蒸发冷却的燃料电池系统以及运行蒸发冷却的燃料电池系统的方法技术方案

一种燃料电池系统（１０），包括燃料电池（１４）和蒸发冷却系统（１６），所述蒸发冷却系统（１６）与燃料电池（１４）热接触，使得燃料电池（１４）运行期间由燃料电池（１４）所产生的热量通过冷却介质的蒸发来吸收并且使得所述热从燃料电池（１４）中除去。燃料电池系统（１０）还包括检测蒸发冷却系统（１６）中压力的设备（２２）。控制单元（２４）设计为依靠从检测蒸发冷却系统（１６）中压力的设备（２２）向控制单元（２４）提供的信号控制燃料电池（１４）的运行温度，使得蒸发冷却系统（１６）中的冷却介质通过燃料电池（１４）运行期间由燃料电池（１４）所产生的热量而从液态物质转化为气态物质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】蒸发冷却的燃料电池系统以及运行蒸发冷却的燃料电池系统的方法本专利技术涉及一种蒸发冷却的燃料电池系统以及一种运行蒸发冷却的燃料电池系 统的方法。燃料电池系统能够低排放和高效率地产生电力。为此，目前正在努力将燃料电池 系统应用于各种移动应用中，例如在机动车工程、海运或者航空中用于产生电能。例如在航 空器中，可以想到由燃料电池系统来取代由主发动机或者辅助涡轮驱动的目前用作机载电 源的发电机。此外，燃料电池系统还可以用于航空器的应急电源，并且取代迄今还在使用的 冲压式空气涡轮(RAT)。燃料电池通常包括阴极区和阳极区，所述阳极区通过电解质与阴极区分离。当燃 料电池运行时，向燃料电池的阳极侧提供燃料例如氢气，并且向燃料电池的阴极侧提供含 氧的氧化剂例如空气。在聚合物电解质膜(PEM)燃料电池中，氢分子在存在于阳极区的阳 极催化剂处根据例如式(1)进行反应，<formula>formula see original document page 4</formula> 而且，通过形成带正电的氢离子，由此将电子传送到电极。在阳极区形成的H+离子然后通过电解质扩散到阴极，在那里，在存在于阴极区的 阴极催化剂处，它们与提供给阴极的氧气和经由外电路供应至阴极的电子根据式(2)进行 反应，<formula>formula see original document page 4</formula>以形成水。除了产生电能之外，燃料电池在运行中时，还产生热能，必须借助于冷却系统将热 能从燃料电池中除去以防止燃料电池过热。在移动应用的情形中，通常在燃料电池运行期 间所产生的热能的仅仅一部分能够被供到系统内或者外部散热器中以进一步使用，通常由 燃料电池产生的反应热的至少一部分必须排放到环境中。在航空器中所用的例如用于机载 电源的燃料电池必须设计为能够满足对于电能的大量需求。然而，在产生电能方面具有高 容量的燃料电池也产生大量的热能，因此具有高的冷却需求。原则上，可以用多种方式来冷却在航空器上使用的燃料电池。例如，能够使用液体 冷却，其中使用液体作为冷却介质，以吸收由燃料电池所产生的反应热。根据式(3)来粗略 计算液体冷却系统的冷却能力<formula>formula see original document page 4</formula>其中^^是冷却液的吸热量，Af是质量流量，CpF是冷却液的热容，ΔΤΡ是冷却液出 口温度和冷却液进口温度之间的温差。由式(3)显见，其中在回路中输送冷却液的有效的液体冷却，需要将通过吸收来 自燃料电池的热量而被加热的冷却液再次降温Δ ν，然后它才可以再次有效吸收来自燃料 电池的废热。为了使冷却液降温ΔΤΡ，可以将冷却液供给至例如热交换器，其中在冷却液中 储存的热能被转移至另一冷却介质例如环境空气。作为用液体冷却燃料电池接着用环境空气使冷却液再次冷却的一个替代方案，也可以想到直接用环境空气来冷却燃料电池。不管环境空气冷却系统是用于燃料电池的直接环境空气冷却还是仅仅用来使液 体冷却系统的冷却液再次冷却，根据式(4)来粗略计算环境空气冷却系统的冷却能力QL=1^L-cPL-kfL(4)其中么是冷却空气的吸热量>1是冷却空气的质量流量，、是冷却空气的热容， Δ Tl是冷却空气出口温度和环境空气温度之间的温差。式(4)清楚表明，冷却空气出口温度和环境空气温度之间的温差Δ ；越小，则环 境空气冷却的冷却能力就越小。在冷却低温PEM燃料电池的情况下，该燃料电池的运行温 度通常为约60 110°C，输出最好为约60 90°C，因此存在如下问题最高相当于燃料电 池的运行温度的冷却空气出口温度和环境空气温度之间的温差Δ Tl较小，因此冷却系统的 冷却能力相应较小。