一種燃料電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。常見的兩種燃料電池為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。質(zhì)子交換膜燃料電池通常使用氫氣之類的氣體作為燃料，其在較低的溫度下就可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。固體氧化物燃料電池則基于高溫反應(yīng)過程進行能量轉(zhuǎn)化，它通常可以使用各種不同高濃度的氣體燃料，比如說一氧化碳、氫氣。
[0003]SOFCs很大的一個優(yōu)勢在于:產(chǎn)生電能的氣體燃料可以從酒精、汽油、柴油、天然氣、甚至生物質(zhì)或煤等各種物質(zhì)中獲得。這些物質(zhì)可以在一個燃料重整反應(yīng)裝置中進行氣化，從而可以產(chǎn)生豐富的一氧化碳和氫氣。該燃料重整反應(yīng)裝置中包含催化劑，該催化劑使得燃料氣體反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。
[0004]大多SOFCs在陶瓷基片上進行制造，為兩維的平板式結(jié)構(gòu)。平板式SOFCs的多個平板堆疊在一起成為一個電池堆。平板式SOFCs的最大的缺陷在于陶瓷基片單元容易破裂。雖然，在一定程度上，可以通過減緩加熱或者冷卻陶瓷基片的時間來減少這種破裂的可能;但是如果這樣的話，產(chǎn)生電能的過程將花費很長的時間，比如若干小時或者若干天。
[0005]為了克服上述熱膨脹導(dǎo)致的破裂問題，管式燃料電池逐漸發(fā)展起來。這種管式燃料電池的管子比較小，比如長度為50mm或60mm、外徑為4mm至6mm、內(nèi)徑為3mm至4mm。管子的基本材料可以是純陶瓷，或者含有較多鎳的類金屬。這種含有較多鎳的類金屬使得氣體或者氣體離子擴散更方便。在管子的內(nèi)壁和外壁涂有涂層，這些涂層形成了燃料電池的陽極和陰極。
[0006]請參圖1所示的一種管式燃料電池。該管式燃料電池由陽極層、陰極層以及兩極之間的電解質(zhì)層組成。在陽極層一側(cè)通入H2或者其他燃料氣體，在陰極層一側(cè)通進02或者包含02的空氣。
[0007]SOFCs工作的時候，需要燃料氣體保持一定的濃度；同樣的，氧氣或者包含氧氣的空氣也需要保持一定的濃度。所以，持續(xù)均勻濃度的燃料氣體和氧氣/空氣對于SOFCs的正常工作來講，是非常重要的。
[0008]另外，SOFCs啟動工作需要較高的溫度;通常，該溫度需要超過600攝氏度。一個典型的工作溫度區(qū)間為600?850攝氏度。如果低于600攝氏度，該固體氧化物燃料電池將無法正常工作。但是，隨著SOFCs輸出的電能增大，其產(chǎn)生的廢熱能也越多，電池本身的溫度也升高的越多，此時又需要通過某種方式對其進行降溫處理以防止電池過熱。所以，如何對燃料電池系統(tǒng)進行熱管理是當前需要解決的問題。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]有鑒于此，本實用新型提供一種燃料電池系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)。
[0010]該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，該燃料電池堆系統(tǒng)還包括收容燃料電池堆的收容部，助燃氣體溫度調(diào)節(jié)裝置;該助燃氣體溫度調(diào)節(jié)裝置對通入燃料電池堆的助燃氣體的溫度進行調(diào)節(jié);所述調(diào)節(jié)了溫度的助燃氣體和所述收容部中的所述燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)。
[0011]本實用新型燃料電池系統(tǒng)具有很好的熱管理能力，能很好的利用廢熱能、廢燃料氣體，并且能很好的對燃料電池進行熱管理。
【附圖說明】
[0012]圖1是現(xiàn)有的一種管式燃料電池示意圖。
[0013]圖2是本實用新型一種燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]本實用新型提供一種燃料電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆，該燃料電池堆系統(tǒng)還包括收容燃料電池堆的收容部，助燃氣體溫度調(diào)節(jié)裝置;該助燃氣體溫度調(diào)節(jié)裝置對通入燃料電池堆的助燃氣體的溫度進行調(diào)節(jié);所述調(diào)節(jié)了溫度的助燃氣體和所述收容部中的所述燃料電池堆進行熱交換，使燃料電池堆溫度在各工作階段處于預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)。該燃料電池系統(tǒng)熱管理方法能很好的利用廢熱能、廢燃料氣體。以下通過燃料電池系統(tǒng)啟動階段、工作階段和停止工作階段三個方面來詳細說明。
[0015](一)、燃料電池系統(tǒng)啟動階段
[0016]初始，燃料電池堆的溫度達不到啟動工作所需要的高溫條件。為了使其溫度能上升到啟動工作所需的最低溫度，本實用新型實施例采用高溫度的助燃氣體流與燃料電池堆充分進行熱交換，從而加熱該燃料電池堆，使其達到啟動工作所需要的最低溫度。
[0017]具有較高溫度的助燃氣體可以通過以下兩種方式得到:
[0018]A、燃燒燃料氣體產(chǎn)生的熱量加熱通入燃料電池堆的助燃氣體
