CN1979933A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括热交换单元的燃料电池系统，该热交换单元能够控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度。在一个示例性实施例中，燃料电池系统包括用于产生含氢流动气体的重整单元，并通过燃料供应管道供应含氢流动气体。重整单元包括燃烧器。该燃料电池系统还包括堆单元，用于通过空气与含氢流动气体之间的电化学反应产生电能。该燃料电池系统还包括热交换单元。该热交换单元包括壳体，该壳体具有密封的内部，在燃烧器中产生的废气供应至该内部。燃料供应管道的一部分设置成穿过该壳体的内部。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，且特别涉及一种包括热交换单元的燃料电池系统，该热交换单元可控制供应至堆单元的燃料和/或空气的温度。
背景技术
供应给建筑物的电力通常是由发电站利用热能或水电能产生的。发电站产生的电力通过电力传输线供应给建筑物。然后电力用于以公知的方式运行多种装置中的任一装置。
尽管使用了多种发电技术，在许多情况下，电力是通过燃烧石油、煤或其它化石燃料产生的。所得热能随后被用来驱动汽轮机或类似装置从而发电。
然而，用化石燃料发电有很多缺点。例如，基于使用化石燃料的发电站通常与电力用户距离遥远。用电力传输线来传输电力，会因为线路电阻而导致电能损耗，并且对于长距离传输，损耗特别显著。此外，石油或煤的燃烧会导致产生有害的环境污染物。
为了解决上述问题，已经提出了多种替代性发电技术。其中一种替代性技术是采用燃料电池来发电。燃料电池在发电方面相当有效，并且在发电时不会产生因诸如石油或煤之类化石燃料的燃烧所导致的有害环境污染物。
在一种典型实施方案中，燃料电池将富氢燃料与富氧空气进行电化学反应。然后，燃料电池将反应前与反应后化学成分之间的能量差的一部分转换成电能。
图1示出传统燃料电池系统的一个示例。所示出的示例性燃料电池系统包括燃料供应单元10、空气(或类似的富氧物)供应单元12、重整单元20、堆单元30、电源转换器40、气液分离器50以及加湿器60。通常，由燃料供应单元10供应燃料给重整单元20。重整单元20利用燃料产生含氢流动气体(hydrogen floating gas)，含氢流动气体包含了氢气、反应热以及水。堆单元利用含氢流动气体中的氢气成分和由空气供应单元12供应的空气中的氧来产生直流(DC)电流。电源转换器40将堆单元30产生的直流(DC)电流转换成交流(AC)电流。
尽管能够使用其它结构，但图1中燃料电池系统的示例性重整单元20包括脱硫反应器21、蒸汽重整反应器22、高温水反应器23、低温水反应器24、部分氧化反应器25、反应炉26以及燃烧器27。通常，脱硫反应器21接收来自燃料供应单元10的燃料，还有水和空气，然后将燃料去硫。蒸汽重整反应器22将燃料与蒸汽反应。高温水反应器23将一氧化碳与蒸汽反应。低温水反应器24将一氧化碳转换成二氧化碳。部分氧化反应器25将非氧化一氧化碳(non-oxidized carbon monoxide)转换成二氧化碳。反应炉26通过重整和氢提纯，由燃料产生氢。燃烧器27将热量提供给反应炉26。
图1中示例性燃料电池系统的堆单元30可通过例如叠置一个或多个单元电池来形成。每个单元电池包括两个双极板，即阳极31和阴极33，以及设置在阳极31与阴极33之间的的膜电极组件(MEA)32。在阳极31与MEA32的一个表面之间形成燃料通道，而在阴极33与MEA 32的另一表面之间形成空气通道。
在图示示例中，气液分离器50安装在燃料供应管道51的中间部分。燃料供应管道51将重整单元20产生的含氢流动气体供应给气液分离器50。气液分离器50通过冷凝将含氢流动气体分离成氢气和液态水，然后仅将氢气供应给堆单元30的阳极31。
在所示示例中，加湿器60安装在空气供应管道61的中间部分。空气供应管道61将来自空气供应单元12的空气供应给加湿器60。加湿器60向空气中添加湿气，然后将空气供应给堆单元30的阴极33。
