CN101064369A - 适合低温启动的无端板燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种适合低温启动的无端板燃料电池堆，包括膜电极、双极板、集流引线板、电绝缘隔板和紧固圆圈，一块电绝缘隔板和一对集流引线板组成一组电流输出机构。膜电极、楔形双极板和电流输出机构围成一个圆筒形燃料电池堆，并通过两个紧固圆圈紧固成一体。还包括分别连接在圆筒形燃料电池堆上下两轴端的上端盖板和下端盖板，上端盖板和下端盖板内设有氢气或/和空气或/和冷却液的流腔，并设有相应的流体进、出口。本发明的电池堆中不存在常规电池堆中的笨重的电池端板，取而代之的是紧固圆圈，可以非常轻巧；电池堆内膜电极各处受力非常均匀，不存在端板变形问题；电池堆的首末端电极水热平衡好，同其它内部电极基本一致；适合零度以下低温冷启动。

Description

适合低温启动的无端板燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种适合低温启动的无端板燃料电池堆。
背景技术
燃料电池低温冷启动和低温下运行是国际上一项比较前沿的课题，因为燃料电池冷启动性能直接影响燃料电池的实用化程度，影响其使用范围。
对于常规燃料电池发电系统而言，燃料电池运行需要水增湿，而且燃料电池堆的冷却都需要水冷却。因而在温度低于零度的情况下，燃料电池的低温冷启动变得非常困难。如果燃料电池的水管理不好，在温度低于零度下启动，往往会造成电池系统不能正常启动。零度下，电池系统内易结冰，有的情况下会给系统造成永久性的损害。
美国专利6699612中提出了一种电池系统，该系统中有一个循环的防冻液乙二醇冷却燃料电池产生的热量。同时冷冻液还在热交换器中同燃料气混合，移去燃料中的水分。系统中还有除水机构以及时除去冷冻液中的水，用来保证冷冻液的浓度。不难看出，该系统非常复杂。
美国专利6727013中提出了一种保持燃料电池温度的方法，该方法主要是利用燃料电池设备在待机状态时的温度维持，该方法是利用外加热系统给燃料电池堆加热的。主要采用电阻负载加热，然后通过风扇将热风吹到燃料电池堆上面。可以看出，为了保证燃料电池堆的温度，系统中应不断消耗能量。专利中并没有涉及燃料电池的低温启动情况。
美国专利6746789中提出了一种方案，主要是利用外接催化反应器，在低温下，将氢气和空气直接冷燃烧产生热量和水分然后提供给燃料电池的空气阴极或阳极。燃料电池系统采用空气做氧化剂和冷却剂，因而可以简化电池系统，并提高燃料电池的低温启动性，不过系统也比较复杂。
美国专利7014935中提出了一种解决燃料电池堆中的两个端电池存在的问题的方法。在电池运行过程中，尤其是低温启动运行过程中，燃料电池堆中的两个端电池因为水热等因素的影响，容易出现水热不均问题。专利中提出对两端的电池进行处理，提高电池的抗腐蚀性，从而提高电池堆的低温可操作性。专利中只是提高端电池的抗腐蚀性，并没有从根本上解决燃料电池堆中的两个端电池的水热不均问题。
美国专利6764786中提到了一种燃料电池堆特殊燃料引线板和端板。专利中指出，燃料电池堆的端板常常是厚的金属板，比较笨重和比较昂贵，而且有高的热容和容易散失热量。在燃料电池堆在运行温度比较低或者在低温启动时，端板处的电池散热容易，性能较差，影响燃料电池的低温启动速度，而且低温下启动时容易反压，造成永久性损伤。专利中提出了一种高强度、低热容低散热端板，部分解决了燃料电池堆在低温启动和低温运行时所产生的问题。
美国专利6824901中提出了在燃料电池堆的端电池和端板之间加上多孔热绝缘板的方法解决燃料电池低温快速冷启动所带来的问题。专利中提到的热绝缘板为多孔石墨板，空隙率为50-75％。但毕竟采用多孔石墨板隔热效果有限，只是部分阻隔了端电池向端板的传热，因而该方法只是部分解决了燃料电池系统的低温快速启动。
