CN100399615C - 燃料电池的冷却/加湿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池的冷却/加湿装置：围绕着发电机的下部外侧设置有冷却槽，上述冷却槽内装有水。空气供应路线由外部空气供应管和加湿空气供应管构成。上述外部空气供应管用于将空气供应到上述冷却槽的内侧，产生气泡；上述加湿空气供应管用于将产生的气泡供应给上述发电机的阴极。当上述发电机进行发电时，从上述发电机产生的热量通过上述冷却槽内的水进行冷却，通过上述冷却使上述水加热到一定温度，这时从上述外部空气供应管向上述冷却槽的内侧供应的空气在上述被加热的水中产生气泡，并将产生的气泡通过上述加湿空气供应管供应给上述发电机的阴极。通过上述结构，不需要单独的加湿器，就可以同时完成上述发电机的冷却和空气的加湿。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，上述燃料电池通过从外部供应的燃料和空气的电化学反应产生电。进一步涉及一种可以带来如下效果的燃料电池的冷却/加湿装置(COOLING/HUMIDIFYING DEVICE OF FUEL CELL)：冷却发电机时，将加热到一定温度的水利用到空气的加湿上。
背景技术
一般来讲，燃料电池(Fuel Cell)是将燃料所具有的能量转换成电能的装置。上述燃料电池系统一般以高分子电解质膜为中心在其两侧设置有阳极(Anode)和阴极(Cathode)。在上述阳极(或称为氧化电极或者燃料极)中，产生作为燃料的氢气的电化学氧化；在上述阴极(或称还原电极或者空气极)中，产生作为氧化剂的氧气的电化学还原。这时通过生成的电的移动，产生电能。
最近广为使用的燃料电池有质子半透膜燃料电池(PEMFC，ProtonExchange Membrane Fuel Cell)和硼燃料电池(BFC，Boron Fuel Cell)。在质子半透膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)中，LNG、LPG、CH3OH、汽油等的碳氢气体系列(CH系列)燃料在转化装置中通过脱硫工序→转化反应→氢气精制工序，精制成氢气H2，向燃料电池供应气体氢气。另外一种硼燃料电池(BFC，Boron Fuel Cell)，其将固体状态的BH4 -(四氢化硼阴离子)制成水溶液状态，直接作为燃料使用。
下面参照附图，对现有技术中BFC的结构图进行简单说明。
图1简单地显示出现有技术中燃料电池的结构图。
如图1所示，燃料电池1的整体结构是：在产生电的发电机2的一侧设置有燃料罐3，上述燃料罐3内装有水溶液状态的BH4 -；上述燃料罐3和发电机2的阳极通过燃料供应路线4和燃料回收路线5相连接；在上述燃料供应路线4上设置有燃料泵6，上述燃料泵6用于抽运燃料。
另外，上述发电机2的阴极设置有空气供应路线7和空气排出路线8，在上述空气供应路线7上顺序设置有过滤器9、空气压缩机10和加湿器11。上述过滤器9用于过滤空气；上述空气压缩机10用于压缩空气；上述加湿器11用于加湿空气。其中，上述加湿器11通过水供应路线13与水罐12相连接，能够通过阀门14的调整补充水。
另外，在上述发电机2的一侧设置有冷却扇15，上述冷却扇15用于防止发电时上述发电机2产生的热量使上述发电机2过热。
在具有上述结构的现有技术燃料电池中，导通机器的工作开关，则上述燃料泵6抽运储藏在上述燃料罐3内的水溶液状态的BH4 -，使水溶液状态的BH4 -通过上述燃料供应路线4供应给上述发电机2的阳极，同时驱动上述空气压缩机10，使空气通过上述空气供应路线7供应给上述发电机2的阴极。其中，上述供应的空气首先在上述过滤器9上进行过滤，在上述加湿器11上加湿到适当湿度后，以加湿状态供应给上述发电机2的阴极。
