CN1007854B - 燃料电池发电装置冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种至少用于有两个燃料电池堆的燃料电池发电装置的冷却系统，该系统包括至少一个风机，至少两个安排在冷却气循环管道中的热交换器，该管道的两端连接风机的出口和进口，该燃料电池堆和热交换器被串联，所以每个热交换器的进口被连接的上游的燃料电池堆的出口，而热交换器的出口连接到下游的电池堆的进口。以上游的电池堆送出来的冷却气接着通过安排在循环管道中的热交换器送出下游燃料电池堆去，以用冷却二个燃料地池堆的冷却气冷却所有的电池堆。

Description

本发明关于燃料电池发电装置的冷却系统，特别是关于有两个或两个以上燃料电池堆的燃料电池发电装置的冷却系统。

在燃料电池发电装置中，必须对燃料电池反应产生的一部分热量进行处理，使燃料电池的工作温度保持在予定的数值。因此，提出了各种冷却系统。然而，随着燃料电池堆数的增加，冷却系统变得复杂起来。一般说来，图13中所示的冷却系统被通常用于有两个或两个以上燃料电池堆的燃料电池发电装置。在此系统中，冷却气被风机BW送到供应管道11，流经支管12a，12b，12c，和12d到燃料电池堆S1，S2，S3和S4，在此，冷却气从堆中吸收热量。热的冷却气再流经回流支管13a，13b，13c和13d进入安排在回流管道14中的热交换器HX，在此，热量被传给通过管道15送给热交换器HX的冷却水。从热交换器出来的冷却气再通过回流管道14回到风机BW。

然而，在这系统中用风机BW供送的冷却气量必须相等于通过支管12a，12b，12c和12d送到各燃料电池堆S1，S2，S3和S4的冷却气总量。这样，燃料电池堆的数目越多，风机和管道的尺寸也越大。因而，使用大尺寸的风机和管道导致电力消耗的增加和燃料电池发电装置占地面积的增加。此外，必须供给各个电池堆的冷却气的量受工作条件的影响，这就使得在各个电池堆中控制热平衡相当地困难。

因此本发明的一个目的是提供一种燃料电池发电装置的冷却系统，它克服了上述缺点，并能使用小尺寸的风机而不使燃料电池装置的作用减低。

本发明的另一目的是提供一种燃料电池发电装置的冷却系统能够降低燃料电池发电装置的电力消耗和占地面积。

本发明的再一目的是提供一种燃料电池发电装置的冷却系统能够方便地控制各个电池堆中的热平衡。

根据本发明，各种目的的解决是由于提供了一种用于至少有两个燃料电池堆的燃料电池发电装置的冷却系统，该系统包括至少一个风机，至少两个安排在冷却气循环管道中的热交换器，该管道的两端连接风机的出口和进口，该燃料电池堆和热交换器被串联着，所以每个热交换器的进口被连接到上游的燃料电池堆的出口，而热交换器的出口被连接到下游的电池堆的进口。

在按照本发明的冷却系统中，从上游的电池堆送出来的冷却气接着通过安排在循环管道中连接着相邻的两个电池堆的热交换器送出下游的燃料电池堆去，这样就能够用冷却二个燃料电池堆的冷却气去冷却所有的电池堆。因此，就可能使用小尺寸的风机和小尺寸的管道。

本发明的各种目的，特点和优点通过下面对本发明优先实施例的参照附图进行的说明，能进一步明白。

图1是按照本发明的燃料电池冷却系统简略的布置原理图;

图2是按照本发明的燃料电池冷却系统一个优先实施例的简略剖面图;

图3a是图2冷却系统的放大的部份剖视图;

图3b是图2冷却系统一个改进例的放大的部份剖视图;

图4是燃料电池冷却系统的简略平面图，显示本发明的另一优先实施例;

图5是按照本发明的燃料电池发电装置的剖面图;

图6是燃料电池冷却系统的一个简略剖视图，显示本发明的另一优先实施例;

图7是图6冷却系统的一个部份分解透视图;

图8是按照本发明燃料电池冷却系统的另一布置原理的简略视图;

图9是显示本发明另一优先实施例的冷却系统的简略平面图;

图10是显示本发明另一优先实施例的冷却系统的剖面图;

图11是按照本发明的冷却系统的简略平面图;

图12是显示本发明优先实施例的冷却系统的一个分解透视图;

图13是先有技术系统的流程图。

现在参看图1，显示燃料电池发电装置冷却系统的一个基本形式，包括三个燃料电池堆S1，S2和S3。这个冷却系统包括一个风机BW和三个被安排在冷却气循环管道3中的热交换器H1，H2和H3。热交换器和电池堆是交替地排成一行并用导管串联着以形成冷却气的循环管道。热交换器H1，H2和H3各自相应地把它们的进口接到相应的上游的电池堆的冷却气出口接头1₁，1₂和1₃上，而它们的出口接到相应的下游的电池堆的冷却气进口接头2₁，2₂和2₃上以形成冷却气的单循环管道。风机BW的出口被接到最上游的电池堆S1的冷却气进口接头21，而它的进口通过一根回流管被接到最下游的热交换器H₃以完成冷却气循环管道3。