在运行时，燃料供应单元10将例如甲醇、液化天然气(“LNG”)、汽油等燃料和水供应给重整单元20。然后，在重整单元20中进行蒸汽重整和部分氧化，由此产生含氢流动气体。含氢流动气体的氢气H2成分供应给堆单元30后，氢气H2被供应给阳极31(或氧化电极31)，并且通过电化学氧化反应而被离子化和氧化成为氢离子H+和电子e-。离子化的氢离子通过MEA32移动到阴极33(或去氧化电极33)，而电子移动通过阳极31，从而产生电力、热和水。然后，堆单元30中产生的DC电流可通过电源转换器40转换成AC电流。
尽管图1中所示类型的燃料电池系统提供了有效而清洁的电能来源，该系统的运行却可能出现一些问题。例如，在图1所示类型的燃料电池系统中，从重整单元20通过燃料供应管道51供应的含氢流动气体温度一般在100℃以上。为了得到适于驱动堆单元30的温度，含氢流动气体穿过具有热交换功能的气液分离器50，在该气液分离器内含氢流动气体被冷凝从而产生冷凝物。如果冷凝物被供应给堆单元30的阳极31，就会损害堆单元30。
此外，通过加湿器60供应给堆单元30的阴极33的空气含有湿气。当含有湿气的空气移动通过空气供应管道61时，空气的温度被降低。如果如同上述阳极31的情况，冷凝物被供应给堆单元30的阴极33，该冷凝物就会损害堆单元30并减少堆单元30的寿命。
发明内容
因此，本发明的实施例旨在一种包括热交换单元的燃料电池系统，该热交换单元能够控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度，从而将可能产生的损害减至最小。例如，控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度，有助于避免因供应至堆单元的冷凝物而导致的对堆单元的损害，从而可延长堆单元的寿命。
在一个示例性实施例中，揭示了一种利用热交换器的燃料电池系统。该燃料电池系统包括配置为供应燃料的燃料供应单元，以及配置为通过空气供应管道供应空气(或其它含氧物)的空气供应单元。该燃料电池系统还包括重整单元，该重整单元配置为从燃料供应单元接收燃料、产生含氢流动气体、然后通过燃料供应管道供应含氢流动气体。在这一实施例中，燃料电池系统还包括堆单元，用于通过空气供应管道供应的空气与燃料供应管道供应的含氢流动气体之间的电化学反应而产生电能。
在所示实施例中，燃料电池系统还包括热交换单元。该热交换单元配置为提供密封的内部部分，废气——例如可能在重整单元的燃烧器中产生——供应至该内部部分。该热交换单元可包括例如用于将废气供应给内部部分的废气吸入管道以及用于排出废气的废气排出管道。
在一个示例性实施例中，上述空气供应管道的一部分设置成穿过热交换单元的内部。在另一示例性实施例中，上述燃料供应管道的一部分设置成穿过热交换单元的内部部分。在又一示例性实施例中，上述空气供应管道和燃料供应管道均有一部分设置成穿过热交换单元的内部部分。
以上述方式利用热交换单元，能够控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度。这样有助于避免在其它情况下，因供应至堆单元的冷凝物而导致对堆单元的损害，从而延长燃料电池系统的寿命。
根据以下本发明的详细描述并结合附图，本发明以上所述的和其它的目的、特点、方案和优点将变得更加显而易见。
附图说明
所包括的附图提供对本发明的进一步理解，合并于本说明书内并构成说明书的一部分，说明本发明的实施例，并与说明书一起解释本发明的原理。
附图中：
图1是传统燃料电池系统结构的示意图；
图2是根据本发明一个示例性实施例的燃料电池系统结构的示意图；
图3是根据本发明另一示例性实施例的燃料电池系统结构的示意图；
图4是根据本发明又一示例性实施例的燃料电池系统结构的示意图；
图5是一个示例性热交换单元的示意性剖视图；而
图6是另一个示例性热交换单元的示意性剖视图。
具体实施方式
如上所述，本发明的示例性实施例涉及一种包括热交换单元的燃料电池系统。在优选实施例中，热交换单元以一种能够控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度的方式，整合在燃料电池系统内。控制供应给堆单元的燃料和/或空气的温度，可有助于避免因供应给堆单元的冷凝物而引起的损害，从而可延长堆单元的寿命。
以下说明本发明的若干示例性实施例，其相关细节示出于图2-6中。在图2-6中，与图1所示相同的部件采用相同的附图标记，并且省略其详细说明。
