專(zhuān)利名稱(chēng)：具有內(nèi)置于堆疊體中的熱交換器的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃料電池，更具體地說(shuō)，涉及包括具有內(nèi)置式(build-in)熱交換器的堆疊體(stack)的燃料電池，該熱交換器具有減小燃料電池空間占有率的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
一般而言，燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，并且是一種只要提供燃料就可以發(fā)電的發(fā)電體。
圖1是一種典型的燃料電池發(fā)電的原理示意圖，圖2是具有熱交換器的傳統(tǒng)燃料電池的透視圖，圖3的分解透視圖示出了包括于燃料電池堆疊體中的單元電池10的材料循環(huán)部分的結(jié)構(gòu)。參考圖1，將含有氧的空氣提供給陰極1和將含有氫的燃料提供給陽(yáng)極3時(shí)，通過(guò)電解質(zhì)膜2發(fā)生的水電解的逆反應(yīng)產(chǎn)生電。但是，單元電池10產(chǎn)生的電壓通常不夠高，因而無(wú)法使用。因此，如圖2所示，在堆疊體20中設(shè)置多個(gè)單元電池10，這些單元電池10呈串聯(lián)連接。如圖3所示，在堆疊體20中堆疊的每一電池10中包括用于向每一電極1和3提供氫或氧、并回收氧或氫的表面流動(dòng)通道4a。因此，如圖2所示，當(dāng)通過(guò)堆疊體20的端板21提供氫或氧時(shí)，相應(yīng)的材料通過(guò)每一電池10相應(yīng)的流動(dòng)通道循環(huán)到每一電極。當(dāng)然，如上所述，提供氫作為化學(xué)燃料，而氧由空氣提供。
在電化學(xué)反應(yīng)期間，不僅發(fā)電，還產(chǎn)生熱。因此，為了使燃料電池保持平穩(wěn)的工作，必須不斷地排出熱。為此，如圖2所示，在燃料電池中設(shè)有熱交換器30，并且在堆疊體20的每五-六個(gè)單元電池10中形成用于流過(guò)交換熱能的冷卻水的冷卻板5。于是，冷卻水在流過(guò)冷卻板5的流動(dòng)通道5a(參見(jiàn)圖3)的同時(shí)吸收來(lái)自堆疊體20的熱量。已吸熱的冷卻水在熱交換器30中被二次冷卻水冷卻，并通過(guò)堆疊體20再循環(huán)。這時(shí)，冷卻水的循環(huán)是通過(guò)從周?chē)鼰岬姆兴淖匀粚?duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)另外的循環(huán)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。附圖標(biāo)記40表示測(cè)量進(jìn)入熱交換器30的冷卻水溫度的熱傳感器，附圖標(biāo)記50表示開(kāi)啟和封閉從熱交換器30到堆疊體20的流動(dòng)通道的電磁閥。在正常工作期間，電磁閥50開(kāi)啟，以使冷卻水循環(huán)，但是，若進(jìn)入熱交換器30的冷卻水溫度太低，電磁閥50封閉流動(dòng)通道，致使堆疊體20中的冷卻水溫度上升。之后，當(dāng)堆疊體20中的冷卻水溫度上升到預(yù)定水平時(shí)，電磁閥50開(kāi)啟。通過(guò)控制器(未示出)自動(dòng)控制電磁閥50的開(kāi)啟和封閉。
但是，在傳統(tǒng)的燃料電池結(jié)構(gòu)中，堆疊體20和熱交換器30分開(kāi)安裝。因此燃料電池的總體積大，因而占用的空間大。換句話說(shuō)，由于堆疊體20和熱交換器30兩者都需要分別占用分開(kāi)的空間，所以在使用這種燃料電池的裝置中安裝燃料電池所需的空間增加。這是應(yīng)用傳統(tǒng)燃料電池的缺點(diǎn)。而且，冷卻水的流動(dòng)通道長(zhǎng)度也隨著燃料電池的體積增加而增加，因而使熱損耗增加。
所以，需要開(kāi)發(fā)具有緊湊結(jié)構(gòu)的新的冷卻系統(tǒng)的燃料電池，以克服所述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有更小空間占有率并且可以平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)冷卻和發(fā)電功能的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種燃料電池，該燃料電池包括發(fā)生將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電的化學(xué)反應(yīng)的堆疊體和排出在堆疊體中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過(guò)程期間產(chǎn)生的熱量的熱交換器，其中該熱交換器被安裝在至少一塊裝于堆疊體上的板中。
可將熱交換器安裝在設(shè)于堆疊體端部上的一對(duì)端板的至少一塊中。
