CN1407644A - 燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环*** - Google Patents

Abstract

本发明主要是关于一种用于一燃料电池的阳极气体循环***，该燃料电池包含一阳极气体输入端及一阳极气体输出端，该阳极气体循环***包括：一阳极气体供应源；一开关装置，与该阳极气体供应源相连接；一调节装置，连接于该开关装置，及该燃料电池的阳极气体输入端之间；一膜片泵，跨接至该燃料电池的阳极气体输出端及阳极气体输入端之间，以形成一阳极气体循环，该膜片泵另设有至少一传感器，此传感器与该开关装置电气相连接。

Description

燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环***

技术领域

本发明是关于一种用于燃料电池的膜片泵(diaphragm pump)及使用此膜片泵的阳极气体循环***，尤其是一种应用于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)的阳极气体循环***(anode stream recirculation system)及其所使用的膜片泵，特别是有关于用在质子交换膜(proton exchange membrane)燃料电池的氢气循环***及膜片泵。

背景技术

随着人类文明的进步，传统能源，譬如煤、石油及天然气的消耗量持续攀高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体会认识到天然能源的存量是有限的，如果被持续地滥用，可能在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池(fuel cell)便是其中的一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相较，燃料电池具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。

简而言之，燃料电池是一种将氢和氧通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池为例，其包括多个电池单体，每一电池单体的结构大致如图1中所示，包括位于中央的一质子交换膜10(proton exchange membrane，PEM)，其两侧各设一层催化剂12，其外再各设置一层气体扩散层14(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极板16与一阴极板18，将此构件紧密结合在一起后，即形成一电池单体。由于燃料电池在实际应用时，通常是将多个上述的电池单体堆栈串联起来，如图2中所示，始能获得足够的发电功率；因此，互相串联邻接的电池单体，可以共享一电极板，如图3中所示，以分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极，故此电极板通常便称为双极板20(bipolar plate)。双极板20的两面通常皆设有许多沟槽22，如图3中所示，以输送用来反应的气体，如氢气与空气(以提供氧气)，并排出反应后的生成物，如水滴或水气。

现有燃料电池中的气体供应***，包括一阴极气体供应***，譬如一氧气供应***，以及一阳极气体循环***，譬如一氢气循环***，其大致如图4中所示。其中，氧气供应***30可利用空气作为其供应源，经由一过滤器32(filter)将其过滤后，再利用一鼓风机34(blower)将空气加压输送至燃料电池50中；经燃料电池50反应后所排放的多余空气，则流经一水收集器36(water recuperator)后排出，水收集器36可将排放空气中可能含有的少量水份收集至一冷却循环***38，燃料电池50反应后所排出的废热亦导经该冷却循环***38，最后，再将冷却循环***38所使用的冷却液，导回该燃料电池50以提供其适当的冷却。

现有燃料电池中的阳极气体循环***，则包括一氢气供应源40，其以一压力调节装置42(pressure regulator)控制氢气的输入压力，燃料电池50的另一端，则设一氢气泵44(hydrogen pump)，用以控制氢气的流量并排出反应后剩余的氢气，同时亦可促进氢气供应源40的氢气输入燃料电池50中，排出的剩余氢气随后通过一增湿装置46(humidifier)，譬如一气泡机(bubbler)，以增加剩余氢气的湿度。此排出的剩余氢气然后回流至氢气供应源的管线中，与新鲜供应的氢气混合并重复上述循环。增湿装置46中的水则可与冷却循环***38中的水互相流通。

由于燃料电池的双极板中的氢气必须具有相当程度的湿度，才能将反应生成的氢离子(H⁺)携带并穿越质子交换膜，与质子交换膜另一侧所供应的氧气及外电路所携带的电子进行反应，实现质子导电。一般来说，氢气中含水量过少时，质子交换膜会脱水，使得燃料电池的电阻增大、电压降低，进而影响燃料电池的使用寿命。反之，若含水量过多，则有可能阻塞双极板中气体流通的通道，使得气体间的反应无法继续进行，亦会对燃料电池的性能产生负面的影响。因此，阳极气体循环***中，通常皆需设置一增湿装置来调整氢气的湿度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环***，其利用一膜片泵持续地收集自燃料电池所排出的氢气，再将其释放出来并输送回燃料电池中加以利用，免去现有氢气泵的设置，减少燃料电池***本身电能的寄生损失(parasitic loss)，提升燃料电池整体***的发电功率。

本发明的次要目的在于提供一种燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环***，将此阳极气体循环***及膜片泵与水循环***加以结合，故另可同时驱动水循环***中的水进行循环流动，使得燃料电池的水循环***中原本必须设置的驱动泵也可省略。因此，本发明可更进一步地减少燃料电池***本身电能的寄生损失，提升燃料电池整体***的发电功率。

