專利名稱：電化學燃料電池中的熱能處理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料和氧化劑在膜電極組件上結合以產(chǎn)生電能和反應產(chǎn)物、即水蒸氣類型的燃料電池，。
背景技術：
傳統(tǒng)燃料電池10的典型布局如圖1所示，其中，為了清楚起見，以分解的形式示出了各層。固體聚合物離子傳輸膜11夾在陽極12和陰極13之間。通常，陽極12和陰極13都是由其中結合了小顆粒的鉑和/或其它貴金屬催化劑的導電的多孔材料、如多孔碳制成。陰極12和陰極13常常直接結合到膜11的各相鄰表面上。這種組合件通常稱為膜電極組件或者MEA。
夾著聚合物膜和多孔電極層的是陽極流體流場板(fluid flow field plate)14和陰極流體流場板15，它們分別向MEA傳送燃料和氧化劑。流體流場板14、15由導電的非多孔材料構成，借助于這類材料它們可與各陽極12或陰極13電接觸。同時，流體流場板應有助于將流體燃料、氧化劑和/或反應產(chǎn)物傳送到多孔電極，和/或從多孔電極排出流體燃料、氧化劑和/或反應產(chǎn)物。
這通常受到在流體流場板表面中形成的流體流動通道、例如對著多孔電極12、13的表面中的凹槽或溝道16的影響。氫和/或其它流體燃料或燃料混合物被傳送到陽極溝道。通常為氧或環(huán)境空氣的氧化劑被傳送到陰極溝道，從陰極溝道引出反應產(chǎn)物水和/或水蒸氣。
參照圖2，通常將多個燃料電池10設置在電池堆(stack)20中，使得一個電池的陽極14與下一個電池的陰極15相鄰并電接觸(優(yōu)選使用所示出的組合的流體流場板21)，將每一電池產(chǎn)生的電壓依次疊加，從而產(chǎn)生所需供應的電壓。
尤其是在建設大功率供電網(wǎng)費用很高的偏遠地區(qū)，由于燃料電池是將地區(qū)性電源供給民用和輕工業(yè)建筑物的有效方式而備受關注。
電化學燃料電池的一個方面是在發(fā)電過程中在燃料電池內(nèi)產(chǎn)生一定的熱量。按照慣例，熱量作為廢棄副產(chǎn)品隨水蒸氣一道被引出而完全被浪費掉。
事實上，MEA和流體流場板中的一定的熱量有望優(yōu)化運行條件，但是尤其對燃料電池的發(fā)電需求較高時必須對其進行嚴格控制。對存在于燃料電池的熱量的控制通常采用一種或兩種不同的冷卻機構。
在第一種機構中，利用液相冷卻，其中將水傳送到位于電池堆20內(nèi)選定的流體流動板之間的分離的冷卻板中，和從所述分離的冷卻板引出。通常，冷卻板位于每第四或第五個陽極/陰極場板對(field plate pair)之間。從冷卻板引出的水通過熱交換器并再循環(huán)到冷卻板中。
在第二種機構中，通過將水量被控制的水傳送到MEA 11、例如直接傳送到電極表面或傳送到流體流場板14、15的溝道16中使水汽化并從陰極排氣中引出，利用蒸汽相冷卻以便從活性(active)流體流動板中引出熱量。該技術具有以下優(yōu)點，不僅可提供水以維持適當?shù)哪に浚铱赏ㄟ^蒸發(fā)和排出汽化潛熱起冷卻燃料電池的作用。
但是，由于水被傳送到燃料電池的工作的MEA中，重要的是，必須使用足夠純的水才能不損害膜11的質(zhì)量和性能。在一些偏遠環(huán)境中，很難保證能恒定地提供這種水質(zhì)，而且這也不是燃料電池操作者所能控制得了的。
一般說來，對于冷卻板的冷卻系統(tǒng)和從陰極排氣中引出的氣相不相適應，因為入口和出口溫度不同，而且通常需要分開的熱交換器回路。這將導致整個燃料電池能量系統(tǒng)的復雜性和費用增加，尺寸加大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效和/或簡單的用于燃料電池的熱處理系統(tǒng)，以減少發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量副產(chǎn)品的浪費。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于燃料電池電池堆的冷卻回路，致使可毫無困難地保持傳送到MEA的冷卻水的純度。
本發(fā)明的又一目的是提供一種熱冷卻(thermal cooling)和能量處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需單個熱交換回路就可以毫無困難地在各種電需求條件下適應高能燃料電池的散熱要求。
