CN1534817A - 液态冷却式燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种液态冷却式燃料电池系统，其包含燃料电池组、空气湿化器、鼓风机、供氢源、流量与压力调节装置、氢气循环器、冷却剂储槽、泵、热交换器、散热器、冷却风扇及控制电路。控制电路分别电性控制流量与压力调节装置、鼓风机、泵、冷却风扇及接收流量与压力调节装置两端的高压信号及低压信号与接收高温冷却剂及低温冷却剂的温度信号，氢气循环器接收燃料电池组中含有氢气的空气，并将此空气循环送入燃料电池组中，使燃料电池组通过氢气与氧气的电解水的逆反应，以产生水、直流电源与热；本发明即使工作在较大的负载时，也不会有缺水的现象；而且循环利用氢气，有效地增加氢气的反应效率；并可用于寒带地区。

Description

液态冷却式燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，且特别是有关于一种液态冷却式燃料电池系统。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是在1839年由William Grove所发明，其系一种将燃料(如氢气、甲醇、一氧化碳等)与氧化剂(如氧气)结合，经由电化学反应而产生电流的发电装置。燃料电池的种类一般依电解质的不同而区分为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，或称Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell，缩写为PEMFC，亦称为PEM)、碱性燃料电池(Alkaline FuelCell，AFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)及固态氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell，SOFC)等五种。
目前在各种干净能源的开发中，以质子交换膜燃料电池所做成的燃料电池组的技术最为成熟，其具有操作温度低、启动快速及高功率密度等特性，因此十分适合用于车辆运输工具及小型及分散型发电系统(如家用型发电装置及其他移动式、固定式发电装置)。
高功率输出的燃料电池组因所产生的热量较多，其通常采用水冷式来作为其冷却的方式，如图1为先前技术的系统方块图所示。
在图1中，由于燃料电池组102中的氧气与氢气必须在潮湿空气的环境下，才有较佳的电化学反应效果，所以在供应氢气给燃料电池组102的回路中安装一加湿器104，其目的是供应潮湿的氢气给燃料电池组102；然而，当燃料电池组102操作在高负载的情况时，则燃料电池组102的工作温度会上升至60℃～80℃，并且鼓风机106要吹入更多干燥及含有氧气的空气到燃料电池组102中以与氢气做电化学反应，如此，会造成燃料电池组102中电解质膜的水分流失，使燃料电池组102有缺水的现象，因此燃料电池组102的性能下降。
再者，储水槽108中的纯水是作为冷却燃料电池组102之用，其若是使用于寒带地区，会因纯水凝结成冰，而无法对燃料电池组102进行的冷却的工作。又，作为冷却燃料电池组102的冷却回路(包含储水槽108、泵110、热交换器112及散热器114)中，因为储水槽108没有排气装置，若冷却回路中产生气泡时，所累积的气泡会堵塞冷却回路的管线，而使得泵110空转，无法达到冷却燃料电池组102的预期效果。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种液态冷却式燃料电池系统，其提供对空气加湿的一回路，对加湿后的空气送入燃料电池组中；并且在具有通气孔的冷却剂储槽使用防冻的液态冷却剂，可使燃料电池系统使用在寒带地区，以及排放掉冷却回路中的气泡，避免堵塞冷却回路的管线。
