相關的螺線管閥、溫度傳感器、 壓力傳感器，以及用于控制所述多個構成元件的運行的控制器。
為了將發電材料重整成在系統開始運行時富含氫氣的氣體，將重 整反應器加熱到預定溫度。因此，該燃料處理單元120提供空氣和發 電材料給燃燒室121，從而將反應器的溫度增加到650t:。當重整反應 器達到重整溫度(例如，約6501C)時，將預定量的發電材料通過發電 供應線123提供給燃料處理單元120，同時，將用于執行蒸汽重整反應 的預定量的水提供給燃料處理單元120。此外，將少量的空氣提供給一 氧化碳清除單元。
冷卻單元140包括水冷式熱交換器141，用于通過與冷卻水進行熱 交換而回收廢熱的水箱142，以及當耗熱量大于回收到水箱142中的廢 熱量時被自動驅動的輔助燃燒器143。
主體160在容納和保護構成元件的同時限定了燃料電池系統100 的外形。主體160設有進氣孔161和163以及排氣孔162和164。進氣 通道132和181通過進氣孔161和163延伸到安裝主體160的空間以外。
以外。進氣通道132和181和排氣通道182和183將在后面進行描述。 盡管燃料電池系統100可安裝在戶外，但為了管理的方便通常將 其安裝在封閉的房間中。當燃料電池系統100安裝在房間中并長時間 工作時，在燃料電池系統100工作期間引入的空氣中的氧氣百分比減 小，因此不能穩定地實現燃料電池堆110中的電化學反應。此外，當 燃料電池系統100安裝在房間中并且長時間工作時，會出現空氣浪涌 現象，其中所供應的空氣量根據諸如環境溫度，壓力等安裝環境條件 而變化。由于諸如空氣浪涌的抖動現象，這可導致燃料電池堆110中 不穩定的電化學反應。
為了解決上述問題，本示例性實施例的燃料電池系統100被這樣 構造進氣通道132延伸到外壁170之外，該外壁170限定安裝主體 160的空間，并且供氣單元設計成具有下面的結構。
圖2是圖1的燃料電池系統的供氣單元的示意圖。
如圖l和2所示，供氣單元130包括外部空氣入口容器131，進氣 通道132，過濾器133，以及第一，第二和第三供氣壓力調節單元134， 135,和136。第一供氣壓力調節單元134包括第一氣泵137，第一壓力 緩沖容器138,以及第一氣流速度控制器139。
進氣通道132從外部空間延伸到燃料電池堆110。第一供氣壓力調 節單元134安裝在進氣通道132上。第一氣泵137將空氣供應給燃料電 池堆110。第一壓力緩沖容器138將從第一氣泵137的后部流出的空氣 壓力減小到小于預定壓力的水平。
第一氣泵137設置成具有0.2巴或者更低的供應壓力，以實現更小 的功耗。對第一氣泵137供有預定量的空氣，例如，1KW燃料電池發 電機的燃料電池堆110所要求的空氣的最大量是約45-65 lpm。第一壓 力緩沖容器138這樣緩沖供氣壓力使得供氣壓力可維持在0.02-0.05巴， 由此為燃料電池堆110提供均勻量的空氣。
第一氣流速度控制單元139設置在第一壓力緩沖容器138的后部， 以檢測沿著進氣通道132流動的空氣流速。此外，第一氣流速度控制 器139通過操作笫一氣泵137以響應于所檢測的氣流速度來調節氣流 速度。在這點上，第一氣流速度控制器139采用質量單元而不是體積 單元來測量氣流速度，因此可提供均勻量的空氣，而不管周圍的環境。 此外，第一氣流速度控制器139可用兩個單獨安裝的單獨部件形成。 也就是說，第一氣流速度控制器139可包括用于檢測氣流速度的傳感 器以及啟動第一氣泵137以響應所檢測的氣流速度的控制單元。將傳 感器和控制單元單獨進行安裝。
如上所述，第一供氣壓力調節單元134均勻地調節空氣的流入量， 而不受諸如周圍的溫度，壓力等的環境條件影響，并且明顯減小了空 氣浪涌所導致的抖動現象。
此外，供氣單元130包括安裝在延伸到安裝了供氣單元130的空 間之外以允許引入外部空氣的進氣通道132的外部端上的外部空氣入 口容器131,以及安裝在外部空氣入口容器131和第一供氣壓力調節單 元134之間的進氣通道132上的過濾器133，用以過濾掉包含在正被引 入的空氣中的外來物質。
在本示例性實施例中，供氣單元130的進氣通道132還包括從位 于第一供氣壓力調節單元134前面的點分叉并連接到燃料處理單元120 的第一部分。
