專利名稱：固體高分子燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地從廢氣中回收冷凝水并且提供在從廢氣中回收冷凝水時所用的熱能的有效利用。
背景技術(shù)：
作為具有高效率的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，近年來燃料電池系統(tǒng)倍受人們矚目。某些類型的燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，或者已經(jīng)進行著它們的研究開發(fā)。在這些系統(tǒng)中，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)成為了在固定分布能源以及在空間或車輛中采用的其它能源的領(lǐng)域中的焦點，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)采用具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子膜作為電解質(zhì)，以便利用小型結(jié)構(gòu)提供高能量密度，并且能夠利用簡單的系統(tǒng)工作。這種能源具有圖9和10所示的結(jié)構(gòu)。
固體高分子型燃料電池系統(tǒng)包括將系統(tǒng)大致分成的三個部分，即，電池主體的發(fā)電系統(tǒng)、燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)的電池主體具有如下所述結(jié)構(gòu)。
固體高分子型電池主體由膜電極組件4構(gòu)成，組件4設(shè)有高分子膜1、用作氣體擴散電極的板形燃料電極2以及氧化劑電極3。
在膜電極組件4中，高分子膜1設(shè)置在燃料電極2和氧化劑電極3之間，所述燃料電池2用作包括鉑催化劑的擴散電極。
通常將包括高分子膜1、燃料電極2和氧化劑電極3的膜電極組件4成形為正方形或長方形板。
高分子膜1設(shè)置有如圖11中所示的墊圈5，該墊圈增加了高分子膜1的面積，使之大于燃料電極2和氧化劑電極3的面積，并能夠使高分子膜1充分地與將要供應(yīng)到各電極2、3的反應(yīng)氣接觸，由此防止了混合物的出現(xiàn)和反應(yīng)氣的擾動。此外，高分子膜1具有用作管道的通孔6，以便以正確的角度穿過反應(yīng)氣。
為了從膜電極組件4向外引出電流，需要向各電極2、3供應(yīng)作為反應(yīng)氣的燃料氣體和氧化劑氣體。在此情況下，將主要組分為氫的重整氣體(即，由碳氫化合物產(chǎn)生的燃料)用作燃料氣體，含在空氣中的氧氣用作氧化劑氣體。
存在下述化學(xué)反應(yīng)，從而使含在燃料氣體中、供應(yīng)到燃料電極2的氫成為質(zhì)子和電子……(1)在由等式(1)表示的反應(yīng)中，質(zhì)子從燃料電極2轉(zhuǎn)移到在具有電解質(zhì)功能的高分子膜1中的氧化劑電極3。電子不能在高分子膜1中轉(zhuǎn)移，但它通過外部電路轉(zhuǎn)移到氧化劑電極3。
在氧化劑電極3中，在由燃料電極2轉(zhuǎn)移的質(zhì)子和電子以及用作氧化劑的氧氣之間發(fā)生下述化學(xué)反應(yīng)，生成水……(2)通常將由此生成的水稱作“生成水”。生成水在氧化劑氣體中蒸發(fā)，變成水蒸汽并釋放到電池的外部。
在此階段，在電極2、3中都產(chǎn)生了電動勢(EMF差)。以圖11所示的方式設(shè)置隔板7，以便采用電動勢并防止混合物的出現(xiàn)或者供應(yīng)到各電極2，3的反應(yīng)氣的擾動。隔板7一體地形成燃料電極2和氧化劑電極3的各側(cè)，由此形成單元電池8。
圖11是表示單元電池8的示意圖。單元電池8由膜電極組件4、燃料電極2、氧化劑電極3、隔板7以及墊圈5構(gòu)成。隔板7具有用于向各單元電池8供應(yīng)反應(yīng)氣的反應(yīng)氣供應(yīng)孔(供應(yīng)管道)9、用于從各單元電池8釋放反應(yīng)氣的反應(yīng)氣釋放孔(釋放管道)10、以及用于使反應(yīng)氣供應(yīng)孔9和反應(yīng)氣釋放孔10彼此連接的燃料氣體路徑11和氧化劑氣體路徑12。
在包括單個膜電極組件4的單元電池8中產(chǎn)生的電動勢小到不超過1V。因此，單元電池8以疊層結(jié)構(gòu)的形式彼此疊放在一起并以串聯(lián)的方式進行電連接，構(gòu)成層疊件13，由此增加了電動勢。在單元電池8的層疊步驟完成之后，借助緊固機械例如彈簧和桿緊固層疊件13。此外，層疊件13設(shè)置有冷卻板(未示出)，用以冷卻各單元電池18。JP特開平H01-140562公開了在不采用任何冷卻板的條件下冷卻層疊件13的措施。
現(xiàn)在，下面描述燃料重整系統(tǒng)。
供應(yīng)到燃料電極2的燃料氣體主要含有氫氣。但是很難供應(yīng)高純度的氫氣。鑒于這些情況，采用碳氫化合物燃料例如甲烷CH4、丙烷C3H8、甲醇CH3OH以及催化劑形成重整氣體，并將由此形成的重整氣體供應(yīng)到電池主體15。以下將用于形成重整氣體的系統(tǒng)稱作“燃料重整系統(tǒng)”14。
燃料重整系統(tǒng)14向例如碳氫化合物燃料的甲烷CH4添加水蒸汽，根據(jù)下述等式重整氫氣
上述等式基于吸熱反應(yīng)，因此不提供熱量會失去其平衡。因此，燃料重整系統(tǒng)14返回殘留的氫H2，此殘留的氫是在把例如由甲烷CH4重整的氫氣H2提供到電池主體15之后剩下的，然后，將空氣加入殘留的氫中使其燃燒。
