CN104681831A - 燃料电池冷却设备和使用其的燃料电池冷却方法 - Google Patents

Abstract

提供了燃料电池冷却设备和使用其的燃料电池冷却方法。具体地，利用安装在燃料电池的堆中的蒸发/冷却单元来降低堆的温度并且注射器将冷却材料注入蒸发/冷却单元内。泵施加用于注射冷却材料所需的压力；以及通道将蒸发/冷却单元连接至阴极，并且通道被布置在燃料电池冷却设备中，从而在蒸发/冷却单元中蒸发的冷却材料穿过通道并且到达阴极。

Description

燃料电池冷却设备和使用其的燃料电池冷却方法

技术领域

本发明涉及燃料电池冷却设备。更具体地，本发明涉及用于燃料电池的冷却设备及其冷却方法。

背景技术

燃料电池通常将由于燃料的氧化而产生的化学能转化为电能。燃料电池具有很多不同的类型。例如，某些燃料电池在低温和环境压力(ambientpressure，常压)下操作而其他燃料电池在高温和高压下操作。这种差异是由于燃料电池内的反应温度和压力而造成的。

图6是示出典型的低温/环境压力燃料电池的视图。大多数的低温/常压燃料电池包括氢气与氧气发生反应的堆10、为堆10供应氢气的氢气供应单元20、为堆10供应空气的空气供应单元30、以及冷却堆10的冷却单元40。

堆10包括引入氢气的阳极11、用于接收空气的阴极12和用于冷却堆10的冷却器13。

氢气供应单元20包括负责打开和关闭氢气供应通道的阀门21、用于将氢气喷射至堆10的阳极11的喷射器(ejector)22、以及用于将在反应期间产生的残余物质从阳极11排出的排气阀22。

空气供应单元30包括将异物从被注入堆10的空气中去除的空气过滤器31、将空气供应至阴极12的泵32、以及为通过泵32流入阴极12的空气提供湿气(moisture，水分)的加湿器33。

冷却单元40包括用于储存冷却剂的冷却剂贮液器(reservoir)41、用于将冷却剂从冷却剂贮液器41泵送至堆10的冷却器13的冷却剂泵42、通过操作风扇44使空气流过散热器43来冷却从冷却器13排出的冷却剂的散热器43。

下面将描述加湿低温/常压燃料电池的过程和冷却低温/常压燃料电池的过程。从堆10的阴极12排出的湿空气被输送至气体-气体(gas-to-gas)加湿器以用作加湿器33的湿气供应源。供应至加湿器的干空气在经过加湿器33的同时被加湿，并且一旦被加湿便再次被引入堆10的阴极12内。在该冷却配置中，堆10通过单独的防冻液来冷却，并且从堆10的出口排出的热冷却剂通过散热器43冷却。

这些低温/常压燃料电池可在低输出条件下在低温下操作，并且可充分地为堆供应湿气。因此，仅能够在低输出条件下维持堆的高性能。然而，单独的加湿控制系统在低输出条件期间是不必要的。

此外，在这些类型的系统中，为了在高输出期间去除来自从冷却剂(其存在于堆10中)的大量的热，散热器43的尺寸应该尽可能的大。这样，由于为在燃料电池车辆中有效地冷却该类型的燃料电池所需要的散热器的尺寸，在对车辆没有显著改变的情况下，这些类型的系统不能在车辆中实施。

因此，高温操作(即，80℃至100℃)对于维持持续的高输出系统是必不可少的。然而，由于在高温操作期间难以适当地从加湿器33供应湿气，从堆10的电解质膜供应的湿气经常被阻塞，使得难以持续地操作燃料电池。

图7是示出高温/高压燃料电池系统的框图。高温/高压燃料电池系统的基本配置与图6的低温/常压燃料电池基本相同。这些类型的系统额外地包括背压调节阀34，该阀安装在空气供应单元30的排气端以增加在阴极12(即，空气电极)内的压力。此外，不是使用低温/常压燃料电池系统的泵32，而是在它的位置中使用压缩机(compressor)。

这样，这些系统不同地操作仅在于高温/高压燃料电池系统的操作压力和操作温度高于低温/常压燃料电池系统的操作压力和操作温度，但是用于冷却堆的冷却单元40的配置与低温/常压类型系统的配置基本相同。

