CN101521287A - 使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法 - Google Patents

使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用蒸发冷却的燃料电池系统，其通过使作为燃料的氢与作为氧化剂的空气反应来产生电。该系统包括：包括冷却通道的燃料电池组，该冷却通道设置在双极板上，并设置成与空气通道和氢通道分开；与燃料电池组的冷却通道入口侧连接的空气入口管路；设置在冷却通道入口侧上的注水装置，以将水注入到通过空气入口管路引入冷却通道的空气中；和设置在燃料电池组后方、并与连接在冷却通道出口侧的排放管路连接的空气压缩装置，以向冷却通道提供吸力，并压缩从冷却通道中吸取的空气和水蒸气的混合物。本发明提供的优点在于燃料电池系统的设置得以简化、轻量化和缩小化，且制造成本降低。

Description

使用蒸发冷却的燃料电池系统和冷却燃料电池系统的方法
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C§119(a)要求于2008年2月25日提交的韩国专利申请第10-2008-0016618号的优先权，其全部内容在此引入以供参考。
技术领域
本发明的公开内容涉及使用蒸发冷却(evaporative cooling)的燃料电池系统、和冷却燃料电池系统的方法，其中可以由经过燃料电池组的单个空气管路(air line)提供燃料电池组的冷却和空气加湿。
背景技术
燃料电池系统通过用电化学方法将从燃料中获得的化学能通过燃料氧化直接转换成电能来产生电能。
典型的燃料电池系统包括：用于通过电化学反应产生电能的燃料电池组，用于向燃料电池组供应作为燃料的氢的氢供应系统，用于供应含氧空气(作为燃料电池组中电化学反应所需的氧化剂)的氧(空气)供应系统，用于将反应热量从燃料电池组移除至燃料电池系统外部、控制燃料电池组的操作温度并执行水管理功能的热管理系统(thermal management system，TMS)，以及用于控制燃料电池系统总体操作的系统控制器。燃料电池系统不仅产生电，还产生热和水。
最引人关注的用于车辆的燃料电池之一是质子交换膜燃料电池或聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，在已知的燃料电池当中上述燃料电池的功率密度最高。PEMFC在低温下操作，能够在短时间内启动，并且用于能量转换的反应时间很快。
包括在PEMFC中的燃料电池组包括：膜电极组件(MEA)、气体扩散层(GDL)、垫圈、密封件和双极板隔板。MEA包括聚合物电解质膜，氢例子通过该聚合物电解质膜输送。在聚合物电解质膜两侧的每一侧上都布置有电极/催化剂层(在其中发生电化学反应)。GDL的作用是均匀地扩散反应气体，并传送产生的电能。垫圈的作用是向反应气体和冷却剂提供适当的气密性。密封件的作用是提供适当的粘合压力。双极板隔板的作用是支撑MEA和GDL、收集和传送产生的电能、传送反应气体、传送并去除反应产物、以及传送冷却剂以去除反应热量等。
燃料电池组由多个单元电池(unit cell)组成，每个单元电池包括阳极、阴极和电解质(电解质膜)。氢气供应给阳极(“燃料电极”)，含氧空气供应给阴极(“空气电极”或“氧电极”)。
供应给阳极的氢气被布置在电极/催化剂层中的催化剂解离成氢离子(质子，H+)和电子(e-)。通过电解质膜(其为阳离子交换膜)将氢离子传送至阴极，通过GDL和双极板将电子传送至阴极。
在阴极上，通过(聚合物)电解质膜供应的氢离子和通过双极板传送的电子与供应给阴极的含氧空气反应，以产生水。
氢离子的迁移导致电子流过外导线，这产生电能和热量。
PEMFC中的电极反应可以由下列公式表示：
燃料电极中的反应：2H2→4H++4e-
空气电极中的反应：O2+4H++4e-→2H2O
总反应：2H2+O2→2H2O+电能+热量
在上述反应中，氢离子透过聚合物电解质膜，氢的膜透过性由膜的含水量决定。在进行上述反应时，产生水，该水用于对反应气体和膜进行加湿。
如果含氧空气是干燥的，通过反应产生的全部水均被用于加湿含氧空气。因此，聚合物电解质膜被干燥，从而降低了膜的氢透过性。同时，如果聚合物电解质膜太过湿润，则GDL的微孔被阻塞，因此妨碍了反应气体与催化剂的接触。出于该原因，适当地保持聚合物电解质膜的含水量是非常重要的。
而且，从大气中供应的含氧空气的湿度没有高到足以将膜润湿到适当的水平。因此，将空气供应给燃料电池之前有必要对其进行加湿。
在这点上，美国专利第5,700,595号公开了一种质子交换膜燃料电池装置，其中使用多孔板组件来提供系统冷却、反应物加湿和冷凝水收集。
图1是该专利中公开的质子交换膜燃料电池装置的截面视图，图2是示出在使用多孔板组件的燃料电池组中如何通过冷却剂对空气和氢气进行加湿、以及如何泵送燃料电池反应产生的冷凝水的概念示意图。
参考图1和2，空气和氢被流经冷却剂通道32和32’的冷却剂加湿，并且燃料电池反应产生的冷凝水由于真空压力的作用被冷却剂吸收(收集)。
更具体地，冷却剂通道32和32’设置在多孔板26和26’的中部，空气通道29和29’以及氢通道30和30’配置在其两侧，使得冷却剂通过冷却剂通道32和32’循环，(含氧)空气和氢分别通过空气通道29和29’以及氢通道30和30’供应。
此时，以高于循环冷却剂的压力供应空气和氢，使得空气电极上产生的水通过多孔板26和26’泵送至冷却通道32和32’。
由于多孔板26和26’被循环冷却剂饱和，它们用于对氧化反应物(空气)和燃料反应物(氢)进行加湿，因此冷却剂可以进行冷却和加湿系统以及除去产物水的操作。
