СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, СОДЕРЖАЩАЯ ИНТЕГРИРОВАННЫЕ КОНДЕНСАТОР КАТОДНОГО ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА И ОХЛАДИТЕЛЬ БАТАРЕИ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2007 года по МПК H01M8/02 H01M8/06 

Область техники

Данная заявка относится к системам топливного элемента, в частности, к системам топливного элемента, содержащим конденсатор катодного отработавшего газа и охладитель батареи топливных элементов.

Уровень техники

Поскольку топливные элементы обеспечивают преимущества по кпд и выбросу отработавших газов, поэтому интерес к применению топливных элементов как к установкам выработки электроэнергии и/или источника электропитания для транспортных средств усиливается по мере того, как все более актуальными становятся проблемы обеспечения ископаемого топлива и экологических последствий использования таких обычных источников электроснабжения на ископаемом топливе, как двигатели внутреннего сгорания для транспортных средств. Но чтобы топливные элементы стали более приемлемыми для массового их использования, необходимы усовершенствования с точки зрения их доступности и компактности, особенно в транспортных средствах.

Сущность изобретения

Основная задача настоящего изобретения заключается в создании новой и усовершенствованной системы топливного элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении системы топливного элемента, которую можно выполнить более доступной по сравнению с обычными системами топливного элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении системы топливного элемента, которую можно выполнить более компактно по сравнению с обычными системами топливного элемента.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении системы топливного элемента, которую можно использовать для транспортных средств.

По меньшей мере одна из указанных выше задач решается настоящим изобретением в системе топливного элемента, которая содержит батарею топливных элементов и интегрированный блок теплообменника. Батарея топливных элементов содержит впускное отверстие анодного газа, в которое поступает поток топлива; впускное отверстие катодного газа, в который поступает поток кислорода; катодный выход для выведения катодного отработавшего газа; и канал хладагента, по которому хладагент проходит через батарею топливных элементов.

Согласно одному из осуществлений: интегрированный блок теплообменника содержит конденсатор катодного отработавшего газа и охладитель батареи топливных элементов, установленные рядом друг с другом, чтобы охлаждаться общим потоком охлаждающего воздуха, проходящим параллельно через конденсатор и охладитель. Конденсатор содержит путь конденсации, находящийся в теплообмене с потоком охлаждающего воздуха - для отвода тепла катодного отработавшего газа в поток охлаждающего воздуха; первый впускной патрубок, посредством текучей среды сообщающийся с катодным выходом, чтобы принимать от него катодный отработавший газ, и соединенный с путем конденсации, чтобы направлять в него катодный отработавший газ; и первый выпускной патрубок, соединенный с путем конденсации, чтобы принимать от него катодный отработавший газ. Охладитель батареи топливных элементов содержит канал хладагента, находящийся в теплообмене с потоком охлаждающего воздуха, чтобы отводить тепло хладагента в поток охлаждающего воздуха; второй впускной патрубок, находящийся в сообщении посредством текучей среды с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы принимать из него хладагент, и соединенный с каналом хладагента, чтобы направлять в него хладагент; и второй выпускной патрубок, соединенный с каналом хладагента, чтобы принимать из него хладагент, и имеющий сообщение посредством текучей среды с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы направлять хладагент в него.

Согласно одному из осуществлений: интегрированный блок теплообменника также содержит общий вентиляторный кожух, прикрепленный к конденсатору и охладителю, чтобы направлять поток охлаждающего воздуха от вентиляторной системы через конденсатор и охладитель.

Согласно одному из осуществлений: путь конденсации и канал охладителя содержат множество параллельных, отделенных друг от друга теплообменных трубок. Первый и второй впускные патрубки содержат общий впускной коллектор, соединенный с первыми концами теплообменных трубок; и первую дефлекторную пластину, которая герметично установлена в общем впускном коллекторе, чтобы исключать смешивание катодного отработавшего газа с охладителем. Первый и второй выпускные патрубки имеют общий выпускной коллектор, соединенный со вторыми концами теплообменных трубок; и вторую дефлекторную пластину, герметично установленную в общем выпускном коллекторе, чтобы исключать смешивание катодного отработавшего газа с охладителем.

