專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，更特別地，涉及能根據(jù)載荷大小適當控制供應(yīng)到堆單元的氫氣和空氣量的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖1顯示了相關(guān)技術(shù)的PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)型燃料電池系統(tǒng)(通常稱為“燃料電池系統(tǒng)”)，其中烴基(CH-基)燃料如LNG、LPG、CH3OH、汽油等依次經(jīng)過脫硫過程、改性反應(yīng)和氫氣純化過程來純化只有氫氣(H2)用作燃料。
如圖1所示，相關(guān)技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)包括用于從LNG中只提取氫氣(H2)并供應(yīng)它到堆單元30的燃料供應(yīng)單元、用于供應(yīng)空氣到堆單元30的空氣供應(yīng)單元20和燃料供應(yīng)單元10，堆單元30具有按照供應(yīng)的氫氣和空氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的陽極31和陰極32，燃料電池系統(tǒng)還包括用于將堆單元30中產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化成AC并供應(yīng)它到載荷如家用器具上的電力輸出單元40。
但是，在相關(guān)技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，從燃料供應(yīng)單元10供應(yīng)到堆單元30的陽極31的氫氣量和從空氣供應(yīng)單元20供應(yīng)到堆單元30的陰極32的空氣量是均勻的，始終與載荷大小無關(guān)。
也就是說，盡管對于較小的載荷需要較小的電力量，但超過需要的氫氣和空氣仍被連續(xù)供應(yīng)到堆單元，相反，盡管對于較大的載荷需要較大的電力量，但足量的氫氣和空氣不能及時被供應(yīng)。另外，由于燃料電池系統(tǒng)不能適當?shù)貞?yīng)付載荷，因此氫氣不必要地被浪費，導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)總體性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供能根據(jù)載荷大小適宜地控制供應(yīng)到堆單元的空氣或氫氣量的燃料電池系統(tǒng)。
為實現(xiàn)這些和其它優(yōu)點，并符合本文體現(xiàn)和主要描述的本發(fā)明目的，提供一種燃料電池系統(tǒng)，包括用于按照空氣和氫氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的堆單元；用于供應(yīng)氫氣到堆單元的燃料供應(yīng)單元；用于供應(yīng)空氣到堆單元的空氣供應(yīng)單元；用于測量堆單元產(chǎn)生的電力的電流值并同時或分開控制氫氣和空氣量的載荷對應(yīng)單元。
載荷對應(yīng)單元可包括安裝在再循環(huán)管線上以將堆單元排放的氫氣再循環(huán)到堆單元的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的燃料控制器。
載荷對應(yīng)單元可包括安裝在空氣供應(yīng)管線上用于從空氣供應(yīng)單元供應(yīng)空氣到堆單元的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制空氣循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的空氣控制器。
載荷對應(yīng)單元可包括安裝在再循環(huán)管線上以將堆單元排放的氫氣再循環(huán)到堆單元的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機；安裝在空氣供應(yīng)管線上用于從空氣供應(yīng)單元供應(yīng)空氣到堆單元的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的集成控制器。
當結(jié)合附圖時，從下面的本發(fā)明詳細描述中將更清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征、方面和優(yōu)點。


包括附圖以提供對發(fā)明的進一步理解，這些附圖被結(jié)合并構(gòu)成本說明書的一部分，說明本發(fā)明的實施方案，并和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
在圖中圖1為顯示根據(jù)相關(guān)技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)的示意方塊圖；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的燃料電池系統(tǒng)的分布圖；圖3為顯示圖2中載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖；圖4為顯示根據(jù)第一種變化的載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖；和圖5為顯示根據(jù)第二種變化的載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的燃料電池系統(tǒng)。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的燃料電池系統(tǒng)的分布圖，圖3為顯示圖2中載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖。
參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的燃料電池系統(tǒng)包括用于供應(yīng)氫氣的燃料供應(yīng)單元110；用于供應(yīng)空氣的空氣供應(yīng)單元120；按照供應(yīng)的氫氣和空氣之間的反應(yīng)產(chǎn)生電力的堆單元130；用于冷卻堆單元130和回收堆單元130產(chǎn)生的熱的冷卻單元150；通過管156供應(yīng)熱水到蒸汽發(fā)生器111f的熱水供應(yīng)單元170；用于將堆單元130產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成AC并供應(yīng)它到載荷的電力輸出單元180；和用于測量堆單元130產(chǎn)生的DC電流值并控制氫氣或空氣量的載荷對應(yīng)單元200。
燃料供應(yīng)單元110包括用于從LNG中純化氫氣(H2)并供應(yīng)它到堆單元130的陽極131的重整單元111，和用于供應(yīng)LNG到重整單元111的管112。重整單元111包括對燃料脫硫的脫硫反應(yīng)器111a；使燃料和蒸汽被重整產(chǎn)生氫氣的重整反應(yīng)器111b；用于使通過重整反應(yīng)器111b產(chǎn)生的一氧化碳反應(yīng)額外產(chǎn)生氫氣的高溫水反應(yīng)器111c和低溫水反應(yīng)器111d；通過使用空氣作為催化劑從燃料中除去一氧化碳來純化氫氣的部分氧化反應(yīng)器111e；供應(yīng)蒸汽到重整反應(yīng)器111b的蒸汽發(fā)生器111f；和供應(yīng)所需的熱到蒸汽發(fā)生器111f的燃燒器111g。
