CN100530799C - 具有内置于堆叠体中的热交换器的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有热交换器的燃料电池包括发生将燃料的化学能转换为电的化学反应的堆叠体和排出在堆叠体中的能量转换过程期间产生的热量的热交换器，该热交换器内置于设置在堆叠体端部上的一对端板中的至少之一，装有热交换器的端板包括：冷却水储存器，其用于临时储存在堆叠体中循环的冷却水；和二次冷却水流动通道，冷却水储存器包括：二次冷却水流动通道经过的第一冷却水储存器；储存通过与二次冷却水流动通道接触而被冷却的冷却水的第二冷却水储存器；和有选择地开启和封闭连通第一和第二冷却水储存器的流动通道的电磁阀。因此，该燃料电池所占用的空间可以减小到传统外部安装型热交换器的大约一半。

Description

具有内置于堆叠体中的热交换器的燃料电池
技术领域
本发明一般涉及燃料电池，更具体地说，涉及包括具有内置式(build-in)热交换器的堆叠体(stack)的燃料电池，该热交换器具有减小燃料电池空间占有率的结构。
背景技术
一般而言，燃料电池是通过化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置，并且是一种只要提供燃料就可以发电的发电体。
图1是一种典型的燃料电池发电的原理示意图，图2是具有热交换器的传统燃料电池的透视图，图3的分解透视图示出了包括于燃料电池堆叠体中的单元电池10的材料循环部分的结构。参考图1，将含有氧的空气提供给阴极1和将含有氢的燃料提供给阳极3时，通过电解质膜2发生的水电解的逆反应产生电。但是，单元电池10产生的电压通常不够高，因而无法使用。因此，如图2所示，在堆叠体20中设置多个单元电池10，这些单元电池10呈串联连接。如图3所示，在堆叠体20中堆叠的每一电池10中包括用于向每一电极1和3提供氢或氧、并回收氧或氢的表面流动通道4a。因此，如图2所示，当通过堆叠体20的端板21提供氢或氧时，相应的材料通过每一电池10相应的流动通道循环到每一电极。当然，如上所述，提供氢作为化学燃料，而氧由空气提供。
在电化学反应期间，不仅发电，还产生热。因此，为了使燃料电池保持平稳的工作，必须不断地排出热。为此，如图2所示，在燃料电池中设有热交换器30，并且在堆叠体20的每五-六个单元电池10中形成用于流过交换热能的冷却水的冷却板5。于是，冷却水在流过冷却板5的流动通道5a(参见图3)的同时吸收来自堆叠体20的热量。已吸热的冷却水在热交换器30中被二次冷却水冷却，并通过堆叠体20再循环。这时，冷却水的循环是通过从周围吸热的沸水的自然对流来实现的，而不是通过另外的循环力来实现。附图标记40表示测量进入热交换器30的冷却水温度的热传感器，附图标记50表示开启和封闭从热交换器30到堆叠体20的流动通道的电磁阀。在正常工作期间，电磁阀50开启，以使冷却水循环，但是，若进入热交换器30的冷却水温度太低，电磁阀50封闭流动通道，致使堆叠体20中的冷却水温度上升。之后，当堆叠体20中的冷却水温度上升到预定水平时，电磁阀50开启。通过控制器(未示出)自动控制电磁阀50的开启和封闭。
但是，在传统的燃料电池结构中，堆叠体20和热交换器30分开安装。因此燃料电池的总体积大，因而占用的空间大。换句话说，由于堆叠体20和热交换器30两者都需要分别占用分开的空间，所以在使用这种燃料电池的装置中安装燃料电池所需的空间增加。这是应用传统燃料电池的缺点。而且，冷却水的流动通道长度也随着燃料电池的体积增加而增加，因而使热损耗增加。
所以，需要开发具有紧凑结构的新的冷却系统的燃料电池，以克服所述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有更小空间占有率并且可以平稳地实现冷却和发电功能的燃料电池。
根据本发明的一方面，提供一种燃料电池，该燃料电池包括发生将燃料的化学能转换为电的化学反应的堆叠体和排出在堆叠体中进行能量转换过程期间产生的热量的热交换器，其中该热交换器被安装在至少一块装于堆叠体上的板中。
可将热交换器安装在设于堆叠体端部上的一对端板的至少一块中。
该热交换器可包括：用于临时储存在堆叠体中循环的冷却水的冷却水储存器；和二次冷却水流动通道，该二次冷却水流动通道经过冷却水储存器，并使与流过的冷却水进行热交换的二次冷却水流过。
