專利名稱:組裝有換熱器的液冷式燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用液體冷卻的燃料電池,它有一個初級和一個次級冷卻循環(huán)線路和連接在它們之間的換熱器。
在初級冷卻循環(huán)線路中電池被冷卻,以及在次級冷卻循環(huán)線路中,初級冷卻循環(huán)線路中的冷卻劑再生。對燃料電池初級冷卻循環(huán)線路中的冷卻劑提出了特別高的純凈度要求,因?yàn)樗糠峙c燃料電池載電流的構(gòu)件電接觸,而且為了避免短路,一般而言只允許很小的導(dǎo)電能力。例如作為冷卻劑經(jīng)常使用蒸餾水或純酒精。為了達(dá)到冷卻劑低的電導(dǎo)率,初級冷卻循環(huán)必須由選擇的和昂貴的結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成。
由DE 19608738已知一種PEM燃料電池,其中來自電池的廢熱被利用來加熱。由于在燃料電池內(nèi)所要求的冷卻劑純凈度,所以來自電池的廢熱不能直接借助熱水輸出,而是在初級與次級冷卻循環(huán)線路之間連接一換熱器。
在移動使用燃料電池時還出現(xiàn)這樣的問題,即,兩個冷卻循環(huán)必須借助于連接在它們之間的換熱器構(gòu)成,因?yàn)殍b于對在初級循環(huán)內(nèi)冷卻劑所要求的純凈度因而在那里不允許含有如防凍劑那樣的添加劑。初級冷卻循環(huán)必須根據(jù)在汽車中應(yīng)用(移動應(yīng)用)這一特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上采取防凍措施,反之,在次級冷卻循環(huán)線路的冷卻劑內(nèi)允許含有防凍劑。
在已知的液冷式燃料電池設(shè)計中存在的缺點(diǎn)是,初級冷卻循環(huán)通過外部管路,亦即通過從燃料電池引出的管路,與一個在外面的換熱器連接。因此,不僅需要消耗用于初級冷卻循環(huán)管路的昂貴的材料,而且還有大的空間需求,這尤其在汽車上應(yīng)用時是不利的,而且不必要地增加了上述燃料電池設(shè)備的體積和重量。
因此本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種液冷式燃料電池的結(jié)構(gòu),其中使初級冷卻循環(huán)的尺寸減小到最低程度,由此降低此設(shè)備的成本,減輕重量和減小體積。
本發(fā)明的對象是一種具有初級和次級冷卻循環(huán)線路的液冷式燃料電池,其中組合一換熱器,使初級冷卻循環(huán)從燃料電池堆(Brennstoffzellenstapel)到換熱器的管路基本上位于燃料電池內(nèi)部。
此外,本發(fā)明的對象還包括一種運(yùn)行一種具有初級和次級冷卻循環(huán)線路的燃料電池的方法,其中,初級冷卻循環(huán)基本上在電池內(nèi)部進(jìn)行,初級冷卻循環(huán)已用過被加熱的冷卻劑在一個組合在燃料電池內(nèi)的換熱器中再生。
按本發(fā)明的設(shè)計,換熱器是一種板式換熱器,它的板在尺寸上與電池的燃料電池堆的燃料電池單元相近,并簡單地堆疊在燃料電池單元上。
換熱器可以由金屬、合金、塑料或陶瓷制成,當(dāng)然它必須涉及一種熱導(dǎo)率高的材料,不危及初級冷卻劑的純凈度,以及同時能耐次級冷卻循環(huán)的冷卻劑。優(yōu)選地使用金屬,例如不銹鋼,它還可以在一個或兩個表面上受到附加的處理。
按本發(fā)明另一項(xiàng)設(shè)計,初級冷卻循環(huán)用的冷卻劑泵通過法蘭連接在其中一塊電池端板上,從而在初級冷卻循環(huán)內(nèi)完全避免了外部管路。由此還杜絕了用過的初級冷卻劑要不然經(jīng)過外部管路時造成的熱損失。系統(tǒng)的全部廢熱因而在換熱器內(nèi)交給次級冷卻循環(huán)的冷卻劑。
在這里,“燃料電池”指的是整個機(jī)組,它包括具有燃料電池單元和必要時存在的冷卻元件的燃料電池堆、初級冷卻循環(huán)、組合在一起的換熱器、次級冷卻循環(huán)的接頭以及端板。在電池內(nèi)同樣可設(shè)組合在一起的氣體潤濕器。
“燃料電池堆”則只是指電池的核心部分,即,由燃料電池單元組成的包括供應(yīng)通道和必要時冷卻元件在內(nèi)的堆疊。
初級冷卻循環(huán)的冷卻劑關(guān)鍵主要在于其應(yīng)盡可能小的電導(dǎo)率。優(yōu)選地使用蒸餾水和/或純酒精。次級冷卻循環(huán)的冷卻劑可以是任意一種加有任意添加劑的液態(tài)冷卻介質(zhì)。
換熱器可以不同方式與燃料電池堆連接。按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計,為了構(gòu)成燃料電池,燃料電池堆和換熱器裝在一共同的支架上。
下面借助于優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明,附圖中
圖1為燃料電池另一種優(yōu)選實(shí)施形式的示意橫截面圖;以及圖2至4為按照本發(fā)明方法優(yōu)選設(shè)計的線路簡圖。
