專利名稱：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)發(fā)電系統(tǒng)中的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)(waste heat recirculation system)。
背景技術(shù)：
隨著人類文明的進步，傳統(tǒng)能源，譬如煤、石油及天然氣的消耗量持續(xù)攀高，造成地球嚴(yán)重的污染，導(dǎo)致溫室效應(yīng)及酸雨等環(huán)境的惡化。人類已清楚地體會認(rèn)識到天然能源的存量是有限的，如果被持續(xù)地濫用，可能在不久的將來便會消耗殆盡。因此，世界先進國家近來無不致力于研發(fā)新的替代能源，而燃料電池(fuel cell)便是其中的一種重要且具發(fā)展?jié)摿皩嵱脙r值的選擇。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相較，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、排氣干凈、噪音低、且不使用傳統(tǒng)燃油等多項優(yōu)點。
簡而言之，燃料電池是一種將氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，其基本上可說是一種水電解的逆反應(yīng)，以將其化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，其包含多個電池單體，每一電池單體的結(jié)構(gòu)大致包含一位于中央的質(zhì)子交換膜(proton exchangemembrane，PEM)，其兩側(cè)各設(shè)一層催化劑，其外再各設(shè)置一層氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)，最外側(cè)則分別設(shè)一陽極板與陰極板，將此構(gòu)件緊密結(jié)合在一起后，即形成一電池單體。由于燃料電池在實際應(yīng)用時，通常是將多個上述的電池單體堆棧串聯(lián)起來，始能獲得足夠的發(fā)電功率；因此，互相串聯(lián)鄰接的電池單體，可以共享一電極板，以分別作為兩個鄰接電池單體中的陽極與陰極，故此電極板通常便稱為雙極板(bipolar plate)。雙極板的兩面通常皆設(shè)有許多溝槽，以輸送用來反應(yīng)的氣體，如氫氣與空氣(以提供氧氣)，并排出反應(yīng)后的生成物，如熱能、水滴或水氣。
其中一種用于燃料電池中的氣體供應(yīng)系統(tǒng)，包含一陰極氣體供應(yīng)系統(tǒng)(如氧氣供應(yīng)系統(tǒng))，以及一陽極氣體循環(huán)系統(tǒng)(如一氫氣循環(huán)系統(tǒng))，其大致如圖1中所示。其中，氧氣供應(yīng)系統(tǒng)30可利用空氣作為其供應(yīng)源，經(jīng)由一過濾器32(filter)將其過濾后，再利用一鼓風(fēng)機34(blower)將空氣加壓輸送至燃料電池50中；經(jīng)燃料電池50反應(yīng)后所排放的多余空氣，則流經(jīng)一水收集器36(water recuperator)后排出，水收集器36可將排放空氣中可能含有的少量水份收集后，與燃料電池50反應(yīng)后所排出的高溫水同時排出，部分高溫水則繼續(xù)流經(jīng)一散熱器降溫而流回燃料電池50中，構(gòu)成一冷卻系統(tǒng)，以冷卻燃料電池50因反應(yīng)所生的高熱。
陽極氣體循環(huán)系統(tǒng)則包含一氫氣供應(yīng)源40，其以一調(diào)節(jié)閥42(regulation valve)控制氫氣的輸入量，燃料電池50的另一端，則設(shè)一氫氣泵44(hydrogen pump)，以排出反應(yīng)后剩余的氫氣，同時亦可促進氫氣供應(yīng)源40的氫氣輸入燃料電池50中，排出的剩余氫氣隨后通過一增濕裝置46(humidifier)，以增加剩余氫氣的濕度。此排出的剩余氫氣然后回流至氫氣供應(yīng)源的管線中，與新鮮供應(yīng)的氫氣混合并重復(fù)上述循環(huán)。
目前用于裝載陽極氣體(氫氣)的裝置，多采用一裝載有高壓氫氣的儲氫容器，通過外加閥件及氫氣泵44的工作，使釋出氫氣供應(yīng)陽極氣體循環(huán)系統(tǒng)以進行反應(yīng)；但這種釋氫設(shè)計，往往無法獲得一定壓及定量的氫氣供應(yīng)，形成多余氫氣必需排出的浪費情形，間接使得電池反應(yīng)效率不彰。
