專利名稱：小功率氣冷式燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種燃料電池系統，且特別是有關于一種小功率氣冷式燃料電池系統。
背景技術：
燃料電池(Fuel Cell)是在1839年由William Grove所發明，其系一種將燃料(如氫氣、甲醇、一氧化碳等)與氧化劑(如氧氣)結合，經由電化學反應而產生電流的發電裝置。燃料電池的種類一般依電解質的不同而區分為質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，或稱Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell，縮寫為PEMFC，亦稱為PEM)、堿性燃料電池(Alkaline FuelCell，AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)及固態氧化物燃料電池(SolidOxide Fuel Cell，SOFC)等五種。
目前在各種干凈能源的開發中，以質子交換膜燃料電池所做成的燃料電池的技術最為成熟，其具有操作溫度低、啟動快速及高功率密度等特性，因此十分適合用于車輛運輸工具及小型及分散型發電系統(如家用型發電裝置及其他可攜式、固定式發電裝置)。
1千瓦(1Kilo-watt)以下的燃料電池組通常采用氣冷式來作為其冷卻的方式，如圖1為先前技術的系統方塊圖所示。在圖1中，燃料電池組102所需要氧氣與氫氣分別由空氣泵(Air Pump)104送入反應空氣(如大氣中的含氧的空氣)與由電磁閥(Solenoid Valve)106及壓力調節閥(Regulator)108送入儲氫罐110中的氫氣后，當燃料電池組102將氧氣與氫氣進行電化學反應時，則產生水、熱及直流電源，若燃料電池組102所產生的熱造成溫度過高時，則冷卻風扇(Fan)112開始工作，如圖2為先前技術的燃料電池與冷卻風扇的外形示意圖所示。
在圖2中，開放式的燃料電池組102的兩個反應板202(包含一空氣板、一氫氣板、一膜電極組體(Membrane Electrode Assembly，MEA)與夾住膜電極組體的兩層氣體擴散層)之間有一冷卻板204，而冷卻板204有許多平行排列的冷卻用空氣管道206，當燃料電池組102的工作溫度過高時，則冷卻風扇112開始工作，其將風吹入冷卻板204的空氣管道206中，以氣冷形式帶走燃料電池組102所產生的熱。
由于燃料電池組102中的氧氣與氫氣必須在潮濕空氣的環境下，才有較佳的電化學反應效果，所以燃料電池組102的工作溫度必須在40-60℃以下，才可避免燃料電池組102有失水的現象。因此，當燃料電池組102的工作溫度在40-60℃或更高時，則冷卻風扇112開始工作。但冷卻風扇112所產生的空氣壓力低、流速小，所以散熱效果差，因此，使燃料電池組102無法提供較大的工作電流，而且需要一個空間來置放此冷卻風扇112。
再者，為了使燃料電池組102中的氧氣與氫氣有較佳的電化學反應效果，電磁閥106及壓力調節閥108控制儲氫罐110流入燃料電池組102的氫氣量，但此種方式的氫氣利用效率低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種小功率氣冷式燃料電池系統，其不需要冷卻風扇，可使燃料電池組操作在較廣的工作溫度范圍，經由較佳的水管理技術來增加系統的穩定度，并有效地增加整體系統的效率。
本發明在于提供一種小功率氣冷式燃料電池系統，包含一燃料電池組，其通過氫氣與氧氣的電化學反應，以產生水、直流電源與熱，該燃料電池組具有一冷卻空氣入口與冷卻空氣出口；一空氣濕化器，其將大氣中含氧氣的空氣加濕后送進該燃料電池組中；一鼓風機，將大氣中空氣吹入該燃料電池組的冷卻空氣入口與該空氣濕化器中；一供氫源，其內儲存有氫氣，并供應該燃料電池組反應所需的氫氣；一流量與壓力調節裝置，其調節該供氫源流入該燃料電池組的氫氣量；一氫氣循環器，其用來接收該燃料電池組中的氫氣流，并將此氫氣流循環送入該燃料電池組中。
