CN101438442B

CN101438442B - 用于燃料电池的冷却系统

Info

Publication number: CN101438442B
Application number: CN2007800163257A
Authority: CN
Inventors: 马丁·布欣格尔; 亚历山大·贡西奥尔; 马蒂亚斯·格里斯鲍姆
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: US20090068521A1; RU2396642C1; AT503293B1; ES2375869T3; CN101438442A; WO2007128008A1; EP2025029B1; AT503293A4; EP2025029A1; RU2008147846A; ATE537576T1

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池(1)的冷却系统(13)，包括至少一个冷却器(14)、恒温器(18)、用于在冷却回路(16)中传送冷却剂(17)的泵(15)以及均衡容器(20)，其中，为了减小所述冷却剂(17)的电导率，提供去离子树脂(19)，其位于所述均衡容器(20)中，所述均衡容器(20)通过至少一个管道(21)与所述冷却回路(16)连接。为了建立这种冷却系统(13)，其中冷却剂(17)的电导率以简单和经济的方式连续保持在低水平，所述去离子树脂(19)放置在所述均衡容器(20)的内部空间(24)中的容器(22)中，使得所述去离子树脂(19)至少部分沉浸在所述冷却剂(17)中，连接所述均衡容器(20)和所述冷却回路(16)的所述管道(21)可自由接近。

Description

用于燃料电池的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的冷却系统，其包括至少一个冷却器、恒温器、用于传送冷却回路中的冷却剂的泵以及均衡容器，其中，位于均衡容器中的去离子树脂设置用于减小冷却剂的导电性，所述均衡容器通过至少一个管道连接到冷却回路上。

本发明还涉及一种用于燃料电池的冷却系统，其包括至少一个冷却器、恒温器、用于传送冷却回路中的冷却剂的泵以及均衡容器，其中，放置去离子树脂用于减小冷却剂的导电性。

本发明涉及一种燃料电池的冷却系统，其中位于冷却系统中的冷却剂的导电率保持尽可能低(小于50μS/cm)，以便防止在燃料电池的冷却回路中发生次级反应。

背景技术

从专利文献DE 699 25 291 T2中已知一种冷却系统，其包括液体冷却剂用于冷却燃料电池。为了该目的使用的冷却剂的导电率小于50μS/cm。但是，燃料电池中的冷却剂的导电率应该保持尽可能低，以便防止发生不希望的次级反应，例如在冷却系统中腐蚀。为了获得小于5μS/cm的优选导电率，以适当小的维护间隔更换冷却剂，或者采用用于保持冷却剂纯度的装置。

用于保持冷却剂的纯度的优选装置是包含去离子树脂的离子交换树脂单元，该单元安装在冷却系统的回路中。通过离子交换树脂单元中的去离子树脂利用适当高的泵送功率压缩冷却剂来实现。因此，去离子树脂可以从冷却剂中去除离子退化产品，从而降低冷却剂的导电率。

这种系统的缺点在于，离子交换树脂单元集成在冷却系统的冷却回路中，因此导致冷却剂分别存在压力损失和高的流动阻力。为了能够补偿这个高的流动阻力，必须增加使冷却剂在回路循环的泵的功率。这样，泵消耗更多的电功率，减小了燃料电池系统的效率。

还不利的是，该离子交换树脂单元构成了冷却系统中的额外部件，由此增加了冷却系统内潜在的泄漏位置的数量。

另一个缺点在于，为了更换离子交换树脂单元的去离子树脂，必须中断冷却，因此必须中断燃料电池的操作。

日本专利文献JP 2003-346845 A描述了一种用于燃料电池的冷却系统，其中去离子树脂放置在均衡容器中，该均衡容器位于旁路上的冷却系统的外部。为了通过去离子树脂移动一部分冷却剂，设置有额外的泵，这降低了燃料电池系统的整体效率。

日本专利文献JP 2005-032654 A还描述了一种燃料电池系统，其中通过额外泵的辅助来进行冷却剂的去离子。这里，也需要而外的部件来去离子，因此减小了燃料电池系统的效率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种冷却系统，其中冷却剂的导电率以简单且低成本的方式连续保持在低水平。

