CN100399614C - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池***，其包括具有多个通过氢气和氧气之间的电化学反应产生电能的发电体的电池堆。发电体串联连接。此外，本燃料电池***包括用于向发电体供应含氢燃料的燃料供应组件、用于向发电体供应氧气的氧气供应组件和至少一个分支件，该分支件与至少一个发电体相连。本发明的燃料电池***不需要DC-DC转换器，因此整个***结构简单，控制过程简便。此外，由于不需要驱动DC-DC转换器所需的附加电能，本发明可提高***的效率。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及一种燃料电池***，明确地说，本发明涉及一种在电池堆(stack)和负载之间具有改进的电连接结构的燃料电池***。
本申请要求享有于2004年4月21日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2004-0027412号的优先权，该申请的全部内容在这里作为参考。
背景技术
燃料电池是利用包含在如甲醇之类的碳氢化合物中的氢和含氧的空气之间的化学反应能产生电能的***。
燃料电池可分为不同类型，包括：磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固态氧化物燃料电池和聚合物电解质或碱性燃料电池。尽管每种不同类型的燃料电池利用相同的原理工作，但它们使用的燃料类型、催化剂、电解质、及工作温度均不同。
最近已研发出聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。与其它燃料电池相比，PEMFC具有极佳的输出性能、工作温度低、并具有快速启动和响应特性。在PEMFC中，通过转化甲醇或乙醇产生的氢可在广阔的应用范围内用作电源，例如用作车辆、房屋、建筑物和电子设备中的电源。
PEMFC的基本组成部分是电池堆、重整器、燃料箱和燃料泵。电池堆构成燃料电池主体。燃料泵将燃料箱中的燃料供给重整器。重整器转化燃料以制造氢气并将氢气供给电池堆。氢气与电池堆中的氧气反应，从而产生电能。
在PEMFC***中，电池堆由多个单元电池构成，单元电池由膜电极组件(MEA)和设置在MEA两侧的隔离膜组成。阳极和阴极彼此相对设置，并在它们之间设置电解质层，从而形成MEA。
此外，隔离膜可以包括隔开每个MEAs的双极板。隔离膜还设有通道，燃料电池反应所需的氢气和氧气通过所述通道被供给MEA的阳极和阴极。此外，隔离膜串联连接每一MEA的阳极和阴极。
经隔离膜氢气被供给阳极而氧气被供给阴极。氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原。在这些反应期间发生电子流动而发出电。也产生了热量和水份。
每一单元电池提供大约0.5至0.7V的电压，当多个单元电池堆叠起来并串联连接时，电池堆将产生与全部单元电池的总单元电压成正比的电压。然后，根据负载所需的预定电压分配电力。例如，用于电路元件、如膝上型计算机或移动通信终端设备之类的电子设备的CPUs或驱动芯片(driverICs)所需的电压通过单独安装的DC-DC转换器而分开，该转换器可将规定的电压施加到每一负载上。
传统的燃料电池***需要适合将DC-DC转换器装于燃料电池***内的空间，这将使***的尺寸增加并使***的结构复杂化。此外，由于另外需要驱动DC-DC转换器的附加电能，因此，***效率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有紧凑结构的燃料电池***，其能将从电池堆产生的电压分成每一负载所需的预定电压，然后直接向各负载施加电压。因此，该***与传统***不同，不需要DC-DC转换器，故而整个***结构简单，控制过程简便。此外，由于不需要驱动传统***的DC-DC转换器所需的附加电能，本发明可提高***的效率。
在随后的描述中将阐述本发明的其他特点，其中部分特点可从这些描述中明显得知，或者从本发明的实施中得到启示。
本发明公开了一种燃料电池***，其包括电池堆，该电池堆具有多个串联连接的、通过氢气和氧气的电化学反应而产生电能的发电体(generator)。该燃料电池***还包括用于向发电体供应含氢燃料的燃料供应组件、用于向发电体供应氧气的氧气供应组件、与至少一个发电体相连的至少一个分支件(branch member)，其中至少一个分支件包括用于将所述多个发电体产生的总电压分成预定电压并将所述预定电压施加到负载的连接端。
可以理解，上面的概括性描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，旨在进一步说明所要求保护的本发明。
附图说明
示出了本发明的实施方式的附图有助于进一步理解本发明，这些附图构成说明书的一部分，它们和说明书的文字部分一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明一示例性实施方式的燃料电池***的示意图；
