CN113169354B - 包含多个燃料电池的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明通过将蓄热罐的内部结构设计为空结构，能够防止现有技术中由于将流路设于蓄热罐的内部而将多个燃料电池热交换器连接于一个蓄热罐导致的蓄热罐体积增大现象，实现蓄热罐生产成本降低。另外，现有技术中，对于多个燃料电池热交换器也设置与上述燃料电池热交换器的数量对应的蓄热罐，但本发明的蓄热罐作为一个蓄热罐而与多个燃料电池热交换器连接，从而实现节省空间。

Description

包含多个燃料电池的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及包含多个燃料电池的燃料电池系统，更详细地，涉及用于有效地管理在多个燃料电池产生的热量的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池在工作过程中势必会产生热量，这样的热量会给燃料电池的运行带来影响，因此需要对其进行适当的冷却。通常，使用利用了外部的冷却水的燃料电池热交换器，并使用与燃料电池的数量对应的蓄热罐，以储存上述冷却水所具有的热量而另行利用。

上述蓄热罐通常由储存工作流体的蓄热罐及换热盘管构成，该换热盘管设置于上述蓄热罐内，使对燃料电池进行冷却的冷却水在内部循环。即，在蓄热罐内储存的工作流体中沉浸的换热盘管的内部使燃料电池的冷却水循环并被冷却，如此向工作流体传递的热量可用于取暖用热水等。

换热盘管分别形成为在一侧具有热水入口和热交换用循环水入口且在另一侧具有热水出口和热交换用循环水出口的单一通路，对以低温状态流入的热水和热交换用循环水进行加热而进行供给。另一方面，高分子电解质燃料电池热交换器的蓄热罐中蓄积的温度在60℃至80℃左右，主要在65℃以下进行运转。

将这种蓄热罐与多个燃料电池热交换器一起使用时，存在蓄热罐内盘管所占的体积较大而难免使蓄热罐的体积增大的问题。因此，一般运用多个燃料电池热交换器时，使用多个蓄热罐，这会成为使整体系统变得复杂的原因所在。

发明内容

要解决的技术问题

本发明为了解决如上所述的现有技术的问题而提出，其技术课题在于提供一种即使包含多个燃料电池也能够使体积增加不大且整体系统结构简化的燃料电池系统。

解决问题的手段

根据用于解决上述技术课题的本发明的一方面，提供一种燃料电池系统，其特征在于，包括：多个燃料电池；燃料电池热交换器，各个燃料电池均具有上述燃料电池热交换器，上述燃料电池热交换器用于冷却上述燃料电池的冷却水与系统水之间的热交换；蓄热罐，上述蓄热罐储存上述系统水；热水供给用热交换器，上述热水供给用热交换器将上述蓄热罐内的系统水所具有的热量供给给从外部流入的低温水；及散热用热交换器，上述散热用热交换器配置于上述蓄热罐与上述燃料电池热交换器中的一个燃料电池热交换器之间，将在燃料电池产生的热量供给给上述系统水，向系统水供给的热量选择性地通过上述热水供给用热交换器向低温水传递，或通过上述散热用热交换器向外部散热。

其中，还可以包括配置于各个燃料电池热交换器与上述蓄热罐之间而控制向上述燃料电池热交换器的系统水供给的控制阀，根据燃料电池的温度，上述控制阀选择性地将系统水向燃料电池热交换器供给。