本发明的这一目的通过下述方式实现：去离子树脂放置在均衡容器的内部空间中的容器中，使得所述去离子树脂至少部分沉浸在冷却剂中，连接均衡容器和冷却回路的管道可自由接近。这里有利的是，通过均衡容器中的去离子树脂，防止了冷却回路中的额外的压力损失或者额外的流动阻力，而不会不利地影响去离子树脂的效果。因此，仅仅需要低功率的泵，由此增加了燃料电池系统的效率，因为降低了燃料电池本身的功率消耗。由于去离子树脂，冷却剂的去离子被以有利的方式实现，均衡容器中的冷却剂比冷却回路中的冷却剂具有明显更低的导电离子浓度。这导致溶度差异被扩散过程均衡，由此冷却剂的电导率可以在长得多的时间段保持在所需的水平。类似地，有利的是，通过这用方式避免了在冷却回路中采用用于对冷却剂去离子的至少一个额外的部件，如果采用这样的部件，潜在的泄漏部位的数量会增加。这种结构防止了去离子树脂的容器不利地影响管道的流速。类似地，可在燃料电池的操作过程中简单地更换容器和容器中的去离子树脂，而不需要中断冷却，因此不需要中断燃料电池的操作。

如果所述管道连接到所述冷却回路的泵的吸入侧上，由于与泵的压力侧相比吸入侧上的压力更低，有利的是，改善了浓度差异的均衡。

如果所述容器通过所述均衡容器的填充开口的螺钉式封闭物被紧固，可以以特别快速和简单的方式更换均衡容器。

本发明的目的还通过如下方式实现，去离子树脂放置在冷却回路中的接收腔室中的容器中。这里有利的是，冷却剂通过接收腔室均匀地流动，由此冷却剂在接收腔室中的流动阻力基本上不会影响燃料电池系统的效率。

有利的是，所述容器通过至少一个撑杆紧固到所述接收腔室上，使得所述冷却剂围绕所述容器流动。

这样，有利的是，所述容器布置和紧固在所述接收腔室的中间。

如果所述容器具有适当的流线设计，则可导致冷却剂在接收腔室中更低的流动阻力。

当至少一个撑杆具有与所述容器的内部空间连接的腔体时，在燃料电池的操作期间，所述容器可填充去离子树脂。

根据本发明的另一个特征，设置至少一个除气管道，用于将所述冷却回路连接到所述均衡容器上。

所述至少一个除气管道与所述管道和所述均衡容器结合形成次级回路，由此加速了均衡容器中的冷却剂和冷却回路中的冷却剂之间的浓度差异的均衡。

通过该经由除气管道形成的次级回路，冷却剂的部分流动被传送到均衡容器。通过这种方式，除了扩散过程，次级回路使得均衡容器中的具有非常低的导电离子浓度的冷却剂与冷却回路中的具有较高导电离子浓度的冷却剂混合，由此加速了浓度差异的均衡。

通过设置在所述均衡容器中的压力释放装置或者通气装置特别是压力释放阀，通过除气管道从冷却回路输送并收集在均衡容器中的气体可以被释放。类似地，由于冷却剂膨胀而导致的均衡容器中的超压力也被均衡。

有利的是，所述去离子树脂包括碱性离子树脂(basic anion resin)和/或混合床树脂(mixed bed resin)。

用于去离子树脂的容器优选由能够渗透冷却剂的材料，特别是也能对所述冷却剂具有耐受性的材料形成，特别是由聚乙烯或者聚丙烯形成。因此，导致导电的正离子和负离子可以从冷却剂中连续取走，导致冷却剂的连续去离子。类似地，可以根据容器的尺寸和形状可以可变地调节以符合均衡容器和冷却系统的要求。