如图1中所示，这个冷却系统用于磷酸电解液燃料电池发电装置，而冷却水如图中箭头方向所示，被送到每个热交换器。在这种燃料电池装置中，这燃料电池必须工作于180°到200℃的温度范围中。因此，冷却系统被按下面方式操作以保持燃料电池的工作温度在190℃。至于冷却气，可以用诸如空气，氢气，氦气等等。任何传统使用的气体可被用作冷却气。

冷却气，例如空气，被风机BW供送流入最上游的燃料电池堆S1，其进口温度大约135℃，从燃料电池堆S1中吸收热量，在离开时的出口温度是175℃。热空气流入热交换器H1，在此相应于温差40℃的热 量被送到热交换器H1中的冷却水所取走。被冷却了的空气从热交换器H1离开时大约是135℃，并流入下游的第二个燃料电池堆S2。在燃料电池堆S2，热交换器H2，电池堆S3以及热交换器H3中依次发生着热量的吸收和释出。冷却气从最下游的热交换器H3中出来，通过回流管回到风机BW的进口在冷却系统中循环。

因此，被风机送出的冷却气量相等于冷却一个燃料电池堆所需的量，这就可以使用小容量的风机和小尺寸的管道。

图2显示按照本发明的冷却系统的一个优先实施例。在这个实施例中，四个燃料电池堆S1，S2，S3和S4和四个热交换器H1，H2，H3和H4被交替地排成一行而彼此直接连接不用导管。热交换器（Hn）的进口边被接到最上游的燃料电池堆（Sn）而它的出口边被接到下游的燃料电池堆（Sn+1）。

如图3a中所详细表示的，每个热交换器（Hn）的外壳两边有伸长部份4和5，它们各自用作燃料电池堆的进口和出口接头。在电池堆（Sn）和热交换器（Hn）的伸长部份4或5之间有密封件6。

有伸长部份的热交换器（Hn）可以被那些在图3b中示出的没有伸长部份的热交换器所代替。在此场合时，热交换器也是被相应地连接到最上游的燃料电池堆（Sn）和下游的燃料电池堆（Sn+1）。

图4是按照本发明冷却系统的另一优先实施例。在此实施例中，八个燃料电池堆被分为两组在空间上看来排成两行。但在流体动力的性质上来说，它们实际上还是串联着的。在每一行中，四个燃料电池堆和四个热交换器被交替地排列着，各热交换器H1，H2，H3，H4，H5，H6，H7，H8的进口被接到最上游的电池堆S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，而它的出口被接到下游电池堆S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S1，这和图2中所示的实施例的情况相同。

在图5中显示出的燃料电池发电装置包括八个燃料电池堆和八个热交换器，其布置和图4中的相同，并被垂直地罩在压力罐9中。

现在参看图6和图7，其中显示出按本发明的冷却系统的另一优先实施例。在这个冷却系统中，三对热交换器（H1，H1′），（H2，H2′），和（H3，H3′）被相应地安排在相邻的两个堆（S1和S2），（S2和S3）和（S3和S4）之间，而热交换器H4和H0被相应地安排在上半部燃料电池堆（S4）的下游和下半部燃料电池堆（S1）的下游。

风机BW的出口被连接到分成两部份的接头8上，接头8的上半部份被连接到上半部燃料电池堆S1，接头8的下半部份被连接到热交换器H0的出口。堆S4的上半部通过一个回流罩7被连接到它的下半部。这样，燃料电池堆S1，S2，S3和S4的上半部以及上部的热交换器H1，H2，H3和H4形成循环管道的供应管道，而燃料电池堆S1，S2，S3和S4的下半部以及下部的热交换器H0，H1′，H2′，H3′形成循环管道的回流管道。

在图中的符另M表示工作气体用的进口和出口接头。

在此实施例中，由风机BW送来的冷却气流入第一电池堆S1的上半部，然后接着通过热交换器H1，H2和H3以及燃料电池堆S2，S3和S4的上半部。从燃料电池堆S4上半部出来的冷却气流入热交换器H4，然后依次进口燃料电池堆S4，S3，S2和S1的下半部如图6中箭头方向所示。这样，这种布置可以使风机送出的冷却气量比图1中实施例所需的冷却气量要减少一半，这样的结果就有可能使用较小尺寸的风机。

在图1至图7中所示的上述实施例中，冷却气用一个风机BW而在循环管道中进行循环。这样，燃料电池堆数越多，在循环管道中的压力损耗越大，其结果是要将风机的压力增加。结果，送给燃料电池堆的冷 却气和工作之间的压力差增大。因此，就需要加强它们之间的密封。

