[发明专利]用于产生能量、将燃料电池和可逆热力学系统耦合的组件

说明书

本发明涉及一种用于产生能量的组件，该组件包括燃料电池(1)、构造成接收第一传热流体并且至少部分地围绕所述燃料电池(1)布置的流体电池回路(2)，其特征在于，所述组件包括可逆热力学系统，所述可逆热力学系统构造成交替地进行：‑疏散由所述燃料电池(1)产生的热能，并通过所述第一传热流体将所述热能转变为机械能，以及‑通过所述第一传热流体向所述燃料电池(1)供应热能，所述热力学系统包括：构造成接收第二传热流体的流体热力学回路(18)；‑第一热交换器(3)，用于在所述流体热力学回路(18)和所述流体电池回路(2)之间交换热能；以及‑第二热交换器(4)，用于在所述流体热力学回路(18)和外部源之间交换热能。本发明涉及燃料电池、尤其是质子交换膜类型的燃料电池的运行改进。本发明将在所有使用燃料电池、尤其是质子交换膜燃料电池的领域中应用。本发明将优选地应用于运输领域。

技术领域

本发明涉及一种用于产生能量的组件，其耦合燃料电池和可逆热力学系统。

本发明涉及燃料电池、尤其是质子交换膜类型的燃料电池的运行的改进。

本发明将在使用质子交换膜燃料电池的所有领域中得到应用。

本发明将优选地应用于运输领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池也以聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的名称为人所知。PEMFC允许在低压和低温范围内运行。它们包括特定的聚合物电解质膜。

PEMFC将在二氢(H2)和二氧(O2)的电化学反应过程中释放的化学能转变为电能，与这两个物体的热化学反应“相反”的过程产生热能。氢射流被引向电极膜组件的阳极侧。此时，它被催化分解成质子和电子。半电池中的这种氧化反应描述为：

H₂→2H⁺+2e^-

同时，从MEA的阴极侧引导氧气流。双氧分子与穿过聚合物电解质膜的质子和通过外部电路到达的电子发生反应，从而形成水分子。半电池中的还原反应用电解写成：

4H⁺+4e^-+O₂→2H₂O

这种类型的燃料电池供应有氢气和氧气，其供应的热功率与电功率的数量级相同。当燃料电池在有利地在120℃至180℃之间的高温下工作时，情况尤其如此。

因此，散热是避免过热以及因此避免膜劣化的主要挑战。有几种方法可以疏散这种热量：-确保传热液体的循环，在具有专用热回路的双极板内或在插入的专用板内(例如，燃料电池的每2至3个电池)；-在电池的入口处向水中注入空气，并通过部分蒸发水来散热；-每个双极板均配有散热片，并且通过强制空气循环将热量散发至外部。因此，在所有这些选项中，冷却回路都包括带有其循环器的液体或气体回路，以及可选地(在液体的情况下)向外的热交换器。

此外，已经研究了增强该热能，尤其是为了提高燃料电池的电效率，以降低由这些系统产生的能量的成本。而且，在上述热交换器中与周围空气的温度差较低，因此需要使用相对较大的热交换器。

Won-Yong Lee等人在文章“由高温聚合物电解质燃料电池和有机朗肯循环系统组成的联合动力系统的动力优化(Power optimization of a combined power systemconsisting of a high-temperature polymer electrolyte fuel cell and an organicRankine cycle system)，能源113(2016)1062-1070”，中特别进行了描述，将实施有机朗肯循环的系统结合起来，以增强燃料电池产生的热能。

但是，这种类型的发展不足以使燃料电池可用于各种应用中，尤其是运输中。

因此，需要提出一种解决方案，该解决方案还提高尤其是PEMFC类型的燃料电池的能量效率。