CN114447391A - 燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池堆，涉及电池技术领域，本发明提供的燃料电池堆包括：多个燃料电池和散热垫片，多个燃料电池相互平行设置，并电连接，燃料电池包括至少两个平行且间隔设置的双极板层，双极板层由各向异性材料制成，各向异性材料的内导热率高于500W/mK；散热垫片的第一端部位于相邻的两个双极板层之间，并通过导热绝缘垫固定于两个双极板层之间，散热垫片的第二端部位于两个双极板层的外部。本发明提供的燃料电池堆缓解了相关技术中燃料电池堆功率密度低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电化学电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池在发电过程中将产生热量，因此需对燃料电池进行冷却以保证燃料电池的正常工作。
现有技术中对燃料电池冷却的方案主要有两种，一种是利用内BPP冷却流场对液体进行冷却，另一种是通过组成燃料电池堆之间的空气冷却通道进行空气冷却。
在第一种方案中，由于需要双极板层形成冷却通道，所以双极板层由金属材料制成，这样双极板层与扩散层接触面上的界面接触电阻会导致燃料电池和电池组的效率降低，此外，由金属材料制成的双极板层易被腐蚀，从而影响燃料电池的使用寿命。在第二种方案中，利用低热容量的空气作为冷却介质时，需要空气冷却通道的截面尺寸足够大，才能实现需要的冷却效果，因此会限制燃料电池的功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池堆，以缓解相关技术中燃料电池堆功率密度低的技术问题。
第一方面，本发明提供的燃料电池堆包括：多个燃料电池和散热垫片，多个所述燃料电池相互平行设置，并电连接，所述燃料电池包括至少两个平行且间隔设置的双极板层，所述双极板层由各向异性材料制成，所述各向异性材料的内导热率高于500W/mK；
所述散热垫片的第一端部位于相邻的两个所述双极板层之间，并通过导热绝缘垫固定于两个所述双极板层之间，所述散热垫片的第二端部位于两个所述双极板层的外部。
进一步地，所述各向异性材料的平面电导率高于1.000Sm/m。
进一步地，所述双极板层由双轴取向石墨片制成。
进一步地，所述双极板层的厚度范围为0.001mm－1mm。
进一步地，所述散热垫片由各向同性材料制成，并且所述散热垫片的取向平行于所述双极板层。
进一步地，所述各向同性材料包括金属材料或金属合金材料。
进一步地，所述各向同性材料包括陶瓷。
进一步地，所述散热垫片的热导率高于100W/mK。
进一步地，所述燃料电池堆还包括冷却通道，至少一个所述燃料电池上的所述散热垫片与所述冷却通道抵接。
进一步地，所述冷却通道的延伸方向垂直于所述散热垫片。
进一步地，所述冷却通道位于所述散热垫片的外部，所述散热垫片通过粘接剂或焊接的方式与所述冷却通道的外壁连接。
进一步地，所述粘接剂的导热率高于10W/mK。
进一步地，所述散热垫片设有通孔，所述冷却通道穿过所述通孔，所述通孔的内壁与所述冷却通道的外壁抵接。
进一步地，所述冷却通道的截面呈圆形，且数量为多个，多个所述冷却通道沿所述散热垫片的长度方向间隔分布。
进一步地，所述冷却通道的截面呈矩形，所述冷却通道的截面的长度方向与所述散热垫片的长度方向平行。
进一步地，所述冷却通道由金属材料或金属合金材料制成。
进一步地，所述冷却通道的导热率高于100W/mK。
进一步地，所述燃料电池还包括气体扩散层，相邻的两个所述双极板层之间设有两个所述气体扩散层，两个所述气体扩散层分别与两个所述双极板层的内表面贴合，所述双极板层的内表面和/或所述气体扩散层表面设有凹槽。
进一步地，当所述双极板层的内表面和所述气体扩散层的与所述双极板层相对的表面均设置所述凹槽时，所述双极板层上的凹槽与所述气体扩散层上的凹槽相对设置，以形成气流场通道。
进一步地，所述凹槽的宽度范围为0.01mm－1mm，所述凹槽的深度大于等于0.01mm，且对应地小于所述双极板层或所述气体扩散层的厚度。
进一步地，所述凹槽呈直线形、波浪形或蛇形。
进一步地，所述燃料电池还包括催化剂层和质子交换膜，相邻的两个所述气体扩散层之间设有两个所述催化剂层，两个所述催化剂层分别与两个所述气体扩散层贴合，两个所述催化剂层之间设有所述质子交换膜，所述质子交换膜与所述催化剂层贴合。
进一步地，所述散热垫片与所述催化剂层在平行于所述催化剂层的平面上的投影相互错开，所述催化剂层与所述散热垫片之间设有密封垫片，所述密封垫片分别与两个所述双极板层抵接。
本发明提供的燃料电池堆中的燃料电池使用具有高面内导热率的各向异性材料作为双极板层，从而能够提供沿电池平面的低温变化，无需在双极板层设置冷却通道。发电过程中产生的热量可通过双极板层首先传递至双极板层的边缘，然后通过导热绝缘垫传递至散热垫片的第一端部，热量从散热垫片的第一端部传递至散热垫片的第二端部，最终经散热垫片散出。
与相关技术相比，本发明提供的燃料电池堆中的双极板层表面温度变化较小，并且在燃料电池内未设置冷却通道，从而减小了燃料电池的体积，提高了燃料电池的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池堆的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池的截面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阴极的结构示意图一；