图2是图1所示电池堆的分解透视图；
图3是图1所示的分支件和使用本发明的燃料电池***的电子设备的组装结构示意图；
图4是本发明一示例性实施方式的燃料电池***的外部透视图。
具体实施方式
图1是本发明一示例性实施方式的燃料电池***的示意图。
如图1所示，在燃料电池***100中，使用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)结构，在该结构中通过转化含氢燃料生成氢气，通过氢气和氧气之间的反应产生电能。
在燃料电池***100中，含有氢气的燃料可包括甲醇、乙醇或天然气，当然不限于此。另外，与氢气反应的氧化剂可以是储存在单独的储存罐中的氧气，或者可以是含氧的空气。在以下的描述中，假定采用含氧空气。
本发明的燃料电池***100包括通过转化含氢燃料生成氢气的重整器20和将氢气和氧气的化学反应能转换为电能的电池堆10。另外，***100包括向重整器20提供液体燃料的燃料供应组件30和向电池堆10提供氧气的氧气供应组件40。
可供选择的是，燃料电池***100可利用将液体燃料直接供应给电池堆10以产生电能的直接氧化燃料电池方式。与PEMFC方式不同，直接氧化燃料电池不需要如图1所示的重整器20。当然，本发明不限于这种方式，以下描述的燃料电池***100将采用PEMFC方式。
重整器20利用热能通过催化反应将液体燃料转化以产生氢气，同时也降低氢气中所含的一氧化碳的浓度。在重整器中进行的重整器催化反应可包括但不限于蒸汽重整或部分氧化。此外，重整器20可利用如水汽转化、选择氧化或使用分离层提纯氢气的方法之类的催化反应降低重整气中所含的一氧化碳的浓度。
燃料供应组件30包括储存液体燃料的燃料箱31和与燃料箱相连的燃料泵33。燃料箱31和重整器20可通过第一供应管路81连接。
氧气供应组件40可包括从周围环境抽吸空气的空气泵41。空气泵41和电池堆10可通过第二供应管路82连接。
图2是图1所示的电池堆的分解透视图。
参照图1和图2，燃料电池***100的电池堆10包括至少一个发电体11。每一发电体11形成一个单元电池，该单元电池通过设置在两隔离膜16之间的膜电极组件(MEA)12发电。多个单元电池堆叠在一起形成本示例性实施方式的电池堆10。
将压板(pressing plates)13安装在电池堆10的最外层，从而将多个发电体11压紧在一起。压板13还可起隔离膜16的作用，这将在以下描述中说明。当然，设置在发电体11最外层的隔离膜16可用来代替压板13。
阳极和阴极安装在每一MEAs 12的相对表面上，在阳极和阴极之间设置电解质层。
重整气通过隔离膜16被提供给阳极，阳极具有将重整气分离为电子和氢离子的催化剂层。阳极还具有促进电子和重整气流动的气体扩散层。
空气通过隔离膜18被提供给阴极，阴极具有通过来自阳极的电子、氢离子、和空气中所含的氧气反应而生成水的催化剂层。阴极还具有促进氧气流动的气体扩散层。
电解质层促进离子交换，离子交换将在阳极催化剂层上产生的氢离子转移至阴极的催化剂层。
每一隔离膜16起通路的作用，通过该通路，将MEAs 12的氧化/还原反应所必须的氢气和空气供给阳极和阴极。每一隔离膜16还起导体的作用，其将由每一发电体11产生的电流串联连接。明确地说，每一隔离膜16设有流动通道17，该流动通道在与相应的MEA 12的阳极紧密接触的面上形成氢气通路，从而将氢气供应至阳极。隔离膜16还包括处于与相应的MEA12的阴极紧密接触的面上的空气通路，从而将空气供应至阴极。
压板13包括将氢气供给相应隔离膜16的氢气通路的第一注入件(infusion member)13a和将空气供给相应隔离膜16的空气通路的第二注入件13b。此外，压板包括将在相应MEA 12的阳极反应后剩余的氢气排出的第一排放件(discharge member)13c和将在相应MEA 12的阴极中通过氧气和氢气化合生成的水和与氢气的反应后剩余的空气排出的第二排放件13d。第一注入件13a可通过第三供应管路83与重整器20连接。第二注入件13b可通过第四供应管路82与空气泵41连接。
参照图1，燃料电池***100的每一发电体11产生大约0.5至0.7V的单位电压。当将多个发电体堆叠并串联连接时，电池堆10产生的电压与单位电压量和堆叠的发电体11的数目成正比。
本发明此示例性实施方式的燃料电池***100可在每一负载处连接至少一个发电体11，以向每一负载直接施加预定电压。为了向每一负载直接施加预定电压，本燃料电池***100具有能与至少一个发电体11连接的至少一个分支件50。这种结构与传统的燃料电池***的结构不同，在传统结构中利用DC-DC转换器根据每个负载所需要的预定电压划分并分隔电池堆10中产生的总电压。
图3是图1所示的分支件50的组装结构示意图，它包括使用本发明的燃料电池***的电子设备90。图4是本发明一示例性实施方式的燃料电池***的外部透视示意图。
参照图3和图4，根据本发明的一示例性实施方式，分支件50具有连接端51，其能将由多个发电体11产生的总电压分为多个负载(L)的预定电压，并且将预定电压直接施加至每一负载(L)上。上述负载(L)例如可包括用于如膝上型计算机或移动通信终端设备之类的便携式电子装置的电子设备90的CPUs或驱动芯片，或用于驱动电子设备90的电路元件。
