CN111540925B - 一种单体燃料电池、燃料电池堆、工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单体燃料电池、燃料电池堆、工作方式；属于新能源汽车燃料电池技术领域；其技术要点：包括：第二板、膜电极组、第一板；所述膜电极组设置在第二板与第一板之间；所述第一板的上侧设置有向上凸出的半水滴状凸起与向下凹入的半水滴状凹陷；所述第一板的下侧设置有向下凸出的半水滴状凸起与向上凹入的半水滴状凹陷。采用本申请的一种单体燃料电池、燃料电池堆、工作方式，能够有效的提高燃料电池的稳定性。

Description

一种单体燃料电池、燃料电池堆、工作方式

技术领域

本发明涉及新能源汽车燃料电池这一技术领域，具体涉及一种单体燃料电池、燃料电池堆、工作方式。

背景技术

单个燃料电池的典型结构，包括：位于两侧的第一板、第二板，以及夹在第一板与第二板之间的膜电极组。将上述单个燃料电池叠堆在一起，便可以构成燃料电池堆。

针对单体燃料电池的研究较多，例如：CN 110993984 A(本田技研工业株式会社)、CN110785881 A(罗伯特·博世有限公司)、CN106104878A(大众汽车有限公司)、CN105529487A(丰田自动车株式会社)等。

从上述研究问题可知，燃料电池面临着两个问题：一是如何避免水分堵塞第一板的流道；二是，如何使得第一板的温度均匀冷却；三是如何充分冷却燃料电池整体的温度。

因此，本申请着重解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种单体燃料电池。

本发明的另一目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种燃料电池堆。

本发明的再一目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种燃料电池堆的工作方式。

本发明的技术方案如下：

一种单体燃料电池，从上至下依次包括：第二板、膜电极组、第一板；

所述第一板上设有空气入口连通孔、空气出口连通孔，所述空气入口连通孔、空气出口连通孔呈对角线设置；

所述第二板上设有：氢气入口连通孔、氢气出口连通孔；氢气入口连通孔、氢气出口连通孔布置在第二板的两边。

所述膜电极组从上至下依次包括：氢气扩散层、催化层、质子交换膜、催化层、空气扩散层；

集流板的第一板的上表面面向空气，且与空气扩散层接触；

集流板的第二板的下表面面向氢气，且与氢气扩散层接触；

所述第一板的上侧设置有向上凸出的半水滴状凸起与向下凹入的半水滴状凹陷；

所述第一板的下侧设置有向下凸出的半水滴状凸起与向上凹入的半水滴状凹陷。

进一步，第一板的上侧设置有向上凸出的半水滴状凸起与第一板的下侧设置的向上凹入的半水滴状凹陷对应；

第一板的上侧设置的向下凹入的半水滴状凹陷与第一板的下侧设置有向下凸出的半水滴状凸起对应。

进一步，第一板的上侧设置的半水滴状凸起与半水滴状凹陷均采用梅花型排列。

进一步，第一板上还设有：冷却水入口连通孔、冷却水出口连通孔；并且，冷却水入口连通孔设置在空气出口连通孔所处的一边，即空气流动的方向与冷却水流动的方向相反。

一种燃料电池堆，采用前述的单体燃料电池在水平方向和/或竖向方向叠堆。

一种燃料电池堆，由集流板与膜电极组相互层叠叠加而成；

其中，集流板包括：位于上部的第一板、位于下部的第二板；所述第一板与第二板平行设置，且第一板中部的下表面与第二板中部的上表面设置有冷却水流腔；

所述膜电极组从上至下依次包括：氢气扩散层、催化层、质子交换膜、催化层、空气扩散层；

集流板的第一板的上表面面向空气，且与空气扩散层接触；

集流板的第二板的下表面面向氢气，且与氢气扩散层接触；

所述第一板上设有空气入口连通孔、空气出口连通孔、冷却水入口连通孔、冷却水出口连通孔；所述空气入口连通孔、空气出口连通孔呈对角线设置；所述冷却水入口连通孔、冷却水出口连通孔也呈对角线布置；并且，冷却水入口连通孔设置在空气出口连通孔所处的一边，即空气流动的方向与冷却水流动的方向相反；

所述第二板上设有：氢气入口连通孔、氢气出口连通孔；氢气入口连通孔、氢气出口连通孔布置在第二板的两边；

第二板的上表面为光滑面(也可以是波浪面，波浪面冷却效果更佳：原因是波浪面时厚度均匀)，第二板的下表面为波浪状，第二板的下表面的波浪状的波峰-波谷的通道为氢气的流道；