附图说明

以下将通过所附的示意图对本发明进行更为详细的解释，其中：

图1示出了燃料电池的示意性构造；

图2示出了具有根据本发明的冷却系统的燃料电池的示意性构造；

图3示出了具有根据本发明的冷却系统的进一步变型的燃料电池的示意性构造；

图4示出了具有根据本发明的冷却系统的第三变型的燃料电池的示意性构造；以及

图5示出了穿过接收腔室的一部分。

具体实施方式

首先说明，为示例的实施方式的相同部分指定了相同的标号。

在图1中，示出了燃料电池1，其用于分别从氢2和氧3或者空气产生电流。

一般地，燃料电池1是电化学电流发生器，其从化学反应直接产生电流。这通过反转电解分解水来实现，其中通过电流流动形成气体氢2和氧3。

这意味着在燃料电池1中，氢2与氧3反应，由此产生电流。为此，氢2被供应到阳极4，氧3被供应到阴极5，阳极4和阴极5通过电解液6隔开。此外，阳极4和阴极5在其面向电解液6的一侧涂覆有主要由铂形成的催化剂7。这样，氢2可以与氧3反应，这在两个电极阳极4和阴极5的两个分开的单个反应中发生。

阳极4被供应氢2，氢2在催化剂7作用下发生反应，每个氢2分裂成一个氢分子和两个氢原子。一个氢原子具有两个组份，即带负电的电子和带正电的质子。每个氢原子释放其电子。带正电的质子通过电解液6扩散，到达阴极5，该电解液6不能透过带负电的电子。

在氢2供应到阳极4的同时，氧3被供应到阴极5。氧分子在催化剂7处发生反应，分裂成两个氧原子沉积在阴极5。

这样，氢2的带正电的质子和氧原子沉积在阴极5，氢2的带负电的电子沉积在阳极4。这在阴极5导致所谓的电子缺失(electron deficit)，在阳极4导致所谓的电子过剩(electron excess)。这导致在阳极4带负电，阴极5带正电。阳极4因此对应于负电极(-)，阴极5对应于正电极(+)。

现在，如果阳极4和阴极5连接到电导体8上，由于存在电势差，电子将通过电导体8从阳极4迁移到阴极5。这意味着电直流(electric direct current)通过与电导体8连接的用电装置9流动。用电装置9例如可以是由电池形成，其存储产生的电流，或者可以由变换器形成，其将产生的直流变换成交流。

通过电导体8从阳极4向阴极5迁移的两个电子中的每个电子在阴极5由氧原子获取，变成带两个负电的氧离子。这些氧离子与通过电解液6从阴极5扩散到阳极4的氢2的带正电的质子结合成水10。水10在阴极5放电成为所谓的最终反应产品。

也就是说，在燃料电池1的单元11中，氢2与氧3反应，由此产生电流。单元11由阳极4、阴极5、电解液6和催化剂7形成。多个单元11的串联连接组合总体称为堆叠12。

由于在堆叠12的单个单元11中的氢2与氧3的反应，形成了必须被导走的热量。这通过冷却系统13进行，冷却系统13的最简单的形式为包括冷却器14、泵15和冷却回路16。泵15例如沿着箭头所示的方向泵送放置在冷却回路16中的冷却剂17通过燃料电池1的堆叠12。通过这种方式，冷却剂17通过吸收热量从堆叠12将热量带走。然后，冷却回路16中的冷却器14带走冷却剂17中的热量，并将其输送到周围空气，使得冷却剂17又能从堆叠12带走热量。冷却回路16也能被调节，使得如果冷却剂17具有一定的温度，冷却剂17仅流过冷却器14。这个调节通过恒温器18来进行。

由于冷却系统13是燃料电池1的一部分，其受到由单元11产生的电压的作用。这样，重要的是，在单元11之间通过冷却剂17没有明显的电流流动发生。因此，例如，具有低的电导率的完全软化水(去离子水)或者乙二醇和水的混合物用作冷却剂17。

通过使用去离子树脂19来减小冷却剂17的电导率，该去离子树脂19例如包括碱性负离子交换树脂或者混合床树脂。去离子树脂19具有如下效果：吸收通过多个程序(腐蚀，氧化，等)传送到冷却剂17的导电离子(负离子和正离子)。因此，冷却剂17的电导率优选地保持在5μS/cm以下，从而防止降低效率的寄生电流，以及防止导致冷却系统13腐蚀的次级反应。

