CN1732583A - 带有集成热交换器的燃料电池端部装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种燃料电池堆端部装置，该装置包含一个用于将输送到堆之前的燃气过热的集成热交换器。在临近堆端面板的空间，热量从热的阴极出口气流传递到冷的燃料入口气流。该端部装置被设计成中空的箱型，形成热交换器的外壳，热交换器在其内。该端部装置有开口，允许直接将燃料电池处理气体从堆中带走，而无需在细的总管上附带管道系统。分别提供室用于阴极出口气体和阳极出口气体，从而允许在堆的端部设置所有工艺连接件。该端部装置特征还在于集流杆，集流杆与堆的端部电池被多个元件分开，多个元件为该端部装置提供结构支撑并起到比一个单独的大的集流杆收集电流更均匀的作用。

Description

带有集成热交换器的燃料电池端部装置

技术领域

本发明涉及燃料电池，并主要涉及燃料电池系统的端板和热交换器。更特殊的，本发明涉及高度集成、紧凑式热交换器以便用于高温燃料电池的过热的燃气中。

背景技术

燃料电池是一种依靠电化学反应直接将储存在燃料(如氢或甲烷)中的化学能转化成电能的装置。这区别于传统电力产生方法，传统方法必须首先燃烧燃料产生热量，随后将热能转化成机械能，最后转化成电能。燃料电池使用更直接的转化方法，在提高效率和减少污染物排放上都比传统方法具有显著优势。

通常，类似于蓄电池，燃料电池包括被电解液分开的一个负电极(阳极)和一个正电极(阴极)，电解液用于使正负极之间的带电离子导电。然而，与蓄电池不同，只要燃料和氧化剂分别供应给阳极和阴极，燃料电池就会连续产生电力。为了达到这一目的，接近阳极和阴极提供气流场，通过气流场提供燃料和氧化剂气体。为了产生有用的电平，多个单独的燃料电池必须串联堆叠，各电池之间设有导电的分隔板。

用于稳定供电的常规燃料电池堆中，燃料电池的有效面积大，典型的尺寸在0.5-1m²之间。为了给电池施加合适的界面压力，必须通过端板向电池施加大的压缩载荷。因为端板必须保持平直，以便保证电池之间紧密接触，端板相对于其长和宽一般较厚。该厚度增加了燃料电池堆的总长和动力设备的大小。

此外，对于高温燃料电池系统，需要热交换器以便在燃气传送到电池堆之前将燃气加热至接近电池堆的温度。在燃料电池系统的一种类型中，这种热交换器被放在燃料电池堆的外部，作为动力设备的平衡系统的一部分。这就需要附加空间以容纳相当厚的绝缘材料(2-3英寸)来包住热交换器。而且，此类系统中，必须用管道将处理气体输入或输出热交换器，既增加了该系统的尺寸又增加了成本。

按照美国专利No.5,856,034的说明，在封闭燃料电池堆的已经绝热的燃料电池模块中放置热交换器可取消热交换器的绝热。特别地，热交换器放置在上游并紧邻堆的阴极入口面，必然要建造足够大的热交换器以至于完全盖住了阴极入口面。同样，在该系统中，由于热交换器出口处固有的温度非均匀分布，堆的入口温度分布也不均匀。这种情况是不理想的，因为阴极入口温度不均匀不仅会造成堆中潜在的性能波动，而且会造成由于堆面热膨胀差异而引起电池之间液封渗漏的危险。

美国专利No.5,009,968阐述了一种端板结构，其中使用薄膜以保持与燃料电池堆的端部电池良好的电接触。该薄膜结构并不特别适合从堆中均匀收集电流。美国专利No.4,719,157阐述的薄端板带有多个电流收集终端，用来防止端板变形。此外，这种排列并非适合提供均匀的电流收集。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池堆端部装置，其具有适合以热交换关系接受和输送气体和/或适合限制电流从燃料电池堆流向集流杆。

附图说明

本发明的上述以及其他特点和方面在结合附图阅读以下详细描述后将更清晰，附图中：

图1和2是按照本发明原理的端部装置的立体图；

图3是沿图2的线3-3截取的、图1的端部装置代表性的顶视剖面图；

图4是使用图1端部装置的燃料电池堆代表性的正剖视图；

图5是常规燃料电池堆代表性的侧剖视图；

图6是图4燃料电池堆代表性的侧剖视图。

具体实施方式

参见图1、2和3，本发明说明性的实施例有一个适合于连接在燃料电池堆一端的端部装置1。端部装置1内装有一组件2，组件2包括与通过该组件的第一、第二气体的流动分别相关的第一装置2A和第二装置2B，而且该两个装置一起作为热交换器。在图示情况下，第一、第二气体分别是燃料电池堆阳极或燃料入口气体和燃料电池堆阴极排放气体。

