CN111916788A

CN111916788A - 一种燃料电池热平衡电堆

Info

Publication number: CN111916788A
Application number: CN202010816627.XA
Authority: CN
Inventors: 冯勇; 陈果; 张磊刚; 薛峰; 白亚峰; 杨代辉; 石斌; 陈晓涛; 刘江涛
Original assignee: Guizhou Meiling Power Supply Co Ltd
Current assignee: Guizhou Meiling Power Supply Co Ltd
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2020-11-10

Abstract

本发明公开了一种燃料电池热平衡电堆，包括多个串联的电池单体，多个串联的电池单体形成的电堆两端分别串联有假电池，假电池为不参与电池电化学反应的电池。集电板可以在真电池与假电池之间，也可以在真、假电池串联的外面。本发明通过“冷端温度调控”的原理，对燃料电池堆的端部进行热平衡设计，即在电堆堆芯实际工作部分的两端分别串联假电池，使其消除由于端部结构部件的吸热作用而使电堆堆芯部分各单体电池工作温度不均匀的技术问题。

Description

一种燃料电池热平衡电堆

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是燃料电池电堆的堆叠结构。

背景技术

燃料电池(Fuel Cell，简称FC)是一种等温地按电化学方式将化学能转化为电能的发电装置，其电化学反应为氢气与氧气反应生成水，以及放出一定的热。燃料电池有很多种，其中质子交换膜燃料电池具有功率密度高、转换效率高、寿命长等特点。

质子交换膜燃料电池堆是由一定数量的双极板、膜电极组件、密封材料按照串联方式叠装成多个单体电池，同时再加上绝缘板、集电板、端板、紧固件等零部件，最终组装成燃料电池电堆。电堆工作的温度通常在70℃～85℃之间，工作温度过低，质子传导率低，会降低电堆的功率密度；温度过高，会导致质子交换膜脱水，电导率降低，同样影响电堆的功率密度输出，严重时会使质子交换膜破裂，使得电堆失效。

由于电堆在工作过程中，会产生大量的热，如果不能及时排除过量的热量，就会影响电池的正常工作，因此，使质子交换膜燃料电池电堆工作时的温度维持在一个相对温度的区间，对提高电堆的输出性能具有十分重要的作用。

为解决以上问题，本领域研究人员通过外部系统控制的方法，将电堆的工作温度控制在一定的温度区间，如中国专利CN106602015A公开了质子交换膜燃料电池的热管理系统，通过系统控制，将电堆的整体温度控制在合适的温度范围，中国专利CN203839462U公开了一种燃料电池的散热系统，可以实现质子交换膜燃料电池最佳工作温度范围的准确控制。

以上方法可以将电堆的整体温度控制在一定的温度区间，但是，却不能使电堆中各单体电池的温度保持稳定，其主要原因是：电堆工作过程中，电堆产生的多余热量一部分通过流经各单体电池内部的冷却液流动带出，另一部分通过电堆表面的热辐射散发，整个电堆的温度主要受流经各单体电池内部的冷却液流速控制，由于电堆的端部的端板、绝缘板、集电板等部件吸热严重，同时，电堆端部的散热也比中部快，导致在电堆内部流经各单体电池冷却液流速相同的情况下，靠近电堆端部的单体电池的温度比电堆中部低，使得电堆中各单体电池的工作温度不一致，温度不一致，导致各单体电池膜电极中催化剂的催化活性、以及膜电极的水管理不相同，由此会引起电堆中各单体电池的工作电压差距过大，最终影响了电堆的整体电性能输出与寿命等。

发明内容

本发明针对的是目前电堆端部单体电池受电堆端部结构件吸热的影响而使电堆中各单体电池工作温度不均匀，并由此影响电堆中各单体电池膜电极中催化剂的催化活性、以及膜电极的水管理不相同，从而导致各单体电池工作电压不相同，影响电堆的整体电性能输出与寿命等技术问题。

本发明旨在公开一种燃料电池热平衡电堆的结构，使得电堆内部各单体电池的工作温度保持均匀，避免电堆端部的单体电池工作温度过低而造成电堆堆芯各单体电池工作性能的不一致性，从而提升电堆的整体性能。

本发明采用“冷端部温度调控”设计理念，使得电堆内部各单体电池的工作温度保持均匀，进而避免电堆端部的单体电池工作温度过低而造成电堆堆芯各单体电池工作性能的不一致性，从而提升电堆的整体性能。

本发明中燃料电池热平衡电堆的技术方案实现如下：

一种燃料电池热平衡电堆，包括多个串联的电池单体，所述多个串联的电池单体形成的电堆两端分别串联有假电池，所述假电池为不参与电池电化学反应的电池。

作为一种选择，所述串联的电池单体形成的电堆的一端按照端板、绝缘板、集电板、导电材料、1#假电池……n#假电池、空单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，空单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，空单板靠近假电池一侧对应n#假电池中的导电材料；