通过上述结构供应给上述发电机2的水溶液状态的BH4 -和空气分别在上述发电机2的阳极进行氢气的电化学氧化，在阴极产生氧气的电化学还原。这时通过生成的电的移动产生电能，上述产生的电能集电在集电板(附图中没有显示出)上，作为能源使用。
这时的反应方程式为BH4 -+2O2→2H2O+BO2 -E0＝1.64V。
一方面，在上述结构中，由于上述发电机2发电时产生热量，如果发电机温度达到80℃以上，则损伤上述发电机2的电解质膜，所以上述发电机2需要通过上述冷却扇15进行冷却，使温度时常保持在80℃以下。
但是具有上述结构的现有技术的燃料电池1却有如下问题：
也就是说，上述现有技术的燃料电池1分别单独地设置有加湿器11和发电机2以及冷却扇15。上述加湿器11用于加湿供应的空气；上述发电机2用于发电；上述冷却扇15用于冷却上述发电机2。由于现有技术的燃料电池1具备了上述部件，使得减少机器的整体大小和减少驱动每个部件所消费的电力受到了限制。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的燃料电池的问题而提出的，本发明的目的是提供一种可以带来如下效果的燃料电池的冷却/加湿装置：冷却发电机时，能够同时在单独的一个部件上进行冷却和加湿，使加热的水利用在空气的加湿上。
为了实现上述本发明的目的，燃料电池大体上包括发电机、燃料罐、燃料供应路线、燃料回收路线、空气供应路线和空气排出路线。上述发电机通过燃料和空气的电化学反应进行发电；上述燃料罐与上述发电机保持一定间距设置而成；上述燃料供应路线的两端部与上述燃料罐和发电机的阳极入口相连接，用于将燃料供应给上述发电机；上述燃料回收路线的两端部与上述燃料罐和发电机的阳极出口相连接，用于回收从上述发电机进行反应之后的燃料；上述空气供应路线连接在上述发电机的阴极入口，用于供应空气；上述空气排出路线连接在上述发电机的阴极出口，用于排出反应后的空气。对于具有上述结构的燃料电池，本发明提供一种具有如下结构的燃料电池的冷却/加湿装置：围绕着上述发电机的外侧下部设置有冷却槽，上述冷却槽内装有水，上述水用于冷却上述发电机。上述空气供应路线由外部空气供应管和加湿空气供应管构成。上述外部空气供应管将外部空气供应到上述冷却槽内；上述加湿空气供应管将通过上述外部空气供应管供应的空气在冷却上述发电机时加热到一定温度的水中产生的气泡供应给上述发电机的阴极。
综上所述，本发明的燃料电池的冷却/加湿装置可以带来如下效果：围绕着发电机的下部外侧设置有冷却槽，上述冷却槽内装有水。空气供应路线由外部空气供应管和加湿空气供应管构成。上述外部空气供应管用于将空气供应到上述冷却槽的内侧，产生气泡；上述加湿空气供应管用于将产生的气泡供应给上述发电机的阴极。当上述发电机进行发电时，从上述发电机产生的热量通过上述冷却槽内的水进行冷却，通过上述冷却使水加热到一定温度，这时从上述外部空气供应管向上述冷却槽的内侧供应的空气在上述被加热的水中产生气泡，并将产生的气泡通过上述加湿空气供应管供应给上述发电机的阴极。通过上述结构，不需要单独的加湿器，就可以同时完成上述发电机的冷却和空气的加湿。于是，随着部件的减少，降低了制造成本，可以小型化地制作机器的整体大小。
附图说明
图1简单地显示出现有技术燃料电池的结构图。
图2显示出本发明第一实施例的具备有冷却/加湿装置的燃料电池的结构图。
图3显示出在本发明中的单电池的纵断面图。
图4显示出本发明第二实施例的燃料罐的结构图。
主要部件附图标记说明
101：发电机 102：燃料罐
103：燃料供应路线 104：燃料回收路线
107：空气供应路线 108：空气排出路线
111：水 112：冷却槽
113：外部空气供应管 114：加湿空气供应管
115：水罐 116：水补充路线
117：开闭阀门 131：缩管部
132：温水吸入管 133：通气口(orifice)
具体实施方式
下面参照附图所示实施例，对具有上述结构的本发明的燃料电池的冷却/加湿装置进一步详细的说明。
图2显示出本发明第一实施例的具备有冷却/加湿装置的燃料电池的结构图。