該熱交換器可包括用于臨時(shí)儲(chǔ)存在堆疊體中循環(huán)的冷卻水的冷卻水儲(chǔ)存器；和二次冷卻水流動(dòng)通道，該二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)冷卻水儲(chǔ)存器，并使與流過(guò)的冷卻水進(jìn)行熱交換的二次冷卻水流過(guò)。
該熱交換板可包括用于臨時(shí)儲(chǔ)存在堆疊體中循環(huán)的冷卻水的冷卻水儲(chǔ)存器；和二次冷卻水流動(dòng)通道，該二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)冷卻水儲(chǔ)存器，并使與冷卻水進(jìn)行熱交換的二次冷卻水流過(guò)。
冷卻水儲(chǔ)存器可以包括二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)的第一冷卻水儲(chǔ)存器；儲(chǔ)存通過(guò)與二次冷卻水流動(dòng)通道接觸而被冷卻的冷卻水的第二冷卻水儲(chǔ)存器；和有選擇地開(kāi)啟和封閉連接第一和第二冷卻水儲(chǔ)存器的流動(dòng)通道的電磁閥。


通過(guò)參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將更加清晰。附圖中圖1是典型燃料電池的發(fā)電原理的示意圖；圖2是具有熱交換器的傳統(tǒng)燃料電池的透視圖；圖3的分解透視圖示出了包括于燃料電池堆疊體中的單元電池的材料循環(huán)部分的結(jié)構(gòu)；圖4是具有本發(fā)明一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的燃料電池的透視圖；圖5是具有本發(fā)明另一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的燃料電池的透視圖；圖6A和6B是具有本發(fā)明其它實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的燃料電池的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的附圖更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。
圖4是具有本發(fā)明一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的燃料電池的透視圖。
參考圖4，本發(fā)明一實(shí)施方式的燃料電池包括內(nèi)部串聯(lián)連接了多個(gè)單元電池10的堆疊體100，在這些單元電池10中發(fā)生將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)反應(yīng)。在堆疊體100中的不同位置安裝具有流過(guò)冷卻水的多個(gè)流動(dòng)通道的冷卻板5。流過(guò)冷卻板5的冷卻水吸收能量轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的熱量。可以為每一單元電池10安裝一塊冷卻板5，也可以為每五-六個(gè)單元電池10安裝一塊冷卻板5，如圖4的實(shí)施方式所示?？蓪⒃诶鋮s已吸熱的冷卻水之后的冷卻水循環(huán)到冷卻板5的熱交換器200安裝在裝于堆疊體100端部的端板110中，而不象現(xiàn)有技術(shù)那樣安裝在堆疊體100的外側(cè)。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下。
在端板110中設(shè)置連通冷卻板5的流動(dòng)通道5a的冷卻水儲(chǔ)存器111。冷卻水儲(chǔ)存器111是通過(guò)在其中形成凹槽而在端板110的表面設(shè)置的水容納空間，其包括第一冷卻水儲(chǔ)存器111a和第二冷卻水儲(chǔ)存器111b，在第一冷卻水儲(chǔ)存器中，通過(guò)與二次冷卻水交換熱能而冷卻已吸熱的冷卻水，在第二冷卻水儲(chǔ)存器111b中儲(chǔ)存已冷卻的冷卻水。電磁閥112安裝在第一和第二冷卻水儲(chǔ)存器111a和111b之間?？刂齐姶砰y112，使得當(dāng)電磁閥112開(kāi)啟時(shí)，第一冷卻水儲(chǔ)存器111a中的冷卻水通過(guò)第二冷卻水儲(chǔ)存器111b循環(huán)到堆疊體100中的冷卻板5，而當(dāng)電磁閥112封閉時(shí)，臨時(shí)停止循環(huán)。
附圖標(biāo)記114表示用于與第一冷卻水儲(chǔ)存器111a的冷卻水交換熱量的二次冷卻水的流動(dòng)通道。二次冷卻水在流過(guò)流動(dòng)通道114的同時(shí)與第一冷卻水儲(chǔ)存器111a的冷卻水進(jìn)行熱交換。