空氣供應(yīng)單元120包括第一和第二供應(yīng)管線121和123，和空氣供應(yīng)風(fēng)扇122。第一空氣供應(yīng)管線121安裝在空氣供應(yīng)風(fēng)扇122和第二預(yù)熱器162之間，以便供應(yīng)大氣空氣到陰極132。第二空氣供應(yīng)管線123安裝在空氣供應(yīng)風(fēng)扇122和燃燒器111g之間，以便供應(yīng)大氣空氣到燃燒器111g。
堆單元130包括陽極131和陰極132，并同時根據(jù)燃料供應(yīng)單元110供應(yīng)的氫氣、堆單元130排放的再循環(huán)氫氣和空氣供應(yīng)單元120供應(yīng)的空氣間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能和熱能。
冷卻單元150通過供應(yīng)水到堆單元130來冷卻燃料供應(yīng)單元110的堆單元130。冷卻單元150包括盛放一定量水的水供應(yīng)容器151、用于循環(huán)連接堆單元130和水供應(yīng)容器151的水循環(huán)管線152、安裝在水循環(huán)管線152中部并泵送水供應(yīng)容器151中的水的水循環(huán)泵153、設(shè)在水循環(huán)管線152中部并循環(huán)冷卻供應(yīng)水的熱交換器154和熱釋放風(fēng)扇155。
參考圖3，載荷對應(yīng)單元200包括安裝在再循環(huán)管線230上用于將堆單元130的陽極131排放的氫氣(下文中稱為“再循環(huán)氫氣”)再循環(huán)到堆單元130的陽極131的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210；和用于測量堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值并控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的驅(qū)動電壓的燃料控制器220。
燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210包括渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇和驅(qū)動渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇的驅(qū)動電動機，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量隨旋轉(zhuǎn)數(shù)而變化。也就是說，當燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)增加時，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量增加，當燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)減少時，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量減少。
根據(jù)堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值大小確定旋轉(zhuǎn)數(shù)，DC電流值隨載荷大小變化。也就是說，當載荷增加時，DC電流值增加，而當載荷小時，DC電流值變小。因此，DC電流值可為度量載荷大小的變量。
以微計算機等形式形成的燃料控制器220通過測量隨載荷大小變化的DC電流值來控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的驅(qū)動電壓大小。也就是說，當DC電流值大時，增加驅(qū)動電壓以便增加燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)，從而增加供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量。同時，如果DC電流值小，則驅(qū)動電壓被降低，以減少燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)，從而減少供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量。
按照這種方式，通過根據(jù)載荷大小控制再循環(huán)氫氣量，可精確控制供應(yīng)到堆單元130的陽極131的氫氣量，從而根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的載荷控制堆單元130產(chǎn)生的電力量。因此，可提高燃料電池系統(tǒng)的載荷對應(yīng)能力，而且氫氣消耗的降低導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)總體性能的提高。
參考數(shù)字240表示回流防止閥(止回閥)，用于防止氫氣供應(yīng)單元110供應(yīng)的氫氣沿再循環(huán)管線230流回到陽極131。
圖4為顯示根據(jù)第一種變化的載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖。參考圖4，載荷對應(yīng)單元300包括安裝在第一空氣供應(yīng)管線121上并從空氣供應(yīng)單元120供應(yīng)空氣到堆單元130的陽極132的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310；和用于測量堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值并控制空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的驅(qū)動電壓的空氣控制器320。
根據(jù)本發(fā)明的第一種變化，載荷對應(yīng)單元包括空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310代替燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210(參考圖3)，從而可根據(jù)堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值精確控制供應(yīng)到堆單元130的空氣量。
空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310包括渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇和驅(qū)動渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇的驅(qū)動電動機，供應(yīng)到堆單元130的陽極132的空氣量隨旋轉(zhuǎn)數(shù)變化。
