CN107994240A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的燃料电池，包括：电堆，包括膜电极组件和双极板，膜电极组件的上、下表面设置有发电工作面，膜电极组件和双极板设置成沿垂直于发电工作面的方向层叠排列；提供热量的热源；以及将热量传导至膜电极组件的导热组件，导热组件包括：第一导热件，沿垂直于发电工作面的方向设置于电堆的至少一侧；第二导热件，设置于第一导热件与双极板之间，与第一导热件之间通过传导方式传递热量；第三导热件，设置于层叠的膜电极组件与双极板之间，与第二导热件之间通过传导方式传递热量并与第二导热件接触，与膜电极组件之间通过传导方式传递热量并与发电工作面接触。本发明的燃料电池预热短、散热快、温度一致性高、结构简单、成本低廉。

Description

燃料电池
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***(以下称“电堆”)中，电堆是质子交换膜燃料电池的发电***，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。
本发明的燃料电池包括电堆、为电堆供热的热源和传导热量的导热组件。其中，由第一、第二、第三导热件组成的导热组件组成独立于双极板外的外热路，为膜电极组件提供供热、散热、均热功能。第二、第三导热件组成独立于双极板外的外电路，为膜电极组件提供集电、导电功能。这样的设置方式分担了双极板的功能，扩大了双极板的选材范围，极大的降低了双极板的成本。不仅可以有效地解决电堆升温预热时间过长造成的用户等待时间过长的难题，提高电堆温度的一致性，还可以降低燃料电池的制造成本和加工难度，扩大燃料电池的适用范围。
以下将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案和由此带来的优点进行进一步详细描述。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的燃料电池的***示意图。
图2是图1中的燃料电池的主视图。
图3是图1中的燃料电池的沿A-A线的截面图。
图4是根据本发明另一种实施方式的燃料电池的***示意图。
图5是图4中的燃料电池的主视图。
图6是图4中的燃料电池的沿A’-A’线的截面图。
图7是根据本发明又一种实施方式的燃料电池的***示意图。
图8是图7中的燃料电池的主视图。
图9是图7中的燃料电池的沿A”-A”线的截面图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明涉及的各个方面进行详细阐述。需要说明的是，本发明中的附图仅用于对本发明的具体实施方式进行说明，对本发明燃料电池各个部件的具体结构、相对位置、材质等均不构成任何限定，附图中的部件并非一定是按比例进行绘制，其重点在于对本发明的构思进行举例说明；并且，本发明的具体实施方式仅仅是举例说明，对本发明的保护范围不构成任何限定。
在本发明的各个具体实施方式中，对其中涉及的众所周知的结构或材料未作详细说明。并且，本发明所描述的特征、结构或特性可在一个或多个实施方式中以任何方式组合。此外，本领域技术人员应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员可以理解，本文所描述的和附图所示的各实施方式中的部件可以按多种不同配置或比例进行布置和设计。
本发明的实施方式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，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。
本发明的实施方式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，所述一对单极板分别设置于所述膜电极组件的发电工作面的上侧、下侧，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，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。
