整體尺寸減小的燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種燃料電池，該燃料電池包括：電化學(xué)電池的兩個堆（C1、C2）；由用于使冷卻劑在堆內(nèi)循環(huán)的回路（16、18）組成的熱管理系統(tǒng)（12），電化學(xué)電池的每個堆受到由第一端板（2）和第二端板（4）施加的夾持力，第一端板由兩個堆共用，每個堆（C1、C2）均包括：用于使冷卻劑循環(huán)的至少一個通道；設(shè)置成用于使冷卻劑在通道中循環(huán)的兩個泵（P1、P2）；以及形成于共用端板（2）中的室（24），這兩個泵（P1、P2）和延伸穿過堆的通道連接至所述室。閥（28、30）設(shè)置在每個泵（P1、P2）與室（24）之間，所述閥與泵（P1、P2）的連通在不存在來自所述泵（P1、P2）的冷卻劑的情況下被切斷。
【專利說明】整體尺寸減小的燃料電池
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】和現(xiàn)有技術(shù)
[0002]本發(fā)明涉及一種整體尺寸減小的燃料電池。
[0003]燃料電池通過可燃氣體(對于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC, Proton ExchangeMembrane Fuel Cell)類型的電池的情況,可燃氣體例如為氫氣)及氣體氧化燃料(例如空氣或氧氣)提供功率，以產(chǎn)生電力。燃料電池的運行的另一種效果是產(chǎn)生熱能。
[0004]燃料電池包括電化學(xué)電池的一個或多個堆(stack)，并且每個電池均包括陽極和陰極。電池通過由連接桿連接的端板而保持彼此接觸。
[0005]提供回路以對電池供應(yīng)反應(yīng)氣體。
[0006]此外，電池的電化學(xué)效率依賴于電池內(nèi)的溫度，并且這是因為所使用的材料的性質(zhì)導(dǎo)致的。運行溫度通常低于80°C，以便實現(xiàn)最佳的電化學(xué)效率。通過堆內(nèi)的冷卻劑的循環(huán)來實現(xiàn)冷卻，其中冷卻劑自身在電池外部被冷卻。泵使得冷卻劑流特別地在堆內(nèi)循環(huán)并且通常地在回路中進行循環(huán)。泵的尺寸依據(jù)待排出的熱能并且還依據(jù)回路內(nèi)的壓力損失來形成。
[0007]對于具有幾十千瓦量級的高電功率電池而言，形成連接的雙極板的多個堆，其通過使電池在接近0.7V/電池的運行點下運行來優(yōu)化電池的效率。具有多個堆的該構(gòu)造還可限制在分布冷卻劑和反應(yīng)流體時的總高度和壓力損失。
[0008]在其中電池包括多個堆的情況下，每個堆中的冷卻回路并行地提供,并且冷卻劑通過泵而在不同冷卻回路中循環(huán)。
[0009]因此，該泵被選擇成功率足夠大，以使冷卻劑在所有堆中循環(huán)，從而從所有堆抽取熱。因此，對于具有大量電化學(xué)電池的高功率電池的情況，泵相對大，然而通常的目的是為了減小燃料電池的尺寸，特別是在機載(onboard)應(yīng)用的情況下。此外，如果該泵出現(xiàn)故障，則不可能再在任何堆中進行冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料電池，其中與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池相比，熱交換系統(tǒng)是可靠且緊湊的。
[0011]對于具有多個堆的電池的情況，上述目的通過包括多個堆以及至少一個熱管理回路的燃料電池來實現(xiàn)，所述多個堆壓縮在兩個端板之間，其中端板中的至少一個由兩個堆共用。該回路包括穿過每個堆的通道。每個通道連接至形成于端板中的共用室，所述室通過多個泵來供應(yīng)。還提供用于中斷每個泵與室之間的連通的裝置。如果所有的泵均在運行中，則所有通道均被供應(yīng)以由泵供應(yīng)的來自于室的冷卻劑。如果其中一個泵停止，則其與室的連通被中斷，并且所有堆中的冷卻劑供應(yīng)通過保持運行的泵來維持。