然而，燃料电池水管理系统具有以下缺点。由于冷却剂被反复冷凝和加湿，有必要只使用去离子纯水；防冻溶液不能用作冷却剂。当纯水在低于凝固点的温度下凝固时，经过多孔板的水在空气电极或氢电极上冻结，阻塞通道，因此必须在操作之后将其从系统中抽出。去离子纯水也可以在水箱中冻结，因此在冷启动过程中必须使用大量的能量使冻结的水解解冻，使启动时间增加。另外，必须提供可以解决所有与纯水有关的组分/部件的冻结问题的设计。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，并因此其可以包含不形成本国家的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的提出是为了解决与现有技术相关的上述问题。
一方面，本发明提供一种使用蒸发冷却的燃料电池系统，该燃料电池系统通过使作为燃料的氢与作为氧化剂的空气反应来产生电。该系统包括：包括冷却通道的燃料电池组，该冷却通道设置在双极板上，并设置成与空气通道和氢通道分开；与燃料电池组的冷却通道入口侧连接的空气入口管路；设置在冷却通道入口侧上的注水(waterinjection)装置，以将水注入到通过空气入口管路引入冷却通道的空气中；和设置在燃料电池组后方、并与连接在冷却通道出口侧的排放管路连接的空气压缩装置，以向冷却通道提供吸力，并压缩从冷却通道中吸取的空气和水蒸气的混合物。在通过空气压缩装置的吸力将冷却通道的内部压力保持成负压的状态下，当空气和水经过冷却通道时，水被蒸发，同时，从燃料电池组产生的热量被蒸发的潜热吸收，从而对燃料电池组进行冷却。
另一方面，本发明提供了一种冷却燃料电池系统的方法，该燃料电池系统通过使作为燃料的氢与作为氧化剂的空气反应来产生电，并包括燃料电池组，该燃料电池组包括冷却通道，该冷却通道设置在双极板上，并设置成与空气通道和氢通道分开，上述方法包括：驱动设置在燃料电池组后方、并与连接在冷却通道出口侧的排放管路连接的空气压缩装置，以通过与冷却通道入口侧连接的空气入口管路吸取空气；和通过配置在冷却通道入口侧的注水装置，将水注入到通过空气入口管路吸入到冷却通道中的空气中，使得在通过空气压缩装置的吸力将冷却通道的内部压力保持成负压的状态下，当空气和水经过冷却通道时，水被蒸发，同时，从燃料电池组产生的热量被蒸发的潜热吸收，从而对燃料电池组进行冷却。
本文所用的术语“车辆(vehicle)”、“车用”或其它类似术语理解成包括通常的机动车辆，例如载客车辆，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆，包括各种船只和船舶的水运工具，航空器和类似物，并包括混合动力车辆、电动车辆、插入式(plug-in)混合电动车辆、氢动力车辆和其它代用燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。
如本文所述，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电动动力。
所附附图结合在本说明书中并形成其一部分，并与以下具体描述一起，更详细地说明了本发明的以上特征和优势，其用于通过实施例的方式解释本发明的原理，这些特征和优势由此将是显而易见的。
附图说明
现在参考附图中图示的某些示范性实施方式对本发明的上述和其它特征进行详细说明，以下附图仅仅作为图示给出，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是现有技术中的质子交换膜燃料电池装置的截面视图；
图2是示出在图1的燃料电池装置中如何通过冷却剂对空气和氢气进行加湿、以及如何泵送冷凝水的概念示意图；
图3是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池系统的构造的示意图；
图4和图5是说明绝对湿度根据温度和压力的变化改变的曲线图；
图6是说明根据本发明的优选实施方式，空气的绝对湿度根据温度和压力变化的曲线图；
图7是说明根据本发明优选实施方式的根据其位置的空气状态的曲线图；
图8是根据本发明优选实施方式的燃料电池系统中的燃料电池组的截面视图；
图9是根据本发明优选实施方式的燃料电池系统中的燃料电池组的横截面视图；
图10是说明根据本发明优选实施方式控制用于冷却燃料电池系统的各个组件的方法的流程图；
图11是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池冷却系统的构造的框图；
图12是示出根据本发明优选实施方式的其中设置有旁通管路的燃料电池系统的构造的示意图；而
图13是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池系统的构造的示意图。
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
具体实施方式
现在详细参考本发明的具体实施方式，下文的附图中对其实施例进行说明，其中通篇以类似的附图标记代表类似的元件。下面对实施方式进行说明，以通过参考附图来说明本发明。
图3是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池系统的构造的示意图。
如图3所示，在燃料电池组120中设置的冷却通道122入口处，使用注水装置130将水注入从大气中抽取的空气，使得与水混合的空气被供应给冷却通道122。优选地，在这种情况下，可以驱动设置在燃料电池组120下游侧(后侧)的空气压缩装置140，使得水和空气的混合物在由空气压缩装置140产生的吸力的作用下经过冷却通道122。
通过从燃料电池组120中产生的热量和空气压缩装置140的吸力，在冷却通道122中产生高温、低压条件，其中水可以很容易地蒸发。当经过冷却通道122的水被蒸发时，燃料电池组120被蒸发的潜热冷却。
而且，从冷却通道122排放的空气和水蒸气被散热(heatdissipation)单元150冷却，然后从散热单元150排放的混有水蒸气的加湿空气作为燃料电池组120的氧化剂来供应，从而通过经过燃料电池组120的单个空气管路同时提供燃料电池组120的冷却和空气加湿。
