CN110416574A - 用于优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆 - Google Patents

用于优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆 Download PDF

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Abstract

根据一实施例的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括：供冷却剂流入的冷却剂流入口；使得由所述冷却剂流入口流入的冷却剂流动的多个冷却板；及配置于所述多个冷却板中临近的每一对冷却板之间，并分别包括多个电芯单元的多个电芯组件，其中，所述多个电芯组件中的至少一部分具有不同个数的所述电芯单元。

Description

用于优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆
技术领域
以下说明，涉及一种用于优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆。
背景技术
燃料电池具有效率高，环境友好，输出密度高等优点，作为未来清洁能源技术而受到关注。其中，对于高温高分子电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)的研究尤其活跃。高温高分子电解质膜燃料电池使用涂覆有磷酸的聚苯并咪唑(polybenzimidazole，PBI)系电解质膜，因此不需要额外进行加湿就能够实现运行，并且，运行燃料电池所产生的水为蒸汽的形式，不需要额外的脱水装置。此外，高温高分子电解质膜燃料电池在150～180℃的运行温度中，由于CO中毒导致的膜电极集电体(MEA)的性能下降现象显著减少，具有达到CO浓度3％的耐受性。由于上述现象，能够在氢改性过程中最小化CO去除工艺。此外，能够获得接近100℃的高温排热温度(outlet temperature)，提高热能利用率。
然而，高温高分子电解质膜燃料电池仍需要许多技术开发。虽然在理论上具有高的电化学反应速度，然而实际开发出的高温高分子电解质膜燃料电池的性能仍不及低温高分子电解质膜燃料电池的性能。此外，暴露磷酸及高温的恶劣的运行条件，导致其具有耐用性差，寿命较短等缺点。
例如，在高温的运行条件下，燃料电池的一部分发生破损，会导致冷却剂渗透到膜电极集电体(MEA)，引发燃料电池堆性能下降的问题。此外，高温高分子电解质膜燃料电池堆的冷却剂中的油具有比水高的粘性，使得油在循环路径上产生较高的压差，容易导致燃料电池的破损。而且，作为高温高分子电解质膜燃料电池堆的冷却剂使用的油，在高温下运行，因此在形成于燃料电池的隔板内部的冷却剂流路中循环时，会导致隔板的体积发生变化，引发破损等问题。
因此，高温高分子电解质膜燃料电池在高温的运行条件下，存在在电池堆的层叠方向上发生温度的不均匀的问题。上述温度的不均匀性会引发降低燃料电池效率的问题。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的一实施例的目的在于，提供一种高分子电解质膜燃料电池堆，解决由于电池堆内温度的不均衡导致的性能及耐用性下降的问题。
并且，本发明的一实施例的目的在于，提供一种高分子电解质膜料电池堆，解决由于电池堆的结合发生松散而导致气体泄漏问题。
解决问题的技术手段
根据一实施例的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括：冷却剂流入口，供冷却剂流入；多个冷却板，使由所述冷却剂流入口流入的冷却剂流动；及多个电芯组件，分别配置于所述多个冷却板中相邻的每一对冷却板之间，并分别包括多个电芯单元，并且，所述多个电芯组件中至少一部分具有不同个数的所述电芯单元。
所述多个电芯组件中的至少一部分所具有的所述电芯单元的个数，随着远离所述冷却剂流入口而减少。
所述多个冷却板，包括，多个第1冷却板；及相比所述多个第1冷却板远离冷却剂流入口的多个第2冷却板，所述多个电芯组件，包括，第1电芯组件，配置于临近的两个所述第1冷却板之间，具有第1个数的第1电芯单元；及第2电芯组件，配置于临近的两个所述第2冷却板之间，包括少于第1个数的第2个数的第2电芯单元。
所述优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，还包括，端板，对所述多个第1冷却板及第2冷却板、所述第1电芯组件及第2电芯组件加压，并且，所述多个冷却板，还包括，多个第3冷却板，相比所述多个第2冷却板靠近所述端板，而且，所述多个电芯组件，还包括，第3电芯组件，配置于临近的两个所述第3冷却板之间，具有多于所述第2个数的第3个数的第3电芯单元。
所述端板，包括，具有所述冷却剂流入口的上部端板；及配置于所述上部端板的对面的下部端板，并且，所述第1电芯组件相比所述第2电芯组件靠近所述上部端板，所述第3电芯组件相比所述第2电芯组件靠近所述下部端板。
