CN106602113A - 一种燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池堆，还包括：燃料电池堆收容部、进气腔、排气腔；其中，所述燃料电池堆收容部包括第一侧壁和第二侧壁；所述第一侧壁和第二侧壁为透气材质，用以反应的空气或者氧气从所述进气腔进入，穿透第一侧壁后和容置在所述收容部中的所述燃料电池堆充分接触；未反应完的空气或者氧气穿透第二侧壁进入排气腔被排出；所述排气腔中的气体和进气腔的至少一部分相邻设置，且所述相邻的排气腔和进气腔的至少一部分之间设置有可导热的隔断界面。本发明的该燃料电池系统结构能很好的满足燃料电池工作过程中的热管理需求。

Description

一种燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。常见的两种燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。质子交换膜燃料电池通常使用氢气之类的气体作为燃料，其在较低的温度下就可以将化学能转化为电能。固体氧化物燃料电池则基于高温反应过程进行能量转化，它通常可以使用各种不同高浓度的气体燃料，比如说一氧化碳、氢气。
SOFCs很大的一个优势在于：产生电能的气体燃料可以从酒精、汽油、柴油、天然气、甚至生物质或煤等各种物质中获得。这些物质可以在一个燃料重整反应装置中进行气化，从而可以产生丰富的一氧化碳和氢气。该燃料重整反应装置中包含催化剂，该催化剂使得燃料气体反应产生一氧化碳和氢气。
大多SOFC在陶瓷基片上进行制造，为两维的平板式结构。平板式SOFCs的多个平板堆叠在一起成为一个电池堆。平板式SOFCs的最大的缺陷在于陶瓷基片单元容易破裂。虽然，在一定程度上，可以通过减缓加热或者冷却陶瓷基片的时间来减少这种破裂的可能；但是如果这样的话，产生电能的过程将花费很长的时间，比如若干小时或者若干天。
为了克服上述热膨胀导致的破裂问题，管式燃料电池逐渐发展起来。这种管式燃料电池的管子比较小，比如长度为50mm或60mm、外径为4mm至6mm、内径为3mm至4mm。管子的基本材料可以是纯陶瓷，或者含有较多镍的类金属。这种含有较多镍的类金属使得气体或者气体离子扩散更方便。在管子的内壁和外壁涂有涂层，这些涂层形成了燃料电池的阳极和阴极。
请参图1所示的一种管式燃料电池。该管式燃料电池由阳极层、阴极层以及两极之间的电解质层组成。在阳极层一侧通入H2或者其他燃料气体，在阴极层一侧通进O2或者包含O2的空气。
SOFCs工作的时候，需要燃料气体保持一定的浓度；同样的，氧气或者包含氧气的空气也需要保持一定的浓度。所以，持续均匀浓度的燃料气体和氧气/空气对于SOFCs的正常工作来讲，是非常重要的。
另外，SOFCs启动工作需要较高的温度；通常，该温度需要超过600摄氏度。一个典型的工作温度区间为600～850摄氏度。如果低于600摄氏度，该固体氧化物燃料电池将无法正常工作。但是，随着SOFCs输出的电能增大，其产生的废热能也越多，电池本身的温度也升高的越多，此时又需要通过某种方式对其进行降温处理以防止电池过热。所以，如何设计一种燃料电池系统的结构，使得燃料电池的升温、降温都能很好的被处理是需要考虑的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种燃料电池系统。
该燃料电池系统包括燃料电池堆，还包括：燃料电池堆收容部、进气腔、排气腔；其中，所述燃料电池堆收容部包括第一侧壁和第二侧壁；所述第一侧壁和第二侧壁为透气材质，用以反应的空气或者氧气从所述进气腔进入，穿透第一侧壁后和容置在所述收容部中的所述燃料电池堆充分接触；未反应完的空气或者氧气穿透第二侧壁进入排气腔被排出；所述排气腔中的气体和进气腔的至少一部分相邻设置，且所述相邻的排气腔和进气腔的至少一部分之间设置有可导热的隔断界面。
优选地，该燃料电池系统还包括一个或多个加热元件，所述加热元件位于进气腔和/或收容部的第一侧壁中。
优选地，该收容部用能对氧气或者空气进行匀化的材料制成。
优选地，该收容部为多孔陶瓷泡沫或者多孔金属泡沫。
优选地，该收容部还包括顶部和底部；所述第一侧壁、第二侧壁、顶部和底部围成的空间形成了反应腔104，所述燃料电池堆对被收容于该反应腔内。
优选地，该燃料电池系统还包括一废气腔，该废气腔上设置有止回阀，该止回阀连接一废气补燃器，该废气补燃器位于所述排气腔中；未反应完的燃料气体排入废气腔，通过止回阀在废气补燃器中进行燃烧，释放出热量促进排气腔中气体和进气腔中空气或氧气的热交换。
优选地，所述废气补燃器包括至少一个加热元件和温感器件。
优选地，燃料电池系统还包括设置于进气腔和燃料电池堆中的温感器件。
优选地，所述进气腔包括第一腔体、第二腔体和第三腔体，该三个腔体形成U形，其中第一腔体和排气腔相邻设置。
优选地，所述燃料电池堆为管式固体氧化物燃料电池堆。
本发明的该燃料电池系统结构能很好的满足燃料电池工作过程中的热管理需求。
附图说明
图1是现有的一种管式燃料电池示意图。
图2是本发明一种燃料电池系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能很好的满足燃料电池工作过程中的热管理。下面结合附图，详细介绍本发明燃料电池系统的形状和结构。
