一种高温质子交换膜燃料电池系统

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种高温质子交换膜燃料电池系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能并产生一定量余热的发电装置。作为新一代发电技术，质子交换膜燃料电池具有能源转换效率高、无机械运动部件和环境友好的特点。

质子交换膜燃料电池依据工作温度可分为低温质子交换膜燃料电池(正常工作温度为60～90℃)和高温质子交换膜燃料电池(正常工作温度120～200℃)。质子交换膜燃料电池工作过程中产生的热功率与电功率相当，这导致前者在大功率电堆设计中通常赖基于液冷的热管理系统来带走大量废热。尽管电堆本身的比功率较高，但是若计入液冷散热系统等辅助设备，系统整体的比功率将大打折扣。这也是低温质子交换膜燃料电池难以广泛应用于航空领域的原因之一。若要将质子交换膜燃料电池技术用于轻型飞机等航空领域，需要进一步提高系统的比功率。

综上所述，如何进一步提高燃料电池系统的比功率，使其能够应用于轻型飞机等航空领域，是本领域亟待解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温质子交换膜燃料电池系统，以解决现有技术中的不足，它能够具较高的燃料电池系统的比功率，能够应用于轻型飞机等航空领域。

本发明提供了一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机、高速电机和多个电堆单元，所述离心压气机与所述高速电机同轴设置；所述离心压气机通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元连通；其中，

所述电堆单元绕所述高速电机的中心线呈圆周阵列分布；且相邻两所述电堆单元之间、所述电堆单元与所述高速电机之间设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括第一散热片，所述第一散热片由多个所述电堆单元向所述第一散热腔延伸形成。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括隔热屏，所述隔热屏为圆筒状；所述隔热屏套设于所述高速电机的外周；所述第一散热腔为环形格栅，位于所述隔热屏的外周。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述隔热屏与所述高速电机之间具有第二散热腔，所述第二散热腔用于供电机冷却空气穿过；

所述第二散热腔内设有第二散热片，所述第二散热片用于给所述高速电机散热。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括径向涡轮，所述径向涡轮与所述高速电机同轴设置；

所述径向涡轮的空气进口与所述电堆单元的阴极出口连通，以使所述电堆单元排出的阴极废气推动所述径向涡轮转动。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括多个旁通管，多个所述旁通管与所述电堆单元一一对应，所述旁通管的两端分别与对应的所述电堆单元的阴极进口及阴极出口连通；

所述旁通管用于在对应的所述电堆单元故障时导通。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括氢气循环泵，所述氢气循环泵与所述高速电机同轴设置；

所述氢气循环泵的进气口与各所述电堆单元的阳极出口连通，所述氢气循环泵的出气口与各所述电堆单元的阳极进口连通。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，还包括燃烧室，所述燃烧室的第一进气口与所述离心压气机连通，所述燃烧室的第二进气口与所述电堆单元的阳极出口连通，所述燃烧室的排气口与所述径向涡轮的进气口连通。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述燃烧室为多个，且与所述电堆单元一一对应。

如上所述的高温质子交换膜燃料电池系统，其中，可选的是，所述燃烧室为环管燃烧室。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明中，设置了多个电堆单元，电堆单元为高温质子交换膜燃料电池堆，其正常工作温度为120到200℃；通过将电堆单元呈圆周阵列布置，有效地增加了电堆的表面积，可实现风冷散热。能够大幅简化热管理系统，降低系统重量。

将电堆单元沿环形布置，其内设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔，当将其应用于轻型飞机等航空领域时，能够使电堆冷却空气穿过第一散热腔，利用飞机飞行时产生的气流对电堆单元进行散热。

多个电堆单元之间并行布置，形成了多个电堆单元互为备份的冗余设计，有利于提升适航安全性。

高温质子交换膜燃料电池的高工作温度提高了离心压气机与径向涡轮构成的布雷顿循环的热效率，大幅降低了系统功率消耗，也减小了高速电机的尺寸重量，有利于提高燃料电池系统的比功率。

