CN102272995B - 包括热交换器的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池堆(1)，其包括夹在两个端板(130、140)之间的多个燃料电池(145)；燃料供给系统(60、110、113、190)，用于将燃料气体流提供给所述燃料电池堆；氧化剂供给系统(65、120、123、195)，用于将氧化剂气体流提供给所述燃料电池堆；闭合回路冷却剂循环系统，用于驱使冷却液通过所述燃料电池堆(1)以便所述冷却液进入所述燃料电池堆、吸收来自所述燃料电池(145)的热并离开所述燃料电池堆，所述冷却剂循环系统包括：循环泵(72)，用于驱动所述冷却液；热交换器(78、80)，用于从所述冷却液移除热并用于至少部分地将所述热传输到所述燃料气体流和/或所述氧化剂气体流。所述热交换器(78、80)包括管(203)，管(203)由导热材料制成并插入所述端板之一(130)中的孔内，所述管和所述孔至少限定了在所述管(203)内部的第一流体通道以及在所述管与所述端板(130、140)中的所述孔的侧面之间存在的空间中的第二流体通道(205、207)，所述第一和第二流体通道之一用于所述冷却液，而另一流体通道用于所述燃料或所述氧化剂气体。

Description

包括热交换器的燃料电池系统

技术领域

本发明一般地涉及燃料电池系统，其中来自冷却液的热用于在将反应物气体提供给燃料电池之前预热所述反应物气体。

背景技术

电化学燃料电池将流体反应物（即，燃料流和氧化剂流）转换成电力、热和反应产物。燃料电池通常包括布置在两个多孔导电电极层之间的电解质。为了引起期望的电化学反应，阳极和阴极均可包括一种或多种催化剂。

在阳极处，燃料移动通过多孔的电极层并被催化剂氧化以同时产生阳离子（通常为质子）和电子。阳离子通过电解质朝向阴极迁移。氧化剂（通常为纯氧或含氧混合物）移动通过多孔的阴极并与来自阳极的穿过膜的阳离子反应。对于电子而言，通过外部电路从阳极传送至阴极的电子产生电流。氧化剂与阳离子之间的电化学反应还产生热。该热导致燃料电池的温度在操作期间增加。

为了产生大量电力，必须将多个单个的燃料电池串联地堆叠在一起且每个燃料电池之间具有导电分隔物。此类堆叠在一起的燃料电池组件称为燃料电池堆（fuel cell stack）。对于需要大量能量的应用（例如，为车辆提供动力），经常使用大型燃料电池堆。这些大型堆有时可以包括一百个或更多的燃料电池。如所预料到的，所述燃料电池堆将产生相当大的热并需要被冷却以便维持最优操作温度。

一种冷却燃料电池堆的常见方式是使冷却流体循环通过限定堆内的冷却回路的通道。多数情况下，冷却流体是液体，优选地是水与诸如乙二醇之类的防冻剂的混合物，且可能添加有缓蚀剂或其他试剂。专利文档US2003/0203258披露了一种用于燃料电池堆的现有技术冷却剂循环布置。按照公知的方式，所述循环布置包括：储存器，用于提供冷却液；泵，用于将冷却液从储存器驱动通过燃料电池堆内的通道；以及散热器，用于从返回储存器的冷却液移除热。

使用如上所述的冷却剂循环布置允许将堆中的燃料电池的温度维持在或接近维持在它们的最佳操作温度。尽管不同类型的燃料电池具有不同的最佳操作温度，但是此温度实际上总是基本在周围环境温度以上。堆内部与堆周围之间存在温差的一个后果是提供给燃料电池的反应气体的温度会显著低于燃料电池。反应气体与燃料电池之间的此类温差会导致许多问题。具体地说，将较冷的气体输入燃料电池将在燃料电池内部产生有害的温差。此外，堆与反应物之间的温差还可导致不希望的水蒸气冷凝，尤其是在循环后离开的气体（recycled off gas）与反应气体混合时。从以上描述可知，提供给燃料电池的反应气体的温度优选地应被预热到近似与燃料电池堆内部温度相同的温度。