该热交换板可包括：用于临时储存在堆叠体中循环的冷却水的冷却水储存器；和二次冷却水流动通道，该二次冷却水流动通道经过冷却水储存器，并使与冷却水进行热交换的二次冷却水流过。
冷却水储存器可以包括：二次冷却水流动通道经过的第一冷却水储存器；储存通过与二次冷却水流动通道接触而被冷却的冷却水的第二冷却水储存器；和有选择地开启和封闭连接第一和第二冷却水储存器的流动通道的电磁阀。
附图说明
通过参考附图详细说明本发明的示例性实施方式，本发明的上述和其它特点及优点将更加清晰。附图中：
图1是典型燃料电池的发电原理的示意图；
图2是具有热交换器的传统燃料电池的透视图；
图3的分解透视图示出了包括于燃料电池堆叠体中的单元电池的材料循环部分的结构；
图4是具有本发明一实施方式的内置式热交换器的燃料电池的透视图；
图5是具有本发明另一实施方式的内置式热交换器的燃料电池的透视图；
图6A和6B是具有本发明其它实施方式的内置式热交换器的燃料电池的横截面图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明的示例性实施方式的附图更加详细地说明本发明。
图4是具有本发明一实施方式的内置式热交换器的燃料电池的透视图。
参考图4，本发明一实施方式的燃料电池包括内部串联连接了多个单元电池10的堆叠体100，在这些单元电池10中发生将燃料的化学能转换为电能的化学反应。在堆叠体100中的不同位置安装具有流过冷却水的多个流动通道的冷却板5。流过冷却板5的冷却水吸收能量转换过程产生的热量。可以为每一单元电池10安装一块冷却板5，也可以为每五-六个单元电池10安装一块冷却板5，如图4的实施方式所示。可将在冷却已吸热的冷却水之后的冷却水循环到冷却板5的热交换器200安装在装于堆叠体100端部的端板110中，而不象现有技术那样安装在堆叠体100的外侧。详细结构如下。
在端板110中设置连通冷却板5的流动通道5a的冷却水储存器111。冷却水储存器111是通过在其中形成凹槽而在端板110的表面设置的水容纳空间，其包括第一冷却水储存器111a和第二冷却水储存器111b，在第一冷却水储存器中，通过与二次冷却水交换热能而冷却已吸热的冷却水，在第二冷却水储存器111b中储存已冷却的冷却水。电磁阀112安装在第一和第二冷却水储存器111a和111b之间。控制电磁阀112，使得当电磁阀112开启时，第一冷却水储存器111a中的冷却水通过第二冷却水储存器111b循环到堆叠体100中的冷却板5，而当电磁阀112封闭时，临时停止循环。
附图标记114表示用于与第一冷却水储存器111a的冷却水交换热量的二次冷却水的流动通道。二次冷却水在流过流动通道114的同时与第一冷却水储存器111a的冷却水进行热交换。
当具有内置于端板110中的热交换器200的燃料电池工作时，在堆叠体100的每一单元电池10中发生将燃料的化学能转换为电能的化学反应。这时，在冷却水通过冷却板5循环时，冷却水通过吸收由能量转换反应产生的热量而使堆叠体100冷却。已吸热的冷却水进入设于端板110中的冷却水储存器111的第一冷却水储存器111a，并且通过与二次冷却水接触而被冷却。如果电磁阀112开启，已冷却的冷却水进入第二冷却水储存器111b，并通过冷却板5循环。但是，如果热传感器113检测到进入第一冷却水储存器111a的冷却水的温度太低，控制阀(未示出)关闭电磁阀112，临时停止循环。随着堆叠体100中的温度上升冷却水的温度上升时，通过开启电磁阀112使冷却水再循环。
因为热交换器200不是燃料电池的附加装置，而被内置于堆叠体100的端板110中，与传统燃料电池相比，具有上述结构的燃料电池可以大大减小燃料电池所占用的空间。考虑到通常堆叠体和热交换器具有几乎相同的尺寸，所以实现将热交换器200内置于堆叠体100中可以使占用的空间减小大约50％。而且，在热交换能力方面与具有传统的外部安装型热交换器的燃料电池没有明显的差别。以下表格1列出了传统的外部安装型热交换器30(如图2所示)和本发明一实施方式的内置式热交换器200的冷却水温度、发电量和热回收的测量值。
表1
项目  传统(外部安装型热交换器)  本发明(内置式热交换器)
  热交换器入口处的冷却水温度(℃)   151.3   150.7
  热交换器出口处的冷却水温度(℃)   147.5   60.8
  热交换器入口处的二次冷却水温度(℃)   22.8   23.2
  热交换器出口处的二次冷却水温度(℃)   63.2   68.7