将关于图3更详细地说明燃料电池系统的构造和燃料电池系统中的空气流。
大气中的空气通过在上游侧(前侧)与燃料电池组120连接的空气入口管路110提供。在此，空气入口管路110被连接到设置在燃料电池组120内部的冷却通道122的入口侧。因此，大气中的空气可以通过空气入口管路110经过入口滤器111和入口阀112，并供应给冷却通道122。
冷却通道122设置在每个双极板121上，与空气通道123和氢通道(未示出)分开。冷却通道122的内部保持在由空气压缩装置140产生的吸力所导致的真空压力(负压)。
注水装置130(用于从蓄水器160中接收水，并将水注入通过空气入口管路110供应的空气)设置在冷却通道122的入口侧。
注水装置130可以包括用于将蓄水器160中的水泵至高压的泵。它还可以包括设置在冷却通道122的入口侧的注入器(injector)，用于注入通过泵加压的水。
在本发明中注水装置130不受具体限定，可以使用本领域任何已知装置作为注水装置130，只要其可以通过来自燃料电池系统控制器101的电控制信号输出来控制水的注入。
设置在燃料电池组120下游侧(后侧)的排放管路141被连接到冷却通道122的出口侧，空气和水蒸气的混合物通过该排放管路从冷却通道122中排放。排放管路141与散热器(radiator)150，即散热单元连接。
和空气压缩装置140一样，用于向冷却通道122内部提供吸力的鼓风机(blower)(或气泵)配置在排放管路141的中部。
优选地，鼓风机140设置在冷却通道122的后方，并吸取冷却通道122中的空气，以将冷却通道122的内部压力保持在低压，使得注入空气中的水可以很容易地蒸发成水蒸气。
像这样，通过鼓风机140的操作，大气中的空气通过冷却通道122前方的空气入口管路110在鼓风机140的吸力的作用下被吸入冷却通道122的内部，因此冷却通道122的内部压力保持在真空压力(负压)下。此时，注入器即注水装置130将蓄水器160中的水注入供应至冷却通道122的空气，使得混有水的空气被引入冷却通道122的内部。
如上所述，通过从燃料电池组120产生的热量和鼓风机140产生的吸力，在冷却通道122中产生高温、低压的条件，其中水可以很容易地蒸发。也就是说，温度通过从燃料电池组120产生的热量增加，压力被鼓风机140的吸力降低。从燃料电池组120产生的热量增加了经过冷却通道122的水蒸发，并且鼓风机140的吸力导致的低压增加了空气的绝对湿度，从而提高了冷却效率。换句话说，当水在冷却通道122中蒸发时，燃料电池组120中产生的热量被蒸发的潜热吸收，从而将燃料电池组120冷却至适当的温度。
同时，通过鼓风机140的吸力从燃料电池120的冷却通道122排放的空气和水蒸气的混合物(具有中温和低压)被鼓风机140压缩(至高温和高压)，并送至散热器150。在散热器风扇152的操作过程中或车辆的操作过程中，散热器150通过外界空气将空气和水蒸气冷却(至中温和高压)。
当高温、高压下的空气和水蒸气的混合物的热量被耗散到外界空气中时，水在散热器150中凝结。当散热器150中的温度降低并且压力增加时，绝对湿度得以降低，因此空气中的水蒸气凝结成水。
散热器150中凝结的水被移至通过设置在散热器150出口侧的分离管道151连接的蓄水器160，并贮存在蓄水器160中，以通过冷却通道122入口侧的注入器130进行再利用。
通过散热器150冷却的空气含有水蒸气。含有水蒸气的空气被排放至空气供应管路153(该空气供应管路与燃料电池组120中的双极板121上形成的空气通道123连接)，然后通过空气供应管路153供应至空气通道123和燃料电池组120的阴极(空气极)，以作为用于燃料电池反应的氧化剂进行再利用。
作为氧化剂供应的空气通过与燃料电池组120中的氢气反应产生水，并通过排放管路171排放。反应后的废气从燃料电池组120中排放，然后经过冷凝器170。
反应后从燃料电池组120排放的空气通过吸收反应热而温度升高，并含有反应过程中产生的水。从燃料电池组120排放的空气在经过使用冷却剂或空气作为制冷剂的冷凝器170时被冷却。
在冷凝器170中，废气通过与制冷剂的热交换(即通过将热量耗散给制冷剂)而得以冷却。此时，废气中含有的水蒸气凝结成水并被排放，以通过水收集管路172收集到蓄水器160中，剩余废气通过设置在排放管路171端部的出口阀173排放到大气中。
收集到蓄水器160中的水通过水供应管路161供应给注入器130，并作为要注入到冷却通道122中的空气中的水加以再利用。
在上述燃料电池系统中，通过适当地控制入口阀112和出口阀173(二者均为控制阀)的开度、注入器130的注水量和鼓风机140的转速(rpm)，建立可以适当控制热平衡和水平衡的操作条件。
入口阀112用于控制在燃料电池组120中的双极板121上形成的冷却通道122的内部压力。在鼓风机140在燃料电池的操作过程中被驱动的情况下，入口阀112的开度越小，冷却通道122的内部压力则越低，而入口阀112的开度越大，冷却通道122的内部压力则越高。
出口阀173与冷凝器170的水收集量有关，并用于控制燃料电池组120的空气通道123的内部压力(空气压力)以及从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量。
为了减少从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量，适当地增加出口阀173的开度。另一方面，为了增大从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量，适当地减小出口阀173的开度。
在图3中，附图标记113表示空气流量传感器。空气流量传感器113检测通过空气入口管路110供应的空气量，并根据检测值向燃料电池系统控制器101发送电信号。基于空气流量传感器113检测的空气量，燃料电池系统控制器101可以适当地控制操作条件，例如鼓风机140的转速和入口阀112的开度。