Согласно одному из осуществлений: интегрированный блок теплообменника содержит множество отделенных друг от друга теплообменных трубок, находящихся в теплообмене с общим потоком охлаждающего воздуха; общий впускной коллектор, соединенный с первыми концами теплообменных трубок; первую дефлекторную пластину, герметично установленную во впускном коллекторе, чтобы разделять впускной коллектор на первый и второй впускные патрубки; общий выпускной коллектор, соединенный со вторыми концами теплообменных трубок; и вторую дефлекторную пластину, герметично установленную в выпускном коллекторе, чтобы разделять выпускной коллектор на первый и второй выпускные патрубки. Первый впускной патрубок находится в сообщении по текучей среде с катодным выходом, чтобы принимать из него катодный отработавший газ и направлять катодный отработавший газ в первую группу теплообменных трубок. Первый выпускной патрубок принимает катодный отработавший газ из первой группы теплообменных трубок. Второй впускной патрубок сообщается по текучей среде с каналом охладителя батареи топливных элементов, чтобы принимать из него хладагент и направлять хладагент во вторую группу теплообменных трубок. Второй выпускной патрубок сообщается по текучей среде с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы направлять в него хладагент из второй группы теплообменных трубок. Первая и вторая группы теплообменных трубок расположены таким образом, что общий поток охлаждающего воздуха протекает параллельно по первой группе теплообменных трубок и второй группе теплообменных трубок.

Прочие задачи и преимущества настоящего изобретения поясняются в приведенном ниже описании в совокупности с прилагаемыми чертежами и формулой изобретения.

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 схематически показывает систему топливного элемента, содержащую батарею топливных элементов и интегрированный блок теплообменника согласно осуществлению данного изобретения;

Фиг.2 - вертикальная проекция интегрированного блока теплообменника для использования в системе топливного элемента согласно осуществлению данного изобретения;

Фиг.3 - боковая проекция по линии 3-3, показанной на Фиг.2;

Фиг.4 - вертикальная проекция альтернативного осуществления интегрированного блока теплообменника для использования в системе топливного элемента согласно осуществлению настоящего изобретения;

Фиг.5 - вертикальная проекция кожуха вентилятора, используемого с интегрированными блоками теплообменника, показанными на Фиг.2-4;

Фиг.6 - вид по линии 6-6, показанной на Фиг 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Система 10 топливного элемента, содержащая батарею 11 топливных элементов и интегрированный блок 12 теплообменника согласно осуществлению изобретения, показана на чертежах на примере системы топливного элемента - риформинг/установки метанола, обычно предлагаемой для использования в транспортных средствах. Интегрированный блок 12 теплообменника содержит охладитель 14 батареи топливных элементов и конденсатор 16 катодного отработавшего газа, установленные рядом друг с другом для их охлаждения общим потоком охлаждающего воздуха, схематически показанным под ссылочным обозначением 18 и проходящим параллельно через охладитель 14 и конденсатор 16. Хотя метанол является предпочтительным топливом для применения в транспортных средствах, поскольку его легко превратить риформингом в анодный газ и легко обеспечивать для потребителей, нужно отметить, что данное изобретение будет применимо в виде любой системы топливного элемента, имеющей конденсатор отработавшего катодного газа и охладитель батареи топливных элементов; включая также и использование топливного элемента в других областях, кроме транспортных средств. Соответственно, конкретный тип системы топливного элемента не ограничивается, если это особо не оговаривается в формуле изобретения.

