用于直接甲醇燃料電池的具有穩定結構的水控制器系統的制作方法

專利名稱：用于直接甲醇燃料電池的具有穩定結構的水控制器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水控制器系統，所述水控制器系統構造為如下結構將由直接曱醇燃料電池系統的陰極產生的水和由直接曱醇燃料電 池系統的陽極產生的二氧化碳及未反應的曱醇溶液引入該水控制器系 統中，使二氧化碳從該水控制器系統排出，并且使曱醇溶液循環至相應電才及以再利用該曱醇溶液，并且更具體而言，涉及一種包:fe如下結構的水控制器系統其中包含預定量水的密封式盒(seal-type case);其 中部分包含曱醇溶液(曱醇與水)的中空結構浮動構件；設置在水控制器 系統上部用于排出二氧化碳的排氣口 ；設置在水控制器系統下部用于 將水、二氧化碳和未反應的曱醇溶液通過其從陰極和陽極引入水控制 器系統的氣體/溶液入口 ；和設置在水控制器系統下部用于向陽極供給 曱醇溶液的排出口 ，其中從入口延伸的彈性入口管以及從排出口延伸 的彈性出口管與在在密封式盒中漂浮的浮動構件的下端連接，并且從 排氣口延伸的彈性排氣管與浮動構件的上端連接，以及本發明涉及一 種包括所述水控制器系統的燃料電池系統。
背景技術：
燃料電池是一種將由燃料(氫或曱醇)與氧化劑(氧或空氣)之間的電 化學反應產生的化學能直接轉化成電能的新型電力產生系統。由于高 能量效率和低污染物排出，即保護環境特性，燃料電池作為下一代能 源資源受到極大關注，并對燃料電池進行了大量研究。基于所用的電解質的種類，燃料電池可分成磷酸燃料電池、堿性 燃料電池、聚合物電解質燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化 物燃料電池。其中，質子交換膜燃料電池可分成使用氫氣作為燃料的 質子交換膜燃料電池或者其中向陽極供給液相曱醇作為直接燃料的直 接曱醇燃料電池。由于IO(TC或更低的低工作溫度、因為使用固體電解質排除了泄漏問題、迅速起動與反應特性及極好的耐久性，聚合物電解質燃料電池 作為便攜式電源部件、車輛用電源部件或家用電源部件受到關注。尤 其，與其它燃料電池相比，直接曱醇燃料電池具有單一燃料供給系統， 并且直接曱醇燃料電池的整體結構不復雜。此外，直接曱醇燃料電池 的小型化是可能的。因此，直接曱醇燃料電池作為便攜式燃料電池的 研究正在進行中。圖1為表示普通直接甲醇燃料電池系統的示意圖。參照圖1,燃料電池系統IOO包括具有設置在由聚合物材料制成 的電解質膜116的對邊的陰才及112和陽4及114的燃料電池；用于向陰 極112供給包括氧作為燃料的空氣的第一泵140;用于向陽極114供給 作為燃料的曱醇溶液的第二泵150;構造為將從燃料電池110產生的水、 二氧化^碳和未反應的曱醇通過管160和170引入水控制器系統200，通 過出口管190從水控制器系統200排出二氧化碳，并且通過第二泵150 再次向燃料電池110供給水和未反應的曱醇的水控制器系統200;用于 向水控制器系統200供給廢曱醇的第三泵180;熱交換器；及曱醇儲藏 容器(純MeOH)。向陽極114供給的甲醇溶液被分離成氫離子與電子。氫離子通過 電解質膜116遷移至陰極112,并且電子經由外部電路(未顯示)遷移至 陰極112,由此從燃料電池IIO產生電力。此時，從陰極112產生水， 并且從陽極114產生二氧化碳和未反應的曱醇。水、二氧化碳和未反 應的曱醇被引入水控制器系統200。在其中，水和未反應的曱醇與純曱 醇(該純曱醇從外部供給以補充消耗曱醇的量)混合，并且向燃料電池再 次供給該混合物。如上所述，與化學電池不同，直接甲醇燃料電池系統通常僅在向 直接曱醇燃料電池系統連續供給曱醇溶液和其連續除去二氧化碳時工 作。為此，向直接甲醇燃料電池系統連續供給曱醇溶液并且連續除去 二氧化碳的水控制器系統的功能是非常重要的。通常，在水控制器系統中排出二氧化碳氣體的二氧化碳排出部位、 排出曱醇溶液液體的曱醇溶液排出部位是固定的。結果，當水控制器 系統傾斜或搖動時，上述材料可能不會從相應排出部位排出。為了解決上述問題，提出了一種在水控制器系統中設置一個液體 分離膜和用于吸收曱醇溶液的吸收構件，由此再利用吸收到吸收構件 中的甲醇溶液的方法，在美國未經審查專利公開No. 