專利名稱：燃料電池發電機及其管理方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池發電機及其管理方法。
背景技術：
用于固定使用并具有低容量(5_20kW)的燃料電池發電機(UPS)通常被設計用于備份應用，其使用PEM-型(質子交換膜)燃料電池作為基礎，這種燃料電池中使用氫氣作為燃料。換言之，這些系統工作在操作性“休眠(lethargy)”的接近恒定狀態(待機狀態)下，但能容易地在非常短的時間內被激活，并處于安全和可靠的狀況下，從而如果發生緊急情況可以確保滿足負載的電力需求。
由于至少在原則上不需要持續和/或經常使用這些發電機，因此安裝諸如液態氫蒸發系統(其中以冷凍溫度(cryogenic temperature)存儲氫氣)等用于存儲及供應氫氣的復雜系統是不符合成本效益的。另外，本領域中最常使用的用于存儲和供應的最簡單的系統(其中氫氣是從多組高壓氣瓶中獲取的)會引起常常被低估的安全問題，并且這些問題又關系到系統的安裝、管理和維護。為了消除這些缺陷，將發電機的燃料電池堆在結構上連接到并且在功能上耦接到用于生成氣態燃料的現場裝置的操作實踐在本領域中日漸興起。尤其是，在電池使用氫氣作為燃料的場合，已知包括用于產生氫氣的電解器的燃料電池發電機。這種發電機的典型配置如圖I所示。圖I示意性地示出用于固定使用且容量低的燃料電池發電機1，其包括電解器2，該電解器2被配置為接收電力及水并將水轉化為它的兩種組分氫氣和氧氣。該發電機還包括罐(tank) 3、4,其中存儲有由電解器2產生的氫氣和氧氣。發電機I包括燃料電池堆5，在使用中從罐3、4取得的氫氣流和氧氣流各自被供應至該燃料電池堆5。由于堆疊形成電池堆5的多個燃料電池需要工作在用于它們正確運行的最佳溫度范圍內，因此優選在使用時將電池堆5保持在基本恒定的溫度下(通常在40°C到80°C的范圍內)。為此，發電機I包括用于發散在燃料電池中發生的氧化反應所產生熱量的裝置
10。典型地，這些散熱裝置10由一個或多個適當布置的風扇VI、V2構成。因此，當發電機I被激活以滿足負載6的用電需求時，發電機I消耗預先存儲在罐
3、4中的氫氣和氧氣，而這些罐3、4可在例如發電機I回到待機狀況時由電解器2再充填。對于電解器2也存在最佳的運行溫度范圍，其為從大約40°C到大約80°C。然而，在啟動時以及在運行的第一分鐘期間，電解器2被迫工作在環境溫度(即，遠低于最佳溫度范圍)下。考慮到發電機I的新的介入，這大大降低了它的效率以及氫氣和氧氣輸出，不利于電解作用所耗費的電力消耗量，并且不理想地增加了恢復罐3、4中的氫氣和氧氣含量所需的時間。因此，在本技術中，需要提供一種屬于包括用于生成氣態燃料的現場裝置的類型的燃料電池發電機，以便特別是在其冷啟動階段能夠最優化上述裝置的運行狀況。
在本領域中，還需要提供一種屬于包括有用于生成氣體燃料的現場裝置的類型的燃料電池發電機，其能夠降低能量損耗并且能夠提高生成反應物并隨后將這些反應物的化學能轉化為電力的現場處理的整體效率。例如，US6660417提出為燃料電池發電機配備一種用于將燃料電池在生成電力時產生(develop)的熱傳遞至電解器的設備。更具體而言,US6660417中提及一種針對第一時段(三個小時)和第二時段(八個小時)所提供的配置，在第一時段期間發電機用于生成要提供給負載的電力，在第二時段期間將電力提供給電解器以生成氫氣。US6660417進一步提出在第一時段期間將通過流經燃料電池的冷卻回路而加熱的水傳送至一儲存罐(storage tank)。在第二時段期間，US6660417提出隨后將該儲存罐中收集的加熱后的水傳送至電解器。更具體而言，在第一實施例中，加熱后的水用來交予(yield)熱量給電解器。在第二實施例中，加熱后的水代之以直接提供給電解器并經受電解處理。然而，US6660417的解決方案具有一些缺陷。首先，應注意到，在第一時段期間移除燃料電池中產生的過多熱量所需要的水量通常非常多，并且相應地需要非常大的罐來存儲這些水，從而不利于系統的整體緊湊性。例如，為了在3小時中處理約IkW量級的過多熱量，假定水從25°C被帶到55°C，則需要大約86L體積的水。由此該系統應包括一適于容納至少大約90L-100L的水量的儲存罐。