[發(fā)明專利]具有改進(jìn)的熱管理的燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280025662.3
• 申請日: 2012-05-24
• 公開（公告）號: CN103620844A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴爾芬·卓豪特;皮埃爾·尼維隆
• 申請（專利權(quán)）人: 原子能和替代能源委員會
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/24;H01M8/02
• 代理公司: 北京派特恩知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11270
• 代理人: 張穎玲;胡春光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有改進(jìn)的熱管理的燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池被供應(yīng)有燃料氣體（例如，在質(zhì)子交換膜燃料氣體（PEMFC）型電池情況中的氫氣以及例如空氣或氧氣的氧化性氣體）以釋放電力。

燃料電池的運(yùn)行也導(dǎo)致產(chǎn)生熱能。

燃料電池包括一堆電化學(xué)電池，每個電池包括一個陽極和一個陰極。這些電池通過拉桿連接的端板而保持彼此壓靠。

回路被提供用于供應(yīng)電池中的反應(yīng)氣體。另一方面，由于所使用的材料的本質(zhì)性質(zhì)，燃料電池的電化學(xué)效率依賴于電池內(nèi)的溫度。因此，應(yīng)當(dāng)監(jiān)測該溫度以使其不超過80℃，從而獲得盡可能最高的效率。事實(shí)上，如果運(yùn)行溫度過低時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)燃料電池的最佳運(yùn)行效率；并且如果燃料電池經(jīng)受過高的溫度上升，可能損壞制成燃料電池的材料。最佳溫度范圍為65℃至75℃。

如前所述，燃料電池在其運(yùn)行期間產(chǎn)生熱。一般來說，該熱應(yīng)當(dāng)被去除以限制燃料電池內(nèi)的溫度上升。為此，熱管理回路被提供用來使冷卻劑流經(jīng)電池。該回路包括穿過電池堆棧的第一部分（被稱為內(nèi)回路）以及堆棧外部的部分（被稱為外回路）。控制冷卻劑的流量（flow?rate）和溫度。外回路包括兩個子回路，一個子回路提供有熱交換器以冷卻該冷卻劑，以及一個子回路將冷卻劑帶回到內(nèi)回路的入口中，在內(nèi)回路中，冷卻劑不會且難以被冷卻。

當(dāng)冷卻劑的溫度高于給定閾值時(shí)，所有的冷卻劑或部分的冷卻劑被送入提供有熱交換器的子回路中以通過穿過熱交換器而被冷卻。

為了管理燃料電池的溫度，閥被直接置入在每個電池的出口處，并且根據(jù)冷卻劑溫度的函數(shù)被控制。在PEMFC燃料電池的情況下：當(dāng)流體具有高于75℃的溫度時(shí)，整個流體被導(dǎo)向包括熱交換器的第一冷卻子回路。當(dāng)流體到達(dá)65℃和75℃之間的溫度時(shí)，部分的該流體被偏離到直接將冷卻劑帶回至內(nèi)回路的入口的第二子回路以及提供有熱交換器的第一短回路，溫度接近65℃，該短回路的分?jǐn)?shù)變大。對于流體的溫度低于65℃的情況，全部流量被短回路直接導(dǎo)向堆棧的入口。

在具有高電功率（幾十千瓦的數(shù)量級）的電池中，制成并聯(lián)液壓連接的雙極板的幾個堆棧，以限制整體高度空間并且限制冷卻劑、氧化劑和燃料流體的分布中的壓頭損失，并且降低電池的電壓水平。

在至少包括并聯(lián)供應(yīng)有冷卻劑的第一堆棧和第二堆棧的電池的情況下，每個堆棧被裝備有閥以控制其溫度，如果第一堆棧比第二堆棧更快速地升溫，閥向提供有熱交換器的第一冷卻子回路打開。但是壓頭損失由于通過熱交換器而增加。因此，第一堆棧中的冷卻劑的流量降低，這將減少從第一堆棧中去除的熱。然而，由于通過泵提供的總流量保持相同，第二冷卻劑的流量增加，這將導(dǎo)致在第二個堆棧中熱交換的增加，并且因此降低了第二堆棧的溫度。第一堆棧（起始時(shí)是熱的）進(jìn)一步加熱和第二堆棧（起始時(shí)是較冷的）被進(jìn)一步冷卻。然后，這就產(chǎn)生了兩個堆棧之間熱不平衡的加劇，這可能會危及最熱堆棧的電化學(xué)隔膜（membrane）的完整性。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池，所述燃料電池包括至少兩個電池的堆棧，其中，避免或至少減少堆棧之間的熱不平衡。

通過燃料電池來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，該燃料電池包括：至少兩個電池的堆棧和熱管理系統(tǒng)，所述熱管理系統(tǒng)包括內(nèi)回路和外回路，所述內(nèi)回路用于使冷卻劑流入堆棧，所述外回路由第一子回路和第二子回路形成，所述第一子回路提供有熱交換器，所述第二子回路直接將冷卻劑帶回至冷卻劑回路穿過的內(nèi)回路的入口；以及閥，所述閥位于所述內(nèi)子回路的出口處，并且控制在任意一個外子回路或兩個外子回路中的冷卻劑的流動。所述電池還包括用于確保兩個外子回路之間的壓頭損失（head?loss）相近或相等的構(gòu)件。

在本申請中“壓頭損失相近或相等”的意思是關(guān)于壓頭損失目標(biāo)值的偏離至多為20%，這能夠有效地避免兩個堆棧之間的不平衡。

有利地，在第二外子回路壓頭損失增加。為此，在第二子回路中的流動變差，然而，令人驚訝地，該惡化的流對電池的總體操作具有有利的影響。

優(yōu)選地，用于增加該壓頭損失的構(gòu)件被提供在連接至第二外子回路的閥中。例如，其為降低了冷卻劑流動橫截面的膜（diaphragm）。

非常有利的是，該閥是溫控閥，這就簡化了電池的熱管理。

還非常有利的是，堆棧的每個閥被定位在堆棧的一個端板中，這將能夠降低電池的軸向整體空間。