CN106558723A - 燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，其包括多个设置有歧管的单元电池和端部结构体，该端部结构体包括集电板和端板。端部结构体布置在单元电池的最外侧中的每个。另外，传热构件布置在端部结构体和单元电池的最外侧之间，且在平面方向上接触单元电池的最外侧。

Description

燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池堆，更具体地涉及电池之间的温度偏差被减小了的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池堆是通过各燃料电池的氢和氧之间的电化学反应来产生电能的发电设备，并应用于燃料电池车辆等。此外，燃料电池堆是连续地布置有燃料电池的燃料电池组件。燃料电池是分别在膜电极组件(MEA)的相对两侧设置有隔离板(separator)，MEA设置在它们之间的单元电池。可以用端板和紧固构件在加压状态下紧固燃料电池。

如所提到的，如上所述的燃料电池堆通过氢和氧的电化学反应产生电能，生成作为电化学反应副产物的热和水，并且由作为冷却介质的冷却剂进行冷却。在燃料电池堆中，燃料电池的温度分布应该均匀地保持在预定范围内。设置有集电板的端板位于燃料电池堆的相对两端的每一端，并且端板附近的电池(在下文中称为“端部电池”)的温度低于其它电池的温度。

燃料电池堆的电池之间的温度偏差主要发生在燃料电池堆的冷起动或冷运转期间，是由于在端部电池中生成的热被端部电池周围的具有相当大热容量的部件(例如，端板和集电板)吸收，并因此端部电池的温度上升被延迟而造成的。由于端部电池的温度低，反应气体可能被过度加湿，从而在端部电池引起溢流(flooding)。因此，反应气体在端部电池处供给不足，使电池电压降低，由此可能限制燃料电池堆的输出。为了改善燃料电池堆的电池之间的温度偏差，本申请人提交了韩国专利公开号2014-0024776和韩国专利公开号2014-0086150。

在本节公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，并因此其可能包含不形成在该国家对于本领域技术人员来说已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种可以通过简化的结构来减小电池之间的温度偏差并改善单元电池的热分布和温度均匀性的燃料电池堆。

本发明的示例性实施例提供了燃料电池堆，其可以包括：设置有歧管的单元电池；端部结构体，包括集电板和端板，且可以布置在单元电池的每一个最外侧；和传热构件，布置在端部结构体与最外侧的单元电池之间，且在平面方向上接触最外侧的单元电池。

燃料电池堆还可以包括：中间板，插入在所述端部结构体的集电板与最外侧的单元电池之间，其中，所述传热构件可以被平直地插入到所述中间板的一个表面。在所述中间板的一个表面可以形成插入所述传热构件的插入槽，所述传热构件可以被插入到所述插入槽中，并且所述传热构件和所述中间板可以形成同一表面。

所述传热构件的第一端可以设置在与排出反应液和冷却剂的高温部对应的歧管侧，并且所述传热构件的第二端可以设置在与反应液和冷却剂流动的低温部对应的歧管侧。所述传热构件可以包括：具有导热性的主体；芯体，沿所述主体的长度方向形成于所述传热构件的内壁表面；和作为工作流体的制冷剂，其中，液态的制冷剂可以沿所述芯体移动，并且气态的制冷剂可以沿由所述芯体形成的空腔移动。

所述传热构件可以形成为包括具有预定宽度和长度的带状的热管。特别地，所述传热构件可以包括：位于高温部侧的吸热部和从所述吸热部延伸且位于低温部侧的放热部。所述放热部可以被设置在以所述中间板的高度方向为基准，比所述吸热部高的位置，以便受到较小的重力影响。

形成为包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的传热构件可以具有平面弯曲结构。此外，所述传热构件可以包括位于高温部侧的吸热部和位于低温部侧的放热部，所述放热部在所述吸热部处平面弯曲且延伸至低温部侧。所述传热构件可以位于与所述高温部对应的歧管和与所述低温部对应的歧管之间。

此外，所述吸热部可以露出在与所述高温部对应的歧管。形成为包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的所述传热构件可以具有垂直弯曲结构。所述传热构件可以包括在反应液和冷却剂流动的方向上垂直弯曲的吸热部和位于低温部侧的放热部。所述吸热部可以沿所述单元电池的堆叠方向插入到与所述高温部对应的歧管中。