這方面是特別不理想的，對于燃料電池發電機是作為替代主電源(例如輸電干線)的電源的備份應用來說尤其如此，而且因為這種發電機僅在緊急情況下被激活，因此優選是一種可便利地布置在用于其他活動(生產、存儲等等)的空間之內的輔助組件。另外，罐的設計尺寸直接取決于燃料電池發電機和電解器各自的開/關時段的具體持續時間。因此，這種系統不是很適于備份應用，在備份應用中發電機和電解器二者各自的開/關時段的持續時間不能提前單一地估計出來，并且一天中發電機介入的次數及由此而來的開/關時段本質上是不可預測的。罐的設計容積事實上并不能適用于實際的運行狀況。此外，值得注意的是，正如US6660417所提出的，在燃料電池運行期間，系統中積累了相當大的熱量，這些熱量直到電解器的下一激活時段才能實質上被發散或交予。這種狀況對于除了發電機之外還包括其他需要持續冷卻的組件(例如控制系統的電子組件等等)的緊湊系統而言是特別不理想的。事實上，系統中所存儲的如此大量的熱的存在使得其他局部性產生的熱流的有效發散特別困難。最后，值得考慮的是，如果在可逆的條件下進行，則電解處理在理論上是吸熱性的。具體而言，向電解器提供熱量的需要在相對啟動期間是實實在在并且十分可觀的。然而，由于在實踐中實際過程往往是高度不可逆性的，進而受制于極化現象，因此通常會發生這樣的情況，其中電解器需要持續地向環境交予熱量，以便保持在所需的滿載運行溫度下。US6660417所提出的配置在對應工作時段的整個持續時間期間反而會強制向電解器傳遞熱量
發明內容
因而本發明的目的在于提供一種屬于包括有用于生成氣態燃料的現場裝置的類型的燃料電池發電機，其能夠簡便且有成本效益地克服已知技術方案的有關缺陷。具體而言，本發明的目的在于提供一種屬于包括有用于生成氣體燃料的現場裝置的類型的燃料電池發電機，其特別用于備份應用，能夠滿足前述系統的能量和管理需求，同時保證能夠限縮系統的整體尺寸，并且在各種裝置的啟動階段和相應的滿載(full-capacity)運行階段期間都能夠合理地管理有關的熱流。這兩個階段的實際特征在于因其性質(nature )而相互不同的處理條件和需求。本發明涉及一種如權利要求I所限定的 燃料電池發電機，其實現了前述目的。


為了更好地理解本發明，現在將參照附圖在下文以僅非限制性示例的方式對優選實施例加以說明，這些附圖中圖I示意性地示出根據現有技術的燃料電池發電機；以及圖2示意性地示出根據本發明的燃料電池發電機。
具體實施例方式在圖2中，標號I表示根據本發明的燃料電池發電機的整體。發電機I包括堆疊形成電池堆(stack) 5的多個燃料電池，該電池堆5流體性地(fluidically)連接至罐3、4，在使用中該電池堆5從罐3、4分別接收純凈的或者氣態混合的氣體燃料流和氧化氣體流，以產生要提供給負載6的電力。發電機I還包括現場裝置2，用于生成要提供給電池堆5的氣體燃料。在所示的示例中，用于生成氣體燃料的裝置2包括電解器，該電解器被配置以接收電力及水并將水轉化成其兩種組分氫氣和氧氣，它們分別被存儲在罐3、4中。由此，發電機I使用氫氣作為氣體燃料并使用氧氣作為氧化氣體。發電機I有利地包括用于冷卻電池堆5的液壓回路7，在該液壓回路7內循環著載熱流體(例如水)以便從電池堆5移除由氧化反應所局部產生的至少部分熱量。另外，發電機I包括用于加熱電解器2的液壓回路8，該液壓回路8內循環著載熱流體(例如水)以便向電解器2提供用于將其溫度維持在最佳運行范圍內所需的至少部分熱量。為此，發電機I還有利地包括熱交換器9，液壓回路7、8在該熱交換器9處液壓率禹合(hydraulically coupled),因此在電池堆5和電解器2之間實現了熱整合(thermalintegration)。換言之，電池堆5內由氧化反應所產生的過多熱量至少部分被移除并便利地傳遞給電解器2。更具體而言，如果發電機I是一種針對備份應用所設計的發電機，即，其在萬一發生緊急情況(例如停電)時為了滿足負載6的電源需求而被激活，如果緊急情況相對較短(例如約為10分鐘量級)，則借助載熱流體(水)可觀的熱容量，由熱交換器9在液壓回路7和8之間所交換的熱量基本上就足以處理電池堆5內由氧化反應所產生的過多熱量，也即足以將電池堆5維持在最佳運行溫度范圍內。上述被移除的熱量被便利地傳遞至電解器2，由此電解器2有利地維持在自身的最佳運行溫度范圍內。