在高温质子交换膜燃料电池的启动过程中，可利用离心压气机对空气的加温实现质子交换膜温度快速、均匀地提高，有利于缩短启动时间。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图。

附图标记说明：

1－离心压气机，2－高速电机，3－电堆单元，4－第一散热腔，5－第一散热片，6－隔热屏，7－第二散热腔，8－第二散热片，9－径向涡轮，10－旁通管，11－氢气循环泵，12－燃烧室，13－磁悬浮轴承。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明旨在解决如何进一步提高燃料电池系统的比功率的问题，以使燃料电池系统能够应用于轻型飞机等航空领域。为此，本发明提出了以下实施例以解决该问题。

实施例1

请参照图1和图2，本实施例公开了一种高温质子交换膜燃料电池系统，包括离心压气机1、高速电机2和多个电堆单元3，所述离心压气机1与所述高速电机2同轴设置；所述离心压气机1通过多个管式扩压器分别与各个所述电堆单元3连通。所述离心压气机1用于将空气压缩后供给电堆单元3，高速电机2用于驱动离心压气机1转动。在实际应用时，电堆单元3的正常工作还需要氢罐等用于给电堆单元3供给氢气的部件，由于燃料电池的供氢系统为现有技术，本领域技术人员能够实现，且不是本方案改进的关键点，在此不再赘述。具体实施时，所述管式扩压器的数量与所述电堆单元3的数量相等，且一一对应，所述离心压气机1分出多条支路，每条支路通过一个管式扩压器与一个所述电堆单元3连接。

在具体实施时，所述电堆单元3为高温质子交换膜燃料电池堆。本申请中，高温质子交换膜燃料电池堆是指工作温度为120℃至200℃的燃料电池堆。相比于工作温度为60到90℃的低温质子交换膜燃料电池，高温质子交换膜对于散热的强度需求更小，使得通过风冷进行散热成为可能。因此，使用高温质子交换膜燃料电池堆，是本实施例所提出的燃料电池系统具有较高比功率的重要条件之一。

具体地，多个所述电堆单元3绕所述高速电机2的中心线呈圆周阵列分布；且相邻所述电堆单元3之间、所述电堆单元3与所述高速电机2之间设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔4。具体实施时，相邻的两电堆单元3之间设有间隙，通过将电堆单元3圆周阵列分布，电堆单元3与电堆冷却空气接触的表面积增大，使得散热面更大。由于第一散热腔4的外周面由电堆单元3围成，当电堆冷却空气穿过第一散热腔4时，能够将电堆单元3表面的热量带走，从达到风冷的目的。

在具体使用时，第一散热腔4为环形格栅，其中心线应当于所应用的轻型飞机的前进方向一致。使得在工作的过程中，电堆冷却空气能够穿过所述第一散热腔4而起到风冷的目的。

本实施例所提出的高温质子交换膜燃料电池系统，利用风冷对燃料电池系统进行散热，以使其能够工作在较为适宜的温度范围内。因而，能够避免使用液冷对电堆单元进行散热。通过风冷，能够大幅简化热管理系统，降低辅助设备的重量。

具体实施时，为了进一步提高散热效果，本实施例中还包括第一散热片5，所述第一散热片5由多个所述电堆单元3向所述第一散热腔4延伸形成。即，第一散热片5用于对电堆单元3进行散热，在使用过程中，增加第一散热片5后，增大了与电堆冷却空气之间的接触面积，有利于提高散热效率。

在具体实施时，高速电机2和离心压气机1在工作时也会产生较多的热量，由于多个电堆单元3是绕高速电机2的中心线均匀分布，在工作的过程中，电堆单元3的温度高于电机工作温度，为了避免电堆单元3的热量向高速电机2辐射，同时隔离开两股冷却气流，形成内、外涵道，降低冷却电机冷却空气的温度，保证电机的温度更低。本实施例还做了以下改进：

