CN114628725A - 燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池装置。燃料电池装置包括：燃料电池堆，包括使用空气中的氧和燃料气体中的氢来生成电能的多个单电池层叠体、分别配置于所述单电池层叠体的下部和上部的下部歧管和上部歧管；热箱，在内部容纳所述燃料电池堆，且由绝热材料形成；以及散热片模块，贯通所述热箱的位于所述燃料电池堆的上部的部分，将与所述燃料电池堆的上部歧管相邻区域的热能释放到所述热箱外部。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过氢和氧的电化学反应发电的燃料电池装置。
背景技术
通过氢和氧的电化学反应发电的燃料电池作为具有能源转换步骤简单、高效且无污染等的环保特性的发电机，近年来正在被积极研究。
如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等的高温工作燃料电池系统如下形成：即为了利用在作为单电池层叠体的燃料电池堆产生的热量来满足上述燃料电池堆的工作温度条件，通常将上述燃料电池堆配置于由绝热材料形成的热箱内部。在此情况下，上述燃料电池堆产生的热量可以提高上述热箱内的温度，由此能够到达上述燃料电池堆的工作温度。
然而，在上述热箱内部的温度过高的情况下，不仅会降低上述单电池堆的稳定性、耐久性，还会降低与上述燃料电池堆一起配置在上述热箱内的热辅助设备(Balance OfPlant，BOP)模块或连接管等的稳定性、耐久性，因此高温工作燃料电池系统中也需要用于防止上述热箱内部温度过高的单元。以往，高温燃料电池系统通常通过调节供应到上述燃料电池堆的空气的量来防止上述热箱内部温度过高。即在上述热箱内部温度过高时，通过增加供应到燃料电池堆的空气的量来防止上述燃料电池堆导致的温度过高。
然而，若通过调节供应到上述燃料电池堆的空气的量来防止上述热箱内部的温度过高，则不仅因空气供应过多而导致上述燃料电池堆的下部和上部之间的温度偏差增加，还会使用于向上述燃料电池堆供应上述空气的鼓风机的功耗增加。另外，若通过调节供应到上述燃料电池堆的空气的量来防止上述热箱内部的温度过高，则会使上述燃料电池堆排出的空气的温度及使用上述排出空气的燃烧器(burner)的温度等降低，由此会对燃料电池系统整体的热平衡控制产生不利影响。
因此，上述高温工作燃料电池系统需要开发出不仅能防止上述热箱内部的温度过高，也可以有效控制系统整体的热平衡的技术。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种燃料电池装置，可以通过应用了散热片模块的热箱来防止热箱内部温度过高且能够有效控制系统整体热平衡。
用于解决问题的手段
根据本发明的实施例的燃料电池装置包括：燃料电池堆，包括使用空气中的氧和燃料气体中的氢来生成电能的多个单电池层叠体、分别配置于所述单电池层叠体的下部和上部的下部歧管和上部歧管；热箱，在内部容纳所述燃料电池堆，由绝热材料形成；以及散热片模块，贯通所述热箱的位于所述燃料电池堆的上部的部分，将与所述燃料电池堆的上部歧管相邻区域的热能释放到所述热箱外部。
根据一实施例，所述热箱包括：位于所述燃料电池堆的上部的上部板结构物，位于所述燃料电池堆下部的下部板结构物，以及连接所述上部板结构物和下部板结构物的侧壁结构物；所述散热片模块可贯通所述上部板结构物。
根据一实施例，所述散热片模块包括：配置于所述上部板结构物上的头部，以及从所述头部贯通所述上部板结构物的所述轴部；所述轴部的下部端部可在所述热箱内部从所述上部板结构物突出。
根据一实施例，从所述上部板结构物的下部面到所述轴部的下部端部的延伸长度可以是从所述上部板结构物的下部面到所述上部歧管的间距的20％以上且250％以下。例如，从所述上部板结构物的下部面到所述轴部的下部端部的延伸长度可以是从所述上部板结构物的下部面到所述上部歧管的间距的50％以上且100％以下。
根据一实施例，所述轴部可包括：基轴，从所述头部的下部面贯通所述上部板结构物；以及一个以上的副轴，以能够拆装的方式结合到所述基轴的端部。
根据一实施例，在所述基轴的下部端部面形成有结合孔，在所述副轴的上部端部面形成有通过插入所述结合孔来结合的紧固突起。在所述结合孔的内部面与所述紧固突起的侧面可形成有相互对应的螺纹。