所述第1电芯组件，包括，多个第1电芯单元，分别具有膜电极集电体；及第1模拟电池，其内部包括热电偶,并与所述多个电芯单元并排层叠。
所述第1模拟电池配置于所述多个第1电芯单元中的中间两个第1电芯单元之间。
所述第2电芯组件，包括，多个第2电芯单元，分别具有膜电极集电体；及第2模拟电池，在内部包括热电偶，并与所述多个电芯单元并排层叠。
所述第1电芯组件，包括分别具有膜电极集电体的多个第1电芯单元；及包裹所述多个第1电芯单元的隔热部件。
还包括，冷却剂管，使冷却剂分别流入所述多个第1冷却板及多个第2冷却板，所述隔热部件中的至少一部分配置于所述多个第1电芯单元及冷却剂管之间。
所述优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括，端板，对所述多个冷却板及电芯组件加压；及面压测量件，配置于所述端板，用于测量所述端板向所述多个冷却板及电芯组件所施加的力。
所述优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括，夹板，对所述端板进行结合；及释放弹簧，配置于所述夹板末端，用于向所述端板施加压力，并且，所述面压测量件，配置于所述释放弹簧及端板之间。
所述释放弹簧沿着所述端板的外围配置有多个，所述面压测量件分别配置于所述多个释放弹簧的下方。
发明的效果
根据一实施例，使电池堆内温度均衡，解决因温度不均衡导致性能及耐用性下降的问题。
并且，能够利用电池堆内的模拟电池在实际操作中测量膜电极集电体(MEA)内部的温度。
而且，通过在电池堆与冷却剂管之间配置的隔热材料，防止由冷却剂管传递热量，降低电池堆内的温度不均衡的问题。
并且，根据一实施例，通过配置于端板的多个面压测量件，确认电池堆的结合是否正常，防止发生气体泄漏。
附图说明
图1为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
图2为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
图3为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
图4为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的部分分解立体图。
图5为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
图6为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池的改善温度偏差的图表。
图7为根据一实施例的模拟电池的平面图。
图8为根据一实施例的模拟电池的侧面图。
图9为根据一实施例的端板的平面图。
具体实施方式
下面，参照附图对实施例进行详细说明。应注意，即使在不同的附图中，相同的构成要素尽量使用了相同的附图标记。并且，在说明实施例的过程中，当判断对于公知的结构和功能的具体说明妨碍对于实施例的理解时，省略对其详细说明。
此外，在对实施例的构成要素进行说明时，会使用第1、第2、A、B、(a)、(b)等术语。上述术语仅用于将一个构成要素区别于其他构成要素，该术语中不包含任何对于构成要素的本质或次序或顺序的限定。任何构成要素“连接”、“结合”或“接触”其他构成要素，该构成要素能够直接连接或接触于其他构成要素，但应理解，各构成要素之间还能够“连接”、“结合”或“接触”有其他构成要素。
与包含在任何一个实施例的构成要素具有相同功能的构成要素，在其他实施例中使用相同的名称进行说明。在没有特别言及反例的情况下，任何一个实施例中记载的说明能够适用于另一实施例，对于重复的范围省略对其具体说明。
图1为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
参照图1，根据实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆10(以下称为"高温PEMFC电池堆")能够包括，支撑组件11、第1电芯组件12a、第2电芯组件12b、多个冷却板13及用于将产生的电流提供至外部的电流集电体14。多个冷却板13包括，配置于第1电芯组件12a的各个上面或者下面的多个第1冷却板13与配置于第2电芯组件12b的各个上面或者下面的多个第2冷却板13。第1冷却板与第2冷却板并非不同的结构，而是由位于第1电芯组件12a及第2电芯组件12b中哪一个组件而确定。例如，位于第1电芯组件12a的下面，及第2电芯组件12b的上面的冷却板，能够称为第1冷却板或者第2冷却板。
支撑组件11能够对第1电芯组件12a、第2电芯组件12b及多个冷却板13进行支撑与加压。支撑组件11能够包括端板110、中端板111、夹杆112、释放弹簧113及多个面压测量件119。
端板110是分别结合于高温PEMFC电池堆10的两端部的板，能够对配置于两个端板110之间的其他构成进行加压。端板110，例如，为了最大化空间利用率能够形成为四边形。端板110能够包括冷却剂流入口(未图示)及冷却剂流出口(未图示)。例如，能够分别具有一个或两个冷却剂流入口。
