CN100352092C - 电化学燃料电池中的热能处理 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池组件，该燃料电池组件向输送到储热罐的冷却水回路提供水或者水蒸气副产物，水或者水蒸气副产物可以从储热罐直接输入到膜电极组件，从而再循环到燃料电池电池堆，用作燃料/氧化剂预热和/或直接注入膜电极组件的水。借此可确保传送到膜电极组件的水的纯度。储热罐可以消除热和电力联合转输单元中燃料电池电池堆上的热量和电负荷之间的影响。在外部电负荷小的情况下，燃料电池电池堆及其冷却回路可在大容量状态下使用，以提供热水。

Description

电化学燃料电池中的热能处理

技术领域

本发明涉及一种燃料和氧化剂在膜电极组件上结合以产生电能和反应产物、即水蒸气类型的燃料电池，。

背景技术

传统燃料电池10的典型布局如图1所示，其中，为了清楚起见，以分解的形式示出了各层。固体聚合物离子传输膜11夹在阳极12和阴极13之间。通常，阳极12和阴极13都是由其中结合了小颗粒的铂和/或其它贵金属催化剂的导电的多孔材料、如多孔碳制成。阴极12和阴极13常常直接结合到膜11的各相邻表面上。这种组合件通常称为膜电极组件或者MEA。

夹着聚合物膜和多孔电极层的是阳极流体流场板(fluid flow field plate)14和阴极流体流场板15，它们分别向MEA传送燃料和氧化剂。流体流场板14、15由导电的非多孔材料构成，借助于这类材料它们可与各阳极12或阴极13电接触。同时，流体流场板应有助于将流体燃料、氧化剂和/或反应产物传送到多孔电极，和/或从多孔电极排出流体燃料、氧化剂和/或反应产物。

这通常受到在流体流场板表面中形成的流体流动通道、例如对着多孔电极12、13的表面中的凹槽或沟道16的影响。氢和/或其它流体燃料或燃料混合物被传送到阳极沟道。通常为氧或环境空气的氧化剂被传送到阴极沟道，从阴极沟道引出反应产物水和/或水蒸气。

参照图2，通常将多个燃料电池10设置在电池堆(stack)20中，使得一个电池的阳极14与下一个电池的阴极15相邻并电接触(优选使用所示出的组合的流体流场板21)，将每一电池产生的电压依次叠加，从而产生所需供应的电压。

尤其是在建设大功率供电网费用很高的偏远地区，由于燃料电池是将地区性电源供给民用和轻工业建筑物的有效方式而备受关注。

电化学燃料电池的一个方面是在发电过程中在燃料电池内产生一定的热量。按照惯例，热量作为废弃副产品随水蒸气一道被引出而完全被浪费掉。

事实上，MEA和流体流场板中的一定的热量有望优化运行条件，但是尤其对燃料电池的发电需求较高时必须对其进行严格控制。对存在于燃料电池的热量的控制通常采用一种或两种不同的冷却机构。

在第一种机构中，利用液相冷却，其中将水传送到位于电池堆20内选定的流体流动板之间的分离的冷却板中，和从所述分离的冷却板引出。通常，冷却板位于每第四或第五个阳极/阴极场板对(field plate pair)之间。从冷却板引出的水通过热交换器并再循环到冷却板中。

在第二种机构中，通过将水量被控制的水传送到MEA 11、例如直接传送到电极表面或传送到流体流场板14、15的沟道16中使水汽化并从阴极排气中引出，利用蒸汽相冷却以便从活性(active)流体流动板中引出热量。该技术具有以下优点，不仅可提供水以维持适当的膜水含量，而且可通过蒸发和排出汽化潜热起冷却燃料电池的作用。

但是，由于水被传送到燃料电池的工作的MEA中，重要的是，必须使用足够纯的水才能不损害膜11的质量和性能。在一些偏远环境中，很难保证能恒定地提供这种水质，而且这也不是燃料电池操作者所能控制得了的。

一般说来，对于冷却板的冷却系统和从阴极排气中引出的气相不相适应，因为入口和出口温度不同，而且通常需要分开的热交换器回路。这将导致整个燃料电池能量系统的复杂性和费用增加，尺寸加大。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效和/或简单的用于燃料电池的热处理系统，以减少发电过程中产生的热量副产品的浪费。