本发明在于提供一种液态冷却式燃料电池系统，其包含一燃料电池组、一空气湿化器、一鼓风机、一供氢源、一流量与压力调节装置、一氢气循环器、一冷却剂储槽、一泵、一热交换器、一散热器、一冷却风扇及一控制电路。燃料电池组通过氢气与氧气的电化学反应，以产生水、直流电源与热；空气湿化器将大气中含氧气的空气加湿后送进燃料电池组；鼓风机将大气中含氧气的空气吹入空气湿化器中；供氢源储存氢气；流量与压力调节装置调节供氢源流入燃料电池组的氢气；氢气循环器接收燃料电池组中的氢气流，并将此氢气流循环送入燃料电池组中；冷却剂储槽是收集由燃料电池组所流出的具有此燃料电池组所产生的热的高温冷却剂，并具有通气孔来排掉此高温冷却剂中的气泡；泵是抽取出冷却剂储槽中的高温冷却剂；热交换器是将泵所送出的高温冷却剂的热量供应给供氢源；散热器是将经过热交换器后的高温冷却剂散热降温为低温冷却剂，并将此低温冷却剂送入燃料电池组中；冷却风扇冷却散热器中的高温冷却剂；以及，控制电路电性控制流量与压力调节装置、鼓风机、泵与冷却风扇。
综上，本发明的液态冷却式燃料电池系统，其有益效果在于：将大气中含氧的空气潮湿后再送入燃料电池组，这样即使燃料电池组的工作在较大的负载时，也不会有缺水的现象，燃料电池组也可以提供较大的工作电流；而且接收循环燃料电池组中的氢气，可有效地增加氢气的反应效率；并且在具有通气孔的冷却剂储槽使用防冻的液态冷却剂，可使燃料电池系统使用在寒带地区，以及排放掉冷却回路中的气泡，避免堵塞冷却回路的管线。
附图说明
图1为先前技术的系统方块图；
图2为本发明的系统方块图；
图3为本发明应用在电动车的方块图；
图4为本发明应用在交流发电装置的方块图；3及
图5为本发明应用在直流发电装置的方块图。
【元件编号的说明】
102，202燃料电池组               104加湿器
106，206鼓风机                   108储水槽
110，210泵                       112，212热交换器
114，214散热器                   200液态冷却式燃料电池系统
204氢气循环器                    208冷却剂储槽
215冷却风扇                      216空气湿化器
218合金储氢罐                    220流量与压力调节装置
222，224过滤器                   226间歇式排气阀
228单向阀                        230循环阀
232高压感测器                    234低压感测器
236，238热电偶                   240电池
242变压器                        244控制电路
246电磁阀                        248压力调节阀
302驱动马达                      304传动机构
402直流转交流转换器              404稳压器
具体实施方式
图2为本发明的系统方块图。在图2中，液态冷却式燃料电池系统200包含一燃料电池组202、一空气湿化器(Air Humidifier)216、一鼓风机(Blower)206、供氢源为一合金储氢罐218、一流量与压力调节装置(Flow andPressure Regulated Device)220、一氢气循环器(Hydrogen Recirculator)204、过滤器(Filter)222、224、一间歇式排气阀226、一单向阀228、一循环阀230、一冷却剂储槽208、一泵(Pump)210、一热交换器(Heat Exchanger)212、一散热器(Radiator)214、一冷却风扇215、一高压感测器232、一低压感测器234、一热电偶236、238、一电池240、一变压器242及一控制电路244。
燃料电池组202通过氢气与氧气的电化学反应，以产生水、直流电源与热。鼓风机206将大气中含氧气的空气吹入空气湿化器216中，鼓风机206另外经由旁路用的空气管路吹入大气中含氧气的空气至燃料电池组202，其目的是使燃料电池组202维持一定湿度的反应空气(即大气中含氧气的空气)。
