專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及燃料電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種環(huán)保、高效、長壽命的發(fā)電裝置。以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，燃料氣體從陽極側(cè)進入，氫原子在陽極失去電子變成質(zhì)子，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，電子同時經(jīng)由外部回路也到達陰極，在陰極質(zhì)子、電子與氧氣結(jié)合生成水。燃料電池采用非燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于不受卡諾循環(huán)的限制其直接發(fā)電效率可高達45%。以電池堆為核心發(fā)電裝置，燃料電池系統(tǒng)集成了電源管理和熱量管理等模塊，具有熱、電、水、氣統(tǒng)籌管理的特征。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品從固定式電站，到移動式電源；從電動汽車，到航天飛船；從軍用裝備，到民用產(chǎn)品，均有著廣泛的應(yīng)用空間。通常燃料電池的氣體供應(yīng)由空氣泵提供，空氣泵的效率約為30 80%。在空氣泵輸送空氣時，空氣泵自身也會產(chǎn)生一部分的熱量，約為泵輸入功率的70 20%。同時，在燃料電池系統(tǒng)中，電源管理系統(tǒng)在工作時也會產(chǎn)生熱能，約為輸出電能的5 10%。這些產(chǎn)熱部件產(chǎn)生的熱量如果不及時轉(zhuǎn)移出去會使產(chǎn)熱部件的溫度超過規(guī)定溫度從而影響到性能及壽命。同時，如果可以有效利用這部分熱量，還可以提高系統(tǒng)的效率。燃料電池作為供電電源使用時，產(chǎn)熱效率約為70 % 50 %，熱量一部分通過循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走，一部分通過尾氣帶走。循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走的熱量通常為50 70%，尾氣帶走的熱量通常為50 30%。現(xiàn)有的技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前燃料電池的研究主要集中在如何實現(xiàn)燃料電池堆的有效冷卻，沒有形成高效的綜合熱管理優(yōu)化系統(tǒng)，同時燃料電池堆、尾氣以及燃料電池堆運行過程中電氣等附件產(chǎn)生的熱量未被有效利用，這會增加燃料電池的運行成本。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在提供一種提高燃料電池系統(tǒng)效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本的燃料電池系統(tǒng)。本實用新型提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括，燃料電池堆、電源管理系統(tǒng)和輸送泵，燃料電池系統(tǒng)還包括燃料電池熱管理系統(tǒng)，燃料電池熱管理系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)或者串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池堆、電源管理系統(tǒng)以及輸送泵，其中，電源管理系統(tǒng)和輸送泵沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆的上游。進一步地，燃料電池系統(tǒng)為不間斷電源系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)還包括散熱器，散熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆的下游。進一步地，冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)，輸送泵、電源管理系統(tǒng)、燃料電池堆以及散熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置。進一步地，冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)，輸送泵和電源管理系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，然后沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置燃料電池堆和散熱器。[0010]進一步地，燃料電池系統(tǒng)為熱電聯(lián)供系統(tǒng)；燃料電池堆包括燃料電池堆本體和用于冷卻燃料電池堆本體的燃料電池堆換熱器；冷卻系統(tǒng)還包括用于吸收尾氣熱量的尾氣換熱器。進一步地，冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)；輸送泵、電源管理系統(tǒng)、燃料電池堆換熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次串聯(lián)設(shè)置；尾氣換熱器沿冷卻系統(tǒng)的第一冷卻管路的冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置在燃料電池堆換熱器的下游或者由冷卻系統(tǒng)的第二冷卻管路冷卻，第一冷卻管路與第二冷卻管路并聯(lián)。