當(dāng)具有內(nèi)置于端板110中的熱交換器200的燃料電池工作時(shí)，在堆疊體100的每一單元電池10中發(fā)生將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的化學(xué)反應(yīng)。這時(shí)，在冷卻水通過(guò)冷卻板5循環(huán)時(shí)，冷卻水通過(guò)吸收由能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)生的熱量而使堆疊體100冷卻。已吸熱的冷卻水進(jìn)入設(shè)于端板110中的冷卻水儲(chǔ)存器111的第一冷卻水儲(chǔ)存器111a，并且通過(guò)與二次冷卻水接觸而被冷卻。如果電磁閥112開(kāi)啟，已冷卻的冷卻水進(jìn)入第二冷卻水儲(chǔ)存器111b，并通過(guò)冷卻板5循環(huán)。但是，如果熱傳感器113檢測(cè)到進(jìn)入第一冷卻水儲(chǔ)存器111a的冷卻水的溫度太低，控制閥(未示出)關(guān)閉電磁閥112，臨時(shí)停止循環(huán)。隨著堆疊體100中的溫度上升冷卻水的溫度上升時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟電磁閥112使冷卻水再循環(huán)。
因?yàn)闊峤粨Q器200不是燃料電池的附加裝置，而被內(nèi)置于堆疊體100的端板110中，與傳統(tǒng)燃料電池相比，具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池可以大大減小燃料電池所占用的空間?？紤]到通常堆疊體和熱交換器具有幾乎相同的尺寸，所以實(shí)現(xiàn)將熱交換器200內(nèi)置于堆疊體100中可以使占用的空間減小大約50％。而且，在熱交換能力方面與具有傳統(tǒng)的外部安裝型熱交換器的燃料電池沒(méi)有明顯的差別。以下表格1列出了傳統(tǒng)的外部安裝型熱交換器30(如圖2所示)和本發(fā)明一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器200的冷卻水溫度、發(fā)電量和熱回收的測(cè)量值。
表1

參考表1，當(dāng)燃料電池工作以獲得相同的發(fā)電量時(shí)，從其熱回收和熱損耗數(shù)據(jù)中可看出，本發(fā)明一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器顯示出比傳統(tǒng)外部安裝型熱交換器更好的熱交換能力。這是因?yàn)楸景l(fā)明一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的熱交換器200被構(gòu)造為具有堆疊體100，因而可以減小流動(dòng)通道的長(zhǎng)度。因此，可減小損耗的熱量。
所以，可獲得體積更小并且熱交換能力更好的燃料電池。
參考圖4，本發(fā)明一實(shí)施方式的圖4的燃料電池包括設(shè)置于堆疊體100兩端的兩塊端板110之一中的一個(gè)熱交換器200，當(dāng)然，本發(fā)明不限于此。也就是說(shuō)，熱交換器200可以安裝在兩塊端板110上。同樣，通過(guò)形成凹槽設(shè)置于端板110的一表面上的空間可以用作冷卻水儲(chǔ)存器111，或者設(shè)置于端板110的另一表面上的空間可以用作冷卻水儲(chǔ)存器111。還有一些改型也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在上述實(shí)施方式中，傳統(tǒng)端板110用作熱交換器200的外殼。但是，可以通過(guò)在堆疊體100中形成附加的熱交換板120而創(chuàng)新地構(gòu)成熱交換器。
圖5是具有本發(fā)明另一實(shí)施方式的內(nèi)置式熱交換器的燃料電池的透視圖。如圖5所示，可將具有包括第一和第二冷卻水儲(chǔ)存器121a和121b的冷卻水儲(chǔ)存器121以及用于連通流動(dòng)通道的電磁閥122的熱交換板120安裝在設(shè)置單元電池10的堆疊體100的中心，致使在通過(guò)熱交換板120的冷卻水儲(chǔ)存器121循環(huán)的同時(shí)，從堆疊體100吸收熱量的冷卻水可以和二次冷卻水進(jìn)行熱交換。而且在這種情況下，由于熱交換器內(nèi)置于堆疊體100中，所以盡管添加了熱交換板120，空間減小效果仍可與前述實(shí)施方式幾乎相同。
除了所述結(jié)構(gòu)外，可將熱交換板120設(shè)置在接近端板110的堆疊體100端部，如圖6A所示，或者可以設(shè)置在堆疊體100的兩端，如圖6B所示。這兩種情況都是熱交換器內(nèi)置于堆疊體100中的燃料電池的實(shí)例。當(dāng)適當(dāng)?shù)夭捎眠@些結(jié)構(gòu)的裝置時(shí)，可用具有占用空間更小的燃料電池進(jìn)行發(fā)電，并且可高效地實(shí)現(xiàn)冷卻。
本發(fā)明的燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)。
第一，本發(fā)明燃料電池的安裝空間比具有外部安裝型熱交換器的傳統(tǒng)燃料電池的安裝空間小約50％。
