具有改進的熱管理的燃料電池的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池，所述燃料電池包括：兩個電化學電池的堆棧（6、7）；熱管理系統，所述熱管理系統由回路以及外回路形成，所述回路用于使冷卻劑流入平行供給的堆棧，所述外回路用于使所述冷卻劑流至所述堆棧（6、7）的外部，所述外回路（12）包括提供有熱交換器（14）的第一子回路（12.1）和直接連接至所述內回路（10）的第二子回路（12.2）；控制閥（16、17），所述控制閥用于根據在每個堆棧的輸出處的所述冷卻劑的溫度的函數控制所述冷卻劑朝向子回路（12.1、12.2）中任意一個或兩個流動，所述第二外子回路包括增加所述第二外子回路的壓頭損失的構件，從而所述第二外子回路的壓頭損失與所述第一外子回路的壓頭損失相近或相等。
【專利說明】具有改進的熱管理的燃料電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有改進的熱管理的燃料電池。
【背景技術】
[0002]燃料電池被供應有燃料氣體(例如，在質子交換膜燃料氣體(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。
[0003]燃料電池的運行也導致產生熱能。
[0004]燃料電池包括一堆電化學電池，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。
[0005]回路被提供用于供應電池中的反應氣體。另一方面，由于所使用的材料的本質性質，燃料電池的電化學效率依賴于電池內的溫度。因此，應當監測該溫度以使其不超過80°C，從而獲得盡可能最高的效率。事實上，如果運行溫度過低時，不能實現燃料電池的最佳運行效率；并且如果燃料電池經受過高的溫度上升，可能損壞制成燃料電池的材料。最佳溫度范圍為65°C至75°C。
[0006]如前所述，燃料電池在其運行期間產生熱。一般來說，該熱應當被去除以限制燃料電池內的溫度上升。為此，熱管理回路被提供用來使冷卻劑流經電池。該回路包括穿過電池堆棧的第一部分(被稱為內回路)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回路的入口中，在內回路中，冷卻劑不會且難以被冷卻。
[0007]當冷卻劑的溫度高于給定閾值時，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。
[0008]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，并且根據冷卻劑溫度的函數被控制。在PEMFC燃料電池的情況下:當流體具有高于75°C的溫度時，整個流體被導向包括熱交換器的第一冷卻子回路。當流體到達65°C和75°C之間的溫度時，部分的該流體被偏離到直接將冷卻劑帶回至內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°C，該短回路的分數變大。對于流體的溫度低于65°C的情況，全部流量被短回路直接導向堆棧的入口。
[0009]在具有高電功率(幾十千瓦的數量級)的電池中，制成并聯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。
[0010]在至少包括并聯供應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(起始時是熱的)進一步加熱和第二堆棧(起始時是較冷的)被進一步冷卻。然后，這就產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隔膜(membrane)的完整性。

【發明內容】

[0011]因此，本發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。