本發(fā)明的一些或者所有目的可以通過以下所述的各實施方式實現(xiàn)。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種燃料電池組件，包括
燃料電池電池堆，該電池堆具有至少一個用于接收冷卻水的入口和至少一個用于排出水和/或水蒸氣的出口，每一入口和出口都與燃料電池電池堆的至少一個膜電極組件連通；及儲熱罐，該儲熱罐具有貫穿其中的熱交換器管，該熱交換器管具有分別與燃料電池電池堆的至少一個出口和至少一個入口相連的入口和出口，從而形成燃料電池電池堆的冷卻回路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種使燃料電池組件運行的方法，包括以下步驟向燃料電池電池堆輸送燃料和氧化劑，以產(chǎn)生電流和水/水蒸氣副產(chǎn)品；向儲熱罐的熱交換器管輸送水/水蒸氣并從熱交換器管中引出熱能；回收來自熱交換器管中的水和蒸汽冷凝物并將其返回到燃料電池電池堆中的膜電極組件；將熱能儲存在儲熱罐中，該燃料電池電池堆和熱交換器管形成水冷卻回路。


現(xiàn)在將通過實例并結合

本發(fā)明的實施方式。附圖中圖1是傳統(tǒng)燃料電池的一部分的橫截面示意圖；圖2是傳統(tǒng)燃料電池電池堆的一部分的橫截面示意圖；圖3是用于同時提供來自電化學燃料電池的熱量和電力的熱能處理系統(tǒng)的示意圖；圖4是用于圖3所示的系統(tǒng)中的帶有浸沒式加熱器的可供選擇的儲熱罐的示意圖；圖5是用于圖3所示系統(tǒng)中的連同輔助熱交換器一起的儲熱罐的示意圖；圖6是用于圖3所示系統(tǒng)中的連同剩余廢熱散發(fā)機構一起的儲熱罐的示意圖。
具體實施例方式
參照圖3，現(xiàn)在說明和燃料電池一起使用的熱能處理系統(tǒng)及熱和電能聯(lián)合控制系統(tǒng)。燃料電池電池堆30包括適合滿足系統(tǒng)的整個電力要求的多個燃料電池。燃料供應、通常由氫氣罐40或重整單元提供的氫連接到陽極入口31，該陽極入口將流體燃料提供給燃料電池電池堆的陽極板。設置陽極凈化出口(purge outlet)32以有利于凈化陽極流體流動板，例如，清除積聚在MEAs的陽極側的水，或者可以返回到重整器為基礎的燃料處理器的燃燒部分。
燃料供應可以包括合適的預熱機構，優(yōu)選使用燃料電池電池堆自身產(chǎn)生的熱，或者在啟動期間使用電加熱器。
陽極流體流動控制系統(tǒng)還可以包括連接到陽極出口32的凈化閥46，從而可間歇地凈化陽極。
通常為空氣的氧化劑源被提供到陰極入口33，陰極入口將氧化劑提供給燃料電池電池堆30中的陰極板。設置陰極出口34(或‘陰極排出口’)以有利于清除未消耗掉的氧化劑和反應副產(chǎn)物(包括水)，如果有的話，還一起清除稀釋劑或惰性氣體。
在一優(yōu)選結構中，如圖所示，采用空氣壓縮機53通過過濾器55從環(huán)境空氣中抽取供給的氧化劑，該過濾器在經(jīng)常負荷條件(under the prevailingload conditions)下能確保向燃料電池提供適當?shù)难趸瘎┝俊?br> 陰極出口34與儲熱罐61內(nèi)的熱交換器管60相連。優(yōu)選熱交換器管60為穿過儲熱罐的水套62的盤管。當然，一般而言，熱交換器管可以是任何合適的管道，通過該管道，來自陰極輸出34的水/水蒸氣可以流入和流過任何適當?shù)膫鳠嵫b置。熱交換器管通向用于收集水和蒸汽冷凝物的水收集容器63。
來自冷凝物收集容器63的水在水入口70處返回到燃料電池電池堆陽極和/或陰極，這部分水可用于完成一種或多種功能，以使燃料電池電池堆30內(nèi)部保持最優(yōu)的工作條件。例如，可用這部分熱水預熱燃料和/或氧化劑。
也可用這部分水加濕入口燃料和/或氧化劑流，此外還有利于使MEA中的反應速率保持在適當水平，而且可延長膜的壽命。也可選擇將水直接注入到陽極側和/或陰極側的流體流場板溝道中，通過再蒸發(fā)、使膜加濕、以及燃料和/或氧化劑的預熱而有助于MEA的一種或者多種溫度控制。
一般說來，由陰極出口34排出的水和/或水蒸氣直接流過包括熱交換器管60、冷凝物收集容器63和水入口70的整個冷卻回路。
在優(yōu)選實施方式中，冷卻回路還包括用于在入口70保持適當流率的水泵71。