第二，冷卻水的流動(dòng)通道長(zhǎng)度減小，因而可以實(shí)現(xiàn)隔熱和減小熱損耗。
第三，由于本發(fā)明的燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以制造和安裝都很方便。
盡管上面已結(jié)合示例性實(shí)施方式具體示出和說(shuō)明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不超出所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下，可對(duì)在形式和細(xì)節(jié)方面對(duì)本發(fā)明作出各種變換。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括發(fā)生將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電的化學(xué)反應(yīng)的堆疊體；和排出在所述堆疊體中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程期間產(chǎn)生的熱量的熱交換器，其中，該熱交換器被安裝在裝于所述堆疊體上的至少一塊板中。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，裝有所述熱交換器的所述板是設(shè)置在所述堆疊體端部上的一對(duì)端板中的至少之一。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，裝有所述熱交換器的端板包括冷卻水儲(chǔ)存器，其用于臨時(shí)儲(chǔ)存在所述堆疊體中循環(huán)的冷卻水；和二次冷卻水流動(dòng)通道，該二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)所述冷卻水儲(chǔ)存器，并使與冷卻水進(jìn)行熱交換的二次冷卻水流過(guò)。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中，所述冷卻水儲(chǔ)存器包括二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)的第一冷卻水儲(chǔ)存器；儲(chǔ)存通過(guò)與所述二次冷卻水流動(dòng)通道接觸而被冷卻的冷卻水的第二冷卻水儲(chǔ)存器；和有選擇地開(kāi)啟和封閉連通所述第一和第二冷卻水儲(chǔ)存器的流動(dòng)通道的電磁閥。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述裝有熱交換器的板是安裝在所述燃料電池堆的端板之間的熱交換板。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池，其中，所述熱交換板包括冷卻水儲(chǔ)存器，其用于臨時(shí)儲(chǔ)存在所述堆疊體中循環(huán)的冷卻水；和二次冷卻水流動(dòng)通道，該二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)所述冷卻水儲(chǔ)存器，并使與所述冷卻水交換熱量的二次冷卻水流過(guò)。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其中，所述冷卻水儲(chǔ)存器包括二次冷卻水流動(dòng)通道經(jīng)過(guò)的第一冷卻水儲(chǔ)存器；儲(chǔ)存通過(guò)與二次冷卻水流動(dòng)通道接觸被冷卻的冷卻水的第二冷卻水儲(chǔ)存器；和有選擇地開(kāi)啟和封閉連通第一和第二冷卻水儲(chǔ)存器的流動(dòng)通道的電磁閥。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有熱交換器的燃料電池，該燃料電池具有適合減小燃料電池占用空間的結(jié)構(gòu)。該燃料電池包括發(fā)生將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電的化學(xué)反應(yīng)的堆疊體和排出在堆疊體中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程期間產(chǎn)生的熱量的熱交換器，其中該熱交換器內(nèi)置于裝在堆疊體上的至少一塊板中。因此，該燃料電池所占用的空間可以減小到傳統(tǒng)外部安裝型熱交換器的大約一半。
文檔編號(hào)H01M8/00GK101087031SQ20061013999
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2006年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者李承宰, 宋泰元 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社