CN1324746C - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于燃料电池的冷却装置及具有该装置的燃料电池系统。该冷却装置包括：提供接收发电单元的空间的外壳和与外壳连接将冷却介质供应给发电单元的冷却介质供应单元。该外壳具有主体，该主体具有用于接收发电单元的空间。一引导区与主体连接以收集通过发电单元的冷却介质。一排出单元与引导区连接以将冷却介质排出到外壳外部。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，特别是涉及一种用于燃料电池堆的冷却装置。

背景技术

如在本领域中所知的，燃料电池是一种通过氧和包含在烃族材料如甲醇、乙醇和天然气中的氢的化学反应而产生电能的系统。

最近，聚合物电解质膜燃料电池(以下简称PEMFC)在燃料电池领域得到了发展。由于该PEMFC具有极好的输出性能、低的工作温度以及迅速启动和响应的性能，所以它的应用范围广泛如用于机动车辆的移动电源、家庭或建筑物用的分布式电源和用于电子装置的小尺寸电源。

该PEMFC系统典型地包括堆(stack)、重整器、燃料箱和燃料泵。堆形成由多个单元电池组成的发电组件，燃料泵将燃料箱中储备的燃料供应给重整器。该重整器重整燃料以产生氢气并将该氢气供应给堆。

因此，该PEMFC系统通过燃料泵的工作将存储在燃料箱中的燃料供应给重整器，该燃料在重整器中重整以产生氢气。然后，将氢气供应给堆。通过一分离泵也将空气供应给堆。随后，氢气和空气中的氧气在堆中发生电化学反应以产生电能。

在前边提到的燃料电池系统的堆中，氢和氧之间的反应产生预定温度的热量，该热量对堆的稳定性和性能产生不好的影响。

而且，在传统的燃料电池系统中，供应给堆的空气要预热以将堆中的驱动温度维持在合适的水平。在这种情况下，预热空气消耗的能量减少了整个系统的性能效率。

发明内容

依照本发明，提供一种用于燃料电池的冷却装置和具有该装置的燃料电池系统，由此能够提高堆的冷却效率。此外，本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够重复利用已经用于冷却堆的冷却介质。

本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池的冷却装置，该冷却装置通过向接收发电单元的空间提供冷却介质来冷却在发电单元中产生的热量，并且引导冷却介质通过发电单元以将其排出到接收空间的外部。

用于燃料电池的冷却装置可包括：用于接收发电单元的外壳；和与外壳连接并向发电单元提供冷却介质的冷却介质供应单元。外壳可以包括：具有用于接收发电单元的空间的主体；与主体连接以收集通过发电单元的冷却介质的引导区；和与引导区连接以将冷却介质排出外壳外部的排出单元。

在接收空间内可以安置一个或多个发电单元，以及冷却介质会沿着穿插在发电单元间的冷却通道流动。

冷却介质供应单元可包括风扇，该风扇将空气吸入并将空气排出到接收空间。

引导区可朝着排出单元形成为内径渐减的漏斗形。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池系统，包括：通过氧和氢之间的反应产生电的发电单元；向发电单元提供氢的燃料供应源；在燃料电池系统的开始工作期间向发电单元提供氧的主要供氧源；向发电单元提供冷却介质以冷却在发电单元中产生的热量的冷却装置；和收集通过发电单元而被加热的冷却介质并将冷却介质供应给发电单元的次要供氧源。

发电单元可以包括隔膜和插入其间的膜电极组件(MEA)。

在燃料电池系统中可以安置一个或多个发电单元以形成堆，堆是发电单元的组合结构。

堆可以具有使冷却介质通过相邻的发电单元的冷却通道。可以通过组合各个槽来形成冷却通道，其中该槽形成于其中一个分隔件的一个面与相对的一个分隔件的一个面相邻的空间内。

冷却通道可以通过组合安置在分隔件的相邻面的每个表面上的槽来形成。

冷却通道可以形成于放置在发电单元之间的冷却板内。

燃料供应源可以包括：用于储备燃料的燃料箱；和与燃料箱连接以提供燃料的泵。

次要供氧源可包括与外壳的排出单元连接以吸取从排出单元排出的冷却介质并且将冷却介质供应给发电单元的泵，并且该泵可以包括用于吸取冷却介质的入口和用于输出冷却介质的出口。