同时，下表1示出应用于图3的燃料电池系统的操作条件，并进一步示出该操作条件下的操作状态。
[表1]
Figure A200810168381D00151
当图3所示的系统在表1所示的条件下操作时，热平衡保持成(-)，水平衡保持成(+)，因此可以在不使用任何用于冷却燃料电池组120的分离式加湿器(如膜加湿器)或任何分离式冷却回路的情况下操作系统。
如上所述，在每个双极板121上形成的冷却通道122的内部压力保持在低压的情况下，其中使用安装在燃料电池组120后方的鼓风机140可以很容易地蒸发水，水被注入器130注入引入到冷却通道122中的空气中，使得空气和水的混合物经过冷却通道122。因此，水在冷却通道122中被蒸发，从燃料电池组120产生的热量被蒸发潜热吸收，从而对燃料电池120进行冷却。
而且，经过燃料电池120的冷却通道122的空气和水的混合物被燃料电池组120后方的鼓风机140压缩至高温、高压的状态，然后被散热器150冷却。随后，水蒸气的一部分被凝结、并贮存在蓄水器160中，含有剩余水蒸气的加湿空气供应给燃料电池组120的空气通道123，以用作燃料电池反应所需的氧化剂。
像这样，由于使用注入到空气中的水的蒸发潜热来进行燃料电池组120的冷却，并使用含有水蒸气的空气作为燃料电池反应所需的氧化剂，便可以在不使用任何常规方法中所需的加湿器或冷却回路的情况下，使用单个空气管路提供燃料电池组120的冷却和空气加湿。
在上述燃料电池系统中，当冷却通道122中的水被充分蒸发时，燃料电池组120中产生的热量可以被吸收，并且可以通过控制燃料电池组120的操作条件，例如冷却通道122的真空压力(通过鼓风机140和入口阀112控制)和温度、空气通道123的压力(通过出口阀173控制)和温度等等，适当地控制从废气收集的冷凝水的量。
冷却通道122内部的压力越低、温度越高，绝对湿度增加得越高。相反，当高温、低压下的饱和水蒸气被加压和冷却时，即使在相同的饱和状态下，绝对湿度也迅速降低，因此通过这种差异将水蒸气凝结成水。
利用上述原理，当在高温、低压条件下通过冷却通道122中的蒸发水来冷却燃料电池组120，然后在饱和空气经过鼓风机140和散热器150时将其加压和冷却(散热器出口条件)时，绝对湿度得到迅速降低，从而使水凝结。
由于该状态下的空气含有燃料电池组120所需的足量的水(即充分加湿)，通过散热器150的出口抽取的空气被供应给燃料电池组120，以在燃料电池反应中使用。
因此，不需要常规设备所需的冷却回路和加湿器。
下文将更详细地说明本发明的燃料电池系统中的热平衡和水平衡，以供参考。首先，相对湿度RH和绝对湿度(湿度比或比湿度)可以分别由下列公式1和2表示：
[公式1]
Φ＝Pw/Psat
其中Pw表示混合物中水蒸气的分压，Psat表示相同温度下的饱和水蒸气压。
[公式2]
ω＝Mw/Ma＝0.622×(Pw/Pa)＝0.622×Pw/(Ptotal-Pw)
其中Mw表示混合物中所包含水的质量，Ma表示混合物中干燥空气的质量，Pa表示混合物中干燥空气的分压(＝Ptotal-Pw)，Ptotal表示混合物的总压力。
水的蒸发速率与Pw和Psat之间的差值直接成正比[水的蒸发速率∝(Psat-Pw)]。
通常，燃料电池组120的通道(横截面相对较窄，长度大)提供很高的加湿系能，其中蒸发进行到相对湿度接近100％。
在相对湿度为100％的状态下，当压力不变而温度增高时，Pw不变，但Psat(仅为温度的函数)增加，以将相对湿度减小到100％以下。反之，当压力不改变而温度降低时，Pw不变，但Psat降低，以保持100％的相对湿度，因此水被凝结。
同时，绝对湿度是表示恒定质量的干燥空气中含有的水的质量的函数，即使相对湿度为常数，其也可以根据温度和压力而显著变化。
也就是说，即使在相对湿度100％的条件下(当空气经过燃料电池组或冷却通道时，相对湿度接近100％)，温度越高，压力越低，绝对湿度的值增加得越多。
例如，在温度70℃、相对湿度100％的条件下，当压力从100kPa_abs变为90kPa_abs时，绝对湿度从0.2814kg_H2O/kg_air变为0.3292kg_H2O/kg_air(增加了17％)。另一方面，在相对湿度100％、压力100kPa_abs的情况下，当温度从60℃变为70℃时，绝对湿度从0.15474kg_H2O/kg_air变为0.2814kg_H2O/kg_air(增加了82％)。
图4示出在67.5℃下绝对湿度根据压力的变化而改变的情况，图5示出在1atm下绝对湿度根据温度的变化而改变的情况。
从图4和5可以看出，空气温度越高，空气压力越低，绝对湿度的值增高得越多，这意味着即使在空气量相同的情况下，也可以通过调节压力和温度来调节空气可包含的水蒸气的量。
因此，当以由本发明提供的方式适当地控制燃料电池组120的冷却通道122中的温度和压力时，可以利用注入到空气中的水的蒸发来冷却燃料电池组120。另外，可以实现如下系统：其中冷却通道122中用水蒸气加湿的空气被供应给燃料电池组120的阴极(空气电极)，以在燃料电池反应中使用。
图6是说明空气的绝对湿度根据有关位置的温度和压力变化的曲线图(即，大气中的空气、冷却通道出口侧的空气、散热器出口侧的空气和燃料电池的空气通道(阴极)出口侧的空气)。
参考图6，在空气压缩装置(鼓风机)的操作过程中，大气中的空气(100kPa/20℃/RH 50％)与在冷却通道入口侧通过注入器注入的水一起被吸入燃料电池组的冷却通道，并经过该冷却通道。在冷却通道的内部通过空气压缩装置的吸力保持在低压的状态下，混合在空气中的水被蒸发，吸收燃料电池组的热量，然后在中温、低压(80kPa/71℃/RH 98％)下将水蒸气和空气的混合物通过冷却通道的出口排放。