第一导热件良好的导热能力不仅可以保证热量的快速传导，起到导热的作用，而且可以保证不同位置的第二导热件间的温度一致性，起到均热体的作用。另外，第一导热件的外露部分可以为散热提供了更多的散热面积，便于设置散热装置或对余热进一步加以利用。内置工质的设计避免了工质外泄、异味等问题的发生。外部固体外壳保证了第一、第二导热件间可以利用传导方式进行热传递，保证了传热效率。第一导热件集导热、散热、均热为一体，使用一个部件完成多个功能，成为最简设计。第二导热件的设置有效增加了其与第一、第三导热件的接触面积，提高了导热能力，同时最大限度的减轻了自身因表面积增加带来的体积、质量的增加。设置于发电工作面外的设计，可以避免对其进行防腐处理，简化了生产工艺、降低了生产成本。第三导热件采用轻质、高导热、高导电、耐腐蚀、有良好密封作用的碳材料，只需简单加工就可以高效的为膜电极组件的发电工作面供热、散热、集电、导电。
在一些实施方式中，第一导热件可以位于电堆的一侧，或两侧或三侧或四侧。第一导热件的导热率不小于10W/m·K。第一导热件可由固体外壳和密闭于固体外壳内的流体工质组成，以增加导热率，实现热量的均匀传导并可以解决工质异味等问题。例如，固体外壳可以由导热率不小于10W/m·K的金属与非金属制得，例如由铜、铁、铝、镍、钛、氮化铝、氧化铝、碳化硅、碳等制得；流体工质可以由液体或气体组成。在一些实施方式中，第一导热件可为热管，例如相变热管和非相变热管，例如导热率大于400W/m·K的相变热管，或大于1000W/m·K、甚至大于4000W/m·K的非相变热管。第一导热件也可由金属或非金属制得，例如由金、银、铜、铁、铝、镍或钛，例如氮化铝、氧化铝、碳化硅和碳制得。
在一些实施方式中，第二导热件可以与双极板相接触或不与双极板相接触(例如可以通过挂钩连接在双极板两侧)，第二导热件与第一导热件和第三导热件之间通过传导方式传递热量，其作用在于将第一导热件传递过来的热量传递至第三导热件，以尽量轻的质量、尽量多的增加与第一导热件、第三导热件的接触面积。第二导热件的数量可以与第一导热件的数量相对应：当第一导热件仅设置于电堆的一侧时，第二导热件也可仅设置于双极板的一侧；当第一导热件仅设置于电堆的两侧时，第二导热件也可设置于双极板的两侧。第二导热件的导热率不小于120W/m·K，例如可以由金属或非金属制得，例如由金、银、铜、铝、氮化铝和碳等制得。
第三导热件与膜电极组件的发电工作面紧密接触，起将热量传递给膜电极组件的作用。其无需承担双极板的强度、流场等功能，只需考虑材料的导热、导电、耐腐蚀、隔气的性能。第三导热件可以由各种导热率不小于120W/m·K的材料制得。由于第三导热件还需要起到导电的作用，因此制作第三导热件的材料的电阻率应小于1x10-4Ω·m。第三导热件可以由导电非金属材料制成，所述非金属材料包括但不限于：碳。
第一、第二、第三导热件之间采用紧固方式连接，利用高效的固体传导的传热方式，不采用运动部件、部件数量少，结构简单、施工容易，***稳定耐久、材料成本低廉。
当第一导热件(或外壳材料)导电时，第一导热件和第二导热件之间还可以设置有绝缘件，以避免短路现象，此时，第一导热件通过该绝缘件与第二导热件相接触。绝缘件应选择轻质、薄性、耐高温、绝缘性好的材料制作，其电阻率不小于1x 1010Ω·m，绝缘件可由陶瓷材料或塑料材料制成，陶瓷材料可以选自氮化铝、氧化铝，塑料材料可以选自尼龙PA、聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚苯硫醚PPS、聚四氟乙烯PTFE和液晶聚合物LCP等等。
在可选的实施方式中，当第一导热件不导电时(例如其为陶瓷等绝缘材料或其固体外壳由陶瓷材料等绝缘材料制得)或第二导热件不导电时(例如第二导热件由陶瓷等绝缘材料制得，通过额外的导电部件来实现外电路导电功能)，也可以省略绝缘件的设计。
由于采用了独立于双极板外的导热组件的设计，因此双极板的功能被极大的简化了，无需具备导热导电能力，只需具备强度、隔气、耐腐蚀等性能即可，所以可以采用廉价、轻质、耐腐蚀、易加工的材料制得，可以极大的降低双极板的材料成本和加工费用，提高双极板的寿命，扩大燃料电池的使用范围。
同时，由于采用了独立于双极板外的导热组件设计，改变了现有技术中双极板为膜电极组件供热的模式，双极板与膜电极组件的相对位置也发生了变化。本发明中，双极板和膜电极组件之间被第三导热件隔开。当热量从第三导热件传入的时候，双极板与膜电极组件之间会产生争夺热量的现象。由于膜电极组件是由酸性物质以及高分子材料制得的，因此导热率很低，如果双极板的材料如美国能源部要求的那样具有10W/m·K以上的导热率，就先于膜电极组件得到第三导热件传来的热量，延缓膜电极组件的预热启动时间。因此，在本发明中，改为采用导热率非常低的材料制作双极板/单极板。