以下特别参照图2-4，其中示出了三种不同的示例性燃料电池系统结构的示意图。尽管能够使用其它结构，但图2-4中所示的各示例性燃料电池系统包括：燃料电池供应单元10、空气供应单元12、重整单元20、堆单元30、电源转换器40、气液分离器50以及加湿器60，它们各自的功能与以上结合图1所述的基本相同。如图2-4中示例性实施方案所示，加湿器60安装在空气供应单元12与堆单元30之间。空气供应单元12与加湿器60通过第一空气供应管道61相连接，而加湿器60与堆单元30通过第二空气供应管道62相连接。气液分离器50安装在重整单元20与堆单元30之间。重整单元20与气液分离器50通过第一燃料供应管道51相连接，而气液分离器50与堆单元30通过第二燃料供应管道52相连接。
然而，与图1所示燃料电池系统不同的是，图2-4所示各燃料电池系统包括热交换单元70，热交换单元70的两个示例示于图5和图6中。在图2的示例性燃料电池结构中，第二空气供应管道62穿过热交换单元70。在图3的示例性燃料电池结构中，第二燃料供应管道52穿过热交换单元70。在图4的示例性燃料电池结构中，第二燃料供应管道52和第二空气供应管道62均穿过热交换单元70。
继续参照图2-4，并且特别参照图5和图6，示出热交换单元70的示例性实施方案的附加细节。如图5和图6所示，热交换单元70可包括配置为提供密封的内部部分的壳体71或其它类似结构。从燃烧器27排出的废气可通过例如废气吸入管道72而供应给内部部分。所示出的各热交换单元70的示例性实施例还包括配置用于从壳体71的内部部分排出废气的废气排出管道73或类似结构。
如图5和图6所示，第二空气供应管道62的一部分和第二燃料供应管道52的一部分可各自设置为穿过壳体71所限定的内部部分。在一个实施例中，第二空气供应管道62基本上以直线穿过壳体71的内部。第二燃料供应管道52也穿过壳体71的内部，但不是基本上以直线穿过，而是实施为例如大致以螺旋的形式，基本上环绕在第二空气供应管道62的周围。然而如上所述，热交换单元70不必同时包括第二燃料供应管道52和第二空气供应管道62。而是根据特定实施方案的目的和需要，热交换单元70可仅包括第二空气供应管道62，如图2所示，或仅包括第二燃料供应管道52，如图3所示。此外，根据特定实施方案，也可采用除了图示之外的其它结构和路径设计。
这样，热交换单元70内置有第二空气供应管道62的一部分和/或第二燃料供应管道52的一部分，使得它们与燃烧器27中产生、并供应至壳体71所限定的内部的废气相接触。在废气的温度高于流过第二空气供应管道62的空气的温度、但是低于流过第二燃料供应管道52的氢气温度的情况下，这种与废气的接触迅速地提高空气的相对低温度，并迅速地降低氢气的相对高温度。
为了控制分别通过第二燃料供应管道52和第二空气供应管道62供应给堆单元30的燃料和/或空气的温度，第二燃料供应管道52和/或第二空气供应管道62可以各种形状和结构设置在壳体71所限定的内部中。
例如，为了降低通过第二燃料供应管道52而供应给堆单元30的氢气的温度，在壳体71内部，第二燃料供应管道52的长度可通过将第二燃料供应管道52基本上以螺旋形状密集排列的方式来增加，如图6所示。此外，为了提高通过第二空气供应管道62而供应给堆单元30的空气的温度，在热交换单元70内，第二空气供应管道62的长度可通过将壳体71内的第二空气供应管道62弯曲的方式来增加。这样，通过第二燃料供应管道52供应至壳体71内部的氢气可被冷却到预定温度，然后供应给堆单元30的阳极31。同时，通过第二空气供应管道62供应至壳体71的空气可被加热到预定温度，然后供应给堆单元30的阴极33。
在一个示例性实施例中，通过将第二燃料供应管道52的外表面与第二空气供应管道62的外表面设置成彼此接触，来提供第二燃料供应管道52与第二空气供应管道62之间的额外热交换。
当将通过热交换单元70进行的温度控制而具有预定最佳温度的氢气和空气供应给堆单元30时，氢气H2被供应至阳极31，并通过电化学氧化作用而被离子化和氧化成为氢离子H+和电子e-。离子化的氢离子穿过电解膜32移动到阴极33，而电子移动通过阳极31，从而产生电力、热和水。然后，根据特定的电力需求，堆单元30中产生的电力通过电源转换器40进行转换。
