专利名称：热电混合动力系统中的燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种系统，该系统应用采用单相冷却剂的燃料电池而将燃料转化成可使用的热和电力。来自冷却器板的单相冷却剂(也就是，水)的流出物分成用于燃料处理系统的足够数量被快速制成用于燃料转化器的蒸气，包括用于热回收和利用设备的高等级热源的剩余流出物。
背景技术：
在已知的采用磷酸电解液的燃料电池系统中，插置在燃料电池组间的冷却器板具有单一蜿蜒的冷却器流道并利用水冷却剂。液态水进入冷却器板，而两相的水/蒸气混合物由该冷却器板排出。水的显热随其沸腾温度的升高而升高，从而导致小部分的热量排除，而大部分的热量排除则是因液态水转变成蒸气的蒸发潜热而造成的。美国专利3,969,145说明了这种冷却剂系统。
众所周知，经过典型冷却器的压力降低是全阶的，如果入口压力如此，则在一定冷却剂流速、随之发生的压力降低和温度升高情形下，会产生蒸气。由于压力降低特性是全阶的，所以存在引起同样压力降低的三种流速，一种流速是带有高蒸气量的低流动性，一种流速是带有低蒸气量的中等流动性，并且一种是无蒸气量的高流动性。这意味着在试图缩小入口和出口管中压力变化的典型冷却剂管设计中，朝30多块冷却器板中任意一块的流动可能是引起冷却剂管间预定压力差异的三种冷却剂流速中的任一种。典型的冷却器板需要在引起低质(低蒸气量)两相流的中等流速下运行。在30多块冷却器板间流速的潜在变化，将会导致温度变化以及随后不期望的性能变化。
一种表面简单地解决该问题的方案是使用流动控制装置，为了提供无变化的压力/流动特性，该装置主要提高经过每一冷却器板的总体压力。这可通过如美国专利4,923,767中采用流动约束口来实现；美国专利4,574,112公开了包括曲折流道冷却剂管的流动控制装置。
如果冷却器在单相模式下运行(此时都为液态流动)，则可避免在冷却器中伴随产生气相的冷却器到冷却器的流动分布问题。这是因为在所有与液态流动相关的流动范围内，压力降低特性是无变化的。然而，为了产生用于燃料电池堆的燃料，单相冷却剂的优点由于需要提供用于燃料处理(如传统转化器)的蒸气而抵销。
单相流动相对于两相流动的优点可在
图1所示的示例中看到。在不带有流动控制装置的两相流动情形下，冷却剂流动范围在低的80磅/小时(pph)(36kgm/hr)至高的350pph(158kgm/hr)间分布。50％的冷却剂流经该三十三个冷却器中的七个。作为低冷却剂流动的结果，邻近该低流动冷却器的电池将具有高于预期的温度。这将导致较快的性能衰减、较高的酸损耗率和降低的电池堆寿命。
在带有流动控制装置的两相流动情形下，冷却剂流动范围在低的150pph(66kgm/hr)至高的210pph(95kgm/hr)间分布。在以每一冷却器上都安装流动控制装置的代价下，这种改善的流动均匀性会导致寿命的延长。
然而，在没有因复杂流动约束装置而产生的额外成本时，单相冷却剂的流动分布在大约190pph(86kgm/hr)时非常均匀。
由于分布装置在长期运行后可能会被堵塞，流动控制装置增加了燃料电池堆的成本并且存在可靠性问题。
发明内容
本发明的方面包括在燃料电池堆的冷却剂入口，消除对复杂流动分布装置的需求；降低热电混合动力系统中的寄生动力(parasiticpower)；在实现单相燃料电池冷却剂的优点的同时，向燃料电池燃料处理器简易供给蒸气；以及改善热电混合动力系统中的热回收。
根据本发明，从转化器中向燃料电池堆供给重整气，该堆的单相冷却剂流出物分出正好足够的水，以快速转变成用于该转化器的足量蒸气，而单相冷却剂流出物的剩余部分则直接供给到热回收和利用设备。
本发明不仅避免了对复杂冷却剂流动控制装置的需求，也避免了在回收冷却剂流出物的热能前，通过蒸气回收设备处理全部的冷却剂流出物。
本发明的其它方面、特点和优点根据下文中示范性实施例的详细说明和附图所示，将会变得更加清楚。
附图简要说明图1是显示了入口冷却剂分布的条形图。
图2是燃料电池系统的简化的且程式化的框图，该系统具有单相冷却剂，其冷却剂流出物被分离用于产生蒸气、降低冷却剂泵的寄生动力并且提高热回收。
发明实施方式参见图2，本发明使用单相冷却剂(诸如水)，而不是双相冷却剂(诸如水/蒸气混合物)。由于使用了单相冷却剂，冷却剂流路中的流出物可被如此分离，使得仅用于燃料处理所需的一定量的冷却剂水快速变成(flash into)蒸气，而冷却剂流的剩余部分则直接应用到热回收和利用设备。如果冷却剂蒸气为提供转化器蒸气而在快速变成蒸气后，被输送到热回收和利用设备，而不是在此之前，则蒸气的温度将会较低，并造成热回收和利用设备既有设计的较紧收缩和较低热摄取。此外，由于热回收和利用设备引起堆冷却剂流(stream)额外的压力降低，泵寄生动力将变得较高。分离冷却剂流，以将一定量的冷却剂快速变成用于转化器的蒸气，同时将剩余部分直接输送到热回收和利用设备，从而避免了这些问题，并导致来自热回收和利用设备中的较高热摄取和较低的冷却剂压力降低和寄生动力。
