用于直接甲醇燃料电池的具有稳定结构的水控制器系统

摘要

本发明公开了一种水控制器系统，所述水控制器系统构造为如下结构：将由直接甲醇燃料电池系统的阴极产生的水与由直接甲醇燃料电池系统的阳极产生的二氧化碳及未反应的甲醇溶液引入该水控制器系统中，使二氧化碳排出该水控制器系统，并且使所述甲醇溶液循环至相应的电极以再利用该甲醇溶液。所述水控制器系统包括具有排气口、气体/溶液入口和排出口的特定结构的浮动构件。所述水控制器系统进一步包括与浮动构件连接的弹性入口管、弹性出口管和弹性排气管。所述用于燃料电池的水控制器系统具有再利用从燃料电池排出的未反应的甲醇溶液，即使当水控制器系统倾斜时可正常工作，并且均衡保持水控制器系统中水与甲醇的量的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水控制器系统，所述水控制器系统构造为如下结 构：将由直接甲醇燃料电池系统的阴极产生的水和由直接甲醇燃料电 池系统的阳极产生的二氧化碳及未反应的甲醇溶液引入该水控制器系 统中，使二氧化碳从该水控制器系统排出，并且使甲醇溶液循环至相 应电极以再利用该甲醇溶液，并且更具体而言，涉及一种包括如下结 构的水控制器系统：其中包含预定量水的密封式盒(seal-type case)；其 中部分包含甲醇溶液(甲醇与水)的中空结构浮动构件；设置在水控制器 系统上部用于排出二氧化碳的排气口；设置在水控制器系统下部用于 将水、二氧化碳和未反应的甲醇溶液通过其从阴极和阳极引入水控制 器系统的气体/溶液入口；和设置在水控制器系统下部用于向阳极供给 甲醇溶液的排出口，其中从入口延伸的弹性入口管以及从排出口延伸 的弹性出口管与在在密封式盒中漂浮的浮动构件的下端连接，并且从 排气口延伸的弹性排气管与浮动构件的上端连接，以及本发明涉及一 种包括所述水控制器系统的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种将由燃料(氢或甲醇)与氧化剂(氧或空气)之间的电 化学反应产生的化学能直接转化成电能的新型电力产生系统。由于高 能量效率和低污染物排出，即保护环境特性，燃料电池作为下一代能 源资源受到极大关注，并对燃料电池进行了大量研究。

基于所用的电解质的种类，燃料电池可分成磷酸燃料电池、碱性 燃料电池、聚合物电解质燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化 物燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池可分成使用氢气作为燃料的 质子交换膜燃料电池或者其中向阳极供给液相甲醇作为直接燃料的直 接甲醇燃料电池。

由于100℃或更低的低工作温度、因为使用固体电解质排除了泄漏 问题、迅速起动与反应特性及极好的耐久性，聚合物电解质燃料电池 作为便携式电源部件、车辆用电源部件或家用电源部件受到关注。尤 其，与其它燃料电池相比，直接甲醇燃料电池具有单一燃料供给系统， 并且直接甲醇燃料电池的整体结构不复杂。此外，直接甲醇燃料电池 的小型化是可能的。因此，直接甲醇燃料电池作为便携式燃料电池的 研究正在进行中。

图1为表示普通直接甲醇燃料电池系统的示意图。

参照图1，燃料电池系统100包括：具有设置在由聚合物材料制成 的电解质膜116的对边的阴极112和阳极114的燃料电池；用于向阴 极112供给包括氧作为燃料的空气的第一泵140；用于向阳极114供给 作为燃料的甲醇溶液的第二泵150；构造为将从燃料电池110产生的水、 二氧化碳和未反应的甲醇通过管160和170引入水控制器系统200，通 过出口管190从水控制器系统200排出二氧化碳，并且通过第二泵150 再次向燃料电池110供给水和未反应的甲醇的水控制器系统200；用于 向水控制器系统200供给废甲醇的第三泵180；热交换器；及甲醇储藏 容器(纯MeOH)。