请参图2，图2给出了燃料电池系统的结构示意图。该燃料电池系统包括燃料电池堆100，燃料电池堆收容部101、进气腔102、排气腔103。
该燃料电池堆收容部101包括第一侧壁101a和第二侧壁101b。
进气腔包括第一腔体102a、第二腔体102b和第三腔体102c，该三个腔体的剖面形成了“U”字形。空气或者氧气从进气腔的第一腔体102a进入，经过第二腔体102b到达第三腔体102c(请参图2实线箭头指示)，然后从第三腔体102c穿透收容部的第一侧壁101a(图中A处所示)后和容置在所述收容部101中的燃料电池堆充分接触。在燃料电池堆开始工作后，会存在一些未参与燃料电池堆反应的空气或者氧气，这部分空气或者氧气将穿透收容部101的第二侧壁101b(图中B处所示)进入排气腔103被排出(请参图2虚线箭头指示)。该第一侧壁101a和第二侧壁101b为良好的透气材料。
排气腔103紧靠进气腔102的第一腔体102a；上述未参与燃料电池堆反应的空气或者氧气通常具有较高的温度，这部分较高温度的气体将和进气腔第一腔体102a中的空气或者氧气在排气腔和进气腔之间的隔断界面107进行热交换，从而使得进气腔中将参与电池堆反应的空气或者氧气的温度上升，达到对空气或者氧气预热的效果，这样使得废热能(排气腔中气体的热能)可以得到充分的利用。
需要说明的是，进气腔的U形结构设计只是本发明实施例的一种实现方式，实际上还可以是其它形状的结构设计，只要保证进气腔有一部分和排气腔在空间上是相邻的即可；这种相邻的位置关系是为了两个腔体内气体之间的热交换，所以相邻的排气腔和进气腔的至少一部分之间设置的是可导热的隔断界面。
为了使得氧气或者空气能更好的参与燃料电池堆的反应，所述收容部还包括顶部101c和底部101d。这样，收容部的第一侧壁101a、第二侧壁101b、顶部101c和底部101d将围成一空间，该空间构成了氧气或者空气参与燃料电池堆反应的反应腔104。燃料电池堆100位于该反应腔104内，燃料电池堆的各燃料电池单元的阴极层将暴露于该反应腔104内的氧气或者空气中。
收容部101的第一侧壁101a和第二侧壁101b可以用能对氧气或者空气进行匀化的材料制成，比如说多孔陶瓷泡沫或者多孔金属泡沫。该匀化材料能使得气体慢慢的扩散到反应腔中；这样，进入反应腔104的空气或者氧气才能尽可能保证是均匀的，即不会出现反应腔104上面部分的空气或者氧气浓度低，下面部分的空气或者氧气浓度高或者其他位置浓度明显不同的情况。这种设计也是为了燃料电池堆能更好地将化学能转化为电能。
该燃料电池系统还包括加热元件105，该加热元件105可以是一个或者多个(多个的情况包括两个)。该加热元件105将进气腔中的氧气或者空气加热到一定的温度，从而进入到反应腔中的氧气或者空气将是高温的气体，这些气体进一步使得燃料电池堆的温度升高，这样燃料电池堆就可以正常的进行工作。为了使得反应腔中各部分的氧气或者空气具有基本相同的较高的温度，设置多个加热元件是一种优选的实施方式。这些加热元件可以设置在进气腔102的不同位置，比如说进气腔102的第三腔体102c中；或者可以设置在收容部101的第一侧壁101a的各个位置；当然一部分设置在进气腔102中、一部分设置在第一侧壁101a中肯定也是可以的。
为了更好的控制加热元件，该燃料电池系统可以设置若干温感器件。系统根据温感器件感应的温度，控制加热元件加热或者停止加热。这些温感器件可以被设置在进气腔和燃料电池堆中。
燃料气体导入燃料电池堆的各燃料电池单元阳极层。一部分未参与反应的燃料气体(初始时，若燃料电池堆温度较低尚未启动工作，那么可以认为所有的燃料气体都未参与反应；当燃料电池堆开启工作后，可能会存在少量的燃料气体未反应)将进入到废气腔107。该废气腔107位于收容部101底部101d的下方，用来收集废燃料气体。该废气腔上设置有止回阀108，该止回阀108连接一废气补燃器109，该废气补燃器109位于所述排气腔103(排气腔中为氧气或者空气，为废气燃烧提供了必要的条件)；进入废气腔107的未反应的废燃料气体，通过止回阀108在废气补燃器109中进行燃烧，释放出热量促进排气腔103中气体和进气腔102中空气或氧气的热交换，这样充分利用了这些未参与反应的废燃料气体提供热能，同时还消除了环境影响和安全隐患(燃料气体CO、H2排入大气中，会对环境和安全造成影响)。
废气补燃器109可以包括至少加热元件(未图示)和温感器件(未图示)。该废气补燃器109还可以包括催化物质，以加速废气燃烧时热量的放射。另外，该废气补燃器109中还可以设置一个电子点火器，以点燃燃料气体。如果没有电子点火器，实际上其中的加热元件将废气补燃器的温度加热到一定程度，燃料气体一样也可以进行燃烧。
本实施例的燃料电池堆可以是管式固体氧化物燃料电池堆，可以认为该管式固体氧化物燃料电池堆是更合适本燃料电池系统的电池堆。该管式固体氧化物燃料电池堆的详细介绍可以参考本申请人的另外的专利申请。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆，其特征在于，还包括：燃料电池堆收容部、进气腔、排气腔；其中，所述燃料电池堆收容部包括第一侧壁和第二侧壁；所述第一侧壁和第二侧壁为透气材质，用以反应的空气或者氧气从所述进气腔进入，穿透第一侧壁后和容置在所述收容部中的所述燃料电池堆充分接触；未反应完的空气或者氧气穿透第二侧壁进入排气腔被排出；所述排气腔中的气体和进气腔的至少一部分相邻设置，且所述相邻的排气腔和进气腔的至少一部分之间设置有可导热的隔断界面。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括一个或多个加热元件，所述加热元件位于进气腔和/或收容部的第一侧壁中。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述收容部用能对氧气或者空气进行匀化的材料制成。