图2示出了在具有采用了本发明的燃料电池的系统中的热回收的简化示意图。其中，燃料电池组9包括阳极53、阴极54和冷却器55，以及每个燃料电池的电极组件(未示出)。含氢的重整燃料经过管道57，从燃料处理系统58供给到阳极53，该燃料处理系统58例如可以是蒸气重整反应器。该燃料处理系统利用了管道61中来自气泵62的空气、管道64中来自源63的碳氢燃料以及来自蒸气发生器的蒸气，该蒸气发生器包含蒸气鼓室68。阳极排气装置69可包含传统的燃料回收和净化(purging)功能，该功能与本发明无密切关系，在此为清楚目的而予以省略。
阴极接收了管道61中的空气，阴极的流出物则通过管道70而予以排放。若需要，可在空气排放装置上设有热回收系统，如附有辅助冷却剂系统；然而，这与本发明无密切关系，在此为清楚目的而予以省略。
依照本发明，冷却剂离开冷却器板55，经过传统的冷却剂出口管(未示出)，进入管道75，并且被如此分离，致使其一部分流经管道76而直接进入热回收和利用设备77，同时小部分供向管道78，通过约束装置79将水快速变成蒸气鼓室68内的蒸气，该鼓室一起包含的还有蒸气发生器。快速进入蒸气鼓室的部分水没有转变成蒸气，而是以水的形态经过管道81返回到冷却器55。
热回收和利用设备77可以是燃料电池动力装置附件85，诸如提高燃料电池系统热效能的任何装置。例如是单效和双效吸收式致冷器，或热交换器，其热接收侧将向用户提供家用热水、为消费者生活空间的热水供暖或者锅炉的预热提供加压热水，该锅炉预热将用于产生用在某些其它用途的蒸气。
在冷却剂流动系统内，可有多种水处理功能83，诸如消电离作用和温度管理，该功能与本发明无密切关系，在此不作过多描述。水通过管道87进入冷却剂泵86，该泵输出物流经管道88进入冷却器55的简易冷却剂入口管(未示出)，该冷却器不带有流动控制装置。在压力高于冷却剂处于冷却器板55内温度时的饱和压力下，运行冷却剂泵86而获得单相冷却剂。
现有技术中，全部冷却剂流经约束装置78，进入蒸气鼓室68，并从离开蒸气鼓室的管道81中提取用于有用用途的热回收。这要求泵直接从蒸气鼓室中抽取水，这消耗了燃料电池产生的大部分能量，从而意味着大量的寄生动力成本。作为对比，本发明在管道76和78间进行分流，管道78仅接收足够的水，以向燃料处理系统提供适量的蒸气，剩余部分的水则直接供给到热回收和利用设备77，使得该设备具有较多的能量，并减少对泵能的需求。这或者是提高了热回收和利用设备的总体性能系数(COP)，或者是允许在应用本发明时，该利用设备获得了较高的温度。
权利要求
1.一种燃料电池和热回收系统，包括与多个冷却器板(55)一起分布在堆(9)中的多个燃料电池(53，54)；通过所述多个冷却器板以一定压力提供单相冷却剂的冷却剂泵(86)，所述压力高于处于所述冷却器板内的冷却剂温度的冷却剂饱和压力；用于提供重整燃料(57)到所述燃料电池堆的碳氢燃料重整系统(58)；用于提供蒸气(67)到所述重整系统的蒸气发生器(68，79)；热回收和利用设备(77)；以及装置(76，78)，所述装置分离自所述冷却器板排出的冷却剂(75)流出物中，以引导足够的冷却剂(78)到所述蒸气发生器，以便向所述燃料重整系统提供适当的蒸气，以产生用于所述燃料电池堆的足够的重整燃料，来自所述冷却器板的冷却剂流出物的剩余部分(76)直接应用到所述热回收和利用设备中。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸气发生器包括蒸气鼓室(68)和位于所述蒸气鼓室入口处的流动约束装置(79)，所述蒸气鼓室将水快速变成蒸气。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热回收和利用设备(77)包括燃料电池动力装置附件(85)。
全文摘要
一种具有燃料电池堆(9)的燃料电池系统，其在相应的冷却器板(55)间使用一组燃料电池。该系统采用单相冷却剂，冷却剂板(55)的流出物分出正好足够的流量(78)，以向燃料转化器(58)提供适当的蒸气(68，79)，冷却剂出口的剩余部分(76)直接流入热回收和利用设备(77)，该设备可包括诸如深冷器或锅炉的燃料电池动力装置附件(85)。
文档编号H01M8/00GK101087930SQ200580044878
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月15日 优先权日2004年12月29日
发明者R·R·弗雷德利, B·V·尼塔 申请人:Utc电力公司