CN1529920A - 包括集成阴极废气冷凝器和堆冷却器的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统(10)，包括燃料电池堆(11)和集成热交换器单元(12)。该集成热交换单元(12)包括并排设置的燃料电池堆冷却器(14)和阴极废气冷凝器(16)，其中由并行流过冷却器(14)和冷凝器(16)的公共冷却气流(18)冷却燃料电池堆冷却器(14)和阴极废气冷凝器(16)。

Description

包括集成阴极废气冷凝器和 堆冷却器的燃料电池系统

技术领域

本申请涉及燃料电池系统，具体涉及包括阴极废气冷凝器和堆(stack)冷却器的燃料电池系统。

背景技术

由于燃料电池在效率和发热上具有优势，随着对矿物燃料供给和传统矿物能源环境影响的关心程度日益增长，利用燃料电池作为发电设备和/或作为车辆能源的兴趣不断增长，传统矿物燃料能源如用于车辆的内燃机。不过，在燃料电池可广泛使用，特别是用于车辆之前，要求提高承受性和小型化。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种新型、改进的燃料电池系统。

本发明的另一目的在于提供一种与传统燃料电池系统相比人们更加能承受得起的燃料电池系统。

本发明的又一目的在于提供一种与传统燃料电池系统相比能制造得更加紧凑的燃料电池系统。

本发明的再一目的在于提供一种能用于车辆用途的改进的燃料电池系统。

根据本发明包括燃料电池堆和集成热交换器单元的燃料电池系统可实现至少一个或多个上述目的。燃料电池堆包括用于接收燃料流的阳极气体入口，用于接收氧气流的阴极气体入口，排出阴极废气的阴极排气管，和使冷却剂通过燃料电池堆的冷却剂通道。

在一种形式中，集成热交换器单元包括并排设置的阴极废气冷凝器和燃料电池堆冷却器，由并行流过冷凝器和冷却器的共同冷却气流冷却。冷凝器包括与冷却气流成热交换关系的冷凝路径，避免热从阴极废气传到冷却气流中；与阴极排气管流体导通，接收阴极废气并与冷凝路径连接，并将阴极废气分送到冷凝路径的第一进气歧管；以及与冷凝路径相连用于从其接收阴极废气的第一出气歧管。燃料电池堆冷却器包括与冷却气流处于热交换关系，避免热从冷却剂传送到冷却气流的冷却剂路径；与燃料电池堆的冷却剂通道流体连通用于从其接收冷却剂，并与冷却剂路径相连以将冷却剂分送到冷却剂路径的第二进气歧管；以及与冷却剂路径相连用于从其接收冷却剂，并与燃料电池堆的所述冷却剂通道流体连通用于将冷却剂引导到该处的第二出气歧管。

在一种形式中，集成热交换器单元还包括与冷凝器和冷却器连接，用于引导冷却气流从风扇系统通过冷凝器和冷却器的公共风扇护罩(fan shroud)。

在一种形式中，冷凝路径和冷却剂路径包括多个并行、分隔的热交换管。第一和第二进气歧管包括一个与热交换管的第一端相连的公共入口上水箱；和流体密封于该公共入口上水箱中、防止阴极废气与冷却器混合的第一隔板。第一和第二出气歧管包括一与热交换管的第二端相连的公共出口上水箱；以及流体密封于该公共出口上水箱中防止阴极废气与冷却剂混合的第二隔板。

在一种形式中，集成热交换器单元包括与公共冷却气流处于热交换关系的多个分离的热交换管；一与热交换管的第一端相连的公共入口上水箱；流体密封于该入口上水箱中将入口上水箱分成第一和第二进气歧管的第一隔板；一与热交换管的第二端相连的公共出口上水箱；以及流体密封于该出口上水箱中将出口上水箱分成第一和第二出气歧管的第二隔板。第一进气歧管与阴极排气管流体连通，从中接收阴极废气并将阴极废气分送到第一组热交换管。第一出气歧管从第一组热交换管接收阴极废气。第二进气歧管与燃料电池堆的冷却剂通道流体连通，从中接收冷却剂并将冷却剂分送到第二组热交换管。第二出气歧管与燃料电池堆的冷却剂通道流体导通，将冷却剂从第二组热交换管引导到该处。第一和第二组热交换管设置成，使公共冷却气流并行流过第一组热交换管和第二组热交换管。

