CN1405911A - 燃料电池发电系统及其废热循环冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明主要是有关于一燃料电池发电系统及一种用于连接至一阳极气体供应源的燃料电池的废热循环冷却系统，主要包含：一储水槽，用于暂存燃料电池所产生的高温水、一热交换器与阳极气体供应源呈热传导连结、及一加压泵，用于将高温水加压供给热交换器，借此将高温水的热能用于释放阳极气体供应源中的阳极气体；其中经释出热能的冷却液则再继续被输送回燃料电池用以适当降低燃料电池反应所生的高温，形成一废热循环。

Description

燃料电池发电系统及其废热循环冷却系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池发电系统，尤其是一种应用于质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)发电系统中的废热循环冷却系统(waste heat recirculation system)。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能源，譬如煤、石油及天然气的消耗量持续攀高，造成地球严重的污染，导致温室效应及酸雨等环境的恶化。人类已清楚地体会认识到天然能源的存量是有限的，如果被持续地滥用，可能在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池(fuel cell)便是其中的一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相较，燃料电池具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
简而言之，燃料电池是一种将氢和氧通过电化学反应产生电能的发电装置，其基本上可说是一种水电解的逆反应，以将其化学能转换成电能。以质子交换膜燃料电池为例，其包含多个电池单体，每一电池单体的结构大致包含：一位于中央的质子交换膜(proton exchangemembrane，PEM)，其两侧各设一层催化剂，其外再各设置一层气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)，最外侧则分别设一阳极板与阴极板，将此构件紧密结合在一起后，即形成一电池单体。由于燃料电池在实际应用时，通常是将多个上述的电池单体堆栈串联起来，始能获得足够的发电功率；因此，互相串联邻接的电池单体，可以共享一电极板，以分别作为两个邻接电池单体中的阳极与阴极，故此电极板通常便称为双极板(bipolar plate)。双极板的两面通常皆设有许多沟槽，以输送用来反应的气体，如氢气与空气(以提供氧气)，并排出反应后的生成物，如热能、水滴或水气。
其中一种用于燃料电池中的气体供应系统，包含：一阴极气体供应系统(如氧气供应系统)，以及一阳极气体循环系统(如一氢气循环系统)，其大致如图1中所示。其中，氧气供应系统30可利用空气作为其供应源，经由一过滤器32(filter)将其过滤后，再利用一鼓风机34(blower)将空气加压输送至燃料电池50中；经燃料电池50反应后所排放的多余空气，则流经一水收集器36(water recuperator)后排出，水收集器36可将排放空气中可能含有的少量水份收集后，与燃料电池50反应后所排出的高温水同时排出，部分高温水则继续流经一散热器降温而流回燃料电池50中，构成一冷却系统，以冷却燃料电池50因反应所生的高热。
阳极气体循环系统则包含：一氢气供应源40，其以一调节阀42(regulation valve)控制氢气的输入量，燃料电池50的另一端，则设一氢气泵44(hydrogen pump)，以排出反应后剩余的氢气，同时亦可促进氢气供应源40的氢气输入燃料电池50中，排出的剩余氢气随后通过一增湿装置46(humidifier)，以增加剩余氢气的湿度。此排出的剩余氢气然后回流至氢气供应源的管线中，与新鲜供应的氢气混合并重复上述循环。
目前用于装载阳极气体(氢气)的装置，多采用一装载有高压氢气的储氢容器，通过外加阀件及氢气泵44的工作，使释出氢气供应阳极气体循环系统以进行反应；但这种释氢设计，往往无法获得一定压及定量的氢气供应，形成多余氢气必需排出的浪费情形，间接使得电池反应效率不彰。
因此，势有必要提供一种较为稳定的氢气供应系统，其毋需增添现有构件即可达成定压及定量释氢且不浪费氢源的目的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池发电系统，其可形成一自给式热能供应系统，以降低生产成本，又可减少应用该燃料电池的系统所需消耗的电能，提高系统整体的发电效率。