進一步地，冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)；輸送泵和電源管理系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，然后與燃料電池堆換熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置；尾氣換熱器沿冷卻系統(tǒng)的第一冷卻管路的冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置在燃料電池堆換熱器的上游或者由冷卻系統(tǒng)的第二冷卻管路冷卻，第一冷卻管路與第二冷卻管路并聯(lián)。進一步地，輸送泵和電源管理系統(tǒng)采用外部纏繞冷卻管路或者在產(chǎn)熱部位安裝冷卻夾套的方式冷卻。、根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)，通過燃料電池熱管理系統(tǒng)對燃料電池產(chǎn)生的熱量進行綜合管理，電源管理系統(tǒng)和輸送泵沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆的上游，即冷卻介質(zhì)先冷卻產(chǎn)熱量小的部件，再冷卻產(chǎn)熱量大的部件，能夠有效的減小冷卻介質(zhì)用量，提高熱交換效率，使燃料電池系統(tǒng)各個部件有效散熱，提高燃料電池系統(tǒng)效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本。

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當限定。在附圖中圖I是根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)的第二實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)的第三實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖4是根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)的第四實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本實用新型。如圖I至4所示，根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)，包括，燃料電池堆30、電源管理系統(tǒng)20和輸送泵10，燃料電池系統(tǒng)還包括燃料電池熱管理系統(tǒng)，燃料電池熱管理系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)或者串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池堆30、電源管理系統(tǒng)20以及輸送泵10，其中，電源管理系統(tǒng)20和輸送泵10沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆30的上游。本實用新型的燃料電池系統(tǒng)，通過燃料電池熱管理系統(tǒng)對燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量綜合管理，電源管理系統(tǒng)20和輸送泵10沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆30的上游，即冷卻介質(zhì)先冷卻產(chǎn)熱量小的部件，再冷卻產(chǎn)熱量大的部件，能夠有效的減小冷卻介質(zhì)用量，提高熱交換效率，使燃料電池系統(tǒng)各個部件有效散熱。如圖I所示，根據(jù)本實用新型的第一實施例，燃料電池系統(tǒng)為不間斷電源系統(tǒng)，SP燃料電池系統(tǒng)僅提供電能，燃料電池熱管理系統(tǒng)的主要功能為有效冷卻系統(tǒng)各個部件，防止散熱不充分而導(dǎo)致系統(tǒng)部件高溫，影響系統(tǒng)供電性能。輸送泵10為燃料電池堆30沿S3所示方向輸送空氣等物質(zhì)，燃料沿圖示S6方向輸送到燃料電池堆30。燃料電池堆30電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，同時產(chǎn)生一定熱量。燃料電池熱管理系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)還包括散熱器60，冷卻系統(tǒng)吸收燃料電池系統(tǒng)發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量，冷卻介質(zhì)吸收的熱量最終由散熱器60散發(fā)到周圍環(huán)境中，電池堆產(chǎn)生的陽極尾氣和陰極尾氣沿S4和S5所示方向直接排放大氣。冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)，輸送泵10、電源管理系統(tǒng)20、燃料電池堆30以及散熱器60沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置，散熱器60的出口端與輸送泵冷卻裝置11的入口端連接構(gòu)成冷卻介質(zhì)循環(huán)回路，回路中設(shè)置有液體泵33提供冷卻介質(zhì)循環(huán)的動力。