本发明的又一目的在于提供一种燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环***，在通过控制氢气源的间歇式启闭动作所产生的压力脉冲，以自动通畅燃料电池内的气体通道，不致有沉积水珠影响发电效率的缺点。

因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池的膜片泵及使用此膜片泵的阳极气体循环***，其既可省去现有燃料电池中阳极气体循环***的部分必要构件，降低零件成本，又可降低阳极气体循环***所需消耗的电能，提升燃料电池***整体的发电效率

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案；一种用于一燃料电池的阳极气体循环***，该燃料电池包含一阳极气体输入端及一阳极气体输出端，该阳极气体循环***包括：一阳极气体供应源；一开关装置，与该阳极气体供应源相连接；一压力调节装置，连接于该开关装置，及该燃料电池的阳极气体输入端之间；一膜片泵，跨接至该燃料电池的阳极气体输出端及阳极气体输入端之间，以形成一阳极气体循环，该膜片泵另设有至少一传感器，此传感器并与该开关装置电气相连接。

本发明的另一重点，在于用于这种燃料电池的阳极气体循环***中的膜片泵，该膜片泵具有一壁体，其界定出一内部空间，一活塞，设于该内部空间中，及一膜片总成，连设密封于该活塞及该膜片泵的壁体间，以将该内部空间分为二部分。

本发明还提供一种燃料电池的膜片泵，其用于该燃料电池的阳极气体循环***中，该膜片泵具有一壁体，其界定出一内部空间，一活塞，设于该内部空间中，及一膜片总成，连设密封于该活塞及该膜片泵的壁体间，以将该内部空间分为二部分。

本发明的优点是：

1、本发明的阳极气体循环***可回收输入过剩而未被反应的阳极气体，并自动地将其重新输送至燃料电池中以进行反应，完全不需如现有技术中另外设置一氢气泵44，才能达成气体循环供应的目的，因此，本发明可减少燃料电池***本身电能的寄生损失，在本较佳实施例中，约可达燃料电池输出电能的5％左右，确实提升燃料电池整体***的发电功率。

2、本发明的膜片泵可不与大气相通，而另与燃料电池的水循环***相通，此水循环***，可分别经由单向阀及输入及输出膜片泵，使膜片泵的空间充满水而不再是空气，当膜片泵的活塞上下移动时，可同时驱动水循环***中的水进行循环流动，使得燃料电池的水循环***中原本必须设置的驱动泵可省略。因此，本发明可更进一步减少燃料电池***本身电能的寄生损失，提升燃料电池整体***的发电功率。

3、本发明膜片泵构造简单，制造成本低廉，且在操作时不需消耗任何能源。其次，本发明如此的设计，可以在每次开启开关装置时，让具有较高气体压力的阳极气体强力冲入整个***，特别是燃料电池之中，因此，若燃料电池的双极板的沟槽中因水气凝结所存有水珠或其它任何会阻塞气体流通的物体，皆可被此间歇性冲入的高压气体排挤冲出或散开，故本发明亦兼具间歇性自动通畅燃料电池内气体通道的功能。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是显示现有燃料电池的电池单体结构的剖面分解示意图；

