CN108054410A - 一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法，包括若干层质子交换膜燃料电池和若干双极板，每相邻上下两层燃料电池之间均通过一层双极板相互连接，燃料电池自上而下依次包括阳极、电解质和阴极；本发明当燃料电池温度低于其最佳温度时，通过蓄电池驱动温差电池为电池加热，当温度高于燃料电池最佳温度时，通过温差电池吸热，降低电池温度的同时基于温差进行发电，并把发的电存储在蓄电池中，实现了燃料电池自加热功能，无需外部输入能量，更节能环保。

Description

一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术，具体涉及一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种低温燃料电池，具有能量转换率高、清洁无污染、安静等特点，广泛应用于新能源汽车、便携式电源、固定电站以及航空发电等诸多领域。质子交换膜燃料电池是通过氢气与氧气发生电化学反应进行发电的，其产物只有液态水。当环境温度低于零度时，质子交换膜燃料电池生成的液态水会凝固成冰，进而使氢气与氧气间的电化学反应终止，从而导致质子交换膜燃料电池发电失败。由于质子交换膜燃料电池最佳工作温度为50～80度之间，只要温度低于该温度，其输出性能就会大打折扣。因为温度是影响电化学反应的关键因素，温度高电化学反应速率快，质子交换膜燃料电池输出功率大，反之质子交换膜燃料电池输出功率小。当环境温度低于质子交换膜燃料电池最佳工作温度时，现在主要通过辅助加热设备提高电池温度，例如利用辅助加热设备先加热冷却介质，然后利用冷却介质加热电池，或者利用辅助加热设备先加热氢气或者空气，然后利用氢气或者空气加热电池。现有辅助加热设备存在着加热时间过长，加热效率低，加热过程中存在热损失大，进而导致能量消耗大的问题。因此寻找更加节能的方式使电池温度尽快升高到其最佳工作温度是当今需要解决的一个关键问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池的自加热装置及其自加热方法。
技术方案：本发明一种质子交换膜燃料电池的自加热装置，包括若干层质子交换膜燃料电池和若干双极板，每相邻上下两层燃料电池之间均通过一层双极板相互连接，所述燃料电池自上而下依次包括阳极、电解质和阴极；所述双极板从上向下依次包括阴极连接体、冷却板和阳极连接体，阴极连接体与冷却板之间、以及冷却板与阳极连接体之间均设置有若干温差电池，且阴极连接体与其上方的燃料电池阴极相连，阳极连接体与其下方的燃料电池阳极相连。
进一步的，所述阴极连接体顶部设有若干间隔排列的第一肋，每相邻两个第一肋之间构成开口向上的空气流道；阴极连接体底部开设有若干第一凹槽，第一凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第一凹槽整体形成矩阵阵列排布，第一凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
进一步的，所述冷却板呈中空状，冷却板中间设有冷却流道，冷却流道中设有若干导流体；冷却板顶部与底部均设有与若干第二凹槽，第二凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第二凹槽整体形成矩阵阵列排布，第二凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
进一步的，所述导流体包括若干支撑圆柱体，同一列的各个支撑圆柱体通过衔接圆柱体相连并固定于冷却板左右两侧壁；所述各个支撑圆柱体透过各个第二凹槽与对应的温差电池相接触，支撑圆柱体的横截面积小于温差电池的横截面积。
进一步的，所述阳极连接体底部设有若干间隔排列的第二肋，每相邻两个第二肋之间构成开口向下的燃料流道；阳极连接体顶部设有若干第三凹槽，第三凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第三凹槽整体形成矩阵阵列排布，第三凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
进一步的，所述阴极连接体和阳极连接体上均设有导线通孔，通过导线通孔使温差电池与温差电池之间以及温差电池与蓄电池之间相连接。
上述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽的开设位置为一一对应，且深度均是温差电池高度的二分之一，刚好包覆各个相应温差电池。
本发明还公开了一种质子交换膜燃料电池自加热装置的自加热方法，包括以下过程：
(1)当实际温度低于燃料电池最佳温度时，通过蓄电池驱动温差电池，利用其“珀尔帖效应”从冷却板中的冷却介质(即是指各个导流体之间流动的流体)吸热，并把热量传递到阴极连接体和阳极连接体，使得提高燃料电池温度；
