[发明专利]热电混合动力系统中的燃料电池

说明书

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