向阳极114供给的甲醇溶液被分离成氢离子与电子。氢离子通过 电解质膜116迁移至阴极112，并且电子经由外部电路(未显示)迁移至 阴极112，由此从燃料电池110产生电力。此时，从阴极112产生水， 并且从阳极114产生二氧化碳和未反应的甲醇。水、二氧化碳和未反 应的甲醇被引入水控制器系统200。在其中，水和未反应的甲醇与纯甲 醇(该纯甲醇从外部供给以补充消耗甲醇的量)混合，并且向燃料电池再 次供给该混合物。

如上所述，与化学电池不同，直接甲醇燃料电池系统通常仅在向 直接甲醇燃料电池系统连续供给甲醇溶液和其连续除去二氧化碳时工 作。为此，向直接甲醇燃料电池系统连续供给甲醇溶液并且连续除去 二氧化碳的水控制器系统的功能是非常重要的。

通常，在水控制器系统中排出二氧化碳气体的二氧化碳排出部位、 排出甲醇溶液液体的甲醇溶液排出部位是固定的。结果，当水控制器 系统倾斜或摇动时，上述材料可能不会从相应排出部位排出。

为了解决上述问题，提出了一种在水控制器系统中设置一个液体 分离膜和用于吸收甲醇溶液的吸收构件，由此再利用吸收到吸收构件 中的甲醇溶液的方法，在美国未经审查专利公开No.2004-115606、日 本未经审查专利公开No.2004-186151和韩国未经审查专利公开No. 2004-45312中公开了该方法。然而，上述常规方法存在这样的问题： 当吸收构件被甲醇溶液完全浸湿时，吸收构件不再吸收甲醇，二氧化 碳流入水控制器系统，并且需要高泵压力以再供给被吸收的甲醇溶液。

另一方面，日本未经审查专利公开No.2003-163021公开了构造为 即使当水控制器系统倾斜时通过使用浮管实现供给与排出的结构。然 而，在这种常规结构中，必须提供分离水控制器系统的附加元件，由 此会增加燃料电池系统的总尺寸。

发明内容

技术问题

因此，进行本发明以解决上述问题及仍待解决的其它技术问题。

具体而言，本发明的一个目的是提供一种能够有效再利用燃料电 池排出的未反应的甲醇溶液的水控制器系统，即使当该水控制器系统 倾斜时其亦可正常工作，并且在水控制器系统中均衡地保持水与甲醇 的量。

本发明的另一目的是提供一种包括水控制器系统的燃料电池系 统，该燃料电池系统具有小型结构构造。

技术方案

根据本发明的一个方面，通过提供一种水控制器系统实现上述及 其它目的，所述水控制器系统构造为如下结构：将由直接甲醇燃料电 池系统的阴极产生的水和由直接甲醇燃料电池系统的阳极产生的二氧 化碳及未反应的甲醇溶液引入该水控制器系统中，使二氧化碳从该水 控制器系统排出，并且使甲醇溶液循环至相应电极以再利用该甲醇溶 液，其中，所述水控制器系统包括：其中包含预定量水的密封式盒； 其中部分包含甲醇溶液(甲醇与水)的中空结构浮动构件；设置在水控制 器系统上部用于排出二氧化碳的排气口；设置在水控制器系统下部用 于通过其将水、二氧化碳和未反应的甲醇溶液从阴极和阳极引入水控 制器系统的气体/溶液入口；和设置在水控制器系统下部用于向阳极供 给甲醇溶液的排出口，其中从入口延伸的弹性入口管以及从排出口延 伸的弹性出口管与在密封式盒中漂浮的浮动构件的下端连接，并且从 排气口延伸的弹性排气管与浮动构件的上端连接。