中端板111是位于两个端板110的中间处的板，能够进一步提供固定。高温PEMFC电池堆10具有在高温中运行的特性，相比低温PEMFC电池堆的热膨胀程度高。因此，第1电芯组件12a和/或第2电芯组件12b因热膨胀而发生破损的危险性更高。为防止上述问题，能够增加隔板的厚度。但在一方面，随着隔板厚度增大而无法仅仅依靠两个端板110进行固定，由此，在中央处额外地插入中端板111，从而提高固定能力。
夹杆112结合于两个端板110之间，或者，结合于各个端板110及中端板111之间，对位于两个端板110之间的构成进行固定。夹杆112配置为至少贯通位于两个端板110之间的构成的至少一部分的方式，从而对构成进行正确的排列。
释放弹簧113位于夹杆112的末端，对两个端板110或各个端板110及中端板111之间的构成进行加压。能够通过调节释放弹簧113的位置和长度，而向第1电芯组件12a和/或第2电芯组件12b施加一定的压力分布。
多个面压测量件119能够配置于释放弹簧113及端板110之间。多个面压测量件119能够测量释放弹簧113向内部构成所施加的压力。使用者能够基于多个面压测量件119所测量的压力信息，确定电池堆是否正常结合。
第1电芯组件12a及第2电芯组件12b分别配置于多个冷却板13之间，因此能够具有多个。以图1为例，能够在中端板111的上侧配置9个第1电芯组件12a，在中端板111的下侧配置9个第2电芯组件12b。第1电芯组件12a能够配置于临近的两个第1冷却板13之间。
第1电芯组件12a能够包括多个第一电芯单元121a、第1模拟电池122a及第1隔热部件123a。
多个第1电芯单元121a中的每一个，包括，位于内部的膜电极集电体(MEA)，及在上侧和下侧将所述膜电极集电体进行包裹的两个隔板。
第1模拟电池122a能够测量膜电极集电体的运行温度。例如，第1模拟电池122a能够具有内装的多个热电偶。第1模拟电池122a与多个第1电芯单元121a并排层叠。第1模拟电池122a以与构成多个第1电芯单元121a的隔板相同的材料制成。
第1模拟电池122a位于在多个第1电芯单元121a中配置于中间的两个第1电芯单元121a之间。例如，当多个第1电芯单元121a的个数为偶数时，第1模拟电池122a位于中间的两个第1电芯单元121a之间。另一示例中，当多个第1电芯单元121a的个数为奇数时，第1模拟电池122a位于中间的三个第1电芯单元121a中任意两个第1电芯单元121a之间。基于上述配置，第1模拟电池122a能够在受到较小的临近的冷却板131的影响的状态下，测量膜电极集电体(MEA)的实时温度。
多个第1电芯组件12a中的每一个能够配置有一个第1模拟电池122a。由此，能够基于各个第1模拟电池122a测量的温度信息，测量电池堆内的温度分布。
第1隔热部件123a能够包裹多个第1电芯单元121a与第1模拟电池122a。第1隔热部件123a能够减少由多个第1电芯单元121a产生的热传递至冷却剂管135(参照图4)。通过第1隔热部件123a的作用，经过冷却剂管(135)而传递至多个冷却板13的冷却剂的温度能够保持稳定。
第2电芯组件12b能够包括多个第2电芯单元121b、第2模拟电池122b及第2隔热部件123b。
第2电芯组件12b的多个第2电芯单元121b的个数能够小于第1电芯组件12a的多个第1电芯单元121a。例如，一个第1电芯组件12a具有5个第1电芯单元121a，而一个第2电芯组件12b具有4个第2电芯单元121b。将具有5个电芯单元的第1电芯组件12a区域标记为A，具有4个电芯单元的第2电芯组件12b区域标记为B。即，下部的冷却板比重高于上部的冷却板。在此，下部是指相对远离供冷却剂由外部流入的冷却剂流入口的部分，上部是指相对临近冷却剂流入口的部分。通过上述结构，能够减少电池堆内温度偏差，提高燃料电池的效率。并且，能够解决由于温度不均衡导致的性能及耐用性降低等问题。
多个冷却板13用于去除由高温PEMFC电池堆10产生的热，通过外部分流管的方式使冷却剂流动，从而去除在第1电芯组件12a及第2电芯组件12b中产生的热。
图2为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
参照图2，高温PEMFC电池堆(20)包括端板110、111，第1电芯组件12c、第2电芯组件12d、第3电芯组件12e、多个冷却板、电流集电体14及冷却剂流入口18。多个冷却板包括，第1电芯组件12c的各个上面或者下面的多个第1冷却板，位于第2电芯组件12d的各个上面或者下面的多个第2冷却板，及位于第3电芯组件12e的各个上面或下面的多个第3冷却板。第1冷却板、第2冷却板，及第3冷却板并非不同的构成，而是取决于配置于第1电芯组件12c、第2电芯组件12d，及第3电芯组件12e中哪一个电芯组件。
端板110、111，能够包括具有冷却剂流入口18的上部端板110，及配置于上部端板110的对面的下部端板111。冷却剂通过冷却剂流入口18流入上部端板110，随后注入多个冷却板。