對于燃料重整系統(tǒng)14來說，存在作為氧氣添加系統(tǒng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氧氣O2加入到例如碳氫化合物燃料的甲烷CH4中，根據(jù)下式(3)產(chǎn)生氫氣H2和一氧化碳CO，然后將氫氣供應(yīng)到電池主體15……(3)但是此系統(tǒng)產(chǎn)生一氧化碳CO，由此造成了在工作中的不利因素。鑒于這些方面，出現(xiàn)了一種改進的燃料重整系統(tǒng)14，該系統(tǒng)中重整反應(yīng)器16與CO轉(zhuǎn)換器17和選擇氧化器18結(jié)合，將水蒸汽H2O加入到例如碳氫化合物燃料的甲烷CH4，在CO轉(zhuǎn)換器17中將水蒸汽H2O加入到所產(chǎn)生的一氧化碳CO中以根據(jù)下式(4)產(chǎn)生氫氣H2和二氧化碳CO2，加入含在空氣中的氧O2以根據(jù)下式(5)產(chǎn)生二氧化碳CO轉(zhuǎn)換器17……(4)選擇氧化器18……(5)現(xiàn)在，以下描述熱量回收系統(tǒng)。
熱量回收系統(tǒng)包括利用來自制冷劑的熱量的類型，該制冷劑是為了冷卻的目的而供應(yīng)到電池主體15上的；使由燃料重整系統(tǒng)14產(chǎn)生的廢熱回收的類型。例如，在JP特開平H10-311564中公開了前一種熱量回收系統(tǒng)19，在此系統(tǒng)中，從為了冷卻電池主體15而提供的冷卻劑回收熱量，然后以熱介質(zhì)的方式將熱量供應(yīng)到如圖16所示的熱量交換器20中，然后，與其它制冷劑進行熱交換，以便提供熱量進行熱水供應(yīng)或加熱。
例如，在JP特開平H08-287932中公開了后一種熱量回收系統(tǒng)19，在此系統(tǒng)中，如圖17所示，燃燒廢氣從燃料重整系統(tǒng)14通過電池主體15、CO轉(zhuǎn)換器17以及CO選擇氧化器18供應(yīng)到熱量交換器20，然后與制冷劑進行熱交換，以便提供熱量進行熱水供應(yīng)或加熱；或者在此系統(tǒng)中，當(dāng)從燃料重整系統(tǒng)14把燃燒廢氣通過熱量交換器20供應(yīng)到電池主體15時，供應(yīng)到熱量交換器20的制冷劑轉(zhuǎn)化成熱介質(zhì)，以便提供熱量進行熱水的供應(yīng)。
此外，熱量回收系統(tǒng)19還包括水從電池主體15和燃料重整系統(tǒng)14的回收。特別是，電池主體15采用大量的純水，由此需要使電池主體中的水獨立出來。
使水獨立出來的具體措施包括在熱量回收系統(tǒng)19中燃燒廢氣和制冷劑之間進行熱交換的類型，例如圖19中所示，使得以排水的形式回收在燃燒廢氣中含有的水(即，冷凝水)；在熱量回收系統(tǒng)19中、在燃燒廢氣和周圍空氣之間進行熱交換的類型，例如如圖20中所示，以便借助風(fēng)扇將熱量釋放到周圍空氣中，并且以排水(即，冷凝水)的形式從燃燒廢氣中回收水；以循環(huán)的方式在燃燒廢氣和制冷劑之間進行熱交換的類型，例如圖21中所示，從而以排水(即，冷凝水)的形式從燃燒廢氣中回收水。
常規(guī)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)以熟練組合的方式采用電池主體、燃料重整系統(tǒng)以及熱量回收系統(tǒng)，以提供高效率的能量轉(zhuǎn)化。
如圖9至21所示的常規(guī)固體高分子型燃料電池系統(tǒng)存在一些問題，尤其是當(dāng)使水獨立出來時，排水(即，冷凝水)的回收問題。
如上所示，當(dāng)以冷凝水的形式回收含在燃燒廢氣中的水時，常規(guī)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)在制冷劑或空氣和燃燒廢氣之間進行熱交換，由此導(dǎo)致了許多問題由于周圍空氣的溫度導(dǎo)致了排水含量波動的缺點和不便，在夏季高大氣溫度的條件下，造成了使水獨立出來的失敗，由于采用風(fēng)扇在溫度效力方面的有限性引起了在燃燒廢氣的氣體/氣體熱交換和有限露點的情況下過度增加的熱交換面。
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，此系統(tǒng)提供了含在燃燒廢氣中的排水的有效、充分回收以及作為回收的排水的有效利用。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，提供一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其特征在于熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱交換單元，用于把由水供應(yīng)單元供應(yīng)的水轉(zhuǎn)化成熱水；以及熱水儲存單元，用于臨時儲存來自冷凝熱交換單元的熱水，并將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元。
在上述固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中，為了實現(xiàn)上述目的，冷凝熱交換單元被分成第一冷凝熱交換部分和第二冷凝熱交換部分，第一冷凝熱交換部分連接電池主體的燃料電極側(cè)，第二冷凝熱交換部分連接電池主體的至少氧化劑電極側(cè)。
可將冷凝熱交換單元分成氣-液分離部分和第二冷凝熱交換部分，氣-液分離部分連接電池主體的燃料電極側(cè)，第二冷凝熱交換部分連接電池主體的至少氧化劑電極側(cè)。
第一冷凝熱交換部分和第二冷凝熱交換部分可以在其各自的底端設(shè)置共同的排水池。
氣-液分離部分和第二冷凝熱交換部分可以在其各自的底端設(shè)置共同的排水池。
排水池可以設(shè)置空氣供應(yīng)單元。
熱水儲存單元可以是可以是熱水槽。
熱水儲存單元可以設(shè)有子燃燒單元，用于對由冷凝熱交換單元提供的熱水進行加熱，采用供應(yīng)到燃料重整系統(tǒng)的一部分燃料和由發(fā)電系統(tǒng)釋放出的未反應(yīng)燃料中的至少一種。
熱水儲存單元可以設(shè)有控制閥和開閥計算單元，此控制閥用于控制從冷凝熱交換單元提供的熱水的流速；此開閥計算單元用于處理基于對熱水的溫度信號的開閥信號并提供信號到控制閥。
熱水儲存單元可以是浴槽。