因此，勢有必要提供一種較為穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，其毋需增添現(xiàn)有構(gòu)件即可達成定壓及定量釋氫且不浪費氫源的目的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其可形成一自給式熱能供應(yīng)系統(tǒng)，以降低生產(chǎn)成本，又可減少應(yīng)用該燃料電池的系統(tǒng)所需消耗的電能，提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其可構(gòu)成一能量完全不流失且毋需增添其它設(shè)備，即將金屬氫化物技術(shù)有效運用于燃料電池上的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包含一燃料電池，具有一陽極氣體輸入端，一陽極氣體輸出端，一陰極氣體輸入端，一陰極氣體輸出端，一電能輸出端，一廢熱輸出端及一冷卻液輸入端；一陽極氣體循環(huán)系統(tǒng)，跨接于該陽極氣體輸入端及陽極氣體輸出端之間，其具有一陽極氣體供應(yīng)源，與該陽極氣體輸入端相連通；一陰極氣體供應(yīng)系統(tǒng)，與該陰極氣體輸入端相連通；一廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，跨接于該廢熱輸出端及該冷卻液輸入端之間，其具有一儲水槽，與該廢熱輸出端相連通，以產(chǎn)生高溫水；一熱交換器，與該陽極氣體供應(yīng)源呈熱傳導(dǎo)連結(jié)；一加壓泵，設(shè)于該儲水槽與熱交換器之間。
本發(fā)明還提供一種用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，包含一儲水槽，與該廢熱輸出端相連通，以產(chǎn)生高溫水；一熱交換器，與該陽極氣體供應(yīng)源呈熱傳導(dǎo)連結(jié)；一加壓泵，設(shè)于該儲水槽與熱交換器之間。
換言之，本發(fā)明的主要技術(shù)，即是應(yīng)用一種所謂的金屬氫化物(metal hydride)，裝載于供應(yīng)陽極氣體(氫氣)的裝置中，這種金屬氫化物在特定溫度狀態(tài)下，可在一相對應(yīng)的壓力釋放氫氣，其釋放氫氣的過程為一吸熱反應(yīng)(endothermic reaction)。金屬氫化物所在的特定溫度與其所釋放氫氣的壓力間穩(wěn)定地呈一具有正向斜率的線性關(guān)系，這種線性關(guān)系根據(jù)不同制造商所制造的金屬氫化物的特性有所不同。因此，應(yīng)用這種陽極氣體供應(yīng)源時，必需對陽極氣體供應(yīng)源提供相對的熱能，以釋放用于電化學(xué)反應(yīng)的固定壓力的陽極氣體。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明即利用燃料電池本身的廢熱，直接供應(yīng)燃料電池中使用金屬氫化物作為其陽極氣體供應(yīng)源所需的熱能，亦即將燃料電池因電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫水用于定壓釋放陽極氣體供應(yīng)源中的陽極氣體的熱能來源，最后再將經(jīng)冷卻的高溫水轉(zhuǎn)換成冷卻液，導(dǎo)回該燃料電池中以提供其適當(dāng)?shù)睦鋮s，在不影響原先冷卻循環(huán)系統(tǒng)的架構(gòu)下，便可自行供應(yīng)陽極氣體供應(yīng)源所需的穩(wěn)定熱源。因此，其可有效再利用現(xiàn)有燃料電池反應(yīng)所生成的廢熱，降低該燃料電池系統(tǒng)所需消耗的電能，提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
本發(fā)明的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)即為針對使用金屬氫化物作為其陽極氣體供應(yīng)源的燃料電池，利用燃料電池本身因電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫水的熱能，將其用于釋放陽極氣體供應(yīng)源中的陽極氣體，形成一自給式熱能供應(yīng)系統(tǒng)，以降低生產(chǎn)成本，又可減少應(yīng)用該燃料電池的系統(tǒng)所需消耗的電能，提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
本發(fā)明的用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，通過將該自給式熱能供應(yīng)系統(tǒng)直接再結(jié)合燃料電池本身所需的冷卻系統(tǒng)，以構(gòu)成一能量完全不流失且毋需增添其它設(shè)備，即可將金屬氫化物技術(shù)有效運用于燃料電池上的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明圖1是現(xiàn)有燃料電池中氣體供應(yīng)系統(tǒng)的示意圖；圖2是顯示包含本發(fā)明廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)的較佳實施例的燃料電料的示意圖；及圖3是顯示適用本發(fā)明的熱交換器及儲水槽。