像这样，在通过应用从燃料电池组产生的热(由燃料电池反应产生)和空气压缩装置的吸力将压力保持在低压的条件下，注入到空气中的水被蒸发，因此燃料电池组的热量被蒸发的潜热吸收，从而对燃料电池组进行冷却。而且，当吸收热量的混有水蒸气的空气通过冷却通道的出口排放时，空气的温度升高，但压力降低，因此绝对湿度增加到高于大气中空气的绝对湿度。
随后，当空气通过空气压缩装置压缩至高温、高压状态，然后被移至散热器以进行冷却(散热)时，中温、高压(155kPa/65℃/RH 98％)的空气通过散热器的出口排放。此时，由于温度降低、压力升高，绝对湿度显著降低。
然后，将一部分冷凝水移至蓄水器并贮存，将，处于充分加湿状态下的含有剩余水蒸气的空气供应给燃料电池组的阴极以用作燃料电池反应中的氧化剂。
而且，经过燃料电池组阴极的阴极、用作氧化剂之后剩余的中温、高压(145kPa/71℃/RH 98％)下的空气通过空气通道(阴极)的出口排放到冷凝器。随后，当水蒸气在通过冷却剂或空气进行散热时在冷凝器中凝结时，将冷凝水移至蓄水器并贮存，同时，通过出口阀将剩余空气排放到大气中。
此时，由于大气中空气的绝对湿度和通过阴极(空气通道)出口排放的空气的绝对湿度之间的差值与水排放量有关，控制该差值，使得产物水的量等于或大于排放水的量(产物水≥排放水)。
从图6可以看出，绝对湿度根据与位置相关的空气温度和压力的变化而改变，这意味着即使在空气量相同的情况下，也可以通过调节压力和温度来调节空气可包含的水蒸气(水)的量。
而且，可以理解的到，冷却通道出口侧的空气温度高于大气中的空气，压力低于大气中的空气，进一步绝对湿度迅速增高。这意味着燃料电池组中产生的热量通过冷却通道中水的蒸发潜热被经过冷却通道的液体吸收。
这样，当冷却通道出口侧的含有大量水蒸气的空气被散热器的热耗散冷却时，一部分水蒸气凝结并分离，湿度通过剩余的水蒸气适当地控制。因此，将由此充分加湿的空气供应给燃料电池组的阴极，以用作燃料电池反应中的氧化剂。
如上所述，当混合有通过注入器注入的水的空气经过燃料电池的冷却通道时，燃料电池组可以通过水的蒸发潜热来冷却。
而且，当混合有冷却燃料电池组之后的水蒸气的空气经过散热器以耗散热量时，可以将水蒸气量经过调节的加湿空气作为燃料电池组所需的氧化剂来供应。
因此，可以在不使用任何用于冷却燃料电池组的分离式冷却回路或任何用于空气加湿的分离式加湿器的情况下，同时实现燃料电池组的冷却和空气加湿，同时通过从燃料电池组的冷却通道经由空气压缩装置、散热器和燃料电池组的空气通道延伸至冷凝器的空气管路，保持燃料电池系统中的热平衡和水平衡。
像这样，有可能仅仅使用燃料电池系统中所需的空气，便适当地控制燃料电池组冷却通道、散热器和燃料电池空气通道处的空气温度和压力(导致绝对湿度的变化)。而且，有可能利用水的蒸发和凝结，同时实现燃料电池组的除热和燃料电池反应所需的空气加湿。
特别地，鼓风机(或气泵)(空气压缩装置)设置在燃料电池组冷却通道的后方，使得冷却通道的内部压力保持在真空压力(负压)下。因此，供应给冷却通道的水可以很容易地蒸发，因此仅用燃料电池反应所需的空气便获得足够的蒸发，从而在没有任何空气供应的情况下同时实现燃料电池的散热和冷却。从公式2可以看出，与燃料电池的热吸收程度有关的水耗散量的增加与冷却通道压力的减小程度一样。
而且，散热器设置在鼓风机的后方，使得以增高的温度和压力供应引入散热器的空气和水蒸气的混合物。然后，空气被散热器通过外界空气冷却，压力被保持为高于大气压的压力，该压力类似于鼓风机的出口压力，因此相对湿度超过100％。也就是说，相对湿度超过100％的意味着空气被凝结成水。有可能通过散热器中的温度下降以及压力增高(公式2中Ptotal↑，Pw↑)使水冷凝效果最大化，其原因是仅用燃料电池反应所需的空气便可以获得有效的凝结。
另外，从散热器供应给燃料电池空气通道(阴极)的空气和水蒸气的混合物与氢气反应产生水，然后从燃料电池组排出。此时，废气中包含的水被冷凝器冷凝并收集，冷凝水被送至蓄水器160，并作为注入到冷却通道中的空气中的水而重新利用。
因此，当如上所述设置燃料电池系统时，尽管增加了冷凝器和注入器，但不需要有加湿器、用于冷却燃料电池组的水泵(包括控制器)、恒温器和冷却剂排放回路等，因此有可能简化系统，降低制造成本。而且，由于本发明的燃料电池系统不使用冷却剂，有可能在燃料电池系统的冷启动过程中减少热负荷。
图7是说明根据本发明优选实施方式的根据其位置的空气状态的曲线图。图8是根据本发明优选实施方式的燃料电池系统中的燃料电池组的截面视图。图9是根据本发明优选实施方式的燃料电池系统中的燃料电池组的横截面视图。在图9中，详细示出了两个双极板121(与插入其间的MEA 125和GDL 126组装)之间的连接部分，其中在右边的圆圈中示出阳极125b和阴极125c之间离子和电子迁移。在这些图中，附图标记125a表示电解质膜，125b和125c表示分别附着在电解质膜125a上的电极，即阳极125b和阴极125c。
如图所示，燃料电池组120具有如下结构：其中多个双极板121与插入其间的MEA 125和GDL 126堆叠，然后通过端板127和连接杆(tie rod)128组装。
每个双极板121上均设置有空气通道123和氢通道124，作为氧化剂的空气流经上述空气通道，作为燃料的氢流经上述氢通道。而且，设置有冷却通道122，与通过注入器注入的水混合的大气中的空气经过该冷却通道122，以冷却燃料电池组120。
在此，当与由注入器注入的水混合的大气中的空气在空气压缩装置140的吸力作用下通过燃料电池组120的入口歧管(manifold)122a引入时，空气随后被分配至每个双极板121的冷却通道122，以冷却燃料电池组120，并作为空气和水蒸气的混合物通过出口歧管122b排放。随后，排放的混合物通过空气压缩装置140压缩，然后被移至散热器150。
而且，当从散热器150中排出的加湿空气(空气+水蒸气)通过燃料电池组120的入口歧管123a供应时，空气随后被分配到每个双极板121的空气通道中，并供应给阴极125c，经过空气通道123和阴极125c的废气(空气+水蒸气)通过出口歧管123b排出，并被移至冷凝器170。