所述串联的电池单体形成的电堆的另一端按照端板、绝缘板、集电板、导电材料、1'#假电池……n'#假电池、氢单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，氢单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，氢单板靠近假电池一侧对应n'#假电池中的导电材料。

作为另一种选择，所述串联的电池单体形成的电堆的一端按照端板、绝缘板、导电材料、1#假电池……n#假电池、集电板、导电材料、空单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，空单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，集电板靠近假电池一侧对应n#假电池中的导电材料；

所述串联的电池单体形成的电堆的另一端按照端板、绝缘板、导电材料、1'# 假电池……n'#假电池、集电板、导电材料、氢单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，氢单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，集电板靠近假电池一侧对应n'#假电池中的导电材料。

优选的，上述假电池中假电池的数量满足1＜n≤5或者1＜n'≤5。

优选的，所述导电材料为柔性石墨纸、假膜电极或碳纸中的任意一种，导电材料的厚度为0.1～0.4mm。

所述串联的电池单体中，每个电池单体包括双极板和真膜电极，真膜电极主要由阴阳极催化剂、质子交换膜、阴阳极气体扩散层及密封边框组成；

所述假电池包括死板和假膜电极，死板只有中间能实现冷却液的流通，两面有氢气和空气流场，或者无氢气和空气流场，当有氢气和空气流场时，氢气与空气流场的进气口与出气口密封，不能实现气体的流通，假膜电极由阴阳极气体扩散层、密封边框组成。

进一步，燃料电池热平衡电堆还包括密封胶线，所述密封胶线贴合在具有气体流通的双极板、绝缘板的两侧。

所述氢单板只能实现氢气、冷却液的流通，氢单板的反面可以有空气流场，但是不能实现空气的流通，当然，氢单板的反面也可以没有空气流场；

所述空单板只能实现空气、冷却液的流通，空单板的反面可以有氢气流场，但是不能实现氢气的流通，当然，空单板的发明也可以没有氢气流场。

优选的，所述双极板和死板为石墨双极板、金属双极板或复合双极板中的任意一种。

优选的，所述双极板和死板的流场为直流场、单蛇形流场、多蛇形流场或波纹形流场中的任意一种。

本发明中的燃料电池热平衡电堆是按照下述思路设计：

(1)燃料电池热平衡电堆主要由一定数量的真电池、假电池、绝缘板、集电板、端板、导电材料、密封材料串联，以及紧固件等组成，只进行电堆冷端温度调控而不参与电池电化学反应的假电池分别串联在真电池的两边，串联在真电池两端的假电池数量为1～5个。集电板可以在真电池与假电池之间，也可以在真、假电池串联的外面。

作为一种选择，燃料电池热平衡电堆中的连接关系是：端板→绝缘板→集电板→导电材料→假电池……→假电池→导电材料(假电池中的导电材料)→空单板→真膜电极→真电池……→真电池→真膜电极(真电池单体中的真膜电极) →氢单板→导电材料→假电池……→假电池→导电材料→集电板→绝缘板→端板。

作为另一种选择，燃料电池热平衡电堆中的连接关系也可以是：端板→绝缘板→导电材料→假电池……→假电池→导电材料(假电池中的导电材料)→集电板→导电材料→空单板→真电池单体中的真膜电极→真电池……→真电池→真电池中的真膜电极→氢单板→导电材料→集电板→导电材料(假电池中的导电材料)→假电池……→假电池→导电材料→绝缘板→端板。

(2)燃料电池热平衡电堆中导电材料可以是柔性石墨纸、假膜电极、碳纸中的任意一种，其厚度为0.1～0.4mm。

(3)真电池主要由双极板与真膜电极组件组成，双极板分别布置有氢气流场、空气流场以及冷却液流场，可以实现氢气、空气、冷却液的流通；真膜电极组件由阴阳极催化剂、质子交换膜、阴阳极气体扩散层及密封边框组成。

(4)假电池主要由死板与假膜电极组件组成，死板只有中间能实现冷却液的流通，两面可以有氢气和空气流场(但是氢气与空气流场的进气口与出气口密封，不能实现气体的流通)，当然，也可以没有流场。假膜电极由阴阳极气体扩散层、密封胶线(边框)组成。

(5)密封胶线贴合在具有气体流通的双极板、绝缘板的两侧。

(6)氢单板(或空单板)，只能实现氢气(或空气)、冷却液的流通。氢单板(空单板)的反面可以有空气流场(或氢气流场)，但是不能实现空气(或氢气)的流通。当然，也可以没有流场。