在第一板的上表面，也即面向空气的一侧设置有凸起-凹陷流场结构；

所述凸起-凹陷流场结构包括有若干个凸起、若干个凹陷，所述凸起、凹陷的形状均采用半水滴状，且两者均采用梅花型布置。

进一步，凸起的三维形状包括：第一部与第二部，所述第一部与所述第二部的交汇面为半圆面；

所述的第一部的曲面为半椭球面，沿着第一部向第二部的方向，其截面积逐渐增大，直至交汇面达到最大；沿着第一部向第二部的方向，所述第二部的截面积逐渐减小；

第一部指向第二部的方向为X向，与X向垂直的方向且处于第一板面的方向为Y向，垂直于第一板的面的方向为Z向,X向、Y向、Z向构成三维直角坐标系，且将交汇面的中心点设为原点o点(图1的坐标系只表示X/Y/Z的方向)；

第一部的三维曲面为：

r1与r2为相关参数。

第二部的三维曲面为：

尾部在第一板面上的投影为半椭圆形，头部在第一板面上的投影是以所述半椭圆形为基础，两侧均是曲率张量(curvature tension)为T的曲率线，半椭圆形距离交汇面最远的点称为第一顶点，曲率线距离交汇面最远的点称为第二顶点；第一顶点至第二顶点的连线即为中轴线；头部的三维曲面是曲率线绕中轴线旋转而成；

所述凸起通过三个参数，来决定其形状：r1,r2,T。

进一步，所述凹陷与凸起的形状相同。

一种燃料电池堆的工作方式是：空气从空气入口连通孔进去，空气只能从第一板的上表面进入，再从空气出口连通孔出去；

冷却水从冷却水入口连通孔进入，只能从第一板的下表面进入，再从冷却水出口连通孔13出去；其中，空气流动的方向与冷却水流动的方向相反；

氢气从氢气入口连通孔进入，氢气只能从第二板的下表面进入，再从氢气出口连通孔出去。

本申请的有益效果在于：

第一，本申请给出了单体燃料电池的设计，即：单体燃料电池。其核心构思主要体现在：

1)水滴(流线型)的凸起、凹陷设置在第一板的上部，可以解决水分堵塞第一板流道的问题。

2)空气的流向与冷却介质(冷却水属于冷却介质)的流向方向是反方向，能够尽可能的充分的冷却第一板；也能够充分冷却整个燃料电池。

2)冷却腔的顶部设置有下凸出和上凹陷，冷却液与第一板的接触面积增大，不仅可以尽使得冷却效果均匀，同时可以避免冷却腔中生成局部气泡造成气体阻塞。

由以上分析可知，在第一板的两面均设置凸起、凹陷，不仅仅可以解决水分堵塞流道的问题，还可以解决冷却不均匀的问题。

第二，本申请给出了燃料电池堆的设计，相邻的单体燃料电池的第一板、第二板结合形成双极板，以便形成冷却腔。

第三，本申请给出了：第一板凸起、凹陷采用梅花型设计(排列设计的研究课题，已另案申请)，如果第一板仅仅设置流线型水滴结构，即凸起，生成水被快速带走，导致膜含水量急速减少，这势必会导致较差的燃料电池性能。并且考虑到背部的结构会造成冷却水冷却不均匀，生成局部气泡造成气体阻塞。因此考虑降低其导流效果，因此，才采用“凸起-凹陷”设计，其不仅仅对于第一板上表面起到作用(减少流场内水分的粘结，防止流场的堵塞)，同时，对于第一板的下表面，也有非常重要的作用：提高冷却均匀效果；减少局部气泡的产生。

第四，本申请给出了凸起、凹陷的最优设计(关于凸起、凹陷形状的最优设计的研究课题，已另案申请)。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是实施例一的燃料电池堆的三维设计示意图(两个集流板将膜电极组设置包裹在内)。

图2是实施例一的燃料电池堆的截面图。

图3是实施例一的燃料电池堆在另一视角下的三维示意图。

图4是凸起的三维示意图。

图5是第一板在面向空气一面的设计图。

图6是第二板在面向氢气一面的设计图。

图7是r1、r2参数示意图。

图8是实施例一的第一板的凸起(凹陷)的平面布置图。

附图标记说明如下：

1-第一板；2-第二板；3-凸起；4-凹陷；5-空气流隙；6-氢气流隙；7-冷却水流腔；8-空气入口连通孔；9-空气出口连通孔；10-氢气入口连通孔；11-氢气出口连通孔；12-冷却水入口连通孔；13-冷却水出口连通孔；14-空气导流板，17-空气扩散层；18-氢气扩散层；19-催化层；20-质子交换膜；

第一部3-1、第二部3-2、交汇面3-3。

具体实施方式

实施例一，一种燃料电池堆，由集流板与膜电极组相互层叠(即：集流板-膜电极组-集流板-膜电极组-集流板)叠加而成，且燃料电池堆的两端为端板；

如图2所示，集流板包括：位于上部的第一板1、位于下部的第二板2；所述第一板1与第二板2平行设置(均采用矩形金属板)，且第一板1中部的下表面与第二板2中部的上表面设置有冷却水流腔7；