当通过燃料电池组120的入口歧管124a供应用作燃料的氢时，氢随后被分配给各个双极板121的氢通道124，并供应给阳极125b，经过氢通道124和阳极125b的氢通过出口歧管124b排出。
如上所述，当由注入器注入并与空气混合的水在燃料电池组120的各个双极板121上的冷却通道122内部被蒸发时，从燃料电池组产生的热量被吸收。在这种情况下，如果在冷却通道122的内表面形成有亲水涂层，则蒸发速率得以最大化，从而实现充分蒸发。
冷却通道122对应于图3所示的燃料电池组120的后方设置的鼓风机140的吸入部分，并对应于产生真空压力的部分，冷却通道122的内表面经过亲水涂层处理，以使水蒸发和由水蒸发导致的燃料电池的冷却最大化。
图10是说明根据本发明实施方式的控制用于冷却燃料电池系统的各组件的方法的流程图。图11是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池冷却系统的设置的框图。
根据本发明，通过根据系统负荷和外部条件适当地调节操作温度和压力，并通过对空气压缩装置(鼓风机或气泵)操作速度的控制来减少控制元件，可以有助于燃料电池系统的控制。
首先，如图11所示，燃料电池系统控制器101从各个输入单元(如传感器)和控制驱动单元(例如鼓风机140、出口阀173、入口阀112和注入器130)接收燃料电池系统的状态数据。
在此，输入单元可以包括：用于检测燃料电池组中冷却通道的出口温度(或空气通道的出口温度)的温度传感器181，用于检测冷却通道出口压力的冷却通道压力传感器182，设置在空气入口管路上以检测供应给冷却通道的空气量的空气流量传感器113，用于检测燃料电池组中空气通道(阴极)出口压力的空气通道压力传感器183，以及用于检测蓄水器水位的水位传感器184。
在图10的实例中，燃料电池系统控制器101从各个传感器接收燃料电池系统的状态数据(如检测值)(S109)，并基于输入数据(如冷却通道的当前出口温度、冷却通道的当前出口压力、供应给冷却通道的当前空气量、空气通道(阴极)的当前出口压力、蓄水器的当前水位、入口阀和出口阀的当前开度、注入器的当前水注入量等等)控制各驱动单元。
基于来自水位传感器184的信号，如果蓄水器160的当前水位低于预定的最低水位值，燃料电池系统控制器101减少燃料电池组120的输出和注入器130的水注入量，将入口阀112打开得更多一点，同时，将出口阀173关闭得更多一点(S110，S111)。也就是说，燃料电池系统101通过增加从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量，同时通过减少注水的量来增高蓄水器160的水位。
另一方面，如果蓄水器160的当前水位处于超过最小水位值的正常状态，燃料电池系统控制器101基于来自温度传感器181的信号，对冷却通道122的出口温度(T)(其为当前操作温度)与目标操作温度(Ts±α)进行比较(S120)。
在此，如果冷却通道122的当前出口温度超过目标操作温度(T>Ts±α)，燃料电池系统控制器101对冷却通道122的出口温度(T)与预定最高温度值(Tmax)进行比较(S121)。如果该出口温度低于最高温度(T<Tmax)，燃料电池系统控制器101通过增加注入器130的注水量，同时，通过根据注水量的增加减小入口阀112的开度，从而降低冷却通道122中的压力(S123)。也就是说，通过增加将在冷却通道122中与空气混合的水的量，并通过降低冷却通道122中的压力，从而增加水的蒸发，并因此根据目标操作温度降低冷却通道122的出口温度。
反之，如果冷却通道122的出口温度等于或高于最高温度(T≥Ts±α)，燃料电池系统控制器101通过增加鼓风机140的转速来增加空气的化学计量比(SR)，并增加注入器130的注水量，同时根据水注入量的增加减小入口阀112的开度(S122)。
另外，在蓄水器160的当前水位高于最低水位值的情况下，如果冷却通道122的当前出口温度低于目标操作温度(T<Ts±α)，燃料电池系统控制器101减少注入器130的注水量，并根据注水量的减少增大入口阀112的开度(S124)。也就是说，通过减少将在冷却通道122中与空气混合的水的量，并通过增加冷却通道122中的压力，从而减小水的蒸发，并因此根据目标操作温度增加冷却通道122的出口温度。
并且，在蓄水器160的当前水位高于最低水位值的情况下，如果冷却通道122的当前出口温度等于目标操作温度(T＝Ts±α)，燃料电池系统控制器101基于来自水位传感器184的信号，对蓄水器160的当前水位与预定的参考水位进行比较(S130)。
然后，如果蓄水器160的当前水位超过参考水位，燃料电池系统控制器101对蓄水器160的当前水位与预定的最高水位值进行比较(S131)。如果当前水位低于最高水位值，燃料电池系统控制器101增大出口阀173的开度，以减少水的收集量(S132)。也就是说，根据参考水位，通过增加出口阀173的开度以增加排放到大气中的水的量，减少从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量，并降低蓄水器160的水位。
反之，如果蓄水器160的当前水位高于最高水位值，燃料电池系统控制器101通过增加鼓风机140的转速来增大空气的化学计量比和注入器130的注水量，同时，根据注水量的增加减小入口阀112的开度(S122)。
另外，如果蓄水器160的当前水位低于参考水位，燃料电池系统控制101减少出口阀173的开度，以增加水收集的量(S133)。也就是说，根据参考水位，通过减小出口阀173的开度增加蓄水器160的水位，以增大从冷凝器170收集到蓄水器160中的水量。
同时，图12是示出根据本发明优选实施方式的燃料电池系统的设置的示意图，其中经过鼓风机的空气和水蒸气的混合物不经过散热器，而是被分流。