也就是說，當空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的旋轉(zhuǎn)數(shù)增加時，供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量增加，當空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的旋轉(zhuǎn)數(shù)減少時，供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量減少。
根據(jù)堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值大小確定旋轉(zhuǎn)數(shù)，DC電流值隨載荷大小變化。也就是說，當載荷增加時，DC電流值增加，而當載荷小時，DC電流值變小。因此，DC電流值可為度量載荷大小的變量。
以微計算機等形式形成的空氣控制器320通過測量隨載荷大小變化的DC電流值來控制空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的驅(qū)動電壓大小。也就是說，當DC電流值大時，增加空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的旋轉(zhuǎn)數(shù)，從而增加供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量。同時，如果DC電流值小，則空氣循環(huán)鼓風(fēng)機310的旋轉(zhuǎn)數(shù)被減少，從而減少供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量。
按照這種方式，通過根據(jù)載荷大小精確控制供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量，從而根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的載荷控制堆單元130產(chǎn)生的電力量。
因此，可提高燃料電池系統(tǒng)的載荷對應(yīng)能力，而且氫氣消耗的降低導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)總體性能的提高。
圖5為顯示根據(jù)第二種變化的載荷對應(yīng)單元和堆單元之間操作關(guān)系的圖。參考圖5，載荷對應(yīng)單元400包括安裝在再循環(huán)管線230上用于將堆單元130的陽極131排放的氫氣(下文中稱為“再循環(huán)氫氣”)再循環(huán)到堆單元130的陽極131的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410；安裝在第一空氣供應(yīng)管線121上用于從空氣供應(yīng)單元120供應(yīng)空氣到堆單元130的陰極132的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420；和用于測量堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值并控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的驅(qū)動電壓的集成控制器430。
根據(jù)本發(fā)明的第二種變化，載荷對應(yīng)單元包括燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420兩者，因而可根據(jù)堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值精確控制供應(yīng)到堆單元130的氫氣和空氣量。
燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410包括渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇和驅(qū)動渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇的驅(qū)動電動機，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量隨旋轉(zhuǎn)數(shù)變化。也就是說，當燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410的旋轉(zhuǎn)數(shù)增加時，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量增加，當燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410的旋轉(zhuǎn)數(shù)減少時，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量減少。
空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420包括渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇和驅(qū)動渦輪風(fēng)扇或離心式風(fēng)扇的驅(qū)動電動機，供應(yīng)到堆單元130的陽極132的空氣量隨旋轉(zhuǎn)數(shù)變化。也就是說，當空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的旋轉(zhuǎn)數(shù)增加時，供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量增加，當空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的旋轉(zhuǎn)數(shù)減少時，供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量減少。
根據(jù)堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值大小確定燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的旋轉(zhuǎn)數(shù)，DC電流值隨載荷大小變化。也就是說，當載荷增加時，DC電流值增加，而當載荷小時，DC電流值變小。因此，DC電流值可為度量載荷大小的變量。
以微計算機等形式形成的集成控制器430通過測量隨載荷大小變化的DC電流值來控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的驅(qū)動電壓大小。也就是說，當DC電流值大時，增加驅(qū)動電壓以便增加燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的旋轉(zhuǎn)數(shù)，從而增加供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量和供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量。
