CN115606021A - 用于冷却燃料电池的系统和配备有该系统的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冷却运输工具如飞行器的燃料电池(10)的系统，包括：冷却热交换器(30)，被配置为能够在用于冷却电池的环路(20)和用于循环动态空气的通道之间交换热量；水回收设备(22、23)，用于回收由所述燃料电池生成的水；箱(25)，用于存储被回收的水；喷洒设备(50)，用于将水喷洒到在热交换器(30)上游的动态空气通道(40)中；计算机(28)，用于根据表示燃料电池(10)的温度的测量，控制喷水量。

Description

用于冷却燃料电池的系统和配备有该系统的燃料电池

技术领域

本发明涉及用于冷却燃料电池的系统，该系统旨在提供在运输工具中，尤其是航空运输工具(诸如，飞行器)。本发明还涉及配备有该冷却系统的燃料电池或燃料电池组。

背景技术

如今，人们对提供配备有燃料电池的运输工具，尤其是飞行器，有着强烈的热情，因为这些电池形成了清洁、可靠和灵活的能源。

构成燃料电池，诸如氢电池，的原理是基于在电流(电解)的作用下，将水分离成二氢和二氧。这两个分子形成化学燃料，据此，能量可以存储在燃料电池应用中。由这样的燃料电池提供的第二反应，使得可以逆转该过程并从这两种燃料生成电力。

在航空应用中，上述的电解反应通常在地面上进行，因此将氢气直接装载到专用箱中，并且二氧由从飞行器外面吸入的空气提供。

因此，这样的燃料电池是双电极发电机，该双电极发电机例如，通过在一个电极上的还原性燃料，诸如氢气，的氧化作用，加之在另一个电极上的氧化剂，诸如空气中的氧气，的还原作用，生成电能。

电池的氧化还原反应不仅产生电能，还生成副产品，诸如，水、热量和去氧空气。

尤其是，在阳极处的氧化反应分解与催化剂接触的氢分子，以释放电子并释出热量。在阴极处的还原反应通过氧气和由氧化作用释放的电子之间的接触，形成氧离子。此外，氢质子与氧离子重新结合以形成水。

因此，有必要提供用于冷却燃料电池的系统，以消散由电池释出的热量。

尤其是，每生成1千瓦的电力，燃料电池会散发1千瓦的热量。

目前在航空领域中使用的消散这些热量的解决方案之一是提供用外来空气供应的冷却系统，外来空气的流速是为了对应于观察到的外部最大温度的电池全功率设计的。

这种解决方案的缺点之一是它需要非常高的空气流速。举例来说，据估计，对于产生的大约100kW的功率，确保冷却电池所需要的空气流速在1.5至2kg/s的范围内。这种高的空气流速对飞行器造成显著的阻碍，并需要具有大的前表面的热交换器，其结果是大尺寸和大质量。

这些缺点对低温燃料电池尤其有害，对于低温燃料电池，电池和冷的冷却源之间的温差仅约10度。

因此，发明人寻求开发尤其使得冷却功率能够适应飞行器的飞行条件的优化的冷却系统。

发明内容

本发明的目的

本发明旨在于提供用于冷却燃料电池的系统，该系统至少克服了已知的、尤其是用于机载航空应用的冷却系统一些缺点。

本发明还旨在于在至少一实施例中提供冷却系统，该系统与已知系统相比具有限量的外形尺寸。

本发明尤其旨在于在至少一实施例中提供冷却系统，该系统使得能够将放电已知系统供给的功率所需要的冷却热交换器的大小变为原大小的三分之一。

本发明还旨在于在本发明的至少一实施例中提供使得能够在炎热的天气中促进冷却的系统。

本发明还旨在于提供配备有根据本发明的冷却系统的燃料电池。

为了实现这些目的，本发明涉及用于冷却运输工具的燃料电池的系统，运输工具例如包括飞行器，燃料电池包括阳极和阴极，所述系统包括用于冷却与所述阳极和/或所述阴极处于热相互作用中的电池的环路。