圖1示出一個燃料電池堆,它包括帶有冷卻元件的一個個燃料電池單元4。在堆的一側(cè)有端板5,在另一側(cè)有換熱器3。在這里,換熱器3與燃料電池單元4的連接通過將換熱器3裝入燃料電池堆內(nèi)實(shí)現(xiàn),為此,換熱器3與燃料電池單元4完全一樣地被堆疊。在這種實(shí)施形式中,換熱器3可簡單地通過在燃料電池堆內(nèi)插入至少一塊附加的板實(shí)現(xiàn)。于是在板的一側(cè)流過初級冷卻循環(huán)線路的冷卻劑,而在另一側(cè)流過次級冷卻循環(huán)線路的冷卻劑。但換熱器3也可以包括多塊單板,它們可全都連接在燃料電池堆上,或也可以裝在燃料電池堆的燃料電池單元4之間。
換熱器3和燃料電池單元4的固定,通過將由燃料電池單元4和換熱器3組成的組合堆疊與公共的端板5一起壓緊實(shí)現(xiàn)。
按另一種優(yōu)選的實(shí)施形式,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的換熱器可優(yōu)選地在燃料電池堆的端板5上與燃料電池堆通過螺釘,或通過壓緊或粘結(jié),連接成一個帶有組合在內(nèi)的換熱器的電池。
此組合在內(nèi)的換熱器優(yōu)選地與燃料電池堆共同避免熱損失和/或防凍。
在圖1中,初級冷卻循環(huán)的冷卻劑泵1通過法蘭連接在與換熱器3鄰接的端板5上。
端板5有外部管道的進(jìn)口和出口2、6和7。這些進(jìn)、出口是次級冷卻循環(huán)和燃料供應(yīng)以及氧化劑供應(yīng)的接頭。
圖2表示按本發(fā)明方法的一種實(shí)施形式的線路簡圖。通過管道6和7向堆4供燃料和氧化劑。來自堆4的廢熱,通過借助冷卻劑泵1運(yùn)行的初級冷卻循環(huán)線路8,被輸出到組合在燃料電池內(nèi)的換熱器3中。在換熱器3上連接次級冷卻循環(huán)線路9。
對于此方案無關(guān)緊要的是,在燃料電池單元之間是否存在冷卻元件,或燃料電池單元的冷卻是否首先通過固體內(nèi)熱傳導(dǎo)到外部區(qū)然后才將廢熱傳遞給冷卻劑。為了在燃料電池內(nèi)進(jìn)行冷卻劑循環(huán),軸向通道(在示意圖中沒有表示)通常都是存在的,它可以擴(kuò)展成,使由初級冷卻循環(huán)供應(yīng)的換熱器3也由這些軸向通道供應(yīng)。在這里,軸向意味著垂直于一個燃料電池單元的隔膜方向、亦即沿堆疊方向。
作為替換形式,當(dāng)然也可以設(shè)置用于換熱器部分的自己的供應(yīng)通道,該換熱器部分與初級冷卻循環(huán)連接。次級冷卻循環(huán)反正必須有自己的和閉合的管道系統(tǒng)。
圖3和4涉及線路簡圖,其中可以看出中間連接有氣體潤濕器11。
通常在帶有組合在一起的換熱器的燃料電池中例如在堆內(nèi)組合用于燃?xì)饣蜓趸瘎┑臍怏w潤濕器。作為替換形式它們也可以裝在外面。此潤濕器的加熱可根據(jù)選擇通過初級或次級冷卻循環(huán)線路實(shí)現(xiàn)。
圖3表示一個組合在內(nèi)的潤濕器11,它通過初級冷卻循環(huán)線路8被加熱。圖3與圖2相比只是增加了潤濕器11和次級冷卻循環(huán)線路的冷卻劑泵10。
圖4除潤濕器11的位置外與圖3一致,在這里潤濕器裝在外面并通過次級冷卻循環(huán)線路9被加熱。
本發(fā)明涉及一種液冷式燃料電池,它具有一個初級和一個次級冷卻循環(huán)線路和連接在它們之間的換熱器。換熱器在結(jié)構(gòu)上組合在電池中,所以其材料和冷卻劑昂貴的初級冷卻循環(huán)完全在電池內(nèi)部進(jìn)行,以及此初級冷卻循環(huán)沒有從電池引出的并因而有熱損失的外部管路。
權(quán)利要求
1.一種液冷式燃料電池,它包括一個初級和一個次級冷卻循環(huán)線路,其中按這樣的方式組合一換熱器,即初級冷卻循環(huán)從燃料電池堆到換熱器的管路處于燃料電池內(nèi)部。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃料電池,其中,所述換熱器是一個板式換熱器。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的燃料電池,其中,用于初級冷卻循環(huán)線路的一個冷卻劑泵通過法蘭裝在電池端板上。
4.一種運(yùn)行具有初級和次級冷卻循環(huán)線路的燃料電池的方法,其中,初級冷卻循環(huán)線路基本上在電池內(nèi)部進(jìn)行,在這種情況下,初級冷卻循環(huán)中已用過的被加熱的冷卻劑在組合在燃料電池內(nèi)的一個換熱器中再生。
5.按照權(quán)利要求4所述的燃料電池,其中,組合在電池中的一個氣體潤濕器通過來自初級冷卻循環(huán)線路的廢熱被加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用液體冷卻的燃料電池,它具有一個初級和一個次級冷卻循環(huán)線路和連接在它們之間的換熱器。換熱器在結(jié)構(gòu)上組合在電池中,從而縮短了初級冷卻循環(huán)線路的長度,并且使得初級冷卻循環(huán)無需配備外部管路,亦即從電池引出的管路。
文檔編號H01M8/10GK1341284SQ00802482
公開日2002年3月20日 申請日期2000年1月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月5日
發(fā)明者里特馬·馮赫爾莫爾特, 彼得·巴克納 申請人:西門子公司