图2是显示将多个现有电池单体组合后应用的剖面分解示意图；

图3是显示现有燃料电池部分结构的剖面分解示意图；

图4是显示现有燃料电池中气体供应***的示意图；

图5是显示本发明阳极气体循环***的较佳实施例的示意图；

图6是显示本发明的膜片泵的剖面示意图；及

图7是显示本发明的较佳实施例中，将此阳极气体循环***及膜片泵与水循环***进一步结合的较佳实施例的示意图。

图中符号说明：

10    质子交换膜

12    催化剂

14    气体扩散层

16    阳极板

18    阴极板

20    双极板

22    沟槽

30    氧气供应***

32    过滤器

34    鼓风机

36    水收集器

38    冷却循环***

40    氢气供应源

42    压力调节装置

44    氢气泵

46    增湿装置

50    燃料电池

60    阳极气体供应源

62    开关装置

64    压力调节装置

70    膜片泵

72    单向阀

74    单向阀

76    壁体

80    燃料电池

82    输入端

84    输出端

90    活塞

92     膜片

94     弹簧

96     开口

102    空间

104    空间

106    霍尔效应传感器

108    霍尔效应传感器

110    磁铁

122    储槽

124    散热器

126    单向阀

128    单向阀

具体实施方式

本发明所公开的燃料电池的阳极气体循环***，主要是针对质子交换膜燃料电池的氢气循环***，其中一种较佳实施例大致如图5中所示，包括一阳极气体供应源60，以提供燃料电池80进行反应所需的阳极气体，在质子交换膜燃料电池的实施例中，该阳极气体为纯氢。该阳极气体流经一开关装置62及一压力调节装置64后，才经由一输入端82被输入至燃料电池80中。开关装置62可为一电磁阀(solenoidvalve)，以决定是否自阳极气体供应源60供应新的气体。至于压力调节装置64(pressure regulator)，则是用于控制阳极气体压力的大小。输入燃料电池80的阳极气体量，通常设定在可以提供较产生某一指定电能所需的化学计量为高的流量，以确保燃料电池80中电化学反应的充分进行。此外，燃料电池80具有一输出端84。本发明的阳极气体循环***，另设置一膜片泵70，其两端分别连接至燃料电池80的阳极气体输出端84及阳极气体输入端82之间，以形成一阳极气体循环，如图5中所示。在燃料电池的阳极气体输入端82与膜片泵70间，以及阳极气体输出端84与膜片泵70间，如本发明的膜片泵70的两侧上，分别连设有一单向阀72及74。

在本发明的一较佳实施例中，膜片泵70具有壁体76以构成一内部空间，其内并设有一活塞90，活塞90上连设有一密封于膜片泵70的壁体76上的膜片92，膜片92可由橡胶所制成，膜片92将内部空间一分为二，膜片泵70的壁体76另设有一开口96与大气相通。因此，膜片泵70的其中一空间102便与阳极气体循环***相通，另一空间104则与大气相通。此外，活塞90抵设于一弹性装置，如本发明的一弹簧94上。在本发明的一较佳实施例中，如图5及图6中所示，膜片泵70设有二具霍尔效应传感器(Hall effect sensor)106及108，分别设于膜片泵70的上、下侧，这种霍尔效应传感器可为MICRONAS公司所产制编号为HAL504UA-E的产品，或PANASONIC公司所产制编号为DN6848-ND的产品，或他种可达成类似功能的传感器，而活塞90上则另设一磁性对象，如一磁铁110。活塞90可因应膜片92两侧空间102与104的压力变化，配合弹簧94的弹力被驱动而上下移动。

在本较佳实施例中，该二具传感器106及108可通过检测磁铁110的位置而测知活塞90的位置。由于自阳极气体供应源60所输入的气体流量与压力的大小，是设定在可以提供较产生某一指定电能所需的化学计量为高，以确保电化学反应的充分进行，因此，燃料电池80的输出管线中，便会有反应后所剩余的阳极气体输出，此剩余的阳极气体便会自输出端84流入膜片泵70的空间102中。同时，由于膜片泵70另一侧的空间104是通过开口96与大气相通，故其维持在与大气相同的固定压力。当开关装置62开启时，阳极气体供应源60便将具有较高压力的阳极气体强力地冲入整个***中，空间102中升高的压力便会迫使活塞90朝下方移动，并将弹簧94压缩，当活塞90向下移动至某一特定的位置时，传感器108便会感测到活塞90上的磁铁110的位置，进而输出一信号以将开关装置62关闭，如此便无新的阳极气体自阳极气体供应源60输入。此时，随着燃料电池80内的电化学反应的持续进行，其内的阳极气体压力便会下降，因此，通过弹簧94的弹力或配合大气压力，便能推使活塞90向上移动，让空间102中所积存的阳极气体被挤出，进而循环进入燃料电池80中。随着燃料电池80内的电化学反应的进行，空间102内的阳极气体持续地被消耗，燃料电池80所输出的剩余阳极气体的也不断地减少，导致空间102的压力持续地降低，活塞90便逐渐朝上移动，当此活塞90向上移动至另一特定位置时，传感器106由于感测到逐渐上升的活塞90上的磁铁110作用，便发出另一控制信号，将开关装置62开启，以重新自阳极气体供应源60供应新的阳极气体，且此具较高压力的阳极气体强力地冲入整个***中，并再次将活塞90往下压。

通过以上的设计，本发明的阳极气体循环***可回收输入过剩而未被反应的阳极气体，并自动地将其重新输送至燃料电池中以进行反应，完全不需如现有技术中另外设置一氢气泵44，才能达成气体循环供应的目的，因此，本发明可减少燃料电池***本身电能的寄生损失，在本较佳实施例中，约可达燃料电池输出电能的5％左右，确实提升燃料电池整体***的发电功率。

