集成热交换器的燃料电池电堆的制作方法

本发明涉及燃料电池，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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，其中所述热交换器包括多个相互堆叠的热交换板，以在相邻的两个热交换板之间形成流体流场，基于采用结构设计相似于燃料电池电堆的极板的流场板作为所述热交换器的热交换板的核心构思，便于燃料电池领域的企业和技术人员凭借极板设计的技术积累对所述热交换器的热交换板进行设计。

5、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，其中所述热交换器集成在所述电堆本体的端部侧以提供隔热作用以防止所述电堆本体的层叠体的端部因对外散热程度过大而导致温度降低，避免其受到外部气温的影响，从而使得所述电堆本体不再需要额外地配置虚设单电池(dummy cell)。

6、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，其中通过将所述热交换器集成于所述电堆本体，从而提高整个燃料电池系统的集成度，以使整个系统的结构更紧凑，进一步降低料电池系统的体积，并提升燃料电池系统的体积功率密度。

7、依本发明的一个方面，本发明提供一种集成热交换器的燃料电池电堆，其包括：

8、电堆本体；以及

9、热交换器，其中所述热交换器集成于所述电堆本体的端部，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，每个所述燃料流场的相邻的所述热交换流场是所述电堆换热介质流场，每个所述氧化剂流场的相邻的所述热交换流场是所述电堆换热介质流场。

10、根据一些实施例，多个所述热交换流场包括多个流场单元，每个所述流场单元的相邻流场是所述电堆换热介质流场，并且其中每个所述流场单元包括依次相邻地布置的三个所述热交换流场，分别是所述燃料流场、所述电堆换热介质流场和所述氧化剂流场，以使得在每个所述流场单元中形成了所述氧化剂流场、所述电堆换热介质流场和所述燃料流场的依次降温的温度梯度，以方便沿着相同热传递的方向进行充分的热交换。

11、根据一些实施例，当所述热交换器的奇数层热交换流场为所述电堆换热介质流场时，所述热交换器的偶数层热交换流场交替地被构造为所述燃料流场和所述氧化剂流场。

12、根据一些实施例，当所述热交换器的偶数层热交换流场为所述电堆换热介质流场时，所述热交换器的奇数层热交换流场交替地被构造为所述燃料流场和所述氧化剂流场。

13、根据一些实施例，所述电堆本体的燃料、氧化剂和电堆换热介质的进出口与所述热交换器的燃料、氧化剂和电堆换热介质的进出口位于所述燃料电池电堆的相反两侧。

14、根据一些实施例，所述电堆本体的燃料、氧化剂和电堆换热介质的进出口与所述热交换器的燃料、氧化剂和电堆换热介质的进出口位于所述燃料电池电堆的同一侧。

15、根据一些实施例，所述热交换器具有燃料进口、氧化剂进口、电堆换热介质进口、燃料出口、氧化剂出口和电堆换热介质出口，其中所述燃料进口和所述燃料出口位于所述热交换器的相反两端，所述氧化剂进口和所述氧化剂出口位于所述热交换器的相反两端，所述电堆换热介质进口和所述电堆换热介质出口位于所述热交换器的相反两端。

16、根据一些实施例，所述热交换器包括开口端板，所述电堆本体包括开孔端板，所述开孔端板和所述开口端板位于所述燃料电池电堆的相反两侧并且所述燃料电池电堆还包括加湿器，燃料、氧化剂和电堆换热介质分别从所述热交换器的所述开口端板进入所述热交换器，并分别进入对应的所述燃料流场、所述氧化剂流场和所述电堆换热介质流场经换热作用以后从所述开口端板流出，并且从所述开口端板流出的燃料通过所述开孔端板进入所述电堆本体以参加电化学反应，从所述开口端板流出的氧化剂经所述加湿器加湿以后从所述开孔端板进入所述电堆本体以参加电化学反应。

17、根据一些实施例，所述热交换器包括开口端板，其具有燃料进口、氧化剂进口、电堆换热介质进口、燃料出口、氧化剂出口和电堆换热介质出口，所述开口端板还具有电堆燃料进口、电堆氧化剂进口、电堆燃料出口、电堆氧化剂出口，其中所述电堆换热介质进口和所述电堆换热介质出口同时作为所述热交换器和所述电堆本体的电堆换热介质的进口和出口。