浴槽可以設(shè)置有容納在它的壁部中的熱交換部分，熱交換部分設(shè)有用于供應(yīng)來自冷凝熱交換單元的熱水的裝置，還設(shè)有用于將熱水從熱交換部分返回到冷凝熱交換單元的入口的裝置。
此外，為了達到上述目的，提供一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其特征在于熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱量轉(zhuǎn)換單元，用于將由水供應(yīng)單元供應(yīng)的水轉(zhuǎn)化成熱水；浴槽，用于利用來自冷凝熱交換單元的熱水作為熱??；熱交換部分，用于采用來自冷凝熱交換單元的熱水作為加熱源將空氣轉(zhuǎn)化成熱空氣，并且將熱空氣供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元；以及用于將由熱交換部分放出的熱水返回到冷凝熱交換單元的水供應(yīng)側(cè)的裝置。
此外，為了達到上述目的，提供一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其特征在于熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱量轉(zhuǎn)換單元，用于將由水供應(yīng)單元供應(yīng)的水轉(zhuǎn)化成熱水；以及熱水儲存單元，用于臨時儲存來自冷凝熱交換單元的熱水并將此熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元。此發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有用于將在冷凝熱量交換單元中產(chǎn)生的部分冷凝水供應(yīng)到電池主體的燃料電極側(cè)和氧化劑電極側(cè)的至少一個位置的線路。
此外，為了達到上述目的，提供一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其特征在于熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱交換單元，用于將由水供應(yīng)單元供應(yīng)的水轉(zhuǎn)化成熱水；用于將熱水從冷凝熱交換單元供應(yīng)到第一熱量應(yīng)用單元的裝置；用于將熱水供應(yīng)到第二熱量應(yīng)用單元的裝置，所述第二熱量應(yīng)用單元平行于第一熱量應(yīng)用單元設(shè)置；用于將已經(jīng)經(jīng)過第二熱量應(yīng)用單元的水返回到冷凝熱交換單元的水供應(yīng)側(cè)的裝置；以及調(diào)節(jié)裝置，用于控制供應(yīng)到第一或第二熱量應(yīng)用單元的熱量。
在此可以包括在第一熱量應(yīng)用單元的上游熱水側(cè)上設(shè)置的熱水儲存單元和用于連接熱水儲存單元的熱水放出側(cè)和第二熱量應(yīng)用單元的熱水供應(yīng)側(cè)的裝置。
根據(jù)上述本發(fā)明，固體高分子型燃料電池系統(tǒng)包括燃料重整系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)，這樣，在發(fā)電系統(tǒng)中根據(jù)在燃料重整系統(tǒng)中產(chǎn)生的重整燃料和空氣的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，使得包含在此階段中產(chǎn)生的燃燒廢氣中的排水得以有效充分地回收，從而提供回收排水的有效利用，利用廢氣作為加熱源，把廢氣供應(yīng)到熱量回收系統(tǒng)中以加熱來自水供應(yīng)單元的水，由此得到熱水，一方面，將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元，另一方面，在燃料重整系統(tǒng)中的重整燃料的產(chǎn)生以及熱水供應(yīng)的至少一種情況中采用與廢氣分開的排水，由此使水獨立出來并提供熱量的有效利用。


圖1是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；圖2是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第二實施例的示意圖；圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第三實施例的示意圖；圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第四實施例的示意圖；圖5是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第五實施例的示意圖；圖6是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第六實施例的示意圖；圖7是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第七實施例的示意圖；圖8是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第四實施例的示意圖；圖9是描述常規(guī)固體高分子型燃料電池的膜電極組件的示意圖；圖10是從圖8所示的箭頭“A”的方向所看到的平面圖；圖11是描述常規(guī)固體高分子型燃料電池的單元電池的示意圖；圖12是描述常規(guī)固體高分子型燃料電池的層疊件的示意圖；圖13是描述在常規(guī)固體高分子型燃料電池中的水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)的示意圖；圖14是描述在常規(guī)固體高分子型燃料電池中的氧氣加入型燃料重整系統(tǒng)的示意圖；圖15是描述在常規(guī)固體高分子型燃料電池中的其它燃料重整系統(tǒng)的示意圖