[0012]對于包括單個堆的燃料電池的情況，上述目的也通過形成于一個端板中的室來實現(xiàn)，所述室連接于穿過該單個堆的多個通道以及對室供應(yīng)的泵，室自身向通道輸出冷卻劑。即使一個泵停止，所有通道也均被供應(yīng)以冷卻劑。還提供用于防止冷卻劑排入停止的泵中的裝置。[0013]非常有利的是，通過閥形成這些回流保護裝置，所述閥通過冷卻劑流的存在或不存在來直接控制。
[0014]換言之，端板中的一個包括冷卻劑再分配室，該室均衡不同冷卻回路中的壓力，并保持所有堆中或整個堆中的冷卻。
[0015]本發(fā)明的主題則是一種燃料電池，該燃料電池包括:電化學(xué)電池的至少兩個堆；熱管理系統(tǒng)，由堆中的冷卻劑循環(huán)回路組成；以及用于對電池供應(yīng)反應(yīng)氣體的系統(tǒng)，電化學(xué)電池的每個堆受第一端板和第二端板擠壓，第一端板由兩個堆共用，共用的端板沿冷卻劑的循環(huán)方向位于電化學(xué)電池的上游側(cè)，
[0016]所述熱管理系統(tǒng)包括:
[0017]-處于每個堆中的至少一個冷卻劑循環(huán)通道，
[0018]-用于使冷卻劑在通道中循環(huán)的至少兩個泵，
[0019]-形成于共用端板中的室，所述至少兩個泵以及穿過堆的通道連接至室，所述室介于泵與穿過堆的通道之間，以及
[0020]-中斷每個泵與室之間的連通的裝置，與泵的連通在不存在來自該泵的冷卻劑流的情況下被中斷。
[0021]本發(fā)明的另一主題是一種燃料電池，該燃料電池包括:電化學(xué)電池的堆以及在電化學(xué)電池上施加擠壓力的第一端板和第二端板；熱管理系統(tǒng)，由用于使冷卻劑在堆中循環(huán)的系統(tǒng)形成；以及用于向堆供應(yīng)反應(yīng)氣體的系統(tǒng)，第一端板沿著冷卻劑的循環(huán)方向位于電池的上游側(cè)，
[0022]熱管理系統(tǒng)，包括:
[0023]-穿過堆并且開設(shè)于另一側(cè)上的至少兩個通道，
[0024]-至少兩個冷卻劑循環(huán)泵，
[0025]-形成于第一端板中且連接至穿過堆的通道并連接至泵的室，所述室介于通道與泵之間，以及
[0026]-中斷每個泵與室之間的連通的裝置，與泵的連通在不存在來自該泵的冷卻劑流的情況下被中斷。
[0027]有利地，中斷裝置由用于每個泵的閥形成，每個閥包括關(guān)閉器，關(guān)閉器將在不存在冷卻劑流的情況下與閥座抵靠地接觸，該閥座由室與泵之間的連接孔的輪廓形成。閥優(yōu)選地包括固定至關(guān)閉器且垂直于關(guān)閉器的引導(dǎo)桿。閥還可包括與閥座抵靠接觸的關(guān)閉器的彈性回復(fù)裝置。
[0028]燃料電池可包括每個均對應(yīng)于一個堆的冷卻劑循環(huán)泵。
[0029]燃料電池還可包括用于使每個泵獨立于其余的一個泵或其余的多個泵而停止的裝置，以降低電力消耗。
[0030]燃料電池有利地包括控制泵的裝置，投入運行的泵的數(shù)量基于從電池所需的運行功率。
[0031 ] 燃料電池可包括質(zhì)子交換膜類型的電化學(xué)電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]在閱讀以下描述及附圖之后，將更好地理解本發(fā)明，附圖中:[0033]-圖1是其中兩個泵運行的狀態(tài)下的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的示例性實施例的端板的縱向截面圖；
[0034]-圖2是其中一個泵停止的情況下的與圖1中的截面圖類似的截面圖；
[0035]-圖3是根據(jù)本發(fā)明的燃料電池的變型實施例的縱向截面圖；