此外，可以设置有一对所述传热构件。形成为包括带状的热管的所述传热构件可以平直地插入到所述集电板的一个表面，并可以在平面方向上接触最外侧的单元电池。在所述集电板的一个表面可以形成有插入所述传热构件的插入槽。形成为包括带状的热管的所述传热构件可以平直地插入到所述端板的一个表面，并可以在平面方向上接触所述集电板。在所述端板的一个表面形成有插入所述传热构件的插入槽。

根据本发明的示例性实施例，通过将平面型传热构件安装在燃料电池堆的单元电池的相对的两最外侧，可以通过在单元电池的相对的两最外侧处的平面型传热构件迅速地将热从高温部侧传递到低温部侧。例如，高温部侧的热可以通过热管的吸热部迅速地传递到低温部侧的放热部，并因此可以提高低温部侧的温度。

由于在冷起动或冷运转期间可以减小因单元电池的端部电池的温度升高延迟所导致的电池之间的温度偏差，因此可以改善单元电池的热分布和温度均匀性。因此，可以改善由于电池之间的温度偏差引起的电池电压下降，可以解决燃料电池堆的输出限制，且可以充分改善燃料电池堆的耐用性。此外，由于平面型传热构件可以设置在燃料电池堆的相对的两端部中的每个端部，因此可以充分地简化燃料电池堆的结构且可以充分减少燃料电池堆的制造成本，这不同于应用了PTC加热器或热电元件的典型燃料电池堆。

附图说明

附图旨在被用作用于描述本发明的示例性实施例的参考，且附图不应解释为限制本发明的技术精神。

图1示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的示意图；

图2示出应用于根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的单元电池的歧管结构；

图3A至图8B分别示出设置有应用于根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的传热构件的结构图；以及

图9A和图9B示出设置有应用于根据本发明的另一示例性实施例的燃料电池堆的传热构件的结构图。

符号说明

11：单元电池

13a：歧管(氢气进口)

13b：歧管(空气出口)

13c：歧管(空气进口)

13d：歧管(氢气出口)

14a：歧管(冷却剂出口)

14b：歧管(冷却剂进口)

21：端部结构体

23：集电板

24、26、31：插入槽

25：端板

30：中间板

50：传热构件

51：热管

53：主体

55：传热路径

57：芯体

61：吸热部

63：放热部

具体实施方式

在下文中，将参考附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。如本领域技术人员所认识到的，可以以多种不同的方式对所描述的示例性实施例进行修改，这些修改都不脱离本发明的精神或范围。为了清楚地描述本发明的示例性实施例，省略了与本说明书无关的部分，且在整个说明书中相同的标号指示相同或类似的部件。

应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆。

在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并非意图限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个/一种”以及“该/所述”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所叙述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。如在此使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项目中的一个或多个的任何组合以及全部组合。

由于附图中所示的每个部件被任意地示出以用于简单描述，本发明不特定地局限于附图所示的部件，且为了清楚地示出若干部分和区域，示出了放大的厚度。进一步地，在下面的详细描述中，在相同关系中的构成部分的名字被分成“第一”、“第二”等，但本发明不必局限于在下面的描述中的该顺序。

图1示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的示意图，图2示出应用于根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的单元电池的歧管结构。参考图1，根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆100是通过氢气为燃料和空气为氧化剂的电化学反应产生电能的单元电池11的集合体。在下文中，提供给单元电池11以用于产生电能的氢气和空气分别被称为“反应液”。可以堆叠数十到数百个单元电池11。可以在单元电池11设置有用于供应和排出反应液的歧管13a、13b、13c和13d以及冷却剂在其中流动的歧管14a和14b。

如图2所示，可以基于单元电池的高度方向，从单元电池11的一侧(例如，第一侧)的顶部朝向底部形成氢气进口13a、冷却剂出口14a和空气出口13b。可以从单元电池11的另一侧(例如，第二侧)的顶部朝向底部形成空气进口13c、冷却剂进口14b和氢气出口13d。可以在单元电池11的最外侧(相对两端)分别设置端部结构体21。每个端部结构体21可以包括集电板23和端板25。