在美国专利5595834提出了一种圆筒形电池堆，其特征在于每个电池的极板都是圆形的片，而且电池有隔板延伸一定的距离用来散热。体积比较大，而且端面电池同内部电池存在水热不平衡，尤其在比较低的温度下更是这样。
美国专利5470671描述了一种圆筒形燃料电池堆，其中电池的所有阴极侧布置在电池装置的圆周上，向大气散热。该技术缺点在于不能采用传统电池堆结构，体积大，而且电池电压比较低。电池功率比较小。
美国专利5595834描述了一个圆筒型燃料电池，体积非常紧凑。是由电池极板同电池叠在一起而成的。因为散热等问题，该电池很难在比较高的环境温度下运行。因为该电池堆中存在两端电池，因而该电池低温下启动也会存在端电池水热不均衡等问题而影响其低温启动性能。
综观上述燃料电池的专利技术，可以看出燃料电池低温启动主要有：换用抗冻介质；靠外部加热；对电池堆中的端电池进行特殊处理或提高整个电池堆的水热管理，尤其是端电池水热均衡情况对燃料电池的快速低温冷启动影响比较大。
对于燃料电池低温冷启动而言，最简单而且比较理想的方法是将燃料氢气和空气直接加入到燃料电池系统中，对电池在比较低的电压下运行，使电池本身产生的热量迅速加热燃料电池堆，实现燃料电池堆的低温冷启动。不必借助外在的辅助加热装置。实际上，降低燃料电池系统增湿是一种非常好的低温启动的方法。如美国专利6746789中提到的情况，降低增湿，采用空气冷却燃料电池可以降低燃料电池系统复杂程度。
然而，空气冷却燃料电池目前主要存在电池堆功率密度较低，功率范围比较小，一般功率范围在几百瓦，比较少的有几千瓦级燃料电池，大的空气冷却燃料电池主要存在电池堆集成比较困难，而且，系统功率比较低，一般为100-150W/L。对于大型空气冷却燃料电池堆，比如功率在几千瓦到十几千瓦的电池堆更难见到。所以大型燃料电池一般采用水或冷冻液做冷却介质。而且，一般的空气冷却型燃料电池也存在端电极的水热均衡问题。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供一种适合低温启动的无端板燃料电池堆。
本发明的目的是这样实现的：一种适合低温启动的无端板燃料电池堆，包括多个膜电极、多个双极板、至少一对集流引线板、至少一个电绝缘隔板和两个紧固圆圈，所述的多个双极板为楔形双极板，楔形双极板上设有空气流场、氢气流场和冷却流体流场，所述的至少一对集流引线板和至少一个电绝缘隔板通过将一块电绝缘隔板夹在一对集流引线板之间，组成至少一组电流输出机构；所述的多个膜电极、多个楔形双极板和至少一组电流输出机构围成一个圆筒形燃料电池堆，并通过两个紧固圆圈紧固成一体，还包括分别连接在所述圆筒形燃料电池堆上下两轴端的上端盖板和下端盖板，所述的电绝缘隔板为平面结构或楔形结构件，厚度为0.01-3mm；所述的上端盖板和下端盖板内设有氢气或/和空气或/和冷却液的流腔，并设有相应的流体进、出口。
所述的楔形双极板可以是一片整体的楔形双极板，也可以由两片楔形单极板组合而成，或是由一片楔形单极板加上一片平面单极板构成，或是由两片平面单极板和一片楔形板构成。
所述的楔形双极板可由金属板、石墨板、柔性石墨板中的一种或两种组成。
所述的电流输出机构为一组，该组电流输出机构设置在圆筒形燃料电池堆的第一片单电池和最后一片单电池之间。
所述的电流输出机构为两组或两组以上，各组电流输出机构分别设置在圆筒形燃料电池堆的不同位置，将燃料电池堆中的多个单电池平分为相应的两个或两个以上的电池组。
所述的紧固圆圈的内孔依次由直孔和喇叭形孔两部分组成，两个紧固圆圈分别紧套在圆筒形燃料电池堆的两端，通过多套紧固螺母和紧固螺杆拉紧，利用紧固圆圈喇叭形孔逐渐收缩的圆面使圆筒形电池堆端部进入紧固圆圈的直孔部分，从而将电池堆中的多个膜电极和多个双极板收紧。