其中，从上述燃料电池热交换器回收的系统水可以向上述蓄热罐的上部流入。

其中，在存在来自用户的热水供给要求时，可以优先于上述散热用热交换器而向上述热水供给用热交换器供给系统水。

其中，向上述散热用热交换器供给的系统水从可以上述蓄热罐的下部排出。

其中，上述散热用热交换器可以与向大气中散热的散热器进行流体连接。

其中，在上述蓄热罐的上部可以具有用于排出上述蓄热罐内的系统水的高温水排出管。

其中，在上述高温水排出管可以具有控制阀，以蓄热罐内的系统水的温度为设定温度以上时打开高温水排出管的方式进行控制。

其中，可以在上述蓄热罐的下部具有用于补充系统水的流体供给管。

其中，由上述热水供给用热交换器加热的低温水可以作为热水供给给用户。

其中，上述散热用热交换器可以以系统水的流动方向为基准配置于上述燃料电池热交换器的紧接之前。

其中，还可以包括用于使上述系统水循环的泵，上述泵在燃料电池的工作停止的状态下蓄热罐内的系统水的温度降低至设定最低温度时进行工作，而使系统水循环。

发明效果

根据具有如上结构的本发明的一方面，不仅能够利用一个蓄热罐有效且独立地对多个燃料电池进行冷却，而且未在蓄热罐的内部配置换热盘管，因此能够将蓄热罐的增大最小化。

附图说明

图1是示出根据本发明的一实施例的蓄热罐的主视图。

图2是示出上述图1的蓄热罐的左视图。

图3是示出上述图1的蓄热罐的右视图。

图4是示出上述图1的蓄热罐的后视图。

图5是示出上述图1的蓄热罐的俯视图。

图6是示出上述图1的蓄热罐的仰视图。

图7是利用上述图1的蓄热罐形成的燃料电池热交换器构成图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明根据本发明的燃料电池系统的实施例。

参照图7，蓄热罐100是用于储存从燃料电池热交换器200产生的废热并在用户需要时适用所储存的上述废热的装置。与以往使用的蓄热罐不同，本发明的蓄热罐100未在内部设置换热盘管，而是构成为在蓄热罐100的外部配置的燃料电池热交换器200中燃料电池用冷却水与储存于蓄热罐100内的系统水进行热交换。

由此，由于未在内部设置流路，因此在连接各个燃料电池热交换器200时，能够防止由于蓄热罐100的内部流路而导致蓄热罐100的体积变大。另外，由于防止蓄热罐100的体积变大，因此能够实现降低成本。

更详细地，将现有的蓄热罐连接于燃料电池热交换器200连接时，在蓄热罐的内部以盘管等的形态形成了流路。因此，将多个燃料电池热交换器200连接于一个蓄热罐时，与上述燃料电池热交换器200的数量相应的流路形成于蓄热罐的内部，由于上述流路难免导致蓄热罐的体积增加，因此蓄热罐的生产成本增加，另外在蓄热罐的内部由于上述流路的密接有可能导致蓄热罐的内部的换热效率降低。

但是，通过将蓄热罐100的内部结构设计为空结构，从而未在蓄热罐100的内部形成流路，能够避免由多个燃料电池热交换器200的连接导致的蓄热罐100的体积增加。另外，通过避免上述体积增加而生产用于连接多个燃料电池热交换器200的蓄热罐100，从而能够实现降低生产成本。

参照图1至图6，上述蓄热罐100大体上由上盖102、主体部104及下盖106构成，根据情况可以包括支撑体108。

上述上盖102安装于主体部104，一般与主体部104相安装的部分可以具有平坦的形态，未与主体部104相安装的部分可以具有圆形形态。安装于主体部104的方式可以为多种，为了牢固的结合也可以进行熔接。下盖106一般可以制造成与上述上盖102相同的形态，可以以将主体部104作为基准与上述上盖102对称的方式安装于主体部104。

支撑体108作为用于支撑蓄热罐100的装置，一般安装于蓄热罐100的下盖106。上述支撑体108只要具有用于支撑蓄热罐100的功能即可，因此其形态及数量不受限制。在图1所示的本发明的一实施例中，将四个支撑体108接合于上盖102的外侧部附近，上述支撑体108具有一般的柱子的形态。并且，为了蓄热罐100的稳定的支撑，上述支撑体108的与地面接触的附近具有较大的面积。

另外，根据情况将蓄热罐100的排水口150移动至侧面而非下部时，无需安装支撑体108，可以形成为没有支撑体108的蓄热罐100。

系统水流入管110作为吸收了燃料电池热交换器200的废热的流体向蓄热罐100流入的路径，流过高温的流体。系统水流出管112作为从蓄热罐100散出废热后的流体流出的路径，流过低温的流体。

