[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，具体而言，本发明涉及一种带有热源和导热件的质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一台“化学发电机”，利用了电解水的逆向反应原理，使氢气(阳极)和氧气(阴极)在催化剂的作用下，通过电化学反应产生电能。

质子交换膜燃料电池的电化学反应发生在电堆系统(以下称“电堆”)中，电堆是质子交换膜燃料电池的发电系统，包括层叠排列的膜电极组件和双极板。每片膜电极组件的上表面和下表面均设置有发电工作面。每片双极板的上下表面均设置有流场，该流场与膜电极组件发电工作面相平行，用于供阴极和阳极所需的气体通过。每片膜电极组件与其上下两侧的双极板的对应表面形成一个发电单元。

由于膜电极组件只有在有限的工作温度(操作温度)范围内才可以有效发电，因此膜电极组件对温度要求十分苛刻，表现在以下两个方面：

首先，当膜电极组件的温度过高时，会对膜电极组件造成不可逆的损害。当膜电极组件的温度过低时，膜电极组件中的电化学反应速度过慢，无法有效工作发电，用户无法使用。因此使用前必须对其进行加热，使其尽快升温预热达到工作温度下限以减少用户的等待时间。据Juhl Andreasen等人的有关研究表明，采用电加热方式的电堆达到工作温度下限所需要的升温预热时间通常在30-60分钟左右，如此长的等待时间必将严重的影响用户的使用感受，限制燃料电池的应用范围。

另外，膜电极组件工作温度的均匀性对膜电极组件的发电能力也有非常重要的影响。同一膜电极组件不同部位的工作温度应该尽量一致，不同层的膜电极组件之间的工作温度也应该尽量一致。只有在这样的才能更好地发挥膜电极组件的发电能力。

在现有技术中，为膜电极组件提供工作温度所需热量的部件是双极板，双极板不仅需要接受外部热量，把这些热量快速高效的传递到膜电极组件，还需要承担膜电极组件所需要的导电性、机械强度、耐腐蚀、隔气性、质量、成本等各方面性能的要求。由于为膜电极组件提供热量的部件承担了过多的功能，受到各种条件制约，难以满足膜电极组件的需求，因此造成了现有技术中的燃料电池电堆启动时间过长、发电能力不佳、制造成本高昂，严重影响了用户的使用感受，降低了燃料电池的存在价值，形成了影响燃料电池发展的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预热升温时间短、散热速度快、温度一致性高、结构简单、成本低廉、适用范围广的燃料电池。

一方面，本发明提供了一种燃料电池，包括：电堆，所述电堆包括至少一片膜电极组件和至少一个双极板，其中，每片膜电极组件的上表面和下表面均设置有发电工作面，所述至少一片膜电极组件和所述至少一个双极板设置成沿垂直于所述发电工作面的方向层叠排列；热源，用于提供热量；以及用于将来自所述热源的热量传导至所述至少一片膜电极组件的导热组件，其中，所述导热组件包括：第一导热件，沿垂直于所述发电工作面的方向设置于所述电堆的至少一侧；第二导热件，设置于所述第一导热件与所述至少一个双极板之间，与所述第一导热件之间通过传导方式传递热量；以及第三导热件，设置于层叠排列的膜电极组件与双极板之间，所述第三导热件与所述第二导热件之间通过传导方式传递热量并与所述第二导热件相接触，所述第三导热件与所述膜电极组件之间通过传导方式传递热量并与所述膜电极组件的发电工作面相接触。

另一方面，本发明还提供了一种燃料电池，包括：电堆，所述电堆包括一片膜电极组件和一对单极板，其中，膜电极组件的上表面和下表面均设置有发电工作面，所述一对单极板沿垂直于所述发电工作面的方向分别设置于所述发电工作面的上侧、下侧；热源，用于提供热量，以及用于将来自所述热源的热量传导至所述膜电极组件的导热组件，其中，所述导热组件包括：第一导热件，沿垂直于所述发电工作面的方向设置于所述电堆的至少一侧；第二导热件，设置于所述第一导热件与所述单极板之间，与所述第一导热件之间通过传导方式传递热量；以及第三导热件，设置于膜电极组件与单极板之间，所述第三导热件与所述第二导热件之间通过传导方式传递热量并与所述第二导热件相接触，所述第三导热件与所述膜电极组件之间通过传导方式传递热量并与所述膜电极组件的发电工作面相接触。