CN109378504A - 一种具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，第一端板为中空结构，其内腔被隔板分隔为燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区两部分；在所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区的侧壁上还分别设置有燃料气侧加湿水补液口和氧化剂气体侧加湿水补液口，分别用于向所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区内填充加湿水，两侧加湿水的水位高度分别高于所述燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口的高度。本发明端板具有气体缓冲功能和增湿功能，通过缓冲区的设计以及加湿水温来调整和改变进入电堆的气体湿度，有利于电堆的性能发挥与寿命延长使电堆运行更稳定，寿命更长。

Description

一种具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆的端板。
背景技术
燃料电池是将氢气的化学能转化为电能的装置，其优点是产物是水，零排放无污染，噪音低，转化效率高。工作温度可在低温环境下运行，是移动电源和基站电源和固定电源的首选。燃料电池,是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成。
由于聚合物膜燃料电池单片电压低，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。目前的燃料车用燃料电池系统基本上都是由燃料电池电堆、增湿器、气体缓冲罐、启动电源、气体回收装置、气体压力与流量控制模块、系统控制模块、冷却系统控制模块以及电力转换模块等BOP配件和模块组成。
目前燃料电池系统方案存在的缺点：1、加湿器和气体缓冲罐配件价格昂贵，是造成燃料电池系统成本居高不下的主要原因之一；2、现有的商业化的加湿器和气体缓冲罐造型奇特与其他配件整合性差，不利于整个燃料电池系统的小型化与紧凑化；3、商业化的加湿器和气体缓冲罐体积大，造成燃料电池系统体积大，功率密度低的主要原因之一。综合来说，由于配件多、造型复杂，造成燃料电池系统体积大、体积比功率密度小，限制了燃料电池在车用领域内的推广和应用。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有气体缓冲功能和增湿功能燃料电池电堆用端板，将气体缓冲缓冲罐和加湿器与电堆的端板集成在一起，减小燃料电池系统的体积，减低燃料电池系统BOP配件的数量和生产成本。
技术方案：本发明所述具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，包括位于电堆气体进口侧的第一端板和位于电堆气体出口侧的第二端板，所述第一端板为中空结构，其内腔被隔板分隔为燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区两部分；所述第一端板背对电堆侧上设置有燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口，第一端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆进口和氧化剂气体电堆进口，其中所述燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口位于第一端板的下部分，燃料气电堆进口和氧化剂气体电堆进口位于第一端板上部分；所述燃料气端板进口和燃料气电堆进口通过所述燃料气侧进气缓冲区连通，所述氧化剂气体电堆进口和氧化剂气体端板进口通过氧化剂气体侧进气缓冲区连通；
在所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区的侧壁上还分别设置有燃料气侧加湿水补液口和氧化剂气体侧加湿水补液口，分别用于向所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区内填充加湿水，两侧加湿水的水位高度分别高于所述燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口的高度。
本发明进一步优选地技术方案为，所述燃料气侧进气缓冲区内沿燃料气进气方向还设置有若干燃料气侧进气缓冲调节脊；所述氧化剂气体侧进气缓冲区内沿氧化剂气体进气方向还设置有若干氧化剂气体侧进气缓冲调节脊。
作为优选地，所述第二端板为中空结构，第二端板的内腔被隔板分隔为燃料气侧尾气缓冲区和氧化剂气体侧尾气缓冲区两部分；
所述第二端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆出口和氧化剂气体电堆出口，背对电堆侧上设置有燃料气端板出口和氧化剂气体端板出口，其中所述燃料气电堆出口和氧化剂气体电堆出口位于第二端板下部分，燃料气端板出口和氧化剂气体端板出口位于第二端板的上部分；所述燃料气端板出口和燃料气电堆出口通过所述燃料气侧尾气缓冲区连通，所述氧化剂气体电堆出口和氧化剂气体端板出口通过氧化剂气体侧尾气缓冲区连通。