所述膜电极组从上至下依次包括：氢气扩散层18、催化层19、质子交换膜20、催化层19、空气扩散层17；

集流板的第一板1的上表面面向空气，且与空气扩散层17接触；

集流板的第二板2的下表面面向氢气，且与氢气扩散层18接触；

所述第一板1上设有空气入口连通孔8、空气出口连通孔9、冷却水入口连通孔12、冷却水出口连通孔13；

所述空气入口连通孔8、空气出口连通孔9呈对角线设置；

所述冷却水入口连通孔12、冷却水出口连通孔13也呈对角线布置；

并且，冷却水入口连通孔12设置在空气出口连通孔9所处的一边，即空气流动的方向与冷却水流动的方向相反。

所述第二板上设有：氢气入口连通孔10、氢气出口连通孔11；氢气入口连通孔10、氢气出口连通孔11布置在第二板的两边(较佳的，氢气入口连通孔10、氢气出口连通孔11布置在第二板的2个长边上，且均为长条形孔)，氢气流动的方向为Y向。

第二板的上表面为光滑面，第二板的下表面为波浪状，波浪状设计方便为氢气提供流道。

需要说明的是：相邻的2个集流板：上部集流板的第二板2、膜电极组、下部急流板的第一板1构成单个燃料电池；

上述单个燃料电池竖向(横向叠加也可以)叠加若干个就构成了燃料电池堆。

每个燃料电池设置的空气入口连通孔8在层叠方向彼此连通，来供给氧气；每个燃料电池设置的冷却水入口连通孔12在层叠方向彼此连通，来供给冷却介质、例如水；每个燃料电池设置的氢气出口连通孔11在层叠方向彼此连通，来排出燃料气体、例如含氢气体。

每个燃料电池设置的氢气入口连通孔10在层叠方向彼此连通，来供给燃料气体H₂。每个燃料电池设置的冷却水出口连通孔13在层叠方向彼此连通，来排出冷却水。每个燃料电池设置的空气出口连通孔9在层叠方向彼此连通，来排出氧化剂气体。

也即，第一板1、第二板2上均设置有空气入口连通孔8、空气出口连通孔9、冷却水入口连通孔12、冷却水出口连通孔13、氢气入口连通孔10、氢气出口连通孔11。

本申请的燃料电池堆的工作方式是：空气从空气入口连通孔8进去，由于第一板结构设计特性，空气只能从第一板1的上表面进入，再从空气出口连通孔9出去；冷却水从冷却水入口连通孔12进入，由于第一板1的结构设计，冷却水只能从第一板的下表面进入，再从冷却水出口连通孔13出去(如图3所示)。这样空气流动的方向与冷却水流动的方向相反，空气可以得到均匀充分的冷却。

氢气从氢气入口连通孔10进入，同样的原理，氢气只能从第二板2的下表面进入。

空气、氢气、冷却水都有单独的进出口和流动空腔，不会相互串流而产生问题，导致燃料电池故障。

特别的，在第一板的上表面(面向空气的一侧)设置有凸起-凹陷流场结构；

所述凸起-凹陷流场结构包括有若干个凸起、若干个凹陷，所述凸起、凹陷的形状均采用半水滴状，且两者均采用梅花型布置。

如图4所示，凸起的三维形状包括：第一部与第二部，所述第一部3-1与所述第二部3-2的交汇面3-3为半圆面；

所述的第一部的曲面为半椭球面，沿着第一部向第二部的方向，其截面积逐渐增大，直至交汇面3-3(垂直于第一板的面)达到最大；沿着第一部向第二部的方向，所述第二部3-2的截面积逐渐减小。

第一部指向第二部的方向为X向，与X向垂直的方向且处于第一板面的方向为Y向，垂直于第一板的面的方向为Z向,X向、Y向、Z向构成三维直角坐标系，且将交汇面3-3的中心点设为原点o点(图1的坐标系只表示X/Y/Z的方向)；

第一部的三维曲面为：

r1与r2为相关参数。

第二部的三维曲面为：

尾部在第一板面上的投影为半椭圆形，头部在第一板面上的投影是以所述半椭圆形为基础，两侧均是曲率张量为T的曲率线，半椭圆形距离交汇面最远的点称为第一顶点，曲率线距离交汇面最远的点称为第二顶点；第一顶点至第二顶点的连线即为中轴线；头部的三维曲面是曲率线绕中轴线旋转而成；