为了预热反应气体，公知的是使它们与从燃料电池堆离开的冷却流体进行热接触。为此，专利文档US2003/0203258中披露的上述现有技术冷却剂循环布置包括用于在冷却液与燃料气体的储存容器之间进行热交换的热交换器。此布置的一个问题源于用于储存燃料供给的罐与燃料电池堆分开地布置。随之，由于热交换器必须与所述罐直接接触，所以必须提供管道以便将冷却液从堆传送到热交换器。冷却液管道的存在增加了制造燃料电池系统的成本。此外，所述系统还包括将预热后的燃料气体导向堆的供应管道。将理解，对于此类布置，必须为供应管道提供热绝缘以防止预热后的燃料气体在到达燃料电池之前冷却。热绝缘的存在也增加了制造燃料电池系统的成本。

发明内容

因此，本发明的一个目标是通过提供一种根据本发明的燃料电池系统来解决现有技术燃料电池系统的上述问题。

附图说明

在阅读仅通过非限制实例的方式给出并参考附图的以下描述后，本发明的其他特性和优点将是显而易见的，这些附图是：

图1是常规燃料电池堆（现有技术）的分解图；

图2是根据本发明的燃料电池系统的一个特定实施例的示意表示；

图3是图2的燃料电池系统的热交换器的一个示意性实施例的剖视图；

图4是图3的热交换器的管的剖视图；

图5是图3的热交换器的管的一个备选实施例的剖视图；

图6是图2的燃料电池系统的热交换器的一个备选实施例的剖视图。具体实施方式

图1以分解图示出了现有技术的质子交换膜燃料电池堆10。堆10包括一对端板组件15、20和多个燃料电池组件25。在此特定实例中，电绝缘的拉杆30在端板组件15、20之间延伸以借助紧固螺母32将堆组件10保持和固定在其组装后的状态。穿在拉杆30上的置于紧固螺母32与端板20之间的弹簧34在纵向方向上将弹性压缩力施加到堆10。反应物和冷却剂流体流通过端板15中的入口（未示出）被提供给堆10中的内部歧管和通路并从出口（未示出）排出。

每个燃料电池组件25包括阳极流场板35、阴极流场板40以及置于板35与40之间的MEA45。阳极和阴极流场板35和40由导电材料制成并用作集流体。在一个电池的阳极流场板与相邻电池的阴极流场板背靠背放置时，电流可以从一个电池流到另一电池并因此通过整个堆10。在相邻流场板之间进一步提供了冷却通道（未示出）。其他现有技术燃料电池堆是公知的，其中各个电池由单个双极的流场板分隔开，而不是由单独的阳极和阴极流场板分隔开。在此情况下，可以在双极的板的主体内提供冷却通道。

流场板35和40还在相邻燃料电池组件之间提供了液体屏障，以防止提供给一个电池的阳极的反应物流体污染提供给另一电池的阴极的反应物流体。在MEA45与板35和40之间的界面处，流体流场50将反应物流体导向电极。流体流场50通常包括在板35和40的面向MEA45的主要表面中形成的多个流体流动通道。流体流场50的一个目的是将反应物流体分布到相应电极（即，燃料侧的阳极和氧化剂侧的阴极）的整个表面。

图2中示出的燃料电池堆1包括端板130、140以及端板130中的燃料入口150和氧化剂入口155。堆1还包括燃料供应歧管160和氧化剂供应歧管165，它们分别用于将燃料流和氧化剂流提供给多个单个的燃料电池145。

图2只是一个示意图。但是应理解，燃料供应歧管160可被连接到每个燃料电池的阳极流场50（图1）的上游端，而每个阳极流场的下游端被连接到燃料排出歧管180。以类似的方式，氧化剂供应歧管164被连接到每个燃料电池的阴极流场的上游端，而每个阴极流场的下游端被连接到氧化剂排出歧管185。根据例示的布置，燃料和氧化剂气体通过所述流场进入每个单个的燃料电池。然后，通过燃料排出歧管180和氧化剂排出歧管185移除耗尽的反应物和来自堆的反应产物。

所述燃料电池系统还包括燃料供给单元11和氧化剂供给单元12，它们被布置为分别将氢气流和氧气流提供给燃料电池堆。如所示出的，燃料供给单元包括加压的储存容器60，储存容器60借助具备燃料供给阀110和喷射泵113的燃料供给管道连接到堆的燃料入口150。在供给阀110下游的燃料再循环管道11R将燃料排出歧管连接到燃料供给管道。喷射泵113用于将已使用的氢气进行再循环并将其与未使用的氢气相混合。本领域的技术人员将理解，用于将已使用的燃料进行再循环的泵无需是喷射型的。可以使用任何适当类型的气泵代替喷射泵113。