根據上述的技術方案，本發明所提供的小功率氣冷式燃料電池系統，其有益效果在于通過空氣濕化器使送入燃料電池組的大氣中含氧的空氣潮濕后，即使燃料電池組的工作溫度較高，也不會有失水的現象，因此不需要冷卻風扇來冷卻燃料電池組，可節省置放冷卻風扇的空間；而且對于較大的負載，燃料電池組也可以提供較大的工作電流；同時還可回收循環燃料電池組中的氫氣，有效地增加氫氣的反應效率。
圖1為先前技術的系統方塊圖；圖2為先前技術的燃料電池與冷卻風扇配置的立體圖；圖3為本發明的系統方塊圖；圖4為本發明的燃料電池的立體圖；圖5為本發明應用在小型電動車的方塊圖；圖6為本發明應用在交流發電裝置的方塊圖；以及圖7為本發明應用在直流發電裝置的方塊圖。
元件編號的說明102，302燃料電池組 104空氣泵 106，306電磁閥108，308壓力調節閥 110，310供氫源112冷卻風扇202，402反應板 204，404冷卻板206空氣管道300氣冷式燃料電池系統 304鼓風機 307流量與壓力調節裝置314間歇式排氣閥 316空氣濕化器 318氫氣循環器320過濾器 324控制電路 325電池326變壓器 406冷卻空氣入口 408冷卻空氣出口409反應空氣入口 410反應空氣出口 502驅動馬達504傳動機構 602直流轉交流轉換器 603、702穩壓器
具體實施例方式
圖3為本發明的系統方塊圖。在圖3中，小功率的氣冷式燃料電池系統300包含一燃料電池組302、一空氣濕化器(Air Humidifier)316、一鼓風機(Blower)304、一供氫源310、一流量與壓力調節裝置(Flow and PressureRegulated Device)307、一氫氣循環器(Hydrogen Recirculator)318、一過濾器(Filter)320、一間歇式排氣閥314、一電池325、一變壓器326及一控制電路324。
燃料電池組302通過氫氣與氧氣的電化學反應，以產生水、直流電源與熱。鼓風機304將大氣中含氧的空氣吹入燃料電池組302與空氣濕化器316中，由于鼓風機304是將作為冷卻用空氣吹入燃料電池組302的冷卻板的散熱用管道中，如圖4為本發明的燃料電池的外形示意圖。在圖4中，封閉式的燃料電池組302的兩個反應板402(包含一空氣板、一氫氣板、一膜電極組體(MEA)與夾住膜電極組體的兩層氣體擴散層)之間有一冷卻板404，而冷卻板404有許多冷卻用的空氣管道(未繪示)，鼓風機304由燃料電池組302的冷卻空氣入口406吹入冷卻用的空氣到冷卻板404中的空氣管道，而由燃料電池組302的冷卻空氣出口408送出燃料電池組302所產生的廢熱的空氣；當燃料電池組302的負載上升、工作溫度升高時，則鼓風機304會吹入更多冷卻用的空氣到燃料電池組302中，以降低燃料電池組302的工作溫度；而且鼓風機304所產生的空氣壓力高、流速大，如此，對于燃料電池組302所產生的熱的散熱效果大，可降低燃料電池組302的工作溫度，而不需要額外的冷卻風扇來做冷卻，可節省冷卻風扇112所占用的空間；其中，燃料電池組302的反應空氣入口409及反應空氣出口410是作為空氣濕化器316輸送反應空氣至燃料電池組302的出入口。
在圖3中，空氣濕化器316接收燃料電池組302中潮濕空氣的水分，并與大氣中含氧的空氣混合成為反應氣體后，具潮濕性的此反應氣體送進燃料電池組302中，除了可以提高燃料電池組302內氫氣與氧氣的反應效果外，在燃料電池組302的工作溫度高達40-60℃或以上，也不會有失水的現象，使得燃料電池組302操作較為穩定，而且對于較大的負載，燃料電池組302也可以提供較大的工作電流；由于燃料電池組302內氫氣與氧氣反應會不斷地產生水，會使得燃料電池組302中空氣的含水量愈來愈高，當空氣濕化器316接收燃料電池組302中過度潮濕的空氣時，則可利用來加濕作為反應用空氣的進氣。