由此可知，所述凸起通过三个参数，来决定其形状：r1,r2,T。

所述凹陷与凸起的形状相同。

沿着X向，第一板1的上表面为“凸起-凹陷”相互连续交替布置。

第一板上表面的凸起-凹陷采用冲压成型，因此，在第一板的下表面也形成有凸起-凹陷。其原因在于：

如果第一板仅仅设置流线型水滴结构，即凸起，生成水被快速带走，导致膜含水量急速减少，这势必会导致较差的燃料电池性能。并且考虑到背部的结构会造成冷却水冷却不均匀，生成局部气泡造成气体阻塞。因此考虑降低其导流效果，因此，才采用“凸起-凹陷”设计，其不仅仅对于第一板上表面起到作用(减少流场内水分的粘结，防止流场的堵塞)，同时，对于第一板的下表面，也有非常重要的作用：提高冷却均匀效果；减少局部气泡的产生。

通过试验表明：凸起、凹陷采用梅花型布置，是最优的布置方式。

通过试验表面：r1＝r2＝0.5mm，T＝3是凸起、凹陷形状最优时的参数。

如图8所示，为了满足凸起、凹陷最大化，当凸起与凹陷的形状相同，不论其形状如何，凸起(凹陷)沿着X向的间距Sx＝L；L表示凸起在阴极板的投影的头部顶点与尾部顶点之间的距离。

而对于Sy而言，Sy≤2×r2,但是其精确解，较难用公式表达。

特别的，对于最优的凸起形状而言：r1＝r2＝0.5mm，T＝3，此时，Sy＝L/tan53°～L/tan50°；也即，r1＝r2＝0.5mm，T＝3，最佳的分布接近等三角形排列(其排列必然是等腰三角形排列，但是其不是等边三角形)。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，由集流板与膜电极组相互层叠叠加而成；

其中，集流板包括：位于上部的第一板、位于下部的第二板；所述第一板与第二板平行设置，且第一板下表面与第二板上表面设置有冷却水流腔；

所述膜电极组从上至下依次包括：氢气扩散层、催化层、质子交换膜、催化层、空气扩散层；

集流板的第一板的上表面面向空气，且与一膜电极组的空气扩散层接触；

集流板的第二板的下表面面向氢气，且与相邻另一膜电极组的氢气扩散层接触；

所述第一板上设有空气入口连通孔、空气出口连通孔、冷却水入口连通孔、冷却水出口连通孔；所述空气入口连通孔、空气出口连通孔呈对角线设置；所述冷却水入口连通孔、冷却水出口连通孔也呈对角线布置；并且，冷却水入口连通孔设置在空气出口连通孔所处的一边，即空气流动的方向与冷却水流动的方向相反；

所述第二板上设有：氢气入口连通孔、氢气出口连通孔；氢气入口连通孔、氢气出口连通孔布置在第二板的两边；

第二板的上表面为波浪面，第二板的下表面为波浪状，第二板的下表面的波浪状的波峰-波谷的通道为氢气的流道；

在第一板的上表面，也即面向空气的一侧设置有凸起-凹陷流场结构；

所述凸起-凹陷流场结构包括有若干个凸起、若干个凹陷，所述凸起、凹陷的形状均采用半水滴状，若干个凸起采用梅花型布置、若干个凹陷也采用梅花型布置。

2.如权利要求1所述一种燃料电池堆，其特征在于，凸起的三维形状包括：第一部与第二部，所述第一部与所述第二部的交汇面为半圆面；

所述的第一部的曲面为半椭球面，沿着第一部向第二部的方向，其截面积逐渐增大，直至交汇面达到最大；沿着第一部向第二部的方向，所述第二部的截面积逐渐减小；

第一部指向第二部的方向为X向，与X向垂直且处于第一板面的方向为Y向，垂直于第一板的面的方向为Z向，X向、Y向、Z向构成三维直角坐标系，且将交汇面的中心点设为原点o点；

第一部的三维曲面为：

r1与r2为相关参数；

第二部的三维曲面为：

第一部在第一板面上的投影为半椭圆形，第二部在第一板面上的投影是以所述半椭圆形为基础，两侧均是曲率张量为T的曲率线，半椭圆形距离交汇面最远的点称为第一顶点，曲率线距离交汇面最远的点称为第二顶点；第一顶点至第二顶点的连线即为中轴线；第二部的三维曲面是曲率线绕中轴线旋转而成；

所述凸起通过三个参数，来决定其形状：r1,r2,T。

3.如权利要求2所述一种燃料电池堆，其特征在于，所述凹陷与凸起的形状相同。

4.一种燃料电池堆的工作方法，其特征在于，所述的燃料电池堆为如权利要求1所述的燃料电池堆；

其工作方法为：空气从空气入口连通孔进去，空气只能从第一板的上表面进入，再从空气出口连通孔出去；

冷却水从冷却水入口连通孔进入，只能从第一板的下表面进入，再从冷却水出口连通孔出去；其中，空气流动的方向与冷却水流动的方向相反；

氢气从氢气入口连通孔进入，氢气只能从第二板的下表面进入，再从氢气出口连通孔出去。

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