本发明的另一目的是提供一种用于燃料电池电池堆的冷却回路，致使可毫无困难地保持传送到MEA的冷却水的纯度。

本发明的又一目的是提供一种热冷却(thermal cooling)和能量处理系统，该系统只需单个热交换回路就可以毫无困难地在各种电需求条件下适应高能燃料电池的散热要求。

本发明的一些或者所有目的可以通过以下所述的各实施方式实现。

根据一个方面，本发明提供一种燃料电池组件，包括：

燃料电池电池堆，该电池堆具有至少一个用于接收冷却水的入口和至少一个用于排出水和/或水蒸气的出口，每一入口和出口都与燃料电池电池堆的至少一个膜电极组件连通；及

储热罐，该储热罐具有贯穿其中的热交换器管，该热交换器管具有分别与燃料电池电池堆的至少一个出口和至少一个入口相连的入口和出口，从而形成燃料电池电池堆的冷却回路。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种使燃料电池组件运行的方法，包括以下步骤：

向燃料电池电池堆输送燃料和氧化剂，以产生电流和水/水蒸气副产品；

向储热罐的热交换器管输送水/水蒸气并从热交换器管中引出热能；

回收来自热交换器管中的水和蒸汽冷凝物并将其返回到燃料电池电池堆中的膜电极组件；

将热能储存在储热罐中，该燃料电池电池堆和热交换器管形成水冷却回路。

附图说明

现在将通过实例并结合附图说明本发明的实施方式。附图中：

图1是传统燃料电池的一部分的横截面示意图；

图2是传统燃料电池电池堆的一部分的横截面示意图；

图3是用于同时提供来自电化学燃料电池的热量和电力的热能处理系统的示意图；

图4是用于图3所示的系统中的带有浸没式加热器的可供选择的储热罐的示意图；

图5是用于图3所示系统中的连同辅助热交换器一起的储热罐的示意图；

图6是用于图3所示系统中的连同剩余废热散发机构一起的储热罐的示意图。

具体实施方式

参照图3，现在说明和燃料电池一起使用的热能处理系统及热和电能联合控制系统。燃料电池电池堆30包括适合满足系统的整个电力要求的多个燃料电池。燃料供应、通常由氢气罐40或重整单元提供的氢连接到阳极入口31，该阳极入口将流体燃料提供给燃料电池电池堆的阳极板。设置阳极净化出口(purge outlet)32以有利于净化阳极流体流动板，例如，清除积聚在MEAs的阳极侧的水，或者可以返回到重整器为基础的燃料处理器的燃烧部分。

燃料供应可以包括合适的预热机构，优选使用燃料电池电池堆自身产生的热，或者在启动期间使用电加热器。

阳极流体流动控制系统还可以包括连接到阳极出口32的净化阀46，从而可间歇地净化阳极。

通常为空气的氧化剂源被提供到阴极入口33，阴极入口将氧化剂提供给燃料电池电池堆30中的阴极板。设置阴极出口34(或‘阴极排出口’)以有利于清除未消耗掉的氧化剂和反应副产物(包括水)，如果有的话，还一起清除稀释剂或惰性气体。

在一优选结构中，如图所示，采用空气压缩机53通过过滤器55从环境空气中抽取供给的氧化剂，该过滤器在经常负荷条件(under the prevailingload conditions)下能确保向燃料电池提供适当的氧化剂量。

阴极出口34与储热罐61内的热交换器管60相连。优选热交换器管60为穿过储热罐的水套62的盘管。当然，一般而言，热交换器管可以是任何合适的管道，通过该管道，来自阴极输出34的水/水蒸气可以流入和流过任何适当的传热装置。热交换器管通向用于收集水和蒸汽冷凝物的水收集容器63。

来自冷凝物收集容器63的水在水入口70处返回到燃料电池电池堆阳极和/或阴极，这部分水可用于完成一种或多种功能，以使燃料电池电池堆30内部保持最优的工作条件。例如，可用这部分热水预热燃料和/或氧化剂。