被配置为收集单元电池11所产生的电流的集电板23可以被设置为与最外侧的单元电池11紧密接触(例如，抵接接触)。端板25可以与集电板23结合，并且在通过紧固构件彼此紧固的同时，端板25和集电板23被配置从最外侧对它们之间的单元电池11加压(例如，将压力施加到设置在端板和集电板之间的单元电池上)。设置在单元电池11的第一侧的端部(第一端部，图1的左侧)处的端板25可以被定义为开放型端板，而设置在单元电池11的第二侧的端部(第二端部，图1的右侧)处的端板25可以被定义为封闭型端板。

可以在开放型端板中形成与单元电池11的歧管(13a至13d、14a和14b)连接的歧管孔，并且封闭型端板可以省略歧管孔，从而关闭单元电池11的歧管(13a至13d、14a和14b)。如上所述，在燃料电池堆100中，在可以排出单元电池11的反应液和冷却剂的歧管侧(在下文中称为“高温部”)保持相对高的温度，而在单元电池11的反应液和冷却剂流动的歧管侧(在下文中称为“低温部”)保持相对低的温度。

在燃料电池堆100中，在冷起动或冷运转期间，在单元电池11的最外侧产生的热可以被周围的热容量大的端部结构体21吸收，并且基于端部电池的温度升高延迟，在端部电池和中间电池之间会产生温度偏差。因此，本发明的示例性实施例提供一种可以通过简化的结构减小电池之间的温度偏差，并改善单元电池11的热分布和温度均匀性的燃料电池堆100。

为了达到此目的，根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆100可以包括传热构件50，其被配置为将高温部的热传递到低温部，并减小在冷起动或冷运转期间产生的电池之间的温度偏差。另外，传热构件50可以被设置在端部结构体21与最外侧的单元电池11(在下文中，称为“端部电池”)之间，并且可以在平面方向上接触端部电池。

如上所述，为了将传热构件50设置在端部结构体21与端部电池之间，根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆100可以包括插入在端部结构体21与端部电池之间的中间板30。中间板30可以具有与单元电池11对应的形状，可以设置在端部结构体21的集电板23与端部电池之间，并且可以由导电金属板形成。设置在位于单元电池11一侧的端部处的端部结构体21与端部电池之间的第一中间板30可以包括与单元电池11的歧管(13a至13d、14a和14b)连接的歧管孔。设置在位于单元电池11另一侧的端部处的端部结构体21与端部电池之间的第二中间板30可以省略任何歧管孔，以关闭单元电池11的歧管(13a至13d、14a和14b)。

传热构件50可以平直地(flatly)插入到与端部电池对应的中间板30的一个表面。因此，可以在中间板30的这一个表面形成可以平直地插入传热构件50的插入槽31。例如，传热构件50可以插入到中间板30的插入槽31中，并且可以形成为与中间板30的这一个表面具有同一表面。

如图3A和图3B所示，传热构件50的第一端可以设置在与排出反应液和冷却剂的高温部对应的歧管(13b、13d或14a)侧，并且传热构件50的第二端可以设置在与反应液和冷却剂流动的低温部的歧管(13a、13c或14b)侧。例如，传热构件50可以被配置为将端部电池的高温部侧的热传递到低温部侧。

如图3A、图3B和图4所示，根据本发明的示例性实施例的传热构件50可以包括热管(heat pipe)51。热管51可以被形成为具有相当薄厚度的平面形状，并可以被形成为具有预定宽度和长度的带状。热管51可以包括具有导热性的平面形状的主体53、沿主体53的长度方向在其内壁表面上形成的芯体(wick)57、和作为工作流体的制冷剂。可以由芯体57在热管51的内部形成空腔55。

特别地，热管51可以被配置为通过使用在制冷剂的相变时所产生的潜热，将热从发热密度高的点传递到发热密度低的点(例如，减小的发热密度)。芯体57内的液态的制冷剂可以吸收在端部电池的高温部侧的热，从而被蒸发，并且气态的制冷剂可以沿空腔55移动到端部电池的低温部侧。在低温部侧，气态的制冷剂可以被冷凝同时释放热，并且冷凝后的制冷剂可以沿芯体57移动到高温部侧。