具体地，第一装置2A有一个入口3，通过流入口3燃气进入进气室18(如箭头7所示)。燃气收集在进气室18中，沿着方向8流过第一组管19A，并且被送到旋转增压室20。燃气沿方向9流过一折返增压室20，并且从增压室20沿着方向10流过管19B。气体被通过管19B输送到出气室21(图2和3所示)。燃气按照箭头11指示方向穿过出口管4离开出气室21，按照下面图6中将进一步详细阐述，燃气流过燃料电池堆。

第二装置2B形成一个围栏围住第一装置2A。在该说明性实例中，第二装置2B有第一板(或者顶板)14，相对的侧壁15A和15B，前壁25A和后壁25B，以及第二板(或者底板)16，这样形成一个具有合适长度和宽度的总的为中空的箱结构以与燃料电池堆匹配，而且深度合适，使得在加上堆的压缩载荷时该箱结构仍保持平直在允许公差内。如图1和图2所示，第一装置2A被包含在第二装置2B的中空的内部。此外，入口端5(如图1所示)和出口端6(如图2所示)形成于装置2B相对的侧壁15A和15B。另外图示中的第二装置2B有多个元件17在第一板14和第二板16之间延伸以便向第二装置2B提供结构支撑。元件17将在以下关于端部装置的集电特性中进一步详细阐述。

燃料电池堆阴极气体穿过入口端5进入第二装置2B(如图1中箭头12所示)，并且沿着完全横向的方向流到多个管19A、19B。按照上面关于第一装置2A的阐述，燃气沿着路径8和10流入第一、第二组多管19A、19B。共同地，管19A、19B都有所需的热交换面，以便充分将热量从热的阴极气体传送给燃气，从而提高燃气温度达到送入电池堆的理想温度。阴极出口气体通过开口6离开端面板(如图2中方向13所示)。

第一装置2A的管19A、19B被设计成机械地将构成堆端面的第一板(顶板)14、第二板(底板)16和第二装置2B的侧壁15A、15B分开。这种结构防止第一装置2A连接处应力过大和热变形而影响第二装置2B的顶板14和底板16平直。

此外，在图1、2、3中描述的是在第二装置2B中的一个分离室23，适合收集通过阳极出口总管(图中未示出)从燃料电池堆中出来的阳极出口气体。燃料电池堆阳极出口气体被通过形成于第二装置2B背壁25B的入口22送到室23，并通过形成于侧壁15A中的出口24离开室23。在端部装置的上述结构下，为了向堆输送和从堆排出处理气体，所有气体连接部分(导管、管道、波纹管)被制成在堆的一端穿过端部装置1。

图4中燃料电池堆的横截面图中显示了阴极气体流过使用本发明端部装置1的燃料电池堆的路径。首先，阴极入口气体沿着堆的第一面104A沿箭头10指示方向进入燃料堆104。阴极气体流过电池堆，并从与堆的第一面104A相对的堆的第二面104B离开电池堆。与面104B连接的是阴极出口气体收集管106。阴极出口或者排放气体被收集到阴极出口总管106，并按照箭头102所示方向流过阴极出口气体总管106。阴极出口气体总管106将阴极出口气体通过开口5送到端部装置1。阴极出口气体随后沿着箭头103表示的方向并且按照上述关于图1-3的描述流过端部装置，和通过开口6离开端部装置。这种结构中，如前所述，通过端部装置1内的热交换器，热量被从燃料电池堆阴极排放气体传递给阳极入口气体。

在常规系统中，如图5所示，热量来自燃料电池堆阴极气体入口流接收(箭头201所示)，这需要一个沿着整个堆面设置的组件207进行阴极和阳极气体之间的热交换。阴极出口气体流经热交换器207后，流过堆204，然后离开堆进入阴极出口气体总管206。根据本发明，通过提供给固定在燃料电池堆端部的端部装置热交换，而不是如图5的常规结构沿着整个堆面进行热交换，如以上讨论，可避免需要空间大，堆入口温度非均匀分布以及电池之间液封渗漏的危险等问题。