根据本发明的实施方式，制作双极板/单极板采用的高分子材料的导热率应越低越好，使得由第三导热件导入的热量尽可能多的传向膜电极组件。然而即使如此，随着时间的沿长，双极板依然会吸热升温，其温度最终会与膜组件的温度趋于接近。但只要膜电极组件开始工作，就会释放热量。而利用这些热量来加热双极板对膜电极组件的预热升温就不会造成任何的不良影响。不仅如此，双极板导热率低、吸热慢，还会在每一个由膜电极组件、第三导热件、第二导热件和双极板形成的单个发电单元内形成气氛效应，极大的有利于膜电极组件对于工作温度稳定的需求。在一些实施方式中，双极板的导热率不大于10W/m·K，以使热量尽可能传递至膜电极组件以加热膜电极组件，电阻率大于1×10-4Ω·m。双极板/单极板可由陶瓷或塑料制成，例如，可以由尼龙PA、聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚苯硫醚PPS、聚四氟乙烯PTFE和液晶聚合物LCP制成，这些材料的导热率不大于10W/m·K，耐腐蚀率小于1μA/cm2、氢气透气率小于2.10-6cm3/cm2s、0.45Mp压力下热变形温度不低于260℃、电阻率大于1×10-4Ω·m。
【实施例1】
图1是根据本发明一种实施方式的燃料电池的***示意图，图2是图1中的燃料电池的主视图，图3是图1中的燃料电池的沿A-A线的截面图。
如图1至图3所示，本发明的燃料电池包括用于发电的电堆、用于将来自热源的热量传导至电堆的导热组件以及用于提供热量的热源。
电堆包括40片膜电极组件1、38片双极板2和分别设置于电堆顶部和底部的2片单极板3，导热组件包括2个第一导热件4、80个第二导热件5和80片第三导热件6(在图中仅示出了第1片膜电极组件、第20片膜电极组件和第40片膜电极组件及其两侧的导热件和双极板/单极板，其余重复部件省略，仅作示意)。第一导热件与第二导热件之间通过传导方式传递热量，第二导热件与第三导热件之间通过传导方式传递热量，第三导热件与膜电极组件之间通过传导方式传递热量，各个部件彼此之间通过传导方式传递热量。
膜电极组件1为质子交换膜电极组件(例如，自美国ADVEDT公司购买的Celtec-P-1000MEA型质子交换膜电极组件)，如图1所示，其为六面体结构，发电工作面11设置在其面积最大的两个面上(即图1中的上表面和下表面)，发电工作面的面积约为45cm2。
双极板呈片状，其上表面和下表面均设置有流场21，流场呈蛇形。单极板与膜电极组件相对应的表面也设置有流场，即位于电堆顶部的单极板的下表面设置有流场31，位于电堆底部的单极板的上表面设置有流场31，流场均呈蛇形。双极板和单极板均由聚苯硫醚PPS制成，其导热率2w/mk，耐腐蚀率0.85μA/cm2、氢气透气率1.23-6cm3/cm2s、1.82Mp压力下热变形温度270℃、电阻率3*1016Ω·m。
膜电极组件1和双极板2沿垂直于发电工作面的方向(如图1中的Y方向)层叠排列，并且膜电极组件的发电工作面和双极板/单极板的流场相互对应。
如图1所示，第一导热件4沿垂直于发电工作面11的方向(如图1中的Y方向)设置于电堆的两侧，呈长板状，以快速、均匀的传递热源产生的热量。其为导热率大于1000W/m·K的非相变热管，由固体外壳(钢)和密闭于固体外壳内的流体工质组成。
第二导热件5设置于双极板2与第一导热件4之间，位于双极板的两侧，即，其沿发电工作面11的方向(如图1中的X方向)设置于双极板的两侧，并与第一导热件4通过绝缘件8相接触，用于将自第一导热件传递过来的热量传递至第三导热件。第二导热件通过挂钩连接在双极板两侧，可以与双极板相接触或不与双极板相接触(在本实施例中，第二导热件与双极板相接触)，其可与双极板的厚度相同，以便于电堆中各个部件的叠放。第二导热件所处位置远离膜电极组件的发电工作面，可以有效的避免酸性物质的腐蚀，降低了材料的防腐要求，节省了防腐工艺的费用。第二导热件由铝制成，铝的导热率为200W/m·K，有利于热量传递，其市售价格低廉，加工工艺简单，利于控制成本。
此时，由于第一导热件的固体外壳为钢，第二导热件由铝制成，第二导热件和第一导热件之间还设置有绝缘件8，以避免短路现象。如图1所示，绝缘件可以呈片状，贴附在第一导热件与第二导热件相接触的部位(即，位于电堆的两侧，贴附在第一导热件上，以避免第一导热件与第二导热件直接接触产生短路)，绝缘件采用耐高温高分子聚合物聚酰亚胺PI制作，为厚度0.15mm的薄膜。