因此，根据本发明的水控制器系统，即使当所述水控制器系统由 于各种外部原因不能保持直立时，因为上述结构特征亦能正常工作。

在本发明中，所述“甲醇溶液”表示外部供给的纯甲醇、由燃料 电池引入的未反应的甲醇和由水控制器系统向燃料电池供给的水的混 合物。

根据本发明，当其中包含甲醇溶液的浮动构件漂浮在密封式盒中 时密封式盒1/2至3/4的内体积优选用水充满，并且优选用甲醇溶液充 满浮动构件1/2至3/4的内体积。在这种情况下，浮动构件以如下方式 在密封式盒中漂浮：在水中浸没1/2至3/4浮动构件，同时浮动构件的 外表面与密封式盒的内表面留有间隔。

更优选地，在水控制器系统的最上端设置排气口，并且在水控制 器系统的最下端设置气体/溶液入口与排出口。

根据本发明，为了使浮动构件在水控制器系统中保持直立，当按 照通过浮动构件正中心的水平线附近将浮动构件分成上部与下部时， 浮动构件的下部必须比浮动构件的上部重。在上述结构中，在浮动构 件的下端设置气体/溶液入口与排出口，并且弹性入口管与弹性出口管 分别与气体/溶液入口与排出口连接。结果，浮动构件的下部比浮动构 件的上部重。为了增加浮动构件上下部之间的重量差，可考虑用具有 相对高比重的材料或增加中空结构的厚度的方法制造浮动构件下部。

在优选实施方式中，所述水控制器系统可进一步包括：设置在入 口管与出口管连接的浮动构件下端的平衡配重(balance weight)，所述平 衡配重相对较重，由此，即使当水控制器系统倾斜或旋转同时浮动构 件在密封式盒中漂浮时，浮动构件与入口管之间及浮动构件与出口管 之间的连接区域位于浮动构件最下端，并且浮动构件与排气管之间的 连接区域位于浮动构件的最上端。

在优选实施方式中，所述水控制器系统可进一步包括：设置在浮 动构件外表面的一个或多个半透性膜构件，当浮动构件在密封式盒中 漂浮时，所述半透性膜构件与水接触以进行渗透作用。所述半透性膜 构件阻断甲醇运动并且允许水运动，以均衡保持浮动构件中甲醇溶液 的浓度，并且在密封式盒中均衡保持水量。因此，即使没有设置额外 的甲醇浓度探测元件和额外的甲醇浓度控制元件，也能够容易地控制 甲醇浓度至期望水平。

所述密封式盒可具有多种结构构造。优选地，考虑到在燃料电池 系统中的安装空间及密封式盒的稳定安装，所述密封式盒为六面体结 构构造。

另一方面，优选所述浮动构件为球形结构构造，通过所述球形结 构，当浮动构件由于各种原因运动时，可将由于浮动构件与六面体盒 内表面之间的摩擦而不是由于漂浮现象引起的浮动构件的方向的任何 强制改变减到最小。

根据本发明的另一方面，提供一种包括上述水控制器系统的燃料 电池系统。如图1所示，从本发明适合的现有技术很好了解使用根据 本发明的水控制器系统的燃料电池系统的构造，因此，将不再给出燃 料电池系统的说明。

附图说明

结合附图从下面详细的说明中将更清楚理解本发明的上述及其它 目的，附图为：

图1为显示普通直接甲醇燃料电池系统的示意图；

图2为显示根据本发明的优选实施方式的水控制器系统的示意图；

图3为显示如图2所示的水控制器系统45度倾斜的示意图；和

图4为显示如图2所示的水控制器系统180度倾斜的示意图。

<附图中主要附图标记说明>

100：燃料电池系统200：水控制器系统

210：密封式盒220：浮动构件

具体实施方式

现在，将参照附图详细说明本发明的优选实施方式。然而，应当 注意本发明的范围不限于举例说明的实施方式。

图2为显示根据本发明优选实施方式的水控制器系统的示意图。

参照图2，所述水控制器系统包括其中部分包含水300的密封式盒 210和部分浸没在水300中及部分漂浮在水300上的浮动构件220，所 述浮动构件220其中包含甲醇溶液310。