如图所示，另外设置有在散热器150的前方从排放管路141上分出的旁通管路142，该旁通管路与空气供应管路153连接，并在旁通管路142从排放管路141分出的位置上配置有阀门，例如三通阀143。
通过燃料电池系统控制器101的控制信号操作三通阀，以部分地打开旁通管路142的入口。如图11所示，当燃料电池系统控制器101基于来自外部空气温度传感器185的信号确定外部空气温度和参考温度一样低时，其操作三通阀143，以部分地打开旁通管路142的入口。
也就是说，如果外部空气温度低，燃料电池系统控制器101部分地打开旁通管路142的入口，以分流一部分从鼓风机140排出的空气和水蒸气的混合物，使得分流出的混合物会合经过散热器150的混合物，然后供应给燃料电池组120的空气通道123(阴极)。
像这样，由于一部分加湿空气不经过散热器150，而是被分流以与经过散热器150的加湿空气混合，有可能防止加湿空气被过度冷却，同时，有可能将适当温度下的加湿空气供应给燃料电池组120的空气通道123。
图13是示出根据本发明其它实施方式的燃料电池系统的构造的示意图。图13所示的燃料电池系统可以优选地应用于固定加热系统。
如图所示，设置热交换器150来代替散热器，使得通过鼓风机140压缩的高温、高压的空气和水蒸气的混合物经过热交换器150。
鼓风机140被连接到热交换器150的高温部分150a的出口侧，并且空气供应管路153被连接至热交换器150的高温部分150a的出口端，使得经过热交换器150的高温部分150a的空气和水蒸气的混合物通过空气供应管路153供应给燃料电池组120的空气通道123。
经过热交换器150高温部分150a的空气和水蒸气的混合物被用作用于加热经过热交换器150低温部分150b的流体的热介质。当混合物经过热交换器150的高温部分150a时，混合物将热量耗散给经过低温部分150b的液体，也就是说，进行热交换处理。因此，有可能从热交换器150的低温部分150b供应用于加热的高温流体。
从热交换器150高温部分150a的出口侧排出的空气和水蒸气的混合物中的一部分水蒸气被凝结并贮存在蓄水器160中。将含有剩余水蒸气的加湿空气(空气+水蒸气)通过空气供应管路153供应给燃料电池组120的空气通道123，以用作燃料电池反应中的氧化剂。
优选地，通过分离式水供应管路174将设置在燃料电池组120的空气通道123后方的冷凝器170连接到热交换器150低温部分150b的入口侧，使得用作冷凝器170的制冷剂的水通过水供应管路174供应给热交换器150的低温部分150b。
另外，与外部散热器连接的加热管、热水管和管道200可以被连接到热交换器150低温部分150b的出口侧。
因此，当从冷凝器170供应的水经过热交换器150低温部分150b时，其与高温部分150a的空气和水蒸气的混合物进行热交换，因此，它从高温部分150a中接收热量，同时对高温部分150a的混合物进行冷却。
然后将经过低温部分150b时被加热的水随后供应给外部散热器的加热管、热水管和管道200，以用作用于加热的热水，然后将用作热水的水通过分离式收集管路175返回至冷凝器170。
返回至冷凝器170的水可以用作用于使废气的水蒸气冷凝的制冷剂。然后，冷凝器170中的水被返回至热交换器150的低温部分150b，以被加热。也就是说，水通过冷凝器170、热交换器150和管道循环。
如上所述，该实施方式中的燃料电池系统可以用作家庭加热系统，其中燃料电池系统用于产生电能，同时，从燃料电池系统产生的热量用于加热，从而使能源利用最大化。
在常规PEMFC的情况下，由于操作温度大约是70℃，很难通过对其进行热交换来供应热水；然而，在本发明的燃料电池系统中，从燃料电池组120排放的温度约70℃的空气和水蒸气的混合物可以通过鼓风机140压缩至更高的温度，以直接用作用于加热的热源。
由于在鼓风机140的出口位置(D)处压缩至高温、高压状态的空气具有大约190℃的高温，当该空气在热交换器150中进行热交换时，便可以供应热水。
具有相同设置的燃料电池系统可以被用作车辆加热系统。也就是说，由于燃料电池车辆中冷却剂的温度一般较低，使用辅助加热器(如PTC加热器)来增加车辆内部的温度；然而，本发明的燃料电池系统可以有效地用于代替常规的辅助加热器来增高车辆内部的温度。
当然，在上述的加热目的之外，本发明的燃料电池系统还可以在各种应用中被用作车辆中安装的各种常规加热器的替代品。而且，本发明的燃料电池系统可以排除使用冷却剂、加湿器和加热器等的燃料电池组冷却系统，因此简化系统，并降低制造成本。
如上所述，根据本发明的燃料电池系统和冷却该燃料电池系统的方法，水被注入从大气中抽取的空气，使得与混有水的空气在高温、低压条件下通过燃料电池组的冷却通道。因此，通过冷却通道中水的蒸发潜热进行燃料电池组的冷却，并且从冷却通道排放的空气和水通过散热单元冷却，并供应为燃料电池组的氧化剂，从而同时实现燃料电池组的冷却和空气加湿。
也就是说，有可能在不使用通过燃料电池组内部循环的冷却剂的情况下，通过经过燃料电池组的单个空气管路同时提供燃料电池组的冷却和空气加湿，因此在本发明中不需要有使用冷却剂和用于加湿空气的加湿器的常规冷却系统。
因此，本发明提供的优点在于：燃料电池系统的设置得到简化、轻量化和缩小化，并且制造成本降低。而且，由于本发明的燃料电池系统不使用冷却剂，冷启动过程中的热负荷得到降低。
而且，由于燃料电池组操作压力的增加和供应空气相对湿度的增加，输出功率密度增加，并且系统控制得到简化。
此外，本发明的燃料电池系统可以应用于用于热电联产的固定加热系统，以及用于为建筑供热和供应热水的房屋供热系统。
本发明参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。

Claims (16)

1.一种使用蒸发冷却的燃料电池系统，其通过使作为燃料的氢与作为氧化剂的空气反应来产生电，所述系统包括：
包括冷却通道的燃料电池组，所述冷却通道设置在双极板上，并设置成与空气通道和氢通道分开；