第二和第三供氣壓力調節單元135和136安裝在進氣通道132的第 一部分上。第二供氣壓力調節單元135將空氣供應給燃料處理單元120 的燃燒室121。第二供氣壓力調節單元135包括與第一供氣壓力調節單 元134的構成元件功能相同的構成元件。第三供氣壓力調節單元136 用于提供燃料處理單元120中一氧化碳清除器所需要的空氣。第三供 氣壓力調節單元136包括與第一供氣壓力調節單元134的構成元件功 能相同的構成元件。
然后，第二和第三供氣壓力調節單元135和136可均勻地將空氣 提供給燃料處理單元120的燃燒室121以及一氧化碳清除器，而不用 經歷空氣浪涌所導致的抖動現象。
如上所述，除進氣系統之外，燃料電池系統IOO還單獨包括排氣 系統。第一排氣通道183在分別連接到燃料電池堆110和燃料處理單 元120的兩部分中，該兩部分然后被接合為單個通道。所接合的單個 通道通過排氣孔162向外延伸。第二排氣通道182連接到冷卻單元140 的輔助燃燒器143，并通過排氣孔164向外延伸。
圖3是示出圖1的燃料電池系統的供氣性能以及常規燃料電池系 統的供氣性能。
本示例性實施例的燃料電池系統以及常規燃料電池系統在相同的 測試條件下進行測試。如圖3的(a)所示，在常規燃料電池系統中， 空氣被供給有7 lpm (升/分)的最大空氣浪涌變化以及相對寬的空氣浪 涌變化范圍。另一方面，如圖3的(b)所示，在本示例性實施例的燃 料電池系統中，由于應用上述供氣壓力調節單元，因此最大空氣浪涌 僅比常規燃料電池系統的小2 1pm(升/分)，并且空氣浪涌變化范圍明
顯減小。
<第二示例性實施例>
圖4是根據本發明的第二示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。 第二示例性實施例的燃料電池系統200與圖1的第一示例性實施例的
相比，除了進氣系統以及排氣系統有部分不同外其余均相同。
也就是說，燃料電池系統200的進氣通道232還包括從第一供氣 壓力調節單元234前面的點分叉并連接到冷卻單元240的輔助燃燒器 243的第二部分。
此外，將燃料電池系統200的排氣通道284分成分別連接到燃料 電池堆210，燃料處理單元220以及冷卻單元240并且然后被接合為單 個通道的多個部分。該單個通道延伸到外壁270之外。
燃料電池通200的主體260被設置有進氣孔262 ，并且進氣通道232 對應于進氣孔262。燃料電池系統200的主體260還設有朝夂氣孔264， 并且排氣通道284對應于排氣孔264。因此，由于簡化了燃料電池系統 200的結構，因此可便利地實現燃料電池系統200的安裝和維護。
此外，由于第二示例性實施例的燃料電池系統的其他構成元件， 諸如燃料電池堆210,燃料處理單元220，供氣單元，冷卻單元240， 功率變換器250，外部空氣入口容器231，過濾器，第一、第二和第三 供氣壓力調節單元234、 235和236，與圖1的燃料電池系統100的那 些元件在功能上相同，因此這里省略了其說明。此外，與第一示例性 實施例的第一，第二和第三供氣壓力調節單元類似，第一，第二和第 三供氣壓力調節單元234， 235和236中的每個包括氣泵，壓力緩沖容 器，以及氣流速度控制器。
<第三示例性實施例>
圖5是根據本發明的第三示例性實施例的燃料電池系統的示意圖。 第三示例性實施例的燃料電池系統300與第一示例性實施例的相比， 除了供氣單元有部分不同外其余均相同。
燃料電池系統的供氣單元包括外部空氣入口容器331，進氣通道 332,過濾器333，以及供氣壓力調節單元。該供氣壓力調節單元包括 第三氣泵337，第三壓力緩沖容器338，以及第三氣流速度控制器339a， 339b以及339c。
進氣通道332還包括第三部分以及連接到燃料電池堆310的部分。 第三部分從位于第三壓力緩沖容器338的后部的點分叉，并連接到燃 料處理單元320。第三氣流速度控制器339b和339c安裝在進氣通道332 的第三部分上，用于分別控制提供給燃料處理單元320的燃燒室321 和一氧化碳清除器的空氣。 第三示例性實施例的燃料電池系統300包括供氣調節單元。然而， 僅有1/3的氣泵337以及1/3的壓力緩沖容器338安裝在進氣通道332 上并且被共用。第三氣流速度控制器339a， 339b以及339c分別對應于 進氣通道332所連接到的構成元件。
