CN103956512A - 一种被动排热燃料电池堆 - Google Patents

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张建琴
王涛
孙毅
张伟
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Abstract

本发明公开了一种被动排热燃料电池堆，该电池堆包含依次紧贴并列设置的第一端板、第一集流板、单极板组件、膜电极组件、若干重复单元、氢气流场板、第二集流板以及第二端板；单极板组件包含紧贴并列设置的排热板和氧气流场板；重复单元包含紧贴并列设置的双极板组件和膜电极组件；双极板组件包含紧贴并列设置的氢气流场板、排热板和氧气流场板，或包含紧贴并列设置的氢气流场板、和氧气流场板。本发明提供的被动排热燃料电池堆，实现了被动排热功能，无液体冷却剂循环回路，可省去常规电池堆结构所需的冷却剂循环泵，从而使系统部件数量减少，无运动部件，可显著提高系统的可靠性和降低能耗。

Description

一种被动排热燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，具体地，涉及一种内置有被动排热组件的被动排热燃料电池堆。
背景技术
燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种将燃料化学能通过电化学方式直接转换为电能的新型发电装置，具有能量转换率高、无污染、原料来源丰富等优点，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电技术。作为新一代的发电技术，燃料电池可广泛应用于便携式移动电源、电动汽车、发电站、航空航天和军用舰船等各个方面。
质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是燃料电池中的一种，其电解质由固态聚合物膜制成，所以又叫固态聚合物电解质燃料电池（SPEFC）或固态聚合物燃料电池（SPFC），具有功率密度高、工作温度低（＜100℃）、寿命长等优点，是目前研究最广泛的燃料电池。一套PEMFC发电装置或系统由燃料电池堆及其相应的辅助系统构成。燃料电池堆是化学能转换为电能的功率转换单元，辅助系统为电池堆提供相应的反应介质和水、热管理，以保证电池堆有效的工作。
以氢为燃料、氧为氧化剂是燃料电池最理想的反应物，氢氧燃料电池工作时通过氢、氧电极反应将化学能转换为电能的同时伴随废热产生，产生的热量约占氢氧反应化学能的40%~60%，因此，氢氧燃料电池工作时产生的热量应及时排出，废热的排出速率应等于产生速率，以防止因热量聚集，电池堆温度升高而损坏电池材料或组件。对燃料电池堆进行合理的热管理是其有效工作的重要保障。
PEM燃料电池堆由膜电极组件（MEA）和双极板组件重复堆叠而成，其中双极板组件依次由氧气流场板、冷却板、氢气流场板组成。目前，通常的做法是在冷却板上加工出沟槽式流道，从流道中流过冷却剂以强制对流方式与冷却板换热，热量通过冷却剂带出电池堆外。这种电池堆排热方式需要一个冷却剂循环回路，回路中包含冷却剂泵、冷却剂贮箱、换热器等设备，电池堆排热过程中需要消耗额外能量，因此，是一种主动排热方式。这种主动排热电池堆结构的设计必然导致辅助系统复杂，使燃料电池系统重量和体积增加，而且机械式运动部件的使用也导致寄生能耗增加，可靠性、寿命降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池堆，通过电池堆结构的设计，实现电池堆本体通过被动方式将产生的热排出，无需借助冷却剂主动循环方式散热，从而简化燃料电池系统，提高燃料电池系统效率、可靠性。 
为了达到上述目的，本发明提供了一种被动排热燃料电池堆，其中，该电池堆包含依次紧贴并列设置的第一端板、第一集流板、单极板组件、膜电极组件、若干重复单元、氢气流场板、第二集流板以及第二端板；所述的单极板组件包含紧贴并列设置的排热板和氧气流场板；所述的重复单元包含紧贴并列设置的双极板组件和膜电极组件；所述的双极板组件包含紧贴并列设置的氢气流场板、排热板和氧气流场板，或包含紧贴并列设置的氢气流场板、和氧气流场板。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的若干重复单元中包含的排热板的数量由所述的膜电极组件所需要排放的热量决定。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的膜电极组件（1）包含依次紧贴并列设置的氧气侧扩散层、膜电极和氢气侧扩散层；所述的膜电极包含依次紧贴并列设置的氧气侧催化层、质子交换膜以及氢气侧催化层。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的氢气流场板和氧气流场板（9）在朝向膜电极组件的一侧板面上均设有流场；设有流场的所述板面包含设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的排热板为沿平面方向具有高导热性的平面板。