[發明專利]組裝有換熱器的液冷式燃料電池

無效

• 申請號: 00802482.0
• 申請日: 2000-01-03
• 公開（公告）號: CN1341284A
• 公開（公告）日: 2002-03-20
• 發明（設計）人: 里特馬·馮赫爾莫爾特;彼得·巴克納
• 申請（專利權）人: 西門子公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;B60L11/18
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 侯宇

本發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線路和連接在它們之間的換熱器。

在初級冷卻循環線路中電池被冷卻，以及在次級冷卻循環線路中，初級冷卻循環線路中的冷卻劑再生。對燃料電池初級冷卻循環線路中的冷卻劑提出了特別高的純凈度要求，因為它部分與燃料電池載電流的構件電接觸，而且為了避免短路，一般而言只允許很小的導電能力。例如作為冷卻劑經常使用蒸餾水或純酒精。為了達到冷卻劑低的電導率，初級冷卻循環必須由選擇的和昂貴的結構材料構成。

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線路之間連接一換熱器。

在移動使用燃料電池時還出現這樣的問題，即，兩個冷卻循環必須借助于連接在它們之間的換熱器構成，因為鑒于對在初級循環內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。初級冷卻循環必須根據在汽車中應用(移動應用)這一特點在結構上采取防凍措施，反之，在次級冷卻循環線路的冷卻劑內允許含有防凍劑。

在已知的液冷式燃料電池設計中存在的缺點是，初級冷卻循環通過外部管路，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，這尤其在汽車上應用時是不利的，而且不必要地增加了上述燃料電池設備的體積和重量。

因此本發明的目的是創造一種液冷式燃料電池的結構，其中使初級冷卻循環的尺寸減小到最低程度，由此降低此設備的成本，減輕重量和減小體積。

本發明的對象是一種具有初級和次級冷卻循環線路的液冷式燃料電池，其中組合一換熱器，使初級冷卻循環從燃料電池堆(Brennstoffzellenstapel)到換熱器的管路基本上位于燃料電池內部。

此外，本發明的對象還包括一種運行一種具有初級和次級冷卻循環線路的燃料電池的方法，其中，初級冷卻循環基本上在電池內部進行，初級冷卻循環已用過被加熱的冷卻劑在一個組合在燃料電池內的換熱器中再生。

按本發明的設計，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，當然它必須涉及一種熱導率高的材料，不危及初級冷卻劑的純凈度，以及同時能耐次級冷卻循環的冷卻劑。優選地使用金屬，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。

按本發明另一項設計，初級冷卻循環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內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過外部管路時造成的熱損失。系統的全部廢熱因而在換熱器內交給次級冷卻循環的冷卻劑。

在這里，“燃料電池”指的是整個機組，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、組合在一起的換熱器、次級冷卻循環的接頭以及端板。在電池內同樣可設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通道和必要時冷卻元件在內的堆疊。

初級冷卻循環的冷卻劑關鍵主要在于其應盡可能小的電導率。優選地使用蒸餾水和/或純酒精。次級冷卻循環的冷卻劑可以是任意一種加有任意添加劑的液態冷卻介質。

換熱器可以不同方式與燃料電池堆連接。按照本發明的一種優選的設計，為了構成燃料電池，燃料電池堆和換熱器裝在一共同的支架上。

下面借助于優選的實施例進一步說明本發明，附圖中：

圖1為燃料電池另一種優選實施形式的示意橫截面圖；以及

圖2至4為按照本發明方法優選設計的線路簡圖。

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。在堆的一側有端板5，在另一側有換熱器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裝入燃料電池堆內實現，為此，換熱器3與燃料電池單元4完全一樣地被堆疊。在這種實施形式中，換熱器3可簡單地通過在燃料電池堆內插入至少一塊附加的板實現。于是在板的一側流過初級冷卻循環線路的冷卻劑，而在另一側流過次級冷卻循環線路的冷卻劑。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5一起壓緊實現。