同時，如果DC電流值小，則降低驅(qū)動電壓以減少燃料循環(huán)鼓風(fēng)機410和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機420的旋轉(zhuǎn)數(shù)，從而減少供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量和供應(yīng)到堆單元130的陰極132的空氣量。
按照這種方式，通過根據(jù)載荷大小控制再循環(huán)氫氣量和空氣量，可精確控制供應(yīng)到堆單元130的陽極131的氫氣量和供應(yīng)到陰極132的空氣量，從而根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的載荷控制堆單元130產(chǎn)生的電力量。因此，可提高燃料電池系統(tǒng)的載荷對應(yīng)能力，而且氫氣消耗的降低導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)總體性能的提高。
參考數(shù)字240表示回流防止閥(止回閥)，用于防止氫氣供應(yīng)單元110供應(yīng)的氫氣沿再循環(huán)管線230流回到陽極131。
下面將參考圖2和3描述根據(jù)本發(fā)明一種實施方案的燃料電池系統(tǒng)的操作和效果。
參考圖2，燃料供應(yīng)單元110的重整單元111重整LNG和蒸汽產(chǎn)生氫氣并供應(yīng)氫氣到堆單元130的陽極131。
從堆單元130的陽極131排放的再循環(huán)氫氣被再次供應(yīng)到堆單元130的陽極131?？諝夤?yīng)單元120供應(yīng)空氣到堆單元130的陽極132。按照這種方式，堆單元130根據(jù)這樣接受的氫氣、再循環(huán)氫氣和空氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。
當載荷隨電力使用量的增加而增加時，堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值增加。于是，燃料控制器220增加燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的驅(qū)動電壓。由于驅(qū)動電壓被增加，燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)增加，供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量增加，因此，堆單元130產(chǎn)生的電力量隨增加的載荷而增加。
如果載荷因電力使用量降低而降低，則堆單元130產(chǎn)生的電力的DC電流值減少。于是，燃料控制器220降低燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的驅(qū)動電壓。由于驅(qū)動電壓被降低，燃料循環(huán)鼓風(fēng)機210的旋轉(zhuǎn)數(shù)降低，減少供應(yīng)到堆單元130的陽極131的再循環(huán)氫氣量。
因此，堆單元130產(chǎn)生的電力量隨降低的載荷而減少。
就描述的而言，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。
也就是，載荷對應(yīng)單元測量堆單元產(chǎn)生的電力的電流值，并根據(jù)載荷大小適宜地控制供應(yīng)到堆單元的氫氣和空氣量。因此，由于能根據(jù)載荷大小精確控制供應(yīng)到堆單元的氫氣和空氣量，因此可根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的載荷大小控制堆單元產(chǎn)生的電力量。因此，可提高燃料電池系統(tǒng)的載荷對應(yīng)能力，并由于氫氣和空氣的消耗被減少，因此可提高燃料電池系統(tǒng)的總體性能。
由于只要不脫離本發(fā)明的精神或基本特征，本發(fā)明就可以以幾種形式體現(xiàn)，因此還應(yīng)認識到，上述實施方案不受前面描述的任何細節(jié)限制，除非另外說明，而是應(yīng)廣泛地認為都在附加權(quán)利要求所限定的其精神和范圍內(nèi)，因此落在權(quán)利要求邊界和界限內(nèi)的所有變化和改變或這種邊界和界限的等價物都因此被附加權(quán)利要求所包括。
權(quán)利要求
1.燃料電池系統(tǒng)，包括用于按照空氣和氫氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的堆單元；用于供應(yīng)氫氣到堆單元的燃料供應(yīng)單元；用于供應(yīng)空氣到堆單元的空氣供應(yīng)單元；用于測量堆單元產(chǎn)生的電力的電流值并同時或分開控制氫氣和空氣量的載荷對應(yīng)單元。
2.權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中載荷對應(yīng)單元包括安裝在再循環(huán)管線上以將堆單元排放的氫氣再循環(huán)到堆單元的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的燃料控制器。
3.權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中載荷對應(yīng)單元包括安裝在空氣供應(yīng)管線上用于從空氣供應(yīng)單元供應(yīng)空氣到堆單元的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制空氣循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的空氣控制器。
4.權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中載荷對應(yīng)單元包括安裝在再循環(huán)管線上以將堆單元排放的氫氣再循環(huán)到堆單元的燃料循環(huán)鼓風(fēng)機；安裝在空氣供應(yīng)管線上用于從空氣供應(yīng)單元供應(yīng)空氣到堆單元的空氣循環(huán)鼓風(fēng)機；和用于根據(jù)電流值控制燃料循環(huán)鼓風(fēng)機和空氣循環(huán)鼓風(fēng)機的驅(qū)動電壓的集成控制器。
全文摘要
本發(fā)明提供了燃料電池系統(tǒng)，其包括用于按照空氣和氫氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的堆單元；用于供應(yīng)氫氣到堆單元的燃料供應(yīng)單元；用于供應(yīng)空氣到堆單元的空氣供應(yīng)單元；用于測量堆單元產(chǎn)生的電力的電流值并同時或分開控制氫氣和空氣量的載荷對應(yīng)單元。提高了燃料電池系統(tǒng)的載荷對應(yīng)能力，并因此提高了系統(tǒng)的總體性能。
文檔編號H01M8/04GK101079486SQ20071008430
公開日2007年11月28日 申請日期2007年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者黃龍俊, 樸正圭, 樸明碩 申請人:Lg電子株式會社, 株式會社Lg化學(xué)