所述的紧固圆圈的内孔为直孔，两个紧固圆圈分别直接套在已经收紧的圆筒形燃料电池堆的两端。
所述的多个楔形双极板中，与集流引线板相邻的楔形双极板的厚度可小于其它楔形双极板的厚度。
所述的圆筒形燃料电池堆外围包有一圈空气过滤器，所述的圆环形上端盖板外侧安装有风扇。
本发明一种适合低温启动的无端板燃料电池堆由于采用了以上技术方案，使其与现有技术相比，具有以下的优点和特点：
1、电池堆中不存在常规电池堆中的笨重的电池端板，取而代之的是紧固圆圈，可以非常轻巧。
2、电池堆中的双极板是楔形的，不同于常规燃料电池的平面双极板。由一块电绝缘隔板夹在一对集流引线板之间，组成一组电流输出机构，两个集流引线板靠的很近，只有一个电绝缘隔板相隔。电池堆中一般设有一组以上的电流输出机构。电池堆增流降压容易，集成度高。
3、电池堆内膜电极各处受力非常均匀，不存在端板变形问题。常规电池堆因端板强度的原因会有一定的端板变形，导致膜电极在平面方向上受力不均。
4、电池堆的首末端电极水热平衡非常好，同其它内部电极基本一致，适合零度以下低温冷启动。
5、空气冷却形电池堆的流槽一般为楔形结构，这样可以减少空气冷却流槽气阻，增加气体冷却传热面积，有利于热交换和提高电池堆内热分布均匀性。
6、电池堆功率范围扩展迅速，功率和体积尺寸成3次方关系。例如：对于直径和筒高为8cm的电池，若其功率为120W，对于圆筒直径为和高为16em的电池，其功率将达到1kW。对于圆筒直径为和高为32em的电池堆，其功率将达到8kW。结构紧凑，电池堆及系统在很大的功率范围内都可以保持高的功率密度。常规电池堆功率增加一般在一维方向上增加，在二维或三维空间中增加时集成度将会降低。
7、楔形双极板和膜电极相互压紧在一起，加上其特有的楔形结构，电池堆具有强的抗击震动，撞击等外界力量的能力。
8、楔形双极板的流槽一般为贯通槽，制作成本极低，非常适合批量化生产。
9、电极采用常规的长方形结构，材料利用率非常高。
10、电池堆的空气过滤器可以直接设在圆筒电池堆的外部，具有高的系统集成度。
附图说明
图1为本发明一种适合低温启动的无端板燃料电池堆的一实施例整体结构示意图；
图2为本发明中的楔形双极板的一个实施例的立体结构示意图；
图3为本发明中的一组电流输出机构的立体结构示意图；
图4本发明中的楔形双极板的另一个实施例的立体结构分解示意图；
图5为本发明一种适合低温启动的无端板燃料电池堆的第二实施例整体结构示意图；
图6为含有本发明的燃料电池堆及辅助系统的基本结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明一种适合低温启动的无端板燃料电池堆，包括多个膜电极1、多个楔形双极板2、至少一对集流引线板3、至少一个电绝缘隔板4、两个紧固圆圈5、上端盖板6、下端盖板7和离心风机8。其中，一块电绝缘隔板4夹在一对集流引线板3之间，组成一组电流输出机构。多个膜电极1、多个楔形双极板2和至少一组电流输出机构围成一个圆筒形燃料电池堆，并通过两个紧固圆圈5紧固成一体。上端盖板6和下端盖板7分别连接在圆筒形燃料电池堆的上下两轴端，电绝缘隔板4为平面结构(也可以为楔形结构件)，厚度为0.05mm(一般在0.01-3mm之间)。上端盖板6和下端盖板7上设有氢气流腔，在上端盖板6侧面设有氢气进口9，在下端盖板7侧面设有氢气出口10。在本实施例中，电流输出机构为一组，该组电流输出机构设置在圆筒形燃料电池堆的第一片单电池和最后一片单电池之间。
