CN107302098A - 一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，由多块单电池(1)层叠而成，该燃料电池堆包括位于燃料电池堆中央的反应区域以及反应区域两侧的流体分配区域，两侧流体分配区域内均设有流体分配管道，各单电池(1)上的反应区域横截面相同，两侧流体分配区域横截面逐层渐变，相应地，各单电池(1)上对应的流体分配管道横截面逐层渐变，进而使燃料电池堆的流体分配区域纵剖面呈梯形状或倒梯形状，同时燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与之相匹配的梯形状或倒梯形状。与现有技术相比，本发明具有结构简单、燃料电池堆重量减轻、节约材料、降低成本、提高功率密度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，尤其是涉及一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆。
背景技术
燃料电池是一种清洁环保的电化学发电装置，其主要优点在于：能量转换效率高，在50％～70％；绿色环保，清洁无污染，反应产物只有液态水；发电稳定可靠。因此，它是适应未来能源和环境要求的理想能源之一。
近些年来，燃料电池一直都是一些大型汽车公司和研究机构的研究热点。在各种类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)广泛运用于各种车辆发动机、备用电源以及通讯基站等。但是，质子交换膜单燃料电池的输出电压较低(0.5～1.0V/单电池)，在实际应用时常将多对单电池串联起来，构成燃料电池堆。在电池堆的运行过程中，电池外部供给燃料电池堆的燃料、氧化剂以及冷却剂等都要通过各自的流体分配管道分布到每一对单电池中。燃料、氧化剂以及冷却剂分布得均匀与否将直接影响到电池堆的运行性能，针对流体分布均匀性的问题，可以通过流体在管道中流动的压降计算得知：各单电池中流量随着单电池数量的增大而减小，流体的分配是呈递减趋势。现有的燃料电池堆通过大小完全一致的单电池进行堆叠串联，且每个单电池的流体分配管道的横截面积均是相同的，这种情况下会造成一定的浪费，同时电池堆的功率密度较小。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，由多块单电池层叠而成，该燃料电池堆包括位于燃料电池堆中央的反应区域以及反应区域两侧的流体分配区域，两侧流体分配区域内均设有流体分配管道，各单电池上的反应区域横截面相同，两侧流体分配区域横截面逐层渐变，相应地，各单电池上对应的流体分配管道横截面逐层渐变，进而使燃料电池堆的流体分配区域纵剖面呈梯形状或倒梯形状，同时燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与之相匹配的梯形状或倒梯形状。
各单电池上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：
各单电池上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池上两侧流体分配区域的长度均按设定尺寸逐层递减；
相应地，各单电池上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同的设定尺寸逐层递减。
各单电池上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：
各单电池上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池上一侧流体分配区域的长度按设定尺寸逐层递减，另一侧流体分配区域的长度按相同的设定尺寸逐层递增，且每块单电池上两侧流体分配区域的长度之和相等；
相应地，各单电池上流体分配区域的长度逐层递减一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递减，流体分配区域的长度逐层递增一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递增。
所述的设定尺寸为1mm～10mm。
燃料电池堆的两侧流体分配区域内均设有3个流体分配管道，分别连接燃料电池堆的燃料输入管道、燃料输出管道、氧化剂输入管道、氧化剂输出管道、冷却剂输入管道和冷却剂输出管道。
该电池堆还包括两块集流面板和用于固定电池堆的紧固件，所述的集流面板分别设置在燃料电池堆的底层和顶层并通过紧固件固定。
所述的紧固件为钢带或拉紧螺栓。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)该发明中燃料电池堆中各单电池反应区域横截面均相同，而流体分配区域横截面按照设定方式逐层渐变，使得电池堆的体积减小，材料用量减少，电池堆重量减轻，从而节约了成本，有效提高了电池堆的功率密度；