上述系统水流入管110及上述系统水流出管112连接于蓄热罐100的位置不受限定，但通常系统水流入管110连接于蓄热罐100的上部，系统水流出管112连接于蓄热罐100的下部。这是考虑到由高温部分位于上部且低温部分位于下部的温度差引起的密度差。

系统水移送泵114设置于系统水流出管112的蓄热罐100附近，使从蓄热罐100流出的系统水循环至燃料电池热交换器200及蓄热罐100。

再参照图1至图7，热水供给用系统水回收管122作为热交换用循环水从热水供给用热交换器300向蓄热罐100流入的路径，流过低温流体。热水用系统水供给管120作为因储存于蓄热罐100的废热而升温的热交换用循环水从蓄热罐100流出的路径，流过高温流体。

如上述的系统水流入管110及系统水流出管112的连接位置，热水供给用系统水回收管122及热水用系统水供给管120连接于蓄热罐100的位置也不受限定。一般考虑到由温度差引起的密度差，在蓄热罐100的上部连接热水用系统水供给管120，在蓄热罐100的下部连接热水供给用系统水回收管122。

热水用系统水循环泵124一般设置于蓄热罐100附近的热水供给用系统水回收管122，使热交换用循环水在热水供给用热交换器300循环。

高温水排出管130设置于蓄热罐100，以在从系统水流入管110、热水供给用系统水回收管122及后述的流体供给管140向蓄热罐100供给所需以上的流体，或蓄热罐100内的系统水温度过度上升时，用于调节蓄热罐100内水位或温度。为了调节水位，虽在附图中未示出，但在蓄热罐100的上盖102与主体部104接合的部位附近和蓄热罐100的中端以及下端安装有水位传感器。通过上述水位传感器的工作，在蓄热罐100内流体存在一定水位以上时，自动地通过高温水排出管130使蓄热罐100内流体流出。

空气流出管132以供给蓄热罐100内流体时存在于蓄热罐100内的空气顺畅地排出的方式进行设置。上述空气流出管132并非必须设置于蓄热罐100，但为了蓄热罐100的稳定运行通常会进行设置。

对于上述空气流出管132的设置位置，需要避免蓄热罐100内流体泄露的同时使空气流出，因此一般位于蓄热罐100的上盖102。根据图1所示的本发明的一实施例，如果空气流出管132连接于上盖102附近的高温水排出管130中流路的路径弯折的部分，则上述空气流出管132与上述高温水排出管130的流路路径弯折而向蓄热罐100的外部凸出的部分的管道成大致直角。

流体供给管140是供给能够储存蓄热罐100内系统水的废热的流体的路径。从上述流体供给管140供给的流体为低温，因此一般连接于蓄热罐100的下部。

排水口150是在需要排出蓄热罐100内流体时用于排出上述流体的部位。一般为了顺畅的流体排出，位于蓄热罐100的下盖106。在图6所示的本发明的一实施例中，在下盖106的正中央形成有排水口150。但是，为了如上所述无需设置支撑体108，可以将上述排水口150的位置移动至蓄热罐100的侧面而非下部

燃料电池热交换器200利用系统水将在燃料电池自身产生的废热散发。即，构成为在燃料电池的内部中循环的冷却水与从上述蓄热罐供给的系统水之间形成热交换，而将冷却水所具有的热量向系统水传递，并对燃料电池的内部进行冷却。从蓄热罐的角度，上述燃料电池热交换器200相当于热量的供给源。

热水供给用热交换器300通过吸收了储存于蓄热罐100的废热的热交换用循环水而向外部散发热量。此时，所散发的热量对外部的低温水进行加热，可以作为热水供给给用户。因此，从蓄热罐的角度，上述热水供给用热交换器300相当于热量的散发单元。

