專利名稱：包括集成陰極廢氣冷凝器和堆冷卻器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及燃料電池系統(tǒng)，具體涉及包括陰極廢氣冷凝器和堆(stack)冷卻器的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于燃料電池在效率和發(fā)熱上具有優(yōu)勢(shì)，隨著對(duì)礦物燃料供給和傳統(tǒng)礦物能源環(huán)境影響的關(guān)心程度日益增長(zhǎng)，利用燃料電池作為發(fā)電設(shè)備和/或作為車輛能源的興趣不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)礦物燃料能源如用于車輛的內(nèi)燃機(jī)。不過，在燃料電池可廣泛使用，特別是用于車輛之前，要求提高承受性和小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種新型、改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)相比人們更加能承受得起的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)相比能制造得更加緊湊的燃料電池系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種能用于車輛用途的改進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明包括燃料電池堆和集成熱交換器單元的燃料電池系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)至少一個(gè)或多個(gè)上述目的。燃料電池堆包括用于接收燃料流的陽極氣體入口，用于接收氧氣流的陰極氣體入口，排出陰極廢氣的陰極排氣管，和使冷卻劑通過燃料電池堆的冷卻劑通道。
在一種形式中，集成熱交換器單元包括并排設(shè)置的陰極廢氣冷凝器和燃料電池堆冷卻器，由并行流過冷凝器和冷卻器的共同冷卻氣流冷卻。冷凝器包括與冷卻氣流成熱交換關(guān)系的冷凝路徑，避免熱從陰極廢氣傳到冷卻氣流中；與陰極排氣管流體導(dǎo)通，接收陰極廢氣并與冷凝路徑連接，并將陰極廢氣分送到冷凝路徑的第一進(jìn)氣歧管；以及與冷凝路徑相連用于從其接收陰極廢氣的第一出氣歧管。燃料電池堆冷卻器包括與冷卻氣流處于熱交換關(guān)系，避免熱從冷卻劑傳送到冷卻氣流的冷卻劑路徑；與燃料電池堆的冷卻劑通道流體連通用于從其接收冷卻劑，并與冷卻劑路徑相連以將冷卻劑分送到冷卻劑路徑的第二進(jìn)氣歧管；以及與冷卻劑路徑相連用于從其接收冷卻劑，并與燃料電池堆的所述冷卻劑通道流體連通用于將冷卻劑引導(dǎo)到該處的第二出氣歧管。
在一種形式中，集成熱交換器單元還包括與冷凝器和冷卻器連接，用于引導(dǎo)冷卻氣流從風(fēng)扇系統(tǒng)通過冷凝器和冷卻器的公共風(fēng)扇護(hù)罩(fan shroud)。
在一種形式中，冷凝路徑和冷卻劑路徑包括多個(gè)并行、分隔的熱交換管。第一和第二進(jìn)氣歧管包括一個(gè)與熱交換管的第一端相連的公共入口上水箱；和流體密封于該公共入口上水箱中、防止陰極廢氣與冷卻器混合的第一隔板。第一和第二出氣歧管包括一與熱交換管的第二端相連的公共出口上水箱；以及流體密封于該公共出口上水箱中防止陰極廢氣與冷卻劑混合的第二隔板。
在一種形式中，集成熱交換器單元包括與公共冷卻氣流處于熱交換關(guān)系的多個(gè)分離的熱交換管；一與熱交換管的第一端相連的公共入口上水箱；流體密封于該入口上水箱中將入口上水箱分成第一和第二進(jìn)氣歧管的第一隔板；一與熱交換管的第二端相連的公共出口上水箱；以及流體密封于該出口上水箱中將出口上水箱分成第一和第二出氣歧管的第二隔板。第一進(jìn)氣歧管與陰極排氣管流體連通，從中接收陰極廢氣并將陰極廢氣分送到第一組熱交換管。第一出氣歧管從第一組熱交換管接收陰極廢氣。第二進(jìn)氣歧管與燃料電池堆的冷卻劑通道流體連通，從中接收冷卻劑并將冷卻劑分送到第二組熱交換管。第二出氣歧管與燃料電池堆的冷卻劑通道流體導(dǎo)通，將冷卻劑從第二組熱交換管引導(dǎo)到該處。第一和第二組熱交換管設(shè)置成，使公共冷卻氣流并行流過第一組熱交換管和第二組熱交換管。