从下面结合附图的说明书和权利要求书，显然可以得出其他目的和优点。

附图说明

图1为体现本发明的包括燃料电池系统和集成热交换器单元的燃料电池系统的示意图；

图2为用于实现本发明燃料电池系统的集成热交换器单元的正视图；

图3为沿图2中的线3-3作出的侧视图；

图4为用于本发明燃料电池系统的集成热交换器单元的另一实施例的正视图；

图5为与图2-4的集成热交换器单元一起使用的风扇护罩的正视图；以及

图6为沿图5中的线6-6作出的视图。

具体实施方式

附图表示甲醇重整器燃料电池系统形式、体现本发明的包含燃料电池堆11和集成热交换器单元12的燃料电池系统10，如常常提议用于车辆应用中。该集成热交换器单元12包括并列设置的由18表示出的公共冷却气流冷却的燃料电池堆冷却器14和阴极废气冷凝器16，公共冷却气流并行流过冷却器14和冷凝器16。甲醛是车辆应用中的一种首选燃料，因为其易于重整成阳极气体，并且因为消费者易于获得，应该理解本发明可用于任何类型的包括阴极废气冷凝器和燃料电池堆冷却器的燃料电池系统，包括非车辆燃料电池应用。因此，除非权利要求中具体记载的，否则不限于特定类型的燃料电池系统。

用20表示与燃料电池系统10一起工作的其余部件。因为它们对于本发明的理解并不重要，还因为有多种众所周知并且传统的可以与系统10一起使用的类型，部件20没有详细说明。对于车辆应用而言，部件20一般包括水箱，甲醛箱，燃料喷雾器，重整炉和催化炉，气体净化反应器和压缩机/膨胀机，所有这些部件都是已知的。水箱储存系统水和从燃料电池堆11的阴极废气回收的水。在典型操作过程中，点火期间由电池，或者操作期间由燃料电池堆11发出的电电驱动，按照所需比例从水箱量取水和从甲醛箱量取甲醛到燃料喷雾器中，成为水/甲醛汽化混合物。该汽化混合物被输送到重整炉和催化炉，将重整产物(氢，水，一氧化碳和二氧化碳)排放到气体净化反应器中，气体净化反应器将重整产物中一氧化碳的含量降低到不会阻碍燃料电池堆11的程度。气体净化反应器将燃料以阳极气体的形式(氢，二氧化碳和水)排放到燃料电池堆10的阳极。压缩机/膨胀机将燃料电池堆11排出的气体膨胀，并压缩输送到燃料电池堆阴极的空气。操作过程中利用燃料电池堆11产生的电能，驱动系统中的泵、马达等，并提供系统驱动负载的电能。可使用电池能量进行点火。在车辆牵引系统中，负载一般为与车辆牵引系统连接的马达。

燃料电池堆11包括，用于将通常为富含氢的阳极气体的燃料输送到燃料电池堆11阳极的阳极气体入口30；用于将通常为空气形式的氧气输送到燃料电池堆11阴极的阴极气体入口32；用于从燃料电池的阳极排放气体的阳极排气管34；用于从燃料电池堆11的阴极排放阴极气体的阴极排气管36；以及用于使冷却剂通过燃料电池堆11以阻止燃料电池堆11产生的热传到冷却剂以便保持燃料电池堆11处于所需工作温度的冷却剂通道38。如前面所述，本发明可以使用使热不能传到冷却剂以获得燃料电池堆所需温度的任何燃料电池堆。例如，本发明可以使用质子交换膜燃料电池，碱性燃料电池，磷酸燃料电池，固体氧化物燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，直接甲醛燃料电池和再生燃料电池。由于有许多已知和传统类型的其结构和操作是众所周知的燃料电池，燃料电池堆11的具体细节高度依赖于所选择的燃料电池类型和特定应用的操作参数，为了简单起见此处将不提供燃料电池堆11的进一步说明。