  二次冷却水的流速(lpm)   0.17   0.18
  发电量(W)   605   605
  热回收(W)   480.76   573.3
  热损耗(W)   124.24   31.7
参考表1，当燃料电池工作以获得相同的发电量时，从其热回收和热损耗数据中可看出，本发明一实施方式的内置式热交换器显示出比传统外部安装型热交换器更好的热交换能力。这是因为本发明一实施方式的内置式热交换器的热交换器200被构造为具有堆叠体100，因而可以减小流动通道的长度。因此，可减小损耗的热量。
所以，可获得体积更小并且热交换能力更好的燃料电池。
参考图4，本发明一实施方式的图4的燃料电池包括设置于堆叠体100两端的两块端板110之一中的一个热交换器200，当然，本发明不限于此。也就是说，热交换器200可以安装在两块端板110上。同样，通过形成凹槽设置于端板110的一表面上的空间可以用作冷却水储存器111，或者设置于端板110的另一表面上的空间可以用作冷却水储存器111。还有一些改型也落入本发明的范围内。
在上述实施方式中，传统端板110用作热交换器200的外壳。但是，可以通过在堆叠体100中形成附加的热交换板120而创新地构成热交换器。
图5是具有本发明另一实施方式的内置式热交换器的燃料电池的透视图。如图5所示，可将具有包括第一和第二冷却水储存器121a和121b的冷却水储存器121以及用于连通流动通道的电磁阀122的热交换板120安装在设置单元电池10的堆叠体100的中心，致使在通过热交换板120的冷却水储存器121循环的同时，从堆叠体100吸收热量的冷却水可以和二次冷却水进行热交换。而且在这种情况下，由于热交换器内置于堆叠体100中，所以尽管添加了热交换板120，空间减小效果仍可与前述实施方式几乎相同。
除了所述结构外，可将热交换板120设置在接近端板110的堆叠体100端部，如图6A所示，或者可以设置在堆叠体100的两端，如图6B所示。这两种情况都是热交换器内置于堆叠体100中的燃料电池的实例。当适当地采用这些结构的装置时，可用具有占用空间更小的燃料电池进行发电，并且可高效地实现冷却。
本发明的燃料电池具有以下优点。
第一，本发明燃料电池的安装空间比具有外部安装型热交换器的传统燃料电池的安装空间小约50％。
第二，冷却水的流动通道长度减小，因而可以实现隔热和减小热损耗。
第三，由于本发明的燃料电池结构简单，所以制造和安装都很方便。
尽管上面已结合示例性实施方式具体示出和说明了本发明，但是本领域技术人员可以理解，在不超出所附权利要求限定的本发明的构思和范围的前提下，可对在形式和细节方面对本发明作出各种变换。

Claims (2)

1、一种燃料电池，包括：
发生将燃料的化学能转换为电的化学反应的堆叠体；和
排出在所述堆叠体中能量转换过程期间产生的热量的热交换器，
其中，该热交换器被安装在装于所述堆叠体上的至少一块板中，
其中，装有所述热交换器的所述板是设置在所述堆叠体端部上的一对端板中的至少之一，
装有所述热交换器的端板包括：冷却水储存器，其用于临时储存在所述堆叠体中循环的冷却水；和二次冷却水流动通道，该二次冷却水流动通道经过所述冷却水储存器，并使与冷却水进行热交换的二次冷却水流过，
其中，所述冷却水储存器包括：
二次冷却水流动通道经过的第一冷却水储存器；
储存通过与所述二次冷却水流动通道接触而被冷却的冷却水的第二冷却水储存器；和
有选择地开启和封闭连通所述第一和第二冷却水储存器的流动通道的电磁阀。
2、一种燃料电池，包括：
发生将燃料的化学能转换为电的化学反应的堆叠体；和
排出在所述堆叠体中能量转换过程期间产生的热量的热交换器，
其中，该热交换器被安装在装于所述堆叠体上的至少一块板中，
其中，所述装有热交换器的板是安装在所述燃料电池堆的端板之间的热交换板，所述热交换板包括：冷却水储存器，其用于临时储存在所述堆叠体中循环的冷却水；和二次冷却水流动通道，该二次冷却水流动通道经过所述冷却水储存器，并使与所述冷却水交换热量的二次冷却水流过，所述冷却水储存器包括：
二次冷却水流动通道经过的第一冷却水储存器；
储存通过与二次冷却水流动通道接触而被冷却的冷却水的第二冷却水储存器；和
有选择地开启和封闭连通第一和第二冷却水储存器的流动通道的电磁阀。
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