2004-115606、日 本未經審查專利7>開No. 2004-186151和韓國未經審查專利7>開No. 2004-45312中公開了該方法。然而，上述常規方法存在這樣的問題 當吸收構件被曱醇溶液完全浸濕時，吸收構件不再吸收曱醇，二氧化 碳流入水控制器系統，并且需要高泵壓力以再供給被吸收的曱醇溶液。另一方面，日本未經審查專利公開No. 2003-163021爿〉開了構造為 即使當水控制器系統傾斜時通過使用浮管實現供給與排出的結構。然而，在這種常規結構中，必須提供分離水控制器系統的附加元件，由 此會增加燃并牛電池系統的總尺寸。
發明內容
技術問題因此，進行本發明以解決上述問題及仍待解決的其它技術問題。具體而言，本發明的一個目的是提供一種能夠有效再利用燃料電 池排出的未反應的曱醇溶液的水控制器系統，即使當該水控制器系統 傾斜時其亦可正常工作，并且在水控制器系統中均衡地保持水與甲醇 的量。本發明的另 一 目的是提供一種包括水控制器系統的燃料電池系 統，該燃料電池系統具有小型結構構造。技術方案根據本發明的一個方面，通過提供一種水控制器系統實現上述及其它目的，所述水控制器系統構造為如下結構將由直接曱醇燃料電 池系統的陰極產生的水和由直接曱醇燃料電池系統的陽極產生的二氧 化碳及未反應的曱醇溶液引入該水控制器系統中，使二氧化碳從該水 控制器系統排出，并且使曱醇溶液循環至相應電極以再利用該曱醇溶 液，其中，所述水控制器系統包括其中包含預定量水的密封式盒； 其中部分包含甲醇溶液(曱醇與水)的中空結構浮動構件；_沒置在水控制 器系統上部用于排出二氧化碳的排氣口 ；設置在水控制器系統下部用 于通過其將水、二氧化碳和未反應的曱醇溶液從陰極和陽極引入水控 制器系統的氣體/溶液入口 ；和設置在水控制器系統下部用于向陽極供給曱醇溶液的排出口 ，其中從入口延伸的彈性入口管以及從排出口延 伸的彈性出口管與在密封式盒中漂浮的浮動構件的下端連接，并且從 排氣口延伸的彈性排氣管與浮動構件的上端連接。因此，根據本發明的水控制器系統，即使當所述水控制器系統由 于各種外部原因不能保持直立時，因為上述結構特征亦能正常工作。在本發明中，所述"曱醇溶液"表示外部供給的純曱醇、由燃料 電池引入的未反應的甲醇和由水控制器系統向燃料電池供給的水的混 合物。根據本發明，當其中包含曱醇溶液的浮動構件漂浮在密封式盒中時密封式盒1/2至3/4的內體積優選用水充滿，并且優選用曱醇溶液充 滿浮動構件1/2至3/4的內體積。在這種情況下，浮動構件以如下方式 在密封式盒中漂浮在水中浸沒1/2至3/4浮動構件，同時浮動構件的 外表面與密封式盒的內表面留有間隔。更優選地，在水控制器系統的最上端設置排氣口，并且在水控制 器系統的最下端設置氣體/溶液入口與排出口。根據本發明，為了使浮動構件在水控制器系統中保持直立，當按 照通過浮動構件正中心的水平線附近將浮動構件分成上部與下部時， 浮動構件的下部必須比浮動構件的上部重。在上述結構中，在浮動構 件的下端設置氣體/溶液入口與排出口 ，并且彈性入口管與彈性出口管 分別與氣體/溶液入口與排出口連接。結果，浮動構件的下部比浮動構件的上部重。為了增加浮動構件上下部之間的重量差，可考慮用具有 相對高比重的材料或增加中空結構的厚度的方法制造浮動構件下部。在優選實施方式中，所述水控制器系統可進一步包括設置在入 口管與出口管連^妄的浮動構件下端的平衡配重(balance weight),所述平 衡配重相對較重，由此，即使當水控制器系統傾斜或旋轉同時浮動構 件在密封式盒中漂浮時，浮動構件與入口管之間及浮動構件與出口管 之間的連接區域位于浮動構件最下端，并且浮動構件與排氣管之間的 連接區域位于浮動構件的最上端。在優選實施方式中，所述水控制器系統可進一步包括設置在浮 動構件外表面的一個或多個半透性膜構件，當浮動構件在密封式盒中 漂浮時，所述半透性膜構件與水接觸以進行滲透作用。所述半透性膜 構件阻斷曱醇運動并且允許水運動，以均衡保持浮動構件中曱醇溶液的濃度，并且在密封式盒中均衡保持水量。因此，即使沒有設置額外 的甲醇濃度探測元件和額外的曱醇濃度控制元件，也能夠容易地控制 曱醇濃度至期望水平。所述密封式盒可具有多種結構構造。優選地，考慮到在燃料電池 系統中的安裝空間及密封式盒的穩定安裝，所述密封式盒為六面體結 構構造。另一方面，優選所述浮動構件為球形結構構造，通過所述球形結 構，當浮動構件由于各種原因運動時，可將由于浮動構件與六面體盒 內表面之間的摩^"而不是由于漂浮現象引起的浮動構件的方向的任何 強制改變減到最小。根據本發明的另 一方面，提供一種包括上述水控制器系統的燃料 電池系統。如圖1所示，從本發明適合的現有技術很好了解使用根據本發明的水控制器系統的燃料電池系統的構造，因此，將不再給出燃 料電池系統的說明。