与所述燃料电池组的所述冷却通道的入口侧连接的空气入口管路；
设置在所述冷却通道的入口侧上的注水装置，用以将水注入到通过所述空气入口管路引入到所述冷却通道中的空气中；和
设置在所述燃料电池组后方、并与连接在所述冷却通道的出口侧的排放管路连接的空气压缩装置，用以向所述冷却通道提供吸力，并压缩从所述冷却通道中吸取的空气和水蒸气的混合物，
其中在通过所述空气压缩装置的吸力将所述冷却通道的内部压力保持成负压的状态下，当空气和水经过所述冷却通道时，水被蒸发，同时，从所述燃料电池组产生的热量被蒸发的潜热吸收，从而对所述燃料电池组进行冷却。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括设置在所述空气入口管路上的入口阀，用以调节所述冷却通道的内部压力。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
散热单元，用于接收通过所述空气压缩装置压缩的空气和水蒸气的混合物，并对所述混合物进行冷却；和
空气供应管路，其设置在所述散热单元的出口侧，并与所述燃料电池组的所述空气通道连接，
其中从所述散热单元中排放的含有水蒸气的加湿空气通过所述空气供应管路供应给所述燃料电池组的所述空气通道，以用作用于燃料电池反应的氧化剂。
4.根据权利要求3所述的系统，其进一步包括设置在所述散热单元的出口侧、并贮存从所述散热单元排放的冷凝水的蓄水器，
其中贮存在所述蓄水器中的水通过所述水供应管路供应给所述注水装置，以作为将要注入空气中的水而重新利用。
5.根据权利要求3所述的系统，其进一步包括：
设置在所述燃料电池组后方的冷凝器，所述冷凝器与连接至所述空气通道的出口侧的排放管路连接，以从废气中凝结并分离水蒸气；和
设置在所述排放管路上的出口阀，用以调节通过所述冷凝器收集的水的量和所述空气通道的内部压力。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述冷凝器通过水收集管路与所述蓄水器连接，使得冷凝水被收集到所述蓄水器中。
7.根据权利要求3所述的系统，其进一步包括：
在所述散热单元的前方从所述排放管路上分出的旁通管路，所述旁通管路与所述空气供应管路连接，用于分流从所述空气压缩装置排放的空气和水蒸气，
在所述旁通管路从所述排放管路上分出的位置处设置的阀门，用于调节分流的空气和水蒸气的量。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述散热单元是燃料电池车辆中的散热器。
9.根据权利要求3所述的系统，其中所述散热单元是热交换器，所述热交换器使用从所述空气压缩装置排放的空气和水蒸气，作为所述热交换器的高温部分的热介质，并通过管道供应经过所述热交换器的低温部分、并与所述高温部分的热介质进行热交换的热水，作为用于加热的热水。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述冷却通道的内表面经过亲水涂层处理。
11.一种冷却燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统通过使作为燃料的氢与作为氧化剂的空气反应来产生电，并包括燃料电池组，所述燃料电池组包括冷却通道，所述冷却通道设置在双极板上，并设置成与空气通道和氢通道分开，所述方法包括：
驱动设置在所述燃料电池组后方、并与连接在所述冷却通道的出口侧的排放管路连接的空气压缩装置，以通过与所述冷却通道的入口侧连接的空气入口管路吸取空气；和
通过设置在所述冷却通道的入口侧的注水装置，将水注入到通过所述空气入口管路吸入到所述冷却通道中的空气中，使得在通过所述空气压缩装置的吸力将所述冷却通道的内部压力保持成负压的状态下，当空气和水经过所述冷却通道时，水被蒸发，同时，从所述燃料电池组产生的热量被蒸发的潜热吸收，从而对所述燃料电池组进行冷却。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述燃料电池系统进一步包括：
散热单元，用于接收通过所述空气压缩装置压缩的空气和水蒸气的混合物，并对所述混合物进行冷却；和
空气供应管路，其设置在所述散热单元的出口侧，并与所述燃料电池组的所述空气通道连接，并且
其中所述方法进一步包括：通过所述空气供应管路将从所述散热单元排放的含有水蒸气的加湿空气提供给所述燃料电池组的所述空气通道，以用作用于燃料电池反应的氧化剂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃料电池系统进一步包括设置在所述散热单元的出口侧的蓄水器，用于贮存从所述散热单元排放的冷凝水，并将贮存的水供应给所述注水装置，并且
其中所述方法进一步包括：将所述蓄水器的水供应给所述注水装置，以作为将要注入空气中的水而重新利用。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃料电池系统进一步包括：
设置在所述燃料电池组后方的冷凝器，所述冷凝器与连接至所述空气通道的出口侧的排放管路连接，用于从废气中凝结并分离水蒸气；和
设置在所述排放管路上的出口阀，并且
其中所述方法进一步包括：控制所述出口阀的开度，以调节通过所述冷凝器收集的水的量和所述空气通道的内部压力。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述冷凝器通过水收集管路与所述蓄水器连接，使得冷凝水被收集到所述蓄水器中。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述燃料电池系统进一步包括设置在所述空气入口管路上的入口阀，并且
其中所述方法进一步包括：控制所述入口阀的开度，以调节所述冷却通道的内部压力。
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