本发明中的楔形双极板可由金属板、石墨板、柔性石墨板中的一种或两种组成。可以是一片整体的楔形双极板，也可以由两片楔形单极板组合而成，或是由一片楔形单极板加上一片平面单极板构成，或是由两片平面单极板和一片楔形板构成。在电池堆的所有楔形双极板中，与集流引线板相邻的楔形双极板的厚度可小于其它楔形双极板的厚度。参见图2，图2为本发明中的楔形双极板2的一个实施例的立体结构示意图，在本实施例中，楔形双极板2的两面分别设有空气流场和氢气流场，空气流场包括多条沿楔形双极板的表面径向贯通的空气流槽，多条空气流槽的深度可相应于楔形双极板的厚度由薄变厚而由浅变深，也可以整条槽深度均一。氢气流场包括多条沿楔形双极板的表面轴向贯通的氢气流槽。图2中所示，21为空气流槽，22为槽肩，23为密封线槽，氢气流槽在图中不可见。
参见图3，图3为本发明中的一组电流输出机构的立体结构示意图。本发明中的电流输出机构由一块电绝缘隔板4夹在一对集流引线板3之间组成，在一个燃料电池堆中，这种电流输出机构至少有一组。当采用一组电流输出机构时，该组电流输出机构设置在圆筒形燃料电池堆的第一片单电池和最后一片单电池之间。当采用两组或两组以上电流输出机构时，各组电流输出机构分别设置在圆筒形燃料电池堆的不同位置，将燃料电池堆中的多个单电池平分为相应的两个或两个以上的电池组。
参见图4，图4本发明中的楔形双极板的另一个实施例的立体结构分解示意图，图中所示，1为膜电极。在本实施例中，楔形双极板2由两片楔形单极板2A、2B组成，其中，楔形单极板2A的一个侧面设有反应空气流场(面向膜电极)，另一个侧面设有冷却空气流场，楔形单极板2B的一个侧面设有氢气流场(面向膜电极)，图中的2A’是由2A旋转一个角度的形状，目的是为了展示另一面的反应空气流场，在组装时，是将楔形单极板2A有冷却空气流场的一面与楔形单极板2B没有流场的一面贴合。
参见图5，图5为本发明一种适合低温启动的无端板燃料电池堆的第二实施例整体结构示意图；该实施例采用了如图4所示的双极板。由200片这种双极板2、相应数量的MEA、两组电流输出机构(每组含两块集流引线板3和一块电绝缘隔片)，围成直径为340×340mm，中空部分为220×340mm的10KW圆筒形燃料电池堆。其中双极板长度为340mm，MEA有效面积为180cm2。其中冷却空气流槽同反应用空气流槽分开的。在电池堆的上端盖板6上设有反应空气进口11并安装有散热风扇8，在电池堆的下端盖板7上设有反应空气出口12。在该圆筒形燃料电池堆中，存在两组电流输出机构，将燃料电池分为两个电池组，这样可降低电池堆的输出电压，增加电池堆的输出电流。
本发明中的紧固圆圈5的结构可以有两种形式，一种是其内孔依次由直孔和喇叭形孔两部分组成。这种结构的紧固圆圈在套入圆筒形燃料电池堆时，是通过多套紧固螺母和紧固螺杆拉紧，利用紧固圆圈喇叭形孔逐渐收缩的圆面使圆筒形电池堆端部进入紧固圆圈的直孔部分，从而将电池堆中的多个膜电极和多个双极板收紧。另一种紧固圆圈的内孔为直孔，这种结构的紧固圆圈在套入圆筒形燃料电池堆时，是分别直接套在已经收紧的圆筒形燃料电池堆的两端。
参见图6，图6为含有本发明的燃料电池堆及辅助系统的基本结构示意图。本实施例中燃料电池堆中的双极板长度为400mm，MEA有效面积为240cm2。采用240片双极板、相应数量的MEA和一组电流输出机构围成25kW圆筒形燃料电池堆。辅助系统包括31储氢罐、减压阀32、汽水分离器33、氢气循环泵34、电磁阀35、空气过滤器36、空气风机37、液体循环泵38、散热片和散热风扇39。其中，空气过滤器36位于电池堆周围，将电池堆围拢。