優(yōu)選冷凝物收集容器63還包括排氣出口66和相連的壓力調(diào)節(jié)閥65，以便按需要分配廢氣和來自冷卻回路的水。如果需要，壓力調(diào)節(jié)閥有助于使燃料電池在較高的入口空氣壓力下工作，從而可提高燃料電池的功率輸出。壓力調(diào)節(jié)閥可使陰極排氣和任何載液或者惰性氣體以預定壓力水平有控制地排出。因此，壓力調(diào)節(jié)閥具有可控制地排出來自冷卻回路的廢氣的控制機構。
值得注意的是，冷卻回路利用的是在MEA處的氫和氧結合期間由燃料電池電池堆30產(chǎn)生的水，而且維持這部分水的供應。因此，這部分水可保持高的純度，而且可將其用作直接注入燃料和/或氧化劑源的水。燃料電池電池堆的這部分水副產(chǎn)物不會構成明顯的中毒危害或?qū)θ剂想姵仉姵囟阎械腗EA性能的危害。
熱交換器管60中的水優(yōu)選與水套62中的水完全隔離，水套62中的水可以由不一定全部用所供的冷水80的當?shù)厮囱a充。家用或商業(yè)用的熱水可以從熱水出口81引出。通過向使用二次水回路82的散熱器系統(tǒng)(未示出)提供熱水，還可以為家用或商用建筑物供暖。
可以理解，由儲熱罐61供水和供暖可以只由燃料電池電池堆30提供，或者燃料電池30只作為輔助提供。
上述設置除可保持高純度的水冷卻回路之外，其獨特優(yōu)點是該燃料電池在所有的外部電負荷結構(load condition)下可以保證適當?shù)臒崃鋮s能力(thermal cooling capacity)。DC/DC轉換器90和變換器91為電源92提供外部電負荷。
當外部電負荷結構高時，將產(chǎn)生相當多的熱能，而且可將其儲存在儲熱罐61中，以備以后使用。同樣，當所需的外部電負荷需求小而對家用熱水的需求大時，燃料電池電池堆30可以簡單地在滿負荷下運行，產(chǎn)生的電力被該系統(tǒng)內(nèi)部使用，以便利用浸沒式加熱器或類似裝置促進熱水套62的直接加熱。圖4示出了這種設置，其中，儲熱罐61裝有與輸出電力的電源92相連的整體式浸沒式加熱器95。這不僅可直接加熱水，而且由于對燃料電池電池堆30的電需求，增加了燃料電池通過冷卻回路傳送到儲熱罐61的熱功率。
于是，不至于限制燃料電池的運行而使熱量需求必須與電能需求匹配，反之亦然。儲熱罐61有效地消除了熱量和電力聯(lián)合系統(tǒng)的電力和熱能需求之間的相互影響。
盡管已對使用與冷卻回路熱交換器盤管60中的水直接熱接觸的水套62的儲熱罐61作了描述，但是可以理解，還可以使用其它形式的儲熱罐，例如，可使用任何合適的熱容量大的塊狀材料。如果需要，這種儲熱罐可用于加熱給水。
在典型的示意性燃料電池中，陰極排氣34包含約為80℃的混合的水/水蒸氣，這證實了通過二次水回路82可維持家用熱水供應的觀點。經(jīng)熱交換后，在選擇的運行條件下，這里所述的優(yōu)選實施方式可以使冷卻水在30和60℃之間的溫度下返回到冷卻水入口70。因此，即使對于高功率燃料電池，本發(fā)明的冷卻回路通常也可以實現(xiàn)省去燃料電池電池堆中的專用冷卻板，而且所有的冷卻都由蒸發(fā)和冷凝機構來實現(xiàn)。
可以對上述實施方式進行各種改型。借助于儲熱罐61從陰極排氣34排出的熱能量不足時，可以設置另外的抽熱機構。
例如，在圖5中，可以用空氣冷卻冷凝器單元100代替水收集容器63，或者除了水收集容器63之外還使用空氣冷卻冷凝單元100。
在另一設置中，如圖6所示，可以在對向水入口70供水的儲熱罐61出口中的溫度傳感器101進行控制的情況下，通過與熱水出口81相連的廢水出口104將多余的熱能抽出系統(tǒng)。當水入口70超過預定溫度時，溫度傳感器101通過反饋線103控制閥102，以泄放熱水，而從冷水源80補充冷水。
可以理解，水入口70不僅可為了冷卻和加濕而向燃料電池陽極和/或陰極供水，而且如果需要，還可用于對設置在所選擇的那些流體流場板之間的分隔的冷卻板供水。
其它實施方式也將落入所附的權利要求的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種燃料電池組件，包括燃料電池電池堆，該電池堆具有至少一個用于接收冷卻水的入口和至少一個用于排出水和/或水蒸氣的出口，每一所述入口和出口都與該燃料電池電池堆的至少一個膜電極組件連通；及儲熱罐，該儲熱罐具有貫穿其中的熱交換器管，所述熱交換器管具有分別與所述燃料電池電池堆的至少一個出口和至少一個入口相連的入口和出口，從而形成所述燃料電池電池堆的冷卻回路。