虽然在本申请的附图中未图示，但整体系统中存在的所有流路中均具有温度传感器，在蓄热罐100的主体部104的上端、中端及下端分别设置有温度传感器。另外，在蓄热罐100附近的系统水流出管112具有向散热器402循环的循环流路，在上述循环流路循环有从蓄热罐100流出的系统水，从而通过散热器402散出热量，能够降低系统水的温度，形成相对低温状态的系统水。即，对于蓄热罐100，上述散热器402相当于另一热量的散发源。之后，上述系统水向燃料电池热交换器200流入，与燃料电池中产生的废热进行热交换，之后吸收废热而转换为高温的系统水向蓄热罐100的上部流入。因此，上述蓄热罐100构成为通过上述热水供给用热交换器300、上述散热器402以及上述高温水排出管130等对从多个燃料电池供给的热量进行散热，并维持热平衡。并且，还具有对从哪个热源供给热量、通过哪种散热手段来进行散热进行控制的控制单元。此时，散热手段之间的优先顺序可以综合考虑燃料电池的运转效率、系统的稳定性、用户的热水供给要求与否等来决定。

图7示出上述燃料电池系统的概略结构。参照图7，从各个燃料电池热交换器200吸收了废热的系统水通过在一处合并的系统水流入管110向蓄热罐100的上部以高温状态流入。上述图7中为了简略图示而未示出，但在蓄热罐100的内部基本上存在通过流体供给管140供给的流体。蓄热罐100的内部处在的上述流体通过与高温的系统水进行热交换而起到储存来自燃料电池热交换器200的废热的作用。

在热水供给用热交换器300将热量供给后以低温状态流入的系统水向蓄热罐100流入而起到降低蓄热罐100的下部的温度的作用。由于蓄热罐100的下部的温度降低，上述下部的流体成为低温状态，结果通过连接于蓄热罐100的下部的系统水流出管112排出低温的系统水。为了帮助系统水的排出，具有系统水移送泵114。通过上述系统水移送泵114使系统水向燃料电池热交换器200及蓄热罐100循环。另外，本申请的附图中没有示出，但散热器402设置于蓄热罐100附近的系统水流入管110，而使流入的系统水成为相对低温状态。

系统水流入管110在某一处分支出而将低温的系统水供给给各个燃料电池热交换器200。

以下，对利用本发明的实施例进行废热处理的控制方法进行叙述。

设置有至少一个以上的燃料电池，上述燃料电池具有燃料电池控制器。上述燃料电池通过流路而与燃料电池热交换器200连接，上述燃料电池热交换器200与系统水流出管112以及系统水流入管110连接。在上述系统水流入管110上设置有控制阀，上述控制阀从燃料电池控制器接收信号而进行开闭。在上述系统水流出管112上设置有系统水移送泵114，在上述系统水流出管112上设置有散热用热交换器400。上述散热用热交换器400和散热器402由散热用循环水流路连接，在散热用热交换器400被热交换后的热量通过上述散热器402向外部散发。

并且，向燃料电池热交换器200供给的系统水作为用于降低燃料电池内部的温度的冷却水而发挥功能，因此向燃料电池供给的系统水的温度需要尽可能低。因此，上述散热用热交换器400在系统水流路上配置于上述燃料电池热交换器200的紧接之前阶段，以将系统水以维持尽可能低的温度的状态向燃料电池热交换器200供给。

可以通过上述蓄热罐100和设置于上述蓄热罐100的蓄热罐控制器、水位传感器和连接于上述蓄热罐100的系统水流入管110、系统水流出管112、热水用系统水供给管120、热水供给用系统水回收管122、流体供给管140、高温水排出管130和设置于上述流体供给管140与上述高温水排出管130之间的控制阀，使流体向蓄热罐100流入或使流体从蓄热罐100流出。上述控制阀从蓄热罐控制器接收信号而进行开闭。

可以通过热水供给用热交换器300和连接于上述热水供给用热交换器300的热水用系统水供给管120、热水供给用系统水回收管122和设置于上述热水供给用系统水回收管122上的热水用系统水循环泵124，提高后述的外部低温水的温度。

可以通过以能够使外部低温水向上述热水供给用热交换器300流入且使上述外部低温水从上述热水供给用热交换器300流出的方式设置的通道及设置在上述通道上的流量传感器500，在循环用热水供给用热交换器300内接收蓄热罐100内的废热。由此，上述外部低温水可被加热，加热后的低温水可作为热水供给给用户。