图4为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阳极的结构示意图一；
图5为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阴极的结构示意图二；
图6为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阳极的结构示意图二；
图7为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阴极的结构示意图三；
图8为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阳极的结构示意图三；
图9为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阴极的结构示意图四；
图10为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池阳极的结构示意图四；
图11为本发明实施例提供的燃料电池堆中燃料电池实验结果示意图。
图标：100－燃料电池；110－双极板层；120－气体扩散层；130－催化剂层；140－质子交换膜；200－散热垫片；210－导热绝缘垫；220－密封垫片；300－冷却通道；410－空气入口通道；420－空气出口通道；430－氢气入口通道；440－氢气出口通道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的汽车包括燃料电池堆可应用于燃料电池汽车中，为牵引电机提供动力。如图1所示，本发明实施例提供的燃料电池堆包括多个燃料电池100，多个燃料电池100相互平行设置，并电连接，每个燃料电池100均呈长方形，燃料电池100的两个长边处均设有散热垫片200，散热垫片200的长度方向与燃料电池100的长度方向相同，燃料电池100的两个宽边中，一个宽边处设有空气出口通道420和氢气入口通道430，另一宽边处设有空气入口通道410和氢气出口通道440，多个燃料电池100上的空气入口通道410、空气出口通道420、氢气入口通道430和氢气出口通道440一一对应的连通。
如图2所示，燃料电池100包括至少两个平行且间隔设置的双极板层110，相邻的两个双极板层110分别为阳极板层和阴极板层，双极板层110由各向异性材料制成，各向异性材料的内导热率高于500W/mK，平面电导率高于1.000Sm/m，制成双极板层110的各向异性材料包含sp2－杂化碳，并且sp2－杂化碳的含量高于95％。具体地，双极板层110由双轴取向石墨片，双轴取向石墨片的内导热率高于500W/mK，具体可为510W/mK、550W/mK、600W/mK、650W/mK或700W/mK等，平面电导率高于1.000Sm/m，具体可为1.1Sm/m、1.5Sm/m、2Sm/m、2.5Sm/m或3Sm/m等。双极板层110的厚度可为0.01mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm或1mm等。
相邻的两个双极板层110之间设有两个气体扩散层120，两个气体扩散层120分别与两个双极板层110的内表面贴合，其中与阴极板层贴合的气体扩散层120与空气入口通道410和空气出口通道420连通，与阳极板层贴合的气体扩散层120与氢气入口通道430和氢气出口通道440连通。两个气体扩散层120之间设有两个催化剂层130，两个催化剂层130分别与两个气体扩散层120贴合，并且催化剂层130含有过渡金属，两个催化剂层130之间设有质子交换膜140，质子交换膜140与两个催化剂层130贴合。
一些实施方式中，双极板层110和气体扩散层120的表面基本上都是平整的，另一些实施方式中，双极板层110的内表面和/或气体扩散层120表面设有凹槽。具体地，可仅在双极板层110的内表面设置凹槽，或者仅在气体扩散层120的表面设置凹槽，或者同时在双极板层110的内表面和气体扩散层120的表面设置凹槽，当双极板层110的内表面和气体扩散层120与双极板层110相对的表面均设置凹槽时，双极板层110上的凹槽与气体扩散层120上的凹槽相对设置，以形成气流场通道。凹槽呈直线形、波浪形或蛇形，位于阳极侧的凹槽的两端分别与氢气入口通道430和氢气出口通道440连通，位于阴极侧的凹槽的两端分别与空气入口通道410和空气出口通道420连通。凹槽的设置为气体的流动提供通道，使气体按照指定的路径从燃料电池100的一端流动至燃料电池100的另一端。
凹槽的宽度可为0.01mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm或1mm等，设于双极板层110的凹槽的深度大于0.01mm，且小于双极板层110的厚度，设于气体扩散层120的凹槽的深度大于0.01mm，且小于气体扩散层120的厚度，即能够保证气体的流量，又能够避免因凹槽过深而对双极板层110或气体扩散层120造成影响。
散热垫片200的沿宽度方向的第一端部位于相邻的两个双极板层110之间，散热垫片200的沿宽度方向的第二端部位于相邻的双极板层110外部，即散热垫片200的一个长边位于两个相邻的双极板层110之间，散热垫片200的另一个长边位于相邻的双极板层110的外部，散热垫片200的第一端部的两侧均设有导热绝缘垫210，导热绝缘垫210分别与双极板层110和散热垫片200的第一端部抵接。气体扩散层120的宽度和催化剂层130的宽度均小于双极板层110的宽度，散热垫片200与气体扩散层120在平行于气体扩散层120的平面上投影相互错开，散热垫片200与催化剂层130在平行于催化剂层130的平面上的投影相互错开，散热垫片200与气体催化剂层130之间设有密封垫片220，密封垫片220的侧面与气体扩散层120和催化剂层130抵接，对气体扩散层120和催化剂层130起到密封作用，密封垫片220的上表面和下表面分别与两个双极板层110抵接，质子交换膜140的侧边插入密封垫片220内。