從下面結(jié)合附圖的說明書和權(quán)利要求書，顯然可以得出其他目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1為體現(xiàn)本發(fā)明的包括燃料電池系統(tǒng)和集成熱交換器單元的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的集成熱交換器單元的正視圖；圖3為沿圖2中的線3-3作出的側(cè)視圖；圖4為用于本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的集成熱交換器單元的另一實(shí)施例的正視圖；圖5為與圖2-4的集成熱交換器單元一起使用的風(fēng)扇護(hù)罩的正視圖；以及圖6為沿圖5中的線6-6作出的視圖。
具體實(shí)施例方式
附圖表示甲醇重整器燃料電池系統(tǒng)形式、體現(xiàn)本發(fā)明的包含燃料電池堆11和集成熱交換器單元12的燃料電池系統(tǒng)10，如常常提議用于車輛應(yīng)用中。該集成熱交換器單元12包括并列設(shè)置的由18表示出的公共冷卻氣流冷卻的燃料電池堆冷卻器14和陰極廢氣冷凝器16，公共冷卻氣流并行流過冷卻器14和冷凝器16。甲醛是車輛應(yīng)用中的一種首選燃料，因?yàn)槠湟子谥卣申枠O氣體，并且因?yàn)橄M(fèi)者易于獲得，應(yīng)該理解本發(fā)明可用于任何類型的包括陰極廢氣冷凝器和燃料電池堆冷卻器的燃料電池系統(tǒng)，包括非車輛燃料電池應(yīng)用。因此，除非權(quán)利要求中具體記載的，否則不限于特定類型的燃料電池系統(tǒng)。
用20表示與燃料電池系統(tǒng)10一起工作的其余部件。因?yàn)樗鼈儗?duì)于本發(fā)明的理解并不重要，還因?yàn)橛卸喾N眾所周知并且傳統(tǒng)的可以與系統(tǒng)10一起使用的類型，部件20沒有詳細(xì)說明。對(duì)于車輛應(yīng)用而言，部件20一般包括水箱，甲醛箱，燃料噴霧器，重整爐和催化爐，氣體凈化反應(yīng)器和壓縮機(jī)/膨脹機(jī)，所有這些部件都是已知的。水箱儲(chǔ)存系統(tǒng)水和從燃料電池堆11的陰極廢氣回收的水。在典型操作過程中，點(diǎn)火期間由電池，或者操作期間由燃料電池堆11發(fā)出的電電驅(qū)動(dòng)，按照所需比例從水箱量取水和從甲醛箱量取甲醛到燃料噴霧器中，成為水/甲醛汽化混合物。該汽化混合物被輸送到重整爐和催化爐，將重整產(chǎn)物(氫，水，一氧化碳和二氧化碳)排放到氣體凈化反應(yīng)器中，氣體凈化反應(yīng)器將重整產(chǎn)物中一氧化碳的含量降低到不會(huì)阻礙燃料電池堆11的程度。氣體凈化反應(yīng)器將燃料以陽極氣體的形式(氫，二氧化碳和水)排放到燃料電池堆10的陽極。壓縮機(jī)/膨脹機(jī)將燃料電池堆11排出的氣體膨脹，并壓縮輸送到燃料電池堆陰極的空氣。操作過程中利用燃料電池堆11產(chǎn)生的電能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的泵、馬達(dá)等，并提供系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電能?？墒褂秒姵啬芰窟M(jìn)行點(diǎn)火。在車輛牽引系統(tǒng)中，負(fù)載一般為與車輛牽引系統(tǒng)連接的馬達(dá)。