(2)该发明中每一层单电池中的流体分配管道横截面变化方式按照其所在流体分配区域的变化方式进行变化，从而实现渐变，使得流体在每层单电池内分布均匀，提高了电池堆的运行性能。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2的燃料电池堆的结构示意图；
图2为本发明实施例1的燃料电池堆中双极板结构示意图；
图3为本发明实施例1的燃料电池堆中电极结构示意图；
图4为本发明实施例1和实施例2的燃料电池堆的纵剖面示意图；
图5为本发明实施例2的燃料电池堆中双极板结构示意图；
图6为本发明实施例2的燃料电池堆中电极结构示意图；
图7为本发明实施例3和实施例4的燃料电池堆的结构示意图；
图8为本发明实施例3的燃料电池堆中双极板结构示意图；
图9为本发明实施例3的燃料电池堆中电极结构示意图；
图10为本发明实施例3和实施例4的燃料电池堆的纵剖面示意图；
图11为本发明实施例4的燃料电池堆中双极板结构示意图；
图12为本发明实施例4的燃料电池堆中电极结构示意图。
图中，1为单电池，2为集流面板，3为进出管道，4为紧固件；P11为实施例1燃料电池堆的第一块单电池的双极板，P1n为实施例1燃料电池堆的最后一块单电池的双极板，E11为实施例1燃料电池堆中与第一块单电池的双极板匹配的第一块单电池电极，E1n为实施例1燃料电池堆中与最后一块单电池的双极板匹配的最后一块单电池电极，Q11为实施例1燃料电池堆的第一块单电池电极的有效反应区域，Q1n为实施例1燃料电池堆的最后一块单电池电极的有效反应区域；P21为实施例2燃料电池堆的第一块单电池的双极板，P2n为实施例2燃料电池堆的最后一块单电池的双极板，E21为实施例2燃料电池堆中与第一块单电池的双极板匹配的第一块单电池电极，E2n为实施例2燃料电池堆中与最后一块单电池的双极板匹配的最后一块单电池电极，Q21为实施例2燃料电池堆的第一块单电池电极的有效反应区域，Q2n为实施例2燃料电池堆的最后一块单电池电极的有效反应区域；P31为实施例3燃料电池堆的第一块单电池的双极板，P3n为实施例3燃料电池堆的最后一块单电池的双极板，E31为实施例3燃料电池堆中与第一块单电池的双极板匹配的第一块单电池电极，E3n为实施例3燃料电池堆中与最后一块单电池的双极板匹配的最后一块单电池电极，Q31为实施例3燃料电池堆的第一块单电池电极的有效反应区域，Q3n为实施例3燃料电池堆的最后一块单电池电极的有效反应区域；P41为实施例4燃料电池堆的第一块单电池的双极板，P4n为实施例4燃料电池堆的最后一块单电池的双极板，E41为实施例4燃料电池堆中与第一块单电池的双极板匹配的第一块单电池电极，E4n为实施例4燃料电池堆中与最后一块单电池的双极板匹配的最后一块单电池电极，Q41为实施例4燃料电池堆的第一块单电池电极的有效反应区域，Q4n为实施例4燃料电池堆的最后一块单电池电极的有效反应区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，由多块单电池1层叠而成，各单电池1由双极板与膜电极三合一组件交替叠合而成。该电池堆还包括两块集流面板2和用于固定电池堆的紧固件4，集流面板2分别设置在燃料电池堆的底层和顶层并通过紧固件4固定，紧固件4为钢带或拉紧螺栓。该燃料电池堆包括位于燃料电池堆中央的反应区域以及反应区域两侧的流体分配区域，两侧流体分配区域内均设有流体分配管道，各单电池1上的反应区域横截面相同，两侧流体分配区域横截面逐层渐变，相应地，各单电池1上对应的流体分配管道横截面逐层渐变，进而使燃料电池堆的流体分配区域纵剖面呈梯形状或倒梯形状，同时燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与之相匹配的梯形状或倒梯形状。燃料电池堆的两侧流体分配区域内均设有3个流体分配管道，分别连接燃料电池堆的燃料输入管道、燃料输出管道、氧化剂输入管道、氧化剂输出管道、冷却剂输入管道和冷却剂输出管道，图1中统一表示为进出管道3。
各单电池1上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：各单电池1上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池1上两侧流体分配区域的长度均按设定尺寸逐层递减；相应地，各单电池1上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同的设定尺寸逐层递减。上述的变化方式中的设定尺寸为1mm～10mm。该实施例中各单电池1上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面呈矩形，且上述设定尺寸为2mm。