另外，發電機I優選包括用于發散由電池堆5內發生的氧化反應所產生的熱量的裝置10，其例如包括一個或多個適當布置的風扇VI、V2。具體而言，第二散熱裝置10在緊急情況(即發電機I的活動時段)持續了相對較長的時間(例如超過10分鐘的停電)時被激活，以將電池堆5內由氧化反應所產生的過多熱量部分發散且部分傳遞至液壓回路8，進而傳遞至電解器2，使電解器2有利地維持在自身的最佳運行溫度范圍內。發電機I優選包括控制單元(未示出)，該控制單元被編程以管理液壓回路7和8以及熱交換器9，以便將電解器維持在最佳運行溫度范圍內。具體而言，該控制單元與用于檢測并傳送電池堆5和電解器2中溫度值的裝置連接，并與液壓回路7和8中的載熱流體流的各自的截止裝置連接。更具體而言，控制單元被編程以調節液壓回路7和8中的載熱流體流，也因此調節熱交換器9中熱交換的效率和量，以便有效地將熱量從電池堆5傳遞給電解器2，并將這二 者的溫度維持在各自的最佳運行溫度范圍內。而且，控制單元連接至散熱裝置10，并在檢測到電池堆5的溫度超過預設閾值時激活該散熱裝置10。考慮到有關的熱流，這種情況通常在發電機I (即電池堆5)用來產生要提供給負載6的電力的運行時段大于10分鐘(延長的停電)時發生。在使用中，當發電機I被激活以給電負載供電時，氫氣流和氧氣流分別從罐3、4被送到電池堆5。電池堆5中發生的氧化反應產生出熱量，這些熱量至少部分地由液壓回路7內循環的載熱流體流而移除。在熱交換器9處，上述熱量被交予液壓回路8內循環的載熱流體流，進而被交予電解器2，電解器2由此得以維持在用于其運行的最佳溫度范圍內。如果發電機I (即電池堆5)產生電力的活動時段相對較短(例如大約10分鐘的量級)，則憑借載熱流體(水)的顯著的熱容量，由熱交換器9在液壓回路7和8之間所進行的熱交換的量自身就基本足以處理電池堆5內由氧化反應所產生的過多熱量，由此將電池堆5維持在最佳運行溫度范圍內。這里所移除的熱量被便利地傳遞給電解器2，電解器2由此得以有利地維持在自身的最佳運行溫度范圍內。如果發電機I (即電池堆5)長期活動以產生電力，則第二散熱裝置10也被激活以使電池堆5內由氧化反應所產生的過多熱量可以部分發散并且部分傳遞給液壓回路8，由此傳遞給電解器2。因而，電池堆5和電解器2兩者都得以有利地維持在各自的最佳運行溫度范圍內。當發電機I例如一旦停電(其決定發電機的激活以向電負載供電)已經結束而被設置為待機時，電解器2因此處于理想溫度下而被激活以從水產生氫氣和氧氣，以便考慮到發電機I接下來的介入而恢復罐3、4的存儲量(content)。因而，發電機I的熱整合及效率大大提高。具體而言，電池堆5中由氧化反應所產生的熱能量不再被發散(除非在發電機I的活動時段超出閾值時間(例如大約10分鐘的量級)時才部分發散)，而是有利地被重新利用(recover)在發電機2自身之內，更具體而言是被傳遞給電解器2。因此，系統的高的熱整合效率與將電解器2維持在最佳運行溫度范圍內的優點得
以結合。在緊急情況結束時，S卩，當電池堆5的活動中斷而電解器2開始恢復罐3、4的存儲量時，電解器2將立刻運行在與其最大效率和輸出相應的條件下，因而消除了與上述傳統配置有關的低效過渡。由于通過提高熱整合度而降低了能量損耗并且由于提升了發電機I的多個最精密的(delicate)組件在最大效率條件下的運行，所以反應物的所有生成/消耗過程的整體效率得以有利地提聞。此外，至少在發電機的活動時段未超出給定的閾值時間時，散熱裝置10不再需要被激活，因為在熱交換器9處所進行的熱交換的量就足以處理電池堆5內所產生的過多熱量，從而使得與發電機I的輔助組件相關的消耗大大減小，同時可觀地減小了這些組件自身的噪音及磨損。有利地是，由于通過載熱流體移除熱量而控制了電池堆5的溫度，尤其是在使用了諸如水等具有高熱慣性的載熱流體時，溫度控制更加有效和精確。此外，由于通過兩個不同的回路7和8在電池堆5與電解器2之間進行熱耦合，而無需加入載熱流體儲存罐，因此可容易地限縮發電機I的整體尺寸和體積，同時確保處理中的熱交換管理令人滿意。本發明所確保的能夠限縮發電機I的整體尺寸對于進一步將發電機I與其他可能的輔助組件集成在單個系統內的預期也是有利的，因為有更多的空間可用于引入這些組件。另外，如果這些輔助組件也要進行冷卻，則根據本發明的發電機I所確保的熱整合從整體散熱的綜合管理角度來看也是有利的。