图2和3表示集成热交换器单元12的一种可能实施方式。如前面所述，冷却器14和冷凝器16被设置成并排关系、被箭头18所示的并行流过冷凝器16和冷却器14的公共冷却气流冷却。一般在车辆应用中，集成热交换器单元12安装在某一位置，如车辆前部，其中对于至少一部分操作周期，可以以车辆向前运动产生的冲击气体的形式提供冷却气流18。集成热交换器单元12包括与公共冷却气流18处于热交换关系的多个热交换管40，其中一组42管子60限定用于阴极废气冷凝器16的冷凝路径43，和另一组44管子40限定用于燃料电池堆冷却器14的冷却剂路径45。在集成热交换器单元12的所示实施例中，管子40彼此平行地并排间隔开，S形散热片46处于相邻管子40对之间的空间中。管子42的端部48与冷凝器16的进气歧管50相通，而冷凝器16与阴极排气管36流体连通，用于通过进气口51从其接收阴极废气，并将阴极废气分送到管子42中。管子42的另一端52与冷凝器16的出气歧管53相通，冷凝器16用于接收来自管子42的阴极废气和冷凝物，并从出气口54将其引导到系统10。同样，管子44的端部60与冷却器14的进气歧管62相通，其中冷却器14与冷却剂通道38流体连通，用于通过进气口64从其接收冷却剂，并将冷却剂分送到管子44内部。管子44的相对端66与同冷却剂通道38流体连通、用于将冷却剂从管子42通过出气口70引导到该处的出气歧管68。

在所示实施例中，冷凝器16与冷却器14在其由一对板74、75限定的界面72处相连，通过适当技术如铜焊，环氧树脂或焊接粘接构成一对板74、75。板74、75遍布集成热交换器单元12的整个高度延伸。集成热交换器单元12还包括一对U形通道形式的侧板76，与歧管50，53，62和68在结构上相连，为集成热交换器单元12供结构支撑和强度，并为用于将集成热交换器单元12安装到与系统10有关的结构的多个安装支架77提供结构支撑。

如在图4中可以看出，还可以为另一种结构，其中集成热交换器单元12包括一带有隔板80的公共入口上水箱78，其中隔板80流体密封于入口上水箱78中，分隔冷凝器16和冷却器14的进气歧管50，62，从而防止阴极废气与冷却剂混合。同样，集成热交换器单元12包括一带有第二隔板84的出口上水箱82，其中隔板84流体密封于上水箱82中，分隔冷凝器16和冷却器14的出气歧管53，68，从而防止阴极废气与冷却剂混合。作为另一种可选择的方案，该结构中可以不使用板74，75。虽然每个上水箱78，82为一个圆柱形箱形结构，不过应该理解有多种已知的热交换器上水箱结构可用于集成热交换器单元12中。例如，可以由容纳管子端部的顶盖形成箱78，82，而铜焊到顶盖的单独的箱板构成歧管50，53，60，68。此外，箱78可以采用与箱82不同的结构。另外，根据上水箱的特定结构，有多种已知类型的隔板80，84可以用于上水箱78，82中。因此，此处为了简单起见，不对这些部件进行进一步描述。

虽然所示出的集成热交换器单元12的实施例具有设置成并行流动型结构的平面管，不过在有些应用中使用其他类型的管子、管子排列是有利的，只要冷凝器16与冷却器14设置成并列关系以使公共气流18并行通过冷凝器16与冷却器14流动。例如，在某些应用中冷凝器16和冷却器14其中之一或两者使用圆管，散热片和/或S形管是有利的。同样，虽然冷凝器16和冷却器14表示成尺寸相等，具有相同数量和尺寸的管子40，不过应该理解可以改变冷凝器16与冷却器14的相对尺寸，并且根据特定应用的参数进行改变。

如图5和6中所示，集成热交换器单元12还可以包括一附着于冷凝器16和冷却器14，在冷凝器16和冷却器14与风扇系统92之间引导气流18的公共风扇护罩90。虽然可以使用任何适当的附着方法，不过所示实施例中的公共风扇护罩90通过多个扣钉91与侧板76相连。在所示实施例中，由一对通过冷凝器16和冷却器14抽取气流18的风扇形成风扇系统92。不过，应该理解在某些应用中，风扇系统92仅包括一个通过冷凝器16和冷却器14抽取气流18的风扇是有利的。同样，虽然所示实施例表示出安装在风扇护罩90上的风扇系统92，不过在某些实施例中将风扇系统92安装在与系统10有关的其他结构上是有利的。

