CN1921204A - 用于防止燃料电池冻结的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于防止燃料电池冻结的系统，包括：用于产生电能和热能的堆单元；设置在该堆单元上的温度感测单元；根据该温度感测单元测得的温度值运行的加热器单元；以及电连接到该温度感测单元和该加热器单元的控制单元。本发明能够避免由于外界温度变化而导致的燃料电池的主要部件的冻结，因此能够防止整个系统性能的退化或故障，从而提高燃料电池的稳定性。

Description

用于防止燃料电池冻结的系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，更具体地，涉及一种用于防止燃料电池冻结的系统，该系统能够防止燃料电池由于环境温度的改变而冻结。
背景技术
通常，燃料电池是一种将燃料能量直接转变为电能的装置。这种燃料电池是一种在聚合物电解膜两侧设置有阳极和阴极的燃料电池系统，并且该系统通过当用作燃料的氢在阳极(氧化电极或燃料电极)发生电化学氧化反应和用作氧化剂的氧在阴极(还原电极或空气电极)发生电化学还原反应时产生的电子的移动产生电能，该燃料电池系统也可看作是一种发电厂。
根据运行温度和主要燃料类型将上述燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体电解质燃料电池(SOFC)、聚合物电解质燃料电池(PEMFC)等。在这些燃料电池中，聚合物电解质燃料电池的电解质不是液态，而是固态聚合物膜，这是与其它类型的燃料电池的区别之处。在聚合物电解质燃料电池中，使用燃料的典型方式是将碳氢化合物燃料例如LNG、LPG等通过在重整单元中进行脱硫、重整反应和氢提纯过程提纯为氢气(H2)，并且将提纯到的氢气供应给堆单元的燃料电极。
图1是质子交换燃料电池(PEMFC，Proton Exchange fuel cell)型燃料电池的系统图，其中在重整装置中通过脱硫、重整反应和氢提纯过程将碳氢化合物(CH)燃料、CH30H等(图中的“LPG”)提纯为氢气H2，用作燃料。
如图所示，现有技术的燃料电池包括重整单元10，用于从LNG提纯氢气；堆单元20，与该重整单元10相连接并设置有接收提纯到的氢气的燃料电极21和接收空气中氧气的空气电极22，用于通过氢与氧之间的电化学反应产生电力和热量；电力转换单元30，与该堆单元20的输出端相连接，用于转换电力并将其供应给负载；热交换单元40，用于向该重整单元10和该堆单元20供应水，以冷却该重整单元10和该堆单元20；以及控制单元(未示出)，电连接到上述单元10、20、30以及40，用于控制这些单元。
热交换单元40包括储水箱41，用于在其中储存预定量的水；冷却水管线42，以循环的方式连接在堆单元20和储水箱41之间；散热器43，设置在冷却水管线42的中部，用于冷却从该堆单元20回收到储水箱41中的水；以及循环泵44，设置在冷却水管线42的中部，用于抽出储水箱41中的水，并将抽出的水供应给堆单元20等。
上述现有技术的燃料电池运行情况如下。
即，在重整单元10中重整碳氢化合物燃料，并将其提纯为氢气。将该提纯到的氢气供应给堆单元20的燃料电极41，同时将空气供应给堆单元20的空气电极22，从而导致在燃料电极21处发生氧化反应，在空气电极22处发生还原反应。在这个过程中产生的电子从燃料电极41向空气电极42移动时就产生了电力，将该电力转换为交流电(AC)，从而向各种电器供电。
这里，由于堆单元产生电力的同时产生热量，因此通过重复进行热交换单元40中循环泵43的一系列的操作过程，经由冷却水管线42向堆单元20供应装在储水箱41中的水和对水进行回收来冷却堆单元20等。
然而，在上述现有技术的燃料电池中，重整单元10、堆单元20、热交换单元40等是通过管道连接，燃料和空气在湿润状态下流动，并且在储水箱41中储存有大量的水，因此，如果系统的环境温度低，有可能使管道冻结，导致整个系统出现故障。
发明内容