在本发明的另一种较佳实施例中，膜片泵70可不与大气相通，而另与燃料电池的水循环***相通，如图7中所示，此水循环***另包括一储槽(reservoir)122以容纳循环水，及一散热器(radiator)124以降低水温等，此循环水并流经燃料电池80以将其冷却。此水循环***，可分别经由单向阀126及128输入及输出膜片泵70，使膜片泵70的空间104充满水而不再是空气。如此，当膜片泵70的活塞90依前述相同的原理上下移动时，可同时驱动水循环***中的水进行循环流动，使得燃料电池80的水循环***中原本必须设置的驱动泵也可省略。因此，本发明可更进一步地减少燃料电池***本身电能的寄生损失，提升燃料电池整体***的发电功率。

本实施例中所使用的这种膜片泵，其构造简单，制造成本低廉，且在操作时不需消耗任何能源。其次，本发明如此的设计，可以在每次开启开关装置62时，让具有较高气体压力的阳极气体强力冲入整个***，特别是燃料电池80之中，因此，若燃料电池80的双极板20的沟槽22中因水气凝结所存有水珠或其它任何会阻塞气体流通的物体，皆可被此间歇性冲入的高压气体排挤冲出或散开，故本发明亦兼具间歇性自动通畅燃料电池内气体通道的功能。

本发明为一突破现有技艺的新颖设计，然其亦可以其它的特定形式来实现，而不脱离本发明的精神和重要特性。因此上文所列的技术实施方式在各方面都应被视为例示性而非限制性实施例，而所有的改变只要合乎本案的权利要求书所定义或与其技术实施方式等效者，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种燃料电池的阳极气体循环***，该燃料电池包含一阳极气体输入端及一阳极气体输出端，该阳极气体循环***包括：

一阳极气体供应源；

一开关装置，与该阳极气体供应源相连接；

一压力调节装置，连接于该开关装置，及该燃料电池的阳极气体输入端之间；

一膜片泵，跨接至该燃料电池的阳极气体输出端及阳极气体输入端之间，以形成一阳极气体循环，该膜片泵另设有至少一传感器，此传感器并与该开关装置电气相连接。

2.根据权利要求1所述的阳极气体循环***，其特征在于：该阳极气体为氢气。

3.根据权利要求1所述的阳极气体循环***，其特征在于：该开关装置为一电磁阀。

4.根据权利要求1所述的阳极气体循环***，其特征在于：该膜片泵具有一壁体，其界定出一内部空间，一活塞，设于该内部空间中，及一膜片总成，连设密封于该活塞及该膜片泵的壁体间，以将该内部空间分为二部分。

5.根据权利要求4所述的阳极气体循环***，其特征在于：该膜片泵包含二霍尔效应传感器，分别相对设于该膜片泵的上、下侧，及一磁性对象，相对应于该霍尔效应传感器，设于该活塞上。

6.根据权利要求5所述的阳极气体循环***，其特征在于：另包含一弹性装置，抵设于该活塞的下方，以提供该活塞向上推进之力。

7.根据权利要求6所述的阳极气体循环***，其特征在于：该活塞可由于该膜片两侧压力的变化及该弹性装置的弹力，而在一第一位置及一第二位置之间移动，该二传感器可通过检该磁性对象而测知该活塞的位置，当该活塞移动至该第一位置时，其中一该传感器便输出一信号以将该开关装置关闭；而当该活塞移动至该第二位置时，另一该传感器便输出另一信号以将该开关装置开启。

8.根据权利要求4所述的阳极气体循环***，其特征在于：该膜片泵另设有一开口，使该膜片泵的内部空间的其中一部分与大气相通。

9.根据权利要求1所述的阳极气体循环***，其特征在于：该燃料电池的该阳极气体输入端与该膜片泵间，以及该阳极气体输出端与该膜片泵间，分别连设有一单向阀。

10.根据权利要求4所述的阳极气体循环***，其特征在于：该膜片泵另设有一进水口及一出水口，使该膜片泵的内部空间的其中一部分与一水循环***的管路相通，而充满水。

11.一种燃料电池的膜片泵，其用于该燃料电池的阳极气体循环***中，该膜片泵具有一壁体，其界定出一内部空间，一活塞，设于该内部空间中，及一膜片总成，连设密封于该活塞及该膜片泵的壁体间，以将该内部空间分为二部分。

12.根据权利要求11所述的膜片泵，其特征在于：另包含一弹性装置，抵设于该活塞的下方，该活塞可由于膜片两侧压力及该弹性装置的弹力，而在一第一位置及一第二位置之间移动。

13.根据权利要求11所述的膜片泵，其特征在于：其另包含至少一传感器，以检测该活塞的位置。

14.根据权利要求13所述的膜片泵，其特征在于：该膜片泵包含二霍尔效应传感器，分别相对设于该膜片泵的上、下侧，及一磁性对象，相对应于该霍尔效应传感器，设于该活塞上。

15.根据权利要求11所述的膜片泵，其特征在于：该膜片是由橡胶制成。

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