本实施例中，还包括隔热屏6，所述隔热屏6为圆筒状；所述隔热屏6套设于所述高速电机2的外周；所述第一散热腔4为环形格栅，位于所述隔热屏6的外周。设置隔热屏6之后，能够防止离心压气机1和高速电机2影响电堆单元3的风冷散热。

在具体实施时，所述隔热屏6为两端开口的筒状结构。所述隔热屏6与所述高速电机2之间具有第二散热腔7，所述第二散热腔7用于供电机冷却空气穿过。所述第二散热腔7内设有第二散热片8，所述第二散热片8用于给所述高速电机2散热。由于离心压气机1和高速电机2结构紧凑，表面积小，直接风冷会使得内部散热不均匀，在实际应用时，可设计一套独立的液冷系统进行冷却，具体地，将离心压气机1和高速电机2的液冷液进行冷却，离心压气机1和高速电机2紧凑布置于一圆柱包络面内，工作产生的废热通过内嵌在各部件机壳内的冷却通道传递给冷却液，冷却液在泵的驱动下循环至第二散热片8将热量传递给电机冷却空气。

在具体实施时，为了充分回收离心压气机的压缩功，本实施例还作了进一步的改进，还包括径向涡轮9，所述径向涡轮9与所述高速电机2同轴设置。所述径向涡轮9的空气进口与所述电堆单元3的阴极出口连通，以使所述电堆单元3排出的高温高压阴极废气推动所述径向涡轮9转动。通过设置径向涡轮9，一方面能够使系统中的离心压气机1、电堆阴极流道和径向涡轮9事实上构成了布雷顿热力循环，其效率随涡轮前温度的升高而提高。故在高温质子交换膜燃料电池系统中径向涡轮9可回收空压机70％以上的功率，从而有效提高系统的比功率。更进一步地，将径向涡轮9与高速电机2同轴设置，利用涡轮回收的能量驱动同轴的离心压气机1转动，以减小高速电机2的功耗，有利于减小高速电机2的尺寸；同时，使径向涡轮9也位于隔热屏6内，防止径向涡轮9的热量影响电堆单元3风冷散热。

在具体实施时，多个电堆单元3在空气管路上并联。还包括多个旁通管10，多个所述旁通管10与所述电堆单元3一一对应，所述旁通管10的两端分别与对应的所述电堆单元3的阴极进口及阴极出口连通。所述旁通管10用于在对应的所述电堆单元3故障时导通。即，在使用时，旁通管10在对应所述电堆单元3正常工作时不导通，在对应所述电堆单元3故障时导通。如此，能够使得，在某个或某几个电堆单元3发生故障时，空气能够经过旁通管10进入到径向涡轮9中。当管道所对应的电堆单元3发生故障需要限制空气流量时可打开阀门，将压缩空气直接经由旁路管10通入对应的径向涡轮9以避免离心压气机喘振，从而不影响其他电堆单元3以及所述离心压气机1和所述径向涡轮9的正常工作。

在具体实施时，旁通管10的连通或断开，可以是通过在旁通管10上设置电磁阀来实现。对此，本领域技术人员能够实现，在此不再赘述。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上所作的进一步改进，相同之处不再赘述，以下仅对不同之处进行说明。

请参照图1，在具体实施时，高温质子交换膜燃料电池工作时需要供应超过化学反应当量的氢气，氢气和空气中的氧气在经过电堆单元3反应后，氢气并不能完全反应，对于残余氢气的处理，本申请提出了两种处理方式，即，本实施例中将余氢循环再利用，以及实施例3中对余氢进行燃烧处理两种方式。具体地，本实施例中，还包括氢气循环泵11，所述氢气循环泵11与所述高速电机2同轴设置。即，所述氢气循环泵11由高速电机2驱动。所述氢气循环泵11的进气口与各所述电堆单元3的阳极出口连通，所述氢气循环泵11的出气口与各所述电堆单元3的阳极进口连通。即，利用氢气循环泵11来将余氢气循环泵入到氢气入口，以实现氢气的循环利用。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上所作的进一步改进，相同之处不再赘述，以下仅对不同之处进行说明。

