專利名稱：流體回收裝置和使用其的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料回收裝置和使用其的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是無(wú)污染的電源裝置，因此被譽(yù)為下一代清潔能源發(fā)電系統(tǒng)。 使用燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)可用于大型建筑的自備發(fā)電機(jī)、電動(dòng)車輛的電源、
便攜電源等，且能使用各種燃料，例如天然氣、城市煤氣、石腦油(naphtha)、 曱醇、廢氣(wastegas)等。燃料電池一般基于相同原理操作，且根據(jù)所使 用的電解質(zhì)被劃分為熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池
(SOFC)、聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、 堿燃料電池(AFC)等。
根據(jù)所使用的燃料，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池進(jìn)一步劃分為聚合物電解 質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)或質(zhì)子交換膜燃料電池，以及直接曱醇燃料電池
(DMFC )。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池使用固體聚合物作為電解質(zhì)，因此不會(huì)有由于 電解質(zhì)而腐蝕或蒸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，并可獲得高的單位面積電流密度。此外，因?yàn)?相比其它類型的燃料電池，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池具有非常高的輸出特性 和低操作溫度，所以能用于各種應(yīng)用。例如，已經(jīng)積極地開(kāi)發(fā)PEMFC作為 向車輛提供動(dòng)力的便攜電源、向房屋或公共建筑等供電的分布式電源、以及 用于向電子設(shè)備等供電的小電源。
直接曱醇型燃料電池使用液體燃料例如曱醇等，不需要燃料重整器(fUd reformer),且運(yùn)行在100°C以下的溫度。因此，DMFC適于用作便攜電源或 小型電源。
聚合物電解質(zhì)膜燃料電池一般包括陽(yáng)極、離子選擇膜和陰極。陽(yáng)極和陰 極包括催化劑層、氣體擴(kuò)散層和電流收集層。離子選擇膜允許質(zhì)子通過(guò)，但 對(duì)電子傳導(dǎo)和陰離子傳輸有高電阻率。
在如上所述的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中，如果燃料例如純氫或甲醇水溶液被提供到陽(yáng)極，且氧化劑例如空氣被提供，則燃料通過(guò)在陽(yáng)極的催化劑 層中的氧化反應(yīng)而產(chǎn)生質(zhì)子和電子。這時(shí)，質(zhì)子通過(guò)離子選擇膜移動(dòng)到陰極， 電子通過(guò)外部電路移動(dòng)到陰極。質(zhì)子和電子移動(dòng)到陰極的催化劑，在那里通 過(guò)還原反應(yīng)產(chǎn)生水和熱能。于是通過(guò)電子流經(jīng)外部電路而產(chǎn)生電能。
如上所述的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池使用固體聚合物電解質(zhì)膜作為離 子選擇薄膜。所以，為使質(zhì)子從陽(yáng)極經(jīng)電解質(zhì)膜傳輸?shù)疥帢O，電解質(zhì)膜必須 適當(dāng)?shù)貪?rùn)濕。另一方面，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中的水 與質(zhì)子一起從陽(yáng)極經(jīng)膜移動(dòng)到陰極。水通過(guò)蒸發(fā)、凝聚、擴(kuò)散等被排放到燃 料電池外。因此，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)提供潮濕的反應(yīng)物(燃料和 /或氧化劑)到陽(yáng)極和/或陰極以防止膜變干。
在一般的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)中，管理水是非常重要的。所以， 系統(tǒng)包括了回收裝置，其回收且再使用燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水或燃料，以改善 燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水管理和系統(tǒng)效率。但是，回收裝置回收并儲(chǔ)存水和/或未 反應(yīng)的燃料，然后應(yīng)將其提供給燃料電池的陽(yáng)極。所以，如果安裝到燃料電 池系統(tǒng)的回收裝置在震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)期間不能運(yùn)行，則難以將其應(yīng)用到小型或便 攜式燃料電池系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明 一 實(shí)施例， 一種流體回收裝置能夠在震動(dòng)或旋轉(zhuǎn)期間操作， 同時(shí)僅選擇性回收外部注入的氣體和液體中的液體并電滲地