圖16是描述在常規(guī)的固體高分子型燃料電池中的熱量回收系統(tǒng)的示意圖；圖17是描述在常規(guī)水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)中的熱量回收系統(tǒng)的示意圖；圖18是描述在常規(guī)水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)中的熱量回收系統(tǒng)的示意圖；圖19是描述在常規(guī)水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)中的其它熱量回收系統(tǒng)的示意圖；圖20是描述在常規(guī)水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)中的其它熱量回收系統(tǒng)的示意圖；以及圖21是描述在常規(guī)水蒸汽加入型燃料重整系統(tǒng)中的其它熱量回收系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，參考附圖和其上給出的附圖標記在下面詳細描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的實施例。
圖1是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第一實施例的示意圖。
根據(jù)此實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)具有發(fā)電系統(tǒng)23和熱量回收系統(tǒng)24與燃料重整系統(tǒng)22相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。
燃料重整系統(tǒng)22包括重整單元29，該單元29包括燃料重整部分25，CO轉(zhuǎn)換器26、CO選擇氧化器27以及燃燒部分28；氣-液分離單元30，當(dāng)供應(yīng)燃料時，例如甲烷CH4從燃料供應(yīng)單元(未示出)供應(yīng)到重整單元29時，將燃料與水蒸汽H2O預(yù)混合；吹風(fēng)機31，將空氣供應(yīng)到CO選擇氧化器27。
發(fā)電系統(tǒng)23包括電池主體32，它包括其中各單元電池(未示出)以層疊結(jié)構(gòu)的形式彼此疊放在一起的層疊件(未示出)，各單元電池由燃料電極、高分子膜和氧化劑電極(它們均未示出)構(gòu)成；以及熱水加熱器34，它設(shè)置在電池主體32的燃料電極側(cè)上，以便循環(huán)在設(shè)有加熱部分33a和泵33b的循環(huán)路徑45中的水，利用當(dāng)燃料電極側(cè)上產(chǎn)生電流時生成的熱量，加熱在加熱部分33a中的水，并且將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元例如馬桶座圈。
熱量回收系統(tǒng)24包括水供應(yīng)單元66、冷凝熱交換單元38以及熱水儲存單元41。
水供應(yīng)單元66設(shè)有旋塞36和閥37，從而使外部提供的水例如使用水供應(yīng)到冷凝熱交換單元38。
冷凝熱交換單元38被分成第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b，使得第一冷凝熱交換部分40a通過燃料廢氣管35連接電池主體32的燃料電極側(cè)，第二冷凝熱交換部分40b通過氧化劑廢氣管39連接電池主體32的氧化劑電極側(cè)。
第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b在其各自的底部設(shè)置有共同的排水槽53和用于把空氣供應(yīng)到排水槽53的吹風(fēng)機42。
熱水儲存單元41臨時儲存在第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b生成的熱水，并將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元，例如，用于肛門清洗。
在具有這種結(jié)構(gòu)的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，向從燃料供應(yīng)單元提供的燃料例如甲烷CH4中添加來自氣-液分離單元30的水蒸汽H2O，然后供應(yīng)到燃料重整系統(tǒng)22的重整單元29。
將水蒸汽重整系統(tǒng)供應(yīng)到重整單元29，這樣，當(dāng)甲烷CH4和水蒸汽H2O的混合物介質(zhì)依次經(jīng)過燃料重整部分25、CO轉(zhuǎn)換器26和CO選擇氧化器27時，借助吹風(fēng)機31將空氣供應(yīng)到CO選擇氧化器27，產(chǎn)生了主要含有氫H2的重整氣體。在重整單元29中產(chǎn)生的重整氣體具有大約50ppm的CO濃度。
把在重整單元29中產(chǎn)生的重整氣體供應(yīng)到電池主體32的燃料電極側(cè)，同時接觸吹風(fēng)機42把空氣供應(yīng)到電池主體32的氧化劑電極側(cè)。吹風(fēng)機42同時將空氣供應(yīng)到重整單元29的燃燒部分28以及在熱量回收系統(tǒng)24中的第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b的排水槽53。供應(yīng)到第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b的排水槽53的空氣引起在液槽中起泡，以除去其中的CO2。
電池主體23使得燃料電極和氧化劑電極彼此反應(yīng)以產(chǎn)生水H2O，然后將在燃料電極側(cè)上的廢氣通過燃料廢氣管35供應(yīng)到第一冷凝熱交換部分40a。在此階段，對由水供應(yīng)單元66提供的水例如使用水進行加熱，變成熱水。熱水臨時儲存在熱水儲存單元41中，然后供應(yīng)到熱水應(yīng)用單元，例如為了肛門清洗。被供應(yīng)到第一冷凝熱交換部分40a的廢氣加熱源自水供應(yīng)單元的水，然后，廢氣作為燃料源被通過廢氣管46供應(yīng)到重整單元29的燃燒部分28。
