CN111987332A - 一种散热预热结合式燃料电池电堆 - Google Patents
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Abstract
一种散热预热结合式燃料电池电堆，电堆内部采用三节单电池(MEA)搭配一路冷却油腔的布置，多个同样单元组成电堆，每一节油路用来冷却三节单电池，同时中间两张双极板长边外伸形成翅片，与外部隔热层及包裹外壳形成翅片式通道，运行时电堆内部由循环油路进行冷却，外部空气从电堆外一侧进入，对电堆外侧进行冷却，流经电堆两侧翅片通道后，被预热至合适温度，由另一侧汇集流出，进入电堆参与反应。本发明电堆实现油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，改善了电堆温度的均匀性，节省了额外的阴极空气预热装置，提升了电堆性能及系统的能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，涉及一种新型散热预热结合式燃料电池电堆，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，同时采用风冷与油冷两种形式对电堆进行冷却，同时外部风冷空气介质被预热后进入电堆参与反应，采用油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，冷却电堆的同时，利用电堆自身热量解决了电堆阴极入口温度较低的问题，改善了电堆温度的均匀性，节省了额外的阴极空气预热装置，提升了电堆性能及系统的能量利用率。
背景技术
燃料电池是一种通过化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池通常由阳极、阴极及质子交换膜组成。在电池运行过程中，燃料在阳极催化剂表面发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，氧气在阴极催化剂表面与质子发生还原反应生成水，电子则通过外电路做功到达阴极；发生电化学反应的同时会产生大量的热，为维持电堆正常运行温度需要对电堆进行冷却。
燃料电池放电过程阴极不断消耗氧气，因而需要不断地向电池中通入氧气，一般而言，电池阴极通过风机鼓入周围环境的空气进行氧的供给。然而，空气温度低于电池运行温度，尤其在低温工况下，直接将空气中的空气通入到电池中会导致电池入口温度偏低，从而使电池内存在较大的温度差异，影响电池运行过程中的性能及寿命。
本发明提出一种新型散热预热结合式燃料电池电堆，尤其适用于高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)，内部采用油循环方式对电堆进行冷却，外部利用周围空气对电堆进行冷却，外部用于冷却电堆的空气介质被预热后再进入电堆参与反应，采用油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，冷却电堆的同时，利用电堆自身热量解决了电堆阴极入口温度较低的问题，改善了电堆温度的均匀性，节省了额外的阴极空气预热装置，提升了电堆性能及系统的能量利用率。。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型散热预热结合式燃料电池电堆，内部采用油循环方式对电堆进行冷却，外部利用周围空气对电堆进行冷却，外部用于冷却电堆的空气介质被预热后再进入电堆参与反应，采用油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，充分利用电堆热量，提升系统的能量利用率，同时解决了电堆阴极入口温度较低的问题，改善电堆温度的均匀性，提升电堆性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明燃料电池电堆内部采用三节单电池(MEA)搭配一路冷却油腔的布置，电堆重复单元为Air-MEA-H2-Air-MEA-H2-Air-MEA-H2-Oil,用双极板可表示为油/空双极板-氢/空双极板-氢/空双极板-氢/油双极板，多个同样单元组成电堆，每一节油路用来冷却三节单电池，同时中间两张双极板长边外伸形成翅片(重复单元中这两张双极板温度较高)，与外部隔热层及包裹外壳形成翅片式通道，运行时电堆内部由循环油路进行冷却，外部空气从电堆外一侧进入，对电堆外侧进行冷却，流经电堆两侧翅片通道后，被预热至合适温度，由另一侧汇集流出，进入电堆参与反应，实现油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，冷却电堆的同时，利用电堆自身热量解决了电堆阴极入口温度较低的问题，改善了电堆温度的均匀性，节省了额外的阴极空气预热装置，提升了电堆性能及系统的能量利用率。。