[0036]-圖4是根據(jù)本發(fā)明的包括兩個電池堆的燃料電池的示例性實施例的立體圖；
[0037]-圖5是根據(jù)本發(fā)明的包括單個電池堆的燃料電池的示例性實施例的縱向截面圖。
【具體實施方式】
[0038]可應(yīng)用于本發(fā)明的燃料電池的示例性實施例在圖4中示出。
[0039]該燃料電池包括電化學(xué)電池的兩個堆Cl、C2。
[0040]每個堆C1、C2均包括交替布置的離子雙極板和交換膜。通過拉桿連接的兩個端板
2、4對雙極電池施加壓縮力，以實現(xiàn)均勻地分布在形成電池的元件的整個區(qū)域上的電傳導(dǎo)。
[0041]在所示實例中，一個端板2由兩個堆共用，而另一端板4對于每個堆而言是不同的。作為變型，可以設(shè)想，兩個端板2、4均由兩個堆Cl、C2共用。
[0042]該電池還包括對電池供應(yīng)反應(yīng)氣體的回路，例如一個回路供應(yīng)氫氣，而另一回路供應(yīng)空氣或氧氣。
[0043]該電池還包括熱管理系統(tǒng)12，該熱管理系統(tǒng)由堆內(nèi)的用于與電池進行熱交換的冷卻劑循環(huán)回路以及位于堆外部的循環(huán)回路(未示出)形成。
[0044]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的在下端板處的電池截面圖，冷卻劑通過所述下端板進入電池。冷卻劑是具有低導(dǎo)電性的流體且通常是去離子水，冷卻劑中可添加有一些添加劑(例如單乙二醇，用以降低其凝固點)，或者添加有抑制腐蝕的納米顆粒。
[0045]熱管理系統(tǒng)包括處于每個堆中的循環(huán)回路16、18，循環(huán)回路由縱向地通過堆Cl、C2的至少一個通道形成。每個通道均包括連接于“冷的”冷卻劑供應(yīng)部的入口端20、22以及在通過堆時受熱的冷卻劑通過其排出的端部(未示出)。
[0046]在所示實例中，每個堆包括位于回路內(nèi)的其自身的冷卻劑循環(huán)泵PU P2。
[0047]泵PU P2沿著冷卻劑的循環(huán)方向位于堆Cl、C2的上游側(cè)。
[0048]泵通常是旋轉(zhuǎn)離心(或軸向)類型的。這些泵的優(yōu)點在于，它們可以低排出壓力來控制連續(xù)的流體流，這是因為冷卻劑回路通常不是加壓的。
[0049]熱管理系統(tǒng)包括位于堆的入口處的室24，該室形成在第一端板2中，在兩個循環(huán)回路16、18之間形成壓力均衡室。因此，該室介于泵P1、P2與堆C1、C2之間。
[0050]每個循環(huán)回路16、18包括上游部分16.1,18.1和下游部分，所述上游部分通過入口孔(orifice)24.1,24.2向上開設(shè)到室24中并且將泵連接至室24，所述下游部分位于室24與堆Cl、C2之間，并且通過出口孔24.3,24.4連接至室24。
[0051]在圖1中，在堆Cl、C2中的冷卻劑循環(huán)由箭頭Fl和F2表示，這些循環(huán)由泵Pl和P2驅(qū)動。
[0052]室24還包括關(guān)閉入口孔24.1,24.2中的一個的裝置，以便在一個泵發(fā)生故障而不能運行的情況下防止冷卻劑通過室24從上游部分16.1,18.1中的一個循環(huán)至另一個上游部分 18.1、16.1。[0053]非常有利且如在圖1和圖2中所示的，關(guān)閉裝置由安裝在每個入口孔24.1,24.2處的閥28、30形成。
[0054]優(yōu)選地，兩個閥是相同的。我們將僅詳細描述一個閥。
[0055]閥28包括安裝在桿28.2上的關(guān)閉器28.1，該桿垂直于關(guān)閉器且與入口孔24.1同軸，并為入口孔24.1中的閥提供軸向引導(dǎo)。該閥包括由入口孔24.1的輪廓形成的閥座28.3。該閥的優(yōu)點在于，它們是制作簡單、可靠、且運行獨立，并且它們分別在存在或不存在冷卻劑流循環(huán)時自動地關(guān)閉和打開。