根据一实施例，散热片模块还可包括导向紧固部，所述导向紧固部具有固定在所述上部板结构物的贯通孔内部且供所述轴部贯通的贯通紧固孔，在此情况下，在所述贯通紧固孔内部面和所述轴部的外部面可形成有相互对应的螺纹。
发明的效果
根据本发明的燃料电池装置可通过散热片模块将燃料电池堆的上部歧管附近的热量释放到热箱外部来降低上述燃料电池堆的上部歧管附近的温度，因此与通过调节供应到上述燃料电池堆的空气的量来调节上述燃料电池堆的温度的现有技术相比，不仅可以减小上述燃料电池堆的上部歧管与下部歧管之间的温差，还可以维持供应到上述燃料电池堆的空气与燃料的适当比例，最终可以提高上述燃料电池堆的发电效率。
附图说明
图1是用于说明本发明实施例的燃料电池装置的剖视图。
图2a和图2b是用于说明图1中示出的散热片(Cooling Fin)模块的多个实施例的剖视图。
图3是示出对相同固体氧化物燃料电池装置的基本长度散热片模块应用区间、散热片模块去除区间、延伸长度散热片模块应用区间以及最佳长度散热片模块应用区间的燃料电池堆的上部歧管的温度ST和下部歧管的温度SB、燃料电池堆供应前的空气温度Al、从燃料电池堆排出的空气温度AO以及使用上述排出空气来生成燃烧热的燃烧器的温度BO进行测量的结果的曲线图。
图4a和图4b是分别示出用于说明对相同固体氧化物燃料电池装置的基本长度散热片模块应用区间、散热片模块去除区间、延伸长度散热片模块应用区间以及最佳长度散热片模块应用区间的空气流量及气泵电压进行测量的结果的曲线图。
附图标记说明
1000：燃料电池装置 1100：燃料电池堆
1200：热箱 1300：散热片模块
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施例。本发明可以有多种变化并且可以具有多种形式，多个特定实施例在附图中示出并在本申请的说明书中详细描述。然而，这并非意在将本发明限定为特定公开的形式，而应理解为包括包含在本发明的思想和技术范围内的所有修改、等同物乃至替代物。在说明各附图时，类似的附图标记用于类似的构成要素。在附图中，为了本发明的明确性，与实际尺寸相比，结构物的尺寸被放大示出。
“第一”、“第二”等术语可用于说明多种结构要素，但上述结构要素不应受上述术语的限定。上述术语仅用于区分一个结构要素与其他结构要素。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一构成要素可以称为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以称为第一构成要素。
本申请中所使用的术语仅用于描述特定实施例，并不用于限制本发明。除非上下文另有明确规定，否则单数表达包括复数表达。在本申请中，“包括”或“具有”等术语旨在表示所描述的特征、数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合存在，并且应当理解，不预先排除包括一个或多个其他特征或数字、步骤、操作、构成要素、部件或其组合的存在或添加的可能性。
另外，除非另有定义，本文所使用的包括技术和科学术语的所有术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在常用词典中定义的术语应解释为具有与相关技术上下文中的含义一致的含义，除非在本申请中明确定义，否则不应具有理想的或过于形式的含义。
图1是用于说明本发明实施例的燃料电池装置的剖视图。图2a和图2b是用于说明图1中示出的散热片模块的多个实施例的剖视图。
参照图1、图2a及图2b，根据本发明实施例的燃料电池装置1000可包括燃料电池堆1100、热箱1200以及散热片模块1300。
上述燃料电池堆1100可包括使用空气中的氧和改性的燃料气体中的氢来生成电能的多个单电池。上述单电池可包括燃料电极(阳极(anode))、空气电极(阴极(cathode))以及位于它们中间的电解质。当包含氢(H2)的燃气和包含氧(O2)的空气分别供应到上述燃料电极和空气电极，在上述空气电极还原的氧离子(O2-)经过上述电解质移动到上述燃料电极，移动到上述燃料电极的氧离子(O2-)与提供给上述燃料电极的氢(H2)发生反应，生成水(H2O)和电子(e-)，上述单电池可利用通过如上所述反应生成的电子来产生电能。上述氧和氢的反应作为放热反应，上述燃料电池堆1100可在生成电能的发电模式期间放热。