此外，由于第三實施例的燃料電池系統的其他構成元件，例如燃 點電池堆310，燃料處理單元320，供氣單元，冷卻單元340,功率變 換器350，主體360,以及外部水370,與圖1的燃料電池系統100的 那些元件功能相同，因此這里省略其說明。
盡管本發明已經結合當前被認為是實際的示例性實施例的那些進 行了描述，但是應該理解本發明并不局限于這些實施例，相反地，其 旨在覆蓋包括在所附權利要求的精神和范圍之內的各種變形及等效設 置。
權利要求
1、一種燃料電池系統，包括采用氫氣和氧氣之間的電化學反應來產生電能的燃料電池堆；通過將發電材料重整成富含氫氣的重整氣體來將該重整氣體提供給燃料電池堆的燃料處理單元；以及提供包含氧氣的空氣給燃料電池堆的供氣單元，其中該供氣單元包括從外部空間延伸到燃料電池堆的進氣通道，安裝在該進氣通道上以允許空氣引入到燃料電池堆中的第一氣泵，以及第一壓力緩沖容器，該第一壓力緩沖容器設置在第一氣泵和燃料電池堆之間，以將沿著進氣通道流動的空氣的壓力減小到小于預定壓力的水平。
2、 權利要求l的燃料電池系統，其中該供氣單元還包括笫一氣流速度控制器，該第一氣流速度控制器 設置在第一壓力緩沖容器和燃料電池堆之間，以通過檢測沿著進氣通 道流動的空氣的流速并且運行第 一 氣泵以響應所檢測的空氣流速來調 節空氣的流速。
3、 權利要求2的燃料電池系統，其中該供氣單元還包括安裝在延伸到安裝了燃料電池系統的空間之外 的進氣通道的外部端上的外部空氣入口容器，以及安裝在外部空氣入 口容器和第一氣泵之間的進氣通道上的過濾器，用以過濾掉包含在正被引入的空氣中的外來物質。
4、 權利要求3的燃料電池系統，其中該進氣通道包括從位于第一氣泵前面的點分叉并連接到該燃料處 理單元的第一部分，并且 該供氣單元還包括安裝在該進氣通道的第一部分上以吸入空氣的第二氣泵； 笫二壓力緩沖容器，該笫二壓力緩沖容器安裝在第二氣泵以及燃料處理單元之間，以將沿著進氣通道的第一部分流動的空氣的壓力減小到小于預定壓力的水平；以及第二氣流速度控制器，該第二氣流速度控制器設置在笫二壓力緩沖容器和燃料處理單元之間，以通過檢測沿著進氣通道的第一部分流 動的空氣的流速來調節正被引入的空氣的流速。
5、 權利要求4的燃料電池系統，其中該進氣通道的第一部分連接到燃料處理單元的燃燒室和一氧化碳 清除器中的一個。
6、 權利要求5的燃料電池系統，還包括用于冷卻該燃料電池堆的 冷卻單元，該冷卻單元具有用于根據耗熱量將回收到水箱中的水加熱 的輔助燃燒器，其中該進氣通道包括從位于第一氣泵前面的點分叉并連接到冷卻 單元的輔助燃燒器的笫二部分，以及用于將殘留空氣從燃料電池堆，燃料處理單元，以及冷卻單元排 出的多個排氣通道被接合為單個通道，并且該單個通道延伸到外部。
7、 權利要求3的燃料電池系統，其中該進氣通道還包括從位于第一壓力緩沖容器的后部的點分叉并連 接到該燃料處理單元的第三部分；并且該供氣單元還包括笫三氣流速度控制器，該第三氣流速度控制器 設置在第一壓力緩沖容器和燃料處理單元之間，以通過檢測沿著進氣 通道的第三部分流動的空氣的流速來調節正被引入的空氣的流速。
全文摘要
一種燃料電池系統，包括采用氫氣和氧氣之間的電化學反應來產生電能的燃料電池堆，通過將發電材料重整成富含氫氣的重整氣體而將該重整氣體提供給燃料電池堆的燃料處理單元，以及將包含氧氣的空氣提供給燃料電池堆的供氣單元。該供氣單元包括從外部空間延伸到該燃料電池堆的進氣通道，安裝在該進氣通道上以使空氣引入到燃料電池堆中的第一氣泵，以及設置在第一氣泵和燃料電池堆之間以將沿著進氣通道流動的空氣壓力減小到小于預定壓力的水平。根據本發明的燃料電池系統的供氣單元可以可靠地提供空氣，而不受諸如周圍的溫度，壓力等的安裝環境條件以及安裝位置的限制。因此，本發明的燃料電池系統能夠在明顯減小由空氣浪涌引起的抖動現象的同時而穩定地產生電能。此外，由于簡化了進氣系統以及排氣系統，因此該燃料電池系統的安裝和維護可便利實現。
文檔編號H01M8/04GK101390238SQ200780006173
公開日2009年3月18日 申請日期2007年5月23日 優先權日2006年11月28日
發明者洪炳善, 田龍振, 辛美男, 金淏碩 申請人:燃料電池能量公司