[0056]在所示實例中，閥是重力類型的，S卩，它們在不存在冷卻劑流的情況下由于其重量的作用而與其閥座接觸。在其中閥不是重力類型的一個實施例中，例如，如果室24的一部分靠近堆的頂部或者如果堆的軸線是水平的，則提供例如以壓縮的方式安裝的螺旋彈簧類型的回復(fù)裝置，以便在不存在冷卻劑流的情況下使關(guān)閉器重新與其座部接觸。彈簧可安裝在關(guān)閉器和室的與定位有入口孔的壁相對的壁之間，或者可安裝在相對于關(guān)閉器固定的彈簧架(spring cage)中。
[0057]作為變型，例如，實例可提供從外部控制的裝置，例如電磁閥。在一個泵故障而不能運行的情況下，立即控制對應(yīng)的電磁閥。
[0058]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的電池的實際變型實施例，其中每個循環(huán)回路包括縱向地穿過堆的至少兩個通道。室24則包括連接于循環(huán)回路的上游部分的一對出口孔24.3、24.4。
[0059]每個堆均可包括兩個以上的通道，室則包括用于每個通道的一個出口孔。
[0060]現(xiàn)在我們將闡述根據(jù)本發(fā)明的熱管理系統(tǒng)的運行。
[0061]本說明書中的正常操作被認為是這樣的運行，S卩，在該運行期間，所有的泵(S卩，所示實例中的兩個泵Pl和P2)均運行。
[0062]降級操作對應(yīng)于其中兩個泵中的一個不運行的情況，不運行是因為其發(fā)生故障或者其已被故意停止(例如，為了減少電力消耗)。
[0063]在正常操作期間，兩個泵P1、P2運行。每個泵P1、P2使上游部分16.1、18.1中的冷卻劑通過室24朝向下游部分16.2、18.2循環(huán)。該循環(huán)由箭頭F1、F2表示。閥處于打開位置中，關(guān)閉器被保持在與它們的閥座分離的位置中。在每個上游部分中循環(huán)的冷卻劑在室24中混合，這均衡了冷卻劑的壓力。冷卻劑然后分布在兩個下游部分16.2,18.2之間。
[0064]在降級操作期間，例如泵P2不運行。因此，在回路18的上游部分18.1中不存在冷卻劑循環(huán)。由于循環(huán)的缺少及重力的原因，關(guān)閉器與閥座抵靠地接觸，并且閥然后關(guān)閉。
[0065]同時，泵Pl繼續(xù)運行，使得回路16的上游部分16.1中的冷卻劑通過室24朝向下游側(cè)部16.2循環(huán)，閥是打開的。由于泵Pl對室24供應(yīng)冷卻劑，因而冷卻劑則分布在兩個下游部分16.2、18.2之間。此外，由于閥30關(guān)閉，因而該閥防止了來自上游部分16.1的冷卻劑朝向上游部分18.1流動。然后，泵Pl獨自地使冷卻劑在兩個堆中循環(huán)。
[0066]如果兩個泵中的一個意外停止，保持冷卻流通過電池中的所有堆可延緩堆中的一個的溫度上升，并因此有利于在設(shè)備被損壞之前檢測到該故障。有利地，提供用于指示其中一個泵未運行的裝置，例如，檢測上游部分中的一個中流的缺少的裝置、或者測量由泵消耗的電流的裝置。
[0067]為了進行比較，我們現(xiàn)在給出根據(jù)本發(fā)明的包括兩個堆和兩個泵的熱管理系統(tǒng)以及根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有單個泵的熱管理系統(tǒng)的尺寸設(shè)計的實例。
[0068]燃料電池應(yīng)滿足的規(guī)格如下:
[0069]-電功率供應(yīng)要求30kW，
[0070]-排出的熱功率30kW，
[0071]-冷卻劑的熱容量等于3000J/kg/K，例如50%的單乙二醇的密度為1021kg/m3，
[0072]-燃料電池入口與出口之間的溫度差等于10°C，
[0073]-熱交換器中的預(yù)計壓力損失等于IOOmbar,
[0074]-回路的其余部分中的預(yù)計壓力損失等于約IOOmbar,回路的其余部分由用于依據(jù)冷卻劑的溫度來管理冷卻劑的循環(huán)的熱閥、以及管道入口孔和出口孔組成。