Остальные компоненты, работающие в системе 10 топливного элемента, схематически представлены под ссылочным обозначением 20. Поскольку они не имеют особой важности для понимания настоящего изобретения и поскольку имеется много хорошо известных и обычных форм, которые можно использовать с системой 10, поэтому компоненты 20 подробно не иллюстрируются. Для применения в транспортных средствах компоненты 20 обычно будут содержать хорошо известные водяной бак, бак с метанолом, испаритель топлива, риформинг/установку, каталитическую камеру сгорания, реактор газоочистки и компрессор/экспандер. В водяном баке находится вода системы и вода, рекуперированная из катодного отработавшего газа батареи 11 топливных элементов. При обычной работе: насосы с электроприводом от аккумулятора при пуске или работающие от электричества, генерируемого во время работы батареей 11 топливных элементов, дозируют воду из водяного бака и метанол из бака с метанолом в нужном соотношении в испаритель топлива, в котором испаряется смесь воды и метанола. Испарившаяся смесь поступает в риформинг/установку и в каталитическую камеру сгорания, которая в свою очередь подает продукт риформинга (водород, воду, монооксид углерода и диоксид углерода) в реактор газоочистки, который понижает содержание монооксида в продукте риформинга до значения, при котором батарея 11 топливных элементов не будет отравляться. Реактор газоочистки направляет топливо в виде анодного газа (водород, диоксид углерода и вода) на анод батареи 10 топливных элементов. Компрессор/экспандер расширяет отработавший газ из батареи 11 топливных элементов и сжимает воздух для его подачи на катод батареи топливных элементов. Электроэнергия, вырабатываемая батареей 11 топливных элементов, используется, в работе, для привода насосов, электродвигателей и пр. в системе, и также для обеспечения электроэнергии для нагрузки, приводимой системой. Для пуска можно использовать электроэнергию аккумулятора. Для транспортных двигательных систем нагрузкой обычно будет электродвигатель, связанный с системой тяги транспортного средства.

Батарея 11 топливных элементов содержит впускное отверстие 30 анодного газа, чтобы подавать топливо, обычно - обогащенный водородом анодный газ, на аноды батареи 11 топливных элементов; впускное отверстие 32 катодного газа для подачи кислорода, обычно в виде воздуха, на катоды батареи 11 топливных элементов; анодный выход 34 для отработавшего газа от анода топливного элемента; катодный выход 36 для выхода катодного отработавшего газа от катода батареи 11 топливных элементов; и канал 38 хладагента для направления хладагента через батарею 11 топливных элементов, чтобы отводить тепло батареи 11 топливных элементов в хладагент в целях постоянного обеспечения нужной рабочей температуры батареи 11 топливных элементов. Как упоминалось выше, изобретение будет применимо с любой батареей топливных элементов, которая отводит тепло в хладагент для обеспечения нужной температуры для батареи топливных элементов. Например, изобретение можно будет применять для топливных элементов мембран протонного обмена, щелочных топливных элементов, топливных элементов на фосфорной кислоте, топливных элементов на твердых окислах, топливных элементов на расплавленном карбонате, топливных элементов на метаноле и регенеративных топливных элементов. Поскольку имеется много известных и обычных форм этих топливных элементов, конструкция и действие которых хорошо известны, и подробности батареи 11 топливных элементов будут в значительной степени зависеть от типа выбранного топливного элемента и рабочих параметров конкретного применения, поэтому более подробное описание батареи 11 топливных элементов здесь в целях краткости не приводится.

