CN113206270B

CN113206270B - 一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池

Info

Publication number: CN113206270B
Application number: CN202110439222.3A
Authority: CN
Inventors: 涂正凯; 余纤纤; 常华伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN113206270A

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，并具体公开了一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其包括电堆、电阻和供电装置，其中：所述电堆包括多个层叠布置的金属双极板，以金属双极板中阳极流道的背面空腔作为安装槽；所述电阻嵌入安装在所述安装槽中，且所述电阻上涂有绝缘层；所述供电装置与所述电阻相连，用于为所述电阻供电。本发明在金属双极板阳极流道岸下空腔内置电阻，通过对电阻通电产生焦耳热来对燃料电池低温预热，实现电堆快速、均匀升温预热，能够在不改变双极板结构，不阻挡阴阳极流道，不影响电池性能的前提下提高电池冷启动时的热均衡性，实现电池在低温下的冷启动。

Description

一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效清洁的能量转换装置，具有能量转换效率高、清洁无污染、运行无噪音等优点，广泛应用与新能源汽车、便携式电源、固定电站及航空发电等诸多领域。其中风冷金属双极板燃料电池简化了传统燃料电池的冷却、空气供给和加湿等系统，大幅降低了系统的重量，使其在便携式移动电源方面应用潜力巨大。然而低温启动能力仍是制约其商业应用的主要障碍之一。当环境温度过低的时候利用电化学反应产生的热量来提高燃料电池的温度自启动相当困难，需要辅助装置对电堆进行预热。

现有的低温冷启动方式主要有通过辅助加热装置从内部加热电堆，阴极吹入热风预热电堆、水冷燃料电池电堆外加循环水加热系统等：例如专利CN108054410A加装温差电池，当燃料电池温度低于其最佳温度是通过蓄电池驱动温差电池为电池加热，实现燃料电池子加热，但该系统需要附加温差电池，且需要在双极板上开凹槽安装温差电池，需改变双极板本身结构，运行过程中双极板可能因受力不均匀产生形变；专利CN111129540A提出一种实现均匀加热的之子较缓慢燃料电池低温冷启动箱体，在箱体上加装电阻板，通过电阻板产生热量加热燃料电池端板来实现低温环境下电池的预热，该方法加热端板，通过导热将热量传递到双极板及膜电极上，预热温升均匀性差，且附加部件笨重；专利CN106784922A提出在石墨双极板两端插入铝片，通过铝片通入直流电加热电池，该方式需要改变双极板结构，易造成双极板产生应力形变，密封不严，且石墨双极板热容大，加热需要的电流量大升温时间长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其目的在于，在金属双极板阳极流道岸下空腔内置电阻，通过对电阻通电产生焦耳热来对燃料电池低温预热，实现电堆快速、均匀升温，能够在不添加额外附件，不改变双极板结构的情况下完成升温，达到启动要求。

为实现上述目的，按照本发明提出了一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，包括电堆、电阻和供电装置，其中：

所述电堆包括多个层叠布置的金属双极板，以金属双极板中阳极流道的背面空腔作为安装槽；所述电阻嵌入安装在所述安装槽中，且所述电阻上涂有绝缘层；所述供电装置与所述电阻相连，用于为所述电阻供电。

作为进一步优选的，所述阳极流道进出口处均设有间隔凸起，使安装槽为连续的蛇形槽道。

作为进一步优选的，所述间隔凸起的高度为阳极流道深度的25％～40％。

作为进一步优选的，所述电阻环绕安装在所述蛇形槽道中，且电阻首尾两端伸出金属双极板。

作为进一步优选的，所述供电装置为锂电池。

作为进一步优选的，还包括控制器，该控制器用于控制供电装置的通电电压和时间。

作为进一步优选的，所述电阻的阻值为0.3Ω～3Ω。

作为进一步优选的，所述阳极流道的流道深为0.8mm～2mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明在金属双极板阳极流道岸下空腔内置电阻，通过对电阻通电产生焦耳热来对燃料电池低温预热，实现电堆快速、均匀升温，能够在不添加额外附件，不改变双极板结构的情况下完成升温，达到启动要求，从而可在低温环境下对电阻通电预热，以实现电堆在极端低温条件(-40℃)下工作，扩宽其作为便携式移动电源的使用范围。