(electroosmotically )移動(dòng)所回4欠的'液體。
在本發(fā)明另 一實(shí)施例中， 一種燃料電池系統(tǒng)通過(guò)^f吏用 一種流體回收裝置 而能在震動(dòng)或旋轉(zhuǎn)期間操作。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，流體回收裝置包括具有長(zhǎng)度以及第一和第二端部 的條狀多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一電極。耦接到多孔部件 的第二端部的第二電極、以及在第一電極和第二電極之間施加恒定電壓的電
源。液體在施加于第一和第二電極之間的電場(chǎng)下從多孔部件的第一端部移動(dòng) 到多孔部件的第二端部，氣體通過(guò)多孔部件排出。
根據(jù)本發(fā)明另 一實(shí)施例，流體回收裝置包括具有長(zhǎng)度以及第一和第二端 部的條形多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一電極、耦接到多孔部 件的第二端部的第二電極、在第一和第二電極之間施加恒定電壓的電源、以及在多孔部件的第 一和第二端部之間的氣液分離器。當(dāng)氣體和液體注入多孔 部件的第一端部附近時(shí)，液體通過(guò)多孔部件的第二端部排出，氣體通過(guò)多孔 部件的氣液分離器排出。
在一示范性實(shí)施例中，多孔部件的條形可以是直的形狀或曲折形狀，例 如具有一個(gè)或多個(gè)彎曲的形狀。
多孔部件可包括選自聚合物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及它 們的混合物的材料。
流體回收裝置可包括耦接到多孔部件的第一和第二端部的熱交換器，用 于從氣體和液體或者從液體帶走熱能。
流體回收裝置可包括一體地耦接到多孔部件的第二端部的混合罐，用于 儲(chǔ)存來(lái)自多孔部件的第二端部的水。
在本發(fā)明又一實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)包括主體，其具有陽(yáng)才及、陰極和 在陽(yáng)極和陰極之間的電解質(zhì)。燃料電池系統(tǒng)還包括流體回收裝置，用于從燃 料電池主體僅選擇性回收想要的流體。流體回收裝置包括具有長(zhǎng)度以及第一 和第二端部的條形多孔部件、耦接到多孔部件的第一端部的第一電極、耦接 到多孔部件的第二端部的第二電極、以及在第一和第二電極之間施加恒定電 壓的電源。當(dāng)氣體和液體注入到多孔部件的第一端部附近時(shí)，液體在施加于 第一和第二電極之間的電場(chǎng)下從第一端部附近移動(dòng)到第二端部附近，氣體通 過(guò)多孔部件的中部排出。
在一示例性實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)還包括耦接到陰極、陽(yáng)極的流體出 口和多孔部件的第 一端部的第 一管道、耦接到多孔部件的第二端部的第二管 道。多孔部件包括在多孔部件的第 一端部中的第 一管道插入其中的第 一凹槽 和在多孔部件的第二端部中的第二管道插入其中的第二凹槽。
燃料電池系統(tǒng)還包括第 一 固定裝置，用于固定第 一管道到多孔部件的第 一端部。此外，燃料電池系統(tǒng)還可包括第二固定裝置，用于固定第二管道到 多孔部件的第二端部。
燃料電池系統(tǒng)還可包括在多孔部件的第 一端部和第二端部之間的氣液 分離器。氣液分離器可圍繞多孔部件。在該情況下，氣體通過(guò)氣液分離器排 出。
燃料電池系統(tǒng)還可包括耦接到多孔部件的第 一端部和/或第二端部的熱 交換器，用于冷卻氣體和液體或者用于冷卻液體。燃料電池系統(tǒng)還可包括混合罐，用于儲(chǔ)存來(lái)自流體回收裝置的液體。流 體回收裝置的 一端整體地耦接到混合罐。


結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的這些和/或其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變
得明顯，附圖中
圖1是^4居本發(fā)明一實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明另 一 實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖4是使用根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的流體回收裝置的聚合物電解質(zhì)膜燃
料電池系統(tǒng)的示意圖5是使用根據(jù)本發(fā)明再一實(shí)施例的流體回收裝置的直接甲醇燃料電