Фиг.2 и 3 показывают возможное осуществление интегрированного блока 12 теплообменника. Как указывалось выше, охладитель 14 и конденсатор 16 установлены рядом друг с другом, чтобы охлаждаться общим охлаждающим воздушным потоком, указанным стрелкой 18, который идет параллельно через конденсатор 16 и охладитель 14. Обычно в случаях применения для транспортных средств интегрированный блок 12 теплообменника установлен в передней части транспортного средства, где можно обеспечить поток 18 охлаждающего воздуха, по меньшей мере в части рабочего цикла, в виде набегающего воздуха, создаваемого движением транспортных средств вперед. Интегрированный блок 12 теплообменника содержит множество теплообменных трубок 40, находящихся в теплообмене с общим охлаждающим воздушным потоком 18; при этом одна группа 42 трубок 60 определяет путь 43 конденсации для конденсатора 16 катодного отработавшего газа, и другая группа 44 трубок 40 определяет канал 45 хладагента для охладителя 14 батареи топливных элементов. Согласно приведенному примеру осуществления интегрированного блока 12 теплообменника: трубки 40 установлены на расстоянии рядом друг с другом, параллельно друг другу, при этом спиральные ребра 46 установлены в промежутках между прилегающими парами трубок 40. Концы 48 трубок 42 соединены со впускным патрубком 50 конденсатора 16, который посредством текучей среды сообщается с катодным выходом 36, чтобы принимать из него катодный отработавший газ через впускное отверстие 51 и направлять катодный отработавший газ в трубки 42. Другие концы 52 трубок 42 соединены с выпускным патрубком 53 конденсатора 16, в который входит катодный отработавший газ и конденсат из трубок 42 и который направляет его из выпускного отверстия 54 в систему 10. Аналогично, концы 60 трубок 44 соединены с входным патрубком 62 охладителя 14, который посредством текучей среды сообщается с каналом 38 охладителя, чтобы принимать из него хладагент через впускное отверстие 64 и направлять хладагент внутрь трубок 44. Противоположные концы 66 трубок 44 соединены с выходным патрубком 68, который посредством текучей среды сообщается с каналом 38 хладагента, чтобы направлять в него хладагент из трубок 42 через выпускное отверстие 70.

Согласно поясняемому осуществлению конденсатор 16 и охладитель 14 соединяются с помощью своего межсоединения 72, образованного парой пластин 74, 75, конструкционно соединенных соответствующим методом - пайкой, эпоксидной смолой или сваркой. Пластины 74, 75 проходят по всей высоте интегрированного блока 12 теплообменника. Интегрированный блок 12 теплообменника также содержит пару боковых пластин 76 в виде U-образных каналов и конструкционно соединенных с патрубком 50, 53, 62 и 68, чтобы обеспечивать конструкционную опору и жесткость для интегрированного блока 12 теплообменника и обеспечивать конструкционную опору для множества монтажных кронштейнов 77, с помощью которых интегрированный блок 12 теплообменника монтируют на конструкциях системы 10.

Согласно Фиг.4 представлена альтернативная возможная конструкция, в которой интегрированный блок 12 теплообменника имеет общий впускной коллектор 78 с дефлектором 80, герметично установленным во впускном коллекторе 78, чтобы отделять друг от друга впускные патрубки 50, 62 конденсатора 16 и охладитель 14 в целях исключения смешивания катодного отработавшего газа и хладагента. Аналогично, интегрированный блок 12 теплообменника имеет общий выпускной коллектор 82 со второй дефлекторной пластиной 84, герметично установленной в коллекторе 82, чтобы отделять друг от друга выпускные патрубки 53, 68 конденсатора 16 и охладитель 14 в целях предотвращения смешивания катодного отработавшего газа в охладителе. Согласно другому варианту пластины 74, 75 в этой конструкции можно исключить. На чертеже для каждого из коллекторов 78, 82 показана цельная цилиндрическая конструкция коллектора, но нужно отметить, что существует несколько хорошо известных конструкций коллекторов теплообменника, которые можно использовать в интегрированном блоке 12 теплообменника. Например, коллекторы 78, 82 можно сформировать из коллекторной пластины, в которую входят концы трубок, при этом отдельная коллекторная пластина припаяна к коллекторной пластине с образованием патрубков 50, 53, 60, 68. Либо коллектор 78 может использовать другую конструкцию помимо коллектора 82. Также существуют многие известные формы дефлекторных пластин 80, 84, которые можно использовать в коллекторах 78, 82 - в зависимости от определенной конструкции коллекторов. Соответственно, описание этих компонентов здесь не приводится в целях краткости.