(7)双极板、死板可以是石墨双极板、金属双极板或复合双极板中的任意一种，其流场可以是直流场、单蛇形流场、多蛇形流场或波纹形流场等中的任意一种。

本发明通过“冷端温度调控”的原理，对燃料电池堆的端部进行热平衡设计，即在电堆堆芯实际工作部分的两端分别串联假电池，使其消除由于端部结构部件的吸热作用而使电堆堆芯部分各单体电池工作温度不均匀的技术问题。

本发明应用“冷端温度调控”的设计思路在发电电堆堆芯的两端串联一定数量的假电池，该假电池只是用于电堆温度的平衡过渡，消除电堆端部结构件由于过大的吸热作用而影响发电堆芯中单体电池的工作温度，使整个电堆发电单体电池的工作温度均衡，提高了电堆各单体电池膜电极中催化剂活性的一致性，以及膜电极的水管理一致性，降低了电堆堆芯中各单体电池工作电压的差异性，采用“冷端温度调控”设计方式，电堆中各单体电池的电压差比常规的降低了64％以上，从而提高了电堆整体的电性能输出特性。

附图说明

图1为本发明中一种形式的电堆结构示意图；

图2为本发明中区别于图1的另一种形式的电堆结构示意图；

图3电堆装配结构示意图；

图4电堆装配结构示意图；

图中：1.端板；2.绝缘板；3.导电材料；4.死板；5.假膜电极；6.集电板；7. 氢单板；8.真膜电极；9.双极板；10.真电池；11.空单板；12.密封胶线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

如图3和图4所示，分别是本发明构思中的两种燃料电池电堆连接形式，其中：

图3中从上往下按照端板1→绝缘板2→集电板6→导电材料3(石墨纸)→假电池……→假电池→导电材料3(假电池中的假膜电极5)→空单板11→真膜电极8(真电池10中的真膜电极8)→真电池10……→真电池10→真膜电极8 (真电池10中的真膜电极8)→氢单板7→导电材料3(假电池中的假膜电极5) →假电池……→假电池→导电材料3(石墨纸)→集电板6→绝缘板2→端板1 的方式组装，图中假电池主要由死板4+假膜电极5组成，真电池10主要由双极板板9+真膜电极8组成，图中有10个真电池单体，即单体1～单体10，为了区别真电池10两侧的假电池中死板4和假膜电极5装配位置差别，上述描述中特别把最接近空单板11和氢单板7的假电池里的假膜电极5作为导电材料3单独列出，从而说明空单板11一侧的假电池是按照死板4→假膜电极5→……→死板 4→假膜电极5→空单板11的顺序排列，而氢单板7一侧的假电池是按照死板4 →假膜电极5→……→死板4→假膜电极5→氢单板7的顺序排列。

图4中从上往下按照端板1→绝缘板2→导电材料3(碳纸)→假电池……→假电池→导电材料3(假电池中的假膜电极5)→集电板6→导电材料3(碳纸) →空单板11→真膜电极8(真电池中的真膜电极8)→真电池……→真电池→真膜电极8(真电池中的真膜电极8)→氢单板7→导电材料3(碳纸)→集电板6 →导电材料3(假电池中的假膜电极5)→假电池……→假电池→导电材料3(碳纸)→绝缘板2→端板1的方式组装。图中假电池主要由死板4+假膜电极5组成，真电池10主要由双极板板9+真膜电极8组成，图中有10个真电池单体，即单体1～单体10，为了区别真电池10两侧的假电池中死板4和假膜电极5装配位置差别，上述描述中特别把最接近两侧集电板6的假电池里的假膜电极5作为导电材料3单独列出，从而说明集电板6与假电池之间为假膜电极5，且都是按照死板4→假膜电极5→……→死板4→假膜电极5→集电板6的顺序组装排列。

实施案例1

按照图3的结构形式及其它电堆附件装配一个燃料电池电堆，双极板与死板 4采用石墨材料，其中阴极流场与冷却液流场采用直流场，阳极流场采用多蛇流场，导电材料3为0.2mm柔性石墨纸，由死板4构成的假电池两端分别为2个，真电池由10片发电单体电池组成，膜电极的电化学反应面积为250cm²。电堆活化完成后，控制电堆的温度在75℃下工作，电池在1.3A·cm^-2的电流密度下放电，并记录各单体电池的工作电压。

对照组1：采用相同的电堆零部件，按照常规方法装配燃料电池堆，即在图 2的装配结构图中，真电池两端不串联具有“冷端温度调控”的假电池，其余的测试条件与实施例相同。

以上两组试验的对比数据见表1：

表1

从以上的对比数据可以看出，采用“冷端温度调控”的设计方式，单体电池之间的电压差最大在14mV，而对照组单体电池之间的电压差达到了39mV，并且显示出堆芯两端的单体电池电压比中间的低。