具体地，该实施例中燃料电池堆采用12块单电池1层叠而成，如图2所示为该实施例中双极板的结构示意图，图中L1为本实施例燃料电池堆的第一块双极板的长度，L2为本实施例燃料电池堆的第一块双极板的宽度，L3为本实施例燃料电池堆的第一块双极板上两侧流体分配区域的长度，L4为本实施例燃料电池堆的第一块双极板上两侧的流体分配区域内流体分配管道横截面的长度。具体的第一块双极板长度为Amm，宽度为Bmm，第一块双极板上两侧流体分配区域的长度均为Dmm，第一块双极板上两侧的流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为Cmm；按照上述方式进行变化，第二块双极板上流体分配区域的长度均减少2mm，同时双极板上对应设置的流体分配管道横截面的长度也减少2mm，由此可见，第二块双极板上两侧流体分配区域的长度均为(D-2)mm，第二块双极板的长度为(A-4)mm，流体分配管道横截面的长度为(C-2)mm；依此类推，最后一块双极板(即本实施例中第12块双极板)上两侧流体分配区域的长度均为(D-22)mm，最后一块双极板(即本实施例中第12块双极板)的长度为(A-44)mm，相应地该双极板上两侧流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为(C-22)mm。
如图3所示为该实施例中电极的结构示意图，每块单电池1中的电极与上述双极板均是配套设计的，12块电极的尺寸变化与上述双极板的变化方式一致，同时燃料电池堆中的每一块电极有效反应区域横截面相同，即图中燃料电池堆的第一块电极的有效反应区域Q11直至燃料电池堆的最后一块电极的有效反应区域Q1n均完全相同。
如图4所示为该实施例的燃料电池堆的纵剖面示意图，从图中可以看出由于各单电池1上两侧流体分配区域的长度均按设定尺寸逐层递减，从而使得燃料电池堆两侧流体分配区域纵剖面呈梯形状，且两侧流体分配区域纵剖面的两个梯形为呈镜像对称分布。相应地，各单电池1上流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递减，使得各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与流体分配区域纵剖面相匹配的梯形状。
现有的燃料电池堆通过大小完全一致的单电池1进行堆叠串联，且每个单电池1上的流体分配管道横截面积均是相同的，将该实施例的燃料电池堆和现有的燃料电池堆相比，该实施例的燃料电池堆重量有所减轻，一方面节约了材料，节约了成本，另一方面有效提高了燃料电池堆的功率密度。
实施例2
如图1所示，该实施例中燃料电池堆外形与实施例1相同，不同点在于该燃料电池堆中各单电池1上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面呈腰形，其余均与实施例1相同。
如图5所示为该实施例中双极板的结构示意图，图中L1为本实施例燃料电池堆的第一块双极板的长度，L2为本实施例燃料电池堆的第一块双极板的宽度，L3为本实施例燃料电池堆的第一块双极板上两侧流体分配区域的长度，L4为本实施例燃料电池堆的第一块双极板上两侧的流体分配区域内流体分配管道横截面长度，这里流体分配管道横截面长度即为腰形截面的长度。具体地，各单电池1的双极板的尺寸以及流体分配管道横截面的尺寸大小均与实施例1相同。
如图6所示为该实施例中电极的结构示意图，每块单电池1中的电极与上述双极板均是配套设计的，12块电极的尺寸变化与上述双极板的变化方式一致，同时燃料电池堆的中每一块电极有效反应区域尺寸相同，即图中燃料电池堆的第一块电极的有效反应区域Q21直至燃料电池堆的最后一块电极的有效反应区域Q2n均完全相同，同时该实施例中电极有效反应区域尺寸与实施例1中的电极有效反应区域尺寸也完全相同。
该实施例中燃料电池堆的纵剖面与实施例1燃料电池堆的纵剖面相同，如图4所示，因此与实施例1相同，该实施例的燃料电池堆重量有所减轻，一方面节约了材料，节约了成本，另一方面有效提高了燃料电池堆的功率密度。
实施例3
如图7所示，一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，由多块单电池1层叠而成，各单电池1由双极板与膜电极三合一组件交替叠合而成。该电池堆还包括两块集流面板2和用于固定电池堆的紧固件4，集流面板2分别设置在燃料电池堆的底层和顶层并通过紧固件4固定，紧固件4为钢带或拉紧螺栓。该燃料电池堆包括位于燃料电池堆中央的反应区域以及反应区域两侧的流体分配区域，两侧流体分配区域内均设有流体分配管道，各单电池1上的反应区域横截面相同，两侧流体分配区域横截面逐层渐变，相应地，各单电池1上对应的流体分配管道横截面逐层渐变，进而使燃料电池堆的流体分配区域纵剖面呈梯形状或倒梯形状，同时燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与之相匹配的梯形状或倒梯形状。燃料电池堆的两侧流体分配区域内均设有3个流体分配管道，分别连接燃料电池堆的燃料输入管道、燃料输出管道、氧化剂输入管道、氧化剂输出管道、冷却剂输入管道和冷却剂输出管道，图7中统一表示为进出管道3。