電池主體32將在氧化劑電極側(cè)上的廢氣與來自燃燒部分28的廢氣-起通過氧化劑廢氣管39供應(yīng)到第二冷凝熱交換部分40b。在此階段，同樣把來自水供應(yīng)單元66的水加熱成熱水。熱水臨時儲存在熱水儲存單元41中，同時部分排水返回到氣-液分離單元30，剩余部分通過吹風(fēng)管44排放到系統(tǒng)之外。供應(yīng)到第二冷凝熱交換部分40b的廢氣加熱來自水供應(yīng)單元66的水，然后作為廢氣釋放到大氣中。
此外，電池主體32在加熱部分33a中利用在燃料電極和氧化劑電極之間的反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水H2O的熱量加熱流經(jīng)循環(huán)管道45的水(即，冷卻水)，這樣，借助泵33b將反應(yīng)產(chǎn)生的熱水供應(yīng)到熱水加熱器34，以加熱在熱量應(yīng)用單元中的水，例如馬桶座墊。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，包括由電池主體32的燃料電極產(chǎn)生的廢氣和由其氧化劑電極產(chǎn)生的廢氣的水蒸汽作為對于第一和第二冷凝熱交換單元40a，40b的熱源被再利用，在此方式下，使水獨立出來，并提供熱量的有效利用。
圖2是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第二實施例的示意圖。把相同的附圖標記加在與第一實施例相同的結(jié)構(gòu)元件上。
在根據(jù)第二實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，將熱量回收系統(tǒng)24的冷凝熱交換單元38分成氣-液分離部分47和第二冷凝熱交換部分40b，這樣，氣-液分離部分47通過燃料廢氣管35與電池主體32的燃料電極側(cè)連接，第二冷凝熱交換部分40b通過氧化劑廢氣管39與電池主體32的氧化劑電極側(cè)連接。
此外，在根據(jù)第二實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，把水(例如來自水供應(yīng)單元66的閥36的使用水)在第二冷凝熱交換部分40b中進行熱交換，臨時儲存通過熱交換得到的熱水以便將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元的熱水儲存槽49設(shè)置有子燃燒單元51，此單元51用于燃燒從燃料供應(yīng)系統(tǒng)(未示出)通過燃料管50輸送的燃料，例如，甲烷CH4。子燃燒單元51根據(jù)設(shè)在熱水儲存槽49中的溫度傳感器52的指令進行工作。
在根據(jù)第二實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，氣-液分離部分47和第二冷凝熱交換部分40b在其各自的底端設(shè)有共同的排水槽53，這樣，來自排水槽53的排水通過泵43供應(yīng)到氣-液分離部分30，剩下一部分排水通過排水供應(yīng)管55供應(yīng)到電池主體32的燃料電極側(cè)，并且還除去了伴隨電池主體32中電流的產(chǎn)生、在高分子膜、燃料電極以及氧化劑電極各側(cè)上產(chǎn)生的熱量，由此，當(dāng)將排水從燃料電極側(cè)移動到氧化劑電極側(cè)時，實現(xiàn)了所謂的潛熱冷卻。剩下的結(jié)構(gòu)元件與第一實施例的相同，因此省略了過多的描述。
根據(jù)本發(fā)明的此實施例，在由重整單元的燃燒部分28產(chǎn)生的廢氣、由電池主體32的燃料電極產(chǎn)生的廢氣以及由它的氧化劑電極產(chǎn)生的廢氣中包含的水蒸汽借助各氣-液分離部分47和第二冷凝熱交換部分40b回收，從而使回收的排水供應(yīng)到各熱水儲存槽49和電池體32的燃料電極，由此使水獨立出來，并提供了熱量的有效利用。
圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第三實施例的示意圖。相同的附圖標記加到與第一實施例相同的結(jié)構(gòu)元件。
根據(jù)第三實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)設(shè)置有第一排水供應(yīng)管57，它進行所謂的潛熱冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，將在冷凝熱交換單元38的第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b中產(chǎn)生的排水借助泵56供應(yīng)到電池主體32的燃料電極側(cè)，從而采用排水冷卻燃料電極側(cè)和氧化劑電極側(cè)；一方面，該系統(tǒng)還設(shè)有第二排水供應(yīng)管60，用于將上述排水以水蒸汽H2O的形式通過泵58和氣-液分離單元59供應(yīng)到重整單元29的CO轉(zhuǎn)換器26。
此外，在根據(jù)第三實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，設(shè)置有氣體供應(yīng)管61，用于把在第一冷凝熱交換部分40a中產(chǎn)生的氣體供應(yīng)到熱水儲存槽49的子燃燒單元51；溫度檢測器52檢測從第二冷凝熱交換部分40b供應(yīng)到熱水儲存槽49的熱水溫度；設(shè)置有開閥計算單元63，當(dāng)檢測出的信號超過預(yù)定溫度時，控制溫度控制閥62的閥開啟。