也可用这部分水加湿入口燃料和/或氧化剂流，此外还有利于使MEA中的反应速率保持在适当水平，而且可延长膜的寿命。也可选择将水直接注入到阳极侧和/或阴极侧的流体流场板沟道中，通过再蒸发、使膜加湿、以及燃料和/或氧化剂的预热而有助于MEA的一种或者多种温度控制。

一般说来，由阴极出口34排出的水和/或水蒸气直接流过包括热交换器管60、冷凝物收集容器63和水入口70的整个冷却回路。

在优选实施方式中，冷却回路还包括用于在入口70保持适当流率的水泵71。

优选冷凝物收集容器63还包括排气出口66和相连的压力调节阀65，以便按需要分配废气和来自冷却回路的水。如果需要，压力调节阀有助于使燃料电池在较高的入口空气压力下工作，从而可提高燃料电池的功率输出。压力调节阀可使阴极排气和任何载液或者惰性气体以预定压力水平有控制地排出。因此，压力调节阀具有可控制地排出来自冷却回路的废气的控制机构。

值得注意的是，冷却回路利用的是在MEA处的氢和氧结合期间由燃料电池电池堆30产生的水，而且维持这部分水的供应。因此，这部分水可保持高的纯度，而且可将其用作直接注入燃料和/或氧化剂源的水。燃料电池电池堆的这部分水副产物不会构成明显的中毒危害或对燃料电池电池堆中的MEA性能的危害。

热交换器管60中的水优选与水套62中的水完全隔离，水套62中的水可以由不一定全部用所供的冷水80的当地水源补充。家用或商业用的热水可以从热水出口81引出。通过向使用二次水回路82的散热器系统(未示出)提供热水，还可以为家用或商用建筑物供暖。

可以理解，由储热罐61供水和供暖可以只由燃料电池电池堆30提供，或者燃料电池30只作为辅助提供。

上述设置除可保持高纯度的水冷却回路之外，其独特优点是该燃料电池在所有的外部电负荷结构(load condition)下可以保证适当的热力冷却能力(thermal cooling capacity)。DC/DC转换器90和变换器91为电源92提供外部电负荷。

当外部电负荷结构高时，将产生相当多的热能，而且可将其储存在储热罐61中，以备以后使用。同样，当所需的外部电负荷需求小而对家用热水的需求大时，燃料电池电池堆30可以简单地在满负荷下运行，产生的电力被该系统内部使用，以便利用浸没式加热器或类似装置促进热水套62的直接加热。图4示出了这种设置，其中，储热罐61装有与输出电力的电源92相连的整体式浸没式加热器95。这不仅可直接加热水，而且由于对燃料电池电池堆30的电需求，增加了燃料电池通过冷却回路传送到储热罐61的热功率。

于是，不至于限制燃料电池的运行而使热量需求必须与电能需求匹配，反之亦然。储热罐61有效地消除了热量和电力联合系统的电力和热能需求之间的相互影响。

尽管已对使用与冷却回路热交换器盘管60中的水直接热接触的水套62的储热罐61作了描述，但是可以理解，还可以使用其它形式的储热罐，例如，可使用任何合适的热容量大的块状材料。如果需要，这种储热罐可用于加热给水。

在典型的示意性燃料电池中，阴极排气34包含约为80℃的混合的水/水蒸气，这证实了通过二次水回路82可维持家用热水供应的观点。经热交换后，在选择的运行条件下，这里所述的优选实施方式可以使冷却水在30和60℃之间的温度下返回到冷却水入口70。因此，即使对于高功率燃料电池，本发明的冷却回路通常也可以实现省去燃料电池电池堆中的专用冷却板，而且所有的冷却都由蒸发和冷凝机构来实现。

可以对上述实施方式进行各种改型。借助于储热罐61从阴极排气34排出的热能量不足时，可以设置另外的抽热机构。

例如，在图5中，可以用空气冷却冷凝器单元100代替水收集容器63，或者除了水收集容器63之外还使用空气冷却冷凝单元100。

在另一设置中，如图6所示，可以在对向水入口70供水的储热罐61出口中的温度传感器101进行控制的情况下，通过与热水出口81相连的废水出口104将多余的热能抽出系统。当水入口70超过预定温度时，温度传感器101通过反馈线103控制阀102，以泄放热水，而从冷水源80补充冷水。