因此，例如，去离子树脂19结合到专利文献DE 699 26 291 T2中已知的离子交换树脂中，该离子交换树脂中流过冷却剂17。为了实现这点，从单元11获取的导电离子(负离子和正离子)被去离子树脂19从冷却剂17吸收。因此，冷却剂17的电导率可优选地保持低于5μS/cm，从而防止降低效率的寄生电流，以及防止导致冷却系统13腐蚀的次级反应。

根据本发明，去离子树脂19被结合到均衡容器20中。为此，均衡容器20通过管道21与冷却回路16连接。因此，去离子树脂19不直接集成到冷却回路16中，从而去离子树脂19不会导致冷却剂17的高流动阻力，但是去离子树脂19会将冷却剂17的电导率连续保持在低水平。

在图2中，示出了具有均衡容器20的根据本发明的冷却系统13。根据本发明，去离子树脂19位于均衡容器20中，去离子树脂19被填充到容器22中或者填充到袋子或者小袋子中。优选的是，容器22紧固在均衡容器20中，使得容器22通过均衡容器20的填充开口23被导入到均衡容器20的内部空间24中。在容器22的一端，容器22具有突起，容器22通过该突起靠在填充开口23的边缘上。因此，填充开口23例如由容器22封闭。但是，填充开口23也可以通过螺钉式封闭物25来封闭。如果，例如，采用这种螺钉式封闭物25，容器22的具有突起的端部可以被构造成是打开的，使得去离子树脂19可被更换或者以简单的方式重新填充。

通过容器22的也可以被称为“浮动”(floating)的紧固，确保了从均衡容器20的内部空间24到管道24的连接总是可以自由实现，使得在均衡容器20和冷却回路16之间存在永久连接。同样，由此确保了去离子树脂19总是至少部分或者完全沉浸在冷却剂17中，使得容器22中的全部去离子树脂19被利用。为此，均衡容器20的尺寸相适应，使得冷却剂17的体积的改变可以在均衡容器20得到均衡。

根据本发明，容器22由对软化水和冷却剂具有耐受性的材料制成，例如聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)，它们可渗透冷却剂17。该材料例如由编织物或者具有适当网宽的网状物形成，使得去离子树脂19不会离开容器22，冷却剂17能够流过容器22。同样，容器22可以具有小孔，冷却剂17通过这些小孔进入容器22，而去离子树脂19总是保留在容器22中。通过这种构造，去离子树脂19可以以简单的方式结合到冷却系统13中而不需要大的支出，成本合理，因为在容器22没有大的需求，例如抗压力。

因此，去离子树脂19将吸收几乎在容器22的内部空间24中静止的冷却剂17中的导电离子，使得冷却剂17仅仅具有非常低的离子浓度和非常低的电导率。这通过去离子树脂19和冷却剂17之间的扩散过程实现。

但是，冷却回路16中的冷却剂17具有高的离子浓度，因为导电离子一直被堆叠12的单元11占据。原理上，冷却回路16中的冷却剂17难以进入均衡容器20，因为这里的冷却剂17通过泵15在冷却回路16中连续循环。但是，均衡容器20当然也用于均衡当冷却剂17变热时相应的体积增加。如果均衡容器20的体积不足以实现此目的，则均衡容器20具有压力释放安全装置27或者通气装置，即压力释放阀，或者排出阀。均衡容器20中的冷却剂17和冷却回路16中的冷却剂17之间的高的浓度差导致扩散过程。该扩散过程具有如下效果：浓度差通过管道21均衡，因此冷却回路16中的冷却剂17的电导率也降低到所需值。通过在吸入侧29连接到冷却回路16的均衡容器20，泵15的压力侧28和吸入侧29之间的压力梯度辅助实现所述扩散过程。这样，在吸入侧29至少存在轻微的负压力，其被来自均衡容器20的冷却剂17均衡。因此，来自均衡容器20的具有非常低的离子浓度的冷却剂17与冷却回路16中的具有较高离子浓度的冷却剂17混合，由此促进了电导率的降低。所需的压力梯度来自堆叠12中的压力损失。