第1电芯组件12c相比第2电芯组件12d离上部端板110更近。第3电芯组件12e相比第2电芯组件12d离下部端板111更近。第1电芯组件12c及第3电芯组件12e分别临近端板，能够由端板吸收热量，保持相对适当的温度。相反，第2电芯组件12d离端板较远，相对较难维持适当温度。由此，第2电芯组件12d的个数能够少于第1电芯组件12c及第3电芯组件12e。例如，第1电芯组件12c具有5个电芯单元，第2电芯组件12d具有4个电芯单元，第3电芯组件12e具有5个电芯单元。
通过上述结构，能够减少电池堆内的温度偏差，提高燃料电池的效率。此外，能够解决由于温度不均衡导致的性能及耐用性降低等问题。
图3为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
参照图3，高温PEMFC电池堆20包括端板110、第1至第5电芯组件12f、12g、12h、12i、12j、电流集电体14、多个冷却板，及冷却剂流入口18。
第1至第5电芯组件12f、12g、12h、12i、12j的排列逐渐远离冷却剂流入口18。例如，第1电芯组件12f离冷却剂流入口18最近，而第5电芯组件12j离冷却剂流入口18最远。
在多个电芯组件中的至少一部分电芯组件包括的电芯单元的个数，随着远离冷却剂流入口18逐渐减少。例如，第1电芯组件12f包括9个电芯单元及1个模拟电池，第2电芯组件12g包括8个电芯单元及1个模拟电池，第3电芯组件12h包括7个电芯单元及1个模拟电池，第4电芯组件12i包括6个电芯单元及1个模拟电池，第5电芯组件12j包括5个电芯单元及1个模拟电池。通过上述结构，能够减少电池堆内温度偏差，提高燃料电池的效率。并且，能够解决由于温度不均衡导致的性能及耐用性降低等问题。
图4为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的部分分解立体图，图5为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池堆的截面图。
参考图4及图5，示出了位于两个冷却板131、132之间的电芯组件。电芯组件能够包括多个电芯单元121、模拟电池122，及隔热部件123。
附着于电芯组件的上面的冷却板131具有，氢及氧的流入及流出孔，多个夹板112(参照图1)通过的孔，冷却剂管135、136通过的孔131a、131b。同样，附着于电芯组件下面的冷却板132具有氢及氧的流入及流出孔，多个夹板112(参照图1)通过的孔，冷却剂管通过的孔131a、131b。
大部分从多个电芯单元121及模拟电池122放出并传递至冷却剂管135的热由隔热部件123所切断。
图6为根据一实施例的高温高分子电解质膜燃料电池的改善温度偏差的图表。
参照图6，时间为0的时间点是高温PEMFC电池堆结束升温，在膜电极集电体(MEA)开始反应的时间点。在时间为0的时间点的上部端板与下部端板之间的温度差大致为20℃。通常，下部端板直接接触外部装置，随着温度传递而具有低于上部端板的温度。一方面，在膜电极集电体(MEA)持续反应期间，多个冷却板对膜电极集电体进行冷却。尤其，多个冷却板的间距随着远离冷却剂流入口越来越近，或者，随着远离各个端板而越来越近。基于上述结构，在膜电极集电体持续反应期间，各个冷却板能够使高温PEMFC电池堆的温度均衡，其结果在超过120分钟时，上部端板及下部端板的温度差异大致接近0℃。
图7为根据一实施例的模拟电池的平面图，图8为根据一实施例的模拟电池的侧面图。
参照图7及图8，模拟电池122包括模拟电池主体1221、模拟电池孔1222，及多个热电偶TC1、TC2、TC3。
模拟电池主体1221能够具有与电芯单元121(参照图1)相对应的形象。例如，模拟电池主体1221能够以电池堆的层叠方向为基准重叠至电芯单元121。例如，若电芯单元121具有四边形的底面，模拟电池主体1221同样具有与其相同的四边形的底面。
模拟电池孔1222能够分别与位于电芯单元121(参照图1)的氢流入及流出孔、氧流入及流出孔连通。
多个热电偶TC1、TC2、TC3能够以垂直于电池堆的层叠方向而插入至模拟电池主体1221。应了解，能够仅具有多个热电偶TC1、TC2、TC3中的一个热电偶。多个热电偶TC1、TC2、TC3以相互不同的深度插入，从而分别测量不同的位置的温度。例如，第1热电偶TC1能够测量相对外围的温度，第3热电偶TC3能过测量中央部的温度，第2热电偶TC2能够测量第1热电偶TC1及第3热电偶TC3之间的温度。尤其，第3热电偶TC3能够测量膜电极集电体(MEA)的反应最为活跃的单元的中心部分的温度。
图9为根据一实施例的端板的平面图。
参照图9，能够沿着端板110的外围配置多个释放弹簧113，例如配置10个释放弹簧113。例如，当端板110为矩形时，沿着其长边配置4个释放弹簧113，沿着短边配置3个释放弹簧113。即，共配置10个释放弹簧113。