在根據(jù)第三實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，重整單元29設(shè)置有熱交換部分64，以冷卻重整單元29。設(shè)置有介質(zhì)供應(yīng)以及當(dāng)對熱量應(yīng)用單元(未示出)進行加熱時用于供應(yīng)介質(zhì)的釋放管65。剩下的結(jié)構(gòu)元件與第一實施例的相同，因此在此省略了對其的過多描述。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，設(shè)置有第一排水供應(yīng)管57，用于使電池主體32的燃料電極側(cè)回收部分排水，這部分排水在第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b的排水池53中產(chǎn)生；一方面，第二排水供應(yīng)管60，用于使重整單元29的CO轉(zhuǎn)換器26以水蒸汽H2O的形式回收剩余的排水，另一方面由此使水獨立出來。
此外，在第三實施例中，設(shè)置有氣體供應(yīng)管61，用于將由第一冷凝熱交換部分40a產(chǎn)生的氣體供應(yīng)到熱水儲存槽49的子燃燒單元51；重整單元29設(shè)有熱量交換部分64，并且設(shè)置有介質(zhì)供應(yīng)和釋放管65，該管65用于在對熱量應(yīng)用單元進行加熱時供應(yīng)所得到介質(zhì)，由此提供熱量的有效利用。
圖4是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第四個實施例的示意圖。相同的附圖標記加入與第一和第二實施例相同的結(jié)構(gòu)元件。
在根據(jù)此第四實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，采用由電池主體32的氧化劑電極側(cè)通過氧化劑廢氣管39提供的廢氣作為在冷凝熱交換單元38的第二冷凝熱交換部分40b中的熱源，從而將來自水供應(yīng)單元66的水加熱成熱水，設(shè)置用于儲存上述熱水以用作浴器(bath)的浴槽67，子燃燒單元51和溫度控制閥69設(shè)置在浴槽的入口側(cè)上，以便根據(jù)用于檢測浴槽中的槽溫的溫度傳感器68的指令控制閥的開啟，上述子燃燒單元用于燃燒燃料，例如甲烷CH4，這些燃料是從燃料供應(yīng)系統(tǒng)(未示出)通過燃料管50供應(yīng)的。剩余的結(jié)構(gòu)元件與第一和第二實施例的相同，因此在此省略了對它們的描述。
根據(jù)第四實施例，設(shè)置有浴槽67，作為浴器容納在冷凝熱交換單元38的第二冷凝熱交換單元40b中產(chǎn)生的熱水；子燃燒單元51，用于燃燒由燃料供應(yīng)系統(tǒng)的燃料管50提供的燃料以對熱水進行重新加熱；以及用于控制槽溫的溫度控制閥69。由此提供了在適當(dāng)溫度控制下熱量的有效利用。
圖5是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第五個實施例的示意圖。相同的附圖標記加入與第一和第二實施例相同的結(jié)構(gòu)元件。
在根據(jù)此第五實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，將通過水供應(yīng)單元66的旋塞36、閥70，71供應(yīng)到第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b的水(例如使用水)加熱成熱水，上述第一冷凝熱交換部分40a從電池主體32的燃料電極側(cè)通過燃料廢氣管35連接，上述第二冷凝熱交換部分40b從電池體32的氧化劑電極側(cè)通過氧化劑廢氣管39連接；設(shè)置有浴槽67，它用于儲存上述一部分熱水用作浴器，在浴槽67的壁部72中嵌入熱交換部分73，以便采用剩余的熱水作為浴器的加熱源；以及熱水返回管74，用于將由熱交換部分73釋放的熱水借助泵78返回到水供應(yīng)單元66的旋塞36的出口側(cè)。
此外，根據(jù)第五實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)設(shè)置有槽管79，用于將在冷凝熱交換單元38的第一冷凝熱交換部分38和第二冷凝熱交換部分40產(chǎn)生的熱水輸送到以浴器形式的浴槽67中；還設(shè)置有溫度控制閥69，用于根據(jù)設(shè)置在槽管79中的溫度傳感器68的指令控制閥的開啟。剩余的結(jié)構(gòu)元件與第一和第二實施例的相同，在此省略了對它們的描述。
根據(jù)第五個實施例，借助第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b，把來自水供應(yīng)單元66的水加熱成熱水，當(dāng)把熱水供應(yīng)到以浴器形式的浴槽67時，部分熱水采用溫度控制閥69進行控制，把剩余的熱水供應(yīng)到設(shè)在壁部72中的熱交換部分73用以加熱槽子，還設(shè)置有熱水返回管74，用于返回?zé)崴灾匦录訜崴?yīng)單元66，由此在適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂葡绿峁崃康挠行Ю谩?br> 在第五實施例中，借助第一冷凝熱交換部分40a和第二冷凝熱交換部分40b把來自水供應(yīng)單元66的水加熱成熱水，將上述熱水供應(yīng)到以浴器形式的浴槽67中，以便采用部分熱水作為再加熱源。但是，本發(fā)明不僅僅限于這樣的實施例，例如，可以采用圖6中所示的措施，將來自冷凝熱交換單元38的第二冷凝熱交換部分40b的熱水供應(yīng)到浴槽67，同時，在溫度傳感器75的控制下，將部分熱水供應(yīng)到設(shè)在浴槽外部的熱交換部分76，提高了由風(fēng)扇77吸收的空氣的溫度，并將溫度升高了的熱空氣供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元，例如干燥室或浴室。已經(jīng)進行過由風(fēng)扇77供應(yīng)的空氣的升溫過程的熱水通過熱水返回管74返回到水供應(yīng)單元66。