图6显示阳极气体或者燃气流过使用本发明端部装置1的燃料电池堆的路径。燃气进入入口309处的端部装置1，充满高压入口18(图6中未出示)，并按照箭头310所示以基本U型路径流过管19A、折返增压室20(图6中未出示)和管19B。如上所述，阳极气体通过从横向流动到管19A、19B的阴极出口气体的热交换而过热。随后，被加热的阳极气体离开管19B，从端部装置1的出口增压室21(图6中未出示)按照箭头311指示方向流入燃料集流管308。燃料集流管308被设置在燃气入口总管307的内部，并沿着总管307的长度延伸。燃料集流管308和气体入口总管307允许被加热的燃气在沿着总管长度的各点离开集流管和总管并按照箭头312指示的方向流入燃料电池堆。如图6所示，燃气流过燃料电池堆104的方向312垂直于阴极气体流过燃料电池堆的方向，但阳极和阴极气体流动路径不相交。燃气流过堆104后进入阳极出口气体总管306，而且按照箭头313指示方向流动。阳极出口气体总管306随后将气体按照箭头314指示方向送到端部装置1的阳极出气室23。在端部装置1的阳极出气室23内，通过必要的管道系统将阳极出口气流收集以便传送到燃料电池动力设备的平衡系统。

具有本发明端部装置1，任何会影响装置寿命的燃气泄漏都会立即被阴极出口气体从堆中清除。这与在堆上游放置热交换器的情况不同，在那种情况下，泄漏在离开燃料电池块之前必定首先经过堆和阴极出口总管。造成燃料电池堆内燃气混合聚集的危险被减少。

回到图4，集流杆105、107被设置在燃料电池堆的阳极端和阴极端。堆的阳极端的集流杆107通过多个元件17与第一板4留有空间(如图1-3所示)。在图示情况下，元件17由导电材料制成，形状呈圆柱形。如图1-3中详示，元件17在第一板14和第二板16之间延伸，而且在上述第一组和第二组管19A、19B之间以及阳极出气室23内间隔均匀地排放。在此说明性实例中，端部装置1的第一板14与堆电接触，第二板16(见图1)与集流杆107电接触。这样，元件17在端部装置的第一板14和第二板16之间提供电连接，并附加地对端部装置提供结构支撑，分散堆工作过程中端部装置内产生的机械应力和热应力。

图5显示代表性的常规燃料电池堆的侧剖视图。如图5所示，堆各端的集流杆205紧邻堆的阳极端和阴极端，并直接从堆收集电流。在图4所示的本发明中，集流杆107和端部装置1的第一板14通过多个元件17分开，这种设计的优点在于元件17起到了稍微限制电流流动的作用，允许通过均匀分布的元件17更均匀地从堆中收集电流。

在所有情况下都可以理解上述装置、方法和布置仅仅是多种可能的具体代表本发明应用实例的说明。根据本发明原理可以容易地设计众多不同的其他布置，而并不脱离本发明的精神和范围。例如，在如图4所示堆阳极一端的位置，该端部装置既可以被放置到燃料电池堆的阳极端也可以放置到阴极端。此外，也可以设计使用板翼、紧凑式热交换器。

Claims (51)

1.一种燃料电池堆端部装置，包括：

一个组件，适合接收第一、第二气体，适合以热交换关系输送上述第一、第二气体，并在热量从一种气体传递到另一种气体后输出上述气体。

2.按照权利要求1的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述组件包括：一个限定上述第一气体封闭气流路径的第一装置；一个封闭上述第一装置并限定与上述第一装置相交的第二气体流动路径的第二装置，上述第一、第二装置作为适合从上述第二气体向上述第一气体传热的热交换器。

3.按照权利要求2的燃料电池端部装置，其特征在于上述第一装置包括用来接收并传送上述第一气体的多个管，而上述第二装置包括一个壳体，其中放置上述多个管。

4.按照权利要求3的燃料电池端部装置，其特征在于所述的多个管有表面区域适合热量从在上述第二装置流的上述第二气体传递至在上述的多个管中的上述第一气体。

5.按照权利要求4的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第二装置的形状呈中空的箱形，形成上述壳体，上述的中空的箱限定上述热交换器的外壁。

6.按照权利要求5的燃料电池堆端部装置，其特征在于还包括一个安装在上述中空的箱中并适合接收第三气体的第三装置。

7.按照权利要求6的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述中空的箱有第一、第二相对的外壁，而且第二装置包括一个位于在上述中空的箱的上述第一外壁内的入口端和一个位于上述中空的箱的上述第二外壁的出口端。

