[发明专利]一种燃料电池热平衡电堆

说明书

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。

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。