第三导热件6设置于相邻的膜电极组件1与双极板2之间，即位于膜电极组件的上下两侧，与膜电极组件的发电工作面11相接触，并与第二导热件5相接触。第三导热件通过膜电极组件和双极板的层叠排列夹在膜电极组件的上下两侧，与第二导热件紧密接触以传导热量，第三导热件与第一导热件之间可以接触也可以不接触(在本实施例中，第三导热件与第一导热件之间有间隙)(如图2所示)。在第三导热件上与膜电极组件的发电工作面和双极板的流场相对应的部分还可设置有供气体进入的穿孔61，该穿孔应尽量均匀分布，满足气体进入膜电极组件表面进行电化学反应要求。第三导热件为耐腐蚀的高导热石墨(美国GRAF SS 400 0.94T)，其导热率为400W/m·K。虽然石墨的硬度比较低，但是其导热率可以很高，从而出色地实现为膜电极组件供热的需求，并且，石墨的密度为1.5g/cm3，比热为510J/Kg·℃，其电阻率也小于1x10-6Ω·m，优于美国能源部要求的1x10-4Ω·m的标准，因此可以很好的承担为膜电极组件导热导电的任务。
这样，热量从热源出发，经过第一导热件(及绝缘件)、第二导热件和第三导热件到达膜电极组件，第一导热件4与第二导热件5之间、第二导热件5和第三导热件6之间、第三导热件6与膜电极组件1之间全部采用固体连接以紧密接触的方式，利用传导方式传递热量，传热效率高，并且这样的燃料电池结构简单可靠，成本低廉，加工难度很低，非常利于大规模生产。
热源7设置在第一导热件的下方，通过燃烧燃料的方法以充分释放热量，例如，采用甲醇燃烧器燃烧纯甲醇以为燃料电池提供热量，可选的，热源也可以以其他形式提供热量。
对按照上述实施例的燃料电池测量温度。
在自上往下的第1片膜电极组件、第20片膜电极组件和第40片膜电极组件上安装测温点，如图1所示，分别在每片膜电极组件的发电工作面的中心线位置安装3个测温点(均在位于上表面的发电工作面上)，距离热源较远的膜电极组件(第1片膜电极组件)上的测温点编号为a、b、c，处于电堆中部的膜电极组件(第20片膜电极组件)上的测温点编号为d、e、f，距离热源较近的膜电极组件(第40片膜电极组件)上的测温点编号为g、h、i。每60秒采集一次数据，统计每组测温点的升温状况，在进行10次以上实验后，以其平均值为测量结果。所测得的各测温点从环境温度(20℃)开始，每过60秒时的温度测量结果如表1所示。
表1
时间(s) 点a 点b 点c 点d 点e 点f 点g 点h 点i
0 19.6 20.8 20.3 20.6 20.4 19.8 19.9 20.1 20.5
60 23.6 22.2 23.1 20.8 21.7 21.5 30.9 29.7 30.7
120 28.1 25.2 27.9 34.3 28.4 35.1 48.8 45.7 49.4
180 35.2 30.9 36.8 42.7 40.2 31.6 66.9 61.4 67.2
240 49.6 44.2 50.5 59.4 57.2 60.1 85.7 79.1 84.6
300 77.4 71.9 78.2 81.5 77.4 83.4 102.4 99.1 101.3
360 103.3 97.6 104.2 101.2 99.1 101.7 120.2 117.1 121.1
420 130.5 128.1 131.6 125.9 121.4 126.3 139.5 136.1 141.8
480 154.7 152.1 155.8 152.1 149.6 152.1 170.1 167.3 169.3
540 169.5 168.3 168.9 165.4 164.8 166.2 175.6 173.3 176.9
本实施例中，燃料电池使用的质子交换膜电极组件的工作温度为120℃至180℃，优选的工作温度为160℃，超过200℃时膜电极组件容易损坏，低于120℃时膜电极组件难以有效发电。现有技术中，燃料电池的升温预热通常需要30～60分钟，并且升温不均匀，电堆整体发电能力差。
根据表1可以看出，本发明的膜电极组件自开始加热后420秒即可达到有效的工作温度，相比现有技术可以极大地缩短升温预热的时间。同时，不仅同一片膜电极组件上的温度差距较小，电堆中不同位置的膜电极组件之间的温度差距也比较小。在靠近热源的膜电极组件达到优选工作温度范围后，位于中部和上部的膜电极组件的温度也可以很快达到优选工作温度，保证了靠近热源的膜电极组件不会温度过高，中部和上部的膜电极组件不会温度过低，体现了优良的温度一致性，为提升电堆的发电能力提供了有力的保障。