在高温/高压燃料电池中用于将湿气供应至燃料电池的堆10内的加湿部分与大多数的低温/常压类型系统的加湿部分相同。差异仅在于操作压力高于环境压力系统中的操作压力。

高温/高压燃料电池系统的优点在于由于操作压力的增加，维持在电解质膜处的适当湿气量所必需的加湿量低。因此，可减小加湿器33的尺寸。此外，因为由于高操作温度(例如，80℃至100℃)即使在具有与低温/常压类型系统相同尺寸的散热器中，散热量也很大，并且因此可持续地维持高输出操作特性。

然而，在高温/高压燃料电池中，空气供应器的功耗增加并且因此，其结果是整个系统的效率降低。具体地，由于操作温度的升高，湿气从电解质膜被去除并且堆10的性能降低，并且随着经过系统的氢气的量的增加，整个系统的效率降低。此外，气体和冷却剂泄漏的可能性增大，并且因此燃料电池的耐久性和质量劣化。此外，由于压力增加系统变得复杂，因此这降低了系统的稳定性。

发明内容

已经努力做出了本发明以解决根据现有技术的低温/常压燃料电池和高温/高压燃料电池的上述问题，并且本发明的目的是提供能够在实现高温操作的同时确保充分的散热性能的燃料电池冷却设备以及使用该设备的冷却方法。

本发明的另一个目的是提供通过充分地供应更高温度的湿气来提高堆的性能的燃料电池冷却设备以及使用该设备的冷却方法。

本发明的又一个目的是提供能够通过使用环境压力操作来防止在高输出期间的系统效率的降低的燃料电池冷却设备以及使用该设备的冷却方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池冷却设备，其包括：安装在燃料电池的堆中的蒸发/冷却单元(例如，蒸发器/冷却器)，可操作地被配置成降低堆的温度；用于蒸发/冷却单元中的注射器(injector)，可操作地被配置成注射冷却材料(例如，水)；泵，可操作地被配置并连接成施加为了将冷却材料注入注射器所需的压力量；以及通道，被连接并配置成为从蒸发/冷却单元蒸发的冷却材料提供至燃料电池的堆的阴极的通道。

阴极可供应从管道注射的并被蒸发至电解质膜的冷却材料。燃料电池冷却设备可进一步包括：散热器，将来自冷却材料的热散发至系统的外部以液化在从阴极被供应至电解质膜之后所剩下的蒸发的冷却材料。此外，风扇可操作地被布置和配置成将空气吹向或吹过散热器以提高散热器的传热效率。此外，水泵可操作地被布置和配置在系统中以向注射器供应冷却材料，并且贮液器可操作地被布置和配置在系统中以储存在燃料电池的堆中的氢气和氧气之间的化学反应过程中所产生的水和从散热器恢复(retrieve)的水。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池冷却方法，其包括：将冷却材料(例如，水)注入蒸发器/冷却器中；在蒸发/冷却单元中蒸发冷却材料；将所蒸发的冷却材料引入燃料电池的阴极；以及通过使用引入燃料电池的阴极中的所蒸发的冷却材料来将湿气供应至燃料电池的阴极的电解质膜。

燃料电池设备可进一步包括：在通过使用引入燃料电池的阴极中的所蒸发的冷却材料将湿气供应至燃料电池的阴极的电解质膜之后，散发来自所蒸发的冷却材料的热以液化冷却材料；以及储存所液化的冷却材料。

如上所述，根据本发明的燃料电池具有以下效果。

第一，可通过使用水中的潜热来冷却堆并且大量蒸发的湿气可直接供应至空气电极。因此，通过防止电解质膜变干，即使在高温下也可保持堆的性能。

第二，通过使系统操作在高温(例如，80℃至100℃)下，可提高系统的效率，即使在环境压力下。

第三，由于即使在较高的温度下也可提高加湿性能，因此足够的湿气可被提供至空气电极的电解质膜，同时在这些较高温度下仍防止堆的性能的降低。

第四，由于通过使用注射器来代替中空膜(hollow membrane)型加湿器，允许减小用于为堆提供湿气的加湿器的尺寸，因此可降低系统的整体尺寸。

第五，通过从堆中去除单独的冷却剂可降低堆的热容量(thermalcapacity)。因此，可提高在较低温度(即，冰点以下)下的堆的启动性能。

第六，由于在高温(例如，80℃至100℃)下的干空气可被供应至堆，因此即使当燃料电池在零度以下的温度停止时，水也可从膜电极组件中有效地去除，并且因此提高耐久性。

附图说明

现将参考在附图中示出的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其他特征，这些示例性实施方式在下文中仅作为举例说明而给出，而不是限制本发明，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的组成元件的框图；