因此，考虑到现有技术的燃料电池的上述问题而提出的本发明，其目的是提供一种用于防止燃料电池冻结的系统，即使环境温度冷至预设温度，该系统能够通过自动运行加热装置防止系统冻结。
为了获得这些及其它优点，并且根据本发明的目的，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种用于防止燃料电池冻结的系统，包括：堆单元，设置有燃料电极和空气电极，用于通过氢与氧之间的电化学反应产生电能和热能；温度感测单元，以感测包含该堆单元的系统外壳的内部和外部温度中至少一种温度的方式设置；加热器单元，用于当该温度感测单元测得的温度低于预设温度时，转换为运行产热模式；以及控制单元，电连接到该温度感测单元和该加热器单元，用于根据该温度感测单元测得的温度变化来控制该加热器单元的运行。
附图说明
附图包含在说明书中并构成说明书的一部分，用以提供对于本发明的进一步理解，附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释发明原理。
在图中：
图1是现有技术的燃料电池的一个实例的系统图；
图2是根据本发明的具有防冻结系统的燃料电池的一个实例的系统图；以及
图3是根据本发明的用于防止燃料电池冻结的系统的放大的系统图。
具体实施方式
以下，参照附图中示出的一个实施例说明根据本发明的用于防止燃料电池冻结的系统。
图2是根据本发明的具有防冻结系统的燃料电池的一个实例的系统图。图3是根据本发明的用于防止燃料电池冻结的系统的放大的系统图。
如图所示，根据本发明的燃料电池包括：重整单元10，用于从LNG中提纯氢气；堆单元20，设置有接收提纯到的氢气的燃料电极21和从空气中接收氧气的空气电极22，用于通过氢与氧之间的电化学反应产生电力和热量；电力转换单元30，连接到该堆单元20的外侧，用于向负载供应电力；热交换单元40，用于向该重整单元10和该堆单元20供应水，并冷却该重整单元10和该堆单元20；温度感测单元110，设置在容置有该重整单元10、堆单元20、电力转换单元30等的系统外壳S的内部和外部，用于检测该系统外壳S的内部温度和外部温度中的至少一种温度；加热器单元120，用于当该温度感测单元110感测的温度低于预设温度时，产生热量以防止相应区域冻结；以及控制单元130，用于适当地控制上述单元10、20、30、40、110以及120。
堆单元20具有燃料电极21和空气电极22，其间置有电解膜(未示出)，并且在该燃料电极21和空气电极22的外表面上设置具有燃料流路径和空气流路径的隔离板(未示出)，以形成单元电池。该单元电池堆叠成层，组成堆单元20。
电力转换单元30由以下方式构成：将在堆单元20中产生的直流电(DC)转换为交流电(AC)，并供应给使用AC电源的电器，或者将DC不经转换地供应给使用DC电源的电器。
热交换单元40包括：储水箱41，由高耐热材料制成，用于在其中装入预定量的水；冷却水管线42，以闭环的形状连接在堆单元20和储水箱41之间，使水在其间循环；散热器43，设置在该冷却水管线42的中部，用于冷却从该堆单元20回收到储水箱41中的水；以及循环泵44，设置在冷却水管线42的中部，用于抽出储水箱41中的水，并将抽出的水供应给堆单元20等。
温度感测单元110通过在系统外壳S的内侧表面或外侧表面固定设置温度感测器，或者在各单元中独立地固定设置单独的温度传感器而构成，并将该温度传感器110(用与温度传感单元相同的附图标记表示)电连接到控制单元130，用于批量控制(batch control)。
加热器单元可以由下面的方式构成：均匀地缠绕系统外壳S的内圆周表面来分批加热整个系统，或者独立地缠绕单独的管道，例如用于使重整单元10、堆单元20、热交换单元40等相互连接的连接管道，来选择性地加热要加热的区域。具体地，如图3所示，当该热交换单元40与传统热水器B的加热系统或热水系统相连接时(该热水器B即家庭或办公室中的通过直接燃烧燃料，例如LNG来产生热量的热水器)，可以将加热装置例如陶瓷加热器、线圈加热器等缠绕在储水箱41周围来防止该储水箱41中水的冻结。