以类似的方式，氧化剂供给单元12包括加压的储存容器65，储存容器65借助具备氧化剂供给阀120和真空喷射泵123的氧化剂供给管道连接到堆的氧化剂入口155。在供给阀120下游的氧化剂再循环管道12R将氧化剂排出歧管连接到氧化剂供给管道。喷射泵123（或任何适当类型的气泵）用于将已使用的氧气进行再循环并将其与未使用的氧气相混合。

所述燃料电池系统还包括湿度管理部件。随着通过氢和氧离子的化合在燃料电池的阴极侧上形成产物水，必须从燃料电池的阴极侧移除产物水。在例示的实施例中，为了避免浸水，所述湿度管理部件包括与排水阀197关联并布置在氧化剂再循环管道12R上的气-液分离器195。根据本实施例，在燃料再循环管道11R上布置了第二气-液分离器190和第二排水阀192。

根据本发明，所述燃料电池系统还包括使用来自储存器70的冷却液以便冷却燃料电池堆1的冷却剂循环系统。在例示的实施例中，所述冷却剂循环系统包括循环泵72、冷却液入口歧管74、冷却液出口歧管76、用于将热传输到燃料供给单元11提供的气体流的第一热交换器78、用于将热传输到氧化剂供给单元12提供的气体流的第二热交换器80，以及用于从冷却液吸取更多热以便进一步降低其温度的散热器82。此外，尽管未在图中示出，但是所例示的燃料电池堆还包括在堆中布置的在各个燃料电池145之间的多个冷却剂流场。这些流场中的每个流场的上游端连接到冷却液入口歧管74，并且下游端连接到冷却液出口歧管76。再次参考图2，所例示的冷却剂循环系统还包括这样布置的恒温（thermostatic）旁通阀84：只要燃料电池堆的温度低于最佳操作状况，就使冷却液绕过散热器82。

根据本发明的所例示的实施例，燃料和氧化剂供给阀110和120、喷射泵113和123、气-液分离器190和195、排水阀192和195、循环泵72、旁通阀84，以及热交换器78和80均结合在端板130内。这种布置提供了大量优点，尤其是涉及燃料电池系统的紧凑性、重量甚至生产成本方面的优点。

现在将参考图3和4详细描述结合的热交换器78和80。如图3所示，以总体标记为201的一个双热交换器的形式实现热交换器78和80。热交换器201基本上由插入燃料电池端板130内的圆柱形孔中的管203构成。使冷却液经由入口209进入热交换器并流过管203。冷却液然后通过冷却液出口腔210离开热交换器。经由入口150到达的燃料气体和经由入口155到达的氧化剂气体分别通过标记为205和207的螺旋形通道围绕管203流动。在管203与圆柱形孔的壁之间存在的环形空间中形成通道205和207。然后使燃料气体和氧化剂气体分别通过出口212和214离开热交换器201。

在所示实例中，使用O型环完成流体的分隔和对环境的密封。由于燃料气体与氧化剂气体之间的密封很关键，所以热交换器使用一对O型环216、218且通过孔220将压力释放到环境。布置在管203的一端的O型环222将燃料气体与冷却液隔绝，而布置在管203的另一端的O型环224将氧化剂气体与冷却液隔绝（或在略为不同的实施例中，与环境隔绝）。再次参考图3，可以观察到，在此特定实施例中，燃料气体和氧化剂气体在相对端进入热交换器201。然后两种气体以相对方向朝向布置在接近热交换器中心的出口212和214流动。本领域的技术人员将理解，本发明并不将自身限于这些特定的流动方向。但是，在冷却剂流在热交换器中经历显著温度变化的情况下，逆流（counterflow）布置（如所示出的）可以是有利的。

管203由导热性良好的材料（优选地，铝）制成。可以在具有足够壁厚的标准铝管中加工螺旋形通道205、207。如图4具体示出的，螺旋形通道205和207在它们以相对方向旋转时是对称的。但是，旋转方向是任意的。根据另一个实施例，可以存在多于一个的燃料气体通道和多于一个的氧化剂气体通道。在此情况下，优选地存在第一多个平行的燃料气体通道和第二多个平行的氧化剂气体通道。根据再一个实施例，燃料气体通道和氧化剂气体通道可以具有不同的尺寸（即，不同的高度，不同的宽度）。通道间的壁宽也可以不同。