由此可见，本实施例的燃料电池以低廉的制造成本到达了优异的***热性能，取得了预期的效果。
【实施例2】
图4是根据本发明另一种实施方式的燃料电池的***示意图，图5是图4中的燃料电池的主视图，图6是燃料电池的沿A’-A’线的截面图。
如图4至图6所示，本发明的燃料电池包括用于发电的电堆、用于将来自热源的热量传导至电堆的导热组件以及用于提供热量的热源。
电堆包括2片膜电极组件1’、1片双极板2’和分别设置于电堆顶部和底部的2片单极板3’，导热组件包括2个第一导热件4’、6个第二导热件5’和4片第三导热件6’。第一导热件与第二导热件之间通过传导方式传递热量，第二导热件与第三导热件之间通过传导方式传递热量，第三导热件与膜电极组件之间通过传导方式传递热量，各个部件彼此之间通过传导方式传递热量。
膜电极组件1’为质子交换膜电极组件(例如，自美国ADVEDT公司购买的Celtec-P-1000MEA型质子交换膜电极组件)，如图4所示，其为六面体结构，发电工作面(即发电工作面11’)设置在其面积最大的两个面上(即图4中的上表面和下表面)，发电工作面的面积约为45cm2。
双极板呈片状，其上表面和下表面均设置有流场21’，流场呈蛇形。单极板呈片状，其与膜电极组件相对的表面设置有流场，即位于电堆顶部的单极板的下表面设置有流场31’，位于电堆底部的单极板的上表面设置有流场31’，流场均呈蛇形。双极板和单极板均由聚苯硫醚PPS制成，其导热率2w/mk，耐腐蚀率0.85μA/cm2、氢气透气率1.23-6cm3/cm2s、1.82Mp压力下热变形温度270℃、电阻率3*1016Ω·m件。
膜电极组件1’和双极板2’沿垂直于发电工作面的方向(如图4中的Y方向)层叠排列，并且膜电极组件的发电工作面和双极板/单极板的流场相互对应。
如图4所示，第一导热件4’沿垂直于发电工作面11’的方向(如图4中的Y方向)设置于电堆的两侧，呈长板状，以快速、均匀地传递热源产生的热量。其为铜片，导热率为377W/m·K。
第二导热件5’设置于双极板2’与第一导热件4’之间，以及单极板3’与第一导热件4’之间，即，其沿发电工作面11’的方向(如图4中的X方向)设置于双极板/单极板的两侧，并与第一导热件通过绝缘件8’相接触，用于将第一导热件传递过来的热量传递至第三导热件。第二导热件通过挂钩连接在双极板/单极板两侧，可以与双极板/单极板相接触或不与双极板/单极板相接触(在本实施例中，第二导热件与双极板/单极板相接触)，其可与双极板/单极板的厚度相同，以便于电堆中各个部件的叠放。第二导热件所处位置远离膜电极组件的发电工作面，可以有效的避免酸性物质的腐蚀，降低了材料的防腐要求，节省了防腐工艺的费用。第二导热件由铜制成，导热率为377W/m·K，有利于热量传递，其市售价格低廉，加工工艺简单，利于控制成本。
此时，由于第一导热件为铜片，第二导热件由铜制成，第一导热件和第二导热件之间还设置有绝缘件8’，以避免短路现象。如图4所示，绝缘件可以呈片状，贴附在第一导热件与第二导热件相接触的部位(即，位于电堆的两侧，贴附在第一导热件上，以避免第一导热件与第二导热件直接接触产生短路)，绝缘件采用耐高温高分子聚合物聚酰亚胺PI制作，为厚度0.15mm的薄膜。
第三导热件6’设置于相邻的膜电极组件1’与双极板2’之间，以及相邻的膜电极组件1’与单极板3’之间，其位于膜电极组件的上下两侧，与膜电极组件的发电工作面11’相接触，并与第二导热件5’相接触。第三导热件通过膜电极组件和双极板的层叠排列夹在膜电极组件的上下两侧，与第二导热件紧密接触以传导热量，与第一导热件之间可以接触也可以不接触(在本实施例中，第三导热件与第一导热件之间有间隙)。在第三导热件上与膜电极组件的发电工作面和双极板的流场相对应的部分还可设置有供气体进入的穿孔61’，该穿孔应尽量均匀分布，满足气体进入膜电极组件表面进行电化学反应要求。第三导热件为耐腐蚀的高导热石墨(美国GRAF SS 400 0.94T)，其导热率为400W/m·K。虽然石墨的硬度比较低，但是其导热率可以很高，从而出色地实现为膜电极组件供热的需求，并且，石墨的密度为1.5g/cm3，比热为510J/Kg·℃，其电阻率也小于1x10-6Ω·m，优于美国能源部要求的1x10-4Ω·m的标准，因此可以很好的承担为膜电极组件导热导电的任务。