优选地，所述燃料气侧尾气缓冲区内沿燃料气尾气流通方向还设置有若干燃料气侧尾气缓冲调节脊；所述氧化剂气体侧尾气缓冲区内沿氧化剂气体尾气流通方向还设置有若干氧化剂气体侧尾气缓冲调节脊。
优选地，所述第一端板背对电堆侧上还设置有冷却液端板出口，第一端板面对电堆侧上设置有冷却液电堆出口，所述冷却液端板出口和冷却液电堆出口相连通，且连通通道与所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区相隔离；
所述第二端板背对电堆侧上还设置有冷却液端板进口，第二端板面对电堆侧上设置有冷却液电堆进口，所述冷却液端板进口和冷却液电堆进口相连通，且连通通道与所述燃料气侧尾气缓冲区和氧化剂气体侧尾气缓冲区相隔离。
优选地，所述冷却液端板出口和冷却液电堆出口位于所述第一端板的上部分，所述冷却液端板进口和冷却液电堆进口位于第二端板下部分，冷却液流通方向与气体流通方向相反。
优选地，各缓冲区内的调节脊均为符合流体力学的异形，延伸方向与各缓冲区内气体流向方向一致，通过调节脊的角度与形状调节气体流速和气体的湿度。
有益效果：（1）本发明的第一端板为中空结构，内部被分成燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区两部分，燃料气和氧化剂气体分别通过端板进口进入各自缓冲区内，无需设置缓冲罐，就能对气体进行缓冲；同时本发明中两个缓冲区均设置了加湿水补液口，在两缓冲区内存有一定水位高度的加湿水，气体通过水域进行鼓泡式增湿，气体增湿完成后进入气体缓冲区稳定气体压力，含有水蒸气的气体进入电堆，而且由于进口气体缓冲区的体积远大于电堆气体入口处体积，会使气体流量的增加，从而改变了气体的湿度，使进入电堆的气体湿度满足要求；本发明端板具有气体缓冲功能和增湿功能，通过缓冲区的设计以及加湿水温来调整和改变进入电堆的气体湿度，有利于电堆的性能发挥与寿命延长使电堆运行更稳定，寿命更长；本发明能够使燃料电池系统更紧凑，更小型化，更能提高系统的体积功率密度，减小燃料电池系统的体积，减低燃料电池系统BOP配件的数量和生产成本，加速了燃料电池产品的市场化脚步；
（2）本发明的第二端板采用与第一端板类似的结构，首先便于模块化的生产，其次，在工作过程中未反应的气体通过电堆出口进入出口气体缓冲区，在尾气排出电堆瞬间，由于体积的变化而导致混合气体压力的变化，使气体变成过饱和气体，液态水析出，达到气液分离的效果，减少了尾气的含水量，提高了后续的气液分离效果；而出口气体缓冲区是弥补气体进口缓冲区的体积不足，前后气体缓冲区能在燃料电池系统工作时，避免因电磁阀排水排气而造成的电堆内部气压不稳，影响电堆的性能与寿命，通过两侧缓冲区的设计可以使电堆气压波动在2kpa以内，使电堆运行更稳定，寿命更长。
附图说明
图1为本发明所述第一端板的结构示意图；
图2为本发明所述第一端板的剖视图；
图3为本发明所述第二端板的结构示意图；
图4为本发明所述第二端板的剖视图；
图中，1-燃料气端板进口；2-氧化剂气体端板进口；3-燃料气侧加湿水补液口；4-氧化剂气体侧加湿水补液口；5-冷却液端板出口；6-燃料气电堆进口；7-冷却液电堆出口；8-氧化剂气体电堆进口；9-燃料气侧进气缓冲区；10-氧化剂气体侧进气缓冲区；11-燃料气侧进气缓冲调节脊；12-氧化剂气侧进气缓冲调节脊；13-氧化剂气体侧尾气缓冲区；14-燃料气侧尾气缓冲区；15-冷却液电堆进口；16-燃料气电堆出口；17-氧化剂气体电堆出口；18-燃料气侧尾气缓冲调节脊；19-氧化剂气体侧尾气缓冲调节脊；20-燃料气端板出口；21-氧化剂气体端板出口；22-冷却液端板进口。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，包括位于电堆气体进口侧的第一端板和位于电堆气体出口侧的第二端板。第一端板和第二端板均为中空结构。
所述第一端板内腔被隔板分隔为燃料气侧进气缓冲区9和氧化剂气体侧进气缓冲区10两部分。第二端板的内腔被隔板分隔为燃料气侧尾气缓冲区14和氧化剂气体侧尾气缓冲区13两部分。各缓冲区内分别设置有燃料气侧进气缓冲调节脊11、氧化剂气侧进气缓冲调节脊12、燃料气侧尾气缓冲调节脊18和氧化剂气体侧尾气缓冲调节脊19。各调节脊均为符合流体力学的异形，延伸方向与各缓冲区内气体流向方向一致，通过调节脊的角度与形状调节气体流速和气体的湿度。
所述第一端板背对电堆侧上设置有燃料气端板进口1、氧化剂气体端板进口2、冷却液端板出口5、燃料气侧加湿水补液口3和氧化剂气体侧加湿水补液口4。第一端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆进口6、氧化剂气体电堆进口8和冷却液电堆出口7。燃料气端板进口1和燃料气电堆进口6通过所述燃料气侧进气缓冲区9连通，所述氧化剂气体电堆进口8和氧化剂气体端板进口2通过氧化剂气体侧进气缓冲区10连通；冷却液端板出口5和冷却液电堆出口7相连通，且连通通道与所述燃料气侧进气缓冲区9和氧化剂气体侧进气缓冲区10相隔离。燃料气侧加湿水补液口3和氧化剂气体侧加湿水补液口4，分别用于向所述燃料气侧进气缓冲区9和氧化剂气体侧进气缓冲区10内填充加湿水，两侧加湿水的水位高度分别高于所述燃料气端板进口1和氧化剂气体端板进口2的高度。