应该理解系统10与传统燃料电池系统相比，通过将阴极废气冷凝器16与燃料电池堆冷却器14结合成集成热交换器单元12，可以增加紧凑度。同样，应该理解系统10与传统燃料电池系统相比，可以降低成本，因为集成热交换器单元12需要更少部件，并且与更传统的结构相比安装简单。另外，应该理解通过使用公共气流18，集成热交换器单元12与需要分离气流或其他冷却剂的更传统的结构相比，可以增大效率。此外，单气流18具有可将燃料电池系统10装配在车辆应用中的优点，集成热交换器单元12可以使冷凝器16和冷却器14所需的空间和安装点最小。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，该系统包括：

燃料电池堆，包括接收燃料流的阳极入口，接收氧气流的阴极入口，排放阴极废气的阴极排气管，以及引导冷却剂通过燃料电池堆的冷却剂通道；和

集成热交换器单元，包括以并排关系设置的阴极废气冷凝器和燃料电池堆冷却器，以便被并行流过所述冷凝器和冷却器的公共冷却气流冷却；

所述冷凝器包括与冷却气流处于热交换关系的冷凝路径，以便不使热从阴极废气传到冷却气流；第一进气歧管，该第一进气歧管与阴极排气管流体连通，从其接收阴极废气并与冷凝路径连接，将阴极废气分送到冷凝路径；以及与冷凝路径连接用于从其接收阴极废气的第一出气歧管；

该燃料电池堆冷却器包括与冷却气流处于热交换关系以便不使热从冷却剂传到冷却气流的冷却剂路径；第二进气歧管，该第二进气歧管与燃料电池堆的冷却剂通道流体连通，从其接收冷却剂并与冷却剂路径相连，以将冷却剂分送到冷却剂路径；以及第二出气歧管，该第二出气歧管与冷却剂路径相连，以从其接收冷却剂并与燃料电池堆的所述冷却剂通道流体连通，以将冷却剂引导到其中。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述集成热交换器单元还包括附着于所述冷凝器和所述冷却器，以引导冷却气流从风扇系统通过阴极废气冷凝器和燃料电池堆冷却器的公共风扇护罩。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中：

所述冷凝冷却路径和所述冷却剂路径包括多个并行的、间隔开的热交换管；

所述第一和第二进气歧管包括一个与所述热交换管的第一端相连的公共进口上水箱，和流体密封于所述公共入口上水箱中以防止所述阴极废气与所述冷却剂互相混合的第一隔板；以及

所述第一和第二出气歧管包括一个与所述热交换管的第二端相连的公共出口上水箱，和流体密封于所述公共出口上水箱中以防止所述阴极废气与所述冷却剂混合的第二隔板。

4.一种燃料电池系统，该系统包括：

一燃料电池堆，包括一接收燃料流的阳极入口；一接收氧气流的阴极入口；一排放阴极废气的阴极排放管；以及一引导冷却剂通过燃料电池堆的冷却剂通道；和

集成热交换器组件，包括多个间隔的、与公共冷却气流处于热交换关系的热交换管；一与热交换管的第一端相连的公共入口上水箱；一流体密封于该入口上水箱中以将入口上水箱分成第一和第二进气歧管的第一隔板；一与热交换管的第二端相连的公共出口上水箱；以及流体密封于该出口上水箱中以将出口上水箱分成第一和第二出气歧管的第二隔板，该第一进气歧管与阴极排气管流体连通，以从其接收阴极废气并将阴极废气分送到第一组所述热交换管；该第一出气歧管从所述第一组热交换管接收阴极废气，该第二进气歧管与燃料电池堆的冷却剂通道流体连通，以从其接收冷却剂并将冷却剂分送到第二组所述热交换管，该第二出气歧管与燃料电池堆的所述冷却剂通道流体连通，以将冷却剂从所述第二组热交换管引导到该处，所述第一与第二组热交换管设置成使公共冷却气流并行流过所述第一和第二组热交换管。

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