附图说明

图1是说明根据本发明一个示例性实施例的燃料电池系统结构的简化的结构图。

图2是说明图1的燃料电池系统内的堆结构的分解透视图。

图3是说明如图1所示的冷却装置的结构的横截面图。

图4是沿着图3中的线I-I截取的横截面图。

图5是说明根据本发明第二实施例的燃料电池系统内的堆结构的分解透视图。

图6是说明当组装图5中的堆时的横截面图。

具体实施方式

现在参照图1，燃料电池系统100采用PEMFC型系统，其中通过重整包含氢的燃料来产生氢气。然后氢气与氧化性气体进行电化学反应以产生电能。此外，系统100可以使用存储在单独的存储容器中或简单地包含在空气中的氧气作为氧化性气体与氢气反应。在下文中，假设使用包含在空气中的氧气。

根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统100包括：通过氧和氢之间的电化学反应产生电能的至少一个发电单元11、向发电单元11提供氢气的燃料供应源30、在系统100最初的操作期间向发电单元11提供氧气的主要供氧源50、和向发电单元11提供冷却介质以冷却在发电单元11中产生的热量的冷却装置70。

发电单元11接收来自燃料供应源30的氢和来自主要供氧源50和次要供氧源90的氧，通过氧和氢之间的电化学反应以产生电能，这将在下文中描述，从而构成燃料电池的基本单元。

根据本发明的燃料电池系统100包括多个串联连接的发电单元11以构成发电单元11的组合，称为堆10。

燃料供应源30包括：用于存储液态燃料的燃料箱31、通过预定的泵压力水平释放存储在燃料箱31中的燃料的燃料泵33、用于接收来自燃料箱31中的燃料以从燃料中产生氢气并将氢气供应给堆10中的发电单元11的重整器35。

在燃料供应源30中，在本领域中称之为“燃料处理器”的重整器35与燃料箱31和堆10连接。重整器35包括重整反应单元36和至少一个一氧化碳除去单元37，该重整反应单元36通过重整催化反应如蒸汽重整、部分氧化、自然热反应等从燃料中产生氢气，该一氧化碳除去单元37通过使用催化反应如水气转换反应、优先氧化反应等或用分离隔膜提纯氢来减少含在氢气中的一氧化碳的浓度。上述提及的重整器35可以具有与代表性的PEMFC型重整器相似的结构，因此以下将不对其进行详细描述。

此外，在系统100的开始工作期间向堆10中的发电单元11提供氧气的主要供氧源50包括吸取外部空气并将其输到发电单元11的第一空气泵51。

作为选择，根据本发明的燃料电池系统100可以使用DMFC配置，通过向堆10直接提供燃料来产生电。与PEMFC系统相比，DMFC配置不需要具有重整器35而仅需要在如图1所示的燃料供应源30内有燃料箱31和燃料泵33。因此，下文中，以PEMFC系统100为例进行说明。

现在，将更加详细地描述根据本发明的具有示例性的堆。

图2是说明根据本发明第一实施例的燃料电池系统内的堆结构的分解透视图，图3是说明如图1所示的冷却装置结构的横截面图，以及图4是沿图3中的线I-I的截面图。

如上提及的，该系统100的堆10包括发电单元11的组合。这种发电单元11包括MEA12和放置在其两侧的分隔件13(在本领域中也称为双极板)。

在MEA12中，阳极电极和阴极电极(未示出)相互对置而电解质薄膜插入其间。在这种结构中，阳极电极氧化氢使其转换为氢离子(即，质子)和电子。此外，阴极电极还原从阳极电极迁移过来的电子和氢离子以产生水和具有预定水平温度的热量。此外，电解质薄膜具有将阳极电极上产生的氢离子迁移到阴极电极上的离子交换功能。