池；以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的操作的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的某些示意性實(shí)施例。為了清楚而省略了對(duì) 于完全理解本發(fā)明非必要的元件。另外，相似的附圖標(biāo)記始終表示相似的元 件。
這里使用時(shí)，"流體回收裝置"是用于回收想要的燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的液 體的裝置。這里，所述液體包括水。但是，所述液體不限于水，可包括液體 燃料等。 一些部件例如圖1-3的16a、 16b、 17a和17b顯示于橫截面圖中以 使得能夠容易和清楚地說(shuō)明本發(fā)明。另外，"流體回收裝置"主要描述為用 于回收和再利用想要的液體的裝置，但本發(fā)明不限于此，流體回收裝置可回 收不想要的液體(污水)以排放它。
圖l是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖。參照?qǐng)D1,流體 回收裝置10包括具有恒定長(zhǎng)度以及第一和第二端部的條形多孔部件11、耦 接到多孔部件11的第一端部的第一電極13a、耦接到多孔部件11的第二端 部的第二電極13b、以及用于在第一電極13a和第二電極13b之間施加恒定 電壓的電源14。
如圖1所示，多孔部件11是直的條形，具有數(shù)毫米(mm)至數(shù)十厘米(cm)的長(zhǎng)度。多孔部件11的橫截面可以是圓形、卵形、多邊形或其組合。 另外，多孔部件11的第一端部具有第一凹槽12a，多孔部件ll的第二端部 具有第二凹槽12b。用于注入氣體和液體的第一管道17a的一端插入到第一 凹槽12a中，用于排出液體的第二管道17b的一端插入到第二凹槽12b中。
多孔部件11可包括選自聚合物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及 它們的混合物的材料。多孔部件11的孔具有允許液體(包括水等)移動(dòng)的 尺寸。例如，孔的尺寸可在從約數(shù)微米到數(shù)百微米的范圍。
多孔部件11的第一端部包括從多孔部件的第一端部延伸的任意表面， 不限于垂直于多孔部件的縱軸的表面。類似地，多孔部件11的第二端部包 括從多孔部件的第二端部延伸的任意表面，不限于垂直于多孔部件的縱軸的 表面。例如在一實(shí)施例中，如圖1所示，多孔部件11的第一端部是與垂直 于多孔部件的縱軸的表面相鄰的表面，第二端部是在多孔部件的第二端部的 垂直于多孔部件的縱軸的表面。多孔部件11的第一和第二端部之間的中間 部分可以是第一和第二端部之間的任何表面，除了第一和第二端部的表面之 外。例如在一實(shí)施例中，如圖l所示，中間部分可以是面對(duì)第一端部中的第 一凹沖曹12a的表面。
第一電極13a固定地安裝到多孔部件11的第一端部，第二電極13b固 定地安裝到多孔部件11的笫二端部。第一電極13a耦接到電源14的正才及， 第二電極13b耦接到電源14的負(fù)極。
電源14是施加恒定電壓到第一電極13a和第二電極13b的裝置，可包 括電池、電容器、燃料電池、商業(yè)電源等。這里，恒定電壓表示能電滲地移 動(dòng)接觸多孔部件11的液體的電壓。該電壓可選地可根據(jù)第一和第二電極13a 和13b之間的間距來(lái)設(shè)定，且大約是數(shù)伏特至數(shù)十伏特。例如，當(dāng)?shù)谝缓偷?二電極13a和13b之間的間距是大約1厘米時(shí)，可施加大約IV到2V。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的流體回收裝置IO如下操作。當(dāng)氣體和液體通過(guò) 第一管道17a注入到多孔部件11內(nèi)時(shí)，液體在施加于第一電極13a和第二 電極13b之間的電場(chǎng)下從第一端部電滲移動(dòng)到第二端部，然后通過(guò)第二管道 17b排出。氣體通過(guò)第一和第二端部之間的中間部分排出。這時(shí)，注入到多 孔部件11內(nèi)的氣體中的濕氣在經(jīng)過(guò)多孔部件內(nèi)部時(shí)被冷卻且凝聚。所述氣 體包括空氣或蒸汽(H20(g))，所述液體包括液相水(H20(1))。
圖2是才艮據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖。參照?qǐng)D2，流體回收裝置10a包括具有基本"L，，形的多孔部件lla，帶有一彎曲。該流體 回收裝置還包括耦接到多孔部件lla的第一端部的第一電極13a和耦接到多 孔部件lla的第二端部的第二電極13b。此外，流體回收裝置包括用于在第 一電極13a和第二電極13b之間施加恒定電壓的電源14以及在多孔部件的 第一和第二端部之間耦接到多孔部件lla的中間部分的氣液分離器15。
除了多孔部件lla具有帶一彎曲的"L"形且多孔部件lla的中間部分 攜帶有氣液分離器15之外，流體回收裝置10a和流體回收裝置IO基本相同。 在該實(shí)施例中，當(dāng)多孔部件11的第一和第二端部無(wú)限擴(kuò)展時(shí)，它們是彼此 水平的兩個(gè)表面，因此液體的流動(dòng)在大致相同的方向進(jìn)行。