这样，热量从热源出发，经过第一导热件(及绝缘件)、第二导热件和第三导热件到达膜电极组件，第一导热件4’与第二导热件5’之间、第二导热件5’和第三导热件6’之间、第三导热件6’和膜电极组件1’之间全部采用固体连接以紧密接触的方式，利用传导方式传递热量，传热效率高，并且这样的燃料电池简单可靠，成本低廉，加工难度很低，非常利于大规模生产。
热源7’设置在第一导热件的下方，通过燃烧燃料的方法以充分释放热量，例如，采用甲醇燃烧器燃烧纯甲醇以为燃料电池提供热量，可选的，热源也可以以其他形式提供热量。
对按照上述实施例的燃料电池测量温度。
在自上往下的第1片膜电极组件和第2片膜电极组件上分别安装测温点，如图4所示，分别在每片膜电极组件的发电工作面的中心线位置安装3个测温点，距离热源较远的膜电极组件(第1片膜电极组件)上的测温点编号为a’、b’、c’，距离热源较近的膜电极组件(第2片膜电极组件)上的测温点编号为d’、e’、f’。每60秒采集一次数据，统计每组测温点的升温状况，在进行10次以上实验后，以其平均值为测量结果。所测得的各测温点从环境温度(20℃)开始在每60秒时的温度状况结论如表2所示。
表2
本实施例中，燃料电池使用的质子交换膜电极组件的工作温度为120℃至180℃，优选的工作温度为160℃，超过200℃时膜电极组件容易损坏，低于120℃时膜电极组件难以有效发电。现有技术中，燃料电池的升温预热通常需要30～60分钟，并且升温不均匀，电堆整体发电能力差。
根据表1可以看出，本发明的膜电极组件自开始加热后300秒即可达到有效的工作温度，相比现有技术可以极大地缩短升温预热的时间。同时，不仅同一片膜电极组件上的温度差距较小，电堆中不同位置的膜电极组件之间的温度差距也比较小。在靠近热源的膜电极组件达到优选工作温度范围后，位于中部和上部的膜电极组件的温度也可以很快达到优选工作温度，保证了靠近热源的膜电极组件不会温度过高，中部和上部的膜电极组件不会温度过低，体现了优良的温度一致性，为提升电堆的发电能力提供了有力的保障。
由此可见，本实施例的燃料电池以低廉的制造成本到达了优异的***热性能，取得了预期的效果。
【实施例3】
图7是根据本发明另一种实施方式的燃料电池的***示意图，图8是图7中的燃料电池的主视图，图9是燃料电池的沿A”-A”线的截面图。
如图7所示，本发明的燃料电池包括用于发电的电堆、用于将来自热源的热量传导至电堆的导热组件以及用于提供热量的热源。
电堆包括1片膜电极组件1”和分别设置于电堆顶部和底部的2片单极板3”，导热组件包括2个第一导热件4”、4个第二导热件5”和2片第三导热件6”。第一导热件与第二导热件之间通过传导方式传递热量，第二导热件与第三导热件之间通过传导方式传递热量，第三导热件与膜电极组件之间通过传导方式传递热量，各个部件彼此之间通过传导方式传递热量。
膜电极组件1”为质子交换膜电极组件(例如，自美国ADVEDT公司购买的Celtec-P-1000MEA型质子交换膜电极组件)，如图7所示，其为六面体结构，发电工作面(即发电工作面11”)设置在其面积最大的两个面上(即图7中的上表面和下表面)，发电工作面的面积约为45cm2。
单极板呈片状，其与膜电极组件相对的表面设置有流场，即位于电堆顶部的单极板的下表面设置有流场31”，位于电堆底部的单极板的上表面设置有流场31”，流场均呈蛇形。单极板由聚苯硫醚PPS制成，其导热率2w/mk，耐腐蚀率0.85μA/cm2、氢气透气率1.23- 6cm3/cm2s、1.82Mp压力下热变形温度270℃、电阻率3*1016Ω·m。
电堆中的单极板和膜电极组件按照一片单极板3”、一片膜电极组件1”和一片单极板3”的顺序沿垂直于发电工作面的方向(如图7中的Y方向)层叠排列，膜电极组件的发电工作面和单极板的流场相互对应。
如图7所示，第一导热件4”沿垂直于发电工作面11”的方向(如图7中的Y方向)设置于电堆的两侧，呈长板状，以快速、均匀地传递热源产生的热量。其为氮化铝陶瓷，导热率为180W/m·K。
第二导热件5”设置于单极板3”与第一导热件4”之间，位于单极板的两侧，即，其沿发电工作面11”的方向(如图7中的X方向)设置于单极板的两侧，并与第一导热件相接触，用于将第一导热件传递过来的热量传递至第三导热件。第二导热件通过挂钩连接在单极板两侧，可以与单极板相接触或不与单极板相接触(在本实施例中，第二导热件与单极板相接触)，其可与单极板的厚度相同，以便于电堆中各个部件的叠放。