8.按照权利要求7的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第二气体经过上述入口端流入上述第二装置，并经过上述出口端流出上述第二装置，并且上述第二气体沿5上述第一装置内的上述多管的方向横交的方向流过上述第二装置。

9.按照权利要求8的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第一气体是燃料电池堆阳极入口气体，而上述第二气体是燃料电池堆阴极出口气体。

10.按照权利要求9的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述燃料电池堆阴极出口气体从上述燃料电池堆通过位于上述燃料电池堆一侧的阴极出口气体总管被输送到上述第二装置的入口端。

11.按照权利要求4的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第一气体是燃料电池堆阳极入口气体。

12.按照权利要求11的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第二气体是燃料电池堆阴极出口气体。

13.按照权利要求12的燃料电池堆端部装置，其特征在于还包括一个适合从上述燃料电池堆接收第三气体的第三装置。

14.按照权利要求13的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第三装置被安装在上述第二装置内，并且上述第三气体是燃料电池阳极出口气体。

15.按照权利要求14的燃料电池堆端部装置，其特征在于所有用于向上述燃料电池堆输送和从上述燃料电池堆排出处理气体的连接件都安装在上述端部装置内。

16.按照权利要求14的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第一装置还包括一个进气室和一个出气室，上述出气室通过上述多个管与上述进气室相连。

17.按照权利要求16的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第一装置还包括：一个折返增压室，上述折返增压室通过上述第一组多个管连接到上述进气室，且通过上述第二组多个管连接到上述出气室。

18.按照权利要求17的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述燃料电池阳极入口气体按照全U型路径流入上述进气室，经过上述第一组多个管、上述折返增压室和上述第二组多个管，到达上述出气室。

19.按照权利要求17的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第一装置的上述出气室将上述燃料电池阳极入口气体与上述阳极入口气体总管连通，该总管位于上述燃料电池堆一侧并向上述燃料电池堆提供阳极气体。

20.按照权利要求19的燃料电池堆端部装置，其特征在于通过位于上述燃料电池堆一侧的阳极出口气体总管将上述燃料电池堆阳极出口气体从上述燃料电池堆连通到上述堆端部装置的上述第三装置。

21.按照权利要求18的燃料电池堆端部装置，其特征在于上述第二装置还包括一个形成于上述壳体一侧的入口端和一个形成于上述壳体一侧相对一侧的出口端。

22.按照权利要求21的燃料电池堆端部装置，其特征在于燃料电池堆阴极出口气体经过上述入口端进入上述第二装置，并经过上述出口端离开上述第二装置，上述燃料电池阴极出口气体沿与上述第一装置内第一和第二组多个管的方向横交的方向流经上述第二装置。

23.一个燃料电池堆，包括多个燃料电池和安装在电池堆各端的燃料电池堆端部装置，上述燃料电池堆端部装置之一包括一个组件，该组件适合接收第一和第二气体、适合以热交换关系输送上述第一和第二气体并在热量从一种气体传递到另一种气体后输出上述气体。

24.按照权利要求23的燃料电池堆，其特征在于上述热交换器适合将气体在输送在到上述电池堆之前使燃气过热。

25.按照权利要求23的燃料电池堆，其特征在于上述组件包括：第一装置，用来限定上述第一气体的封闭的流动路径；第二装置，包住上述第一装置并限定与上述第一装置相交的上述第二气体的流动路径，上述第一和第二装置作为适合将热量从第二气体向上述第一气体传递的热交换器。