上述燃料电池堆1100可包括在约500℃以上的温度工作的固体氧化物燃料电池(SOFC)堆或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)堆。另一方面，上述燃料电池堆1100还可以包括多平板形单电池的堆(stack)。
上述热箱1200可通过在内部容纳上述燃料电池堆1100来防止由上述燃料电池堆1100中的氢和氧的反应而产生的热量向外部流出，从而可以提高上述燃料电池堆1100的发电效果。
上述热箱1200由绝热材料形成，并且可在内部容纳上述燃料电池堆1100。只要具有能够容纳上述燃料电池堆1100等的内部空间，上述热箱1200的形状和结构不受特别限制。上述绝热材料是高熔点、低热导率的材料，例如，由粘土、黄土等多孔矿物材料形成，从而能够减少上述燃料电池堆1100等的热能向上述热箱1200外部释放。在上述绝热材料由多孔矿物材料形成的情况下，由于上述多孔矿物材料的隔热性优异且透气性较高，因而可以在提高隔热性的同时降低上述热箱1200内部空间的气体压力。
作为一实施例，上述热箱1200可包括：位于上述燃料电池堆1100的上部的上部板结构物1210，配置于上述燃料电池堆1100的下部的下部板结构物1220，以及连接上述上部板结构物1210和下部板结构物1220的侧壁结构物1230。上述热箱1200可通过上述上部板结构物1210、上述下部板结构物1220以及上述侧壁结构物1230形成如长方体、圆柱体、多棱柱等形状的内部空间。
上述散热片模块1300设置成贯通上述热箱1200的上部板结构物1210，且由导热性优异的材料形成，可通过将上述燃料电池堆1100的上部歧管(manifol d)附近的热量释放到上述热箱1200的外部，来减少上述燃料电池堆1100的上部歧管与下部歧管之间的温差。
上述燃料电池装置1000可包括一个或两个以上的多个上述散热片模块1300。上述散热片模块1300的数量没有特别限制，可以根据情况适当地改变。例如，上述燃料电池装置1000可包括配置于邻近上述燃料电池堆1100的上部歧管的位置的四个散热片模块1300。
通常，上述热箱1200内部的温度是否过高是基于上述燃料电池堆1100的上部歧管附近的温度来进行判断的，在根据现有技术判断为上述热箱内部为温度过高状态时，为了降低上述燃料电池堆1100的温度而增加供应到上述燃料电池堆1100的空气的量的情况下，上述较冷的空气通过上述燃料电池堆1100的下部歧管供应到上述燃料电池堆1100，故上述燃料电池堆1100的下部歧管附近的温度比上部歧管附近的温度下降的更多，因此可发生上述燃料电池堆的上部歧管与下部歧管之间的温差增加的问题以及供应到上述燃料电池堆1100的燃料与空气的适当比例发生偏离等问题，从而最终可发生上述燃料电池堆1100的发电效率降低问题。
然而，根据本发明，在通过上述散热片模块1300将上述燃料电池堆1100的上部歧管附近的热量释放到上述热箱1200的外部来减小上述燃料电池堆1100的上部歧管附近的温度的情况下，不仅可以减小上述燃料电池堆1100的上部歧管与下部歧管之间的温差，还可以维持供应到上述燃料电池堆1100的空气和燃料的适当比例，最终可以提高上述燃料电池堆1100的发电效率。
根据一实施例，如图2a所示，上述散热片模块1300可包括头部1310a，以及从上述头部1310a的下部面贯通上述热箱1200的轴(shaft)部1320a。上述头部1310a和上述轴部1320a可由导热性优异的材料形成，例如，金属或合金材料。
上述头部1310a可暴露在上述热箱1200的外部空间，从上述轴部1320a传递的热能可以释放到上述热箱1200的外部。作为一实施例，上述头部1310a的水平截面面积可大于上述轴部1320a的水平截面面积。作为一实施例，在上述热箱1200的上部板结构物1210的上部面可形成有可容纳上述头部1310a的容纳槽，上述头部1310a可配置于上述上部板结构物1210的容纳槽的内部。或者，上述头部1310a可以以配置于上述上部板结构物1210的上部面而从上述上部板结构物1210的上部面突出的方式配置。
