燃料電池冷卻設備和使用其的燃料電池冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池冷卻設備。更具體地，本發(fā)明涉及用于燃料電池的冷卻設備及其冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池通常將由于燃料的氧化而產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池具有很多不同的類型。例如，某些燃料電池在低溫和環(huán)境壓力(ambient pressure,常壓)下操作而其他燃料電池在高溫和高壓下操作。這種差異是由于燃料電池內(nèi)的反應溫度和壓力而造成的。
[0003]圖6是示出典型的低溫/環(huán)境壓力燃料電池的視圖。大多數(shù)的低溫/常壓燃料電池包括氫氣與氧氣發(fā)生反應的堆10、為堆10供應氫氣的氫氣供應單元20、為堆10供應空氣的空氣供應單元30、以及冷卻堆10的冷卻單元40。
[0004]堆10包括引入氫氣的陽極11、用于接收空氣的陰極12和用于冷卻堆10的冷卻器13。
[0005]氫氣供應單元20包括負責打開和關(guān)閉氫氣供應通道的閥門21、用于將氫氣噴射至堆10的陽極11的噴射器(ejector) 22、以及用于將在反應期間產(chǎn)生的殘余物質(zhì)從陽極11排出的排氣閥22。
[0006]空氣供應單元30包括將異物從被注入堆10的空氣中去除的空氣過濾器31、將空氣供應至陰極12的泵32、以及為通過泵32流入陰極12的空氣提供濕氣(moisture，水分)的加濕器33。
[0007]冷卻單元40包括用于儲存冷卻劑的冷卻劑忙液器(reservoir) 41、用于將冷卻劑從冷卻劑貯液器41泵送至堆10的冷卻器13的冷卻劑泵42、通過操作風扇44使空氣流過散熱器43來冷卻從冷卻器13排出的冷卻劑的散熱器43。
[0008]下面將描述加濕低溫/常壓燃料電池的過程和冷卻低溫/常壓燃料電池的過程。從堆10的陰極12排出的濕空氣被輸送至氣體-氣體(gas-to-gas)加濕器以用作加濕器33的濕氣供應源。供應至加濕器的干空氣在經(jīng)過加濕器33的同時被加濕，并且一旦被加濕便再次被引入堆10的陰極12內(nèi)。在該冷卻配置中，堆10通過單獨的防凍液來冷卻，并且從堆10的出口排出的熱冷卻劑通過散熱器43冷卻。
[0009]這些低溫/常壓燃料電池可在低輸出條件下在低溫下操作，并且可充分地為堆供應濕氣。因此，僅能夠在低輸出條件下維持堆的高性能。然而，單獨的加濕控制系統(tǒng)在低輸出條件期間是不必要的。
[0010]此外，在這些類型的系統(tǒng)中，為了在高輸出期間去除來自從冷卻劑(其存在于堆10中)的大量的熱，散熱器43的尺寸應該盡可能的大。這樣，由于為在燃料電池車輛中有效地冷卻該類型的燃料電池所需要的散熱器的尺寸，在對車輛沒有顯著改變的情況下，這些類型的系統(tǒng)不能在車輛中實施。
[0011]因此，高溫操作(S卩，80°C至100°C )對于維持持續(xù)的高輸出系統(tǒng)是必不可少的。然而，由于在高溫操作期間難以適當?shù)貜募訚衿?3供應濕氣，從堆10的電解質(zhì)膜供應的濕氣經(jīng)常被阻塞，使得難以持續(xù)地操作燃料電池。
[0012]圖7是示出高溫/高壓燃料電池系統(tǒng)的框圖。高溫/高壓燃料電池系統(tǒng)的基本配置與圖6的低溫/常壓燃料電池基本相同。這些類型的系統(tǒng)額外地包括背壓調(diào)節(jié)閥34，該閥安裝在空氣供應單元30的排氣端以增加在陰極12(即，空氣電極)內(nèi)的壓力。此外，不是使用低溫/常壓燃料電池系統(tǒng)的泵32，而是在它的位置中使用壓縮機(compressor)。
[0013]這樣，這些系統(tǒng)不同地操作僅在于高溫/高壓燃料電池系統(tǒng)的操作壓力和操作溫度高于低溫/常壓燃料電池系統(tǒng)的操作壓力和操作溫度，但是用于冷卻堆的冷卻單元40的配置與低溫/常壓類型系統(tǒng)的配置基本相同。
[0014]在高溫/高壓燃料電池中用于將濕氣供應至燃料電池的堆10內(nèi)的加濕部分與大多數(shù)的低溫/常壓類型系統(tǒng)的加濕部分相同。差異僅在于操作壓力高于環(huán)境壓力系統(tǒng)中的操作壓力。
[0015]高溫/高壓燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)點在于由于操作壓力的增加，維持在電解質(zhì)膜處的適當濕氣量所必需的加濕量低。因此，可減小加濕器33的尺寸。此外，因為由于高操作溫度(例如，80°C至100°C )即使在具有與低溫/常壓類型系統(tǒng)相同尺寸的散熱器中，散熱量也很大,并且因此可持續(xù)地維持高輸出操作特性。