如图2所示，具有本发明的冷却/加湿装置的燃料电池100包括发电机(Generator)101和燃料罐(Fuel Tank)102以及燃料泵105。上述发电机(Generator)101通过水溶液状态的BH4 -和空气的电化学反应产生电能；上述燃料罐(Fuel Tank)102与上述发电机(Generator)101保持一定间距，上述燃料罐(Fuel Tank)102内装有供应给上述发电机101阳极(Anode)的水溶液状态BH4 -；上述燃料泵105设置在燃料供应路线103上，用于抽运上述燃料罐102的燃料。上述燃料罐102和发电机101的阳极(Anode)入口通过上述燃料供应路线103相连接，可以将燃料供应给上述发电机101的阳极(Anode)；上述发电机101的阳极(Anode)出口和燃料罐102通过燃料回收路线104相连接，可以回收反应后的燃料。
另外，在上述发电机101的阴极(Cathode)入口设置有空气供应路线107，上述空气供应路线107用于供应空气。在上述发电机101的阴极(Cathode)出口设置有空气排出路线108，上述空气排出路线108用于排出反应之后的空气。在上述空气供应路线107上设置有过滤器109和空气压缩机110。上述过滤器109用于过滤空气；上述空气压缩机110用于压缩空气。
另外，围绕着上述发电机101的外侧下部设置有冷却槽112，上述冷却槽112内装有水111，上述水111用于冷却上述发电机101。上述空气供应路线107由外部空气供应管113和加湿空气供应管114构成。上述外部空气供应管113用于向上述冷却槽112的内侧供应外部空气；上述加湿空气供应管114用于将通过上述外部空气供应管113供应的空气在上述冷却槽112内产生的气泡供应给上述发电机101的阴极。通过上述结构冷却上述发电机101时，可以将在加热到一定温度的水111中产生的气泡状态的空气供应给上述发电机101的阴极。
另外，上述冷却槽112通过水补充路线116与单独设置的水罐115相连接，使得上述冷却槽112能够从水罐115中得到水的补充。在上述水补充路线116上设置有开闭阀门117，上述开闭阀门117用于调节开闭。
图3显示出在本发明中的单电池的纵断面图。
如图3所示，本发明的单电池由膜-电极结合体(MEA：Membrane-ElectrodeAssembly)124和分离板(Separator)126以及集电板127构成。上述膜-电极结合体(MEA：Membrane-Electrode Assembly)124是由电解质膜121、用于扩散气体的阳极122和阴极123结合在一起构成的；上述分离板(Separator)126紧贴着组装在上述膜-电极结合体124的两侧，并在上述阳极122和阴极123上形成燃料气体流路和含氧气体流路125；上述集电板127设置在上述分离板126的两侧，形成上述阳极122和阴极123的集电极。
上述膜-电极结合体124的电解质膜121是由高分子材料构成的离子交换膜，代表性的上述电解质膜121有杜邦公司的Nafion膜，其起到氢气离子的传递体的作用，同时，防止氧气和氢气的接触；上述阳极122和阴极123是支撑氢气储藏合金的触媒层的支撑体，为多孔性碳素纸(Carbon Paper)或者碳素布(Carbon Cloth)，结合在上述电解质膜121的两侧。
上述分离板126由致密的碳板构成，上述分离板126的内侧形成有流体的多个流路槽126a。
上述集电板127具有导电性和耐腐蚀性，具体地有钛(titanium)、不锈钢和铜等。
在具有上述结构的本发明第一实施例的具备有冷却/加湿装置的燃料电池中，导通机器的工作开关，则储藏在上述燃料罐102内的水溶液状态的BH4 -通过上述燃料泵105进行抽运，被抽运的水溶液状态的BH4 -通过上述燃料供应路线103供应给上述发电机101的阳极；空气通过上述空气供应路线107供应给上述发电机101的阴极，上述供应的空气首先通过上述外部空气供应管113供应到内装有上述水111的冷却槽112的内侧产生气泡，然后使产生的气泡通过上述加湿空气供应管114供应给上述发电机101的阴极。