上述轴部1320a可配置为从上述头部1310a的下部面贯通上述热箱1200的上部板结构物1210，上述轴部1320a的下部端部可配置为与上述燃料电池堆1100的上部歧管相邻。
作为一实施例，从上述热箱1200的上部板结构物1210的下部面到上述轴部1320a的下部端部的延伸长度P可以是从上述上部板结构物1210的下部面到上述燃料电池堆1100的上部歧管的间距G的20％以上且250％以下。上述燃料电池堆1100的上部歧管与下部歧管之间的温差会根据上述轴部1320a的下部端部的位置而变化，在从上述上部板结构物1210的下部面到上述轴部1320a的下部端部的延伸长度P为从上述上部板结构物1210的下部面到上述燃料电池堆1100的上部歧管的间距G的50％以上且150％以下的情况下，可以使上述燃料电池堆1100的上部歧管与下部歧管之间的温差最小化。例如，从上述热箱1200的上部板结构物1210的下部面到上述轴部1320a的下部端部的延伸长度P可以是从上述上部板结构物1210的下部面到上述燃料电池堆1100的上部歧管的间距G的50％以上且100％以下。
根据一实施例，上述轴部1320a可包括基轴1321a以及一个以上副轴1322a。
上述基轴1321a从上述头部1310a的下部面贯通上述热箱1200的上部板结构物1210，上述副轴1322a以能够拆装的方式结合到上述基轴1321a的下部端部。例如，在上述基轴1321a的下部端部面可形成有结合孔，在上述副轴1322a的上部端部面可形成有通过插入上述结合孔来结合的紧固突起。作为一例，在上述结合孔的内部面与上述紧固突起的侧面形成有相互对应的螺纹，上述基轴1321a与上述副轴1322a可以螺纹连接。另一方面，在上述轴部1320a包括多个副轴1322a的情况下，上述多个副轴1322a可以以如上所述的螺纹连接方法连接成一列。像这样，在能够将一个以上的副轴1322a以串联方式连接到上述基轴1321a的情况下，可以容易地调节上述轴部1320a的整体长度。
在另一实施例中，如图2b所示，上述散热片模块1300可包括：头部1310b；轴部1320b，从上述头部1310b的下部面延伸以贯通上述热箱1200；以及导向紧固部1330b，位于上述轴部1320b所贯通的上述热箱1200的上部板结构物1210的贯通孔内部，具有上述轴部1320a所贯通的贯通紧固孔，并且与上述轴部1320a螺纹连接。
上述头部1310b和上述轴部1320b实质上分别与在图2a中说明的散热片模块1300的上述头部1310a和上述轴部1320a相同，因此，在此不再赘述，以下主要说明不同之处。
上述导向紧固部1330b可配置于供上述轴部1320b贯通上述热箱1200的上部板结构物1210的贯通孔内部，以固定在上述上部板结构物1210。上述导向紧固部1330b可以呈具有供上述轴部1320b贯通的贯通紧固孔的圆管结构。另一方面，在上述导向紧固部1330b的贯通紧固孔内部面和上述轴部1320b的外部面可以形成有相互对应的螺纹，可通过这些螺纹来调节上述轴部1320b突出于上述上部板结构物1210的长度，即可以调节在上述热箱1200内部的上述轴部1320b的下部端部的位置。
根据本发明的燃料电池装置，可通过散热片模块将燃料电池堆的上部歧管附近的热量释放到热箱外部来降低上述燃料电池堆的上部歧管附近的温度，因此与通过调节供应到上述燃料电池堆的空气的量来调节上述燃料电池堆的温度的现有技术相比，不仅可以减小上述燃料电池堆的上部歧管与下部歧管之间的温差，还可以维持供应到上述燃料电池堆的空气与燃料的适当比例，最终可以提高上述燃料电池堆的发电效率。
图3是示出对相同固体氧化物燃料电池装置的基本长度散热片模块应用区间、散热片模块去除区间、延伸长度散热片模块应用区间以及最佳长度散热片模块应用区间的燃料电池堆的上部歧管和下部歧管的温度ST、SB、燃料电池堆供应前的空气温度Al、从燃料电池堆排出的空气温度AO以及使用上述排出空气来生成燃烧热的燃烧器的温度BO进行测量的结果的曲线图。在图3的燃料电池装置中，从热箱上部板结构物的下部面到上部歧管的间距为30mm，上述基本长度散热片模块、上述延伸长度散热片模块以及上述最佳长度散热片模块分别从上述上部板结构物的下部面突出14mm、74mm以及47mm，上述多散热片模块的轴部直径为12mm。