2.本发明利用冲压板中阳极侧岸空腔放置电阻，不改变金属双极板结构，不影响双极板密封可靠性，不阻挡阴阳极流道；此外，通过双极板一侧通电完成通电线路布置，不影响巡检线路，只需要通过外电路即可控制预热双极板电流大小，不附加额外加热装置。

3.本发明在阳极流道进出口处均设有间隔凸起，使安装槽为连续的蛇形槽道，为预埋电阻转折处留下空间，并进一步对蛇形转折突起处间隔凸起高度进行设置，在完全容纳电阻的同时，避免阻碍电池内氢气流动，同时间隔凸起还可增强阳极气流湍流程度，提高电池性能。

4.本发明中电阻通过锂电池供电，锂电池低温环境下通过瞬时短路自升温达到工作温度，为预热系统提供电能，且锂电池自短路脉冲放电电流是由晶体管的开关过程产生的，工作温度可低至-40℃。

5.本发明的预热装置结构简单，电阻通过控制器接入低压电流，产生焦耳热，电阻与金属双极板之间绝缘，电阻工作时不影响双极板，双极板本身内阻不受其影响；电堆正常工作时控制器控制双极板预热电路断开，对燃料电池电堆效率没有影响。

附图说明

图1为本发明实施例带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池结构示意图；

图2为本发明实施例金属双极板分解结构示意图；

图3为本发明实施例安装电阻后阳极金属板侧示意图；

图4为本发明实施例安装电阻后阴极金属板侧示意图；

图5为本发明实施例金属双极板阳极流道示意图；

图6为本发明实施例电阻安装在金属双极板阳极流道背面空腔示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电堆，2、3-电阻导线，4-供电装置，5、6-控制器导线，7-控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，如图1所示，包括电堆1、电阻、供电装置4和控制器7，其中：

所述电堆1包括多个层叠布置的金属双极板，金属双极板中的阳极板上设有阳极流道，以该阳极流道的背面空腔作为安装槽；所述电阻嵌入安装在所述安装槽中，且所述电阻上涂有绝缘层；所述供电装置4与所述电阻相连，用于为所述电阻供电；所述控制器7用于控制供电装置4的通电电压和通电时间。

具体的，如图2至图4所示，金属双极板包括阳极板和阴极板，其由板材冲压成型直流道结构，双极板总厚度为1.8mm～4.2mm，阳极流道的流道深为0.8mm～2mm。电阻正负极分别通过电阻导线2、3与控制器7相连(为使图例表达更直观，将导线通过电堆两端连入控制器)，控制器7通过控制器导线5、6与供电装置相连。此外，本发明选择在阳极流道处安装电阻，是因为：阴极流道短而多，在阴极空腔布置电阻转折过多，结构复杂，提高双极板制作成本；且阴极依靠风扇供给常压空气，阴极流道增加电阻布置转折突起则会阻挡空气流道，达到同体积流量的空气供给风扇需要更高的风速，增加电堆整体寄生功率和噪音。

进一步的，如图5所示，所述阳极流道进出口处均设有间隔凸起，即在进口侧，每隔一个流道在进口处设置一个凸起，在出口处同样，每隔一个流道在出口处设置一个凸起，且对于进口设有凸起的流道，不在该流道出口设凸起，从而使流道背面的安装槽由多条平行的直道变为连续的蛇形槽道，为预埋电阻转折处留下空间。优选的，所述间隔凸起的高度为阳极流道深度的25％～40％，进一步优选为1/3。