分隔件13紧密地粘贴到插入其间的MEA12的两侧以将重整器35中产生的氢气供应到MEA12的阳极电极上，并且将空气供应到MEA12的阴极电极上。此外，分隔件13具有用于串连连接阳极电极和阴极电极的传导体功能。

在堆10的最外侧，分别安置输入压力板15和输出压力板15′以给发电单元11提供压力。然而，根据本发明的堆可以构造为没有输入和输出压力板15、15′。作为替换，在发电单元11中的最外侧的一个分隔件可以起到压力板的功能。除这种功能外，如上所述，堆可以配置成具有分隔件13的普通功能。

此外，输入压力板15包括将氢气供应到发电单元11的第一入口15a和将空气供应到发电单元11的第二入口15b。输出压力板15′包括第一输出口15c和第二输出口15d，第一输出口15c在反应后将发电单元11中剩余的氢气排出，第二输出口15d用于排出氢和氧反应产生的水分和同氢反应后在发电单元11中残留的空气。在这种构型中，第一输入口15a可以与重整器35的一氧化碳除去单元37连接，以及第二输入口15b可以与主要供氧源50和次要供氧源90连接，这将在下文中描述。

在根据本发明的燃料电池系统100内反应期间，上述提及的发电单元11中的还原反应产生热量。该热量使MEA12变得干燥，从而导致整个堆10的性能下降。

因此，燃料电池系统100构造为向整个堆10提供冷却介质(即，冷却装置70)以冷却堆10中产生的热量。

根据本发明的实施例，冷却装置70包括用于接收整个堆10的外壳71和将冷却介质输入到外壳71内部的冷却介质供应单元77。根据本发明的一个实施例，冷却介质可以是液态冷水。在另一实施例中，冷却介质可以是气态的。从而，由于空气很容易从自然界中获得并且其比堆10内的空气具有更低的温度，因而外部空气可以用作冷却介质。

壳71具有安装堆10的接收空间并且还具有引导、收集通过堆10的空气和然后将其排出到外部空间的这么一种结构，通过堆10的空气即为被加热到比由于冷却堆10中产生的热量而从冷却介质供应单元77中输出的冷却空气具有更高温度的空气。

更特别地是，外壳71包括具有上述接收空间的主体、延伸到主体71a的一个面上以引导热空气的引导区71b、和延伸到引导区71b的一个面上以将热空气排出到外壳71外部的排气管71c。

在这种结构中，主体71a可形成为圆柱状或矩形柱状，引导区71b可形成为朝向排气管71c内径渐减的漏斗形状。该漏斗的横截面可以是多边形形状如圆形或矩形形状。

此外，为了将冷却空气供应到外壳71的接收空间内，在外壳71的上部安置有冷却介质供应单元77。冷却介质供应单元77包括至少一个风扇78，其在预定的旋转力强度下从外部获得冷空气并将空气排出到外壳71的接收空间内。作为选择，除风扇外，冷却介质供应单元77可以安置有代表性的通风设备如泵或鼓风机。

在上述的堆10中，冷却通道17安置在相邻的发电单元11之间以使从冷却介质供应单元77提供的冷却空气流动。

当其中一个发电单元11中的分隔件13与相邻的一个发电单元11中的另一分隔件13合并时，冷却通道17可以通过组合相对的槽17a而形成。在这种情况下，冷却通道17可以根据冷却空气的相对于分隔件13的流动方向在垂直或水平方向形成，但并不局限于这种构造。例如，冷却空气的流动方向可以是呈之字形移动的。