参照图3，可以确认，与散热片模块去除区间相比，燃料电池堆的上部歧管与下部歧管的温差在基本长度散热片模块应用区间、延伸长度散热片模块应用区间和最佳长度散热片模块应用区间显著减少。而且，燃料电池堆的上部歧管与下部歧管的温差在最佳长度散热片模块应用区间最低。
图4a和图4b是分别示出用于说明对相同固体氧化物燃料电池装置的基本长度散热片模块应用区间、散热片模块去除区间、延伸长度散热片模块应用区间以及最佳长度散热片模块应用区间的空气流量及气泵电压进行测量的结果的曲线图。在图4a和图4b的燃料电池装置中，从热箱上部板结构物的下部面到上部歧管的间距为30mm，上述基本长度散热片模块、上述延伸长度散热片模块以及上述最佳长度散热片模块分别从上述上部板结构物的下部面突出14mm、74mm以及47mm，上述多个散热片模块的轴部直径为12mm。
参照图4a和图4b，可以确认，与散热片模块去除区间相比，在基本长度散热片模块应用区间、延伸长度散热片模块应用区间以及最佳长度散热片模块应用区间，供应到上述燃料电池堆的空气的流量稳定，而且功耗也降低了。
在如上所述的本发明的详细描述中，虽然参照本发明的优选实施例进行了描述，但是本领域的技术人员或本领域普通技术人员应理解，在不脱离权利要求书中记载的本发明的思想及技术领域的范围内，可以对本发明进行各种修改和变形。
Claims (8)
1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
燃料电池堆，包括使用空气中的氧和燃料气体中的氢来生成电能的多个单电池层叠体、及分别配置于所述单电池层叠体的下部和上部的下部歧管和上部歧管，
热箱，在内部容纳所述燃料电池堆，且所述热箱由绝热材料形成，以及
散热片模块，贯通所述热箱的位于所述燃料电池堆的上部的部分，将与所述燃料电池堆的上部歧管相邻区域的热能释放到所述热箱外部；
所述散热片模块包括暴露在所述热箱外部的头部，以及从所述头部贯通所述热箱的轴部；
所述头部及所述轴部由金属或合金制成，通过热传导现象将所述热能释放到所述热箱外部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，
所述热箱包括：位于所述燃料电池堆的上部的上部板结构物，位于所述燃料电池堆下部的下部板结构物，以及连接所述上部板结构物和下部板结构物的侧壁结构物；
所述散热片模块贯通所述上部板结构物。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其特征在于，
所述散热片模块包括：配置于所述上部板结构物的所述头部，以及从所述头部贯通所述上部板结构物的所述轴部；
所述轴部的下部端部在所述热箱内部从所述上部板结构物突出。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，
从所述上部板结构物的下部面到所述轴部的下部端部的延伸长度为从所述上部板结构物的下部面到所述上部歧管的间距的20％以上且250％以下。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其特征在于，
从所述上部板结构物的下部面到所述轴部的下部端部的延伸长度为从所述上部板结构物的下部面到所述上部歧管的间距的50％以上且100％以下。
6.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，
所述轴部包括：
基轴，从所述头部的下部面贯通所述上部板结构物，以及
一个以上的副轴，以能够拆装的方式结合到所述基轴的端部。
7.根据权利要求6所述的燃料电池装置，其特征在于，
在所述基轴的下部端部面形成有结合孔，
在所述副轴的上部端部面形成有通过插入所述结合孔来结合的紧固突起，
在所述结合孔的内部面与所述紧固突起的侧面形成有相互对应的螺纹。
8.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其特征在于，
所述散热片模块还包括导向紧固部，所述导向紧固部具有固定在所述上部板结构物的贯通孔内部且供所述轴部贯通的贯通紧固孔；
在所述贯通紧固孔内部面和所述轴部的外部面形成有相互对应的螺纹。
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