專利名稱：燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，更明確地說，涉及一種利用氣體燃料箱的壓力能方便地向重整器提供液體燃料的燃料電池系統。
背景技術：
燃料電池是一種通過氧和包含在如甲醇、乙醇或天然氣之類的烴類材料中的氫之間的化學反應將化學能直接轉化成電能的發電系統。
燃料電池系統包括作為主要部件的燃料電池堆和燃料處理器(FP)，以及作為輔助部件的燃料箱和燃料泵。燃料電池堆具有由幾個到幾十個單元電池疊置的結構，每一單元電池包括膜電極組件(MEA)和置于MEA兩側的隔離件。
燃料泵將燃料從燃料箱送到燃料處理器，燃料處理器通過重整燃料產生氫，并將產生的氫供給燃料電池堆。在燃料電池堆中，氫與氧發生電化學反應產生電能。
燃料處理器利用催化劑對碳氫化合物進行重整。若碳氫化合物含有硫的化合物，催化劑很容易因為硫的化合物而中毒。因此，在燃料處理器中對碳氫化合物進行處理之前，需要從碳氫化合物中除去硫的化合物。據此，在碳氫化合物被送入燃料處理器之前，應使碳氫化合物經脫硫處理。
碳氫化合物在被重整時產生氫，同時也產生二氧化碳和少量一氧化碳。而一氧化碳可使MEA中的電極的催化劑層上的催化劑中毒。因此，必需在能降低一氧化碳的轉換單元(shift unit)中對重整后的燃料進行處理，然后將這種燃料供給燃料電池堆。此時，一氧化碳的含量可減少到低于5000ppm。
圖1是傳統的燃料電池系統的配置圖。
參考圖1，在使用氣體燃料的燃料電池系統中，可將來自氣體燃料箱10的氣體燃料同時供給重整器40和重整器燃燒器30。進入重整器40的如LPG之類的氣體燃料需要脫硫器14，以對氣體燃料進行脫硫。經過脫硫器14的LPG的硫含量必須小于1ppm。
重整器燃燒器30對重整器40進行加熱，以使重整器40保持約750℃的溫度。重整器燃燒器30中燃燒的氣體通過第一熱交換器71被排放到外側。
液體泵22將水從水箱20供到重整器40。通過液體泵22供給重整器40的水經過第一和第二熱交換器71和72時被預熱。
在重整器40中，隨著氫一道產生一氧化碳。在燃料中一氧化碳的濃度降低到預定水平、例如5000ppm或更低之后，轉換反應器60將重整器40中產生的燃料供給燃料電池堆50。
在圖1所示的燃料電池堆50中，含硫的氣體燃料被用作供給重整器40的燃料。所以，需要用于對進入重整器40的氣體燃料進行脫硫的脫硫器14。同時，也需要向重整器40供水的液體泵22。
可用不含硫的液體燃料代替含硫的氣體燃料。但是，在這種情況下，需要用于向燃燒器30供給液體燃料的元件。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用向重整器燃燒器提供氣體燃料的氣體燃料箱方便地向重整器提供液體燃料的燃料電池系統。
根據本發明的一方面，提供一種燃料電池系統，其包括存放水和液體燃料的液體燃料箱；從水和接收到的來自液體燃料箱的液體燃料中產生富氫氣體的重整器；通過燃燒接收到的來自氣體燃料箱的氣體燃料加熱重整器的燃燒器；以及從接收到的來自重整器的富氫氣體產生電能的燃料電池堆，其中，使液體燃料箱與氣體燃料箱連接，且通過氣體燃料箱的壓力將與水混合的液體燃料提供給重整器。
本燃料電池系統還可包括設于燃料電池堆和燃燒器之間的回收管，其中通過該回收管回收燃料電池堆中未反應的氣體，以送到燃燒器中。
所述燃料電池系統還可包括設于所述回收管上的壓力調節器，其中，該壓力調節器使燃料電池堆和液體燃料箱之間的壓力保持相等，當燃料電池堆中的壓力低于預定水平時，該壓力調節器增大供給重整器的液體燃料量，而當燃料電池堆中的壓力大于所述預定水平時，其減少供給重整器的液體燃料量。
所述液體燃料和氣體燃料可為碳氫化合物燃料。
所述液體燃料可以是從由甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇組成的組中選取的一種。
所述氣體燃料可以是從由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和二甲醚組成的組中選取的一種。
該燃料電池系統還可包括位于液體燃料箱和重整器之間的液體燃料供給管上的熱交換器，其用來預熱所述液體燃料。
通過參考附圖對本發明的示例性實施方式進行詳細描述，本發明所述的和其他的特點和優越性將更加清晰。附圖中圖1為傳統的燃料電池系統的配置圖；圖2為本發明一實施方式的燃料電池系統的配置圖。
具體實施例方式