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的沿平面方向具有高导热性的平面板，包含高导热系数热解石墨板或热解石墨纸、金属板或平板式热管中的任意一种。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的排热板的一端延伸到所述电池堆的外部。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的电池堆能够使氢、氧反应气体分别进入氢气流场板和氧气流场板，并通过膜电极组件的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层到达氢气侧催化层、和氧气侧催化层发生电极反应；所述的电极反应产生的热量则能够分别通过膜电极组件的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层传递到氢气流场板和氧气流场板，再传递到排热板。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的排热板能够将所述电池堆内部的热量由排热板位于电池堆内部的温度高的一端传递到其延伸至电池堆外部的温度低的一端。
上述的被动排热燃料电池堆，其中，所述的排热板能够将所述电池堆内部的热量通过排热板延伸至电池堆外部的一端传递到外部或传递到与之连接的外部换热器中。
本发明提供的被动排热燃料电池堆具有以下优点：
该被动排热电池堆的新型电池结构可以有效实现电池堆本体的被动排热，避免常规电池结构使用冷却剂主动循环方式散热的冷却剂循环回路，从而可使燃料电池系统更加简化，降低系统重量、体积和寄生能耗，具有更高的可靠性和效率。
该被动排热电池堆应用广泛，可用于燃料电池汽车动力源、燃料电池便携式电源等，也可应用于水下不依赖空气推进（AIP）潜器动力源、空间航天器电源、高空长航时飞行器电源等特殊领域。
附图说明
图1为本发明的被动排热燃料电池堆的结构示意图。
图2为本发明的被动排热燃料电池堆的重复单元示意图。
图3为本发明的被动排热燃料电池堆的双极板组件示意图。
图4为本发明的被动排热燃料电池堆的排热过程示意图。
图5为本发明的被动排热燃料电池堆的另一种排热过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本发明提供的被动排热燃料电池堆，包含依次紧贴并列设置的第一端板7、第一集流板4、单极板组件3、膜电极组件1、若干重复单元12、氢气流场板11、第二集流板6以及第二端板8。
单极板组件3包含紧贴并列设置的排热板10和氧气流场板9。
若干重复单元12包含第一重复单元12-1、第二重复单元12-2、……、以及第n重复单元12-n。其中，每个重复单元12包含紧贴并列设置的双极板组件2和膜电极组件1，参见图2所示。
如图3所示，每个双极板组件2包含紧贴并列设置的氢气流场板11、排热板10和氧气流场板9，或包含紧贴并列设置的氢气流场板11、和氧气流场板9。
膜电极组件1包含依次紧贴并列设置的氧气侧扩散层、膜电极和氢气侧扩散层；膜电极包含依次紧贴并列设置的氧气侧催化层、质子交换膜以及氢气侧催化层。
氢气流场板11和氧气流场板9在朝向膜电极组件1的一侧板面上均设有流场；设有流场的板面包含设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。
若干重复单元12中包含的排热板10的数量由膜电极组件1所需要排放的热量决定。该排热板10为沿平面方向具有高导热性的平面板。其材质包含高导热系数热解石墨板或热解石墨纸、金属板或平板式热管中的任意一种。该排热板10的一端延伸到电池堆的外部。
本发明提供的被动排热燃料电池堆，能够使氢、氧反应气体分别进入氢气流场板11和氧气流场板9，并通过膜电极组件1的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层到达氢气侧催化层、和氧气侧催化层发生电极反应；同时该电极反应产生的热量则能够分别通过膜电极组件1的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层传递到氢气流场板11和氧气流场板9，再传递到排热板10。
排热板10能够将电池堆内部的热量由排热板10位于电池堆内部的温度高的一端传递到其延伸至电池堆外部的温度低的一端，再传递到外部或传递到与排热板10连接的外部换热器中。即，通过排热板10传导至电池堆外部的热量可以有两种方式散出：一是排热板10与环境进行对流或辐射散热，参见图4，这种方式适合环境有足够散热能力并且热量不回收利用的情况；二是排热板10与外部换热器连接，参见图5，通过外部换热器传递至其他热控系统中，这种方式适合环境散热能力不足或者是热量需要回收利用的情况。