(2)燃料电池达到最佳温度后，由于发电过程中有近一半的能量转化为热，如果不把热量及时排除燃料电池，将引起燃料电池温度过高导致膜失水，进而造成燃料电池性能下降，需要及时降低电池温度；当实际温度高于燃料电池最佳温度时，温差电池从阴极连接体和阳极连接体侧吸热，并把热量传递到冷却板中的冷却介质，再通过冷却介质把热量排出电池，达到降低电池温度的目的；在上述热量传输过程中，必然会导致温差电池热端和冷端存在一定温差，进而利用该温差进行发电，并把发的电存储在蓄电池中；当电池需要加热时再利用蓄电池中的电能驱动温差电池为燃料电池加热。同时，空气流道为燃料电池提供氧气，燃料流动为燃料电池提供氢气，冷却流道中流动的介质吸收燃料电池的热进而降低其温度。
有益效果：本发明采用温差电池的冷端与冷却板相接触，温差电池的热端与阴极连接体和阳极连接体相接触。当温度低于燃料电池最佳温度时，通过蓄电池驱动温差电池，利用其“珀尔帖效应”从冷却板中的冷却介质吸热，并把热量传递到各个连接体，进而提高电池温度。在此加热过程中，温差电池吸收的热量一部分来自于从冷却介质吸收的热量，另一部分来自于蓄电池的电能转化为的焦耳热，因此本发明与传统辅助加热装置相比更节能,其燃料电池吸收的热量与蓄电池输出的电能之比大于1,接近于2,而传统辅助加热装置均小于1。
燃料电池达到最佳温度后，由于发电过程中有近一半的能量转化为热，如果不把热量及时排除燃料电池，将引起燃料电池温度过高导致膜失水，进而造成燃料电池性能下降,因此需要及时降低电池温度。当温度高于燃料电池最佳温度时，温差电池从各个连接体侧吸热，并把热量传递到冷却板中的冷却介质，再通过冷却介质把热量排出电池，达到降低电池温度的目的。在此热量传输过程中，必然会导致温差电池热端和冷端存在一定温差，进而利用该温差进行发电，并把发的电存储在蓄电池中。当电池需要加热时再利用蓄电池中的电能驱动温差电池为燃料电池加热。因此燃料电池加热时需要的电能，是温差电池在燃料电池降温时利用其产生的废热而生成的,所以本发明实现了燃料电池自加热功能，无需外部输入能量，更节能环保。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中阳极连接体和燃料电池连接示意图；
图3为本发明中阴极连接体示意图；
图4为实施例中冷却板结构示意图；
图5为实施例中冷却板中导流体结构示意图；
图6为实施例中温差电池排布及连接方式一示意图；
图7为实施例中温差电池排布及连接方式二示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图3所示，本发明一种质子交换膜燃料电池1的自加热装置，包括若干层质子交换膜燃料电池1和若干双极板，每相邻上下两层燃料电池1之间均通过一层双极板相互连接，所述燃料电池1自上而下依次包括阳极10、电解质11和阴极12；所述双极板从上向下依次包括阴极连接体2、冷却板4和阳极连接体5，阴极连接体2与冷却板4之间、以及冷却板4与阳极连接体5之间均设置有若干温差电池3，且阴极连接体2与其上方的燃料电池1阴极12相连，阳极连接体5与其下方的燃料电池1阳极10相连。
其中，阴极连接体2、冷却板4和阳极连接体5的外侧边缘均设有相对应的螺栓孔8，通过螺栓固定连接，并且施加相同的力，保证各个面受力均匀。温差电池3的形状可以是圆形或者方形，温差电池3之间的连接方式为并联、串联或者并联与串联的混合连接。
阴极连接体2顶部设有若干间隔排列的第一肋13，每相邻两个第一肋13之间构成开口向上的空气流道14；阴极连接体2底部开设有若干第一凹槽7，第一凹槽7与温差电池3的尺寸和形状相匹配，各个第一凹槽7整体形成矩阵阵列排布，第一凹槽7的高度为温差电池3高度的二分之一。阳极连接体5底部设有若干间隔排列的第二肋20，每相邻两个第二肋20之间构成开口向下的燃料流道15；阳极连接体5顶部设有若干第三凹槽21，第三凹槽21与温差电池3的尺寸和形状相匹配，各个第三凹槽21整体形成矩阵阵列排布，第三凹槽21的高度为温差电池3高度的二分之一。
如图4所示，冷却板4呈中空状，冷却板4中间设有冷却流道17，冷却流道17中设有若干导流体16；冷却板4顶部与底部均设有与若干第二凹槽19，第二凹槽19与温差电池3的尺寸和形状相匹配，各个第二凹槽19整体形成矩阵阵列排布，第二凹槽19的高度为温差电池3高度的二分之一。上述第一凹槽7、第二凹槽19和第三凹槽21的开设位置为一一对应，且深度均是温差电池3高度的二分之一，刚好包覆各个相应温差电池3。
图4(a)中冷却流道17为直通矩形流道，中间设有把冷却流道17分成若干部分的矩形导流体16，温差电池3放置于冷却板4顶部和底部的第二凹槽19中；作为上述冷却板4优化方案，图4(b)和图4(c)中的导流体16包括若干支撑圆柱体部分和衔接圆柱体部分，支撑圆柱体上下表面与温差电池3接触，主要用于支撑两温差电池3，支撑圆柱体的横截面积小于温差电池3的横截面积，以确保冷却介质与温差电池3冷端直接接触，减小热阻，温差电池3的冷端套有一个密封圈6能够防止冷却介质流出，衔接圆柱体部分主要连接支撑圆柱体并固定于冷却板4的左右两侧内壁。
如图5(a)所示，本实施例中导流体16整体呈均匀阵列排布；作为上述导流体16的优化方案，图5(b)中导流体16整体呈错列排布，一定程度上增大了温差电池3与冷却介质间的换热量。