该实施例中各单电池1上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：各单电池1上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池1上一侧流体分配区域的长度按设定尺寸逐层递减，另一侧流体分配区域的长度按相同的设定尺寸逐层递增，且每块单电池1上两侧流体分配区域的长度之和相等；相应地，各单电池1上流体分配区域的长度逐层递减一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递减，各单电池1上流体分配区域的长度逐层递增一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递增。上述的变化方式中的设定尺寸为1mm～10mm。该实施例中各单电池1上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面呈矩形，且上述设定尺寸为2mm。
该实施例中燃料电池堆与实施例1相同，仍采用12块单电池1层叠而成，如图8所示为双极板的结构示意图，该实施例中R1为本实施例第一块双极板的长度，R2为第一块双极板的宽度，R3为第一块双极板上左侧流体分配区域的长度，R4为第一块双极板上右侧流体分配区域的长度，R5为第一块双极板上左侧流体分配区域内分配管道横截面的长度，R6为第一块双极板上右侧流体分配区域内分配管道横截面的长度，该燃料电池堆中每一块双极板外形长度和宽度均相同，每一块双极板长度设定为(A-22)mm，宽度相应设定为Bmm，第一块双极板上左侧流体分配区域的长度为Dmm，右侧流体分配区域的长度为(D-22)mm，相应地，第一块双极板上左侧流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为Cmm，右侧流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为(C-22)mm；按照上述方式进行变化，则第二块双极板上左侧流体分配区域的长度为(D-2)mm，右侧流体分配区域的长度为(D-20)mm，相应地，第二块双极板上的左侧流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为(C-2)mm，右侧流体分配区域内流体分配管道横截面的长度为(C-20)mm；以此类推，最后一块双极板(即本实施例中第12块双极板)上左侧流体分配区域的长度为(D-22)mm，右侧流体分配区域的长度为Dmm，相应地，最后一块双极板(即本实施例中第12块双极板)上的左侧流体分配区域内分配管道横截面的长度为(C-22)mm，右侧流体分配区域内分配管道横截面的长度为Cmm。
如图9所示为该实施例中电极的结构示意图，每块单电池1中的电极与上述双极板均是配套设计的，12块电极的尺寸变化与上述双极板的变化方式一致，同时燃料电池堆的中每一块电极有效反应区域尺寸相同，即图中燃料电池堆的第一块电极的有效反应区域Q31直至燃料电池堆的最后一块电极的有效反应区域Q3n均完全相同，同时该实施例中的电极有效反应区域尺寸与实施例1中的电极有效反应区域和实施例2中的电极有效反应区域也完全相同。
如图10所示为该实施例的燃料电池堆的纵剖面示意图，从图中可以看出燃料电池堆的各单电池1上一侧流体分配区域的长度按设定尺寸逐层递减，从而使得该侧流体分配区域纵剖面呈梯形状，燃料电池堆的各单电池1上另一侧流体分配区域的长度按相同的设定尺寸逐层递增，从而使得该侧流体分配区域纵剖面呈倒梯形状。相应地，各单电池1上两侧流体分配区域内对应的分配管道横截面的长度均按所在流体分配区域变化方式进行相应变化，因此从燃料电池堆的纵剖面示意图中可以看出，燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与流体分配区域纵剖面相匹配的梯形状或倒梯形状。
与实施例1和实施例2相同，相比于现有的燃料电池堆，该实施例的燃料电池堆重量有所减轻，一方面节约了材料，节约了成本，另一方面有效提高了燃料电池堆的功率密度。
实施例4
如图7所示，该实施例中燃料电池堆外形与实施例3相同，不同点在于该燃料电池堆中各单电池1上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面呈腰形，其余均与实施例3相同。