实施案例2

按照图4的结构形式及其他电堆附件装配一个燃料电池电堆，双极板与死板4采用石墨材料，其中阴极流场与冷却液流场采用直流场，阳极流场采用多蛇流场，导电材料3为0.25mm碳纸，由死板4构成的假电池两端分别为4个，真电池由10片发电单体电池组成,膜电极的电化学反应面积为250cm²。电堆活化完成后，控制电堆的温度在75℃下工作，电池在1.3A·cm^-2的电流密度下放电，并记录各单体电池的工作电压。

对照组2：按照常规方法装配燃料电池堆，即在图3的装配结构图中，真电池两端不串联具有“冷端温度调控”的假电池，其余的测试条件与实施例相同。

以上两组试验的对比数据见表2：

表2

从以上的对比数据可以看出，采用“冷端温度调控”的设计方式，单体电池之间的电压差最大在9mV，而对照组单体电池之间的电压差达到了38mV，并且显示出堆芯两端的单体电池电压比中间的低。

图1和图2是本实施例中分别对应两种不同连接方式的电堆立体爆炸图。

图1中，从左往右依次为端板1、绝缘板2、集电板6、导电材料3、密封胶线12、死板4、密封胶线12、假膜电极5、死板4、假膜电极5、氢单板7、真膜电极8、双极板9、真膜电极8、真电池10、双极板9、真膜电极8、空单板 11、假膜电极5、死板4、假膜电极5、死板4、导电材料3、集电板6、导电材料3、绝缘板2、导电材料3、端板1。需要说明的是图中死板4+假膜电极5组成了假电池，密封胶线12并非只有死板4一处才装配，而是只要有需要密封的位置(例如双极板9、绝缘板2等)都会采用密封胶线12密封，图1中只是对一块死板4位置的密封胶线12进行了分解。此外，图1中最右侧的集电板6与绝缘板2之间有一层导电材料3，绝缘板2与端板1之间有一层导电材料3，这里的两处导电材料3并非用于导电，而是作为装配填充结构(受力支撑结构的一部分)，分别填充在绝缘板2两个端面的上的凹槽中。

图2中，从左往右依次为端板1、绝缘板2、导电材料3、密封胶线12、死板4、密封胶线12、假膜电极5、死板4、导电材料3、集电板6、导电材料3、氢单板7、真膜电极8、双极板9、真膜电极8、真电池10、双极板9、真膜电极 8、空单板11、导电材料3、集电板6、导电材料3、死板4、假膜电极5、死板 4、导电材料3、绝缘板2、导电材料3、端板1。图2中右侧绝缘板2两侧的两层导电材料3也是作为装配填充结构，不用作导电，集电板3与死板4之间的导电材料3也可以替换为假膜电极5。图2中真电池10左、右相邻侧都是真电池，只不过为了看清其与氢单板7和空单板11连接处的形式从而在图中进行了分解，分解为双极板9和真膜电极8。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种燃料电池热平衡电堆，包括多个串联的电池单体，其特征在于：所述多个串联的电池单体形成的电堆两端分别串联有假电池，所述假电池为不参与电池电化学反应的电池。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：

所述串联的电池单体形成的电堆的一端按照端板、绝缘板、集电板、导电材料、1#假电池……n#假电池、空单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，空单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，空单板靠近假电池一侧对应n#假电池中的导电材料；

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：

所述串联的电池单体形成的电堆的一端按照端板、绝缘板、导电材料、1#假电池……n#假电池、集电板、导电材料、空单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，空单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，集电板靠近假电池一侧对应n#假电池中的导电材料；

所述串联的电池单体形成的电堆的另一端按照端板、绝缘板、导电材料、1'#假电池……n'#假电池、集电板、导电材料、氢单板的顺序依次叠加，其中端板位于最外侧，氢单板靠近电池单体一侧对应电池单体中的真膜电极，集电板靠近假电池一侧对应n'#假电池中的导电材料。

4.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：所述1＜n≤5,所述1＜n'≤5。

5.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：所述导电材料为柔性石墨纸、假膜电极或碳纸中的任意一种，导电材料的厚度为0.1～0.4mm。

6.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：

7.根据权利要求2或3所述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：还包括密封胶线，所述密封胶线贴合在具有气体流通的双极板、绝缘板的两侧。

8.根据权利要求2或3述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：

所述氢单板只能实现氢气、冷却液的流通；

所述空单板只能实现空气、冷却液的流通。

9.根据权利要求6述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：所述双极板和死板为石墨双极板、金属双极板或复合双极板中的任意一种。

10.根据权利要求6述的一种燃料电池热平衡电堆，其特征在于：所述双极板和死板的流场为直流场、单蛇形流场、多蛇形流场或波纹形流场中的任意一种。