圖中符號說明30氧氣供應(yīng)系統(tǒng)32過濾器34鼓風(fēng)機36水收集器40氫氣供應(yīng)源42調(diào)節(jié)閥44氫氣泵46增濕裝置50燃料電池122 氫氣供應(yīng)源150 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)152 陽極氣體輸入端153 陽極氣體輸出端154 陰極氣體輸入端155 陰極氣體輸出端156 電能輸出端158 廢熱輸出端
159 冷卻液輸入端160 廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)162 儲水槽163 加壓泵164 熱交換器166 儲水槽的出水孔洞167 熱交換器的入水口168 熱交換器的出水口1642 熱交換器的水道170 散熱器具體實施方式
本發(fā)明燃料電池的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)160，主要是用于一種使用金屬氫化物作為其陽極氣體(氫氣)供應(yīng)源122的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)150，該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)150主要包含一燃料電池50，其具有一陽極氣體輸入端152，與一氫氣供應(yīng)源122相連通、一陰極氣體輸入端154，與大氣相連通、一電能輸出端156、一廢熱輸出端158、及一冷卻液輸入端159；該廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)160包含一儲水槽162，與廢熱輸出端158相連通，用于利用燃料電池150反應(yīng)后所產(chǎn)生的廢熱，將儲水槽162中的水升溫、一熱交換器164包覆于陽極氣體供應(yīng)源(即氫氣供應(yīng)源)122之外，與之呈熱傳導(dǎo)連結(jié)、及一加壓泵163，設(shè)于儲水槽162與熱交換器164之間，用于將高溫水加壓供給予熱交換器164，藉此將儲水槽162中高溫水的熱能提供給陽極氣體供應(yīng)源122中的金屬氫化物，以定壓釋放出陽極氣體，最后該利用完成的高溫水將被轉(zhuǎn)換成冷卻液；該冷卻液經(jīng)由冷卻液輸入端159被輸送回燃料電池50，用以冷卻燃料電池50的溫度，使其維持一定的較低工作溫度繼續(xù)有效進行反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的一實施例，經(jīng)燃料電池50反應(yīng)后所排放的多余空氣，可經(jīng)由一陰極氣體輸出端155流至一水收集器36后將其排出，并將所收集的少量排水一并集中至儲水槽162。經(jīng)燃料電池150反應(yīng)后剩余的氫氣，可經(jīng)由一陽極氣體輸出端153通過一氫氣泵44將其輸送至一增濕裝置46，以增加剩余氫氣的濕度。此排出的剩余氫氣然后回流至氫氣供應(yīng)源的管線中，與新供應(yīng)的氫氣混合并重復(fù)上述循環(huán)。
圖3顯示其中一種適用本發(fā)明的熱交換器164及儲水槽162的示意圖。在此實施例中，熱交換器164包含多條流經(jīng)氫氣源供應(yīng)源122周圍的水道1642，該水道1642與該儲水槽162相連通，使高溫水可經(jīng)由該水道1642流經(jīng)氫氣供應(yīng)源122周圍。
如圖3所示，高溫水經(jīng)由設(shè)于儲水槽162下端的一出水孔洞166流出儲水槽162，接著經(jīng)由加壓泵163被供給進入位于熱交換器164一端下方的多個入水口167而流入水道1642，再經(jīng)由設(shè)于交換器164同一端上方的多個出水口168流出水道。經(jīng)由將高溫水流經(jīng)氫氣源供應(yīng)源122周圍的方式，高溫水的熱能被傳導(dǎo)至氫氣源供應(yīng)源122。
如前所述，氫氣供應(yīng)源122內(nèi)的金屬氫化合的釋放氫氣的過程為一吸熱反應(yīng)，因此，高溫水的熱能恰可提供此一吸熱反應(yīng)所需的能量，使氫氣供應(yīng)源122內(nèi)的金屬氫化物可在一預(yù)先選定的溫度下以一相對應(yīng)的壓力釋放氫氣。事先控制所選定溫度的方法，可采用現(xiàn)有的溫度傳感器、控制器等來達成，在此不予贅述。而熱交換器164及燃料電池150的冷卻液輸入端159之間，可增設(shè)一散熱器170，用于進一步降低離開熱交換器164高溫水的溫度，以形成適當(dāng)?shù)睦鋮s液，為燃料電池159提供有效的冷卻。
再者，在本發(fā)明的較佳實施例中，儲水槽162內(nèi)所提供的高溫水在未經(jīng)熱交換器164之前，亦可部分被導(dǎo)通至增濕裝置46，以增加剩余氫氣的濕度，而部分導(dǎo)通至另一去離子過濾裝置中(圖未示出)，以形成另一純化水的次循環(huán)，使整體冷卻循環(huán)優(yōu)質(zhì)化，不致污染燃料電池50，而影響其工作效率。