图2是描绘应用根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统的负载的操作温度的曲线图；

图3是描绘供应至应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统的冷却剂的量与在堆中生成的冷却剂的量之间的关系的曲线图；

图4是描绘在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统中的由于负载增加而产生的堆的热量与对应于其的冷却量之间的关系的曲线图；

图5是示出在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统中的堆的入口和出口的湿度的曲线图；

图6是示出低温/环境压力燃料电池的视图；以及

图7是示出高温/高压燃料电池系统的框图。

应当理解，附图不必按比例绘制，其呈现了示出本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的图示。例如，将通过特定的目的应用和使用环境来部分确定如本文所公开的本发明的具体设计特征(包括具体尺寸、方位、位置以及形状)。

在图中，相似的参考标号表示贯穿附图的几幅图的本发明的相同或者等同的部件。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。本发明可进行各种修改并可具有各种形式，并且本发明的具体实施方式将在附图中进行描绘并在本发明的具体实施方式中进行描述。然而，本发明并不限于特定的公开形式，而是包括在本发明的精神和技术范围内包括的所有修改、等同物以及替代物。

应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“用车辆运载的”或者其他的类似术语包括一般的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客运汽车，包括各种船只和舰船的船舶，飞机等，并且包括混合燃料电池车辆、电动燃料电池车辆、插电式混合燃料电池车辆、氢动力燃料电池车辆、常规燃料电池车辆等。如本文中提及的，混合车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。

如本文中使用的，除非明确规定或者从上下文显而易见，术语“大约”被理解为在本领域的正常容差范围内，例如，在平均值的2个标准差内。“大约”可被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有明确说明，本文中提供的所有数值由术语“大约”修饰。

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的组成元件的框图。根据本发明的示例性实施方式的燃料电池可被称为高温/环境压力燃料电池，因为供应至燃料电池的堆100的空气是高温与环境压力的空气。

环境压力的概念不同于增压的概念，并且可指大气压。即，高压燃料电池使用压缩机以高于大气压的压力将空气注入空气电极中，而设置有根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池使用泵将空气注入空气电极中，从而其压力与上述的高压燃料电池相比非常低。因此，用于通过设置有根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的燃料电池将空气注入空气电极的压力可被称为常压或大气压。

常规的高温/高压系统大部分通过利用安装在空气供应出口的背压控制阀在堆出口压力上升至大约0.4表压以上之后在温度80℃以上操作，而根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备可在堆空气出口压力处于0.0表压的大气压时操作。因此，在本发明的公开中的环境气压可被称为0.0表压或大气压。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池包括堆100、用于将氢气注入堆100的阳极110的氢气供应单元200、用于通过堆100的蒸发/冷却单元130将空气供应至堆100的阴极120的空气供应单元300、以及用于驱散来自燃料电池的堆100的热的冷却/循环系统。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的氢气供应单元200可包括负责打开和关闭氢气供应通道的阀门210、用于将氢气注入堆100的阳极110的注射器220、以及通过净化控制机制(mechanism)反复地接通和断开以有效地将在堆100的阳极110中产生的残余物质排放至外部的排气阀230。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的空气供应单元300接收来自燃料电池的循环/冷却系统的水，将水供应至堆100的蒸发/冷却单元130，并且将加热的空气与蒸发的湿气一起供应至堆100的阴极120。即，燃料电池的空气供应单元300和冷却单元是同一单元的部分并且一起操作。

此外，根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的空气供应单元300可包括安装在空气供应通道以去除被引入的空气中的污染物的空气过滤器310、用于将通过空气过滤器310净化的空气吹入堆100中的泵320、用于将从泵320注入的空气与冷却材料混合并且将混合的材料注入堆100的蒸发/冷却单元130的注射器330。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池被称为高温/常压燃料电池的原因在于：为了施加将空气注入堆100中所需的压力，使用泵或鼓风机(blower)320(即，作用如风扇)来将空气供应至堆100而不是如图7中的现有技术的压缩机(其增加系统中高于大气压的压力)。