[0012]通過燃料電池來實現本發明的目的，該燃料電池包括:至少兩個電池的堆棧和熱管理系統，所述熱管理系統包括內回路和外回路，所述內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回路的入口 ；以及閥，所述閥位于所述內子回路的出口處，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)相近或相等的構件。
[0013]在本申請中“壓頭損失相近或相等”的意思是關于壓頭損失目標值的偏離至多為20%,這能夠有效地避免兩個堆棧之間的不平衡。
[0014]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。
[0015]優選地，用于增加該壓頭損失的構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) ο
[0016]非常有利的是，該閥是溫控閥，這就簡化了電池的熱管理。
[0017]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。
[0018]因此，本發明的主題是一種燃料電池，所述燃料電池包括:至少兩個電化學電池的堆棧和端板，所述端板施加緊固力(tightening strain)至電化學電池的堆棧；熱管理系統，所述熱管理由用于使冷卻劑流入每個堆棧的被稱為內回路的回路和用于使所述冷卻劑流至所述堆棧的外部的被稱為外回路的回路，所述外回路包括第一子回路和第二子回路，所述第一子回路提供有熱交換器，所述第二子回路直接連接至所述內回路的入口 ；裝置，所述裝置用于根據在每個堆棧的輸出處的所述冷卻劑的溫度的函數(function)控制所述冷卻劑朝向子回路中任意一個或兩個的流動；所述熱管理系統包括用于確保所述第一外子回路和所述第二外子回路具有相近或相同的壓頭損失的構件。
[0019]優選地，用于產生與由所述第一外子回路中的所述熱交換器產生的壓頭損失相近或相等的壓頭損失的所述構件被提供在所述第二外子回路中。
[0020]優選地，每個堆棧包括用于產生壓頭損失的構件。
[0021]有利地，用于產生壓頭損失的構件被提供在控制裝置中。
[0022]在尤其有利的實例中，用于產生壓頭損失的構件通過形成隔膜的減小的橫截面通道部而形成。所述減小的橫截面通道部與用于將至少一個控制裝置(16)連接至所述第二外子回路的尖端(tip)—體地制成。可替代地，所述減小的橫截面通道部由鉆孔板形成，所述鉆孔板安裝在至少一個控制裝置中。
[0023]有利地，所述控制裝置中的至少一個被集成至端板中。[0024]優選地，所述控制裝置中的至少一個是溫控閥。
[0025]燃料電池例如為PEMFC電池。
[0026]本發明的主題還為一種用于制造根據本發明的燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟:
[0027]a)確定由所述熱交換器產生的壓頭損失；
[0028]b)調整所述第一外子回路和/或所述第二外子回路以使得兩個子回路中的壓頭損失相近或相同。
[0029]步驟b)包括選擇待被引入所述第二子回路的構件，以產生與所述熱交換器產生的壓頭損失相近或相同的壓頭損失的子步驟。例如，在步驟b)期間，確定隔膜的尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過以下描述和所附附圖將更好地理解本發明，其中:
[0031]圖1為根據本發明的電池的示意代表圖，其中表示了用于冷卻劑流動的回路；
[0032]圖2A和2B為能夠在兩種不同狀態中在本發明的電池中安裝的溫控閥的實施例的截面圖；
[0033]圖3為可安裝在本發明的電池中的溫控閥的另一示例性實施例的截面圖。【具體實施方式】
[0034]在圖1，可以看到裝配有熱控制系統4的燃料電池2的示意代表圖。
[0035]燃料電池2包括由交替地提供的雙極板和離子交換膜構成的兩個電化學電池的堆棧6、7和在堆棧的兩側(either side)上的下游端板8和上游端板9。
[0036]端板8、9在堆棧6、7上施加壓縮力(compressive strain)以確保電傳導均勻分布在構成該電池的元件的整個表面上。在所示實例中，該電池包括兩個堆棧共用的上游端板，但兩個堆棧可以被分開。下游端板也可被共用的板來代替。