根据本发明的冷却系统的特征在于，它还包括：

-冷却热交换器，被配置为能够在所述冷却环路和通道之间交换热量，通道用于循环从运输工具外面吸入的冷却空气，通道被称为动态空气通道，

-水回收设备，用于回收由所述燃料电池生成的水，

-水存储箱，用于存储水，水存储箱流体连通到所述水回收设备，以使得能够在水存储箱中存储被回收的水，

-喷洒设备，用于将水喷洒到在所述热交换器上游的所述动态空气通道中，所述喷洒设备流体连通到所述水箱，

-计算机，用于依据表示所述燃料电池的温度的测量，控制由所述喷洒设备喷洒到所述动态空气通道中的水量。

因此，根据本发明的系统具有特定的特征，该特征使得能够回收燃料电池在它的工作期间生成的水(尤其是阴极出口处的水)，并通过在电池的冷却交换器的上游喷洒水，使用这些水冷却从交通工具外面吸入的冷却空气流。因此，这使得能够冷却与电池的阳极和/或阴极处于热相互作用中的电池的冷却环路的冷却剂流体。

这种以液滴的形式将液态水注入到在冷却热交换器上游的动态空气通道，降低了进入冷却交换器的冷通道(交换器的冷通道由从交通工具外面吸入的所述动态空气构成，并且交换器的热通道由电池的冷却环路的流体构成)的空气的温度。这些水在蒸发时会吸收热量，因而允许降低空气的温度。

此外，如果注入大量水，水的一部分在交换器上游被蒸发，另一部分在交换器内部在交换器的壁上被蒸发。水在交换器内部蒸发旨在于利用水的蒸发的潜热。它还旨在于提高交换器内部的交换系数。

因此，本发明使燃料电池生成的水(通常会损失)发挥作用，以优化燃料电池的冷却。

此外，与现有技术已知的系统相比，通过由所述水的喷洒冷却的冷却空气流，能够大幅减少确保冷却冷却环路的冷却剂流体所需要的空气流速。

因此，这种空气流速的减少使得能够减少交通工具的阻碍，这在机载航空应用的背景下是特别广受欢迎的。

因此，也能够减小冷却热交换器的尺寸和占地面积。

根据本发明的系统还使得能够在炎热的天气中，即当从交通工具外面吸入的空气不足够的冷以确保冷却燃料电池时，促进冷却。

本发明的进一步优点是能够控制在冷却热交换器上游被蒸发的水量，以便于调节电池的冷却。

为了实现这一点，系统具有计算机，计算机用于依据表示电池的温度的测量(例如，冷却环路的冷却剂流体的温度的测量)，控制喷水量。

有利地，并根据本发明，水回收设备包括串联布置的水凝结设备和水提取设备。

凝结设备凝结存在于阴极生成流体中的水。例如，这种凝结设备可以是反渗透凝结器或提取器交换器。反渗透提取器最小化能量需求，以确保水凝结。

水提取设备从凝结的流体中提取水滴。这种提取可以是通过膜过滤器、通过涡流，或通过任何同等手段的提取。

有利地，并根据本发明，系统还包括以流体方式布置在所述水存储箱和所述喷洒设备之间的控制阀，所述控制阀由所述控制计算机操作。

这种控制阀由计算机控制，以依据表示燃料电池的温度的测量，调节供应喷洒设备的水量，因而调节喷洒到在冷却热交换器上游的动态空气通道的水量。

有利地，并根据本发明，系统还包括以流体方式布置在所述水存储箱和排水回路之间的排水阀，所述排水阀由所述控制计算机操作。

如有必要，这种排水阀能排出存储在存储箱中的水。

有利地，并根据这种变型，所述控制阀和所述排水阀由所述计算机控制的单个三通控制和排水阀构成。

这种实施例变型的优点在于，它具有简化的结构，该结构仅带有计算机控制的单个阀，以确保调节在交换器上游喷洒的水和排放该系统这两个功能。

有利地，并根据本发明，所述喷洒设备包括通入到所述动态空气通道的多个喷射器。

喷洒设备的这种特殊结构使得能够将多个水滴喷洒到冷却空气流中，例如，直至水分饱和。

有利地，并根据本发明，所述喷射器被配置为喷洒最大直径为10微米的水滴，以便于喷洒由水和空气的混合物构成的水雾。

有利地，并根据本发明，所述水存储箱还被配置为在地面上，用外部配水设备提供的水供应该水存储箱。

根据这种有利的变型，可以通过外部设备在地面上用水供应水箱，其使得能够在存储箱中具有足够的水位，从而允许在燃料电池生成的并被水回收设备回收的水的量不足的极端条件下冷却电池。这一方面在地面上和在起飞期间尤其重要，因为，在地面上的外部温度高于在飞行期间，在起飞期间冲压空气流速低。