参照图1、3和4，根据本发明的燃料电池系统100包括次要供氧单元90，为了在开始工作后的正常工作期间通过使用上述的冷却装置70以冷却堆10中产生的热量，次要供氧单元收集具有相对高温度的被加热的空气以及将该被加热的空气供应到堆10的发电单元11中。该次要供氧源90向发电单元11的MEA12提供被氢离子还原的氧。

这种次要供氧源90包括第二空气泵91，其吸取从外壳71的排气管71c中排出的被加热的空气，并将该被加热的空气供应给堆10的发电单元11中。

第二空气泵91还包括连接到外壳71的排气管71c以吸取被加热的空气的入口91a和连接到堆10的第二入口15b以将被加热的空气输出到第二入口15b的第一出口91b。此外，第二空气泵91包括用于调节从第一出口91b供应到堆10的第二入口15b的空气量的第二出口。第二出口91c构造为选择性地输出通过入口91a供应的部分空气，以充分调节通过第一出口91b供应到堆10的空气量。

现在，将更加详细地描述根据本发明的燃料电池系统的工作。

首先，在燃料电池系统10的开始工作期间，燃料泵33工作以吸取燃料箱31中储存的燃料并且将该燃料供应到重整器35的重整反应单元36。然后，该重整反应单元36通过重整催化反应如蒸汽重整(SR)催化反应从燃料中产生氢气。在这种情况下，由于很难极好地进行重整催化反应，因而重整反应单元36产生含有少量作为副产品的一氧化碳的氢气。

随后，将该氢气供应到一氧化碳除去单元37中。该一氧化碳除去单元37通过水汽转换(WGS)催化反应或优先的CO氧化(PROX)催化反应减少含在氢气中的一氧化碳的浓度，并将该氢气供应到堆10的第一入口15a。

在这个过程中，通过驱动第一空气泵51将空气供应到堆10的第二入口15b。

结果，通过分隔件13将氢气和空气供应到发电单元11。在发电单元11内，包含在氢气中的氢和包含在空气中的氧之间的电化学反应产生了预定量输出电能。此外，在发电单元11中通过氧气的还原产生了预定温度的热量。在这种情况下，热量会传递到发电单元11的分隔件13上。

在这种情况下，运转风扇78以向外壳71的内部空间提供低温的冷却空气。然后，冷却空气通过安置在相邻发电单元11之间的冷却通道17以冷却传递到分隔件13上的热量。在这点上，当冷却空气通过冷却通道17时该冷却空气被加热、通过外壳71的引导区71b引导、以及随后通过排气管71c排出到外壳71的外部。

在开始工作之后的正常操作模式期间，燃料电池系统100运转第二空气泵91以吸取从排气管71c输出的被加热的空气，以及将该被加热的空气供应到堆10的第二入口15b中。在这种情况下，停止第一空气泵51的运转。另外，堆10的发电单元11不断地通过第一入口15a接收氢气。

当从第二空气泵91的第一出口91b供应到第二入口15b的空气量超过了与整个堆10的预定量输出电能相对应的空气量时，空气绕过第二空气泵91的第二出口91c，从而调整了空气量。

结果，堆10的发电单元11通过分隔件13接收氢气和空气，并通过包含在氢气中的氢和包含在空气中的氧之间的电化学反应产生电能。

因此，根据本发明的燃料电池系统100在开始工作后的正常工作期间通过重复一系列上述过程，就能够向包括便携式电子装置如笔记本和PDA、以及移动终端的特定负载提供预定量电能。

图5是说明在根据本发明第二实施例的燃料电池系统内使用的堆结构的分解透视图，图6说明组装图5的堆时的横截面图。

参照图5和6，根据本发明的堆20以这种方式配置，即，将冷却板26安置在相邻的发电单元21的分隔件23之间的每个空间内，并且将冷却通道27安置在冷却板26中以给冷却空气通风。当发电单元21产生电时，冷却板26将传递到分隔件23的热量排出从而起到散热器的作用。在这种情况下，冷却板26可以由热传导的材料如Al、Cu、Fe和它们的合金制成。此外，可以通过冷却板26的一侧到另一侧形成的冷却通道27让用于整个堆20的冷却空气顺畅通风。