18、根据一些实施例，所述燃料电池电堆形成同时贯穿所述热交换器和所述电堆本体的燃料进口通道、氧化剂进口通道、电堆换热介质进口通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道和电堆换热介质出口通道。

19、根据一些实施例，所述热交换器和所述电堆本体之间通过隔板相隔开，其中所述燃料电池电堆形成同时贯穿所述热交换器、所述电堆本体以及所述隔板的燃料进口通道、氧化剂进口通道、电堆换热介质进口通道、燃料出口通道、氧化剂出口通道和电堆换热介质出口通道。

20、根据一些实施例，所述的集成热交换器的燃料电池电堆还包括加湿器，其中氧化剂从所述开口端板的所述氧化剂进口进入所述热交换器经换热作用以后从所述所述开口端板的所述氧化剂出口离开所述热交换器并经所述加湿器加湿以后从所述开口端板的所述电堆氧化剂进口流入所述氧化剂进口通道，再次穿过所述热交换器并经由所述隔板的隔板氧化剂进口进入所述电堆本体以参加电化学反应。

21、根据一些实施例，燃料通过所述开口端板的所述燃料进口进入所述热交换器经热交换后汇入所述燃料进口通道，并从所述隔板的隔板燃料进口进入所述电堆本体参加电化学反应。

22、根据一些实施例，所述热交换器包括多个热交换板以形成多个所述热交换流场，其中每个所述热交换板具有热交换板燃料进口、热交换板氧化剂进口、热交换板电堆换热介质进口、热交换板燃料出口、热交换板氧化剂出口、热交换板电堆换热介质出口、热交换板电堆氧化剂进口、热交换板电堆燃料出口和热交换板电堆氧化剂出口；

23、其中所述隔板具有隔板燃料进口、隔板氧化剂进口、隔板电堆换热介质进口、隔板燃料出口、隔板氧化剂出口和隔板电堆换热介质出口；

24、其中所述电池本体包括多个单电池，其中各个所述单电池的每个极板具有极板燃料进口、极板氧化剂进口、极板电堆换热介质进口、极板燃料出口、极板氧化剂出口和极板电堆换热介质出口；

25、其中所述开口端板的所述电堆燃料进口、所述热交换板的所述热交换板燃料出口、所述隔板的所述隔板燃料进口以及所述单电池的极板的所述极板燃料进口位置对应并且相连通形成所述燃料进口通道；

26、其中所述开口端板的所述电堆氧化剂进口、所述热交换板的所述热交换板电堆氧化剂进口、所述隔板的所述隔板氧化剂进口以及所述单电池的极板的所述极板氧化剂进口位置对应并且相连通形成所述氧化剂进口通道；

27、其中所述开口端板的所述电堆换热介质进口、所述热交换板的所述热交换板电堆换热介质进口、所述隔板的所述隔板电堆换热介质进口和所述单电池的极板的所述极板电堆换热介质进口位置对应并且相连通形成所述电堆换热介质进口通道；

28、其中所述开口端板的所述电堆燃料出口、所述热交换板电堆燃料出口、所述隔板的所述隔板燃料出口和所述单电池的极板的所述极板燃料出口位置对应并且相连通形成所述燃料出口通道；

29、其中所述开口端板的所述电堆氧化剂出口、所述热交换板的所述热交换板电堆氧化剂出口、所述隔板的所述隔板氧化剂出口和所述单电池的极板的所述极板氧化剂出口位置对应并且相连通形成所述氧化剂出口通道；

30、其中所述开口端板的所述电堆换热介质出口、所述热交换板的所述热交换板电堆换热介质出口、所述隔板的所述隔板电堆换热介质出口和所述单电池的极板的所述极板电堆换热介质出口位置对应并且相连通形成所述电堆换热介质出口通道。