排热板10导热过程中传递的热量与排热板物性参数之间有如下关系：
式中：
q为电极单位面积的发热量，单位为W·m-2；
k为排热板导热系数，单位为W·m-1·K-1或W·m-1·℃-1；
t为排热板的厚度，单位为m；
ΔT为排热板排热方向上两端的温差，单位为K或℃；
L为排热板排热方向上的长度，单位为m。
其中电极单位面积的发热量q可根据电池工作性能参数用下式计算：
式中：
q为电极单位面积的发热量，单位为W·m-2；
为电压效率，无量纲；
P为电池功率密度，单位为W·m-2；
E o为电池可逆电压，单位为V；
E为电池工作电压，单位为V；
J为电池工作电流密度，单位为A·m-2。
例如，在燃料电池堆典型工作电流密度10000A·m-2条件下，电池电压0.65V，单位面积发热量q为6000 W·m-2。由上述关系式可知，采用厚度为2mm，排热方向长度为100mm的热解石墨板（导热系数为1500W·m-1·K-1）排热，排热板两端温差ΔT可控制在10℃。若要求排热板温差更小，可选择导热系数更高的排热板。
本发明提供的被动排热燃料电池堆工作时，电极反应产生的热通过电池堆内的排热板10，实现电池堆本体通过被动方式将产生的热排出，无需借助冷却剂主动循环方式散热，从而简化燃料电池系统，提高燃料电池系统效率、可靠性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种被动排热燃料电池堆，其特征在于，该电池堆包含依次紧贴并列设置的第一端板（7）、第一集流板（4）、单极板组件（3）、膜电极组件（1）、若干重复单元（12）、氢气流场板（11）、第二集流板（6）以及第二端板（8）；
所述的单极板组件（3）包含紧贴并列设置的排热板（10）和氧气流场板（9）；
所述的重复单元（12）包含紧贴并列设置的双极板组件（2）和膜电极组件（1）；
所述的双极板组件（2）包含紧贴并列设置的氢气流场板（11）、排热板（10）和氧气流场板（9），或包含紧贴并列设置的氢气流场板（11）、和氧气流场板（9）。
2.如权利要求1所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的若干重复单元（12）中包含的排热板（10）的数量由所述的膜电极组件（1）所需要排放的热量决定。
3.如权利要求2所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的膜电极组件（1）包含依次紧贴并列设置的氧气侧扩散层、膜电极和氢气侧扩散层；所述的膜电极包含依次紧贴并列设置的氧气侧催化层、质子交换膜以及氢气侧催化层。
4.如权利要求1所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的氢气流场板（11）和氧气流场板（9）在朝向膜电极组件（1）的一侧板面上均设有流场；设有流场的所述板面包含设有平行沟槽的流场板、点状分布的流场板、多孔介质板或波纹板。
5.如权利要求1所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的排热板（10）为沿平面方向具有高导热性的平面板。
6.如权利要求5所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的沿平面方向具有高导热性的平面板，包含高导热系数热解石墨板或热解石墨纸、金属板或平板式热管中的任意一种。
7.如权利要求5所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的排热板（10）的一端延伸到所述电池堆的外部。
8.如权利要求7所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的电池堆能够使氢、氧反应气体分别进入氢气流场板（11）和氧气流场板（9），并通过膜电极组件（1）的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层到达氢气侧催化层、和氧气侧催化层发生电极反应；所述的电极反应产生的热量则能够分别通过膜电极组件（1）的氢气侧扩散层和氧气侧扩散层传递到氢气流场板（11）和氧气流场板（9），再传递到排热板（10）。
9.如权利要求8所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的排热板（10）能够将所述电池堆内部的热量由排热板（10）位于电池堆内部的温度高的一端传递到其延伸至电池堆外部的温度低的一端。
10.如权利要求9所述的被动排热燃料电池堆，其特征在于，所述的排热板（10）能够将所述电池堆内部的热量通过排热板（10）延伸至电池堆外部的一端传递到外部或传递到与之连接的外部换热器中。
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