2.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，還包括設置在所述冷卻回路中、在所述熱交換器出口和所述燃料電池電池堆入口之間的冷凝物收集單元。
3.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，還包括設置在所述冷卻回路中、在所述熱交換器出口和所述燃料電池電池堆入口之間的水泵。
4.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，所述儲熱罐包括環(huán)繞所述熱交換器管的水套。
5.如權利要求4所述的燃料電池組件，其中，所述水套還包括冷水供給和熱水放水點。
6.如權利要求4或5所述的燃料電池組件，其中，還包括用于加熱所述水套的電加熱元件，該電加熱元件與所述燃料電池電池堆的電輸出相連。
7.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，還包括用于可控制地從所述冷卻回路中排出廢氣的壓力調(diào)節(jié)裝置。
8.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，所述儲熱罐包括貫穿其中的、用于提供空間供暖散熱系統(tǒng)的第二水回路。
9.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，所述燃料電池電池堆的接收來自所述冷卻回路的水的所述入口與所述燃料電池電池堆中陽極和/或陰極的直接水注入系統(tǒng)相連。
10.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，將所述燃料電池電池堆的接收來自所述冷卻回路的水的所述入口連接成對提供給所述各陽極/陰極的燃料和/或氧化劑進行預熱。
11.如權利要求5所述的燃料電池組件，其中，還包括連接在所述熱水放水點和廢水出口之間的閥，和設置在所述冷卻回路中、當所述冷卻回路中的水超過預定溫度時驅(qū)動所述閥的溫度傳感器。
12.如權利要求1所述的燃料電池組件，其中，所述至少一個出口包括陰極排出口。
13.一種使燃料電池組件運行的方法，包括以下步驟向燃料電池電池堆供給燃料和氧化劑，以產(chǎn)生電流和水/水蒸氣副產(chǎn)品；向儲熱罐的熱交換器管供給水/水蒸氣，并從中引出熱能；回收來自所述熱交換器管的水和蒸汽冷凝物，并將其送回所述燃料電池電池堆中的膜電極組件；及將所述熱能儲存在所述儲熱罐中，所述燃料電池電池堆和所述熱交換器管形成水冷卻回路。
14.如權利要求13所述的方法，其中，還包括收集所述冷卻回路中的、在所述熱交換器和所述燃料電池電池堆入口之間的冷凝物收集單元中回收的水和蒸汽冷凝物的步驟。
15.如權利要求13所述的方法，其中，還包括將所述回收的能量儲存在儲熱罐的水套中的步驟。
16.如權利要求15所述的方法，其中，還包括從所述水套放出熱水和補充冷水的步驟。
17.如權利要求13所述的方法，其中，還包括加熱來自所述儲熱罐的第二水回路中的水的步驟。
18.如權利要求13所述的方法，其中，還包括將所述回收的水和蒸汽冷凝物作為輸入供給所述燃料電池電池堆中陽極和/或陰極的直接水注入系統(tǒng)的步驟。
19.如權利要求13所述的方法，其中，還包括向所述燃料電池電池堆提供所述回收的水和水蒸氣冷凝物以預熱提供給各陽極/陰極的燃料和/或氧化劑的步驟。
20.一種基本上如這里參照附圖所述的燃料電池組件。
21.一種基本上如這里參照附圖所述的運行燃料電池組件的方法。
全文摘要
一種燃料電池組件，該燃料電池組件向輸送到儲熱罐的冷卻水回路提供水或者水蒸氣副產(chǎn)物，水或者水蒸氣副產(chǎn)物可以從儲熱罐直接輸入到膜電極組件，從而再循環(huán)到燃料電池電池堆，用作燃料/氧化劑預熱和/或直接注入膜電極組件的水。借此可確保傳送到膜電極組件的水的純度。儲熱罐可以消除熱和電力聯(lián)合轉輸單元中燃料電池電池堆上的熱量和電負荷之間的影響。在外部電負荷小的情況下，燃料電池電池堆及其冷卻回路可在大容量狀態(tài)下使用，以提供熱水。
文檔編號H01M8/04GK1735989SQ200380108462
公開日2006年2月15日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權日2002年11月22日
發(fā)明者彼得·D·胡德, 菲利普·J·米切爾, 保羅·L·阿德科克, 喬納森·科爾 申請人:智慧能量有限公司