我们对采用本发明的无端板燃料电池堆组成的发电系统进行了低温冷启动测试。其中，燃料电池堆中的双极板由两个单极板组合而成，一个单极板是平面柔性石墨板，另一个单极板是楔形石墨板，楔形石墨板上设有兼具反应和散热功能的空气流槽。用这种双极板80片、相应数量的MEA(MEA有效面积为52cm2)和一组电流输出机构围成直径为180×160mm、中空部分为100×160mm的1.2kW圆筒形燃料电池堆。低温冷启动测试过程如下：发电系统冷启动温度为-18℃，通过控制电路板将氢气进口电磁阀，出口电磁阀打开；氢气充满电池堆后关闭氢气出口电磁阀；此时电池堆产生的电能足以带动风机运转，提供给电池堆反应所需最小量的空气；给燃料电池加上比较大的负载，一般维持单电池的电压为0.2V和提供瞬时短路等操作；电池堆内大量发热，升温迅速。在30s内电池堆升温到达到0℃以上。我们对该电池堆进行了100次以上的低温冷启动，各片电池工作正常，没有观察到电池性能下降的现象。

Claims (9)

1、一种适合低温启动的无端板燃料电池堆，包括多个膜电极、多个双极板、至少一对集流引线板、至少一个电绝缘隔板和两个紧固圆圈，所述的多个双极板为楔形双极板，楔形双极板上设有空气流场、氢气流场和冷却流体流场，所述的至少一对集流引线板和至少一个电绝缘隔板通过将一块电绝缘隔板夹在一对集流引线板之间，组成至少一组电流输出机构；所述的多个膜电极、多个楔形双极板和至少一组电流输出机构围成一个圆筒形燃料电池堆，并通过两个紧固圆圈紧固成一体，其特征在于：还包括分别连接在所述圆筒形燃料电池堆上下两轴端的上端盖板和下端盖板，所述的电绝缘隔板为平面结构或楔形结构件，厚度为0.01-3mm；所述的上端盖板和下端盖板内设有氢气或/和空气或/和冷却液的流腔，并设有相应的流体进、出口。
2、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的楔形双极板可以是一片整体的楔形双极板，也可以由两片楔形单极板组合而成，或是由一片楔形单极板加上一片平面单极板构成，或是由两片平面单极板和一片楔形板构成。
3、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的楔形双极板可由金属板、石墨板、柔性石墨板中的一种或两种组成。
4、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的电流输出机构为一组，该组电流输出机构设置在圆筒形燃料电池堆的第一片单电池和最后一片单电池之间。
5、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的电流输出机构为两组或两组以上，各组电流输出机构分别设置在圆筒形燃料电池堆的不同位置，将燃料电池堆中的多个单电池平分为相应的两个或两个以上的电池组。
6、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的紧固圆圈的内孔依次由直孔和喇叭形孔两部分组成，两个紧固圆圈分别紧套在圆筒形燃料电池堆的两端，通过多套紧固螺母和紧固螺杆拉紧，利用紧固圆圈喇叭形孔逐渐收缩的圆面使圆筒形电池堆端部进入紧固圆圈的直孔部分，从而将电池堆中的多个膜电极和多个双极板收紧。
7、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的紧固圆圈的内孔为直孔，两个紧固圆圈分别直接套在已经收紧的圆筒形燃料电池堆的两端。
8、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的多个楔形双极板中，与集流引线板相邻的楔形双极板的厚度可小于其它楔形双极板的厚度。
9、如权利要求1所述的适合低温启动的无端板燃料电池堆，其特征在于：所述的圆筒形燃料电池堆外围包有一圈空气过滤器，所述的圆环形上端盖板外侧安装有风扇。
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