[0037]此外,通過端板8、9中的任意一個或者這兩者制成具有反應流體的電池的供應源，例如一邊為氫氣，另一邊為氧氣。端板(多個端板)包括均連接至堆棧內的回路以及供應回路和回收回路(未示出)的供應孔和排出孔。施加在端板8、9的緊固力還確保了對反應氣體的良好氣密性。
[0038]熱控制系統4包括用于流動冷卻劑的回路，該回路的一部分10允許在堆棧6、7內的流動，該回路的另一部分12允許堆棧6、7外部的流動。
[0039]流動回路穿過端板8、9。
[0040]被稱為內回路的流動回路的堆棧6，7內的一部分10例如直接在電池中制成。
[0041]端板8、9施加的緊固力還確保了對冷卻劑的良好的氣密性。
[0042]流動回路包括一個流泵P以確保冷卻劑流入堆棧以及流到堆棧的外部。
[0043]內回路10包括兩個內子回路10.1、10.2，每個內子回路穿過堆棧，由泵P并行供
5口 ο
[0044]被稱為外回路12的回路的堆棧外部的部分12包括兩個流動子回路12.1,12.2。第一子回路12.1包括熱交換器14，以使冷卻劑與外界環境進行熱交換，例如，放出熱到外部。但可以預期的是，它接收來自外部環境的熱。
[0045]第二子回路12.2被用于允許冷卻劑不經由交換器而流回堆棧。因此，該第二子回路12.2與第一子回路12.1并聯地液壓連接，并使得避免在第一子回路12.1中的流體流動。
[0046]通過控制裝置，例如三通閥16、17實現子回路12.1、12.2中任意一個中的冷卻劑流動。
[0047]第一堆棧通過三通閥16被連接到第一子回路和第二子回路，以及第二堆棧通過三通閥17被連接到第一子回路和第二子回路。
[0048]第二子回路包括兩個堆棧的冷卻劑在其中被混合的共用流動部分18，和將堆棧的每個內回路連接至共用部分18的上游部分20和下游部分22。
[0049]每個控制閥16、17包括連接到外部回路10的出口的入口 16.1、17.1以及連接到子回路12.1、12.2的入口的兩個出口 16.2、16.3、17.2、17.3，并確保全部的或部分的冷卻劑在子回路12.1、12.2的任意一個中的通過。
[0050]該三通閥16、17根據通過堆棧的冷卻劑的溫度的作用(function)被控制。根據冷卻劑的溫度，將在任意一個堆棧中流動的冷卻劑送入第一子回路和/或第二子回路。
[0051]例如，控制閥16、17可為從動于冷卻劑流體的溫度測量的三通閥，所述溫度測量例如通過浸入冷卻劑流體的溫度探頭和控制閥的狀態的電子單元進行。
[0052]尤其有利地，控制閥16、17是溫控閥，通過冷卻劑流體直接控制控制閥16、17的狀態，更具體地，通過冷卻劑流體的溫度而不需要另外的構件(例如電子式構件)來直接控制控制閥16、17的狀態。應當注意的是，溫控閥為包括具有高膨脹系數的元件的閥，該具有高膨脹系數的元件通過減壓或阻塞冷卻劑流體通道口而依賴于環繞其的流體的溫度來膨脹或收縮。在三通閥的具體情況下，具有高膨脹系數的元件或者完全阻塞三通閥中一個通道中，或者部分地阻塞三通閥中兩個通道。除了提高控制閥的可靠性和堅固性外，進一步實現了空間的節省。
[0053]還非常有利地，一個或兩個控制閥16、17被提供在一個或多個下游端板9內。這種集成能夠減小熱控制系統的整體空間。事實上，端板具有大致相同的厚度以確保電池的緊固。
[0054]熱管理回路包括構件24，該構件24確保了第一子回路的壓頭損失與第二子回路的壓頭損失相近或相等。嘗試使兩個子回路的壓頭損失的值盡可能地相近，即使兩個壓頭損失之間關于目標值的偏差等于或低于20%。
[0055]優選地，第二子回路包括構件24，該構件24用于增加第二子回路的壓頭損失，從而使得其壓頭損失與第一外子回路的壓頭損失相近或相等，熱交換器是造成第一外子回路的壓頭損失的主要原因。
[0056]優選地，這些構件可為膜，膜在第二外子回路中Imm或2mm的流動中形成突然變窄緊接著突然變寬的構造，即在具有低厚度的板中制成的圓形孔，具有相對于在其中安裝構件的導管的直徑減小的直徑。膜具有的優勢是:能夠被容易地集成并且其尺寸在流動領域的文獻中是熟知。此外，膜是非常緊湊的。