阴极连接体2和阳极连接体5上均设有导线通孔9，通过导线通孔9使温差电池3与温差电池3之间以及温差电池3与蓄电池18之间相连接。温差电池3之间的连接方式有串联、并联或者串联与并联混合的连接。图6为串联连接，从第一个温差电池3到最后一个温差电池3，温差电池3之间分别正负极串联连接，第一个温差电池3的正极与最后一个温差电池3的负极用导线引出导线通孔9外，与蓄电池18连接。图7为串联与并联混合的连接，每一列温差电池3串联连接，列与列之间为并联连接，通过导线将正极和负极引出导线通孔9外，与蓄电池18连接。
上述质子交换膜燃料电池1自加热装置的自加热方法，包括以下过程：
(1)当实际温度低于燃料电池1最佳温度时，通过蓄电池18驱动温差电池3，利用其“珀尔帖效应”从冷却板4中的冷却介质吸热，并把热量传递到阴极连接体2和阳极连接体5，使得提高燃料电池1温度；
(2)燃料电池1达到最佳温度后，由于发电过程中有近一半的能量转化为热，如果不把热量及时排除燃料电池1，将引起燃料电池1温度过高导致膜失水，进而造成燃料电池1性能下降，需要及时降低电池温度；当实际温度高于燃料电池1最佳温度时，温差电池3从阴极连接体2和阳极连接体5侧吸热，并把热量传递到冷却板4中的冷却介质，再通过冷却介质把热量排出电池，达到降低电池温度的目的；
(3)在上述热量传输过程中，必然会导致温差电池3热端和冷端存在一定温差，进而利用该温差进行发电，并把发的电存储在蓄电池18中；当电池需要加热时再利用蓄电池18中的电能驱动温差电池3为燃料电池1加热。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：包括若干层质子交换膜燃料电池和若干双极板，每相邻上下两层燃料电池之间均通过一层双极板相互连接，所述燃料电池自上而下依次包括阳极、电解质和阴极；所述双极板从上向下依次包括阴极连接体、冷却板和阳极连接体，阴极连接体与冷却板之间、以及冷却板与阳极连接体之间均设置有若干温差电池，且阴极连接体与其上方的燃料电池阴极相连，阳极连接体与其下方的燃料电池阳极相连。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：所述阴极连接体顶部设有若干间隔排列的第一肋，每相邻两个第一肋之间构成开口向上的空气流道；阴极连接体底部开设有若干第一凹槽，第一凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第一凹槽整体形成矩阵阵列排布，第一凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：所述冷却板呈中空状，冷却板中间设有冷却流道，冷却流道中设有若干导流体；冷却板顶部与底部均设有与若干第二凹槽，第二凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第二凹槽整体形成矩阵阵列排布，第二凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：所述导流体包括若干支撑圆柱体，同一列的各个支撑圆柱体通过衔接圆柱体相连并固定于冷却板左右两侧壁；所述各个支撑圆柱体透过各个第二凹槽与对应的温差电池相接触，支撑圆柱体的横截面积小于温差电池的横截面积。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：所述阳极连接体底部设有若干间隔排列的第二肋，每相邻两个第二肋之间构成开口向下的燃料流道；阳极连接体顶部设有若干第三凹槽，第三凹槽与温差电池的尺寸和形状相匹配，各个第三凹槽整体形成矩阵阵列排布，第三凹槽的高度为温差电池高度的二分之一。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的自加热装置，其特征在于：所述阴极连接体和阳极连接体上均设有导线通孔，通过导线通孔使温差电池与温差电池之间以及温差电池与蓄电池之间相连接。
7.一种根据权利要求1至6任意一项所述质子交换膜燃料电池自加热装置的自加热方法，其特征在于：包括以下过程：
(1)当实际温度低于燃料电池最佳温度时，通过蓄电池驱动温差电池，利用其“珀尔帖效应”从冷却板中的冷却介质吸热，并把热量传递到阴极连接体和阳极连接体，使得提高燃料电池温度；
(2)燃料电池达到最佳温度后，需降低电池温度：当实际温度高于燃料电池最佳温度时，温差电池从阴极连接体和阳极连接体侧吸热，并把热量传递到冷却板中的冷却介质，再通过冷却介质把热量排出电池，达到降低电池温度的目的；
在上述热量传输过程中，必然会导致温差电池热端和冷端存在一定温差，进而利用该温差进行发电，并把发的电存储在蓄电池中；当电池需要加热时再利用蓄电池中的电能驱动温差电池为燃料电池加热；同时，空气流道为燃料电池提供氧气，燃料流动为燃料电池提供氢气，冷却流道中流动的介质吸收燃料电池的热进而降低其温度。
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