有利地，并根据本发明，系统还包括用于感测冷却剂流体的温度的传感器，传感器被配置为给所述计算机提供所述控制温度测量。

根据这种变型，使用冷却剂流体的温度的直接测量来控制在动态空气通道中蒸发的水的调节。

有利地，并根据本发明，用于冷却所述电池的所述环路由电池的阴极再循环回路构成，电池的阴极再循环回路将电池的旨在提供阴极生成流体的阴极出口连接到旨在被供应氧化性流体的阴极入口，以及所述水回收设备布置在所述阴极再循环回路上，以使得回收存在于所述阴极生成流体中的水。

根据这种有利的变型，冷却热交换器直接布置在阴极再循环回路上，阴极再循环回路因此作为用于冷却燃料电池的环路。换言之，直接地是旨在由阴极再循环回路重新引入电池的阴极生成流体被冷却热交换器冷却。

在这种情况下，水回收设备直接布置在阴极再循环回路上，以回收存在于所述阴极生成流体中的水。

结构的其余部分不变，并且系统的每个元件继续发挥与在冷却环路与阴极再循环回路分离的情况下相同的作用。

有利地，并根据本发明，计算机被配置为控制在所述动态空气通道中循环的每千克空气被喷洒30至40克水。

这使得能够在燃料电池系统的冷却交换器处交换的功率增加至三倍。

本发明还涉及飞行器的燃料电池，包括阳极和阴极，该阳极配备有旨在用可燃流体供应的阳极入口和旨在提供阳极生成流体的阳极出口，该阴极配备有旨在用氧化性流体供应的阴极入口和旨在提供阴极生成流体的阴极出口，其特征在于，该燃料电池还包括根据本发明的冷却系统。

根据本发明的冷却系统的优点和技术效果经必要修改后也适用于根据本发明的燃料电池。

本发明还涉及串联(由不同的电池提供的相同电流)或并联(由不同的电池提供的相同电压)连接的燃料电池的系统，或串联和并联连接的电池的组合的系统。

本发明可以用于主发电(例如，推进中的峰值功率)或用于额外发电(例如在炎热状况下的服务供应)或用于这样的推进应用。

本发明还涉及运输工具(诸如，飞行器)，例如包括根据本发明的燃料电池或燃料电池组。

根据本发明的燃料电池的优点和技术效果经必要修改后也适用于根据本发明的飞行器。

本发明还涉及用于冷却燃料电池的系统，其特征在于由上述或以下提到的全部或部分特征组合而成。

附图说明

阅读以下描述后，本发明的进一步目的、特征和优点将变得显而易见，该描述仅通过非限制性示例提供，并参考附图，其中：

【图1】是根据本发明一实施例的用于冷却燃料电池的系统的示意图。

具体实施方式

为了说明和清晰起见，图中未严格遵守刻度和比例。

图1是根据本发明一实施例的用于冷却燃料电池10的系统的示意图。

在图1中，仅示出了与根据本发明的冷却系统相关的燃料电池10的元件。尤其是，未显示用氢气和氧气供应电池的方法。

应该注意的是，燃料电池10能象征单个这样的电池或串联和/或并联连接并布置的多个电池。换言之，术语“该电池”或“电池”的使用不会将范围限制为单个这样的电池，而是可能覆盖电池组。

