[发明专利]集成热交换器的燃料电池电堆

说明书

集成热交换器的燃料电池电堆，其包括电堆本体以及热交换器，其中所述热交换器集成于所述电堆本体的端部以提供隔热作用以防止所述电堆本体的层叠体的端部的温度降低，并且具有多个热交换流场，所述多个热交换流场包括燃料流场、氧化剂流场和电堆换热介质流场，其中相邻的所述燃料流场和所述氧化剂流场之间是所述电堆换热介质流场，从而不需要类似传统燃料电池系统中单独的配置的使燃料升温的加热器和使氧化剂降温的中冷器，并且通过将燃料和氧化剂分别布置在电堆换热介质的相反两侧来有效利用燃料和氧化剂两者本身之间的温差进行热交换，从而增强热交换效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及将热交换器集成于电堆本体的燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池系统将燃料和氧化剂分别供应至膜电极的两侧发生电化学反应而产生电能，典型的以氢气为燃料、以空气中的氧气为氧化剂的传统的燃料电池系统，如图1中所示，其一般包括电堆、氢气供应系统、空气供应系统和热管理系统，其中氢气供应系统包括氢气瓶、氢气加热器和用来将从电堆回收的氢气进行再利用的氢气循环回路，空气供应系统包括空气滤清器、空压机、中冷器和加湿器，热管理系统包括用于使热交换介质循环流动的流体泵和用于调控热交换介质温度的温度调节模块，进而通过热交换介质对电堆进行热管理。

在空气供应系统中，空气经过空压机以后，其温度会升高，甚至升高至150℃以上，高于电堆(尤其是膜电极)的适宜工作温度，温度过高的空气不适宜直接输送至电堆，因此需要通过中冷器降温，而从氢气瓶中出来的氢气经降压后温度会降低，低于环境温度，低温的氢气也不适宜直接与循环回来的高温(高于环境温度)湿氢气进行混合，直接混合产生的冷凝水通入电堆后会造成阳极水淹，因此需要通过氢气加热器来进行升温。

传统的燃料电池系统，如图1中所示，氢气加热器和中冷器相互并联在电堆的热管理系统的流体循环回路，这样通过在所述热管理系统中循环流动的热交换介质分别对氢气加热和对空气进行冷却。此外，氢气加热器和中冷器分别由不同的供应商生产，导致二者必须分别独立设置。综上，传统的燃料电池系统中需要配置专门的独立的针对氢气加热的氢气加热器和针对空气进行冷却的中冷器，这样必然导致燃料电池系统体积较大，集成度较低，为燃料电池系统集成制造企业在燃料电池系统体积功率密度这一重要技术参数的技术攻关上带来不可忽视的影响。

另外，燃料电池系统的电堆的层叠体(多个相互堆叠的单电池)的层叠方向的端部侧由于经由端板对外散热程度较大，因此与层叠体的层叠方向的中央侧相比容易变为低温。其将导致层叠体的各个单电池的温度一致性变差，甚至导致电堆的发电稳定性下降，因此传统的燃料电池系统的电堆的端部侧需要配置额外的由流场板形成的虚设单电池(dummy cell)，以利用虚设单电池的隔热作用防止电堆的层叠体的端部的温度降低，避免电堆受到外部气温的影响。然而虚设单电池不能用来发电，不仅增加了整个电堆的体积，而且增加了电堆的成本。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种集成热交换器的燃料电池电堆，其通过被集成的热交换器同时实现对燃料的升温和氧化剂的降温，从而不需要类似传统燃料电池系统中单独的配置的使燃料升温的加热器和使氧化剂降温的中冷器，有利于降低料电池系统的体积，提升燃料电池系统的体积功率密度。

本发明的另一优势在于提供一种集成热交换器的燃料电池电堆，其通过将所述热交换器集成于电堆本体，并且在燃料进入所述电堆本体的阳极之前(尤其是与循环的燃料混合之前)，以及在氧化剂进入所述电堆本体的阴极之前，在所述热交换器中，将燃料和氧化剂分别布置在电堆换热介质的相反两侧来有效利用燃料和氧化剂两者本身之间的温差进行热交换，以使氧化剂、电堆换热介质、燃料三者形成梯度热交换，从而增强热交换效率。

本发明的另一优势在于提供一种集成热交换器的燃料电池电堆，其中通过所述热交换器形成多层流体流场以交替地布置燃料流场、电堆换热介质流场和氧化剂流场并使电堆换热介质位于燃料和氧化剂之间的中间流场，从而使电堆换热介质能够同时与燃料和氧化剂进行热交换以使燃料升温和使氧化剂降温，进而使燃料和氧化剂都能被调整至各自适宜的温度。