具多流热交换器的燃料电池系统、其用途以及其操作方法技术方案

在燃料电池系统(例如，HTPEM燃料电池)尤其是用于汽车的燃料电池系统中，采用了多流热交换单元以便节省空间。交换单元以便节省空间。交换单元以便节省空间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具多流热交换器的燃料电池系统、其用途以及其操作方法


[0001]本专利技术涉及具有燃烧器和重整器以及热交换器系统的燃料电池系统(例如，HT
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PEM燃料电池)，以及其对于车辆的用途和操作此种燃料电池系统的方法。

技术介绍

[0002]当用燃料电池系统生成电力时，也会生成作为副产物的热，所述热被循环通过燃料电池中的通道的冷却液移除。通过例如基于二醇的冷却液流动穿过热交换器和散热器来调整温度，以优化燃料电池的功能。另一方面，冷却剂可用于在起动状况期间加热燃料电池。
[0003]三通热交换器通常已知用于冷却剂回路。在韩国专利申请KR2017
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0087077中公开了通过单个三通热交换器的三个冷却回路的示例。然而，尚未提出三通热交换器用于液体与气体之间的热交换，以便为燃料电池系统尤其是汽车中的燃料电池系统提供紧凑的解决方案。而是，双向交叉流热交换器通常用于燃料电池系统作为空气热交换器或冷凝器。
[0004]WO 2019/158173 A1描述了一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，每个包括阴极、阳极和聚合物电解质，以及冷却流体回路。燃料电池系统还包括将阴极气体馈送到阴极的阴极气体供应装置，以及接收经蒸发的燃料并将其转化为馈送到燃料电池的阳极侧的合成气的重整器。燃料电池系统还包括加热重整器的重整器燃烧器、接收液体燃料并将其蒸发以形成馈送至重整器的经蒸发的燃料的蒸发器。蒸发器由冷却回路的冷却液加热。
[0005]WO2017/148487公开了一种具有冷却回路的燃料电池系统，其中冷却剂被分成传递通过用于蒸发燃料的热交换器的主要部分和传递通过用于冷却冷却剂的热交换器的次要部分。US2015/0340715公开了一种燃料电池系统，其中冷却剂用于在空气和氢进入燃料电池模块之前对空气和氢进行加热和加湿。US2001/0019788公开了一种冷却回路，其中冷却剂用于蒸发燃料。
[0006]对于燃料电池系统，尤其是在汽车工业中，一直存在对优化的稳定需求。特别地，存在对空间和重量的最小化的需求。上面提及的现有技术没有教导由冷却回路流体加热的阴极气体加热器，并且阴极气体加热器和蒸发器在一个三通热交换器模块中组合。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目标是提供对本领域的改进。特别地，一个目标是提供一种紧凑且用于在小空间中(例如，在汽车中)提供的燃料电池系统。该目标和另外的目标用如以下和权利要求书中所描述的燃料电池系统和方法来达成。
[0008]如以下所阐述，提出了用于达成紧凑性同时优化热效率的不同原理。
[0009]燃料电池系统包括燃料电池，通常是燃料电池堆。在本文中，术语燃料电池被用于单个燃料电池以及多个燃料电池(例如燃料电池堆)。
[0010]燃料电池包括阳极侧和阴极侧以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间通过膜将氢离子从阳极侧输送到阴极侧。
[0011]例如，燃料电池是在高温下操作的类型。术语“高温”是燃料电池
中常用和理解的术语，并且指的是120℃以上的操作温度，与在较低温度下(例如，在70℃)操作的低温燃料电池形成对照。例如，燃料电池在120℃
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200℃的温度范围内操作。
[0012]例如，燃料电池系统中的燃料电池是高温聚合物电解质膜燃料电池(HT
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PEM)，它们在120摄氏度以上操作，从而使HT
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PEM燃料电池与低温PEM燃料电池区分开来，后者在低于100度的温度下(例如，在70度下)操作。HT
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PEM燃料电池的正常操作温度在120摄氏度至200摄氏度的范围内，例如在160摄氏度至170摄氏度的范围内。HT