由于輸送泵10、電源管理系統(tǒng)20產(chǎn)熱量均較小，冷卻系統(tǒng)中也可以采用電源管理系統(tǒng)20、輸送泵10、燃料電池堆30以及散熱器60依次設(shè)置。散熱器60沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆30的下游，經(jīng)過燃料電池堆30的冷卻介質(zhì)由于帶走了燃料電池堆30產(chǎn)生的大量熱量而溫度較高，此時冷卻介質(zhì)溫度 和環(huán)境溫度的溫差較大，有利于散發(fā)冷卻介質(zhì)中含有的熱量，能以更小的能耗散出同樣的熱量，有利于提高燃料電池系統(tǒng)效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本。優(yōu)選地，散熱器60具有風扇61，當冷卻介質(zhì)溫度過高時，啟動風扇61促進散熱，有利于將冷卻介質(zhì)更快的降低到合適的溫度，保障系統(tǒng)的正常運行。如圖2所示，根據(jù)本實用新型的第二實施例，冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)，輸送泵冷卻裝置11和電源管理系統(tǒng)冷卻裝置21并聯(lián)設(shè)置，然后沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置燃料電池堆30和散熱器60。由于輸送泵10、電源管理系統(tǒng)20產(chǎn)熱量相對燃料電池堆的產(chǎn)熱量均較小，采用串并聯(lián)組合的方式能夠在包括可靠散熱的情況下，提聞系統(tǒng)的集成度。如圖3所示，根據(jù)本實用新型的第三實施例，燃料電池系統(tǒng)為熱電聯(lián)供系統(tǒng)，即燃料電池系統(tǒng)為用戶提供電能的同時還能夠提供熱能。燃料電池堆30包括燃料電池堆本體31和燃料電池堆換熱器32，燃料電池堆換熱器32和燃料電池堆本體31內(nèi)部具有冷卻介質(zhì)循環(huán)對燃料電池堆冷卻，液體泵33提供上述循環(huán)中的冷卻介質(zhì)的循環(huán)動力，對燃料電池堆本體31冷卻的冷卻介質(zhì)包括且不限于純水、氣體、油、有機溶劑等電的絕緣體等。燃料電池熱管理系統(tǒng)還包括尾氣換熱器，冷卻介質(zhì)通過尾氣換熱器吸收燃料電池尾氣中的熱量，并和冷卻介質(zhì)收集的其他部件產(chǎn)生的廢熱為用戶提供熱能。其中，燃料電池堆產(chǎn)生的尾氣包括陽極尾氣和陰極尾氣，對應(yīng)的尾氣換熱器包括陽極尾氣換熱器41和陰極尾氣換熱器42。低溫的冷卻介質(zhì)沿SI方向進入冷卻系統(tǒng)，被加熱為高溫的冷卻介質(zhì)沿S2所示方向流出冷卻系統(tǒng)并為用戶提供熱能。被冷卻的尾氣沿S4和S5所述方向排入大氣，優(yōu)選地，供暖的冷卻介質(zhì)為自來水，自來水吸收輸送泵10和電源管理系統(tǒng)20的熱量并通過燃料電池堆換熱器32和尾氣換熱器吸收燃料電池堆和尾氣中的熱量，并最終為用戶提供熱能。燃料電池熱管理系統(tǒng)綜合管理燃料電池系統(tǒng)提供電能時產(chǎn)生的熱量，并回收燃料電池堆本體31，電源管理系統(tǒng)20，輸送泵10工作時產(chǎn)生的廢熱，以及尾氣中的熱量，最終為用戶提供熱能，如供暖，提供熱水等等，提高了燃料電池系統(tǒng)的效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本，節(jié)約能源，滿足節(jié)能減排的要求。冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)；輸送泵10，電源管理系統(tǒng)20，燃料電池堆換熱器32沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次串聯(lián)設(shè)置，尾氣換熱器串聯(lián)設(shè)置在燃料電池堆換熱器32的下游。優(yōu)選地，由于經(jīng)過燃料電池堆換熱器32的冷卻介質(zhì)溫度已經(jīng)較高，回收尾氣中熱量的能力有限，冷卻系統(tǒng)采用兩條冷卻管路，第一冷卻管路冷卻輸送泵10，電源管理系統(tǒng)20，燃料電池堆換熱器31等，第二冷卻管路單獨冷卻尾氣換熱器，第一冷卻管路和第二冷卻管路并聯(lián)設(shè)置。如圖4所示，根據(jù)本實用新型的第四實施例，燃料電池系統(tǒng)為熱電聯(lián)供系統(tǒng)，燃料 電池熱管理系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池系統(tǒng)，輸送泵冷卻裝置11和電源管理系統(tǒng)冷卻裝置21并聯(lián)設(shè)置，然后與尾氣換熱器串聯(lián)設(shè)置，最后再交換燃料電池堆換熱器31中的熱量。低溫的冷卻介質(zhì)沿SI方向進入冷卻系統(tǒng)，被加熱為高溫的冷卻介質(zhì)沿S2所示方向流出冷卻系統(tǒng)并為用戶提供熱能。被冷卻的尾氣沿S4和S5所述方向排入大氣。輸送泵10和電源管理系統(tǒng)20可以采用外部纏繞冷卻管路或者在產(chǎn)熱部位安裝冷卻夾套的方式冷卻。例如在泵的產(chǎn)熱外壁做冷卻夾套，將電源管理系統(tǒng)產(chǎn)熱部件在設(shè)計時集中在一塊，對這一塊集中產(chǎn)熱的部分做冷卻夾套或者冷卻壁，在滿足系統(tǒng)散熱要求的同時，降低冷卻系統(tǒng)復(fù)雜度。