氣液分離器15由多孔材料制成。氣液分離器15可由與多孔部件lla相 同的材料制成，可以是附著到多孔部件lla的氣液分離器，或形成在多孔部 件lla的表面上的涂層。
當(dāng)氣體和液體通過(guò)恒定壓強(qiáng)注入并穿過(guò)多孔部件11時(shí)，氣液分離器可 有效地防止所需液體在空氣中排出。因此，氣液分離器可提高所需液體的回 收率。
圖3是根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的流體回收裝置的示意圖。參照?qǐng)D3，根 據(jù)又一實(shí)施例的流體回收裝置10b包括具有蜿蜒形狀以及第一和第二端部的 多孔部件llb、耦接到多孔部件lib的第一端部的第一電極13a、耦接到多 孔部件lib的第二端部的第二電極13b、在第一電才及13a和第二電極13b之 間施加恒定電壓的電源14、圍繞多孔部件lib的氣液分離器15、用于將第 一管道17a牢固地耦接到多孔部件lib的第一端部的第一固定裝置16a、以 及用于將第二管道17b牢固地耦"l妄到多孔部件的第二端部的第二固定裝置 16b。
多孔部件lib可以以蜿蜒形狀連續(xù)地形成。具有蜿蜒形狀的多孔部件 lib包括位于多孔部件lib的第一端部的第一溝槽12a,第一管道17a的一 端插入在第一溝槽12a中。多孔部件llb還包括位于多孔部件lib的第二端 部的第二溝槽12b，第二管道17b的一端插入在該第二溝槽中。
第一固定裝置16a將第一管道17a牢固地耦接到多孔部件llb的第一溝 槽12a，第二固定裝置16b將第二管道17b牢固地耦接到多孔部件llb的第 二溝槽12b。第一和第二固定裝置16a和16b可以是粘合劑或連接器，且可 以是聚合物材料，例如硅、橡膠、塑料等。氣液分離器15圍繞多孔部件lib的表面，除了多孔部件lib的第一和 第二端部之外。當(dāng)氣體和液體在多孔部件11b的第一端部附近^^注入且然后 液體朝多孔部件llb的第二端部電滲移動(dòng)時(shí)，氣體可通過(guò)多孔部件llb的表 面慢慢排出。
因此，當(dāng)裝置停止運(yùn)行時(shí)，能防止殘留在多孔部件lib中的液體泄漏到外。
上述每種流體回收裝置都人工地設(shè)定液體以不同方式流動(dòng)。因此，流體 回收裝置排出不需要的氣體，并電滲地移動(dòng)想要的液體從而僅回收想要的液 體。此外，氣體中的濕氣接觸多孔部件且由于多孔部件具有相對(duì)于濕氣更低 的溫度而被冷卻和凝聚。因此，可提高濕氣的回收率。此外，流體回收裝置 能轉(zhuǎn)移流體而沒(méi)有單獨(dú)的轉(zhuǎn)移裝置例如燃料泵。另外，由于裝置基本不受震 動(dòng)或旋轉(zhuǎn)影響，因此可以廣泛應(yīng)用。特別地，本發(fā)明的流體回收裝置適合選 擇性地回收燃料電池陰極產(chǎn)生的水。
圖4是利用根據(jù)本發(fā)明另 一實(shí)施例的流體回收裝置的聚合物電解質(zhì)膜燃 料電池系統(tǒng)的示意圖。參照?qǐng)D4，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)100a包括流 體回收裝置10c、燃料電池主體140、燃料供應(yīng)裝置150、重整器160以及氧 化劑供應(yīng)裝置170。
流體回收裝置包括水回收器110和熱交換器120。水回收器110可包括 上面參照?qǐng)Dl-3描述的任一流體回收裝置。流體回收裝置10c包括耦接到熱 交換器120的水回收器110。從流體回收裝置10c回收的水禎j是供到重整器 160，并可與燃料和/或氧化劑 一起^皮提供到燃料電池主體140 。
水回收器110基本對(duì)應(yīng)于上述流體回收裝置，但可與熱交換器120等結(jié) 合。為了在說(shuō)明書(shū)中清楚地說(shuō)明，流體回收裝置在燃料電池系統(tǒng)中使用時(shí)稱 為水回收器。水回收器110選擇性回收燃料電池主體140的陰極產(chǎn)生的氣體 和液體中的液體。氣體也能通過(guò)水回收器110回收。但是，由于氣體的回收 率并不重要，所以假定沒(méi)有發(fā)生氣體回收。
熱交換器120耦接到水回收器IIO的前端。如果熱交換器120耦接到水 交換器110的前端，那么燃料電池主體140的陰極產(chǎn)生的高溫液體被冷卻到 一定程度，然后注入到水回收器110。因此，可促進(jìn)水回收器110中蒸汽回 收率的提高。這里，流體的溫度與燃料電池主體140的運(yùn)行溫度有關(guān)，在一 般的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中大約是80°C。熱交換器120可以是風(fēng)冷型
ii熱交換器和/或水冷型熱交換器。
當(dāng)燃料電池主體140的運(yùn)行溫度較低，例如約50-60°C時(shí)，熱交換器120 可耦接到水回收器110的后端。在該情況下，水回收器110可包括例如氣液 分離器(例如上面關(guān)于流體回收裝置所描述的)，以增加氣體中的濕氣的回 收率。