在本实施例中，第二导热件可由氮化铝陶瓷制成，导热率为180W/m·K，有利于热量传递。此时，由于第二导热件不导电，因此需要在第二导热件上增加导电部件，使其能承担外电路导电功能，其承担导电功能的导电部件的导电率应小于1x10-4Ω·m，满足美国能源部的要求。在本实施例中，采用在第二导热件5”上穿孔、在穿孔中植入导电件51”(例如铜钉)的办法使第二导热件能够承担外电路导电功能，也可以采用在第二导热件上不与第一导热件接触的区域涂镀导电金属的办法达到目的。可选地，第二导热件也可直接由金、银、铜、铝等导电金属制成。
第三导热件6”设置于相邻的膜电极组件1”与单极板3”之间，即其位于膜电极组件的上下两侧，与膜电极组件的发电工作面11”相接触，并与第二导热件5”相接触。第三导热件通过膜电极组件和单极板的排列夹在膜电极组件的上下两侧，与第二导热件紧密接触以传导热量，与第一导热件之间可以接触也可以不接触(在本实施例中，第三导热件与第一导热件之间有间隙)。在第三导热件上与膜电极组件的发电工作面和双极板的流场相对应的部分还可设置有供气体进入的穿孔61”，该穿孔应尽量均匀分布，满足气体进入膜电极组件表面进行电化学反应要求。第三导热件为耐腐蚀的高导热石墨(美国GRAFSS 400 0.94T)，其导热率为400W/m·K。虽然石墨的硬度比较低，但是其导热率可以很高，从而出色地实现为膜电极组件供热的需求，并且，石墨的密度为1.5g/cm3，比热为510J/Kg·℃，其电阻率也小于1x10-6Ω·m，优于美国能源部要求的1x10-4Ω·m的标准，因此可以很好的承担为膜电极组件导热导电的任务。
在本实施例中，由于第一导热件、第二导热件均为氮化铝陶瓷，均不导电，因此第一导热件和第二导热件之间无需设置绝缘件。
这样，热量从热源出发，经过第一导热件、第二导热件和第三导热件到达膜电极组件，第一导热件4”与第二导热件5”之间、第二导热件5”和第三导热件6”之间、第三导热件6”与膜电极组件1”之间全部采用固体连接以紧密接触的方式，利用传导方式传递热量，传热效率高，并且这样的燃料电池简单可靠，成本低廉，加工难度很低，非常利于大规模生产。
热源7”设置在第一导热件的下方，通过燃烧燃料的方法以充分释放热量，例如，采用甲醇燃烧器燃烧纯甲醇以为燃料电池提供热量，可选的，热源也可以以其他形式提供热量。
对按照上述实施例的燃料电池测量温度。
如图7所示，在膜电极组件的发电工作面的中心线位置安装3个测温点，测温点编号为a”、b”、c”。每60秒采集一次数据，统计每组测温点的升温状况，在进行10次以上实验后，以其平均值为测量结果。所测得的各测温点从环境温度(20℃)开始在每60秒时的温度状况结论如表3所示。
表3
本实施例中，燃料电池使用的质子交换膜电极组件的工作温度为120℃至180℃，优选的工作温度为160℃，超过200℃时膜电极组件容易损坏，低于120℃时膜电极组件难以有效发电。现有技术中，燃料电池的升温预热通常需要30～60分钟，并且升温不均匀，电堆整体发电能力差。
根据表3可以看出，本发明的膜电极组件自开始加热后不到300秒即可达到有效的工作温度，相比现有技术可以极大地缩短升温预热的时间。同时，不仅同一片膜电极组件上的温度差距较小，电堆中不同位置的膜电极组件之间的温度差距也比较小。在靠近热源的膜电极组件达到优选工作温度范围后，位于中部和上部的膜电极组件的温度也可以很快达到优选工作温度，保证了靠近热源的膜电极组件不会温度过高，中部和上部的膜电极组件不会温度过低，体现了优良的温度一致性，为提升电堆的发电能力提供了有力的保障。
由此可见，本实施例的燃料电池表现出优异的***热性能，取得了预期的效果。
当然，本发明的燃料电池也不限于上述实施例，本领域的技术人员可以根据实际需要选择膜电极组件和双极板的数量，例如20片膜电极组件、18个双极板和2个单极板，30片膜电极组件、28个双极板和2个单极板等，导热件的数量也可根据实际需要进行选择，例如第一导热件可围绕电堆1、3、4侧，第二导热件可位于双极板/单极板的1、3、4端，膜电极组件、双极板/单极板、导热组件、热源和/或绝缘件也不限于上述实施例中的材料，本领域的技术人员可以根据实际需要进行选择。
本发明的燃料电池表现出优异的***热性能，取得了预期的效果。本发明解决了质子交换膜燃料电池的预热升温问题，增强了燃料电池的发电能力，降低了双极板的制造成本，提供了一种结构简单、成本低廉、高性能高效率的燃料电池。
本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味构成限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的前提下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的保护范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。