在实际应用中，管道21的长度和横截面在大多数情况下对冷却剂17的电导率的降低没有明显影响。管道21的长度例如为10cm到50cm，内径大约为10mm到20mm。

扩散过程或者均衡浓度差异过程的时间因素基本上没有影响，因为当不采用去离子树脂19时冷却剂17仅仅在大约一个月后超过限定值(例如50μS/cm)。因此，去离子树脂19的使用使得冷却剂17被连续保持在低水平，并且冷却剂17仅仅在几年之后才需更换。

可以通过采用除气管道26来改进浓度差异的均衡，如图3示意性所示。除气管道26使得冷却器14与均衡容器20连接，并能够去除聚集在冷却回路16中的反应气体。反应气体，氢2和氧3，会进入冷却回路16，因为单元11不是绝对密封，或者反应气体形成为冷却回路16中的次级反应的产物。反应气体优选地集合在冷却器14的出口，在该出口反应气体被与来自冷却回路16的一部分冷却剂17一起通过除气管道26输送到均衡容器20的内部空间24中。通过除气管道26到均衡容器20中的这部分流量大约为冷却回路16中的流量的5％到10％。如果集合在均衡容器20的气体体积太大，或者如果反应气体的压力太高，则反应气体分别从均衡容器20通过压力释放安全装置17或者压力释放阀或排出阀被释放。

除气管道26增强了均衡容器20中的冷却剂17和冷却回路16中的冷却剂17之间的浓度差异的均衡，形成所谓的次级回路。因此，该次级回路由除气管道26、具有去离子树脂19的均衡容器20和管道21形成。通过该次级回路，来自冷却回路16的具有高的离子浓度的冷却剂17与均衡容器20中的具有低的离子浓度的冷却剂17混合。类似地，均衡容器20中的混合的冷却剂17自动通过管道21到达冷却回路16，产生循环，并降低电导率。因此，除了特别是通过管道21的扩散过程之外，为了均衡通过除气管道26的浓度差异，对具有不同离子浓度的冷却剂17进行混合，从而增强浓度均衡。由于次级回路基本上独立于冷却回路16，所以不会增加冷却回路16中的流动阻力。因此泵15的输出不需要增加，以便确保堆叠12的冷却，并因此保持燃料电池系统的净产生能量。

效率和流动阻力没有被容器22减小的原因还在于，由编织物或者网状物形成的容器22基本上是柔性的。因此，容器22能够在均衡容器20的内部空间24内基本上自由运动，因此对次级回路的流动阻力没有或者仅有可忽略的影响。当然，总是确保去离子树脂19完全或者部分沉浸在冷却剂17中。

根据本发明，包含去离子树脂19的容器22也直接设置在冷却回路16中，不会增加流动阻力，从而不会降低燃料电池系统的效率。这例如通过如下方式实现：容器22优选具有根据图4和5所示的流线设计。因此，冷却回路16具有接收腔室30，包括去离子树脂19的容器22布置在该接收腔室30中。例如，容器22可通过两个撑杆31连接到接收腔室30。当然也可以采用更多或者更少的撑杆31。由于容器22的这种固定和构造，基本上不需要增加泵输出，因为流动阻力极低并且冷却剂17可在接收腔室30中根据所示的箭头围绕容器22流动。也可有利地采用根据图4的接收腔室30的形状来实现，该形状对应于容器22的流线形状，并且结构与容器22对应。

根据本发明，接收腔室30一体地结合与冷却回路16中。优选的是，其设置在泵15的压力侧28上，由此冷却剂17以至少稍高的压力通过接收腔室30流动。这导致通过容器22的流动阻力可忽略地低。

为了更换容器中的去离子树脂19，至少一个撑杆31可以例如具有腔体(图中未示出)，该腔体连接到容器22的内部空间32上。优选的是，两个撑杆31都具有腔体，去离子树脂19可以通过一个腔体填充到容器22的内部空间32，去离子树脂19可以通过另一个腔体从容器22的内部空间32排出或者吸走。这样，在这个实施例中，为了更换去离子树脂19，不需要中断燃料电池1的操作，因为去离子树脂19可以从外部重新填充。类似地，确保了冷却剂17的连续去离子。