因此，需要大的热交换表面来用于充分地将热量从PEM燃料电池中移 至环境。用于PEM燃料电池的液体和/或空气冷却系统因此必须具有大的体积和较大的重 量，这对于在移动应用中使用、尤其在航空中使用是非常不利的。而且，冷却航空器上所用 的PEM燃料电池所需的冷空气必须从航空器环境吸入，接着吸收由燃料电池所产生的反应 热，返回到航空器环境中。然而，空气的吸进和其排入航空器环境都导致空气阻力增加，这 不利于航空器的有效飞行操作。 和上述冷却能力基本上依赖于冷却介质温度和环境空气温度之差的冷却系统形 成对比，根据式(5)，蒸发冷却系统的冷却能力，Qv =^v' CpL ‘( 5 )由蒸发冷却系统中所用的冷却介质的蒸发焓Ahv决定，^,是冷却介质从液态物质 转化为气态物质的吸热量，是待从液态物质转化为气态物质的冷却介质的质量流量。蒸发之后，在蒸发冷却系统的回路中输送的冷却介质确实必须通过冷凝转化回液 态物质。然而，冷却介质不必被冷却到温度低于通过蒸发冷却系统冷却的燃料电池的运行 温度。而且，与上述液体冷却和空气冷却系统相比，蒸发冷却系统具有如下优点诸如水的 常规冷却介质的状态变化需要的能量比冷却介质在液态下能够吸收的能量大得多。因此， 与冷却能力相当的空气冷却系统相比，蒸发冷却系统可以在显著更小的冷却介质质量流量 下运行。例如，由DE 199 35 719 Al获知一种用于冷却燃料电池的蒸发冷却系统。在DE 199 35 719 Al中所述的冷却系统中，冷却介质例如水通过布置在燃料电池堆的阳极供气 室和阳极废气室中的冷却管输送。冷却介质随着流经冷却管而蒸发，由此吸收最高达90% 的通过热辐射从燃料电池排放的热量。本专利技术涉及的目的是提供尤其适用于航空器中的蒸发冷却燃料电池系统。另外， 本专利技术还涉及的目的是提供一种运行这种蒸发冷却燃料电池系统的方法。该目的通过具有权利要求1所述特征的燃料电池系统和通过具有权利要求11所 述特征的用于运行燃料电池系统的方法来实现。根据本专利技术的燃料电池系统包括燃料电池，优选棚级输出的燃料电池，文中术语 “燃料电池”不仅是指单电池，而且还指包括多个燃料电池的燃料电池堆。燃料电池优选为PEM燃料电池，其阳极区与氢源连接，其阴极侧提供有含氧氧化性物质，优选空气。优选为氢 气的待提供给燃料电池的阳极区的燃料可以储存在与根据本专利技术的燃料电池系统一体化 的燃料罐中。作为替代方案或者除此之外，根据本专利技术的燃料电池系统可以包括燃料产生 装置，用于产生待提供给燃料电池的阳极区的燃料。燃料电池的阴极侧可以与压缩机的压 力侧相连。压缩机可以是具有组合空气和蒸气入口的压缩机。燃料电池可以是低温PEM燃料电池或者高温PEM燃料电池、包含具有无机材料的 复合电解质的PEM燃料电池、聚苯并咪唑PEM燃料电池或者聚全氟磺酸PEM燃料电池。当 运行时，燃料电池除了产生电能之外，还产生热能，必须将该热能从燃料电池中除去以防止 燃料电池过热。因此，根据本专利技术的燃料电池系统还包括与燃料电池热接触的蒸发冷却系统，使 得在燃料电池运行期间由燃料电池产生的热量通过冷却介质的蒸发被吸收并且从燃料电 池中排出。如上所解释的那样，由于将冷却介质从液态物质转化为气态物质需要高的蒸发 焓，所以蒸发冷却系统的特征在于高吸热量以及因此而具有的优异冷却能力。因此，与具有 类似吸热量的空气或液体冷却系统相比，根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统（１０），其包括：－燃料电池（１４），和－蒸发冷却系统（１６），所述蒸发冷却系统（１６）与所述燃料电池（１４）热接触，以使得在所述燃料电池（１４）运行期间由所述燃料电池（１４）产生的热量通过冷却介质的蒸发而吸收并且从所述燃料电池（１４）中排出，其特征在于用于感测所述蒸发冷却系统（１６）中压力的装置（２２）和控制单元（２４），所述控制单元（２４）适于依靠从感测所述蒸发冷却系统（１６）中压力的所述装置（２２）向所述控制单元（２４）提供的信号来控制所述燃料电池（１４）的运行温度，使得所述蒸发冷却系统（１６）的冷却介质通过所述燃料电池（１４）运行期间由所述燃料电池（１４）产生的热量而从液态物质转化为气态物质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：托比亚斯沙伊贝特，
申请(专利权)人：空中客车营运有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]