本发明的另一目的在于提供一种用于燃料电池发电系统的废热循环冷却系统，其可构成一能量完全不流失且毋需增添其它设备，即将金属氢化物技术有效运用于燃料电池上的废热循环冷却系统。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种燃料电池发电系统，包含：一燃料电池，具有一阳极气体输入端，一阳极气体输出端，一阴极气体输入端，一阴极气体输出端，一电能输出端，一废热输出端及一冷却液输入端；一阳极气体循环系统，跨接于该阳极气体输入端及阳极气体输出端之间，其具有一阳极气体供应源，与该阳极气体输入端相连通；一阴极气体供应系统，与该阴极气体输入端相连通；一废热循环冷却系统，跨接于该废热输出端及该冷却液输入端之间，其具有：一储水槽，与该废热输出端相连通，以产生高温水；一热交换器，与该阳极气体供应源呈热传导连结；一加压泵，设于该储水槽与热交换器之间。
本发明还提供一种用于燃料电池发电系统的废热循环冷却系统，包含：一储水槽，与该废热输出端相连通，以产生高温水；一热交换器，与该阳极气体供应源呈热传导连结；一加压泵，设于该储水槽与热交换器之间。
换言之，本发明的主要技术，即是应用一种所谓的金属氢化物(metal hydride)，装载于供应阳极气体(氢气)的装置中，这种金属氢化物在特定温度状态下，可在一相对应的压力释放氢气，其释放氢气的过程为一吸热反应(endothermic reaction)。金属氢化物所在的特定温度与其所释放氢气的压力间稳定地呈一具有正向斜率的线性关系，这种线性关系根据不同制造商所制造的金属氢化物的特性有所不同。因此，应用这种阳极气体供应源时，必需对阳极气体供应源提供相对的热能，以释放用于电化学反应的固定压力的阳极气体。
本发明的优点是：本发明即利用燃料电池本身的废热，直接供应燃料电池中使用金属氢化物作为其阳极气体供应源所需的热能，亦即将燃料电池因电化学反应所产生的高温水用于定压释放阳极气体供应源中的阳极气体的热能来源，最后再将经冷却的高温水转换成冷却液，导回该燃料电池中以提供其适当的冷却，在不影响原先冷却循环系统的架构下，便可自行供应阳极气体供应源所需的稳定热源。因此，其可有效再利用现有燃料电池反应所生成的废热，降低该燃料电池系统所需消耗的电能，提高系统整体的发电效率。
本发明的燃料电池发电系统即为针对使用金属氢化物作为其阳极气体供应源的燃料电池，利用燃料电池本身因电化学反应所产生的高温水的热能，将其用于释放阳极气体供应源中的阳极气体，形成一自给式热能供应系统，以降低生产成本，又可减少应用该燃料电池的系统所需消耗的电能，提高系统整体的发电效率。
本发明的用于燃料电池发电系统的废热循环冷却系统，通过将该自给式热能供应系统直接再结合燃料电池本身所需的冷却系统，以构成一能量完全不流失且毋需增添其它设备，即可将金属氢化物技术有效运用于燃料电池上的废热循环冷却系统。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是现有燃料电池中气体供应系统的示意图；
图2是显示包含本发明废热循环冷却系统的较佳实施例的燃料电料的示意图；及
图3是显示适用本发明的热交换器及储水槽。
图中符号说明：
30    氧气供应系统
32    过滤器
34    鼓风机
36    水收集器
40    氢气供应源
42    调节阀
44    氢气泵
46    增湿装置
50    燃料电池
122   氢气供应源
150   燃料电池发电系统
152   阳极气体输入端
153   阳极气体输出端
154   阴极气体输入端
155   阴极气体输出端
156   电能输出端
158   废热输出端
159   冷却液输入端
160   废热循环冷却系统
162   储水槽
163   加压泵
164   热交换器
166   储水槽的出水孔洞
167   热交换器的入水口
168   热交换器的出水口
1642  热交换器的水道
170   散热器
具体实施方式
本发明燃料电池的废热循环冷却系统160，主要是用于一种使用金属氢化物作为其阳极气体(氢气)供应源122的燃料电池发电系统150，该燃料电池发电系统150主要包含：一燃料电池50，其具有一阳极气体输入端152，与一氢气供应源122相连通、一阴极气体输入端154，与大气相连通、一电能输出端156、一废热输出端158、及一冷却液输入端159；该废热循环冷却系统160包含：一储水槽162，与废热输出端158相连通，用于利用燃料电池150反应后所产生的废热，将储水槽162中的水升温、一热交换器164包覆于阳极气体供应源(即氢气供应源)122之外，与之呈热传导连结、及一加压泵163，设于储水槽162与热交换器164之间，用于将高温水加压供给予热交换器164，藉此将储水槽162中高温水的热能提供给阳极气体供应源122中的金属氢化物，以定压释放出阳极气体，最后该利用完成的高温水将被转换成冷却液；该冷却液经由冷却液输入端159被输送回燃料电池50，用以冷却燃料电池50的温度，使其维持一定的较低工作温度继续有效进行反应。