因此，由于根据本发明的示例性实施方式的燃料电池是高温/常压型，如在高温/高压型的情况一样，其可克服在高输出条件期间降低效率的问题。

下文中，将描述根据本发明的实施方式的燃料电池的循环/冷却系统。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的循环/冷却系统耦接至空气供应单元300以将湿气供应至堆100的阴极并同时冷却堆100。

冷却剂贮液器410可储存将用于根据本发明的示例性实施方式的燃料电池中的冷却材料。冷却材料可以是水，并且水可被称为冷却剂。然而，根据本发明的示例性实施方式的冷却材料不仅限于水。然而，为了方便起见，冷却材料在下面被假定为水，并且将描述根据本发明的示例性实施方式的冷却燃料电池的堆100的方法。

更具体地，储存在冷却剂贮液器410中的冷却剂可通过冷却剂泵420来抽吸(suction)并且可在空气供应通道中被注入注射器330中。注射器330中的冷却剂随后可与经由空气过滤器310净化的空气混合并且可被供应至堆100的蒸发/冷却单元130。

由于堆100的热，注入燃料电池的堆100的蒸发/冷却单元130的冷却剂被立即蒸发，并且堆100的温度通过蒸发而降低。在注射器330中，冷却剂的蒸发可在冷却剂被注入堆100的蒸发/冷却单元130中后立即进行，这表明堆100的温度很高。

在堆100的蒸发/冷却单元130中蒸发的形成为冷却剂的水蒸气与空气一起可被引入操作为堆100的空气电极的阴极120中。通道(例如，管)135可形成在堆100的蒸发/冷却单元130与阴极120之间，从而空气和蒸发的水蒸汽可在其间流动。

此外，引入堆100的阴极120的湿气可被用于供应保持堆100的阴极120与阳极110之间的电解质膜(未示出)的性能所需的湿气。以这种方式，根据本发明的示例性实施方式的高温/常压燃料电池连接空气供应单元300和冷却/循环系统，从而降低燃料电池的堆100的温度同时通过空气电极供应燃料电池的电解质膜所需的湿气。

在本发明的示例性实施方式中，在湿气已经从阴极120供应至电解质膜后剩余的湿气可返回散热器430以进行冷却。湿气随后驱散散热器430中的热并再次变成液体冷却剂(其被再次引入系统)。用于将空气吹入散热器430中的风扇440可安装为与散热器相邻以进一步提高散热器430的热驱散效率。

通过根据本发明的示例性实施方式的燃料电池的散热器430冷却的并再次被引入系统的冷却剂可被再次储存在冷却剂贮液器410中以进行再循环。在燃料电池的堆100的阳极110中的氢气和氧气相互反应后形成的水也可被引入并储存在冷却剂贮液器410中，从而使足够量的水始终被供应至系统。

当计算关于示例性燃料电池的热质平衡时，可获得以下结果。

根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的燃料电池系统达到90℃的温度时，热质平衡计算确定堆通过水被充分冷却(通过水的蒸发和冷却)。以上计算还确定供应至堆100的阴极120的空气的湿度(例如，相对湿度，并且在下文中湿度是指相对湿度)高达47％。

这是对在90℃的温度下不能被驱动的低温/常压系统以及具有较低的相对湿度(即，大约30％)的高温/高压系统的重大改进。

通过驱动其中已经实施了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的燃料电池车辆所获得的结果还可确定，通过经由上述方法(means)来蒸发和冷却水能够充分地冷却堆100。此外，可确定，传递至堆100的空气电极的空气的湿度可保持在高达76％的值在，其明显高于传统的高温/高压燃料电池。

然而，低温/常压系统不能在77.5℃的温度下操作，并且确定高温/高压燃料电池系统仅可保持约30％的湿度。

因此，在执行热质平衡之后，可确定，应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统可在低温和环境压力下或者在高于高温/高压燃料电池系统和低温/常压燃料电池系统的负载范围内操作。

图2至图6是更详细地示意性描绘测量结果的曲线图。图2是描绘应用了根据本发明的实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统的负载的操作温度的曲线图。

图2示出了通过增加基于负载增量(load increment)的燃料电池的操作温度供应至堆200的冷却剂的量增加。此外，可确定，应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的燃料电池系统的输出电流随着燃料电池系统的操作温度的增加而持续增加。因此，可确定，根据本发明的示例性实施方式的高温/常压燃料电池系统可在仍持续地将湿气供应至堆100的同时防止燃料电池的效率的降低。