26.按照权利要求25的燃料电池堆，其特征在于第一装置包括一个用于接收和传送上述第一气体的多个管，而上述第二装置包括一个壳体，其内安装了上述多个管。

27.按照权利要求26的燃料电池堆，其特征在于上述多个管有适合从在上述第二装置中流的上述第二气体的热量传到在上述多个管内流的第一气体的一个表面区域。

28.按照权利要求27的燃料电池堆，其特征在于上述燃料电池端部装置是中空的箱型，组成上述壳体，上述中空的箱限定上述热交换器的外壁。

29.按照权利要求28的燃料电池堆，其特征在于还包括一个设置在上述中空的箱内的第三装置，上述第三装置适合接收第三气体。

30.按照权利要求27的燃料电池堆，其特征在于上述第一气体是燃料电池堆阳极入口气体。

31.按照权利要求30的燃料电池堆，其特征在于上述第二气体是燃料电池堆阴极出口气体。

32.按照权利要求31的燃料电池堆，其特征在于上述组件还包括一个适合从上述燃料电池堆接收的第三气体的第三装置。

33.按照权利要求32的燃料电池堆，其特征在于上述第三装置被设置在上述第二装置内，其特征在于上述第三气体是燃料电池阳极出口气体。

34.按照权利要求32的燃料电池堆，其特征在于所有用于向上述燃料电池堆输送和从上述燃料电池堆排放处理气体的连接件都设置在上述组件内。

35.按照权利要求34的燃料电池堆，其特征在于上述第一装置还包括一个进气室和一个出气室，上述出气室通过多个管与上述进气室连接。

36.按照权利要求35的燃料电池堆，其特征在于上述第一装置还包括：一个折返增压室，上述折返增压室通过上述第一组多个管连接到上述进气室，并通过上述第二组多个管连接到上述出气室。

37.按照权利要求36的燃料电池堆，其特征在于上述燃料电池阳极入口气体按照U型路径从上述进气室流经上述第一组多个管、上述折返增压室和上述第二组多个管，到达上述出气室。

38.按照权利要求36的燃料电池堆，其特征在于还包括：一个设置在上述电池堆一侧的阳极气体入口总管，上述阳极气体入口总管接收从上述第一装置的出气室出来的上述燃料电池阳极入口气体并将上述燃料电池阳极入口气体连通到上述燃料电池堆。

39.按照权利要求38的燃料电池堆，其特征在于还包括：一个设置在上述阳极气体入口总管对面的上述堆一侧的阳极出口气体总管，上述阳极气体出口总管将从上述燃料电池堆出来的上述燃料电池阳极出口气体连通到上述第三装置。

40.按照权利要求39的燃料电池堆，其特征在于上述第二装置还包括一个形成于上述壳体一侧的入口端和形成于上述壳体一侧相对一侧的出口端。

41.按照权利要求39的燃料电池堆，其特征在于上述燃料电池阴极出口气体通过上述入口端进入上述第二装置；以与上述第一组和第二组多个管的方向横交的方向流过上述第二装置；并通过上述出口端离开上述第二装置。

42.按照权利要求41的燃料电池堆，其特征在于还包括：一个设置在上述电池堆一侧的燃料电池阴极出口气体总管，上述阴极气体出口总管将从上述燃料电池堆出来的上述燃料电池阴极出口气体传送到上述第二装置的上述入口端。

43.一种用于固定在燃料电池堆一端和集流杆之间的端部装置，上述端部装置包括一种适合限制电流从上述燃料电池堆流向上述集流杆的结构。

44.按照权利要求43的端部装置，其特征在于还包括一个电接触上述燃料电池堆的第一表面和电接触上述集流杆的第二表面，上述结构与上述第一、第二表面电接触。

45.按照权利要求44的端部装置，其特征在于上述结构包括多个元件，上述元件连接上述端部装置的第一和第二表面。

46.按照权利要求45的端部装置，其特征在于上述结构的上述元件是导电的。

47.按照权利要求46的端部装置，其特征在于上述元件在第一和第二表面之间均匀间隔设置。

48.按照权利要求47的端部装置，其特征在于上述每个元件是一个圆柱杆。

49.一种固定在燃料电池堆的端部装置，上述端部装置将集流杆与燃料电池堆分开，上述端部装置包括一个适合限制电流从上述燃料电池堆流向上述集流杆的结构；上述结构还适合接收第一和第二气体、以热交换关系输送第一和第二气体、并在热量从一种气体传递到另一种气体后输出上述气体。

50.一种燃料电池堆，包括：

多个燃料电池；

设置在上述燃料电池堆端部的集流杆；

一个固定在上述多个燃料电池一端的端部装置，上述集流杆与上述多个燃料电池分开，上述端部装置包括一个适合限制电流从上述多个电池流向上述集流杆的结构，其特征在于上述结构还适合接收第一和第二气体，以热交换关系输送第一和第二气体、并在热量从一种气体传递到另一种气体后输出上述气体。

51.一种燃料电池堆，包括：

多个燃料电池；

安装在上述燃料电池堆端部的集流杆；

一个固定在上述多个燃料电池端部的端部装置，上述集流杆与上述多个燃料电池分开，上述端部装置包括一个适合限制电流从上述多个电池流向上述集流杆的结构。

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