空气湿化器216接收燃料电池组202中潮湿空气的水分，并与大气中含氧的空气混合成为反应气体后，将此潮湿的反应气体送进燃料电池组202中，这种设计除了可以提高燃料电池组202内氢气与氧气反应效果外，还有一点好处是：在燃料电池组202的工作温度高达40-60℃或以上，或操作于大负载，而使鼓风机206需要吹入大量的空气，因燃料电池组202内氢气与氧气反应会不断地产生水，会使得燃料电池组202中空气的含水量愈来愈高；因此由空气湿化器216接收燃料电池组202中过度潮湿的空气，来利用作为加湿反应用空气的进气，既可使得燃料电池组202不会有缺水的现象，又能使燃料电池组202可以维持应有的性能。
合金储氢罐(亦可为高压氢瓶)218是用以储存氢气。单向阀228设于合金储氢罐218的出口处，用以开启或关闭合金储氢罐218的氢气的流出。流量与压力调节装置220在单向阀228与燃料电池组202之间，用以调节合金储氢罐218流入燃料电池组202的氢气量，流量与压力调节装置220内包含一电磁阀246及一压力调节阀248。电磁阀246受控制电路244的控制，用以开启或关闭合金储氢罐218所流出的氢气的流通；压力调节阀248调节由电磁阀246所流出并流入燃料电池组202的氢气的压力。
高压感测器232设于单向阀228与流量与压力调节装置220之间，高压感测器232将在流量与压力调节装置220的高压端所测量的压力转换为具有电气性质的高压信号，并将此高压信号送至控制电路244，使控制电路244根据此高压信号来了解氢气源供应情况，并开启或关闭电磁阀246；同样地，低压感测器234设于流量与压力调节装置220与燃料电池组202之间，低压感测器234将在流量与压力调节装置220的低压端所测量的压力转换为具有电气性质的低压信号，并将此低压信号送至该控制电路244，使控制电路244根据此低压信号来开启或关闭电磁阀246，并可避免氢气压力过高损坏燃料电池组202。
氢气循环器204接收燃料电池组202中的氢气流，并将此氢气流循环送入燃料电池组202中，此接收循环的目的是为了使燃料电池组202中的静态氢气流产生流动效果，可提高电化学反应的性能，让氢气的反应效率增加。
过滤器222用以先将鼓风机206要吹入燃料电池组202与空气湿化器216中的空气过滤掉杂质。间歇式排气阀226(即一电磁阀)受控制电路244的控制，每隔一段时间便排掉燃料电池组202中与氢气混合的杂气及水份，如此，可保持与氧气电化学反应较佳的氢气纯度，如在氢气气体管道有积水时，也可藉机排出，可避免燃料电池组202内氢气与氧气的反应变差。
冷却剂储槽208收集由燃料电池组202所流出的高温冷却剂，该高温冷却剂是由低温冷却剂吸收燃料电池组202所产生的热而成的，并且由冷却剂储槽208的通气孔排掉此高温冷却剂中的气泡，若在冷却回路(包含冷却剂储槽208、泵210、热交换器212及散热器214)中产生气泡时，则可由冷却剂储槽208的通气孔排掉此气泡，如此不会使气泡累积阻塞管线，或者使泵210空转，而可以达到冷却燃料电池组202的预期效果。其中用以冷却燃料电池组202的冷却剂，可以使用加入防冻剂(如乙二醇)的水，如此可使液态冷却式燃料电池系统使用在寒带地区，而不会有水凝结成冰的情况发生。
泵210抽取出冷却剂储槽208中的高温冷却剂；过滤器224用于过滤泵210所送出的高温冷却剂中的杂质；循环阀230用于控制经过滤器224过滤后的高温冷却剂的流量。
热交换器212将泵210所送出的高温冷却剂的热量供应给供氢源的合金储氢罐218，因合金储氢罐218在释放氢气后会降低温度，其在接收热量后可容易释放出大量的氢气。散热器214将经过热交换器212后的高温冷却剂再度散热降温为低温冷却剂，并将此低温冷却剂送入燃料电池组202中，以降低燃料电池组202的工作温度。