供氫源310用以儲存氫氣，供氫源310一般可使用合金儲氫罐或高壓氫瓶。流量與壓力調節裝置307用以調節供氫源310流入燃料電池組302的氫氣量，而流量與壓力調節裝置307包含一電磁閥306及一壓力調節閥308。電磁閥306是受控制電路324的控制，其用以開啟或關閉氫氣的流通；壓力調節閥可調節由電磁閥306所流出并流入燃料電池組302的氫氣的壓力。氫氣循環器318是用來接收燃料電池組302中氫氣氣流，并將此氫氣氣流循環送入燃料電池組302中，此接收循環的目的是為了使燃料電池組302中的靜態氫氣流產生流動效果，可提高電化學反應的性能，讓氫氣的反應效率增加。
過濾器320用以先將鼓風機304要吹入燃料電池組302與空氣濕化器316中的大氣的空氣過濾掉雜質。間歇式排氣閥314(即一電磁閥)是受控制電路324的控制，在每隔一段時間便排掉燃料電池組302中與氫氣混合的雜氣或水分，如此，可保持與氧氣電化學反應較佳的氫氣純度，如在氫氣氣體管道有積水時，也可藉機排出，可避免燃料電池組302內氫氣與氧氣的反應變差。
控制電路324電性控制流量與壓力調節裝置307流入燃料電池組302的氫氣；控制電路324電性控制鼓風機304吹入燃料電池組302與空氣濕化器316的空氣量；控制電路324電性控制間歇式排氣閥314；以及，控制電路324可做氣冷式燃料電池系統300的自我檢測(如檢測儲氫罐310的氫氣的儲存量，檢查鼓風機304、電磁閥306、間歇式排氣閥314、燃料電池組302及控制電路324等是否正常)。
在本系統中，可加裝一啟動用電池325，如小型鉛酸電池或其他種類的電池，以便系統開始運轉時提供啟動控制電路324與鼓風機304等的工作電壓，同時可利用燃料電池組302所產生的直流電源，通過變壓器326變壓至控制電路324與鼓風機304所需的工作電壓后，再對電池325充電，如此每次啟動使用時，系統都可順利運轉。
一千瓦以下小功率的氣冷式燃料電池系統由于構造簡單、價格便宜，常應用在如自行車、代步車、滑板車、玩具車等小型電動車或可攜帶式或固定式的發電裝置。圖5為本發明應用在小型電動車的方塊圖，燃料電池組302可供應直流電源給一小型電動車(未繪示)的驅動馬達502，并由驅動馬達502帶動電動車的傳動機構504，如此便可使電動車前進，而使其成為一電動車。
再者，圖6為本發明應用在可攜帶式或固定式交流發電裝置的方塊圖，直流轉交流轉換器(DC/AC Converter)602將燃料電池組302所輸出直流電源轉換為具有市電頻率(60/50Hz)的交流電源，穩壓器603穩定直流轉交流轉換器602所轉換的交流電源的電壓，而使如此的系統成為市電頻率的交流發電裝置，而此直流轉交流轉換器602與穩壓器603可依需要來產生不同頻率的穩定交流電源。
又，圖7為本發明應用在可攜帶式或固定式直流發電裝置的方塊圖，燃料電池組302的氧氣及氫氣在反應時，其所輸出的電壓會隨著負載大小而變動，為使系統輸出的直流電壓穩定，故加裝一穩壓器702來穩定系統的電壓，而使系統成為直流發電裝置。
本發明的優點是在使送入燃料電池組的大氣中含氧的空氣潮濕后，即使燃料電池組的工作溫度較高，也不會有失水的現象，而且對于較大的負載，燃料電池組也可以提供較大的工作電流。
本發明的另一優點是接收循環燃料電池組中的氫氣，可有效地增加氫氣的反應效率。
本發明的再一優點是不需要冷卻風扇來冷卻燃料電池組，如此可節省置放冷卻風扇的空間。
本發明可在不離開本發明的精神及基本特征下作成各種特定的例示。本發明的范圍為由隨附的申請專利范圍所限定，而并非由上述說明所限制，所有與申請專利范圍意義相等的變化均應包含于本發明中。
權利要求