冷却剂17的去离子基本上对应于前面描述的功能，因此不再详细描述。同样，冷却系统13及其部件例如容器22等的详细描述也可以从上文得出。因此，也可以采用除气管道26。

Claims

1.一种用于燃料电池(1)的冷却系统(13)，包括至少一个冷却器(14)、恒温器(18)、用于在冷却回路(16)中传送冷却剂(17)的泵(15)以及均衡容器(20)，其中，为了减小所述冷却剂(17)的电导率，提供去离子树脂(19)，其位于所述均衡容器(20)中，所述均衡容器(20)通过至少一个管道(21)与所述冷却回路(16)连接，其特征在于，所述去离子树脂(19)位于由能够渗透所述冷却剂(17)的材料形成的容器(22)中，所述容器(22)放置在所述均衡容器(20)的内部空间(24)中，使得所述去离子树脂(19)至少部分沉浸在所述冷却剂(17)中，连接所述均衡容器(20)和所述冷却回路(16)的所述管道(21)可自由接近，从而在所述均衡容器(20)和所述冷却回路(16)之间存在永久连接，使得所述去离子树脂(19)通过在所述去离子树脂(19)和所述冷却剂(17)之间发生的扩散过程减小所述冷却剂(17)的电导率。

2.根据权利要求1所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述管道(21)连接到所述冷却回路(16)的泵(15)的吸入侧(29)上。

3.根据权利要求1或2所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)通过所述均衡容器(20)的填充开口(23)的螺钉式封闭物(25)被紧固。

4.一种用于燃料电池(1)的冷却系统(13)，包括至少一个冷却器(14)、恒温器(18)、用于在冷却回路(16)中传送冷却剂(17)的泵(15)以及均衡容器(20)，其中，为了减小所述冷却剂(17)的电导率，提供去离子树脂(19)，其特征在于，所述去离子树脂(19)放置在位于由能够渗透所述冷却剂(17)的材料形成的容器(22)中，所述容器(22)放置在所述冷却回路(16)中的接收腔室(30)中，使得所述去离子树脂(19)通过在所述去离子树脂(19)和所述冷却剂(17)之间发生的扩散过程减小所述冷却剂(17)的电导率。

5.根据权利要求4所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)通过至少一个撑杆(31)紧固到所述接收腔室(30)上，使得所述冷却剂(17)围绕所述容器(22)流动。

6.根据权利要求5所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)设置和紧固在所述接收腔室(30)的中间。

7.根据权利要求4到6中任一项权利要求所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)具有流线设计。

8.根据权利要求4所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述接收腔室(30)构造成与所述容器(22)相对应。

9.根据权利要求4所述的冷却系统(13)，其特征在于，至少一个撑杆(31)具有与所述容器(22)的内部空间(32)相连接的腔体。

10.根据权利要求1所述的冷却系统(13)，其特征在于，设置至少一个除气管道(26)，用于将所述冷却回路(16)连接到所述均衡容器(20)上。

11.根据权利要求10所述的冷却系统(13)，其特征在于，至少一个除气管道(26)将冷却器(14)连接到所述均衡容器(20)上。

12.根据权利要求10所述的冷却系统(13)，其特征在于，至少一个除气管道(26)与所述管道(21)和所述均衡容器(20)结合形成次级回路。

13.根据权利要求1所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述均衡容器(20)设有压力释放装置(27)或者通气装置。

14.根据权利要求13所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述压力释放装置(27)由压力释放阀形成。

15.根据权利要求1所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述去离子树脂(19)包括碱性离子树脂和/或混合床树脂。

16.根据权利要求1所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)由对所述冷却剂(17)具有耐受性的材料形成。

17.根据权利要求16所述的冷却系统(13)，其特征在于，所述容器(22)由聚乙烯或者聚丙烯形成。