再有，通过循环管道的冷却气在供应管道和回流管道之间的转弯部份改变了方向，使冷却气的流动变得不稳定，这就使得把冷却气均匀地分配到电池堆的进口边变得困难。

按照本发明这些问题由于使用了在图8至图12中所示的位于循顸管道气流改变方向的转弯部份的附加风机而避免了。

现在参看图8，显示出按照本发明冷却系统另一优先实施例，在此实施例中，四个燃料电池堆S1，S2，S3和S4以及热交换器H1，H2    H3和H4被分成两组并被排成两行。在每一行中，两个电池堆和两个热交换器被交替地排列着并用导管连接成串联状态以形成冷却气的循环管道，因此每个热交换器Hn的进口被连接到上游的电池堆Sn的出口接头，而它的出口被连接到下游的电池堆Sn+1的进口接头。第一风机BW1的进口被接到热交换器H4的出口，而它的出口被接到第一电池堆S1的进口接头2第二风机BW2被布置在循环管道的转弯部份并把它的进口接到第二热交换器H2的出口，而它的出口接到第三燃料电池堆S3的进口接头23。

在此实施例中，风机都被布置在循环管道的转弯部份而均匀地承担着循环管道中的压力损耗，比起用一个风机操作的冷却系统来，就可以减少风机的总容量。由于用各个风机供送的压力可以显著地减少，冷却气和工作气之间的压力差变小，就可以在工作气和冷却气之间使用市场上容易买到的密封件。由于把风机设置在循环管道的各个转弯部份，就能得到冷却气的稳定气流。

在图9所示的优先实施例中，冷却系统的结构除了在循环管道的转弯部份设置了一个附加的风机BW2以外，即设置在第四热交换器H4和第五燃料电池堆S5之间，其它结构与图4中所示相似。

图10所示的另一个优先实施例中，冷却系统的结构和图6中所示 的相似，除了在循环管道的转弯部份被布置了一个附加的风机BW2以外，它是被布置在第四热交换器H4和第四燃料电池堆S4之间。三对热交换器（H1，H1′），（H2，H2′）和（H3，H3′）被布置在相邻的两个堆（S1和S2），（S2和S3）以及（S3和S4）之间，热交换器H4和H0被相应地布置在燃料电池堆（S4）的上半部的下游和燃料电池堆（S1）的下半部的下游。

第一风机BW1被接到一个分成两部份的接头8，它的上半部份接到燃料电池堆S1的上半部，而它的下半部份接到热交换器H0的出口。第二风机BW2的进口接到堆S4、接头的上半部的热交换器H4，而它的出口接到堆S4接头的下半部。

现在参看图11，显示出按本发明的冷却系统的另一优先实施例。在此冷却系统中，八个燃料电池堆S1至S8和八个热交换器H1至H8被交替沿着假想正方形的边排列着，并用导管接成串联以形成冷却气的循环管道。在循环管道的每个转角上设有风机BW1，BW2，BW3和BW4。

图10中所示的冷却系统可以被改进成图12所示的形式。在这个改进中，风机BW1和BW2被相应地装在端盖C1和C2中，端盖C1和C2同外壳做成一体。这种结构使它可以不用导管而把所有的燃料电池堆和热交换器一个一个连接起来。

Claims (7)

1、一种燃料电池发电装置的冷却系统，其中至少一个风机把冷却气通过一个冷却气循环管道送到燃料电池堆，该冷却气循环管道的两端连接在所述风机的出口和进口，其特征在于：所述冷却系统包括至少两个燃料电池堆和至少两个热交换器，所述燃料电池堆和热交换器面对面交替设置在冷却气循环管道上并相互直接串联连接，每个所述热交换器设置在所述燃料电池之间，而热交换器的进口直接接到上游的燃料电池堆的出口，热交换器的出口直接接到下游的燃料电池堆的进口，形成一个组合结构，最上游的燃料电池堆的进口通过所述冷却气循环管道接连到所述风机的出口，最下游的热交换器的出口通过所述冷却气循环管道连接到所述的风机的进口。

2、如权利要求1的冷却系统，其特征为：每个燃料电池装有进口接头和出口接头，而其中每个热交换器布置在上游的燃料电池堆的出口接头和下游的燃料电池堆的进口接头之间。

3、如权利要求1的冷却系统，其特征为：上游的燃料电池堆和下游的燃料电池堆通过热交换器连接着。

4、如权利要求3的冷却系统，其特征为，每个热交换器外壳的两侧设有伸长部份以形成连接燃料电池堆的进口和出口接头。

5、如权利要求1的冷却系统，其特征为，燃料电池堆和热交换器在外观上被排列成两行，但在流体动力学上被连接成串联，其中一个风机的进口和出口连接到这两行的一个相邻的两端头上，这两行的另一个相邻的两端头被一个U形导管所连接。

6、如权利要求1的冷却系统，其特征为一对热交换器在相邻的两个燃料电池堆之间平行放置，所以相邻的两个燃料电池堆的各个半部被相应地由其中一个热交换器所连接。

7、如权利要求1的冷却系统，其特征为：燃料电池堆和热交换器交替地布置成两行，而流体动力学上被接成串联，而两行的各相邻端被相应地用风机将它们连接起来。

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