[0057]通常，在環繞其的壁上增加流體摩擦的任何構件可適合于形成用于增加壓頭損失的構件24。因此，能夠產生壓頭損失的任何構件很可能是合適的，而不管其是否為橫截面變化的(例如節流閥或通道橫截面的突然擴大)，方向的改變(例如盡可能短的彎曲)，或管道太長。[0058]優選地，該通道節流閥直接形成在控制閥的到第二外子回路的出口處，從而簡化電池的制造。
[0059]在圖2A和圖2B中可以看到，溫控閥16的有利的示例性實施例包括這樣的減小的橫截面通道部24。在該實例中，減小的橫截面通道部24形成在于將閥的出口連接到第二外子回路12.2的尖端26的端部。該減小的橫截面與尖端26—體形成。此示例性實施例具有的優勢是:不再需要另一部件，因此，該減小的橫截面的加入不會影響安裝控制閥，以及將其安裝到回路中。
[0060]在圖2A中，溫控閥確保了冷卻劑只流向提供有熱交換器的第一外子回路，密封件32關閉至第一外子回路12.1的通道。然后，該冷卻劑具有的溫度高于給定閾值(例如，在PEMFC型燃料電池情況下，大約75°C )。
[0061]在圖2B中，溫控閥確保了冷卻劑只流向第二外子回路12.2，密封件34關閉至第二子回路的通道。然后，該冷卻劑具有的溫度低于給定閾值(例如，在PEMFC型燃料電池情況下，大約65°C)。
[0062]在圖3中，可以看到另一種示例性的控制閥16’，其中，通過在閥的內部增加鉆孔板28來實現減小的橫截面通道部。例如，墊圈28被引入閥至第二子回路的出口連接器的上游。有利地，鉆孔板28被夾持在閥的主體30和連接尖端26之間，這就允許了相對簡單的支撐。圖3中表示的閥16’處于通過密封件34’密封流向第一外子回路12.1的狀態中。
[0063]確保了控制閥中壓頭損失的構件的布置不受任何方式的限制，可預期的是，它們被提供在第二外子回路的兩個下游部分中，被提供在第二外子回路的兩個上游部分中，一個在堆棧的上游部分中而另一個在另一個堆棧的下游部分中。
[0064]另外，閥中產生壓頭損失的構件對于兩個堆棧并不必須是相同的。
[0065]在圖1中示意性示出的電池中，控制閥被集成在下游端板中，這將能夠降低電池的整體空間。另外，壓頭損失構件直接在閥中制成，這使得整體空間進一步降低。此外，在溫控閥的情況下，電池的熱管理是自動的，特別簡單而且既不需要控制也不需要外部測量。
[0066]現將簡要描述根據本發明的電池的運行。
[0067]在電池的運行期間，冷卻劑流入電池中的兩個堆棧中以從堆棧中提取電池運行所產生的熱。冷卻劑在內回路中流動，并根據在每個堆棧6、7中流動的每個冷卻劑的溫度的函數通過控制閥16、17被導向到第一外子回路12.1和/或第二外子回路12.2。
[0068]例如，如果流出堆棧的冷卻劑的溫度低于65°C，冷卻劑被送至第二子回路12.2以將其直接送回堆棧而不經由熱交換器14放出熱量。如果在第一堆棧6中的冷卻劑的溫度在高于75°C時，控制閥16將整個冷卻劑送往第一外子回路12.1，從而冷卻劑可被冷卻。
[0069]當冷卻劑具有在65°C和75°C之間的溫度時，控制閥16將冷卻劑的一部分送入第一外子回路12.1并且將冷卻劑的另一部分送入第二外子回路12.2。
[0070]讓我們考慮這樣的情況:第一堆棧6升溫超過所述第二堆棧7的升溫，并且從第一堆棧6流出的冷卻劑的溫度高于75°C，從第二堆棧7流出的冷卻劑的溫度低于65°C。第一閥16將從第一堆棧6流出的全部冷卻劑送入提供有熱交換器17的第一外子回路12.1，第二閥17將從第二堆棧7流出的冷卻劑送入第二外子回路12.2。第一子回路12.1由于熱交換器14的存在而產生一些壓頭損失，第二子回路12.2由于膜24的存在產生一些壓頭損失，膜24被選擇為使得兩個壓頭損失相近或甚至相同。然后，在兩個子回路12.1、12.2中冷卻劑的流量是非常相近，或者甚至是相同的，然后，流入兩個堆棧6、7的冷卻劑的量大致相同，從而確保兩個堆棧6、7之間的平衡的冷卻。
[0071]現將描述一種用于制造根據本發明的熱管理回路的示例性方法。