4.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述收容部为多孔陶瓷泡沫或者多孔金属泡沫。
5.如权利要求1所述燃料电池系统，其特征在于，所述收容部还包括顶部和底部；所述第一侧壁、第二侧壁、顶部和底部围成的空间形成了反应腔，所述燃料电池堆对被收容于该反应腔内。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统还包括一废气腔，该废气腔上设置有止回阀，该止回阀连接一废气补燃器，该废气补燃器位于所述排气腔中；未反应完的燃料气体排入废气腔，通过止回阀在废气补燃器中进行燃烧，释放出热量促进排气腔中气体和进气腔中空气或氧气的热交换。
7.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述废气补燃器包括至少一个加热元件和温感器件。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括设置于进气腔和燃料电池堆中的温感器件。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述进气腔包括第一腔体、第二腔体和第三腔体，该三个腔体形成U形，其中第一腔体和排气腔相邻设置。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池堆为管式固体氧化物燃料电池堆。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114069009A (zh) * 2020-08-03 2022-02-18 国家能源投资集团有限责任公司 电堆发电模块
CN114551924A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 清华四川能源互联网研究院 一种燃料电池堆
CN114551926A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 浙江臻泰能源科技有限公司 一种高温燃料电池电堆设计

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103081198A (zh) * 2009-12-15 2013-05-01 丰田自动车株式会社 燃料电池模块
JP2013175448A (ja) * 2012-01-23 2013-09-05 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池システム
US20140087280A1 (en) * 2011-05-13 2014-03-27 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system
CN205028963U (zh) * 2015-10-16 2016-02-10 观致汽车有限公司 一种燃料电池系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103081198A (zh) * 2009-12-15 2013-05-01 丰田自动车株式会社 燃料电池模块
US20140087280A1 (en) * 2011-05-13 2014-03-27 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell system
JP2013175448A (ja) * 2012-01-23 2013-09-05 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池システム
CN205028963U (zh) * 2015-10-16 2016-02-10 观致汽车有限公司 一种燃料电池系统

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114069009A (zh) * 2020-08-03 2022-02-18 国家能源投资集团有限责任公司 电堆发电模块
CN114551924A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 清华四川能源互联网研究院 一种燃料电池堆
CN114551926A (zh) * 2020-11-25 2022-05-27 浙江臻泰能源科技有限公司 一种高温燃料电池电堆设计
CN114551926B (zh) * 2020-11-25 2024-03-26 浙江臻泰能源科技有限公司 一种高温燃料电池电堆

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