优选地，接通加热器单元120以进行电力转换，从而，如果系统运行，则可以利用该系统产生的电力，如果系统停止运行，则可以利用生活电源。
在附图中，始终使用的相同的附图标记代表相同的元件。
根据本发明的用于防止燃料电池冻结的系统的运行效果如下：
也就是，如果堆单元20根据来自控制单元130的命令进行反应，则该堆单元20产生电力和热量，通过电力转换单元30，该电力被用作家庭或办公室所需要的电能，而该热量由热能存储系统(未示出)储存或释放掉。在这个过程中，驱动循环泵44将储水箱41中的水泵入到冷却水管线42中，然后以循环的方式供应给重整单元10或堆单元20，从而防止该重整单元10或该堆单元20过热。
同时，如果燃料电池的环境温度过低，则在连接各单元的管道中或在各单元的管道中，燃料和空气在湿润状态下流动。因此，由于外部的低温，燃料和空气有冻结的危险，尤其是，装在储水箱41中的水很容易冻结。然而，如本发明，当系统的内部或外部设置有单独的温度传感器110，并且在各单元中设置有通过控制单元130与温度传感器110电连接的加热器单元120，如果系统的环境温度根据外部温度的变化而下降到低于预设温度，则加热器单元120产生热量，从而防止重整单元10、堆单元20或热转化单元40的冻结。
同时，当燃料电池运行时，在该燃料电池中产生的电能用作加热器单元120的电源。另一方面，如果燃料电池停止运行，或者产生的电能量不足，则使用商用电源来驱动该加热器单元，从而获得稳定的运行。
以这种方式，有可能避免由于外部温度变化导致燃料电池主要部件的冻结，因此能够防止整个系统性能的退化或故障，从而提高燃料电池的稳定性。

Claims (11)

1.一种用于防止燃料电池冻结的系统，包括：
堆单元，具有燃料电极和空气电极，用于通过氢与氧之间的电化学反应产生电能和热能；
温度感测单元，以感测包含该堆单元的系统外壳的内部温度和外部温度中至少一种温度的方式设置；
加热器单元，用于当该温度感测单元测得的温度低于预设温度时，转换为运行产热模式；以及
控制单元，电连接到该温度感测单元和该加热器单元，用于根据该温度感测单元测得的温度变化来控制该加热器单元的运行。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该温度感测单元具有设置在该系统外壳内侧表面或外侧表面的温度传感器，以与该系统外壳相接触。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该加热器单元通过缠绕热线使其与该系统外壳的内侧表面或外侧表面相接触而形成。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该加热器单元通过在管道周围缠绕热线形成。
5.如权利要求4所述的系统，其中，该热线通过缠绕形成，从而能够独立地控制各单独的区域。
6.如权利要求1所述的系统，其中，该加热器单元包含陶瓷加热器。
7.如权利要求1所述的系统，其中，该加热器单元包含线圈加热器。
8.如权利要求1所述的系统，其中还包括热交换单元，该热交换单元与该堆单元或包含该堆单元的该系统相连接，从而与该堆单元或包含该堆单元的该系统进行热交换，用于循环和供应冷却水。
9.如权利要求8所述的系统，其中，该热交换单元包括：
储水箱，设置为距离该堆单元一预定的间隙；
冷却水管线，以闭环的形状连接在该堆单元与该储水箱之间；
散热器，设置在该冷却水管线的中部，用于冷却从该堆单元回收到该储水箱中的水；以及
循环泵，设置在该冷却水管线的中部，用于抽出该储水箱中的水。
10.如权利要求9所述的系统，其中，在该储水箱中设置有加热器，用于防止装到该储水箱中的水冻结。
11.如权利要求9所述的系统，其中，与该储水箱相连接的排水管连接到建筑物的加热系统或热水系统。
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