即，若用户为了使用热水而打开热水，则上述外部低温水的流路内设置的流量传感器500对通道内流量进行感知。感知到流量的流量传感器500将流量感知信号发送给蓄热罐控制器，通过设置于蓄热罐100的温度传感器感知到的蓄热罐100内温度为特定温度以上时，蓄热罐控制器向热水用系统水循环泵124发送工作信号。上述特定温度可以根据情况而灵活地变化，并非固定于一温度的值。通过上述热水用系统水循环泵124工作，储存于蓄热罐内的高温的循环水通过热水用系统水供给管120向热水供给用热交换器400侧移动，在上述热水供给用热交换器300进行散热，从而得到用户所需的热水。如果蓄热罐内温度为特定温度以下，则蓄热罐控制器不向热水用系统水循环泵124发送工作信号，上述热水用系统水循环泵124不进行工作。在该情况下，一般为蓄热罐内废热蓄积不足的情况，能够通过使用外部辅助锅炉等来接收热量供给，从而使用用户所需的热水。

对吸收燃料电池内废热的过程进行叙述。在燃料电池为运转中的情况下，燃料电池控制器向蓄热罐控制器发送燃料电池驱动信号。接收到上述驱动信号的蓄热罐控制器向系统水移送泵114发送工作信号，由此系统水移送泵114进行工作。其中，可以通过各个燃料电池热交换器200中具备的控制阀来调节燃料电池内的温度。即，在控制阀开启的情况下，将低温的系统水向燃料电池热交换器200供给，并对燃料电池内部进行冷却。

如果，在燃料电池内的温度维持正常范围的情况下，控制阀关闭。在该情况下，系统水仅向控制阀开启的燃料电池供给，因此可以利用一个蓄热罐来分别单独地对多个燃料电池进行冷却。

以下，对蓄热罐内废热蓄积一定程度以上而散发蓄热罐内废热的方法进行叙述。

为了燃料电池有效地运转，系统水的低温维持变得重要。若系统水维持高温，则无法有效地吸收从燃料电池产生的废热，而在燃料电池蓄积废热，由此燃料电池的发电效率降低。另外，有可能引发燃料电池内部件的故障。

作为散发蓄热罐内废热的方法之一，本发明的实施例利用散热器402。若设置于蓄热罐的下部的温度传感器感知到特定温度以上，则通过蓄热罐控制器使散热器402工作。若通过散热器402的工作而蓄热罐的下部的温度降至特定温度以下，则上述散热器402停止工作。具体地，上述散热器402工作时，穿过散热用热交换器400的系统水流出管112与连接于散热器402的流路之间进行热交换，吸收了上述系统水流出管112中的热量的上述流路通过上述流路内流体的移动来传送热量，将从上述散热器402传送来的热量向外部散发。通过散热能够降低系统水流出管112内流体的温度。

根据情况，有可能系统水被加热至超过上述散热器402的散热容量的程度。在该情况下，可以不适用热交换器，而是直接将高温的系统水向外部排出。即，若设置于蓄热罐100的下部的温度传感器感知到特定温度以上，则通过蓄热罐控制器使高温水排出管130的控制阀开启，由此分布于蓄热罐100的上部的高温的系统水被直接向外部放出。

之后，若通过上述排出而蓄热罐100内水位降至一定水位以下，蓄热罐100内水位传感器感知到该情况，则通过蓄热罐控制器使流体供给管140的控制阀开启，使低温水流入而填补水位。上述过程中，若蓄热罐100内温度为一定温度以下，则上述高温水排出管130和流体供给管140的控制阀通过蓄热罐控制器而关闭。

在根据情况而使用散热器402和热水放出方法的情况下，设置为优先使用散热器402。如上所述使散热器402进行工作，但散热器402工作超过控制器中设定的特定时间以上时，使用热水排出方法。在该情况下，热水排出方法以与上述相同的方式进行工作，若通过散热器402和热水排出方法而使蓄热罐内温度降至特定温度以下，则停止散热器402和热水排出方法。