请参照图2，高温质子交换膜燃料电池工作时需要供应超过化学反应当量的氢气，本实施例针对燃料电池系统的余氢进行处理，不同于实施例2，本实施例中，还包括燃烧室12，所述燃烧室12的第一进气口与所述离心压气机1连通，所述燃烧室12的第二进气口与所述电堆单元3的阳极出口连通，所述燃烧室12的排气口与所述径向涡轮9的进气口连通。

所述燃烧室12为多个，且与所述电堆单元3一一对应。具体地，所述高温质子交换膜燃料电池系统包括多个支路，每条支路上均设有电堆单元3、连接电堆单元3与离心压气机1连接的进气管路。工作时，首先由离心压气机1吸入空气并对空气做功，之后空气按照电堆数目被等分成数份，通过管式扩压器减速扩压后被送入电堆单元3的阴极参与电化学反应，电化学反应的阴极产物经由径向涡轮9的进气管收集汇合同时加速形成旋流，冲击径向涡轮9的叶轮；当某个电堆单元3因故障需停止供气时，通向该电堆的空气可经由旁通管10绕过该电堆单元10，即此时管式扩压器通过旁通管10与径向涡轮9的进气管直接相连。

所述燃烧室12为环管燃烧室。具体地，环管燃烧室应当保证管路沿轴向的投影限制在各所述电堆单元3平面的范围内，不得侵占或堵塞所述子午流道沿轴向的投影区域。更进一步地，为了减少燃烧室向其他部件的热辐射，在实际应用时，所述环管燃烧室的外周喷涂隔热涂层。具体实施时，环管燃料室12也绕所述高速电机2的中心线圆周阵列分布。

在以上各实施例中，为了减少高速电机2在高速转动时的阻力，所述高速电机2的转子通过两个磁悬浮轴承13支承，用于控制磁悬浮轴承13的磁悬浮控制器14设置在隔热屏6内。同时，磁悬浮轴承13在高速转动时不需要润滑油，能够防止润滑油污染毒化燃料电池内的催化剂。

在具体实施时，所述高速电机2(包括对应的电机控制器)连同其两端的所述磁悬浮轴承13及磁悬浮控制器14由一套独立的液冷系统进行温度控制。该液冷系统包括冷却液泵(及控制器)、冷却液储箱、温度传感器、集成于所述高速电机2和所述磁悬浮轴承机壳内的冷却通道和散热器，除冷却液泵和冷却液储箱外均置于所述隔热屏6内。所述散热器由冷却液管路和第二散热片8构成，布置于所述高速电机2的外壳与所述隔热屏6之间的环形空隙(即第二散热腔)中，即，能够被内涵道空气冷却。

通过以上实施例1到3，本发明所提出的方案至少存在以下有益效果：

本发明中，设置了多个电堆单元3，电堆单元3为高温质子交换膜燃料电池堆，其正常工作温度为120到200℃；通过将电堆单元3呈圆周阵列布置，有效地增加了电堆的表面积，可实现风冷散热。能够大幅简化热管理系统，降低系统重量。

将电堆单元3环形布置，其内设有供电堆冷却空气穿过的第一散热腔，当将其应用于轻型飞机等航空领域时，能够使电堆冷却空气穿过第一散热腔，利用飞机飞行时产生的气流对电堆单元进行散热。

多个电堆单元3之间并行布置，形成了多个电堆单元互为备份的冗余设计，有利于提升适航安全性。

高温质子交换膜燃料电池的高工作温度提高了离心压气机与径向涡轮构成的布雷顿循环的热效率，大幅降低了系统寄生功率，也减小了高速电机的尺寸重量，有利于提高燃料电池系统的比功率。

在高温质子交换膜燃料电池的启动过程中，可利用离心压气机对空气的加温实现质子交换膜温度快速、均匀的提高，有利于缩短启动时间。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所做的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。