通过上述结构，供应到上述发电机101内部的水溶液状态的BH4 -沿着形成在上述阳极122外侧面的流路125流动进行扩散；被加湿的空气沿着形成在上述阴极123外侧面的流路125流动进行扩散；在上述阳极122进行电化学的氧化反应的同时，在上述阴极123进行电化学的还原反应，通过电的移动产生电能，这时产生的电能集中在上述集电板127上，作为电源使用。
上述发电机101产生反应的反应方程式为
阳极：BH4 -+8OH-→BO2 -+6H2O+8e- E0＝1.24V
阴极：2O2+4H2O+8e-→8OH- E0＝0.4V
整体：BH4 -+2O2→2H2O+BO2 - E0＝1.64V。
一方面，上述发电机101进行发电，则产生热量，上述产生的热量通过上述冷却槽112内的水111进行冷却，通过上述冷却，使加热到一定温度的水111中产生的气泡通过上述加湿空气供应管114供应给上述发电机101的阴极123，所以不需要单独的加湿器，就可以将加湿空气供应给上述发电机101的阴极123。
图4显示出本发明第二实施例的燃料罐的结构图。图4所示的基本结构与图2所示第一实施例相同。
如图4所示，在上述空气供应路线107上形成有通气口(orifice)133，上述通气口133由缩管部131和温水吸入管132构成。上述缩管部131在指定部位部分直径被缩小；上述温水吸入管132与上述缩管部131的下侧垂直地进行连接，用于吸入温水。当空气通过上述空气供应路线107经过上述通气口133的时候，根据喷管(orifice)原理，通过上述温水吸入管132吸入温水，加湿空气，并将上述加湿的空气供应给上述发电机101的阴极。
Claims (4)
1.一种燃料电池，燃料电池主要包括发电机、燃料罐、燃料供应路线、燃料回收路线、空气供应路线和空气排出路线；上述发电机通过燃料和空气的电化学反应进行发电；上述燃料罐与上述发电机保持一定间距设置而成；上述燃料供应路线的两端部与上述燃料罐和发电机的阳极入口相连接，用于将燃料供应给上述发电机；上述燃料回收路线的两端部与上述燃料罐和发电机的阳极出口相连接，用于回收从上述发电机进行反应之后的燃料；上述空气供应路线连接在上述发电机的阴极入口，用于供应空气；上述空气排出路线连接在上述发电机的阴极出口，用于排出反应后的空气；其特征在于，还包括：
燃料电池的冷却/加湿装置，其围绕着上述发电机的外侧下部设置有冷却槽，上述冷却槽内装有水，上述水用于冷却上述发电机；上述空气供应路线由外部空气供应管和加湿空气供应管构成；
上述外部空气供应管将外部空气供应到上述冷却槽内；
上述加湿空气供应管将气泡供应给上述发电机的阴极，上述气泡是通过上述外部空气供应管供应的空气在冷却上述发电机时被加热到一定温度的水中产生的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
燃料是水溶液状态的四氢化硼阴离子。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
上述空气供应路线上形成有通气口，上述通气口由轴管和温水吸入管构成；上述轴管在指定部位部分直径被缩小；上述温水吸入管与上述轴管的下侧垂直地进行连接，用于吸入温水。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
上述冷却槽还包括有水罐和水补充路线以及开闭阀门；
上述水罐内装有水，并将上述水补充给上述冷却槽；
上述水补充路线用于供应上述水罐内的水；
上述开闭阀门设置在上述水供应路线上，用于调节水供应。
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