[0075]對于理論電池效率等于50 %的情況而言，循環(huán)流為Qm=0.98升/秒，即，大約60升
/分鐘。
[0076]因此，泵必須以60升/分鐘輸出等于至少350mbar的排出壓力。
[0077]根據(jù)本發(fā)明的這些條件可使用以30升/分鐘運行的兩個離心泵來滿足。在這些流的情況下可使用緊湊型塑料離心泵。例如，并行安裝的兩個Johnson C090?泵滿足上述條件。
[0078]然后，每個泵的尺寸為深24cm、寬12cm、且高15cm。這種泵的質(zhì)量是3kg。
[0079]對于包括單個泵的傳統(tǒng)回路的情況,為滿足以上的規(guī)格，可使用Lutz-Jesco ?-離心泵參考號BN80-50-200，其尺寸為深60cm、寬26cm、且高36cm，質(zhì)量為60kg。
[0080]因此，可發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，電池中的冷卻劑循環(huán)裝置的尺寸顯著減小，并且質(zhì)量降低得非常多，因為它是除以10的。
[0081]在以上給出的示例性電池的情況下，對于閥而言，通道直徑可為28mm，橫截面通道為 0.000632m2。
[0082]對于30升/分鐘(對應(yīng)于1.8m3/h)的循環(huán)流，閥具有的最大質(zhì)量為40g。例如，直徑為28mm的不鎊鋼關(guān)閉器的最大厚度為8.2mm。
[0083]本發(fā)明還非常有利地適用于具有單個堆C的燃料電池中，如在圖5中示出的。
[0084]電池可在多個功率下運行，并且因此根據(jù)其運行時的功率而釋放不同的熱量。例如，在入口處連接于室124 (其自身連接于多個泵P101、P102)的不同通道116、118通過單個堆。
[0085]然后可使得所有泵P101、P102在電池以最大功率運行時運行，并且根據(jù)功率減少運行的泵的數(shù)量。然后，電力消耗可依據(jù)待排出的熱量來改變。此外，這避免使單個泵尺寸設(shè)計成用于永久地以高功率運行，而這樣的流是不必要的。
[0086]此外，如上文所述，當一個泵不再運行時，保持了熱的排出并且即使在降級模式下電池仍可繼續(xù)運行，而對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池中的單個泵發(fā)生故障的情況，則電池必須停止，否則堆將被損壞。
[0087]此外，也可以使用開-閉(on-off)運行的泵，因為它們更易于制造。
[0088]具有不同數(shù)量的堆和泵的燃料電池落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且具有多個泵以及通過單個堆的通道的燃料電池也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0089]本發(fā)明不使尺寸增大，因為其整體地一體形成于一個端板中，并且與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電池相比其包括很少的附加元件。僅僅在端板中增加閥并且形成室24。因此，它容易使用并且它可容易地應(yīng)用于已有電池結(jié)構(gòu)。
[0090]本發(fā)明使熱管理系統(tǒng)到電池中的整合簡化，因為它使用了多個小的且重量輕的泵，這些泵可更容易地一體形成于電池系統(tǒng)中。此外，在一個循環(huán)泵發(fā)生故障的情況下保持了不同堆的安全。此外，使用本發(fā)明，如果電池必須以低輸出運行(例如為了節(jié)省電能)，則可使一個或多個冷卻泵停止工作。