所述密封式盒210通常为六面体结构构造。密封式盒210在其左 下端设有入口230和排出口240，通过入口230从燃料电池的阴极(未 显示)产生的水和从燃料电池的阳极(未显示)产生的二氧化碳及未反应 的甲醇被引入密封式盒210，并且通过排出口240向燃料电池供给甲醇 溶液。设置入口230与排出口240彼此相邻。密封式盒210在其右上 端设有排气口250，通过排气口250使二氧化碳排出密封式盒210。

所述浮动构件220为球形结构构造。浮动构件220下端连接从入 口230延伸的弹性入口管260和从排出口240延伸的弹性出口管250。 浮动构件220的上端连接从排气口250延伸的弹性排气管280。可在入 口230中或在入口管260中设置用于防止逆流的单向打开与闭合构件。 可在排出口240中或在出口管250中设置单向打开与闭合构件。依照 情况，可在燃料电池(未显示)中设置用于防止这种逆流的附加构件，在 所述燃料电池中最终进行引入与排出。

在连接入口管260与出口管270的浮动构件220下端设置相对较 重的平衡配重290，由此即使当水控制器系统倾斜或摇动同时浮动构件 220漂浮时，浮动构件220与入口管260之间及浮动构件220与出口管 270之间的连接区域位于浮动构件220最下端，并且浮动构件220与排 气管280之间的连接区域位于浮动构件220最上端。

因此，即使当水控制器系统200倾斜或摇动时，运动至浮动构件 220上部的气态二氧化碳与在浮动构件220下部中收集的液态甲醇溶液 分别朝向位于浮动构件220中的相应排出区域。

当在浮动构件220对边下部之间设置平衡配重290时在与水接触 的浮动构件220外表面对边下部分别设置进行渗透作用的半透性膜构 件292与294。半透性膜构件292与294中断甲醇运动并且允许水运动 以使在浮动构件220中甲醇溶液的浓度和在密封式盒210中水量保持 在预定水平。

图3为显示如图2所示的水控制器系统45度倾斜的示意图。

参照图3，即使当水控制器系统200在45度倾斜时，虽然密封式 盒210相应地倾斜，由于平衡配重290浮动构件220保持直立。

此外，即使当密封式盒210的最上排气口250不再位于最上位置 而是浸没在水中时，二氧化碳仍存在于浮动构件220的上部，并且与 排气口250连接。因此，二氧化碳通过弹性排气管280能够容易地排 出密封式盒210。同样，即使当密封式盒210的最下入口230与最下排 出口240不再位于最下位置，在浮动构件220下部中收集水与未反应 的甲醇，并且连接至入口230与排出口240。因此，能够通过弹性入口 管260与弹性出口管270向燃料电池供给水与未反应的甲醇。

图4为显示如图2所示的水控制器系统180度倾斜的示意图。

参照图4，根据如与45度倾斜水控制器系统200相同的原理，即 使当入口230与排出口240位于最上位置时，同时排气口250位于最 下位置时，在浮动构件220中二氧化碳与甲醇溶液的位置不会改变， 并且二氧化碳与甲醇溶液存在于排气管280、入口管260和出口管270 所在区域。因此，水控制器系统200正常工作。

虽然本发明的优选实施方式为举例说明目的已经公开，本领域技 术人员应该理解，各种修改、增加及置换是可能的，不会偏离如所附 权利要求所述的本发明的实质和范围。

工业实用性

从上述描述中明显得出，根据本发明的用于燃料电池的水控制器 系统，具有再利用从燃料电池排出的未反应的甲醇溶液，即使当水控 制器系统倾斜时正常工作，并且在水控制器系统中均衡保持水与甲醇 的量的效果。