因此，將本發(fā)明的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)160運用于一質(zhì)子交換膜燃料電池中，可直接攜帶燃料電池50本身所產(chǎn)生的熱能用于釋放儲存于氫氣供應(yīng)源內(nèi)的氫氣，之后又同時可提供用于冷卻燃料電池50本身所需的冷卻液，因而可免除高溫水的排放浪費，降低零件成本、并可減少應(yīng)用該燃料電池發(fā)電系統(tǒng)150所需消耗的電能，提高系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
本發(fā)明為一突破現(xiàn)有技術(shù)的新穎設(shè)計，然其亦可以其它的特定形式來實現(xiàn)，而不脫離本發(fā)明的精神和重要特性。因此上述所列的技術(shù)實施方式在各方面都應(yīng)被視為例示性而非限制性實施例，而所有的改變只要合乎本發(fā)明權(quán)利要求書所定義的范圍或為其技術(shù)實施方式等效者，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包含一燃料電池，具有一陽極氣體輸入端，一陽極氣體輸出端，一陰極氣體輸入端，一陰極氣體輸出端，一電能輸出端，一廢熱輸出端及一冷卻液輸入端；一陽極氣體循環(huán)系統(tǒng)，跨接于該陽極氣體輸入端及陽極氣體輸出端之間，其具有一陽極氣體供應(yīng)源，與該陽極氣體輸入端相連通；一陰極氣體供應(yīng)系統(tǒng)，與該陰極氣體輸入端相連通；一廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，跨接于該廢熱輸出端及該冷卻液輸入端之間，其具有一儲水槽，與該廢熱輸出端相連通，以產(chǎn)生高溫水；一熱交換器，與該陽極氣體供應(yīng)源呈熱傳導(dǎo)連結(jié)；一加壓泵，設(shè)于該儲水槽與熱交換器之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該熱交換器包括多條流經(jīng)氫氣供應(yīng)源周圍的水道，該水道與該儲水槽相連通，使該高溫水可經(jīng)由該水道流經(jīng)該氫氣供應(yīng)源周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該氫氣供應(yīng)源內(nèi)裝載有金屬氫化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進一步包含一散熱器，設(shè)于該熱交換器及該燃料電池的冷卻液輸入端之間，用于使離開該熱交換器的高溫水加速降溫。
5.一種用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，包含一儲水槽，與該廢熱輸出端相連通，以產(chǎn)生高溫水；一熱交換器，與該陽極氣體供應(yīng)源呈熱傳導(dǎo)連結(jié)；一加壓泵，設(shè)于該儲水槽與熱交換器之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其特征在于該熱交換器包括多條流經(jīng)氫氣供應(yīng)源周圍的水道，該水道與該儲水槽相連通，使該高溫水可經(jīng)由該水道流經(jīng)該氫氣供應(yīng)源周圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其特征在于該氫氣供應(yīng)源內(nèi)裝載有金屬氫化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)進一步包含一散熱器，設(shè)于該熱交換器及該燃料電池的冷卻液輸入端之間，用于使離開該熱交換器的高溫水加速降溫。
全文摘要
本發(fā)明主要是有關(guān)于一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及一種用于連接至一陽極氣體供應(yīng)源的燃料電池的廢熱循環(huán)冷卻系統(tǒng)，主要包含一儲水槽，用于暫存燃料電池所產(chǎn)生的高溫水、一熱交換器與陽極氣體供應(yīng)源呈熱傳導(dǎo)連結(jié)、及一加壓泵，用于將高溫水加壓供給熱交換器，借此將高溫水的熱能用于釋放陽極氣體供應(yīng)源中的陽極氣體；其中經(jīng)釋出熱能的冷卻液則再繼續(xù)被輸送回燃料電池用以適當(dāng)降低燃料電池反應(yīng)所生的高溫，形成一廢熱循環(huán)。
文檔編號H01M8/04GK1405911SQ0112422
公開日2003年3月26日 申請日期2001年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月16日
發(fā)明者楊源生 申請人:亞太燃料電池科技股份有限公司