現在將參考示出了本發明的示例性實施方式的附圖更全面地描述本發明。
圖2是本發明一實施方式的燃料電池系統100的配置圖。
在燃料電池系統100中，氣體燃料被供給重整器燃燒器130而無硫液體燃料被供給重整器140。燃料電池系統100包括重整器140、燃燒器130、燃料電池堆150、使供給重整器140的水與液體燃料混合的液體燃料箱120、存放供給燃燒器130的氣體燃料的氣體燃料箱110、使液體燃料箱120供給的液體燃料和由重整器燃燒器130產生的燃燒氣體之間進行熱交換的第一熱交換器171、以及使由重整器140產生的燃料氣體和液體燃料之間進行熱交換的第二熱交換器172。
重整器燃燒器130對重整器140進行加熱，以將重整器140的溫度維持在250℃左右。以這種方式對液體燃料進行重整時，用來重整燃料的溫度將低于用來重整氣體燃料的溫度，并可將由重整器140產生的重整氣中的CO的濃度控制在5000ppm或更低。可直接將CO的濃度低于5000ppm的富氫氣體供給燃料電池堆150而不需要轉換過程。因此，不需要轉換反應器(參考圖1中60)。
由燃燒器130產生的燃燒氣體通過第一熱交換器171被排放到外側。
在氣體燃料箱110中，可充注具有2到5大氣壓的壓力的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或二甲醚之類的氣體燃料。可將氣體燃料箱110中的氣體燃料供給重整器燃燒器130和液體燃料箱120。
液體燃料箱120包括入口和出口，具有預定壓力的氣體燃料通過所述入口進入氣體燃料箱110內，借助于氣體燃料的壓力來自液體燃料箱120的液體燃料經所述出口排出。在所述液體燃料箱120中存放有至少從甲醇、乙醇、丙醇、和乙二醇組成的組中選取的不含硫的液體燃料。
將由重整器140產生的富氫氣體供給燃料電池堆150。在燃料電池堆150和重整器燃燒器130之間安裝有回收管152，在燃料電池堆150內反應后剩余的氣體通過回收管152被供給重整器燃燒器130以便再使用。
在回收管152上安裝有壓力調節器160。在壓力調節器160內的壓力被保持在預定的壓力，例如，維持在大氣壓和氣體燃料箱110的壓力之間。壓力調節器160的作用是使燃料電池堆150和液體燃料箱120之間壓力保持相等。當燃料電池堆150內的氫的消耗量增加時，燃料電池堆150的壓力降低。因此，燃料電池堆150和液體燃料箱120之間的壓力差增大，從而增加從液體燃料箱120向重整器140供給的燃料量。當燃料電池堆150內的氫的消耗量減少時，燃料電池堆150的壓力增加。因此，燃料電池堆150和液體燃料箱120之間的壓力差減小，從而降低從液體燃料箱120向重整器140供給的燃料量。
因此，壓力調節器160可根據燃料電池堆150內的燃料消耗自動控制供給重整器140的燃料量。
附圖標記112表示安裝在氣體燃料箱110和重整器燃燒器130之間的閥，而附圖標記122表示在液體燃料箱120處的用于控制供給重整器140的燃料量的閥。
由于使用不合硫的液體燃料，本發明的燃料電池系統100不包括脫硫器。此外，由于在較低的溫度下對碳氫化合物進行重整，因此重整后的氣體的CO濃度很低。于是，無需使用轉換反應器就可將燃料氣體供給燃料電池堆150。另外，利用氣體燃料箱110的壓力可將液體燃料箱120中的含水的液體燃料供給重整器140。因此，也不需要液體泵。
現在將參考圖2描述本發明的燃料電池系統100的運行。
使氣體燃料箱110與液體燃料箱120相連。因此，借助于氣體燃料箱110的壓力可使液體燃料箱120增壓。燃燒器閥112開啟以向燃燒器130供給氣體燃料，并點燃燃燒器130。當重整器140的溫度升到高于200℃時，通過開啟閥122將與水混合的液體燃料供給重整器140。此時，被提供的液體燃料通過第一和第二熱交換器171和172被預熱。然后，利用PID控制器(未示出)控制閥112，以將重整器140的溫度保持在220至250℃。
由重整器140重整的液體燃料所產生的富氫氣體被供給燃料電池堆150。此時，可將重整液體燃料的過程中產生的CO的濃度控制在5000ppm或更低。因此，可將富氫氣體直接供給燃料電池堆150而不需要附加轉換反應器。流過所述燃料電池堆150的未反應燃料呈氣態，其溫度約為150℃，其通過回收管152被重新供給燃燒器130。
由燃燒器130產生的燃燒氣體在第一熱交換器171處與液體燃料進行熱交換，而由重整器140產生的富氫氣體在第二熱交換器172處與液體燃料進行熱交換。