根据本发明的一实施例，经燃料电池50反应后所排放的多余空气，可经由一阴极气体输出端155流至一水收集器36后将其排出，并将所收集的少量排水一并集中至储水槽162。经燃料电池150反应后剩余的氢气，可经由一阳极气体输出端153通过一氢气泵44将其输送至一增湿装置46，以增加剩余氢气的湿度。此排出的剩余氢气然后回流至氢气供应源的管线中，与新供应的氢气混合并重复上述循环。
图3显示其中一种适用本发明的热交换器164及储水槽162的示意图。在此实施例中，热交换器164包含多条流经氢气源供应源122周围的水道1642，该水道1642与该储水槽162相连通，使高温水可经由该水道1642流经氢气供应源122周围。
如图3所示，高温水经由设于储水槽162下端的一出水孔洞166流出储水槽162，接着经由加压泵163被供给进入位于热交换器164一端下方的多个入水口167而流入水道1642，再经由设于交换器164同一端上方的多个出水口168流出水道。经由将高温水流经氢气源供应源122周围的方式，高温水的热能被传导至氢气源供应源122。
如前所述，氢气供应源122内的金属氢化合的释放氢气的过程为一吸热反应，因此，高温水的热能恰可提供此一吸热反应所需的能量，使氢气供应源122内的金属氢化物可在一预先选定的温度下以一相对应的压力释放氢气。事先控制所选定温度的方法，可采用现有的温度传感器、控制器等来达成，在此不予赘述。而热交换器164及燃料电池150的冷却液输入端159之间，可增设一散热器170，用于进一步降低离开热交换器164高温水的温度，以形成适当的冷却液，为燃料电池159提供有效的冷却。
再者，在本发明的较佳实施例中，储水槽162内所提供的高温水在未经热交换器164之前，亦可部分被导通至增湿装置46，以增加剩余氢气的湿度，而部分导通至另一去离子过滤装置中(图未示出)，以形成另一纯化水的次循环，使整体冷却循环优质化，不致污染燃料电池50，而影响其工作效率。
因此，将本发明的废热循环冷却系统160运用于一质子交换膜燃料电池中，可直接携带燃料电池50本身所产生的热能用于释放储存于氢气供应源内的氢气，之后又同时可提供用于冷却燃料电池50本身所需的冷却液，因而可免除高温水的排放浪费，降低零件成本、并可减少应用该燃料电池发电系统150所需消耗的电能，提高系统整体的发电效率。
本发明为一突破现有技术的新颖设计，然其亦可以其它的特定形式来实现，而不脱离本发明的精神和重要特性。因此上述所列的技术实施方式在各方面都应被视为例示性而非限制性实施例，而所有的改变只要合乎本发明权利要求书所定义的范围或为其技术实施方式等效者，均应包含在本发明的保护范畴内。

Claims (8)

1.一种燃料电池发电系统，包含：
一燃料电池，具有一阳极气体输入端，一阳极气体输出端，一阴极气体输入端，一阴极气体输出端，一电能输出端，一废热输出端及一冷却液输入端；
一阳极气体循环系统，跨接于该阳极气体输入端及阳极气体输出端之间，其具有一阳极气体供应源，与该阳极气体输入端相连通；
一阴极气体供应系统，与该阴极气体输入端相连通；
一废热循环冷却系统，跨接于该废热输出端及该冷却液输入端之间，其具有：
一储水槽，与该废热输出端相连通，以产生高温水；
一热交换器，与该阳极气体供应源呈热传导连结；
一加压泵，设于该储水槽与热交换器之间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：该热交换器包括：
多条流经氢气供应源周围的水道，该水道与该储水槽相连通，使该高温水可经由该水道流经该氢气供应源周围。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于：该氢气供应源内装载有金属氢化物。
4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：该系统进一步包含：一散热器，设于该热交换器及该燃料电池的冷却液输入端之间，用于使离开该热交换器的高温水加速降温。
5.一种用于燃料电池发电系统的废热循环冷却系统，包含：
一储水槽，与该废热输出端相连通，以产生高温水；
一热交换器，与该阳极气体供应源呈热传导连结；
一加压泵，设于该储水槽与热交换器之间。
6.根据权利要求5所述的废热循环冷却系统，其特征在于：该热交换器包括：
多条流经氢气供应源周围的水道，该水道与该储水槽相连通，使该高温水可经由该水道流经该氢气供应源周围。
7.根据权利要求5所述的废热循环冷却系统，其特征在于：该氢气供应源内装载有金属氢化物。
8.根据权利要求5所述的废热循环冷却系统，其特征在于：该系统进一步包含：一散热器，设于该热交换器及该燃料电池的冷却液输入端之间，用于使离开该热交换器的高温水加速降温。
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