热管51可以包括位于高温部侧的吸热部61和从吸热部61延伸且位于低温部侧的放热部63。为了受到较小的重力影响，放热部63可以被设置在以中间板30的高度方向为基准比吸热部61高的位置。高温部侧的热可以被吸热部61吸收，由此制冷剂可以被蒸发，蒸发的制冷剂可以移动到放热部63，该制冷剂可以在放热部63中被冷凝的同时释放热，并且在放热部63中冷凝的制冷剂可以再次移动到吸热部61。

根据这个过程，热管51可以被配置为将单元电池11最外侧的高温部侧的热传递到低温部侧，从而减小在冷起动或冷运转期间产生的电池之间的温度偏差。更具体地，如图3A和3B所示，根据本发明的示例性实施例的热管51可以形成为具有平面弯曲结构。另外，热管51在位于高温部侧的吸热部61处可以是平面弯曲的，并且可以延伸到低温部侧，使放热部63位于低温部侧。

如图3A所示，热管51在中间板30处可以设置在相对的歧管(13a至13d、14a和14b)之间。吸热部61可以位于与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的空气出口13b处，并且放热部63可以位于与低温部对应的歧管(13a、13c和14b)的空气进口13c处。

替换地，如图3B所示，吸热部61可以设置为露出在与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的冷却剂出口14a中，并且放热部63可以位于空气进口13c。由于热管51的吸热部61设置为露出在与高温部对应的歧管(13b、13d或14a)中，因此可以更容易地吸收高温部的热。

此外，如图1所示，热管51的吸热部61可以设置为露出在与高温部对应的整个歧管(13b、13d或14a)中。如图5所示，热管51的吸热部61可以设置为部分地露出在歧管(13b、13d或14a)中。另外，如图6A所示，热管51的吸热部61可以设置为露出在与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的空气出口13b中，并且热管51的放热部63可以设置在空气进口13c处。

如图6B所示，热管51的吸热部61可以设置为露出在与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的氢气出口13d中，并且热管51的放热部63可以设置为朝向氢气进口13a(或者在氢气进口13a与空气进口13c之间)。替换地，如图6C所示，根据本发明的示例性实施例的一对热管51可以被设置在每个端部电池处。该对热管51的吸热部61可以设置为露出在与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的冷却剂出口14a和氢气出口13d中。该对热管51的放热部63可以设置为朝向空气进口13c和氢气进口13a。

如图7A和图7B所示，根据本发明的示例性实施例的热管51可以形成为具有预定宽度和长度的平面形状的垂直弯曲结构。在热管51中，位于高温部侧的吸热部61在反应液和冷却剂流动的方向(或者单元电池11的左侧方向)上可以是垂直弯曲的，并且放热部63可以位于低温部侧。

热管51的吸热部61可以被设置为插入到与高温部对应的歧管(13b、13d或14a)中。例如，热管51的吸热部61可以设置为沿单元电池11堆叠方向插入到空气出口13b，并且热管51的放热部63可以位于空气进口13c处。

由于热管51的吸热部61被插入到与高温部对应的歧管(13b、13d或14a)中，因此可以更容易地吸收高温部侧的热。此外，热管51可以平直地插入(例如，没有角度)到中间板30中，并且如图8A所示，热管51的吸热部61可以穿透中间板30连接到端部结构体21的端板25。

如图8B所示，一对垂直弯曲型的热管51可以被设置在每个端部电池处。该对热管51的吸热部61可以设置为沿单元电池11的堆叠方向插入到与高温部对应的歧管(13b、13d和14a)的空气出口13b和冷却剂出口14a中。该对热管51的放热部63可以设置为朝向空气进口13c(或者，在氢气进口13a与空气进口13c之间)。

图9A和图9B示出设置有应用于根据本发明的另一示例性实施例的燃料电池堆的传热构件的结构图。参考图9A和图9B，本发明的另一示例性实施例的结构类似于上述示例性实施例的结构，并且可以包括与单元电池11的端部电池对应的、在平面方向上安装在端部结构体21处的至少一个传热构件50。

传热构件50可以包括平面型热管51，并且如图9A所示，热管51可以平直地插入到与端部电池对应的集电板23的一个表面，且可以被安装为在平面方向上接触端部电池。可以在集电板23的一个表面中设置热管51可以平直插入的插入槽24。热管51可以平直插入集电板23的插入槽24中，并且可以形成为与集电板23的一个表面具有同一表面。