可將壓力調節器160的壓力設定為低于氣體燃料箱110的壓力，例如，為1.5大氣壓。當燃料電池堆150產生大電力時，由于氫的消耗量增加，燃料電池堆150的壓力下降。因此，燃料電池堆150和液體燃料箱120之間的壓差增大。據此，從液體燃料箱120供給重整器140的液體燃料量增加，而且從燃料電池堆150回收送到燃燒器130的未反應的燃料量也降低，于是，借助于PID控制器使供給燃燒器130的氣體燃料量增加。
當燃料電池堆150產生的電力降低時，燃料電池堆150中的耗氫量降低。據此，供給重整器燃燒器130的未反應的燃料量增加，于是，借助于PID控制器，使從氣體燃料箱110供給燃燒器130的氣體燃料量減少。同時，由于在PEM燃料電池堆150內的壓力增大，液體燃料箱120和燃料電池堆150之間的壓差減小，借此供給重整器140的液體燃料減少。據此，當由重整器140產生的富氫氣體減少時，在一段時間內，燃料電池堆150中的耗氫量和重整器140中的產氫量平衡。
由于利用氣體燃料箱的壓力從液體燃料箱向重整器供給液體燃料，本發明的燃料電池系統不需要附加的用于向重整器供給液體燃料的液體泵。通過利用液體燃料使富氫氣體中的CO的濃度降低，因此可將由重整器產生的富氫氣體直接供給燃料電池堆。因此，不需要傳統的轉換反應器。此外，本燃料電池系統可根據燃料電池堆內的富氫氣體的消耗量利用壓力調節器自動控制供給重整器的液體燃料量。
盡管上面已參考本發明的示例性實施方式具體示出和描述了本發明，但本領域技術人員應理解的是，在不超出本發明的構思和由權利要求限定的保護范圍的前提下，可在形式和細節上對本發明進行各種變換。
權利要求
1.一種燃料電池系統，其包括氣體燃料箱和存放液體燃料和水的液體燃料箱；從水和接收到的來自所述液體燃料箱的液體燃料產生富氫氣體的重整器；通過燃燒接收到的來自所述氣體燃料箱的氣體燃料加熱所述重整器的燃燒器；及從接收到的來自所述重整器的富氫氣體中產生電能的燃料電池堆，其中，所述液體燃料箱與所述氣體燃料箱連接，且借助于所述氣體燃料箱的壓力將所述與水混合的液體燃料供給所述重整器。
2.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，還包括設于所述PEM燃料電池堆和所述重整器燃燒器之間的回收管，其中所述PEM燃料電池堆中未反應的氣體被回收，以通過該回收管被送到所述燃燒器。
3.如權利要求2所述的燃料電池系統，其中，還包括位于所述回收管上的壓力調節器，其中，該壓力調節器使所述燃料電池堆和所述液體燃料箱之間保持相等的壓力，當所述燃料電池堆的壓力低于預定水平時，該壓力調節器增加供給所述重整器的液體燃料量，而當所述燃料電池堆的壓力高于所述預定水平時，其減少供給所述重整器的液體燃料量。
4.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，所述液體燃料和氣體燃料為碳氫化合物燃料。
5.如權利要求4所述的燃料電池系統，其中，所述液體燃料是從由甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇組成的組中選取的一種。
6.如權利要求4所述的燃料電池系統，其中，所述氣體燃料是從由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和二甲醚組成的組中選取的一種。
7.如權利要求1所述的燃料電池系統，其中，還包括設置于所述液體燃料箱和所述重整器之間的液體燃料供給管上的用于預熱所述液體燃料的熱交換器。
全文摘要
本發明公開了一種燃料電池系統，其包括氣體燃料箱和液體燃料箱；由液體燃料產生富氫氣體的重整器；通過燃燒燃料而加熱重整器的燃燒器；及產生電能的燃料電池堆，其中，液體燃料箱與氣體燃料箱連接，且借助于氣體燃料箱的壓力將與水混合的液體燃料供給重整器。由于利用氣體燃料箱的壓力從液體燃料箱向重整器供給液體燃料，本燃料電池系統不需要附加的用于向重整器供給液體燃料的液體泵。通過利用液體燃料而使富氫氣體中的一氧化碳濃度降低可將由重整器產生的富氫氣體直接供給燃料電池堆，因此，不需要轉換反應器。此外，可根據燃料電池堆內的富氫氣體的消耗量利用壓力調節器自動控制供給重整器的液體燃料量。
文檔編號H01M8/06GK101075680SQ200710002018
公開日2007年11月21日 申請日期2007年1月15日 優先權日2006年5月15日
發明者金純澔, 李斗煥, 李弦哲 申請人:三星Sdi株式會社