图3是描绘供应至应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统的冷却剂的量与在堆100中产生的冷却剂的量之间的关系的曲线图。

图3示出了当为了去除在燃料电池的操作期间产生的热而增加至堆的水供应时通过燃料电池堆所产生的水的量根据电流密度线性地增加。

图3通过曲线图描绘还示出了比通过氢气和氧气的反应所产生的水的量更大量的水应通过水的蒸发和冷却供应至燃料电池系统以冷却堆。

图4是描绘在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统中的由于负载的增加而在堆100中产生的热量与对应于其的冷却速率之间的关系的曲线图。

图4示出了在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统中蒸发的水的量随着通过堆100产生的热的量的增加而增加。因此，图4提供了注入堆100的蒸发/冷却单元130的冷却剂有效地去除了在堆100中生成的热的证据。

图4还示出了当注入蒸发/冷却单元130的冷却剂被蒸发时与由堆100产生的大约70％的热对应的热量被去除。在堆100中剩余的热量由阴极120通过水的蒸发而去除，在图3中可看出阴极120操作为空气电极。

图5是示出在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的高温/常压燃料电池系统中的堆100的入口和出口处的湿度的量的图形表示。通过连接在图5中的曲线上为圆点的点而获得的线示出了在堆100的入口处的空气湿度的曲线图，并且通过连接在图5中为方点的点而获得的线示出了在堆100的出口处的空气湿度的曲线图。此外，在图5中还示出了通过在大约90的温度下操作燃料电池所获得的结果。

可确定，在根据本发明的示例性实施方式的高温/常压燃料电池系统中，在堆100入口处的空气湿度为约70％至78％，并且在堆100出口处的空气湿度为约98％。因此，提供了在应用了根据本发明的示例性实施方式的燃料电池冷却设备的燃料电池系统中可为电解质提供充分的湿气的量的证据。这还提供了通过将从燃料电池的堆100中释放的湿气的量保持在高水平下可正常地进行氢气和氧气反应的证据。

尽管到此已经描述了本发明的示例性实施方式，但是对于本发明所属领域的技术人员应当理解，在不偏离在权利要求书中要求保护的本发明的精神的情况下，可对本发明进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种燃料电池冷却设备，包括：

蒸发/冷却单元，安装在燃料电池的堆中，并且可操作地被配置和布置为降低所述堆的温度；

注射器，可操作地被配置和布置为将冷却材料注入所述蒸发/冷却单元内；

泵，可操作地被配置和布置为施加注入所述冷却材料所需的压力；以及

通道，将所述蒸发/冷却单元连接至阴极并被布置在所述燃料电池冷却设备中，从而使在所述蒸发/冷却单元中蒸发的所述冷却材料穿过所述通道并到达所述阴极。

2.根据权利要求1所述的燃料电池冷却设备，其中，所述阴极供应通过所述通道注入的并被蒸发至电解质膜的所述冷却材料。

3.根据权利要求2所述的燃料电池冷却设备，进一步包括：

散热器，将来自所述冷却材料的热散发至外部以液化在从所述阴极被供应至所述电解质膜之后剩下的所蒸发的冷却材料；

风扇，将空气引入所述散热器以提高所述散热器的传热效率；

水泵，将所述冷却材料供应至所述注射器；以及

贮液器，储存由于在所述燃料电池的堆中的氢气和氧气的化学反应而产生的水以及从所述散热器恢复的水。

4.根据权利要求1-3中的任意一个所述的燃料电池冷却设备，其中，所述冷却材料是水。

5.一种燃料电池冷却方法，包括：

通过注射器注射冷却材料；

通过蒸发/冷却单元蒸发所述冷却材料；

将所蒸发的冷却材料引入燃料电池的阴极；以及

通过将所述蒸发的冷却材料引入所述燃料电池的所述阴极来向所述燃料电池的所述阴极的电解质膜供应湿气。

6.根据权利要求5所述的燃料电池冷却方法，进一步包括：在通过将所蒸发的冷却材料引入所述燃料电池的所述阴极来向所述燃料电池的所述阴极的电解质膜供应湿气之后，

通过散热器驱散来自所蒸发的冷却材料的热以液化所述冷却材料；以及

在贮液器中储存所液化的冷却材料。

7.根据权利要求5所述的燃料电池冷却方法，其中，所述冷却材料是水。