Claims (23)

1.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；
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。
2.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；
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。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还包括绝缘件，所述绝缘件沿垂直于所述发电工作面的方向设置于所述第一导热件和所述第二导热件之间，所述第一导热件通过所述绝缘件与所述第二导热件相接触。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其中，所述绝缘件呈片状，贴附在所述第一导热件与所述第二导热件相接触的部位。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，所述第一导热件的导热率不小于10W/m·K，第二导热件和第三导热件的导热率均不小于120W/m·K。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第一导热件由固体外壳和密封于固体外壳内的流体工质组成。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其中，所述固体外壳由金属材料或非金属材料制成，所述流体工质为液体或者气体。
8.如权利要求7所述的燃料电池，其中，所述金属材料的导热率大于10W/m·K；所述非金属材料的导热率大于10W/m·K。
9.如权利要求8所述的燃料电池，其中，所述第一导热件由热管制成，所述热管的导热率大于400W/m·K。
10.如权利要求9所述的燃料电池，其中，所述热管为导热率大于1000W/m·K的非相变热管。
11.如权利要求8所述的燃料电池，其中，所述金属材料包括：铜、铁、铝、镍和钛；所述非金属材料包括：氮化铝、氧化铝、碳化硅和碳。
12.如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第一导热件由金属材料或非金属材料制成。
13.如权利要求12所述的燃料电池，其中，所述金属材料包括：金、银、铜、铁、铝、镍和钛；所述非金属材料包括：氮化铝、氧化铝、碳化硅和碳。
14.如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第二导热件由金属材料或非金属材料制成。
15.如权利要求14所述的燃料电池，其中，所述金属材料包括：金、银、铜、铝；所述非金属材料包括：氮化铝陶瓷、碳。
16.如权利要求5所述的燃料电池，其中，所述第三导热件由导电非金属材料制成。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其中，所述导电非金属材料包括：碳。
18.如权利要求4所述的燃料电池，其中，所述绝缘件的电阻率大于1x1010Ω·m。
19.如权利要求18所述的燃料电池，其中，所述绝缘件由陶瓷或塑料制成。
20.如权利要求19所述的燃料电池，其中，所述陶瓷包括：氮化铝、氧化铝，所述塑料包括：尼龙PA、聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚苯硫醚PPS、聚四氟乙烯PTFE和液晶聚合物LCP。
21.如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，所述双极板的导热率不大于10W/m·K，电阻率大于1×10-4Ω·m。
22.如权利要求21所述的燃料电池，其中，所述双极板由陶瓷或塑料制成。
23.如权利要求22所述的燃料电池，其中，所述塑料包括：尼龙PA、聚醚醚酮PEEK、聚酰亚胺PI、聚苯硫醚PPS、聚四氟乙烯PTFE和液晶聚合物LCP。
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