圖7是描述根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)的第七個實施例的示意圖。相同的參考標記添加到與第一和第六實施例相同的結(jié)構(gòu)元件。
在根據(jù)此第七實施例的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)中，利用由電池主體32的氧化劑電極側(cè)通過氧化劑廢氣管39提供的廢氣作為熱源，將來自水供應(yīng)單元66的水在冷凝熱交換單元38的第二冷凝熱交換部分40b中加熱成熱水，將熱水通過管道79、84、85供應(yīng)到熱水儲存單元41，然后供應(yīng)到第一熱量應(yīng)用單元，以便根據(jù)情況需要提供熱水或噴淋。
此外，采用這樣一種結(jié)構(gòu)其中為了加熱地板，用作第二熱應(yīng)用單元的熱交換部分76與熱水儲存單元41平行地設(shè)置，從而在將熱量供應(yīng)到地板之后，使熱量借助管88和泵78返回到冷凝式熱交換單元38的水供應(yīng)側(cè)。熱交換部分76的應(yīng)用不僅僅限于地板加熱，還可以用于加熱設(shè)備或在壁中構(gòu)造的熱水供應(yīng)設(shè)備。
此外，通過閥83、泵78和管道87將氣冷熱交換部分81設(shè)置成對已經(jīng)過冷凝熱交換單元38的熱水的溫度(熱量)控制設(shè)備，從而借助泵78的操作將上述熱水引入到氣冷熱交換部分81，并且利用由風(fēng)扇82供應(yīng)的空氣冷卻上述熱水，然后將上述熱水返回到冷凝熱交換單元38的水供應(yīng)側(cè)。
在第一和第二熱量應(yīng)用單元中沒有實施熱量利用的情況下或者所用的熱量降低了的情況下，采用熱交換部分81和風(fēng)扇82。對于其控制設(shè)備，溫度傳感器75檢測將要提供到熱水儲存單元41和用于地板加熱的熱交換部分76的熱水的溫度，檢測信號反饋到閥80和83的開口，由此可以控制泵78的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。還可以進行水供應(yīng)單元用閥36的開口控制。
根據(jù)第七實施例，在第二冷凝熱交換部分40b中將來自水供應(yīng)單元66的水加熱成熱水，當(dāng)把熱水通過熱水儲存單元41供應(yīng)到第一熱量應(yīng)用單元或與第一熱量應(yīng)用單元平行設(shè)置的第二熱量應(yīng)用單元時，設(shè)置有用于控制熱水的溫度和流速的溫度控制單元例如氣冷熱交換單元81和溫度傳感器75，由此在適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂葡绿峁崃康挠行Ю谩?br> 提供管道92和閥93作為將熱水儲存單元41連接到管道86的裝置，所述管道86設(shè)置在用于地板加熱的熱交換部分76的上游側(cè)，在固體高分子型燃料電池系統(tǒng)還沒有啟動的情況下或者在系統(tǒng)產(chǎn)生電流的最初時間階段內(nèi)，可以通過泵78的工作供應(yīng)儲存在熱水儲存單元41中的熱水。此外，在熱水儲存單元41中水的循環(huán)防止了腐蝕的發(fā)生。在此情況下，管92可以不直接地連接到熱水儲存單元41，而連接到管道89。
工業(yè)實用性正如上面的詳細描述，根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)包括燃料重整單元、發(fā)電系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)，這樣，根據(jù)在燃料重整系統(tǒng)中產(chǎn)生的重整燃料與空氣在發(fā)電系統(tǒng)中進行的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了電流，將由此產(chǎn)生的廢氣供應(yīng)到熱量回收單元，利用廢氣作為加熱源將來自水供應(yīng)單元的水加熱成熱水，從而將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元，另一方面，在燃料重整系統(tǒng)中的重整燃料的產(chǎn)生以及熱水供應(yīng)的至少一種情況中采用與廢氣分開的排水，由此使水獨立出來并提供了熱量的有效利用。
權(quán)利要求
1.一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其中所述熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱交換單元，用于把由所述水供應(yīng)單元供應(yīng)的水轉(zhuǎn)化成熱水；以及熱水儲存單元，用于臨時儲存來自所述冷凝熱交換單元的熱水，并將熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述冷凝熱交換單元被分成第一冷凝熱交換部分和第二冷凝熱交換部分，所述第一冷凝熱交換部分與電池主體的燃料電極側(cè)連接，所述第二冷凝熱交換部分與所述電池主體的至少氧化劑電極側(cè)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中將所述冷凝熱交換單元分成氣-液分離部分和第二冷凝熱交換部分，所述氣-液分離部分與電池主體的燃料電極側(cè)連接，所述第二冷凝熱交換部分與電池主體的至少氧化劑電極側(cè)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述第一冷凝熱交換部分和所述第二冷凝熱交換部分在其各自的底端設(shè)置共同的排水池。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述氣-液分離部分和所述第二冷凝熱交換部分在其各自的底端設(shè)置共同的排水池。