散热垫片200由各向同性材料制成，并且散热垫片200的取向平行于双极板层110，一些实施方式中，各向同性材料包括金属材料或金属合金材料，具体可为铝、铜、包含铝的合金材料或者包含铜的合金材料等，另一些实施方式中，各向同性材料包括陶瓷。散热垫片200的热导率高于100W/mK，具体地可为110W/mK、150W/mK、200W/mK、250W/mK或300W/mK等，以及时将双极板层110上的热量传递出，从而确保较低的温度增长量。
燃料电池堆还包括冷却通道300，至少一个燃料电池100上的散热垫片200与冷却通道300抵接。具体地，燃料电池100的两侧均设有冷却通道300，冷却通道300的延伸方向垂直于散热垫片200，多个燃料电池100上的散热垫片200均与对应侧的冷却通道300抵接，冷却通道300内通有冷却液体或冷却气体，散热垫片200将双极板层110上热量传递至冷却通道300，冷却通道300将热量带走，从而实现对各个双极板层110的冷却。
关于冷却通道300的设置方式，一些实施方式中，如图3至图6所示，冷却通道300的截面呈圆形，且数量为多个，多个冷却通道300沿散热垫片200的长度方向间隔分布。另一些实施方式中，如图7至图10所示，冷却通道300的截面呈矩形，冷却通道300的截面的长度方向与散热垫片200的长度方向平行。
关于冷却通道300与散热垫片200的连接方式，一些实施方式中，如图3、图4、图7和图8所示，冷却通道300位于散热垫片200的外部，并位于散热垫片200的背离燃料电池100的一侧，散热垫片200的第二端部通过粘接剂或焊接的方式与冷却通道300的外壁连接，以能够将散热垫片200上的热量通过散热垫片200的第二端部传递至冷却通道300。另一些实施方式中，如图5、图6、图9和图10所示，散热垫片200设有通孔，通孔的截面形状与冷却通道300的截面形状相适配，冷却通道300依次穿过多个散热垫片200上的通孔，通孔的内壁与冷却通道300的外壁抵接，增大散热垫片200与冷却通道300的接触面积，更好地将散热垫片200上的热量传递至冷却通道300。当散热垫片200通过粘接剂与冷却通道300的外壁连接时，粘接剂的导热率高于10W/mK，具体可为11W/mK、15W/mK、20W/mK、25W/mK或30W/mK等。
进一步地，冷却通道300由金属材料或金属合金材料制成，具体可为铝、铜、包含铝的合金材料或者包含铜的合金材料等，并且冷却通道300的导热率高于100W/mK，具体可为110W/mK、150W/mK、200W/mK、250W/mK或300W/mK等，以及时将双极板层110上的热量传递出，从而确保双极板层110较低的面内温度变化。
本发明实施例提供的燃料电池堆包括多个燃料电池100和散热垫片200，燃料电池100使用具有高面内导热率的双轴取向石墨片作为双极板层110，从而能够提供沿电池平面的低温变化，无需在双极板层110设置冷却通道300。发电过程中产生的热量可通过双极板层110首先传递至双极板层110的边缘，然后通过导热绝缘垫210传递至散热垫片200的第一端部，热量从散热垫片200的第一端部传递至散热垫片200的第二端部，散热垫片200将热量传递至冷却通道300，冷却通道300将热量带走，从而实现对燃料电池100的冷却。
与相关技术相比，本发明实施例提供的燃料电池堆中的双极板层110表面温度变化较小，并且在燃料电池100内未设置冷却通道300，从而减小了燃料电池100的体积，提高了燃料电池100的功率密度；此外，由双轴取向石墨片制成的双极板层110不易被腐蚀，从而能够延长燃料电池100的使用寿命；由双轴取向石墨片制成的双极板层110具有较高的面内热导率，可确保从燃料电池100的中部区域向燃料电池100的边缘散热，从而提高沿燃料电池100平面的低温度变化，以及具有良好的贯穿平面的电子传导性，并且气体扩散层120的界面接触电阻值为零，从而提高了燃料电池100和燃料电池堆的效率。
具体地，如图11所示，通过仿真可以得出，利用具有散热功能的双轴取向石墨片制成的双极板层110，能够使电池表面的温度变化减小到10℃左右，根据设计和其他的因素，例如工作电压等，当△T＝10℃时，电池的宽度可达到4cm－7cm，初步计算还表面，根据设计和其他因素，例如工作电压等，燃料电池100的密度可以提高到7kW/l－10kW/l。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (23)
1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括：多个燃料电池(100)和散热垫片(200)，多个所述燃料电池(100)相互平行设置，并电连接，所述燃料电池(100)包括至少两个平行且间隔设置的双极板层(110)，所述双极板层(110)由各向异性材料制成，所述各向异性材料的内导热率高于500W/mK；