除上述热管51的结构以外，剩余结构和上述示例性实施例的结构相同，因此将省略其具体描述。如图9B所示，传热构件50的热管51可以平直地插入到与集电板23对应的端板25的一个表面，并且可以被安装为在平面方向上接触集电板23。可以在端板25的一个表面中设置热管51可以平直插入的插入槽26。热管51可以被平直插入到端板25的插入槽26中，并且可以形成为与端板25的一个表面具有同一表面。

如上所述，根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆100，通过在燃料电池堆100的单元电池11的相对最外侧安装平面型传热构件50，可以将热通过单元电池11的相对最外侧处的平面型传热构件50迅速地从高温部侧传递到低温部侧。换句话说，高温部侧的热可以通过热管51的吸热部61迅速地传递到低温部侧的放热部63，因此可以提高低温部侧的温度。

由于因在单元电池11的端部电池中温度上升的延迟所造成的电池之间的温度偏差可以在冷起动或冷运转期间被减小，因此可以改善单元电池11的热分布和温度均匀性。因此，可以改善由于电池之间的温度偏差所造成的电池电压下降，可以解决燃料电池堆的输出限制，并且可以显著改善燃料电池堆的耐用性。此外，由于平面型传热构件50可以被设置在燃料电池堆的相对两端部中的每个端部处，因此可以明显简化燃料电池堆的结构，并且可以显著减少燃料电池堆的制造成本，这不同于应用了PTC加热器或热电元件的典型燃料电池堆。

虽然结合目前认为是示例性实施例的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例，相反地，其旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种燃料电池堆，包括：

设置有歧管的多个单元电池；

端部结构体，包括集电板和端板，并且设置于所述单元电池的每一个最外侧；和

传热构件，设置在所述端部结构体与最外侧的单元电池之间，并且在平面方向上接触最外侧的单元电池。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，还包括：

中间板，插入在所述端部结构体的集电板与最外侧的单元电池之间，

其中，所述传热构件被平直地插入到所述中间板的一个表面。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，在所述中间板的一个表面形成插入所述传热构件的插入槽，所述传热构件被插入到所述插入槽中，并且所述传热构件和所述中间板形成同一表面。

4.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件的第一端设置在与排出反应液和冷却剂的高温部对应的歧管侧，并且所述传热构件的第二端设置在与反应液和冷却剂流动的低温部对应的歧管侧。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件包括：

具有导热性的主体；

芯体，沿所述主体的长度方向形成于所述传热构件的内壁表面；和

作为工作流体的制冷剂，

其中，液态的制冷剂沿所述芯体移动，并且气态的制冷剂沿由所述芯体形成的空腔移动。

6.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件包括具有预定宽度和长度的带状的热管。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件包括：

位于高温部侧的吸热部，和

从所述吸热部延伸且位于低温部侧的放热部。

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，所述放热部被设置在以所述中间板的高度方向为基准，比所述吸热部高的位置，以便受到较小的重力影响。

9.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的传热构件具有平面弯曲结构。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件包括位于高温部侧的吸热部和位于低温部侧的放热部，所述放热部在所述吸热部处平面弯曲且延伸至低温部侧。

11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件位于与所述高温部对应的歧管和与所述低温部对应的歧管之间。

12.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中，所述吸热部露出在与所述高温部对应的歧管。

13.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中，包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的所述传热构件具有垂直弯曲结构。

14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中，所述传热构件包括在反应液和冷却剂流动的方向上垂直弯曲的吸热部和位于低温部侧的放热部。

15.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其中，所述吸热部沿所述单元电池的堆叠方向插入到与所述高温部对应的歧管中。

16.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，设置有一对所述传热构件。

17.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的所述传热构件平直地插入到所述集电板的一个表面，并在平面方向上接触最外侧的单元电池。

18.根据权利要求17所述的燃料电池堆，其中，在所述集电板的一个表面形成有插入所述传热构件的插入槽。

19.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，包括具有所述预定宽度和长度的带状的热管的所述传热构件平直地插入到所述端板的一个表面，并在平面方向上接触所述集电板。

20.根据权利要求19所述的燃料电池堆，其中，在所述端板的一个表面形成有插入所述传热构件的插入槽。