用于冷却燃料电池10的系统包括环路20，环路20用于冷却与电池的阳极和/或阴极处于热相互作用中的电池，以确保冷却电池。

这种热相互作用能通过热交换器、附加到阳极和/或阴极的散热板，诸如双极板，或任何同等手段来实现。

根据变型的实施例，冷却环路由阴极再循环回路直接构成，阴极再循环回路将阴极出口和阴极入口连接，阴极出口提供阴极生成流体(在实际空气中)，阴极入口被供应氧化性流体，诸如，压缩空气。

如果冷却环路与阴极再循环回路分离，冷却环路20被供应可以为液态或气态流体的冷却剂流体。如果冷却环路由阴极再循环回路构成，阴极生成流体构成本发明意义内的冷却剂流体。

环路20还被提供有泵21，泵21被配置为在环路20中循环冷却剂流体。

根据本发明的冷却系统还包括冷却热交换器30，该冷却热交换器设置在环路20上，并且被配置为能够交换在冷却环路30中循环的冷却剂流体和在空气循环通道40中循环的冷却空气之间的热量。例如，在机载航空应用的情况下，这种空气循环通道40为动态空气循环通道，动态空气循环通道更好地以冲压空气通道著称。这种通道40被配置为能够被供应从在环境温度下的飞行器外面吸入的空气。图1中的箭头45示意性地示出了在动态空气通道40中循环的冷却空气流。

风扇(图中未示出)确保空气在动态空气通道40中循环。这种风扇可以是电动风扇或由飞行器的涡轮机轴支撑的风扇，例如，空调系统的涡轮机。

热交换器30可以是任何已知类型。例如，它可以是翅管式热交换器或任何同等手段。

根据在图1中的实施例的冷却系统还包括用于回收由燃料电池生成的水的回路。

根据图1所示的实施例，这种水回收回路包括水凝结设备22、水提取(或分离)设备23和加湿器24，它们被配置为从阴极生成流体流中提取水，阴极生成流体流通常是在燃料电池的阴极处的还原反应后耗尽氧气的空气。

根据一个可能的实施例，凝结设备22是反渗透凝结器或提取器交换器。反渗透提取器最小化用于确保水凝结的能量需求。例如，水分离器23是膜式过滤器或涡流系统。加湿器24旨在于在阴极生成空气被水凝结设备22凝结之前加湿阴极生成空气。

水回收系统还包括由水分离器23供应的水存储箱25。这种水存储箱存储由燃料电池生成并由本发明的水回收设备回收的水。

图1中的箭头15示意性地示出了水在水回收回路中的循环。

根据一种变型，也可以由外部水源通过管道(图1中未示出)供应箱(例如，飞行器停飞时)。这使得能够确保箱中有足够的水位，尤其是为了确保在高温的情况下的足够冷却。实际上，在这种情况下，需要显著蒸发在冷却交换器30上游的冷却空气流中的水，以最大地降低空气的温度，从而确保冷却在冷却环路20中循环的冷却剂流体。

为了实现这一点，回收系统包括设备50，设备50用于将水喷洒到在热交换器30上游的动态空气通道40中。喷洒设备50由水存储箱25供应。如上所述，这种储存的水来自燃料电池本身或来自外部水源或来自这两个水源的组合。

喷洒设备50可以是任何已知类型。例如，它可以由通入到动态空气通道40的一排水喷射器构成。每个喷射器由专用管道供应，专用管道从流体连通到水箱25的主管道分支出来。每个喷射器被配置为喷洒水滴，例如，直径大约10微米的水滴，以便于能够在交换器上游或直接在交换器中获得水雾(水和空气的混合物)。在海拔高度，也可以将水直接注入到交换器。

最后，回收系统包括计算机28，计算机28被配置为控制喷洒设备50喷入到动态空气通道40中的水量。

为了实现这一点，计算机依据由布置在冷却环路20上的传感器29进行的温度测量，控制布置在水存储箱25和喷洒设备50之间的阀26。

根据另一实施例，可以在冷却环路以外的其它地方进行温度测量，例如，直接在燃料电池上。

阀26、传感器29和计算机28构成用于调节燃料电池10的冷却的方式。喷洒到在交换器上游的动态空气通道40的水量调节冷却的程度。

计算机28可以是任何类型。它可以是控制燃料电池的操作的计算机，或专门用于冷却电池的独立计算机。

图1中的虚线示意性地表示了在计算机28、传感器29和阀26之间交换的测量和控制信号。这些信号可以通过任何类型的已知方式交换。控制可以为电气、气动或液压控制或它们的组合。