可以理解，水入口70不仅可为了冷却和加湿而向燃料电池阳极和/或阴极供水，而且如果需要，还可用于对设置在所选择的那些流体流场板之间的分隔的冷却板供水。

其它实施方式也将落入所附的权利要求的保护范围内。

Claims (19)

1.一种燃料电池组件，包括：

燃料电池电池堆，该电池堆具有至少一个用于接收冷却水的入口和至少一个用于排出来自所述膜电极组件的水和/或水蒸气的出口，所述入口与流体流动板相连，以便将冷却水输送到与之相邻的膜电极组件；及

储热罐，该储热罐具有贯穿其中的热交换器管，所述热交换器管具有分别与所述燃料电池电池堆的至少一个出口和至少一个入口相连的入口和出口，从而形成所述燃料电池电池堆的冷却回路，该冷却回路将排出的水和/或水蒸气再循环而返回到膜电极组件。

2.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，还包括设置在所述冷却回路中、在所述热交换器出口和所述燃料电池电池堆入口之间的冷凝物收集单元。

3.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，还包括设置在所述冷却回路中、在所述热交换器出口和所述燃料电池电池堆入口之间的水泵。

4.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述储热罐包括环绕所述热交换器管的水套。

5.如权利要求4所述的燃料电池组件，其中，所述水套还包括冷水供给和热水放水点。

6.如权利要求4或5所述的燃料电池组件，其中，还包括用于加热所述水套的电加热元件，该电加热元件与所述燃料电池电池堆的电输出相连。

7.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，还包括用于可控制地从所述冷却回路中排出废气的压力调节装置。

8.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述储热罐包括贯穿其中的、用于提供空间供暖散热系统的第二水回路。

9.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述燃料电池电池堆的接收来自所述冷却回路的水的所述入口与所述燃料电池电池堆中阳极和/或阴极的直接水注入系统相连。

10.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，将所述燃料电池电池堆的接收来自所述冷却回路的水的所述入口连接成对提供给所述各阳极/阴极的燃料和/或氧化剂进行预热。

11.如权利要求5所述的燃料电池组件，其中，还包括连接在所述热水放水点和废水出口之间的阀，和设置在所述冷却回路中、当所述冷却回路中的水超过预定温度时驱动所述阀的温度传感器。

12.如权利要求1所述的燃料电池组件，其中，所述至少一个出口包括阴极排出口。

13.一种使燃料电池组件运行的方法，包括以下步骤：

向燃料电池电池堆供给燃料和氧化剂，以产生电流和水/水蒸气副产品；

向储热罐的热交换器管供给在燃料电池电池堆中的燃料和氧化剂的反应所产生的水/水蒸气，并从中引出热能；

回收来自所述热交换器管的水和蒸汽冷凝物，并将其送回所述燃料电池电池堆中的膜电极组件；及

将所述热能储存在所述储热罐中，

所述燃料电池电池堆和所述热交换器管形成水冷却回路，该冷却回路将排出的水和/或水蒸气再循环而返回到膜电极组件。

14.如权利要求13所述的方法，其中，还包括收集所述冷却回路中的、在所述热交换器和所述燃料电池电池堆入口之间的冷凝物收集单元中回收的水和蒸汽冷凝物的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，其中，还包括将所述回收的能量储存在储热罐的水套中的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其中，还包括从所述水套放出热水和补充冷水的步骤。

17.如权利要求13所述的方法，其中，还包括加热来自所述储热罐的第二水回路中的水的步骤。

18.如权利要求13所述的方法，其中，还包括将所述回收的水和蒸汽冷凝物作为输入供给所述燃料电池电池堆中阳极和/或阴极的直接水注入系统的步骤。

19.如权利要求13所述的方法，其中，还包括向所述燃料电池电池堆提供所述回收的水和水蒸气冷凝物以预热提供给各阳极/阴极的燃料和/或氧化剂的步骤。

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