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池，包括:電化學(xué)電池的至少兩個堆(C1、C2);由所述堆中的冷卻劑循環(huán)回路(16、18)組成的熱管理系統(tǒng)(12);以及用于對電池供應(yīng)反應(yīng)氣體的系統(tǒng)，電化學(xué)電池的每個堆受第一端板(2)和第二端板(4)擠壓，所述第一端板由所述兩個堆共用，共用端板(2)沿著所述冷卻劑的循環(huán)方向位于所述電化學(xué)電池的上游側(cè)， 所述熱管理系統(tǒng)包括: -處于每個堆(Cl、C2)中的至少一個冷卻劑循環(huán)通道， -用于使所述冷卻劑在所述通道中循環(huán)的至少兩個泵(P1、P2)， -形成于所述共用端板(2)中的室(24)，所述至少兩個泵(P1、P2)以及穿過所述堆(Cl、C2)的所述通道(16.2、18.2)連接至所述室，所述室介于所述泵(P1、P2)與穿過所述堆的所述通道(16.2,18.2)之間，以及 -中斷每個泵(P1、P2 )與所述室(24 )之間的連通的裝置(26 )，與泵(P1、P2 )的連通在不存在來自該泵(P1、P2)的冷卻劑流的情況下被中斷。
2.一種燃料電池，包括:電化學(xué)電池的堆(C)，以及在所述電化學(xué)電池上施加擠壓力的第一端板和第二端板(102);由用于使冷卻劑在所述堆中循環(huán)的系統(tǒng)形成的熱管理系統(tǒng)；以及用于對所述堆供應(yīng)反應(yīng)氣體的系統(tǒng)，所述第一端板(102)沿著所述冷卻劑的循環(huán)方向位于所述電池的上游側(cè)， 所述熱管理系統(tǒng)包括: -穿過所述堆(C)的至少兩個通道(116、118)， -至少兩個冷卻劑循環(huán)泵(P101、P102)， -形成于所述第一端板(102)中且連接至穿過所述堆的通道(116、118)的輸入端并連接至所述泵(P101、P102)的室(124)，所述室(124)介于所述通道(116、118)與所述泵(P101、P102)之間，以及 -中斷每個泵(P101、P102)與所述室(P124)之間的連通的裝置(126)，與泵的連通在不存在來自該泵的冷卻劑流的情況下被中斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其中，所述中斷裝置(26、126)由用于每個泵的閥(28、30)形成，每個閥均包括關(guān)閉器(28.1)，所述關(guān)閉器將在不存在冷卻劑流的情況下與閥座(28.3)抵靠地接觸，所述閥座由所述室(24、124)與泵(P1、P2、PlOl、P102)之間的連接孔的輪廓形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中，所述閥(28、30)包括固定至所述關(guān)閉器(28.1)且垂直于所述關(guān)閉器的引導(dǎo)桿(28.2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的燃料電池，其中，每個閥(28、30)均包括與所述閥座抵靠地接觸的所述關(guān)閉器的彈性回復(fù)裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項所述的燃料電池，包括用于使每個泵獨立于其余的一個泵或其余的多個泵而停止的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的一項所述的燃料電池，包括控制所述泵的裝置，投入運行的泵的數(shù)量基于從所述電池所需的運行功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的一項所述的燃料電池，包括質(zhì)子交換膜類型的電化學(xué)電池。
【文檔編號】H01M8/04GK103493272SQ201280020739
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月27日
【發(fā)明者】德爾菲娜·德魯奧特, 皮埃爾·尼弗隆 申請人:法國原子能及替代能源委員會