[0019]初始時，燃料氣體通入燃料電池堆后，由于燃料電池堆的溫度較低，這些燃料氣體將流入到廢氣腔中。通過設(shè)置的廢氣補燃器對該廢氣腔中的燃料氣體進行燃燒。燃燒產(chǎn)生的巨大熱量加熱進氣腔中的助燃氣體使其溫度升高。廢氣腔、廢氣補燃器請參圖2的一個例子。
[0020]B、使用加熱元件加熱助燃氣體
[0021]加熱元件可以設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)的不同位置。比如說，可以設(shè)置在進氣腔中；更優(yōu)的，可以設(shè)置在進氣腔的第三腔體中。還可以設(shè)置在燃料電池堆收容部中，尤其是其第一側(cè)壁中。加熱元件的開啟或者關(guān)閉由燃料電池系統(tǒng)的控制模塊進行控制。另外，加熱元件可以多檔調(diào)節(jié)，不同檔，具有不同的加熱功率。在使用加熱元件加熱助燃氣體流時，需要由溫感器件檢測當前助燃氣體的溫度。系統(tǒng)的控制模塊獲取到溫感器件檢測到的溫度后，控制加熱元件加熱與否。加熱元件、進氣腔、第三腔體、收容部、第一側(cè)壁參見圖2的一個例子。
[0022]需要說明的是，為了防止熱應(yīng)力產(chǎn)生而損壞燃料電池堆，無論是通過A方式還是B方式，都要保證助燃氣體流溫度非瞬間上升到很高。所以對于A方式來講，可以由控制模塊控制逐漸增加通入的燃料氣體的濃度或者燃料氣體的流速。對于B方式來講，可以由控制模塊控制逐漸增加加熱元件的加熱功率。
[0023]方式A和方式B同時使用，效果更佳。
[0024]當溫度越來越高的助燃氣體流將燃料電池堆加熱的反應(yīng)所需的最低溫度時，燃料電池堆將產(chǎn)生電能。
[0025](二)燃料電池系統(tǒng)工作階段
[0026]若燃料電池堆開始產(chǎn)生電能則意味著燃料電池系統(tǒng)進入到工作階段。
[0027]在燃料電池堆對外界供電時，由于外界所需的電功率是一定的，所以燃料電池堆需要提供該一定電功率的電能。
[0028]由于燃料電池堆產(chǎn)生的電功率與燃料電池堆的溫度以及通入的助燃氣體的流速相關(guān)。所以，針對一個燃料電池堆，如果當前需要其輸出X瓦的功率，那么可以通過調(diào)節(jié)通入的助燃氣體的量(單位時間的量)和溫度來實現(xiàn)。這里，O S X S Pmax，Pmax為該燃料電池堆所能產(chǎn)生的最大功率。具體地，可以按照以下步驟實施:
[0029]通入該X瓦電功率對應(yīng)流速的助燃氣體；
[0030]溫感器件檢測所述助燃氣體的溫度；
[0031]如果檢測到的溫度小于一預(yù)設(shè)溫度，則提高所述助燃氣體的溫度;如果檢測到的溫度高于另一預(yù)設(shè)溫度，則降低所述助燃氣體的溫度。
[0032]這里的兩個預(yù)設(shè)的溫度和當前需要該燃料電池堆輸出的電功率相關(guān)，這個可以根據(jù)實驗得出，可以預(yù)先在系統(tǒng)中保存好預(yù)設(shè)溫度與輸出電功率的對應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)溫感器件檢測到的助燃氣體的溫度，由控制模塊來控制加熱元件進行加熱與否。當需要提高助燃氣體的溫度的時候，控制模塊控制開啟加熱元件或增大加熱元件加熱功率；當需要降低所述助燃氣體的溫度的時候，控制模塊控制關(guān)閉加熱元件或降低加熱元件加熱功率。
[0033]由于燃料電池堆進行化學(xué)反應(yīng)時能產(chǎn)生熱量，這些熱量(廢熱能)將被用來加熱通入的助燃氣體，這樣就可以降低加熱元件加熱的功率。另外，未參加反應(yīng)的廢燃料氣體將通過廢氣補燃器燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量也能加熱通入的助燃氣體，這樣也可以降低加熱元件加熱的功率。這里降低加熱元件加熱的功率包括不再使用該加熱元件對助燃氣體進行加熱。比如說，持續(xù)通入超過反應(yīng)所需的燃料氣體，這樣多余的未參與反應(yīng)的燃料氣體可以進一步燃燒以產(chǎn)生熱量來加熱進氣腔中的助燃氣體。關(guān)于通入的超過反應(yīng)所需的燃料氣體的量的多少可以通過所需的溫度的大小來確定。具體可以在廢氣補燃器109出口設(shè)置溫度傳感器，如果該溫度傳感器檢測到的溫度小于設(shè)定的溫度值，可以增加通入的燃料氣體的量。需要說明的是，這里的通入的燃料氣體的量均是指單位時間通入的燃料氣體的量，即燃料氣體的流速。
[0034](三)、燃料電池系統(tǒng)停止工作階段
[0035]當不需要燃料電池堆供電時，可以由控制模塊停止給燃料電池堆通入燃料氣體。另外，還可以由控制模塊控制在燃料電池堆中通入惰性氣體，使該燃料電池堆停止反應(yīng)。進一步地，可能存在的多余的未反應(yīng)的燃料氣體將由廢氣補燃器進行燃燒，以防止污染空氣和形成安全隱患。
[0036]當不需要燃料電池堆供電時，需要逐漸降低通入的助燃氣體的溫度。具體可以由控制模塊逐漸降低加熱元件的加熱功率，直到關(guān)閉該加熱元件。之所以要逐漸降低加熱元件的加熱功率，是為了防止溫度變化過快產(chǎn)生的應(yīng)力損壞該燃料電池堆。具體可以通過溫感器件感應(yīng)溫度，控制模塊獲取該感應(yīng)的溫度，然后控制加熱元件逐漸降低加熱功率直到關(guān)閉該加熱元件。另外，如果通入的助燃氣體的溫度的升高是通過廢氣補燃器燃燒燃料氣體所得，那么這里逐漸降低通入的助燃氣體的溫度就可以直接通過逐漸減少燃料氣體的供給實現(xiàn)。