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PEM燃料电池中的聚合物电解质膜PEM是基于无机酸的，通常是聚合物膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。HT
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PEM燃料电池在耐受相对较高的CO浓度方面是有利的，并且因此在重整器与燃料电池堆之间不需要PrOx反应器，这就是可使用简单、轻质且廉价的重整器的原因，这符合例如为汽车工业提供紧凑型燃料电池系统的目的使系统的整体大小和重量最小化。
[0013]燃料电池用于产生电力，例如用于驱动车辆，诸如汽车。为了为所产生的电力提供缓冲器，通常提供与燃料电池电连接的电池系统。
[0014]例如，空气用于向燃料电池提供氧。在这种情况下，提供空气供应装置以将空气供应到阴极侧。在进入燃料电池之前，空气被空气加热系统加热以提高空气的温度。空气为燃料电池提供氧。空气中的其他气体仅流动通过所述系统并再次被丢弃。
[0015]作为空气的替代品，原则上可使用另一种含有氧气的气体或甚至纯氧气。为简单起见，含氧的气体在本文中称为阴极气体，可能是纯氧气、空气或其他含氧的气体混合物，所述气体被提供给燃料电池的阴极侧。对应地，气体加热系统通常称为阴极气体加热系统。
[0016]提供了第一冷却回路以用于使第一冷却剂再循环通过燃料电池，以用于利用第一冷却剂调整燃料电池的温度。在正常操作期间，第一冷却回路从燃料电池吸收热，以便使温度保持稳定并处于优化范围内。例如，燃料电池的温度是170度，并且第一冷却剂在燃料电池的入口处具有160度的温度。
[0017]例如，第一冷却剂是基于二醇的。然而，在燃料电池系统用于寒冷地区的汽车的情况下，二醇不是最适合起动的，而是首选其他液体。此类其他液体的示例包括合成油。
[0018]具有催化剂的重整器用于将燃料催化转化成燃料电池中用于产生电力的合成气，所述合成气含有燃料电池的阳极侧所必需的氢气。因此，重整器通过导管连接到燃料电池的阳极侧。重整器包括在重整器外壳内部的催化剂，所述重整器外壳具有重整器壁。
[0019]为了在重整器中进行催化反应，在蒸发器中将所提供的液体燃料蒸发，所述蒸发器在其下游侧通过燃料蒸气导管通过导管连接到重整器。蒸发器的上游侧通过导管连接到液体燃料供应装置用于接收燃料，例如液体甲醇和水的混合物。
[0020]为了将重整器加热到合适的催化转化温度，例如在250度
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300度的范围内，提供重整器燃烧器并与重整器热接触以将热传递到重整器内的催化剂。重整器燃烧器包括通过燃烧阳极废气或燃料或两者来提供烟道气的燃烧器室。例如，重整器燃烧器提供温度在350度
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400度范围内的由重整器燃烧器提供的烟道气。
[0021]例如，在正常操作中，来自重整器燃烧器的烟道气沿着重整器壁传递并对所述壁进行加热。在此种实施方案中，燃烧器室与重整器壁流体流动连通，以使烟道气从燃烧器室流向重整器壁并沿着重整器壁流动，以将热从烟道气传递到重整器壁。
[0022]在热能从烟道气传递到重整器壁之后，剩余热能可用于加热其他部件(例如用于
存储燃料电池的电能的电池)，或者用于加热车辆车厢。重整器燃烧器被配置用于通过燃烧阳极废气或燃料或两者来提供烟道气。
[0023]例如，重整器和重整器燃烧器作为紧凑单元提供。任选地，为了提供一种方式的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种燃料电池系统(5)，其包括：燃料电池(15)，所述燃料电池包括阳极侧(12)和阴极侧(14)以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间通过所述膜将氢离子从所述阳极侧(12)输送到所述阴极侧(14)；阴极气体供应装置，例如空气供应装置，用于向所述阴极侧(14)供应氧气，所述阴极气体包含氧气，阴极气体加热系统，例如空气加热系统，用于在向所述阴极侧(14)供应所述阴极气体之前增加所述氧气的温度；第一冷却回路(18)，用于使第一冷却剂循环通过所述燃料电池(15)，以用于利用所述第一冷却剂调整所述燃料电池(15)的温度；重整器(8)，所述重整器包括催化剂，所述催化剂被重整器壁围封并且被配置用于将燃料催化转化成合成气(