附图说明
图1是本发明电堆重复单元示意图。
图2是本发明电堆整体结构示意图。
图3是本发明电堆翅片示意图。
图4是本发明电堆风冷(预热)空气流程示意图。
图5是本发明电堆风冷(预热)空气流域示意图。
图6是本发明电堆双极板空气示意图。
图中：A.电堆空气进口，B.电堆空气出口，C.风冷(预热)空气进口，D.风冷(预热)空气出口，E.空气流体域，F.外壳
1.油/空气双极板(油/空双极板是指双极板的一侧作为油流场，另一侧作为空气流场，其余双极板命名规则相同)，2.氢气/空气双极板(氢/空气双极板是指双极板的一侧作为氢气流场，另一侧作为空气流场，其余双极板命名规则相同)，3.氢气/油双极板(氢气/油双极板是指双极板的一侧作为氢气流场，另一侧作为油流场，其余双极板命名规则相同)，4.膜电极(MEA)，5.上端板，6.下端板，7.拉紧杆，8.集流板，9.电堆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本燃料电池电堆，包括双极板1～3，膜电极4，上端板5，下端板6，拉紧杆7，集流板8，电堆内部采用三节单电池(MEA)搭配一路冷却油腔的布置，电堆重复单元为Air-MEA-H2-Air-MEA-H2-Air-MEA-H2-Oil,用双极板可表示为油/空双极板1-氢/空双极板2-氢/空双极板2-氢/油双极板3(见图1)，多个同样单元组成电堆(见图2)，每一节油路用来冷却三节单电池，同时中间两张双极板2长边外伸形成翅片(重复单元中这两张双极板温度较高，运行时双极板2温度在163℃左右，双极板1、3温度在160℃左右)，电堆经外壳封闭后，电堆外表面与封闭外壳之间形成空气流道，外伸的翅片强化了传热效果(见图3、4、5)，电堆内各路流体周围用密封垫密封，多个重复单元叠加，经由上端板5、下端板6与拉杆7组合压紧形成电堆，运行时电堆内部由循环油路进行冷却，外部空气从电堆外进口C进入，对电堆外侧进行冷却，流经电堆两侧翅片通道后，被预热至合适温度，由另一侧出口D汇集流出，从进口A进入电堆参与反应(见图4、5、6)；本发明电堆运行时，内部冷却油进口温度160℃，流经电堆温升控制在5℃以内；外部风冷空气进口温度-40℃～20℃，流经电堆外表面翅片流道后可被加热至140℃～155℃，电堆整体温度维持在160℃～165℃之间。
本发明电堆中双极板1、2、3，阴极空气侧流道为从侧面长边流入流出通道，减小流道长度，增加流道个数与整体宽度，变相减小同等流量下内部流场速度，可使阴极压力损失降低50％以上，为整体系统功率消耗及泵的选型提供有利基础(见图6)。
本电堆实现油冷/风冷相结合、电堆散热/空气预热相耦合的设计理念，冷却电堆的同时，利用电堆自身热量解决了电堆阴极入口温度较低的问题，改善了电堆温度的均匀性，节省了额外的阴极空气预热装置，提升了电堆性能及系统的能量利用率。
Claims (5)
1.一种风冷油冷结合式燃料电池电堆，其特征在于：包括1个或2个以上顺序叠合的风冷油冷结合式重复单元、及叠合于重复单元膜电极(4)一侧的一块油/空气双极板(1)或空气极板，重复单元为由依次顺序叠合的膜电极(4)、氢气/空气双极板(2)、膜电极(4)、氢气/空气双极板(2)、膜电极(4)、氢气/油双极板(3)；
或，包括1个或2个以上顺序叠合的风冷油冷结合式重复单元、及叠合于重复单元膜电极(4)一侧的一块油/氢气双极板或氢气极板，重复单元为由依次顺序叠合的膜电极(4)、空气/氢气双极板、膜电极(4)、空气/氢气双极板、膜电极(4)、空气/油双极板。
2.按照权利要求1所述风冷油冷结合式燃料电池电堆，其特征在于：所述双极板均为长方形；
所述氢气/空气双极板(2)或空气/氢气双极板的长边向外延伸形成翅片，电堆经外壳封闭后，电堆外表面与封闭外壳之间形成空气流道，外伸的翅片强化了传热效果。
3.按照权利要求1或2所述风冷油冷结合式燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆还包括上端板(5)和下端板(6)，上端板(5)和下端板(6)置于电堆的上下二端，上端板(5)和下端板(6)通过拉紧杆(7)连接，并将重复单元固定于上端板(5)和下端板(6)之间。
4.按照权利要求3所述风冷油冷结合式燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆内设有集流板(8)。
5.按照权利要求1-4任一所述风冷油冷结合式燃料电池电堆，其特征在于：所述电堆为高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)电堆。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201124 |