燃料供應(yīng)裝置150儲(chǔ)存含氫燃料，并將所儲(chǔ)存的含氫燃料供應(yīng)到重整器 160。合適的含氫燃料的非限制性示例包括碳?xì)淙剂侠鐣醮?MeOH)、乙 醇、丁烷氣體等，硼氫化鈉(NaBH4),純氫氣(H2)等。燃料供應(yīng)裝置150 可以是儲(chǔ)存含氫燃料的燃料罐和在燃料罐和重整器160之間的轉(zhuǎn)移裝置例如 燃料泵。另外，燃料供應(yīng)裝置150可以是儲(chǔ)存丁烷的壓力罐等。
重整器160重整含氫燃料以產(chǎn)生富氫重整氣，并將所產(chǎn)生的重整氣供應(yīng) 到燃料電池主體140的陽(yáng)極。重整器160可以是通過(guò)燃燒含氫燃料(或其它 燃料)產(chǎn)生熱的熱源和使用熱源產(chǎn)生的熱來(lái)將含氫燃料重整成蒸汽(steam) 的重整反應(yīng)器。在該情況下，重整反應(yīng)器所需的水可以是從水回收器IIO回 收的水。當(dāng)使用純氫作為燃料電池系統(tǒng)中的含氬燃料時(shí)，重整器160可被省 略。
氧化劑供應(yīng)裝置170供應(yīng)大氣中的空氣到燃料電池主體140。氧化劑供
應(yīng)裝置no可以是空氣泵、風(fēng)機(jī)等。
燃料電池主體140通過(guò)空氣中包含的氧和重整氣中的氫發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)
而產(chǎn)生電能，且排出陽(yáng)極排出物(例如作為副產(chǎn)物的未反應(yīng)重整氣)和陰極
排出物(例如水等)。燃料電池主體140可包括陽(yáng)極、陰極和位于陽(yáng)極與陰 極之間的電解質(zhì)。陽(yáng)極和陰極每個(gè)可包括催化劑層、氣體擴(kuò)散層和分離器。 在一示意性實(shí)施例中，燃料電池主體可以是使用固態(tài)聚合物的聚合物電解質(zhì) 膜燃料電池，但本發(fā)明不限于此。
在根據(jù)一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)陰極分離器包括具有蜿蜒形狀的 溝道(channel)時(shí)，產(chǎn)生陰極流體入口和陰極流體出口之間的內(nèi)部壓強(qiáng)差。 另外，由于陰極流體出口的相對(duì)低的內(nèi)部壓強(qiáng)，在陰極流體出口附近發(fā)生水 涌現(xiàn)象(flooding phenomenon )。但是，耦接到陰極流體出口的流體回收裝 置通過(guò)壓力從陰極排水，因此防止水涌現(xiàn)象。
圖5是利用根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的流體回收裝置的直接曱醇燃料電 池。參照?qǐng)D5，直接曱醇燃料電池系統(tǒng)100b包括流體回收裝置10d、混合罐130、燃料電池主體140a、燃料供應(yīng)裝置150a和氧化劑供應(yīng)裝置170。
流體回收裝置10d包括水回收器110和熱交換器120。水回收器110可 包括上面參照?qǐng)D1-3描述的流體回收裝置中的任一種。流體回收裝置10d包 括耦接到混合罐130的水回收器110。在圖5所示的實(shí)施例中，兩個(gè)水回收 器110耦接到混合罐130, —個(gè)耦接到混合罐130的第一流體入口 ，另一個(gè) 耦接到混合罐130的第二流體入口 。混合罐130的第一流體入口通過(guò)水回收 器110之一耦接到燃料電池主體140a的陰極流體出口 ?；旌瞎?30的第二 流體出口通過(guò)另一水回收器110耦接到燃料電池主體140a的陽(yáng)極流體出口。 在流體回收裝置10d中回收的水和未反應(yīng)燃料與燃料供應(yīng)裝置150a提供的 燃料原料混合，然后供應(yīng)到燃料電池主體140a。
中的液體。陰極排出物中的液體是水，陽(yáng)極排出物中的液體是未反應(yīng)燃料。
混合罐130儲(chǔ)存兩個(gè)水回收器110回收的未反應(yīng)燃料和水并儲(chǔ)存燃料供 應(yīng)裝置150a供應(yīng)的燃料原料。燃料原料、未反應(yīng)燃料和水的混合液體燃料 通過(guò)轉(zhuǎn)移裝置132供應(yīng)到燃料電池主體140a。混合罐130包括排氣孔，用于 將上述第一流體入口和第二流體入口的不期望的氣體排放到外?；旌瞎?30 還包括流體出口，用于供應(yīng)液體燃料到燃料電池主體140a。轉(zhuǎn)移裝置132 可以是能轉(zhuǎn)移液體的任何裝置例如燃料泵。
燃料供應(yīng)裝置150a儲(chǔ)存作為燃料原料的含氫燃料并將所儲(chǔ)存的含氫燃 料供應(yīng)到混合罐130。含氪燃料的非限制性示例包括碳?xì)淙剂侠鐣醮?(MeOH )、乙醇等。燃料供應(yīng)裝置150a可以是儲(chǔ)存含氫燃料的燃料罐和在 燃料罐與混合罐130之間的轉(zhuǎn)移裝置例如燃料泵。另外，燃料供應(yīng)裝置150a 可以是具有恒定壓強(qiáng)的壓縮罐。
燃料電池主體140a通過(guò)使混合罐130供應(yīng)的液體燃料與空氣中包含的 氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能。燃料電池主體排出陽(yáng)極排出物(例如作為副 產(chǎn)物的未反應(yīng)燃料和二氧化碳等)和陰極排出物(例如水等)。燃料電池主 體140a可以是直4^曱醇燃料電池。