进一步的，所述电阻为电阻丝，该电阻丝安装在蛇形槽道中，电阻丝首尾两端伸出金属双极板，如图6所示；电阻宽度小于岸宽，高度低于流道深度，蛇形转折处与首尾伸出密封圈处高度均间隔凸起高度，电阻植入阳极空腔后背面无突起，阴阳极侧双极板紧密贴合。优选的，所述电阻的阻值为0.3Ω～3Ω。

进一步的，所述供电装置为锂电池；所述控制器为PCL可编程控制器。

上述带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池工作时：冷启动预热时，由锂电池组通过控制器接入低压电流，产生焦耳热，为双极板提供电能，对阳极流道岸下电阻通电发热，电阻与金属双极板之间绝缘，电阻工作时不影响双极板；在电堆预热完成后，控制器控制断开各线路，不改变双极板内阻，不影响电堆正常工作。具体的，可通过控制器完成不同工况下的指令输出，控制各双极板通入电流电压大小及通电时间，适应不同环境温度需求；低压电流通过控制器控制各双极板线路互不干扰，当某路通电发生异常不影响其余双极板通电预热。

以下为具体实施例：

实施例1

低温环境下通过锂电池先通过晶体管的开关过程产生脉冲放电电流自短路升温，总电阻值3Ω，启动完成后通过PCL可编程控制器完成对风冷金属双极板通入低压直流电，利用双极板内置电阻产生焦耳热完成低温环境自升温过程。

环境条件：环境温度-40℃，升温后温度0℃；电阻材料选用Cr₂₀Ni₈₀，金属双极板材料为316钢，比热容460J/(kg·K)，导热率为16w/(m·K)，单片双极板质量0.04134kg；膜电极比热容833J/(kg·K)，导热率为1w/(m·K)，单片双极板质量0.00015kg，则一片双极板通电将自身与膜电极温度升温40℃所需要的热量776.694J。

通入9V的直流电，产生的776.7J的热量，内阻通电时间为28.77s；即该情况下每片双极板通入29s、9V的直流电即可将双极板自身及紧靠与该双极板的膜电极从-40℃升温至冰点以上。

实施例2

环境条件：环境温度-30℃；升温后温度0℃；电阻材料选用Cr₂₀Ni₈₀，总电阻值3Ω，金属双极板材料为316钢，比热容460J/(kg·K)，导热率为16w/(m·K)，单片双极板质量0.04134kg；膜电极比热容833J/(kg·K)，导热率为1w/(m·K)，单片双极板质量0.00015kg，则一片双极板通电将自身与膜电极温度升温40℃所需要的热量582.53J。

内阻通电时间控制为30s，产生的582.53J的热量，通入的直流电压7.6V；该情况下每片双极板通入30s、7.6V的直流电即可将双极板自身及紧靠与该双极板的膜电极从-30℃升温至冰点以上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括电堆、电阻和供电装置，其中：

所述电堆包括多个层叠布置的金属双极板，以金属双极板中阳极流道的背面空腔作为安装槽；所述电阻嵌入安装在所述安装槽中，且所述电阻上涂有绝缘层；电阻植入阳极空腔后背面无突起，阴阳极侧双极板紧密贴合；所述供电装置与所述电阻相连，用于为所述电阻供电；

所述金属双极板阳极流道进出口处均设有间隔凸起，使安装槽为连续的蛇形槽道。

2.如权利要求1所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述间隔凸起的高度为阳极流道深度的25%～40%。

3.如权利要求1所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述电阻环绕安装在所述蛇形槽道中，且电阻首尾两端伸出金属双极板。

4.如权利要求1所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述供电装置为锂电池。

5.如权利要求1所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括控制器，该控制器用于控制供电装置的通电电压和时间。

6.如权利要求1所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述电阻的阻值为0.3Ω～3Ω。

7.如权利要求1-6任一项所述的带有预热功能的风冷金属双极板质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述阳极流道的流道深为0.8 mm～2 mm。