結合附圖從下面詳細的說明中將更清楚理解本發明的上述及其它
目的，附圖為
圖1為顯示普通直接曱醇燃料電池系統的示意圖2為顯示根據本發明的優選實施方式的水控制器系統的示意圖3為顯示如圖2所示的水控制器系統45度傾斜的示意圖；和
圖4為顯示如圖2所示的水控制器系統180度傾斜的示意圖。
<附圖中主要附圖標記說明>
100:燃料電池系統200:水控制器系統
210:密封式盒220:浮動構件
具體實施例方式
現在，將參照附圖詳細說明本發明的優選實施方式。然而，應當 注意本發明的范圍不限于舉例說明的實施方式。
圖2為顯示根據本發明優選實施方式的水控制器系統的示意圖。
參照圖2，所述水控制器系統包括其中部分包含水300的密封式盒 210和部分浸沒在水300中及部分漂浮在水300上的浮動構件220，所 述浮動構件220其中包含曱醇溶液310。所述密封式盒210通常為六面體結構構造。密封式盒210在其左 下端設有入口 230和排出口 240，通過入口 230從燃料電池的陰極(未 顯示)產生的水和從燃料電池的陽極(未顯示)產生的二氧化碳及未反應 的曱醇被引入密封式盒210,并且通過排出口 240向燃料電池供給曱醇 溶液。設置入口 230與排出口 240彼此相鄰。密封式盒210在其右上 端設有排氣口 250,通過排氣口 250使二氧化碳排出密封式盒210。
所述浮動構件220為球形結構構造。浮動構件220下端連接從入 口 230延伸的彈性入口管260和從排出口 240延伸的彈性出口管250。 浮動構件220的上端連接從排氣口 250延伸的彈性排氣管280。可在入 口 230中或在入口管260中設置用于防止逆流的單向打開與閉合構件。 可在排出口 240中或在出口管250中設置單向打開與閉合構件。依照 情況，可在燃料電池(未顯示)中設置用于防止這種逆流的附加構件，在 所述燃料電池中最終進行引入與排出。
在連接入口管260與出口管270的浮動構件220下端^:置相對較 重的平衡配重290,由此即使當水控制器系統傾斜或搖動同時浮動構件 220漂浮時，浮動構件220與入口管260之間及浮動構件220與出口管 270之間的連接區域位于浮動構件220最下端，并且浮動構件220與排 氣管280之間的連接區域位于浮動構件220最上端。
因此，即使當水控制器系統200傾斜或搖動時，運動至浮動構件 220上部的氣態二氧化碳與在浮動構件220下部中收集的液態曱醇溶液 分別朝向位于浮動構件220中的相應排出區域。
當在浮動構件220對邊下部之間設置平衡配重290時在與水接觸 的浮動構件220外表面對邊下部分別設置進行滲透作用的半透性膜構件292與294。半透性膜構件292與294中斷曱醇運動并且允許水運動 以使在浮動構件220中曱醇溶液的濃度和在密封式盒210中水量保持 在預定水平。
圖3為顯示如圖2所示的水控制器系統45度傾斜的示意圖。
參照圖3，即使當水控制器系統200在45度傾斜時，雖然密封式 盒210相應地傾斜，由于平衡配重290浮動構件220保持直立。
此外，即使當密封式盒210的最上排氣口 250不再位于最上位置 而是浸沒在水中時，二氧化碳仍存在于浮動構件220的上部，并且與 排氣口 250連接。因此，二氧化碳通過彈性排氣管280能夠容易地排 出密封式盒210。同樣，即使當密封式盒210的最下入口 230與最下排 出口 240不再位于最下位置，在浮動構件220下部中收集水與未反應 的曱醇，并且連接至入口 230與排出口 240。因此，能夠通過彈性入口 管260與彈性出口管270向燃料電池供給水與未反應的曱醇。
圖4為顯示如圖2所示的水控制器系統180度傾斜的示意圖。