最終顯而易見的是，這里描述及闡釋的系統可加以修改及變型，而不脫離所附權利要求書的保護范圍。
權利要求
1.ー種包括多個燃料電池的發電機(I)，所述多個燃料電池堆疊成電池堆(5)并被配置以給電負載(6)供電，所述發電機(I)包括用于生成要供應給所述電池堆(5)的氣體燃料的裝置(2)，以及用于至少部分地移除所述電池堆(5)中由于所述氣體燃料的消耗而生成的熱流的移除裝置(7，10);所述發電機(I)包括被配置以將用于生成氣體燃料的裝置(2)維持在預定溫度范圍內的加熱裝置(8，9)，并包括用于將所述電池堆(5)中生成的熱流的被移除部分至少部分地從所述移除裝置(7)傳遞到所述用于生成氣體燃料的裝置(2)的裝置(9);其特征在于，用于至少部分地移除所述電池堆(5)中生成的熱流的所述移除裝置(7)包括與所述電池堆(5)熱耦合的、供第一載熱流體流穿過的第一液壓回路；并且，所述加熱裝置(8，9)包括與所述用于生成氣體燃料的裝置(2)熱耦合并供第二載熱流體流穿過的第二液壓回路(8)。
2.根據權利要求I所述的發電機，其中用于至少部分地傳遞所述電池堆(5)中生成的熱流的被移除部分的裝置(9)包括熱交換器。
3.根據權利要求I或2所述的發電機，其中所述氣體燃料為氫氣，并且所述用于生成氣體燃料的裝置(2)包括電解器，該電解器被配置以接收水和電カ并生成氫氣和氧氣。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的發電機，其中用于至少部分地移除所述電池堆(5)中生成的熱流的移除裝置(7，10)包括散熱裝置(10)。
5.根據權利要求I至4中任ー項所述的發電機，包括控制單元，該控制単元被編程以管理所述移除裝置(7，10)和所述加熱裝置(8，9)，以便將所述用于生成氣體燃料的裝置(2)維持在所述預定溫度范圍內。
6.一種用于管理具有多個燃料電池的發電機的方法，所述多個燃料電池堆疊成電池堆(5)并被配置以給電負載(6)供電，所述發電機包括用于生成要供應給所述電池堆(5)的氣體燃料的裝置(2)，以及用于至少部分地移除所述電池堆(5)中由于所述氣體燃料的消耗而生成的熱流的移除裝置(7，10);所述方法包括以下步驟 a)向所述電池堆(5)供應氣體燃料流以生成所述電負載(6)所需的電力； b)通過第一載熱流體流至少部分地移除所述電池堆(5)中由于所述氣體燃料的消耗而生成的熱流； c)通過第二載熱流體流，將所述電池堆(5)中生成的熱流的被移除部分至少部分地傳遞到用于生成氣體燃料的裝置(2)，以便將所述用于生成氣體燃料的裝置(2)維持在預定溫度范圍內，所述第一載熱流體流和第二載熱流體流熱耦合且實質上分開。
7.根據權利要求6所述的方法，包括通過在所述用于生成氣體燃料的裝置(2)中進行的電解作用過程而生成所述氣體燃料的步驟，其中所述預定溫度范圍為從40°C至80°C。
8.根據權利要求6或7所述的方法，包括將所述電池堆(5)維持在40°C至80°C的溫度的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種包括多個燃料電池的發電機(1)，所述多個燃料電池堆疊成電池堆(5)并被配置以給電負載(6)供電，所述發電機(1)包括用于生成要供應給所述電池堆(5)的氣體燃料的裝置(2)，以及用于至少部分地移除所述電池堆(5)中由于所述氣體燃料的消耗而生成的熱流的移除裝置(7、10)；其特征在于，所述發電機(1)包括被配置以將所述用于生成氣體燃料的裝置(2)維持在預設溫度范圍內的加熱裝置(8、9)，并包括用于將所述電池堆(5)中生成的熱流的被移除部分至少部分地從所述移除裝置(7)傳遞到所述用于生成氣體燃料的裝置(2)的裝置(9)。
文檔編號H01M8/04GK102859773SQ201180014298
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月15日 優先權日2010年3月15日
發明者皮耶爾保羅·凱爾基, 朱塞佩·賈諾利奧, 克里斯蒂娜·普拉拉, 盧卡·巴爾迪尼, 西蒙娜·西爾溫尼 申請人:依萊克托電能系統股份有限公司