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述排水池設(shè)置有空氣供應(yīng)單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述排水池設(shè)置有空氣供應(yīng)單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱水儲存單元是熱水槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱水儲存單元設(shè)有子燃燒單元，采用供應(yīng)到燃料重整系統(tǒng)的一部分燃料和由發(fā)電系統(tǒng)釋放出的未反應(yīng)燃料中的至少一種，對由所述冷凝熱交換單元提供的熱水進行加熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述的熱水儲存單元設(shè)有控制閥和開閥計算單元，此控制閥用于控制從冷凝熱交換單元提供的熱水的流速；此開閥計算單元用于處理基于對熱水的溫度信號的開閥信號并提供信號到控制閥。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述熱水儲存單元是浴槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中所述浴槽設(shè)置有容納在它的壁部分中的熱交換部分，所述熱交換部分設(shè)有用于供應(yīng)來自冷凝熱交換單元的熱水的裝置，還設(shè)有用于將熱水從熱交換部分返回到所述冷凝熱交換單元的入口的裝置。
13.一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其中所述熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱量轉(zhuǎn)換單元，用于將由所述水供應(yīng)單元提供的水轉(zhuǎn)化成熱水；浴槽，用于利用來自所述冷凝熱交換單元的熱水作為熱??；熱交換部分，用于采用來自所述冷凝熱交換單元的熱水作為加熱源將空氣轉(zhuǎn)化成熱空氣，并且將熱空氣供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元；以及用于將由熱交換部分放出的熱水返回到冷凝熱交換單元的水供應(yīng)側(cè)的裝置。
14.一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其中所述熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱量轉(zhuǎn)換單元，用于將由所述水供應(yīng)單元提供的水轉(zhuǎn)化成熱水；以及熱水儲存單元，用于臨時儲存來自所述冷凝熱交換單元的熱水并將此熱水供應(yīng)到熱量應(yīng)用單元，所述發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有用于將在所述冷凝熱量交換單元中產(chǎn)生的部分冷凝水供應(yīng)到電池主體的燃料電極和氧化劑電極的至少一側(cè)的線路。
15.一種固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，燃料重整系統(tǒng)和熱量回收系統(tǒng)與用于化學(xué)發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，其中所述熱量回收系統(tǒng)包括水供應(yīng)單元；冷凝熱交換單元，用于將由所述水供應(yīng)單元提供的水轉(zhuǎn)化成熱水；用于將熱水從所述冷凝熱交換單元供應(yīng)到第一熱量應(yīng)用單元的裝置；用于將所述熱水供應(yīng)到第二熱量應(yīng)用單元的裝置，所述第二熱量應(yīng)用單元平行于第一熱量應(yīng)用單元設(shè)置；用于將已經(jīng)經(jīng)過所述第二熱量應(yīng)用單元的水返回到所述冷凝熱交換單元的水供應(yīng)側(cè)的裝置；以及調(diào)節(jié)裝置，用于控制供應(yīng)到所述第一或第二熱量應(yīng)用單元的熱量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，進一步包括在所述第一熱量應(yīng)用單元的上游熱水側(cè)上設(shè)置的熱水儲存單元和用于連接所述熱水儲存單元的熱水放出側(cè)和所述第二熱量應(yīng)用單元的熱水供應(yīng)側(cè)的裝置。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的固體高分子型燃料電池系統(tǒng)在熱量回收單元19中的冷凝熱交換器38、40中具有來自發(fā)電單元23的廢流體熱源，通過熱交換工藝將來自水供應(yīng)單元66的、作為熱源的供應(yīng)水加熱成熱水。燃料電池系統(tǒng)包括熱水供應(yīng)單元41，用于供應(yīng)熱水到熱量利用部分；氣－液分離器30，用于將在熱交換工藝過程中產(chǎn)生的排水與將要供應(yīng)到燃料重整單元22的燃料預(yù)先混合；循環(huán)路徑45，用于將水循環(huán)至發(fā)電單元的電池主體30，以進行熱量交換，供應(yīng)熱水至熱量利用部分。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，可提供固體高分子型燃料電池系統(tǒng)，其中在燃燒廢氣中所含的排水可以有效充分地回收，回收的排水也可以有效地利用。
文檔編號H01M8/10GK1732585SQ0181565
公開日2006年2月8日 申請日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月14日
發(fā)明者大間敦史, 小上泰司, 新井康弘 申請人:株式會社東芝