11)，其中所述重整器(8)通过导管连接到所述燃料电池(15)的所述阳极侧(12)以将合成气(11)提供到所述燃料电池(15)；蒸发器，所述蒸发器被配置用于蒸发液体燃料并且通过导管连接到所述重整器(8)以将所述经蒸发的燃料提供到所述重整器(8)；液体燃料供应装置，所述液体燃料供应装置通过导管连接到所述蒸发器，以用于将液体燃料提供到所述蒸发器；重整器燃烧器(7)，用于借助于通过所述重整器壁的热传递来加热所述重整器(8)内的所述催化剂；其特征在于，所述燃料电池系统(1)包括第一热交换单元(21)或第二热交换单元(22)或两者，其中所述第一热交换单元(21)作为具有第一外壳(23)并且包括在所述第一热交换单元(21)内部的至少三个流动路径的第一单个单元提供，以用于在所述三个流动路径中的流体之间同时进行热能交换，所述三个流动路径包括通过所述第一热交换单元(21)的第一流动路径(47)、第二流动路径(48)和第三流动路径(49)，其中所述第一流动路径(47)用于所述第一冷却剂和所述第一冷却回路(18)的一部分，其中所述第二流动路径(48)用于所述阴极气体例如空气并构成所述阴极气体加热系统例如空气加热系统，并且所述第三流动路径(49)用于所述燃料的流动并且构成所述蒸发器，其中所述第一流动路径(47)与所述第二和所述第三流动路径(48、49)热连接，以用于当所述燃料电池系统(1)进行发电操作时在它们流动通过所述第一热交换单元(21)期间同时将热能从所述外壳(23)内的所述第一冷却剂传递到所述阴极气体以加热所述阴极气体以及将热能从所述第一冷却剂传递到所述燃料(20)以用于蒸发所述燃料(20)；其中所述第二热交换单元(22)作为具有第二外壳(23)并且包括在所述第二热交换单元(22)内的至少三个流动路径的第二单个单元提供，所述三个流动路径包括通过所述第二热交换器(22)的第四流动路径(59)、第五流动路径(60)和第六流动路径(61)，其中所述第四流动路径(59)用于与所述第一冷却剂不同的第二冷却剂和第二冷却回路(25)的一部分，所述第二冷却回路与所述第一冷却回路不同且流动分离；其中所述第五流动路径(59)用于所述第一冷却剂和所述第一冷却回路(18)的一部分，并且所述第六流动路径(60)用于以下中的至少一个：来自所述阴极侧(14)的排气(27)和来自所述重整器燃烧器(7)的烟道气；其中所述第四流动路径(59)与所述第五和所述第六流动路径(60、61)热连接，以用于当所述
燃料电池系统(1)处于发电操作时同时将热能从所述外壳(23)内的所述第一冷却剂传递到所述第二冷却剂以降低所述第一冷却剂的温度以及将热能从所述排气(27)传递到所述第二冷却剂以用于在所述第六流动路径(61)中的所述排气(27)的水通过排气口(30)离开所述燃料电池系统(1)之前使所述水冷凝。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统(1)，其中所述第一热交换单元(21)包括：
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第一入口(41)，所述第一入口通过导管连接到所述第一冷却剂回路，在所述燃料电池(15)的下游侧，以用于在所述第一冷却剂已经穿过所述燃料电池(15)之后接收来自所述燃料电池(15)的所述第一冷却剂；
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第一出口(42)，在从所述第一冷却剂到所述阴极气体和所述燃料(20)的热传递之后用于所述第一冷却剂的出口；
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第二入口(43)，所述第二入口通过导管连接到所述阴极气体供应装置，例如空气供应装置，以用于接收用于所述燃料电池(15)的所述阴极侧的氧气；
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第二出口(44)，所述第二出口通过导管连接到所述燃料电池(15)的所述阴极侧，以用于向所述燃料电池(15)提供经加热的阴极气体；
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第三入口(45)，所述第三入口通过导管连接到所述燃料供应装置以用于接收燃料(20)，例如甲醇/水混合物；