根据未在图1中示出的一实施例，阀26为三通阀，三通阀的一个通道还供应了箱25的排水管。

本发明还涉及配备有根据本发明的燃料电池或燃料电池组的运输工具，特别是铁路、机动或航空交通工具。

因此，根据本发明的系统和配备有根据本发明的系统的电池使得能够根据需要优化冲压空气流速，以确保电池在不同操作条件下的冷却。

系统还能够在高温的情况下促进冷却。

根据本发明的系统不仅仅限于所描述的实施例和所描述的航空应用。尤其是，本发明可以应用于任何类型的交通工具，尤其是航空、铁路或机动交通工具，以及任何类型的应用(主能量产生、额外能量产生或推进能量产生)。

Claims (13)

1.一种用于冷却运输工具的燃料电池(10)的系统，所述运输工具例如包括飞行器，燃料电池包括阳极和阴极，所述系统包括用于冷却电池的环路(20)，电池与所述阳极和/或所述阴极处于热相互作用中，其特征在于，所述系统还包括：

-冷却热交换器(30)，被配置为能够在所述冷却环路(20)和通道之间交换热量，所述通道用于循环从所述运输工具外面吸入的冷却空气，所述通道被称为动态空气通道(40)，

-水回收设备(22、23)，用于回收由所述燃料电池生成的水，

-水存储箱(25)，用于存储水，所述水存储箱流体连通至所述水回收设备(22、23)，以能够在该水存储箱中存储被回收的水，

-喷洒设备(50)，用于将水喷洒到在所述热交换器(30)上游的所述动态空气通道(40)中，所述喷洒设备(50)流体连通至所述水存储箱，

-计算机(28)，用于依据表示所述燃料电池(10)的温度的测量，控制由所述喷洒设备(50)喷洒到所述动态空气通道(40)中的水量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水回收设备包括水凝结设备(22)和水提取设备(23)，水凝结设备(22)和水提取设备(23)被布置在所述电池(10)的阴极出口处。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：控制阀(26)，控制阀(26)以流体方式被布置在所述水存储箱(25)和所述喷洒设备(50)之间，所述控制阀(26)由所述控制计算机(28)操作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：排水阀，排水阀以流体方式被布置在所述水存储箱和排水回路之间，所述排水阀由所述控制计算机操作。

5.根据权利要求3和4所述的系统，其特征在于，所述控制阀和所述排水阀由单个三通控制排水阀构成，三通控制排水阀由所述计算机控制。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述喷洒设备(50)包括：通入到所述动态空气通道(40)的多个喷射器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述喷射器被配置为喷洒最大直径为10微米的水滴，以便于喷洒由水和空气的混合物构成的水雾。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述水存储箱(25)还被配置为在地面上被供应由外部配水设备提供的水。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：传感器(29)，传感器(29)用于感测在所述冷却环路(20)中循环的传热流体的温度，传感器被配置为给所述计算机(28)提供所述控制测量。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其特征在于，用于冷却所述电池(10)的所述环路(20)由电池的阴极再循环回路构成，所述阴极再循环回路将电池的阴极出口连接到阴极入口，所述阴极出口旨在提供阴极生成流体，所述阴极入口旨在被供应氧化性流体，以及所述水回收设备被布置在所述阴极再循环回路上，以回收存在于所述阴极生成流体中的水。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于，计算机被配置为控制在所述动态空气通道中循环的每千克空气被喷洒30至40克水。

12.一种飞行器的燃料电池(10)，包括：阳极和阴极，阳极被配备有旨在被供应可燃流体的阳极入口、和旨在提供阳极生成流体的阳极出口，阴极被配备有旨在被供应氧化性流体的阴极入口、和旨在提供阴极生成流体的阴极出口，其特征在于，燃料电池还包括根据权利要求1至11中任一项所述的冷却系统。

13.一种飞行器，包括根据权利要求12所述的燃料电池。

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