图5是根据另一个实施例的管203的剖视图。根据所例示的实施例，管203包括用于优化从冷却液到管的热传输的星形核心226。核心226的存在还增加了冷却液在管203内的流速。此布置有助于热交换器201的两端处于基本相同的温度。

图6是类似于图3的剖视图，示出了本发明的热交换器201的另一实施例。根据所例示的实施例，将电加热器230结合在热交换器中。该加热器具有圆柱形形状并在管203内沿其轴线延伸。使冷却液在该加热器与管壁之间的环形空间中流动。加热器230用于启动或加热燃料电池堆。根据另一个实施例，可以将星形核心226和电加热器230结合在同一管203内。在此情况下，加热器可通过星形核心226的凸纹（rib）而保持就位。这样，来自加热元件230的热的一部分直接传输到管，而热的另一部分传输到冷却液。可以通过改变星形核心的凸纹的数量、高度以及宽度来优化热传输比率。

根据图2中示出的实施例，除热交换器78、80以外，还将多个元件结合在端板之一内。但是，在此将不再详细描述这些其他元件的结合，因为现有技术专利文档WO2007/045416中已描述了类似布置。

将理解的是，可以对形成说明书主题的实施例做出对本领域技术人员显而易见的各种改变和/或改进，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的范围。具体地说，替代将不同部件结合在单个端板中，可以将所述部件分布在两个端板之间，使得每个部件被结合在端板之一内。此外，替代具有一个双热交换器201，燃料气体热交换器78和氧化剂气体热交换器80可以是单独的设备。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：

-燃料电池堆（1），其包括夹在两个端板（130、140）之间的多个燃料电池（145）；

-燃料供给系统（60、110、113、190），用于将燃料气体流提供给所述燃料电池堆；

-氧化剂供给系统（65、120、123、195），用于将氧化剂气体流提供给所述燃料电池堆；

-闭合回路冷却剂循环系统，用于驱使冷却液通过所述燃料电池堆（1）以便所述冷却液进入所述燃料电池堆、吸收来自所述燃料电池（145）的热并离开所述燃料电池堆，所述冷却剂循环系统包括：循环泵（72），用于驱动所述冷却液；热交换器（78、80），用于从所述冷却液移除热并用于至少部分地将所述热传输到所述燃料气体流和所述氧化剂气体流；

其特征在于，所述热交换器（78、80）包括管（203），管（203）由导热材料制成并插入所述端板之一（130）中的圆柱形孔内，所述管和所述孔限定了在所述管（203）内部的用于所述冷却液的第一流体通道以及进一步限定了在所述管与所述端板（130、140）中的所述孔的侧面之间存在的空间中的第二和第三流体通道（205、207），所述第二流体通道用于所述燃料气体以及所述第三流体通道用于所述氧化剂气体。

2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中根据围绕所述管（203）的螺旋模式来布置所述第二流体通道（205）。

3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述管（203）的外径基本上等于所述孔的直径，并且由切割所述管的外壁产生的螺旋凹槽形成所述第二流体通道（205）。

4.根据权利要求1至3中的任一权利要求的燃料电池系统，其中所述第二和第三流体通道（205、207）之一布置在所述管（203）与所述孔的侧面之间的空间的第一部分且围绕所述第一流体通道的上游部分，而所述第二和第三流体通道中的另一个布置在所述管（203）与所述孔的侧面之间的空间的第二部分且围绕所述第一流体通道的下游部分。

5.根据权利要求4的燃料电池系统，其中所述管与所述孔的侧面之间的空间的第三部分布置在所述第一部分与所述第二部分之间，所述第三部分与所述第一部分和所述第二部分密封地分隔开，并且其中所述第三部分与导出所述燃料电池堆（1）的通风口（220）相连。

6.根据权利要求1至3中的任一权利要求的燃料电池系统，其中所述管（203）的内部带有肋片或翅片以便增加从所述冷却液到所述管的热传输。

7.根据权利要求6的燃料电池系统，其中所述管（203）内布置有星形核心（226）。

8.根据权利要求1至3中的任一权利要求的燃料电池系统，其中所述第一流体通道内布置有电加热器（230）。

9.根据权利要求1至3中的任一权利要求的燃料电池系统，其中所述冷却剂循环系统包括用于从所述冷却液移除额外的热的散热器（82）。

10.根据权利要求1至3中的任一权利要求的燃料电池系统，其中所述燃料气体是氢气。

11.根据权利要求10的燃料电池系统，其中所述氧化剂气体是氧气。