热电偶(Thermal Coupler)236装设于燃料电池组202与冷却剂储槽208之间，热电偶236将在燃料电池组202的冷却剂出口处所测量的高温冷却剂的温度转换为电气信号，并将此电气信号送至控制电路244；同样地，热电偶238装设于燃料电池组202与散热器214之间，热电偶238将在燃料电池组202的冷却剂入口处所测量的低温冷却剂的温度转换为电气信号，并将此电气信号送至控制电路244；因此，控制电路244根据热电偶236与热电偶238所送来的电气信号来控制散热器214所附加的冷却风扇215是否起动及运转时的风量大小，使燃料电池202的工作温度维持在适当的温度。
控制电路244电性控制以下参数：①流量与压力调节装置220流入燃料电池组202的氢气；②鼓风机206吹入燃料电池组202与空气湿化器216的空气量；③间歇式排气阀226排掉与氢气混合的杂气及水份；④泵210抽取出冷却剂储槽208中的高温冷却剂；⑤散热器214所附加的冷却风扇215的起动及风量大小而将高温冷却剂散热降温为低温冷却剂；另外，控制电路244还可进行整个液态冷却式燃料电池系统200的自我检测(如合金储氢罐218的氢气的压力状态，鼓风机206、泵210、冷却风扇215、电磁阀246、间歇式排气阀226、燃料电池组202及控制电路244等是否正常)。
在本系统中，可加装一启动用电池240，如小型铅酸电池或其他种类的电池，以便系统开始运转时提供启动控制电路244与其他装置(如鼓风机304、泵210、冷却风扇215、电磁阀246与间歇式排气阀226等)的电力，同时可利用燃料电池组202所产生的直流电源，通过变压器242变压至适当的电压后，再对电池240充电，如此每次启动使用时，系统都可顺利运转。
大功率的液态冷却式燃料电池系统常应用在如机车、汽车等电动车或移动式或固定式的发电装置。图3为本发明应用在电动车的方块图，燃料电池组202可供应直流电源给一电动车(未绘示)的驱动马达302，并由驱动马达302带动电动车的传动机构304，如此便可使电动车移动。
再者，图4为本发明应用在移动式或固定式的交流发电装置的方块图，直流转交流转换器(DC/AC Converter)402将燃料电池组202所输出直流电源转换为具有市电频率(60/50Hz)的交流电源，稳压器404稳定直流转交流转换器402所转换的交流电源的电压，而使如此的系统成为市电频率的交流发电装置，而此直流转交流转换器402与稳压器404可依需要来产生不同频率的稳定交流电源。
又，图5为本发明应用在移动式或固定式直流发电装置的方块图，燃料电池组202的氧气及氢气在反应时，其所输出的电压会随着负载大小而变动，为使系统输出的直流电压稳定，故加装一稳压器404来稳定系统的电压，而使系统成为直流发电装置。
本发明的特征是：将大气中含氧的空气潮湿后再送入燃料电池组，这样即使燃料电池组工作在较大的负载时，也不会有缺水的现象，而且燃料电池组也可以提供较大的工作电流。
本发明的另一特征是接收循环燃料电池组中的氢气，可有效地增加氢气的反应效率。
本发明的再一特征是在具有通气孔的冷却剂储槽使用防冻的液态冷却剂，可使燃料电池系统使用在寒带地区，以及排放掉冷却回路中的气泡，避免堵塞冷却回路的管线。
本发明可在不离开本发明的精神及基本特征下作成各种特定的例示。本发明的范围为由随附的权利要求书所限定，而并非由上述说明所限制，所有与权利要求书意义相等的变化均应包含于本发明中。

Claims (11)

1.一种液态冷却式燃料电池系统，包含：
一燃料电池组，其通过氢气与氧气的电化学反应，以产生水、直流电源与热；其特征是：该系统还包括：
一空气湿化器，其将大气中含氧气的空气加湿后送进该燃料电池组中；
一鼓风机，其将大气中空气吹入该空气湿化器中；
一供氢源，其储存氢气，并供应该燃料电池组反应所需的氢气；
一流量与压力调节装置，其调节该供氢源流入该燃料电池组的氢气；
一氢气循环器，其接收该燃料电池组中的氢气流，并将此氢气流循环送入该燃料电池组中；
一冷却剂储槽，其收集由该燃料电池组所流出的具有该燃料电池组所产生的热的高温冷却剂，并设有用来排掉此高温冷却剂中的气泡的通气孔；
一泵，其抽取出该冷却剂储槽中的高温冷却剂；
一热交换器，其将该泵所送出的高温冷却剂的热量供应给该供氢源；
一散热器，其将经过该热交换器后的高温冷却剂散热降温为低温冷却剂，并将此低温冷却剂送入该燃料电池组中；