所述第二端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆出口16、氧化剂气体电堆出口17和冷却液电堆进口15。第二端板背对电堆侧上设置有燃料气端板出口20、氧化剂气体端板出口21和冷却液端板进口22。所述燃料气端板出口20和燃料气电堆出口16通过所述燃料气侧尾气缓冲区14连通，所述氧化剂气体电堆出口17和氧化剂气体端板出口21通过氧化剂气体侧尾气缓冲区13连通。冷却液端板进口22和冷却液电堆进口15相连通，且连通通道与所述燃料气侧尾气缓冲区14和氧化剂气体侧尾气缓冲区13相隔离。
燃料气端板进口1和氧化剂气体端板进口2位于第一端板的下部分，燃料气电堆进口6、氧化剂气体电堆进口8、冷却液端板出口5和冷却液电堆出口7位于第一端板上部分；所述燃料气电堆出口16、氧化剂气体电堆出口17、冷却液端板进口22和冷却液电堆进口15位于第二端板下部分，燃料气端板出口20和氧化剂气体端板出口21位于第二端板的上部分，冷却液流通方向与气体流通方向相反。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，包括位于电堆气体进口侧的第一端板和位于电堆气体出口侧的第二端板，其特征在于：
所述第一端板为中空结构，其内腔被隔板分隔为燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区两部分；所述第一端板背对电堆侧上设置有燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口，第一端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆进口和氧化剂气体电堆进口，其中所述燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口位于第一端板的下部分，燃料气电堆进口和氧化剂气体电堆进口位于第一端板上部分；所述燃料气端板进口和燃料气电堆进口通过所述燃料气侧进气缓冲区连通，所述氧化剂气体电堆进口和氧化剂气体端板进口通过氧化剂气体侧进气缓冲区连通；
在所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区的侧壁上还分别设置有燃料气侧加湿水补液口和氧化剂气体侧加湿水补液口，分别用于向所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区内填充加湿水，两侧加湿水的水位高度分别高于所述燃料气端板进口和氧化剂气体端板进口的高度。
2.根据权利要求1所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，所述燃料气侧进气缓冲区内沿燃料气进气方向还设置有若干燃料气侧进气缓冲调节脊；所述氧化剂气体侧进气缓冲区内沿氧化剂气体进气方向还设置有若干氧化剂气体侧进气缓冲调节脊。
3.根据权利要求1所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，所述第二端板为中空结构，第二端板的内腔被隔板分隔为燃料气侧尾气缓冲区和氧化剂气体侧尾气缓冲区两部分；
所述第二端板面对电堆侧上设置有燃料气电堆出口和氧化剂气体电堆出口，背对电堆侧上设置有燃料气端板出口和氧化剂气体端板出口，其中所述燃料气电堆出口和氧化剂气体电堆出口位于第二端板下部分，燃料气端板出口和氧化剂气体端板出口位于第二端板的上部分；所述燃料气端板出口和燃料气电堆出口通过所述燃料气侧尾气缓冲区连通，所述氧化剂气体电堆出口和氧化剂气体端板出口通过氧化剂气体侧尾气缓冲区连通。
4.根据权利要求3所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，所述燃料气侧尾气缓冲区内沿燃料气尾气流通方向还设置有若干燃料气侧尾气缓冲调节脊；所述氧化剂气体侧尾气缓冲区内沿氧化剂气体尾气流通方向还设置有若干氧化剂气体侧尾气缓冲调节脊。
5.根据权利要求3所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，所述第一端板背对电堆侧上还设置有冷却液端板出口，第一端板面对电堆侧上设置有冷却液电堆出口，所述冷却液端板出口和冷却液电堆出口相连通，且连通通道与所述燃料气侧进气缓冲区和氧化剂气体侧进气缓冲区相隔离；
所述第二端板背对电堆侧上还设置有冷却液端板进口，第二端板面对电堆侧上设置有冷却液电堆进口，所述冷却液端板进口和冷却液电堆进口相连通，且连通通道与所述燃料气侧尾气缓冲区和氧化剂气体侧尾气缓冲区相隔离。
6.根据权利要求5所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，所述冷却液端板出口和冷却液电堆出口位于所述第一端板的上部分，所述冷却液端板进口和冷却液电堆进口位于第二端板下部分，冷却液流通方向与气体流通方向相反。
7.根据权利要求2或4所述的具有气体压力缓冲和增湿功能的电堆端板，其特征在于，各缓冲区内的调节脊均为符合流体力学的异形，延伸方向与各缓冲区内气体流向方向一致，通过调节脊的角度与形状调节气体流速和气体的湿度。
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