[0072]該制造方法包括:確定在第二外子回路將要引起的壓頭損失的步驟。
[0073]考慮通過膜得到將要引起的壓頭損失的情況。
[0074]首先確定提供有交換器的第一個外子回路的壓頭損失。該壓頭損失可被分為兩部分:所謂的“奇異(singular)”的部分，對應于在流體通道橫截面中由所有的“幾何”變化而引起的流體通道的阻力；以及所謂的“普通(regular)”部分，對應于沿通道橫截面的壁的摩擦。
[0075]這兩種壓頭損失系數(普通和奇異)使得在回路的外子回路中得到相同的壓頭損失。
[0076]該壓頭損失可被寫為:
[0077]DP= (k 普通+K 奇異).V
[0078]可通過下列方式計算在控制閥至第二子回路的出口處增加的奇異壓頭損失:
[0079]
【權利要求】
1.一種燃料電池，所述燃料電池包括:至少兩個電化學電池的堆棧(6、7)和端板(8、9)，所述端板(8、9)施加緊固力至所述電化學電池的堆棧(6、7);熱管理系統，所述熱管理系統由用于使冷卻劑流入每個堆棧(6、7)的被稱為內回路(10)的回路和用于使所述冷卻劑流至所述堆棧(6、7)的外部的被稱為外回路(12)的回路形成，兩個堆棧并聯連接，所述外回路(12)包括第一子回路(12.1)和第二子回路(12.2)，所述第一子回路(12.1)提供有熱交換器(14)，所述第二子回路(12.2)直接連接至所述內回路(10)的入口 ；裝置(16)，所述裝置(16)用于根據在每個堆棧的輸出處的所述冷卻劑的溫度的函數控制所述冷卻劑朝向子回路(12.1,12.2)中任意一個或兩個的流動；所述熱管理系統包括用于確保所述第一外子回路和所述第二外子回路具有相近或相同的壓頭損失的構件(24)。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，其中，用于產生與由所述第一外子回路(12.1)中的所述熱交換器產生的壓頭損失相近或相等的壓頭損失的所述構件(24)被提供在所述第二外子回路(12.2)中。
3.根據權利要求2所述的燃料電池，其中，每個堆棧包括用于產生壓頭損失的構件。
4.根據權利要求3所述的燃料電池，其中，所述用于產生壓頭損失的構件(24)被提供在所述控制裝置(16)中。
5.根據權利要求3或4所述的燃料電池，其中，所述用于產生壓頭損失的構件(24)通過形成膜的減小的橫截面通道部而形成。
6.根據權利要求5所述的燃料電池，其中，所述減小的橫截面通道部與用于將至少一個控制裝置(16)連接至所述第二外子回路的尖端一體地制成。
7.根據權利要求5或6所述的燃料電池，其中，所述減小的橫截面通道部由鉆孔板形成，所述鉆孔板安裝在至少一個控制裝置(16)中。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的燃料電池，其中，所述控制裝置(16)的至少一個被集成至端板中。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的燃料電池，其中，所述控制裝置(16)的至少一個為溫控閥。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的燃料電池，其為PEMFC電池。
11.一種制造根據權利要求1至10中任一項所述的燃料電池的方法，所述方法包括以下步驟: a)確定由所述熱交換器產生的壓頭損失； b)調整所述第一外子回路和/或所述第二外子回路以使得兩個子回路中的壓頭損失相近或相同。
12.根據權利要求11所述的制造燃料電池的方法，其中，步驟b)包括選擇待被引入所述第二子回路的構件以產生與所述熱交換器產生的壓頭損失相近或相同的壓頭損失的子步驟。
13.根據權利要求12所述的制造燃料電池的方法，其中，在步驟b)期間，確定所述膜的尺寸。
【文檔編號】H01M8/02GK103620844SQ201280025662
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月24日 優先權日:2011年5月26日
【發明者】戴爾芬·卓豪特, 皮埃爾·尼維隆 申請人:原子能和替代能源委員會