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第三出口(46)，所述第三出口通过导管连接到所述燃料电池(14)的所述阳极侧(12)，以用于将经蒸发的燃料供应到所述燃料电池(15)的所述阳极侧；其中所述第一流动路径(47)在所述第一入口(41)与所述第一出口(42)之间并与所述第一入口(41)和所述第一出口(42)流动连接，所述第二流动路径(48)在所述第二入口(43)与所述第二出口(44)之间并与所述第二入口(44)和所述第二出口(45)流动连接，并且所述第三流动路径(49)在所述第三入口(45)与所述第三出口(46)之间并与所述第三入口(45)和所述第三出口(46)流动连接。3.根据任一前述权利要求所述的燃料电池系统(1)，其中所述第二热交换单元(22)包括：
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第四入口(53)，所述第四入口通过导管连接到第二冷却剂回路，用于第二冷却剂从所述第二冷却回路(25)流入，以及第四出口(54)，用于所述第二冷却剂流出到所述第二冷却回路(25)；
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第五入口(55)和第五出口(56)，它们通过导管连接到所述第一冷却剂回路以使所述第一冷却剂流动通过所述第二热交换单元(22)；
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第六入口(57)，所述第六入口通过导管连接到所述燃料电池(15)的所述阴极侧(14)的下游，以用于接收来自所述阴极侧(14)的排气(27)，和/或通过导管连接到所述重整器燃烧器(7)，以用于接收来自所述重整器燃烧器(8)的烟道气；
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第六出口，用于释放接收到的排气(27)和/或烟道气；其中所述第四流动路径(59)在所述第四入口(53)与所述第四出口(54)之间并与所述第四入口(53)和所述第四出口(54)流动连接，所述第五流动路径(60)在所述第五入口(55)与所述第五出口(56)之间并与所述第五入口(55)和所述第五出口(56)流动连接，并且所述第六流动路径(61)在所述第六入口(57)与所述第六出口(58)之间并与所述第六入口(57)和所述第六出口(58)流动连接。
4.根据任一前述权利要求所述的燃料电池系统(1)，其中所述第一热交换单元(21)的所述第一、所述第二和所述第三路径(47、48、49)由导热的第一和第二金属壁(51、52)分开，其中所述第一流动路径(47)夹在所述第二和所述第三流动路径(48、49)之间，并且被配置用于仅通过所述第一金属壁(51)在所述第一流动路径(47)与所述第二流动路径(48)之间交换热能并且仅通过所述第二金属壁(52)在所述第一流动路径(47)与所述第三流动路径(49)之间交换热能。5.根据任一前述权利要求所述的燃料电池系统(1)，其中第二热交换单元(22)被配置用于将所述第二冷却剂的一部分转移到所述第二冷却剂的第一部分中，以仅或主要与所述第五流动路径(60)中的所述第一冷却剂交换能量，并且转移到所述第二冷却剂的第二部分中，以仅或主要与所述第六流动路径(61)中的所述排气(27)交换能量。6.根据任一前述权利要求所述的燃料电池系统(1)，其中所述燃料电池系统(1)包括水分离器，所述水分离器流体流动地连接到所述第六流动路径(61)在所述第二热交换单元(22)与所述排气口(30)之间，其中所述水分离器被配置用于将所述经冷凝的水的至少一部分与从所述第六流动路径(61)流向所述排气口(30)的所述排气(27)分离。7.根据权利要求6所述的燃料电池系统(1)，其中所述燃料电池系统(1)包括所述第一以及所述第二热交换单元(21、22)，其中所述水分离器是水再循环系统的一部分，以用于在酒精和水的混合物作为燃料在所述第三流动路径(49)中蒸发之前将水提供给酒精。8.根据任一前述权利要求所述的燃料电池系统(1)，其中所述燃料电池系统(1)包括起动加热器(5)，用于在正常发电燃料电池操作之前的起动状况期间加热所述燃料电池系统(1)，其中所述第一冷却回路(18)包括用于在起动状况下使所述第一冷却剂流动通过所述起动加热器(5)的支路(18C)，其中所述支路(18C)打开以在起动状况下使所述第一冷却剂流动通过所述支路(18C)，以使所述第一冷却剂从所述起动加热器(5)流动通过所述燃料电池(15)并通过所述第一热交换单元(21)，以加热所述燃料电池(15)、所述阴极气体和所述燃料(20)。9.根据权利要求8所述的燃料电池系统(1)，其中所述燃料电池系统(1)被配置用于在所述燃料电池的稳态发电操作期间关闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦斯，
申请(专利权)人：蓝界科技控股公司，
类型：发明
国别省市：