燃料電池堆11包括，用于將通常為富含氫的陽極氣體的燃料輸送到燃料電池堆11陽極的陽極氣體入口30；用于將通常為空氣形式的氧氣輸送到燃料電池堆11陰極的陰極氣體入口32；用于從燃料電池的陽極排放氣體的陽極排氣管34；用于從燃料電池堆11的陰極排放陰極氣體的陰極排氣管36；以及用于使冷卻劑通過燃料電池堆11以阻止燃料電池堆11產(chǎn)生的熱傳到冷卻劑以便保持燃料電池堆11處于所需工作溫度的冷卻劑通道38。如前面所述，本發(fā)明可以使用使熱不能傳到冷卻劑以獲得燃料電池堆所需溫度的任何燃料電池堆。例如，本發(fā)明可以使用質(zhì)子交換膜燃料電池，堿性燃料電池，磷酸燃料電池，固體氧化物燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池，直接甲醛燃料電池和再生燃料電池。由于有許多已知和傳統(tǒng)類型的其結(jié)構(gòu)和操作是眾所周知的燃料電池，燃料電池堆11的具體細(xì)節(jié)高度依賴于所選擇的燃料電池類型和特定應(yīng)用的操作參數(shù)，為了簡(jiǎn)單起見此處將不提供燃料電池堆11的進(jìn)一步說明。
圖2和3表示集成熱交換器單元12的一種可能實(shí)施方式。如前面所述，冷卻器14和冷凝器16被設(shè)置成并排關(guān)系、被箭頭18所示的并行流過冷凝器16和冷卻器14的公共冷卻氣流冷卻。一般在車輛應(yīng)用中，集成熱交換器單元12安裝在某一位置，如車輛前部，其中對(duì)于至少一部分操作周期，可以以車輛向前運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊氣體的形式提供冷卻氣流18。集成熱交換器單元12包括與公共冷卻氣流18處于熱交換關(guān)系的多個(gè)熱交換管40，其中一組42管子60限定用于陰極廢氣冷凝器16的冷凝路徑43，和另一組44管子40限定用于燃料電池堆冷卻器14的冷卻劑路徑45。在集成熱交換器單元12的所示實(shí)施例中，管子40彼此平行地并排間隔開，S形散熱片46處于相鄰管子40對(duì)之間的空間中。管子42的端部48與冷凝器16的進(jìn)氣歧管50相通，而冷凝器16與陰極排氣管36流體連通，用于通過進(jìn)氣口51從其接收陰極廢氣，并將陰極廢氣分送到管子42中。管子42的另一端52與冷凝器16的出氣歧管53相通，冷凝器16用于接收來自管子42的陰極廢氣和冷凝物，并從出氣口54將其引導(dǎo)到系統(tǒng)10。同樣，管子44的端部60與冷卻器14的進(jìn)氣歧管62相通，其中冷卻器14與冷卻劑通道38流體連通，用于通過進(jìn)氣口64從其接收冷卻劑，并將冷卻劑分送到管子44內(nèi)部。管子44的相對(duì)端66與同冷卻劑通道38流體連通、用于將冷卻劑從管子42通過出氣口70引導(dǎo)到該處的出氣歧管68。
在所示實(shí)施例中，冷凝器16與冷卻器14在其由一對(duì)板74、75限定的界面72處相連，通過適當(dāng)技術(shù)如銅焊，環(huán)氧樹脂或焊接粘接構(gòu)成一對(duì)板74、75。板74、75遍布集成熱交換器單元12的整個(gè)高度延伸。集成熱交換器單元12還包括一對(duì)U形通道形式的側(cè)板76，與歧管50，53，62和68在結(jié)構(gòu)上相連，為集成熱交換器單元12供結(jié)構(gòu)支撐和強(qiáng)度，并為用于將集成熱交換器單元12安裝到與系統(tǒng)10有關(guān)的結(jié)構(gòu)的多個(gè)安裝支架77提供結(jié)構(gòu)支撐。
如在圖4中可以看出，還可以為另一種結(jié)構(gòu)，其中集成熱交換器單元12包括一帶有隔板80的公共入口上水箱78，其中隔板80流體密封于入口上水箱78中，分隔冷凝器16和冷卻器14的進(jìn)氣歧管50，62，從而防止陰極廢氣與冷卻劑混合。同樣，集成熱交換器單元12包括一帶有第二隔板84的出口上水箱82，其中隔板84流體密封于上水箱82中，分隔冷凝器16和冷卻器14的出氣歧管53，68，從而防止陰極廢氣與冷卻劑混合。作為另一種可選擇的方案，該結(jié)構(gòu)中可以不使用板74，75。