多个面压测量件119能够配置于多个释放弹簧113的下方。例如，当沿着端板110的外围配置多个释放弹簧113时，多个面压测量件119能够均匀地测量施加至端板110的压力。例如，当释放弹簧113为10个时，同样配置10个面压测量件119。例如，当所测量的左上侧的压力相对较低时，使用者能够加强左上侧的释放弹簧113的紧固，实现正常的结合。
以上，参照附图对实施例进行了说明，但本领域普通技术人员能够基于上述记载进行多种修改及变更。例如，使用与所描述的方法不同的顺序，和/或与所说明的结构、装置等构成要素的方法不同的形态进行结合或组合。通过其他构成要素或等同物的代替或置换也能够实现适合的结果。

Claims (13)

1.一种优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其特征在于，包括：
冷却剂流入口，供冷却剂流入；
多个冷却板，使由所述冷却剂流入口流入的冷却剂流动；及
多个电芯组件，分别配置于所述多个冷却板中相邻的每一对冷却板之间，并分别包括多个电芯单元，并且，
所述多个电芯组件中至少一部分具有不同个数的所述电芯单元。
2.根据权利要求1所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述多个电芯组件中的至少一部分所具有的所述电芯单元的个数，随着远离所述冷却剂流入口而减少。
3.根据权利要求1所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述多个冷却板，包括，
多个第1冷却板；及
多个第2冷却板，相比所述多个第1冷却板远离冷却剂流入口，
所述多个电芯组件，包括，
第1电芯组件，配置于临近的两个所述第1冷却板之间，具有第1个数的第1电芯单元；及
第2电芯组件，配置于临近的两个所述第2冷却板之间，包括少于第1个数的第2个数的第2电芯单元。
4.根据权利要求3所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，还包括，
端板，对所述多个第1冷却板及第2冷却板、所述第1电芯组件及第2电芯组件加压，
所述多个冷却板，还包括，
多个第3冷却板，相比所述多个第2冷却板靠近所述端板，
所述多个电芯组件，还包括，
第3电芯组件，配置于临近的两个所述第3冷却板之间，具有多于所述第2个数的第3个数的第3电芯单元。
5.根据权利要求4所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述端板，包括，
上部端板，包括所述冷却剂流入口；及
下部端板，配置于所述上部端板的对面，
所述第1电芯组件相比所述第2电芯组件靠近所述上部端板，
所述第3电芯组件相比所述第2电芯组件靠近所述下部端板。
6.根据权利要求3所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述第1电芯组件，包括，
多个第1电芯单元，分别具有膜电极集电体；及
第1模拟电池，其内部包括热电偶，并与所述多个电芯单元并排层叠。
7.根据权利要求6所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述第1模拟电池配置于所述多个第1电芯单元中的中间两个第1电芯单元之间。
8.根据权利要求6所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述第2电芯组件，包括，
多个第2电芯单元，分别具有膜电极集电体；及
第2模拟电池，在内部包括热电偶，并与所述多个电芯单元并排层叠。
9.根据权利要求3所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述第1电芯组件，包括
分别具有膜电极集电体的多个第1电芯单元；及
包裹所述多个第1电芯单元的隔热部件。
10.根据权利要求9所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，还包括，
冷却剂管，使冷却剂分别流入所述多个第1冷却板及多个第2冷却板，
所述隔热部件中的至少一部分配置于所述多个第1电芯单元及冷却剂管之间。
11.根据权利要求1所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括，
端板，对所述多个冷却板及电芯组件加压；及
面压测量件，配置于所述端板，用于测量所述端板向所述多个冷却板及电芯组件所施加的力。
12.根据权利要求11所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，包括，
夹板，对所述端板进行结合；及
释放弹簧，配置于所述夹板末端，用于向所述端板施加压力，
并且，所述面压测量件，配置于所述释放弹簧及端板之间。
13.根据权利要求12所述的优化电池堆运行的高温高分子电解质膜燃料电池堆，其中，
所述释放弹簧沿着所述端板的外围配置有多个，
所述面压测量件分别配置于所述多个释放弹簧的下方。
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