如图11所示为该实施例中双极板的结构示意图，R1为本实施例第一块双极板的长度，R2为第一块双极板的宽度，R3为第一块双极板上左侧流体分配区域的长度，R4为第一块双极板上右侧流体分配区域的长度，R5为第一块双极板上左侧流体分配区域内分配管道横截面的长度，R6为第一块双极板上右侧流体分配区域内分配管道横截面的长度，这里两侧流体分配管道截面长度即为图中腰形截面的长度。具体地，各单电池1中的双极板的尺寸以及流体分配管道横截面的尺寸大小均与实施例3相同。
如图12所示为该实施例中电极的结构示意图，每块单电池1中的电极与上述双极板均是配套设计的，12块电极的尺寸变化与上述双极板的变化方式一致，同时燃料电池堆的中每一块电极有效反应区域尺寸相同，即图中燃料电池堆的第一块电极的有效反应区域Q41直至燃料电池堆的最后一块电极的有效反应区域Q4n完全相同，同时该实施例中的电极有效反应区域与实施例1、实例2以及实施例3中的电极有效反应区域也完全相同。
该实施例中燃料电池堆的纵剖面与实施例3燃料电池纵剖面相同，如图10所示，因此与实施例3相同，该实施例的燃料电池堆重量有所减轻，一方面节约了材料，节约了成本，另一方面有效提高了燃料电池堆的功率密度。
上述4个实施例仅为本发明典型的实施方式，4个实施例中燃料电池堆的单电池个数完全相同，整个燃料电池堆的发电功率也完全相同，而燃料电池堆两侧流体分配区域横截面逐层渐变的变化方式、流体分配管道横截面的形状以及电堆集成方式有所区别，本发明的流体分配管道横截面形状不限于上述实施例中的矩形或腰形，也可以是圆形或其他形状，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，由多块单电池(1)层叠而成，该燃料电池堆包括位于燃料电池堆中央的反应区域以及反应区域两侧的流体分配区域，两侧流体分配区域内均设有流体分配管道，其特征在于，各单电池(1)上的反应区域横截面相同，两侧流体分配区域横截面逐层渐变，相应地，各单电池(1)上对应的流体分配管道横截面逐层渐变，进而使燃料电池堆的流体分配区域纵剖面呈梯形状或倒梯形状，同时燃料电池堆的各流体分配区域内的流体分配管道纵剖面呈与之相匹配的梯形状或倒梯形状。
2.根据权利要求1所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，各单电池(1)上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：
各单电池(1)上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池(1)上两侧流体分配区域的长度均按设定尺寸逐层递减；
相应地，各单电池(1)上两侧流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同的设定尺寸逐层递减。
3.根据权利要求1所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，各单电池(1)上的两侧流体分配区域横截面逐层渐变方式如下：
各单电池(1)上两侧流体分配区域的宽度均保持不变，且等于反应区域的宽度，各单电池(1)上一侧流体分配区域的长度按设定尺寸逐层递减，另一侧流体分配区域的长度按相同的设定尺寸逐层递增，且每块单电池(1)上两侧流体分配区域的长度之和相等；
相应地，各单电池(1)上流体分配区域的长度逐层递减一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递减，流体分配区域的长度逐层递增一侧的流体分配区域内对应的流体分配管道横截面的长度均按相同设定尺寸逐层递增。
4.根据权利要求2或3所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，所述的设定尺寸为1mm～10mm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，燃料电池堆的两侧流体分配区域内均设有3个流体分配管道，分别连接燃料电池堆的燃料输入管道、燃料输出管道、氧化剂输入管道、氧化剂输出管道、冷却剂输入管道和冷却剂输出管道。
6.根据权利要求1所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，该电池堆还包括两块集流面板(2)和用于固定电池堆的紧固件(4)，所述的集流面板(2)分别设置在燃料电池堆的底层和顶层并通过紧固件(4)固定。
7.根据权利要求6所述的一种流体分配管道横截面渐变的燃料电池堆，其特征在于，所述的紧固件(4)为钢带或拉紧螺栓。
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|---|---|---|---|---|
| CN109273751A (zh) * | 2017-07-18 | 2019-01-25 | 通用电气公司 | 燃料电池堆组件 |
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