由于本发明可具体实施为多种形式而不背离其精神或本质特征，所以应当理解，除非另有规定，上述实施例并不受限于前述说明的任何细节，而应在随附权利要求书限定的精神和范围内宽泛地解释，因此，落入权利要求书的界限及其等效范围内的所有变化和改型都应为随附权利要求书所涵盖。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料供应单元，配置为供应燃料；
空气供应单元，配置为经由空气供应管道供应空气；
重整单元，配置为从所述燃料供应单元接收燃料并产生含氢流动气体至燃料供应管道，所述重整单元包括燃烧器；
堆单元，配置为通过所述空气供应单元供应的空气与所述重整单元供应的含氢流动气体之间的电化学反应来产生电能；以及
热交换单元，包括基本上密封的内部，在所述燃烧器中产生的废气供应至该内部，其中所述燃料供应管道的至少一部分设置成穿过所述内部的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
加湿器，配置为向所述空气供应管道供应湿气；以及
气液分离器，配置为分离经所述燃料供应管道提供的气体和液体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述热交换单元设置在所述燃料供应管道的一位置上，并设置在所述气液分离器与所述堆单元之间。
4.一种燃料电池系统，包括：
燃料供应单元，配置为供应燃料；
空气供应单元，配置为经由空气供应管道供应空气；
重整单元，配置为从所述燃料供应单元接收燃料并产生含氢流动气体，并通过燃料供应管道供应含氢流动气体，所述重整单元包括燃烧器；
堆单元，配置为通过所述空气供应管道供应的空气与所述燃料供应管道供应的含氢流动气体之间的电化学反应产生电能；以及
热交换单元，包括基本上密封的内部，在所述燃烧器中产生的废气供应至该内部，其中所述空气供应管道的至少一部分设置成穿过所述内部的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，还包括：
加湿器，配置为向所述空气供应管道供应湿气；以及
气液分离器，配置为分离经所述燃料供应管道提供的气体和液体。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述热交换单元设置在所述燃料供应管道的一位置上，并设置在所述加湿器与所述堆单元之间。
7.一种燃料电池系统，包括：
燃料供应单元，配置为供应燃料；
空气供应单元，配置为经由空气供应管道供应空气；
重整单元，配置为从所述燃料供应单元接收燃料并产生含氢流动气体，并通过燃料供应管道供应含氢流动气体，所述重整单元包括燃烧器；
堆单元，配置为通过所述空气供应管道供应的空气与所述燃料供应管道供应的含氢流动气体之间的电化学反应产生电能；以及
热交换单元，包括基本上密封的内部，在所述燃烧器中产生的废气供应至该内部，其中所述燃料供应管道的至少一部分和所述空气供应管道的至少一部分配置为穿过所述内部的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，还包括：
加湿器，配置为向所述空气供应管道供应湿气；以及
气液分离器，配置为分离经所述燃料供应管道提供的气体和液体。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述热交换单元设置在所述燃料供应管道的一位置上并设置在所述加湿器与所述堆单元之间，并且，所述热交换单元设置在所述空气供应管道的一位置上并设置在所述气液分离器与所述堆单元之间。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述空气供应管道的至少一部分穿过所述内部并基本上定向为直线，并且，所述燃料供应管道的至少一部分穿过所述内部并基本上定向为以螺旋形状环绕在所述空气供应管道的周围。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，至少一部分所述空气供应管道的外表面与所述燃料供应管道的外表面在所述内部中彼此接触。
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