1.一種小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是該電池系統包含一燃料電池組，其通過氫氣與氧氣的電化學反應，以產生水、直流電源與熱，該燃料電池組具有一冷卻空氣入口與冷卻空氣出口；一空氣濕化器，其將大氣中含氧氣的空氣加濕后送進該燃料電池組中；一鼓風機，將大氣中空氣吹入該燃料電池組的冷卻空氣入口與該空氣濕化器中；一供氫源，其內儲存有氫氣，并供應該燃料電池組反應所需的氫氣；一流量與壓力調節裝置，其調節該供氫源流入該燃料電池組的氫氣量；一氫氣循環器，其用來接收該燃料電池組中的氫氣流，并將此氫氣流循環送入該燃料電池組中。
2.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是還包含一控制電路，其電性控制該流量與壓力調節裝置流入該燃料電池組的氫氣量及電性控制該鼓風機吹入該燃料電池組與該空氣濕化器的空氣量。
3.如權利要求2所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是還包含一電池，其供應該控制電路所需的工作電壓；一變壓器，其將該燃料電池組所輸出的直流電源變壓至該控制電路所需的工作電壓，以對該電池進行充電；一間歇式排氣閥，其受該控制電路的控制，用以排掉該燃料電池組中與氫氣混合的雜氣或水份；以及一過濾器，其先將該鼓風機要吹入該燃料電池組與該空氣濕化器中的大氣的空氣過濾掉雜質。
4.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是該空氣濕化器吸收該燃料電池組中潮濕空氣的水分，其與大氣中含氧氣的空氣混合后送進該燃料電池組。
5.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是該流量與壓力調節裝置包含一電磁閥，用以開啟或關閉該供氫源所流出的氫氣的流通；以及一壓力調節閥，其調節由該電磁閥所流出并流入該燃料電池組的氫氣的壓力。
6.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是該燃料電池組可供應直流電源給一小型電動車的一驅動馬達，而使之成為一電動車。
7.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是該氣冷式燃料電池系統成為一交流發電裝置還包含一直流轉交流轉換器，其將該燃料電池組所輸出的直流電源轉換為交流電源；以及一穩壓器，其穩定該直流轉交流轉換器所轉換的交流電源的電壓。
8.如權利要求1所述的小功率氣冷式燃料電池系統，其特征是還包含一穩壓器，其穩定該燃料電池組所輸出的直流電源的電壓，使該氣冷式燃料電池系統成為一直流發電裝置。
全文摘要
一種小功率氣冷式燃料電池系統，包含燃料電池組、空氣濕化器、鼓風機、供氫源、流量與壓力調節裝置、氫氣循環器及控制電路；控制電路分別電性控制流量與壓力調節裝置流入燃料電池組的氫氣及鼓風機吹入燃料電池組與空氣濕化器的空氣量，氫氣循環器接收燃料電池組中的氫氣流，并將此氫氣流循環送入燃料電池組中，使燃料電池組通過氫氣與氧氣的電化學反應以產生水、直流電源與熱；本發明通過空氣濕化器使送入燃料電池組的大氣中含氧的空氣潮濕后，即使燃料電池組的工作溫度較高，也不會有失水的現象，因此不需要冷卻風扇來冷卻燃料電池組，可節省置放冷卻風扇的空間；而且對于較大的負載，燃料電池組也可以提供較大的工作電流；同時還可回收循環燃料電池組中的氫氣，有效地增加氫氣的反應效率。
文檔編號H01M8/04GK1532972SQ03120950
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月24日 優先權日2003年3月24日
發明者楊源生, 徐耀升 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司