雖然每個(gè)上水箱78，82為一個(gè)圓柱形箱形結(jié)構(gòu)，不過應(yīng)該理解有多種已知的熱交換器上水箱結(jié)構(gòu)可用于集成熱交換器單元12中。例如，可以由容納管子端部的頂蓋形成箱78，82，而銅焊到頂蓋的單獨(dú)的箱板構(gòu)成歧管50，53，60，68。此外，箱78可以采用與箱82不同的結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)上水箱的特定結(jié)構(gòu)，有多種已知類型的隔板80，84可以用于上水箱78，82中。因此，此處為了簡(jiǎn)單起見，不對(duì)這些部件進(jìn)行進(jìn)一步描述。
雖然所示出的集成熱交換器單元12的實(shí)施例具有設(shè)置成并行流動(dòng)型結(jié)構(gòu)的平面管，不過在有些應(yīng)用中使用其他類型的管子、管子排列是有利的，只要冷凝器16與冷卻器14設(shè)置成并列關(guān)系以使公共氣流18并行通過冷凝器16與冷卻器14流動(dòng)。例如，在某些應(yīng)用中冷凝器16和冷卻器14其中之一或兩者使用圓管，散熱片和/或S形管是有利的。同樣，雖然冷凝器16和冷卻器14表示成尺寸相等，具有相同數(shù)量和尺寸的管子40，不過應(yīng)該理解可以改變冷凝器16與冷卻器14的相對(duì)尺寸，并且根據(jù)特定應(yīng)用的參數(shù)進(jìn)行改變。
如圖5和6中所示，集成熱交換器單元12還可以包括一附著于冷凝器16和冷卻器14，在冷凝器16和冷卻器14與風(fēng)扇系統(tǒng)92之間引導(dǎo)氣流18的公共風(fēng)扇護(hù)罩90。雖然可以使用任何適當(dāng)?shù)母街椒?，不過所示實(shí)施例中的公共風(fēng)扇護(hù)罩90通過多個(gè)扣釘91與側(cè)板76相連。在所示實(shí)施例中，由一對(duì)通過冷凝器16和冷卻器14抽取氣流18的風(fēng)扇形成風(fēng)扇系統(tǒng)92。不過，應(yīng)該理解在某些應(yīng)用中，風(fēng)扇系統(tǒng)92僅包括一個(gè)通過冷凝器16和冷卻器14抽取氣流18的風(fēng)扇是有利的。同樣，雖然所示實(shí)施例表示出安裝在風(fēng)扇護(hù)罩90上的風(fēng)扇系統(tǒng)92，不過在某些實(shí)施例中將風(fēng)扇系統(tǒng)92安裝在與系統(tǒng)10有關(guān)的其他結(jié)構(gòu)上是有利的。
應(yīng)該理解系統(tǒng)10與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)相比，通過將陰極廢氣冷凝器16與燃料電池堆冷卻器14結(jié)合成集成熱交換器單元12，可以增加緊湊度。同樣，應(yīng)該理解系統(tǒng)10與傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)相比，可以降低成本，因?yàn)榧蔁峤粨Q器單元12需要更少部件，并且與更傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比安裝簡(jiǎn)單。另外，應(yīng)該理解通過使用公共氣流18，集成熱交換器單元12與需要分離氣流或其他冷卻劑的更傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，可以增大效率。此外，單氣流18具有可將燃料電池系統(tǒng)10裝配在車輛應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，集成熱交換器單元12可以使冷凝器16和冷卻器14所需的空間和安裝點(diǎn)最小。