一冷却风扇，其冷却该散热器中的高温冷却剂。
2.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：还包含一控制电路，其电性控制该流量与压力调节装置、该鼓风机、该泵与该冷却风扇。
3.如权利要求2所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：还包含：
一电池，其供应该控制电路所需的工作电压；
一变压器，其将该燃料电池组所输出的直流电源变压至该控制电路所需的工作电压，以对该电池进行充电；
一间歇式排气阀，其受该控制电路的控制，用以排掉该燃料电池组中与氢气混合的杂气或水份；
一第一过滤器，其先将该鼓风机要吹入该空气湿化器中的大气的空气过滤掉杂质；
一单向阀，其在该供氢源的出口处，用以开启或关闭该供氢源的氢气的流出；
一高压感测器，设于该单向阀与该流量与压力调节装置之间，将在该流量与压力调节装置的高压端所测量的高压信号送至该控制电路；
一低压感测器，设于该流量与压力调节装置与该燃料电池组之间，将在该流量与压力调节装置的低压端所测量的低压信号送至该控制电路；
一第一热电偶，设于该燃料电池组与该冷却剂储槽之间，将在该燃料电池组的冷却剂出口处所测量的高温冷却剂的温度送至该控制电路；
一第二热电偶，设于该燃料电池组与该散热器之间，将在该燃料电池组的冷却剂入口处所测量的低温冷却剂的温度送至该控制电路；
一第二过滤器，其过滤该泵所送出的高温冷却剂中的杂质；以及
一循环阀，其控制经该第二过滤器过滤后的高温冷却剂的流量。
4.如权利要求2所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该控制电路电性控制该流量与压力调节装置流入该燃料电池组的氢气、电性控制该鼓风机吹入该空气湿化器的空气量、电性控制该泵抽取出该冷却剂储槽中的高温冷却剂、电性控制该冷却风扇的起动及风量大小、接收该流量与压力调节装置两端的高压信号及低压信号、与接收高温冷却剂及低温冷却剂的温度信号与对该液态冷却式燃料电池系统的自我检测功能。
5.如权利要求4所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该控制电路的的自我检测功能包含检测该供氢源的氢气的压力状态，检查该鼓风机、该泵、该冷却风扇、该流量与压力调节装置的一电磁阀、该间歇式排气阀、该燃料电池组及该控制电路是否正常。
6.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该空气湿化器吸收该燃料电池组中潮湿空气的水分，其与大气中含氧气的空气混合后送进该燃料电池组。
7.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该流量与压力调节装置包含：
一电磁阀，用以开启或关闭该供氢源所流出的氢气的流通；以及
一压力调节阀，其调节由该电磁阀所流出并流入该燃料电池组的氢气的压力。
8.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该鼓风机另经由旁路用的空气管路吹入大气中含氧气的空气至该燃料电池组。
9.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该燃料电池组可供应直流电源给一电动车的一驱动马达。
10.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：该液态冷却式燃料电池系统成为一交流发电装置还包含：
一直流转交流转换器，其将该燃料电池组所输出的直流电源转换为交流电源；以及
一稳压器，其稳定该直流转交流转换器所转换的交流电源的电压。
11.如权利要求1所述的液态冷却式燃料电池系统，其特征是：还包含一稳压器，其稳定该燃料电池组所输出的直流电源的电压，使该液态冷却式燃料电池系统成为一直流发电装置。
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