根据第二实施例的堆20的其它组件与上述第一实施例的那些组件相似。

在根据本发明的冷却装置和使用该装置的燃料电池系统中，堆合并到外壳的内部空间中，将冷却空气输入到内部空间中，从而可以冷却在堆中产生的热量。因此，可以在整个堆上均衡热量分布以及将堆中的工作温度维持在合适的水平上。结果，可以保证堆的安全性、以及也提高了整个堆的效率性能。

此外，根据本发明，由于在堆的冷却过程中被加热的空气可以再用来提供在堆中产生电所必需的氧，因而可以减少将空气供应给堆的泵的容量。而且，不需要预热供应给堆的空气。因此，可以减少能量损失。同样，由于可以减少驱动系统的能量消耗，因而可以进一步提高整个系统的性能效率和能量效率。

尽管在上文中针对某些示例性实施例已经详细地描述了本发明的实施例，但应当理解本发明不局限于公开的示例性实施例，而相反的是用于涵盖包含在本发明精神和范围内的如附加的权利要求书中所限定的各种改型和/或等同的配置。

Claims (15)

1、一种燃料电池系统，包括：

通过氧和氢之间的反应产生电的发电单元；

将氢供应给发电单元的燃料供应源；

在燃料电池系统的最初工作期间将氧供应给发电单元的主要供氧源；

将冷却介质供应给发电单元以冷却在发电单元中产生的热量的冷却装置；和

收集通过发电单元的被加热的冷却介质和将冷却介质供应给发电单元的次要供氧源。

2、如权利要求1的燃料电池系统，其中

发电单元包括分隔件和插入其间的膜电极组件，和

多个发电单元安置在燃料电池系统内以形成结合发电单元的堆。

3、如权利要求2的燃料电池系统，其中

该堆具有使冷却介质通过相邻的发电单元的冷却通道。

4、如权利要求3的燃料电池系统，其中

该冷却通道形成在一空间内，在该空间内其中一个分隔件的一个面与相对的一个分隔件的一个面相邻。

5、如权利要求4的燃料电池系统，其中

通过组合安置在分隔件的相邻面的每个表面上的槽来形成冷却通道。

6、如权利要求3的燃料电池系统，其中

该冷却通道形成于放置在发电单元间的冷却板中。

7、如权利要求2的燃料电池系统，其中该冷却装置包括：

具有用于接收堆的空间的外壳；和

与外壳连接将冷却介质供应到接收空间的冷却介质供应单元。

8、如权利要求7的燃料电池系统，其中该外壳包括：

具有接收空间的主体；

与主体连接以收集通过堆的冷却介质的引导区；和

与引导区连接将冷却介质排出到外壳外部的排出单元。

9、如权利要求8的燃料电池系统，其中该引导区形成为朝向排出单元具有内径渐减的漏斗形状。

10、如权利要求7的燃料电池系统，其中该冷却介质供应单元包括至少一个风扇，该风扇吸取空气并将空气排出到接收空间。

11、如权利要求1的燃料电池系统，其中该燃料供应源包括：

用于储备燃料的燃料箱；和

与燃料箱连接以供应燃料的泵。

12、如权利要求11的燃料电池系统，其中该燃料供应源包括重整器，该重整器接收来自燃料箱的燃料、产生氢气、并将该氢气供应给发电单元。

13、如权利要求1的燃料电池系统，其中该主要供氧源包括用于吸取空气并将该空气供应给发电单元的空气泵。

14、如权利要求8的燃料电池系统，其中该次要供氧源包括泵，该泵与外壳的排出单元连接以吸取从排出单元中排出的冷却介质并且将该冷却介质供应给发电单元。

15、如权利要求14的燃料电池系统，其中该泵包括用于吸取冷却介质的入口和用于输出冷却介质的出口。

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