[发明专利]组装有换热器的液冷式燃料电池

说明书

本发明涉及一种用液体冷却的燃料电池，它有一个初级和一个次级冷却循环线路和连接在它们之间的换热器。

在初级冷却循环线路中电池被冷却，以及在次级冷却循环线路中，初级冷却循环线路中的冷却剂再生。对燃料电池初级冷却循环线路中的冷却剂提出了特别高的纯净度要求，因为它部分与燃料电池载电流的构件电接触，而且为了避免短路，一般而言只允许很小的导电能力。例如作为冷却剂经常使用蒸馏水或纯酒精。为了达到冷却剂低的电导率，初级冷却循环必须由选择的和昂贵的结构材料构成。

由DE 19608738已知一种PEM燃料电池，其中来自电池的废热被利用来加热。由于在燃料电池内所要求的冷却剂纯净度，所以来自电池的废热不能直接借助热水输出，而是在初级与次级冷却循环线路之间连接一换热器。

在移动使用燃料电池时还出现这样的问题，即，两个冷却循环必须借助于连接在它们之间的换热器构成，因为鉴于对在初级循环内冷却剂所要求的纯净度因而在那里不允许含有如防冻剂那样的添加剂。初级冷却循环必须根据在汽车中应用(移动应用)这一特点在结构上采取防冻措施，反之，在次级冷却循环线路的冷却剂内允许含有防冻剂。

在已知的液冷式燃料电池设计中存在的缺点是，初级冷却循环通过外部管路，亦即通过从燃料电池引出的管路，与一个在外面的换热器连接。因此，不仅需要消耗用于初级冷却循环管路的昂贵的材料，而且还有大的空间需求，这尤其在汽车上应用时是不利的，而且不必要地增加了上述燃料电池设备的体积和重量。

因此本发明的目的是创造一种液冷式燃料电池的结构，其中使初级冷却循环的尺寸减小到最低程度，由此降低此设备的成本，减轻重量和减小体积。

本发明的对象是一种具有初级和次级冷却循环线路的液冷式燃料电池，其中组合一换热器，使初级冷却循环从燃料电池堆(Brennstoffzellenstapel)到换热器的管路基本上位于燃料电池内部。

此外，本发明的对象还包括一种运行一种具有初级和次级冷却循环线路的燃料电池的方法，其中，初级冷却循环基本上在电池内部进行，初级冷却循环已用过被加热的冷却剂在一个组合在燃料电池内的换热器中再生。

按本发明的设计，换热器是一种板式换热器，它的板在尺寸上与电池的燃料电池堆的燃料电池单元相近，并简单地堆叠在燃料电池单元上。

换热器可以由金属、合金、塑料或陶瓷制成，当然它必须涉及一种热导率高的材料，不危及初级冷却剂的纯净度，以及同时能耐次级冷却循环的冷却剂。优选地使用金属，例如不锈钢，它还可以在一个或两个表面上受到附加的处理。

按本发明另一项设计，初级冷却循环用的冷却剂泵通过法兰连接在其中一块电池端板上，从而在初级冷却循环内完全避免了外部管路。由此还杜绝了用过的初级冷却剂要不然经过外部管路时造成的热损失。系统的全部废热因而在换热器内交给次级冷却循环的冷却剂。

在这里，“燃料电池”指的是整个机组，它包括具有燃料电池单元和必要时存在的冷却元件的燃料电池堆、初级冷却循环、组合在一起的换热器、次级冷却循环的接头以及端板。在电池内同样可设组合在一起的气体润湿器。

“燃料电池堆”则只是指电池的核心部分，即，由燃料电池单元组成的包括供应通道和必要时冷却元件在内的堆叠。

初级冷却循环的冷却剂关键主要在于其应尽可能小的电导率。优选地使用蒸馏水和/或纯酒精。次级冷却循环的冷却剂可以是任意一种加有任意添加剂的液态冷却介质。

换热器可以不同方式与燃料电池堆连接。按照本发明的一种优选的设计，为了构成燃料电池，燃料电池堆和换热器装在一共同的支架上。

下面借助于优选的实施例进一步说明本发明，附图中：

图1为燃料电池另一种优选实施形式的示意横截面图；以及

图2至4为按照本发明方法优选设计的线路简图。

图1示出一个燃料电池堆，它包括带有冷却元件的一个个燃料电池单元4。在堆的一侧有端板5，在另一侧有换热器3。在这里，换热器3与燃料电池单元4的连接通过将换热器3装入燃料电池堆内实现，为此，换热器3与燃料电池单元4完全一样地被堆叠。在这种实施形式中，换热器3可简单地通过在燃料电池堆内插入至少一块附加的板实现。于是在板的一侧流过初级冷却循环线路的冷却剂，而在另一侧流过次级冷却循环线路的冷却剂。但换热器3也可以包括多块单板，它们可全都连接在燃料电池堆上，或也可以装在燃料电池堆的燃料电池单元4之间。

换热器3和燃料电池单元4的固定，通过将由燃料电池单元4和换热器3组成的组合堆叠与公共的端板5一起压紧实现。