在直接甲醇燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)燃料電池主體140a的陰極和/或陽(yáng)極分 離器的溝道具有蜿蜒形狀時(shí)，陰極流體出口的內(nèi)部壓強(qiáng)低于陰極流體入口的 內(nèi)部壓強(qiáng)，從而在液體燃料和副產(chǎn)物的流動(dòng)中產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象(congestion phenomenon )。但是，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的直接曱醇燃料電池系統(tǒng)包括水回收器100,其通過(guò)壓電滲(pressure-electroosmosis)將水從陰極排出。另 外，耦接到陽(yáng)極流體出口的另一水回收器IIO通過(guò)壓力將未反應(yīng)燃料從陽(yáng)極 排出，從而流體在陽(yáng)極內(nèi)平穩(wěn)流動(dòng)。
使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料回收裝置的燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不受系 統(tǒng)震動(dòng)或旋轉(zhuǎn)影響。本發(fā)明的系統(tǒng)通過(guò)電滲(electroosmosis)能選擇性地移 動(dòng)來(lái)自燃料電池主體的液體，且能排出氣體到外部。因此，使用根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的流體回收裝置的燃料電池系統(tǒng)能通過(guò)有效地回收從燃料電池主體
流體包括通過(guò)二氧化碳、燃料水溶液或燃料穿越(來(lái)自燃料電池主體內(nèi)從陽(yáng) 極經(jīng)電解質(zhì)膜到陰極的移動(dòng))從陰極產(chǎn)生的污水。
圖6是根據(jù)本發(fā)明 一 實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中燃料電池主體的操作的示 意圖。參照?qǐng)D6，燃料電池主體可以是使用純氫或富氫重整氣作為燃料的聚 合物電解質(zhì)膜燃料電池，或使用甲醇或其它液體燃料的直接曱醇燃料電池。 燃料電池主體包括陽(yáng)極電極、陰極電極和位于陽(yáng)極電極和陰極電極之間的電 解質(zhì)膜141。
陽(yáng)極電極包括催化劑層142、微孔層144和氣體擴(kuò)散層146。陰極電極 包括催化劑層143、微孔層145和氣體擴(kuò)散層147。
用作電解質(zhì)膜141的合適的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物的非限制性示例包括氟基聚 合物、酮類聚合物、苯并咪唑基聚合物、酯基聚合物、酰胺基聚合物、亞酰 胺基聚合物、磺酸基聚合物、苯乙烯基聚合物、碳?xì)渚酆衔锏取?br> 可使用溶劑來(lái)制造電解質(zhì)膜141 。合適的溶劑的非限制性示例包括乙醇、 異丙醇(isopropylalcohol )、正丙醇(n-propylalcohol )、 丁醇(butylalcohol )、 水、二曱基亞石風(fēng)(dimethylsulfoxide , DMSO ) 、 二曱基乙酰胺 (dimethylacetamide, DMAc )、 N畫(huà)曱基吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone, NMP )、 以及它們的混合物。在一實(shí)施例中，使用了至少兩種溶劑的混合物。
陽(yáng)極電極和陰極電極的催化劑層142、 143促進(jìn)所提供的燃料或氧化劑 的快速化學(xué)反應(yīng)。在一實(shí)施例中，催化劑層142、 143包括選自鉑、釕、鋨、 4白釕合金、鉑鋨合金、柏釔合金、鉑-M合金(M是選自Ga、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、以及它們的組合的過(guò)渡金屬)、以及它們的組 合物的金屬催化劑。供選地，催化劑可灌輸在載體中且包括選自鉑、釕、鋨、 柏釕合金、鉑鋨合金、鉑鈀合金、鉑-M合金(M是選自Ga、 Ti、 V、 Cr、Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、以及它們的組合的過(guò)渡金屬)、以及它們的組 合的金屬催化劑。具有導(dǎo)電性的任何材料可用作載體。在一示例性實(shí)施例中， 載體是碳載體。
陽(yáng)極電極和陰極電極的微孔層144、 145用來(lái)均勻地^t和供應(yīng)燃料或 氧化劑到每個(gè)催化劑層142、 143。特別地，陰極的微孔層145用于平穩(wěn)地排 出從陰極的催化劑層143產(chǎn)生的水。上述微孔層144、 145可以是涂覆在支 持層146、 147上的碳層。另外，微孔層144、 145可包括選自石墨、碳納米 管(CNT)、富勒烯(C60)、活性碳、費(fèi)爾康(vulcan)、科琴黑(ketjenblack)、 碳黑、碳納米錐(carbon nanohom)、以及它們的組合的碳材料。微孔層144、 145還可包括選自聚全氟磺酸(poly(perfluorosulfonic acid))、聚四氟乙烯 (poly(tetrafluoroethylene))、氟化乙埽-丙歸(fluorinated ethylene-propylene )、 以及它們的組合。