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池堆，包括接收燃料流的陽極入口，接收氧氣流的陰極入口，排放陰極廢氣的陰極排氣管，以及引導(dǎo)冷卻劑通過燃料電池堆的冷卻劑通道；和集成熱交換器單元，包括以并排關(guān)系設(shè)置的陰極廢氣冷凝器和燃料電池堆冷卻器，以便被并行流過所述冷凝器和冷卻器的公共冷卻氣流冷卻；所述冷凝器包括與冷卻氣流處于熱交換關(guān)系的冷凝路徑，以便不使熱從陰極廢氣傳到冷卻氣流；第一進(jìn)氣歧管，該第一進(jìn)氣歧管與陰極排氣管流體連通，從其接收陰極廢氣并與冷凝路徑連接，將陰極廢氣分送到冷凝路徑；以及與冷凝路徑連接用于從其接收陰極廢氣的第一出氣歧管；該燃料電池堆冷卻器包括與冷卻氣流處于熱交換關(guān)系以便不使熱從冷卻劑傳到冷卻氣流的冷卻劑路徑；第二進(jìn)氣歧管，該第二進(jìn)氣歧管與燃料電池堆的冷卻劑通道流體連通，從其接收冷卻劑并與冷卻劑路徑相連，以將冷卻劑分送到冷卻劑路徑；以及第二出氣歧管，該第二出氣歧管與冷卻劑路徑相連，以從其接收冷卻劑并與燃料電池堆的所述冷卻劑通道流體連通，以將冷卻劑引導(dǎo)到其中。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述集成熱交換器單元還包括附著于所述冷凝器和所述冷卻器，以引導(dǎo)冷卻氣流從風(fēng)扇系統(tǒng)通過陰極廢氣冷凝器和燃料電池堆冷卻器的公共風(fēng)扇護(hù)罩。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述冷凝冷卻路徑和所述冷卻劑路徑包括多個(gè)并行的、間隔開的熱交換管；所述第一和第二進(jìn)氣歧管包括一個(gè)與所述熱交換管的第一端相連的公共進(jìn)口上水箱，和流體密封于所述公共入口上水箱中以防止所述陰極廢氣與所述冷卻劑互相混合的第一隔板；以及所述第一和第二出氣歧管包括一個(gè)與所述熱交換管的第二端相連的公共出口上水箱，和流體密封于所述公共出口上水箱中以防止所述陰極廢氣與所述冷卻劑混合的第二隔板。
4.一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一燃料電池堆，包括一接收燃料流的陽極入口；一接收氧氣流的陰極入口；一排放陰極廢氣的陰極排放管；以及一引導(dǎo)冷卻劑通過燃料電池堆的冷卻劑通道；和集成熱交換器組件，包括多個(gè)間隔的、與公共冷卻氣流處于熱交換關(guān)系的熱交換管；一與熱交換管的第一端相連的公共入口上水箱；一流體密封于該入口上水箱中以將入口上水箱分成第一和第二進(jìn)氣歧管的第一隔板；一與熱交換管的第二端相連的公共出口上水箱；以及流體密封于該出口上水箱中以將出口上水箱分成第一和第二出氣歧管的第二隔板，該第一進(jìn)氣歧管與陰極排氣管流體連通，以從其接收陰極廢氣并將陰極廢氣分送到第一組所述熱交換管；該第一出氣歧管從所述第一組熱交換管接收陰極廢氣，該第二進(jìn)氣歧管與燃料電池堆的冷卻劑通道流體連通，以從其接收冷卻劑并將冷卻劑分送到第二組所述熱交換管，該第二出氣歧管與燃料電池堆的所述冷卻劑通道流體連通，以將冷卻劑從所述第二組熱交換管引導(dǎo)到該處，所述第一與第二組熱交換管設(shè)置成使公共冷卻氣流并行流過所述第一和第二組熱交換管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)(10)，包括燃料電池堆(11)和集成熱交換器單元(12)。該集成熱交換單元(12)包括并排設(shè)置的燃料電池堆冷卻器(14)和陰極廢氣冷凝器(16)，其中由并行流過冷卻器(14)和冷凝器(16)的公共冷卻氣流(18)冷卻燃料電池堆冷卻器(14)和陰極廢氣冷凝器(16)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1529920SQ02814213
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2002年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者喬納森·P·沃特萊特, 喬納森 P 沃特萊特, G 沃斯, 馬克·G·沃斯 申請(qǐng)人:穆丹制造公司