所述散热垫片(200)的第一端部位于相邻的两个所述双极板层(110)之间，并通过导热绝缘垫(210)固定于两个所述双极板层(110)之间，所述散热垫片(200)的第二端部位于两个所述双极板层(110)的外部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述各向异性材料的平面电导率高于1.000Sm/m。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，所述双极板层(110)由双轴取向石墨片制成。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述双极板层(110)的厚度范围为0.001mm－1mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述散热垫片(200)由各向同性材料制成，并且所述散热垫片(200)的取向平行于所述双极板层(110)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述各向同性材料包括金属材料或金属合金材料。
7.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述各向同性材料包括陶瓷。
8.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，所述散热垫片(200)的热导率高于100W/mK。
9.根据权利要求1－8任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆还包括冷却通道(300)，至少一个所述燃料电池(100)上的所述散热垫片(200)与所述冷却通道(300)抵接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(300)的延伸方向垂直于所述散热垫片(200)。
11.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(300)位于所述散热垫片(200)的外部，所述散热垫片(200)通过粘接剂或焊接的方式与所述冷却通道(300)的外壁连接。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其特征在于，所述粘接剂的导热率高于10W/mK。
13.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述散热垫片(200)设有通孔，所述冷却通道(300)穿过所述通孔，所述通孔的内壁与所述冷却通道(300)的外壁抵接。
14.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(300)的截面呈圆形，且数量为多个，多个所述冷却通道(300)沿所述散热垫片(200)的长度方向间隔分布。
15.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(300)的截面呈矩形，所述冷却通道(300)的截面的长度方向与所述散热垫片(200)的长度方向平行。
16.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却通道(300)由金属材料或金属合金材料制成。
17.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，制成所述冷却通道(300)的材料的导热率高于100W/mK。
18.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池(100)还包括气体扩散层(120)，相邻的两个所述双极板层(110)之间设有两个所述气体扩散层(120)，两个所述气体扩散层(120)分别与两个所述双极板层(110)的内表面贴合，所述双极板层(110)的内表面和/或所述气体扩散层(120)表面设有凹槽。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其特征在于，当所述双极板层(110)的内表面和所述气体扩散层(120)的与所述双极板层(110)相对的表面均设置所述凹槽时，所述双极板层(110)上的凹槽与所述气体扩散层(120)上的凹槽相对设置，以形成气流场通道。
20.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其特征在于，所述凹槽的宽度范围为0.01mm－1mm，所述凹槽的深度大于等于0.01mm，且对应地小于所述双极板层(110)或所述气体扩散层(120)的厚度。
21.根据权利要求18所述的燃料电池堆，其特征在于，所述凹槽呈直线形、波浪形或蛇形。
22.根据权利要求18－21任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池(100)还包括催化剂层(130)和质子交换膜(140)，相邻的两个所述气体扩散层(120)之间设有两个所述催化剂层(130)，两个所述催化剂层(130)分别与两个所述气体扩散层(120)贴合，两个所述催化剂层(130)之间设有所述质子交换膜(140)，所述质子交换膜(140)与所述催化剂层(130)贴合。
23.根据权利要求22所述的燃料电池堆，其特征在于，所述散热垫片(200)与所述催化剂层(130)在平行于所述催化剂层(130)的平面上的投影相互错开，所述催化剂层(130)与所述散热垫片(200)之间设有密封垫片(220)，所述密封垫片(220)分别与两个所述双极板层(110)抵接。
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