[0016]然而，在高溫/高壓燃料電池中，空氣供應器的功耗增加并且因此，其結(jié)果是整個系統(tǒng)的效率降低。具體地，由于操作溫度的升高，濕氣從電解質(zhì)膜被去除并且堆10的性能降低，并且隨著經(jīng)過系統(tǒng)的氫氣的量的增加，整個系統(tǒng)的效率降低。此外，氣體和冷卻劑泄漏的可能性增大，并且因此燃料電池的耐久性和質(zhì)量劣化。此外，由于壓力增加系統(tǒng)變得復雜，因此這降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]已經(jīng)努力做出了本發(fā)明以解決根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的低溫/常壓燃料電池和高溫/高壓燃料電池的上述問題，并且本發(fā)明的目的是提供能夠在實現(xiàn)高溫操作的同時確保充分的散熱性能的燃料電池冷卻設備以及使用該設備的冷卻方法。
[0018]本發(fā)明的另一個目的是提供通過充分地供應更高溫度的濕氣來提高堆的性能的燃料電池冷卻設備以及使用該設備的冷卻方法。
[0019]本發(fā)明的又一個目的是提供能夠通過使用環(huán)境壓力操作來防止在高輸出期間的系統(tǒng)效率的降低的燃料電池冷卻設備以及使用該設備的冷卻方法。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種燃料電池冷卻設備，其包括:安裝在燃料電池的堆中的蒸發(fā)/冷卻單元(例如，蒸發(fā)器/冷卻器)，可操作地被配置成降低堆的溫度；用于蒸發(fā)/冷卻單元中的注射器(injector)，可操作地被配置成注射冷卻材料(例如，水)；泵，可操作地被配置并連接成施加為了將冷卻材料注入注射器所需的壓力量；以及通道，被連接并配置成為從蒸發(fā)/冷卻單元蒸發(fā)的冷卻材料提供至燃料電池的堆的陰極的通道。
[0021]陰極可供應從管道注射的并被蒸發(fā)至電解質(zhì)膜的冷卻材料。燃料電池冷卻設備可進一步包括:散熱器，將來自冷卻材料的熱散發(fā)至系統(tǒng)的外部以液化在從陰極被供應至電解質(zhì)膜之后所剩下的蒸發(fā)的冷卻材料。此外，風扇可操作地被布置和配置成將空氣吹向或吹過散熱器以提高散熱器的傳熱效率。此外，水泵可操作地被布置和配置在系統(tǒng)中以向注射器供應冷卻材料，并且貯液器可操作地被布置和配置在系統(tǒng)中以儲存在燃料電池的堆中的氫氣和氧氣之間的化學反應過程中所產(chǎn)生的水和從散熱器恢復(retrieve)的水。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種燃料電池冷卻方法，其包括:將冷卻材料(例如，水)注入蒸發(fā)器/冷卻器中；在蒸發(fā)/冷卻單元中蒸發(fā)冷卻材料；將所蒸發(fā)的冷卻材料引入燃料電池的陰極；以及通過使用引入燃料電池的陰極中的所蒸發(fā)的冷卻材料來將濕氣供應至燃料電池的陰極的電解質(zhì)膜。
[0023]燃料電池設備可進一步包括:在通過使用引入燃料電池的陰極中的所蒸發(fā)的冷卻材料將濕氣供應至燃料電池的陰極的電解質(zhì)膜之后，散發(fā)來自所蒸發(fā)的冷卻材料的熱以液化冷卻材料；以及儲存所液化的冷卻材料。
[0024]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池具有以下效果。
[0025]第一，可通過使用水中的潛熱來冷卻堆并且大量蒸發(fā)的濕氣可直接供應至空氣電極。因此，通過防止電解質(zhì)膜變干，即使在高溫下也可保持堆的性能。
[0026]第二，通過使系統(tǒng)操作在高溫(例如，80°C至100°C )下，可提高系統(tǒng)的效率，即使在環(huán)境壓力下。
[0027]第三，由于即使在較高的溫度下也可提高加濕性能，因此足夠的濕氣可被提供至空氣電極的電解質(zhì)膜，同時在這些較高溫度下仍防止堆的性能的降低。
[0028]第四，由于通過使用注射器來代替中空膜(hollow membrane)型加濕器，允許減小用于為堆提供濕氣的加濕器的尺寸，因此可降低系統(tǒng)的整體尺寸。
[0029]第五,通過從堆中去除單獨的冷卻劑可降低堆的熱容量(thermal capacity)。因此，可提高在較低溫度(即，冰點以下)下的堆的啟動性能。
[0030]第六，由于在高溫(例如，80°C至100°C)下