31、根据一些实施例，所述热交换器包括多个热交换板以形成多个所述燃料流场、多个所述氧化剂流场和多个所述电堆换热介质流场，其中相邻的两个所述热交换板之间允许燃料、氧化剂和电堆换热介质中的一种流入从而对应地在这两个相邻的所述热交换板之间形成对应的所述燃料流场、所述氧化剂流场或所述电堆换热介质流场。根据一些实施例，所述热交换器包括多个热交换板以形成多个所述燃料流场、多个所述氧化剂流场和多个所述电堆换热介质流场，所述热交换器的每个所述热交换板具有热交换板燃料进口、热交换板氧化剂进口、热交换板电堆换热介质进口、热交换板燃料出口、热交换板氧化剂出口、热交换板电堆换热介质出口、热交换板电堆氧化剂进口、热交换板电堆燃料出口、热交换板电堆氧化剂出口，其中相邻的两个所述热交换板之间设置有密封件，所述密封件使所述燃料流场与所述热交换板燃料进口和所述热交换板燃料出口相连通，而与所述热交换板氧化剂进口、所述热交换板氧化剂出口、所述热交换板电堆换热介质进口、所述热交换板电堆换热介质出口、所述热交换板电堆氧化剂进口、所述热交换板电堆燃料出口和所述热交换板电堆氧化剂出口不连通，所述密封件使所述氧化剂流场与所述热交换板氧化剂进口和所述热交换板氧化剂出口相连通，而与所述热交换板燃料进口、所述热交换板燃料出口、所述热交换板电堆换热介质进口、所述热交换板电堆换热介质出口、所述热交换板电堆氧化剂进口、所述热交换板电堆燃料出口和所述热交换板电堆氧化剂出口不连通，所述密封件使所述电堆换热介质流场与所述热交换板电堆换热介质进口和所述热交换板电堆换热介质出口相连通，而与所述热交换板燃料进口、所述热交换板燃料出口、所述热交换板氧化剂进口、所述热交换板氧化剂出口、所述热交换板电堆氧化剂进口、所述热交换板电堆燃料出口和所述热交换板电堆氧化剂出口不连通。

32、根据一些实施例，所述热交换器包括多个热交换板以形成多个所述燃料流场、多个所述氧化剂流场和多个所述电堆换热介质流场，所述热交换器的每个所述热交换板具有热交换板燃料进口、热交换板氧化剂进口、热交换板电堆换热介质进口、热交换板燃料出口、热交换板氧化剂出口、热交换板电堆换热介质出口，其中相邻的两个所述热交换板之间设置有密封件，所述密封件使所述燃料流场与所述热交换板燃料进口和所述热交换板燃料出口相连通，而与所述热交换板氧化剂进口、所述热交换板氧化剂出口、所述热交换板电堆换热介质进口和所述热交换板电堆换热介质出口不连通，所述密封件使所述氧化剂流场与所述热交换板氧化剂进口和所述热交换板氧化剂出口相连通，而与所述热交换板燃料进口、所述热交换板燃料出口、所述热交换板电堆换热介质进口和所述热交换板电堆换热介质出口不连通，所述密封件使所述电堆换热介质流场与所述热交换板电堆换热介质进口和所述热交换板电堆换热介质出口相连通，而与所述热交换板燃料进口、所述热交换板燃料出口、所述热交换板氧化剂进口和所述热交换板氧化剂出口不连通。

33、根据一些实施例，所述燃料电池电堆适合应用于燃料电池系统，该燃料电池系统包括热管理系统，其中所述电堆换热介质流场被设置有热交换循环管路，其用来连通至所述电堆换热介质流场以供应电堆换热介质从而与燃料和氧化剂进行热交换，该热管理系统包括用于向所述电堆本体供应电堆换热介质的电堆换热循环管路，所述热交换循环管路与该电堆换热循环管路相并联或相串联。

34、根据一些实施例，所述电堆本体包括多个单电池和位于所述多个单电池的相反两侧的开孔端板和封装端板，其中所述热交换器叠置于所述开孔端板或叠置于所述电堆本体的所述封装端板，以使所述热交换器集成于所述电堆本体的顶侧或底侧。

35、根据一些实施例，所述电堆本体包括多个单电池和两个集流板，其中所述单电池位于两个所述集流板之间。

36、根据一些实施例，所述电堆本体包括多个单电池和两个集流板，其中所述单电池和所述热交换板位于两个所述集流板之间。