优选连接端51具有多个接线插头(P)，每一接线插头(P)与至少一个发电体11连接。此外，连接端51可使每个接线插头(P)与一个以上的发电体11相连接，从而对所需相应电压的负载(L)施加由一个以上的发电体11产生的组合电压。
例如，当连接端51的接线插头(P)具有第一、第二、第三......第n个接线插头时，负载(L)具有第一、第二、第三...第n个负载，每个发电体11产生的电压是0.6V，第一负载所需的电压是2.4V，连接端51的第一接线插头与四个发电体11连接，并且第一接线插头与第一负载相连接。这样，通过第二、第三...第n接线插头可将多个发电体11产生的总电压分隔成施加给每个第二、第三...第n个负载的预定电压。
连接端51被安装在包围整个燃料电池***100的包装件60的出口外侧。通过与安装在电子设备90的外壳内的分离连接器(separate connector)70凹凸连接，连接端可以与每个负载(L)相连。
以下将详细描述本发明一示例性实施方式的燃料电池***的工作情况。
本发明的燃料电池***100的包装件60安装在便携式电子设备90的外壳中。将包装件60安装在电子设备90的外壳中时，从包装部分60伸出的分支件50的连接端51与电子设备90外壳的连接器70连接。于是，通过连接器70燃料电池100的连接端51与电子设备90的负载(L)相连。
将本发明的燃料电池***100安装在电子设备90中的同时，起动燃料泵33以便通过第一供应管路8将储存在燃料箱31内的液体燃料供给重整器20。然后，例如利用热能通过蒸汽重整(SR)催化反应重整器20从燃料中产生氢气，并通过水汽转移(water-gas shift，WGS)催化反应或优选CO氧化(PROX)催化反应降低氢气中含有的一氧化碳的浓度。
接下来，通过第三供应管路83将降低了一氧化碳浓度的氢气供给电池堆10的第一注入件13a。然后，氢气经由隔离膜16的氢气通路被供至MEA12的阳极。
此外，借助于起动空气泵41通过第二供应管路82，将空气供至电池堆10的第二注入件13b。然后，空气经由隔离膜16的空气通路被供至MEA 12的阴极。
因此，通过阳极处的氧化反应氢气被分离为电子和质子(氢离子)。此外，通过电解质层，质子被转移到阴极。因为电子不能穿过电解质层，所以电子将通过隔离膜16移动到邻近的MEAs 12的阴极。在工作期间，电子朝阴极的流动产生电流。此外，通过氧气和电子及氢离子的还原作用在阴极生成水。
上述过程可使每一发电体11发出电压约为0.5至0.7V的电。当将多个发电体11堆叠并串联连接时，电池堆10发出的电的电压与每一发电体的单位电压和堆叠的发电体11的数目成正比。
连接端51的各个接线插头(P)与一个或多个发电体11连接，以便产生电子设备90的每一负载(L)所需的电压。因为连接端51和电子设备90的各个负载(L)通过连接器70连接，所以接线插头(P)可将发电体11产生的总电压分成多个负载(L)的每一个所需要的电压，并将预定电压施加至每一负载(L)。
显然，在不超出本发明的构思和范围的前提下，本领域技术人员可对本发明作出各种改型和变换。因此，本发明应涵盖在所附权利要求及其等同物的范围内对本发明作出的改型和变换。

Claims (8)

1.一种燃料电池***，包括：
电池堆，其具有多个通过氢气和氧气之间的电化学反应而产生电能的发电体；
燃料供应组件；
氧气供应组件；
至少一个分支件，其与至少一个所述发电体连接，
其中，所述发电体串联连接，
其中至少一个分支件包括具有多个接线插头的连接端，用于将所述多个发电体产生的总电压分成预定电压并将这些预定电压施加到多个负载。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述分支件通过连接器与该负载相连接。
3.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，还包括围绕在所述整个电池***周围并接收所述分支件的包装件。
4.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述燃料供应组件包括储存燃料的燃料箱和与所述燃料箱相连的燃料泵。
5.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述氧气供应组件包括空气泵。
6.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，还包括将所述燃料供应组件提供的燃料转化成氢气的重整器。
7.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池***采用聚合物电解质膜燃料电池型式。
8.根据权利要求1所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池***采用直接氧化燃料电池型式。
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