從以上的描述中，可以看出，本實用新型上述的實施例實現(xiàn)了如下技術(shù)效果根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)，綜合考慮在不同條件下燃料電池的需求，使燃料電池系統(tǒng)可以為不間斷電源系統(tǒng)或者熱電聯(lián)供系統(tǒng)，充分利用燃料電池系統(tǒng)在發(fā)電的同時產(chǎn)生的熱量，從而提高燃料電池系統(tǒng)效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括，燃料電池堆、電源管理系統(tǒng)和輸送泵，其特征在于， 所述燃料電池系統(tǒng)還包括燃料電池熱管理系統(tǒng)，所述燃料電池熱管理系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)； 所述冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)或者串并聯(lián)組合的方式冷卻所述燃料電池堆、所述電源管理系統(tǒng)以及所述輸送泵，其中，所述電源管理系統(tǒng)和所述輸送泵沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在所述燃料電池堆的上游。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)為不間斷電源系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)還包括散熱器，所述散熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在所述燃料電池堆的下游。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻所述燃料電池系統(tǒng)，所述輸送泵、所述電源管理系統(tǒng)、所述燃料電池堆以及所述散熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻所述燃料電池系統(tǒng)，所述輸送泵和所述電源管理系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，然后沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次設(shè)置所述燃料電池堆和所述散熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述燃料電池系統(tǒng)為熱電聯(lián)供系統(tǒng)； 所述燃料電池堆包括燃料電池堆本體和用于冷卻所述燃料電池堆本體的燃料電池堆換熱器； 所述冷卻系統(tǒng)還包括用于吸收尾氣熱量的尾氣換熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)的方式冷卻所述燃料電池系統(tǒng)； 所述輸送泵、所述電源管理系統(tǒng)、所述燃料電池堆換熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向依次串聯(lián)設(shè)置； 所述尾氣換熱器沿所述冷卻系統(tǒng)的第一冷卻管路的冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置在所述燃料電池堆換熱器的下游或者由所述冷卻系統(tǒng)的第二冷卻管路冷卻，所述第一冷卻管路與所述第二冷卻管路并聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)采用串并聯(lián)組合的方式冷卻所述燃料電池系統(tǒng)； 所述輸送泵和所述電源管理系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，然后與所述燃料電池堆換熱器沿冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置； 所述尾氣換熱器沿所述冷卻系統(tǒng)的第一冷卻管路的冷卻介質(zhì)的流動方向串聯(lián)設(shè)置在所述燃料電池堆換熱器的上游或者由所述冷卻系統(tǒng)的第二冷卻管路冷卻，所述第一冷卻管路與所述第二冷卻管路并聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述輸送泵和所述電源管理系統(tǒng)采用外部纏繞冷卻管路或者在產(chǎn)熱部位安裝冷卻夾套的方式冷卻。
專利摘要本實用新型提供了一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆、電源管理系統(tǒng)和輸送泵以及燃料電池熱管理系統(tǒng)，燃料電池熱管理系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)或者串并聯(lián)組合的方式冷卻燃料電池堆、電源管理系統(tǒng)以及輸送泵，其中，電源管理系統(tǒng)和輸送泵沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆的上游。根據(jù)本實用新型的燃料電池系統(tǒng)，通過燃料電池熱管理系統(tǒng)對燃料電池產(chǎn)生的熱量進行綜合管理，電源管理系統(tǒng)和輸送泵沿冷卻介質(zhì)的流動方向設(shè)置在燃料電池堆的上游，冷卻介質(zhì)先冷卻產(chǎn)熱量小的部件，再冷卻產(chǎn)熱量大的部件，能夠有效的減小冷卻介質(zhì)用量，提高熱交換效率，使燃料電池系統(tǒng)各個部件有效散熱，提高燃料電池系統(tǒng)效率、降低燃料電池系統(tǒng)運行成本。
文檔編號H01M8/04GK202474109SQ20122011162
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者張占奎, 方源, 楊海玉, 湯浩, 雷姣 申請人:中國東方電氣集團有限公司