[发明专利]蒸发冷却的燃料电池系统以及运行蒸发冷却的燃料电池系统的方法

说明书

本发明涉及一种蒸发冷却的燃料电池系统以及一种运行蒸发冷却的 燃料电池系统的方法。

燃料电池系统能够低排放和高效率地产生电力。为此，目前正在努 力将燃料电池系统应用于各种移动应用中，例如在机动车工程、海运或 者航空中用于产生电能。例如在航空器中，可以想到由燃料电池系统来 取代由主发动机或者辅助涡轮驱动的目前用作机载电源的发电机。此 外，燃料电池系统还可以用于航空器的应急电源，并且取代迄今还在使 用的冲压式空气涡轮(RAT)。

燃料电池通常包括阴极区和阳极区，所述阳极区通过电解质与阴极 区分离。当燃料电池运行时，向燃料电池的阳极侧提供燃料例如氢气， 并且向燃料电池的阴极侧提供含氧的氧化剂例如空气。在聚合物电解质 膜(PEM)燃料电池中，氢分子在存在于阳极区的阳极催化剂处根据例 如式(1)进行反应，

H₂→2·H⁺+2·e^-    (1)

而且，通过形成带正电的氢离子，由此将电子传送到电极。

在阳极区形成的H⁺离子然后通过电解质扩散到阴极，在那里，在存 在于阴极区的阴极催化剂处，它们与提供给阴极的氧气和经由外电路供 应至阴极的电子根据式(2)进行反应，

0.5·O₂+2·H⁺+2·e^-→H₂O    (2)

以形成水。

除了产生电能之外，燃料电池在运行中时，还产生热能，必须借助 于冷却系统将热能从燃料电池中除去以防止燃料电池过热。在移动应用 的情形中，通常在燃料电池运行期间所产生的热能的仅仅一部分能够被 供到系统内或者外部散热器中以进一步使用，通常由燃料电池产生的反 应热的至少一部分必须排放到环境中。在航空器中所用的例如用于机载 电源的燃料电池必须设计为能够满足对于电能的大量需求。然而，在产 生电能方面具有高容量的燃料电池也产生大量的热能，因此具有高的冷 却需求。

原则上，可以用多种方式来冷却在航空器上使用的燃料电池。例如， 能够使用液体冷却，其中使用液体作为冷却介质，以吸收由燃料电池所 产生的反应热。根据式(3)来粗略计算液体冷却系统的冷却能力

Q·F=m·F·cpF·ΔTF---(3)]]>

其中是冷却液的吸热量，是质量流量，c_pF是冷却液的热容，ΔT_F是 冷却液出口温度和冷却液进口温度之间的温差。

由式(3)显见，其中在回路中输送冷却液的有效的液体冷却，需 要将通过吸收来自燃料电池的热量而被加热的冷却液再次降温ΔT_F，然 后它才可以再次有效吸收来自燃料电池的废热。为了使冷却液降温ΔT_F， 可以将冷却液供给至例如热交换器，其中在冷却液中储存的热能被转移 至另一冷却介质例如环境空气。作为用液体冷却燃料电池接着用环境空 气使冷却液再次冷却的一个替代方案，也可以想到直接用环境空气来冷 却燃料电池。

不管环境空气冷却系统是用于燃料电池的直接环境空气冷却还是 仅仅用来使液体冷却系统的冷却液再次冷却，根据式(4)来粗略计算 环境空气冷却系统的冷却能力