陽(yáng)極電極和陰極電極的支持層146、 147用于支持每個(gè)催化劑層142、 143,同時(shí)用于分散燃料、水、空氣等，收集所產(chǎn)生的電流，以及防止每個(gè) 催化劑層142、 143中的材料的損失。上述支持層146、 147可以是碳基材料， 例如碳布、碳紙等。
現(xiàn)在將描述上述燃料電池主體的操作原理。含氫燃料從燃料供應(yīng)裝置供 應(yīng)到燃料電池主體。氧化劑例如空氣中的氧被提供到陰極。通過(guò)陽(yáng)極電極處 的電化學(xué)反應(yīng)，含氫燃料被離子化和氧化成質(zhì)子(f)和電子(e—)。所產(chǎn) 生的質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)膜141移動(dòng)到陰極電極，電子通過(guò)外部電路從陽(yáng)極電極 移動(dòng)到陰極電極。到達(dá)陰極電極的質(zhì)子和供應(yīng)到陰極電極的氧化劑的電化學(xué) 還原反應(yīng)產(chǎn)生熱和水。還原反應(yīng)所需的電子通過(guò)從陽(yáng)極電極移動(dòng)到陰極電極 而產(chǎn)生電能。
當(dāng)曱醇用作含氫燃料時(shí)，燃料電池主體的電化學(xué)反應(yīng)可由下面的反應(yīng)式 1表示。
當(dāng)純氫或富氫重整氣用作含氫燃料時(shí)，燃料電池主體的電化學(xué)反應(yīng)可由 下面的反應(yīng)式2表示。
反應(yīng)式1
燃料電池整體:
陽(yáng)極: 陰極:
CH3OH + H20 — C02 + 6!f + 6e 3/202 + 611" + 6e- — 3H20 CH3OH + 3/202 — C02 + 3H20
15反應(yīng)式2
陽(yáng)極 H2(g) — 2H" + 2e-
陰極 1/202 + 2Pf + 2e' — H20
燃料電池整體 H2 + 1/202 — H20
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，從外部注入的氣體和液體中只有液體被 選擇性回收。另外，本發(fā)明實(shí)施例提供一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的流體回收裝置， 能電滲地轉(zhuǎn)移所回收的液體。因此，流體回收裝置的結(jié)構(gòu)保持能穩(wěn)定地操作 該系統(tǒng)，而與包括該流體回收裝置的設(shè)備(例如便攜式燃料電池系統(tǒng))的操 作狀態(tài)的變化(例如震動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、倒置等)。4是供具有流體回收裝置的燃料 電池系統(tǒng)，由此制造小的燃料電池系統(tǒng)。
雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的示范性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將 意識(shí)到，可以進(jìn)行某些修改和改變而不偏離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的原 理、思想和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種流體回收裝置，包括多孔部件，具有第一端部和第二端部；第一電極，耦接到該多孔部件的第一端部；第二電極，耦接到該多孔部件的第二端部；以及電源，用于施加電壓到該第一電極和該第二電極之間，其中該多孔部件用于在所述電源施加的電壓下將液體從該多孔部件的第一端部移動(dòng)到該多孔部件的第二端部，且用于排出氣體。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，還包括氣液分離器，在該多孔部件的第一端部和該多孔部件的第二端部之間， 其中當(dāng)在該多孔部件的第一端部附近注入氣體和液體時(shí)，該液體通過(guò)該多孔 部件的第二端部排出，該氣體通過(guò)該氣液分離器排出。
3. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，其中該多孔部件基本為條形。
4. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，其中該多孔部件具有帶至少一彎 曲的基本曲折的形狀。
5. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，其中該多孔部件具有基本蜿蜒的 形狀。
6. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，其中該多孔部件包括選自由聚合 物、硅石(silica)、硅、石英、陶瓷、以及它們的混合物構(gòu)成的組的材料。
7. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，還包括耦接到該多孔部件的第一 端部和第二端部的熱交換器，其中該熱交換器用于從該氣體和液體除去熱 能。
8. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，還包括耦接到該多孔部件的第二 端部的混合罐，其中該混合罐用于儲(chǔ)存來(lái)自該多孔部件的第二端部的水。
9. 如權(quán)利要求1所述的流體回收裝置，其中該多孔部件包括在該多孔部 件的第一端部的第一溝槽和在該多孔部件的第二端部的第二溝槽，其中第一 管道耦接到該第 一溝槽，第二管道耦接到該第二溝槽。
10. —種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池主體，包括陽(yáng)極、陰極和在該陽(yáng)極和陰極之間的電解質(zhì)；以及 流體回收裝置，用于從該燃料電池主體選^H"生回收流體，該流體回收裝置包括多孔部件，具有第一端部和第二端部； 第一電極，耦接到該多孔部件的第一端部； 第二電極，耦接到該多孔部件的第二端部；以及 電源，用于施加電壓到該第一電極和該第二電極之間， 其中該多孔部件用于在該電源施加的電壓下將液體從該多孔部件的第 一端部移動(dòng)到該多孔部件的第二端部且排出氣體。
11. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括第一管道，耦接到該陰極和陽(yáng)極的流體出口以及在該多孔部件的第一端 部的溝槽；以及第二管道，耦接到該陰極和陽(yáng)極的流體出口以及在該多孔部件的第二端 部的溝槽。
12. 如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于固定該第一管道到 該多孔部件的第 一端部的第 一 固定裝置以及用于固定該第二管道到該多孔 部件的第二端部的第二固定裝置。
13. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括在該多孔部件的第一和 第二端部之間的氣液分離器，其中該氣體通過(guò)該氣液分離器排出。
14. 如權(quán)利要求13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣液分離器圍繞該多孔 部件。
15. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括熱交換器，用于冷卻所 述氣體和液體。
16. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括混合罐，用于儲(chǔ)存來(lái)自 該流體回收裝置的液體，其中該混合罐耦接到該流體回收裝置。
17. 如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔部件具有基本條形。
18. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔部件具有帶至少一 個(gè)彎曲的基本曲折形狀。
19. 如權(quán)利要求10所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔部件具有基;M^蜒形狀。
20. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該多孔部件包括選自由聚 合物、硅石、硅、石英、陶乾、以及它們的混合物構(gòu)成的組的材料。
21. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述恒定電壓根據(jù)該第一電極和該第二電極之間的距離確定。
22. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于供應(yīng)氧化劑到該陰 極的氧化劑供應(yīng)裝置以及用于供應(yīng)燃料到該陽(yáng)極的燃料供應(yīng)裝置。
23. 如權(quán)利要求IO所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該燃料電池主體包括聚合 物電解質(zhì)膜燃料電池或直接曱醇燃料電池。
全文摘要
本發(fā)明提供一種流體回收裝置以及使用該流體回收裝置的燃料電池系統(tǒng)。該流體回收裝置，包括多孔部件，具有第一端部和第二端部；第一電極，耦接到該多孔部件的第一端部；第二電極，耦接到該多孔部件的第二端部；以及電源，用于施加電壓到該第一電極和該第二電極之間。該多孔部件在所述電源施加的電壓下將液體從該多孔部件的第一端部移動(dòng)到該多孔部件的第二端部，且排出氣體。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101425594SQ20081017475
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者宋仁燮, 河明珠 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社