Поясняемое осуществление интегрированного блока 12 теплообменника показано с плоскими трубками, расположенными в конструкции типа параллельного потока, но в некоторых применениях могут быть целесообразными другие типы трубок и другое расположение трубок, при условии, что конденсатор 16 и охладитель 14 расположены рядом друг с другом, чтобы общий поток 18 воздуха проходил параллельно через конденсатор 16 и охладитель 14. Например, в некоторых осуществлениях может быть целесообразным использование круглых трубок, пластинчатых ребер и/или спирального расположения трубок для конденсатора 16 или охладителя 14, или для их обоих. Аналогично, хотя конденсатор 16 и охладитель 14 показаны с одинаковым габаритом, с одинаковым числом и размером трубок 40, нужно отметить, что относительный размер конденсатора 16 и охладителя 14 может изменяться и будет зависеть от параметров конкретного применения.

Согласно Фиг.5 и 6: интегрированный блок 12 теплообменника может также содержать общий кожух 90 вентилятора, который прикреплен к конденсатору 16 и охладителю 14, чтобы направлять поток 18 воздуха между конденсатором 16 и охладителем 14 и системой 92 вентилятора. Хотя можно использовать любое соответствующее крепление, но общий кожух 90 вентилятора в поясняемом осуществлении соединен с боковыми пластинами крепежными деталями 91. Согласно поясняемому осуществлению система 92 вентилятора имеет пару ребер, которые втягивают поток 18 воздуха через конденсатор 16 и охладитель 14. Необходимо отметить, что в некоторых применениях может быть целесообразным, чтобы система 92 вентилятора содержала только один вентилятор, который будет втягивать поток 18 воздуха через конденсатор 16 и охладитель 14. Аналогично, хотя поясняемое осуществление показывает, что система 92 вентилятора установлена на кожухе 90 вентилятора, но в некоторых осуществлениях может быть целесообразным, чтобы система 92 вентилятора была установлена на других конструкциях системы 10.

Необходимо отметить, что система 10 может обеспечивать повышенную компактность по сравнению с обычными системами топливного элемента за счет комбинирования конденсатора 16 катодного отработавшего газа и охладителя 14 батареи топливных элементов в интегральном блоке 12 теплообменника. Также нужно отметить, что система 10 имеет меньшую себестоимость по сравнению с обычными системами топливного элемента, поскольку для интегрированного блока 12 теплообменника, возможно, потребуется меньшее число деталей, и его монтирование будет упрощенным по сравнению с более общепринятыми конструкциями. Также нужно отметить, что за счет использования общего потока 18 воздуха интегрированный блок 12 теплообменника может обеспечить повышенный кпд по сравнению с более общепринятыми конструкциями, для которых могут потребоваться отдельные потоки воздуха или другая охлаждающая текучая среда. Помимо этого, единый поток 18 воздуха обеспечивает преимущество с точки зрения размещения системы 10 топливного элемента в случае его использования в транспортном средстве, поскольку интегрированный блок 12 теплообменника может свести к минимуму объем и количество точек монтирования, требуемых для конденсатора 16 и охладителя 14.