參照圖4，根據如與45度傾斜水控制器系統200相同的原理，即 使當入口 230與排出口 240位于最上位置時，同時排氣口 250位于最 下位置時，在浮動構件220中二氧化碳與曱醇溶液的位置不會改變， 并且二氧化碳與曱醇溶液存在于排氣管280、入口管260和出口管270 所在區域。因此，水控制器系統200正常工作。
雖然本發明的優選實施方式為舉例說明目的已經公開，本領域技 術人員應該理解，各種修改、增加及置換是可能的，不會偏離如所附 權利要求所述的本發明的實質和范圍。工業實用性
從上述描述中明顯得出，根據本發明的用于燃料電池的水控制器 系統，具有再利用從燃料電池排出的未反應的曱醇溶液，即使當水控 制器系統傾斜時正常工作，并且在水控制器系統中均衡保持水與曱醇 的量的效果。
權利要求
1. 一種水控制器系統，所述水控制器系統構造為如下結構將由直接甲醇燃料電池系統的陰極產生的水與由直接甲醇燃料電池系統的陽極產生的二氧化碳及未反應的甲醇溶液引入該水控制器系統中，使二氧化碳排出該水控制器系統，并且使所述甲醇溶液循環至相應的電極以再利用該甲醇溶液，其中，所述水控制器系統包括其中包含預定量水的密封式盒；其中部分包含甲醇溶液(甲醇與水)的中空結構浮動構件；設置在所述水控制器系統上部用于排出二氧化碳的排氣口；設置在所述水控制器系統下部用于將水、二氧化碳和未反應的甲醇溶液通過其從所述陰極和陽極引入所述水控制器系統的氣體/溶液入口；和設置在所述水控制器系統下部用于向所述陽極供給甲醇溶液的排出口，并且其中，從所述入口延伸的彈性入口管以及從所述排出口延伸的彈性出口管與在所述密封式盒中漂浮的浮動構件的下端連接，并且從所述排氣口延伸的彈性排氣管與所述浮動構件的上端連接。
2、 根據權利要求l所述的水控制器系統，其中，當所述浮動構件漂浮在所述密封式盒中時，所述密封式盒1/2至3/4的內體積充滿水。
3、 根據權利要求1所述的水控制器系統，其中，所述浮動構件1/2 至3/4的內體積充滿曱醇溶液。
4、 根據權利要求2或3所述的水控制器系統，其中，分別用水與 曱醇溶液填充所述密封式盒內部和所述浮動構件內部至如下高度當 所述浮動構件在所述密封式盒中漂浮時，所述浮動構件的外表面與所 述密封式盒的內表面之間留有間隔。
5、 根據權利要求1所述的水控制器系統，其中，所述排氣口設置 在所述水控制器系統的最上端，并且所述氣體/溶液入口與排出口設置 在所述水控制器系統的最下端。
6、 根據權利要求1所述的水控制器系統，其進一步包括設置在 所述入口管和出口管連接的浮動構件下端的平衡配重，所述平衡配重 相對較重，由此，當所述浮動構件在所述密封式盒中漂浮時，所述浮 動構件與所述入口管之間及所述浮動構件與所述出口管之間的連接區 域位于所述浮動構件的最下端。
7、 根據權利要求1所述的水控制器系統，其進一步包括設置在 所述浮動構件外表面的一個或多個半透性膜構件，當所述浮動構件在 所述密封式盒中漂浮時，所述半透性膜構件與水接觸，以進行滲透作 用，由此阻斷甲醇運動而允許水運動。
8、 根據權利要求1所述的水控制器系統，其中，所述密封式盒通 常為六面體結構構造，并且所述浮動構件為球形結構構造。
9、 一種燃料電池系統，所述燃料電池系統包括根據權利要求1~8 中任一項所述的水控制器系統。
全文摘要
本發明公開了一種水控制器系統，所述水控制器系統構造為如下結構將由直接甲醇燃料電池系統的陰極產生的水與由直接甲醇燃料電池系統的陽極產生的二氧化碳及未反應的甲醇溶液引入該水控制器系統中，使二氧化碳排出該水控制器系統，并且使所述甲醇溶液循環至相應的電極以再利用該甲醇溶液。所述水控制器系統包括具有排氣口、氣體/溶液入口和排出口的特定結構的浮動構件。所述水控制器系統進一步包括與浮動構件連接的彈性入口管、彈性出口管和彈性排氣管。所述用于燃料電池的水控制器系統具有再利用從燃料電池排出的未反應的甲醇溶液，即使當水控制器系統傾斜時可正常工作，并且均衡保持水控制器系統中水與甲醇的量的效果。
文檔編號H01M8/02GK101300705SQ200680041189
公開日2008年11月5日 申請日期2006年9月11日 優先權日2005年11月1日
發明者文高永, 魯臺根 申請人:Lg化學株式會社