另外，在燃料电池系统停止的状态下上述系统水移送泵114的工作也处于停止状态时，在上述蓄热罐100的下部储存的系统水的温度有可能降低。尤其，根据外部温度条件，有冻裂的可能。在该情况下，在由上述蓄热罐控制器判断为存在冻裂可能时，可以使上述两个泵114、124工作而防止冻裂。即，通过使系统水持续地循环，即使没有热源，也能够防止冻裂。

之后，在系统水的温度上升、或外部温度条件变更、或燃料电池的工作重启的情况下，由于不会发生冻裂，因此可以使上述泵的工作停止，并根据燃料电池系统运转条件来持续运转。

在上文中虽然对本发明的一实施例进行了说明，但是所属技术领域的普通技术人员能够在不背离随附的权利要求书中记载的本发明的精神的范围内在构成元件的附加、变更、删除或添加等的方面对本发明进行多种修改和变更，并且这种修改和变更也包含在本发明的保护范围内。

产业可利用性

本发明涉及燃料电池系统，具有产业可利用性。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：

多个燃料电池；

燃料电池热交换器，各个燃料电池均具有所述燃料电池热交换器，所述燃料电池热交换器被构造为用于冷却所述燃料电池的冷却水与系统水之间的热交换，以将燃料电池产生的热量供给给系统水；

蓄热罐，所述蓄热罐被构造为储存所述系统水；

热水供给用热交换器，所述热水供给用热交换器被构造为将所述蓄热罐内的系统水所具有的热量供给给从外部流入的低温水，其中，所述热水供给用热交换器通过热水供给用系统水回收管和热水用系统水供给管连接到所述蓄热罐，并且其中，所述热水供给用系统水回收管是热交换用循环水从所述热水供给用热交换器流到所述蓄热罐的路径，所述热水用系统水供给管是温度由于储存在蓄热罐中的废热而升高的热交换用循环水流出所述蓄热罐的路径，其中，热水用系统水循环泵安装在所述热水供给用系统水回收管中，以使热交换用循环水在所述热水供给用热交换器中循环；及

散热用热交换器，所述散热用热交换器被配置于所述蓄热罐与所述燃料电池热交换器中的一个燃料电池热交换器之间，并且被安装在系统水流出管上，其中系统水移送泵安装在所述系统水流出管中，以使从所述蓄热罐排出的系统水循环到所述燃料电池热交换器并经由系统水流入管返回到所述蓄热罐，

其中，所述燃料电池系统被构造为将向系统水供给的热量选择性地通过所述热水供给用热交换器向低温水传递，或通过所述散热用热交换器向外部散热，

其中，所述燃料电池系统被构造为，在存在来自用户的热水供给要求时，优先于所述散热用热交换器而向所述热水供给用热交换器供给系统水。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

还包括控制阀，所述控制阀被配置于各个燃料电池热交换器与所述蓄热罐之间且被构造为控制向所述燃料电池热交换器的系统水供给，

其中，所述控制阀被构造为，根据燃料电池的温度，选择性地将系统水向燃料电池热交换器供给。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述燃料电池系统被构造为，使得从所述燃料电池热交换器回收的系统水经由所述系统水流入管向所述蓄热罐的上部流入。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述燃料电池系统被构造为，使得向所述散热用热交换器供给的系统水经由所述系统水流出管从所述蓄热罐的下部排出。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述散热用热交换器与向大气中散热的散热器进行流体连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述蓄热罐的上部具有用于排出所述蓄热罐内的系统水的高温水排出管。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述高温水排出管具有控制阀，所述控制阀被构造为以蓄热罐内的系统水的温度为设定温度以上时打开高温水排出管的方式控制高温水排出管。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在所述蓄热罐的下部具有用于补充系统水的流体供给管。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

述热水供给用热交换器被构造为加热低温水，并将加热后的低温水作为热水供给给用户。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述散热用热交换器以系统水的流动方向为基准配置于所述燃料电池热交换器的紧接之前。