Система топливного элемента содержит батарею топливных элементов и интегрированный блок теплообменника. Интегрированный блок теплообменника содержит охладитель батареи топливных элементов и конденсатор отработавшего катодного газа, установленные рядом друг с другом для охлаждения общим потоком охлаждающего воздуха, который проходит параллельно через охладитель и конденсатор. Система топливного элемента обладает уменьшенными массогабаритными характеристиками. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система топливного элемента, содержащая батарею топливных элементов, включающую в себя анодное впускное отверстие для входа в него потока топлива, катодное впускное отверстие для входа в него потока кислорода, катодный выход для выведения катодного отработавшего газа и канал хладагента для направления хладагента через батарею топливных элементов, интегрированный блок теплообменника, содержащий конденсатор катодного отработавшего газа и охладитель батареи топливных элементов, установленные рядом друг с другом для их охлаждения общим охлаждающим потоком воздуха, который проходит параллельно через конденсатор и охладитель, при этом конденсатор включает путь конденсации, находящийся в теплообмене с охлаждающим потоком воздуха, для отвода тепла катодного отработавшего газа в охлаждающий поток воздуха; первый впускной патрубок, посредством текучей среды сообщающийся с катодным выходом, чтобы принимать из него катодный отработавший газ, и соединенный с путем конденсации, чтобы направлять в него катодный отработавший газ; и первый выпускной патрубок, соединенный с путем конденсации, чтобы принимать из него катодный отработавший газ; охладитель батареи топливных элементов, содержащий канал хладагента, находящийся в теплообмене с потоком охлаждающего воздуха, чтобы отводить тепло хладагента в поток охлаждающего воздуха; второй впускной патрубок, находящийся в сообщении посредством текучей среды с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы принимать из него хладагент, и соединенный с каналом хладагента, чтобы направлять в него хладагент; второй выпускной патрубок, соединенный с каналом хладагента, чтобы принимать из него хладагент, и имеющий сообщение посредством текучей среды с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы направлять в него хладагент, причем путь конденсации и канал хладагента содержат множество параллельных отделенных друг от друга теплообменных трубок; первый и второй впускные патрубки содержат общий впускной коллектор, соединенный с первыми концами теплообменных трубок, и первую дефлекторную пластину, которая герметично установлена в общем впускном коллекторе, чтобы исключать смешивание катодного отработавшего газа с охладителем; первый и второй выпускные патрубки имеют общий выпускной коллектор, соединенный со вторыми концами теплообменных трубок; вторую дефлекторную пластину, герметично установленную в общем выпускном коллекторе, чтобы исключать смешивание катодного отработавшего газа и охладителя.2. Система топливного элемента по п.1, в которой интегрированный блок теплообменника также содержит общий кожух вентилятора, прикрепленный к конденсатору и охладителю, чтобы направлять поток охлаждающего воздуха из системы вентилятора через конденсатор отработавшего катодного газа и охладитель батареи топливных элементов.3. Система топливного элемента, содержащая батарею топливных элементов, содержащую анодное впускное отверстие для входа в него потока топлива, катодное впускное отверстие для входа в него потока кислорода, катодный выход для выведения катодного отработавшего газа и канал хладагента для направления хладагента через батарею топливных элементов; интегрированный блок теплообменника, содержащий множество отделенных друг от друга теплообменных трубок, находящихся в теплообмене с общим потоком охлаждающего воздуха; общий впускной коллектор, соединенный с первыми концами теплообменных трубок; первую дефлекторную пластину, герметично установленную во впускном коллекторе, чтобы разделять впускной коллектор на первый и второй впускные патрубки; общий выпускной коллектор, соединенный со вторыми концами теплообменных трубок; вторую дефлекторную пластину, герметично установленную в выпускном коллекторе, чтобы разделять выпускной коллектор на первый и второй выпускные патрубки; первый впускной патрубок, находящийся в сообщении по текучей среде с катодным выходом, чтобы принимать из него катодный отработавший газ и направлять катодный отработавший газ в первую группу теплообменных трубок; первый выпускной патрубок, принимающий катодный отработавший газ из первой группы теплообменных трубок; второй впускной патрубок, сообщающийся по текучей среде с каналом охладителя батареи топливных элементов, чтобы принимать из него хладагент и направлять хладагент во вторую группу теплообменных трубок; второй выпускной патрубок, сообщающийся по текучей среде с каналом хладагента батареи топливных элементов, чтобы направлять в него хладагент из второй группы теплообменных трубок; при этом первая и вторая группы теплообменных трубок расположены таким образом, что общий поток охлаждающего воздуха проходит параллельно по первой и второй группам теплообменных трубок.