CN112635786A - 一种提高电堆流体分配均一性的方法及电堆 - Google Patents

一种提高电堆流体分配均一性的方法及电堆 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法及电堆，所述方法具体为在加工所述燃料电池电堆使用的双极板和MEA边框时，使所述双极板的气体出口截面积大于气体入口截面积，且使所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。本发明的技术方案能更直接简便的快速提高电堆流体分配均一性，以满足电堆正常运行及冷启动运行的需要。

Description

一种提高电堆流体分配均一性的方法及电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种提高电堆流体分配均一性的方法及电堆。
背景技术
由于质子交换膜燃料电池单片电池的电压较低，约为0.7V，为了满足大功率车用燃料电池的需求，常将质子交换膜燃料电池各单电池并联起来形成电堆来实现车用大功率的目标。燃料电池电堆的公共通道及分配歧管结构对气体在电堆各单节电池中的流量分配起决定作用，而较大的流量差异会影响单节电池的性能、冷启动以及整个电堆的寿命。因此通过相应的结构优化设计来改善燃料电池电堆中各节单池流量分配的均一性，以确保电堆各节单池之间的温度分布与电性能分布的均一性是非常重要的。
专利CN201610652485.1公开了一种多歧管流场的流量分配均匀度优化设计方法(公开日20161116)，采用理论分析与经验公式相结合的方法得到多歧管流量分配的均一性判断，但是其采用的公式是经验公式，与实际情况有差异。
专利CN201710259904.X公开了一种可快速冷启动的长寿命燃料电池电堆模块(公开日20170912)，设计了一种可快速冷启动的长寿命的燃料电池模块电堆，通过改善公用通道中各单电池的气体分配、减小电堆中各单电池温度差异、增大两端膜电极的催化剂含量来提高了电堆各节电池流体的均一性；专利CN101436674B公开了一种燃料电池堆(公开日20081008)，在公共通道中设置U型挡板，并且将挡板总长度的约六分之一处存在横截面的过渡区，以提高电堆各节单池流体的均一性；专利CN200680040023.9公开了一种燃料电池堆的流体通路结构(公开日20081029)，将外部流体通路与内部歧管形成一个交叉角α，通过改变进气方向，提高进口端前几节单池的流量，提高了电堆各节单池流体的均一性；上述三篇专利都从数值仿真的角度给出流体优化的方向，并没有给出具体的理论优化方法，并且前两篇专利是通过公用通道添加挡板实现流体优化的目的，这种方法在结构实现上比较困难，且在燃料电池车用领域振动、冲击工况会对外加结构产生影响，从而干扰内部流体。
发明内容
针对现有技术缺少提高电堆流体分配均一性的优化方法，而提供一种可快速提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法及电堆，首先对流体分配给出一种U型燃料电池电堆的优化方法，再通过改进的结构实现对电堆公用管路流体的分配均一性优化，并通过测试装置完成优化方法的验证，在整个优化过程中不需另外引入其他结构实现流体变化，且不会更改现有的组装工艺方法，对已设计定型的电堆几乎无机械匹配结构影响。
本发明采用的技术手段如下：
一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法，在加工所述燃料电池电堆使用的双极板和MEA边框时，使所述双极板的气体出口截面积大于气体入口截面积，且使所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
进一步地，所述气体出口包括空气出口和氢气出口，所述气体入口包括空气入口和氢气入口，所述空气出口的面积与所述空气入口的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口的面积与所述氢气入口的面积之比为1.67～2。
进一步地，在加工所述燃料电池电堆使用的进气端板时，使所述进气端板的空气入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同。
本发明还提供了一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的电堆，包括由双极板、MEA和MEA边框组成的单电池，所述MEA通过所述MEA边框安装于所述双极板内，所述双极板气体出口的截面积大于气体入口的截面积；所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
进一步地，所述气体出口包括空气出口和氢气出口，所述气体入口包括空气入口和氢气入口，所述空气出口的面积与所述空气入口的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口的面积与所述氢气入口的面积之比为1.67～2。
进一步地，所述电堆还包括进气端板，所述进气端板的气体入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的提高电堆流体分配均一性的方法及电堆，能更直接简便的快速提高电堆流体分配均一性，以满足电堆正常运行及冷启动运行的需要，为电堆设计流体流量分配均一性提供更直观的理论依据，并且该方法及装置简单、实用、有效。
基于上述理由本发明可在燃料电池等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述双极板及所述MEA边框结构示意图。
图2为本发明所述电堆简化二维平面图。
图3为电堆结构优化前后电堆各节单池流量分配差异的计算结果。
图4为电堆结构优化前后在实验验证过程中电压均一性随着电堆节数的变化关系。
图中：1、空气入口；2、氢气出口；3、氢气入口；4、空气出口。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法，在加工所述燃料电池电堆使用的双极板和MEA边框时，使所述双极板的气体出口截面积大于气体入口截面积，且使所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
进一步地，所述气体出口包括空气出口4和氢气出口2，所述气体入口包括空气入口1和氢气入口3，所述空气出口4的面积与所述空气入口1的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口2的面积与所述氢气入口3的面积之比为1.67～2。
进一步地，在加工所述燃料电池电堆使用的进气端板时，使所述进气端板的空气入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同，用于防止由于燃料电池电堆进气端流速较大，流体惯性较大，造成流体对电堆进口端前几节单电池的影响。
本发明还提供了一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的电堆，包括由双极板、MEA和MEA边框组成的单电池，所述MEA通过所述MEA边框安装于所述双极板内，所述双极板气体出口的截面积大于气体入口的截面积；所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
进一步地，所述气体出口包括空气出口4和氢气出口2，所述气体入口包括空气入口1和氢气入口3，所述空气出口4的面积与所述空气入口1的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口2的面积与所述氢气入口3的面积之比为1.67～2。
进一步地，所述电堆还包括进气端板，所述进气端板的气体入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同。
如图2所示，根据流体流动的伯努利方程，可得：
Figure BDA0002851267480000061
其中，vin1为电堆进口端第一节单池进口流速；ρ为流体的密度；vinn为电堆盲端第一节单池进口流速；Pin1为进口首端的压强势能；
Figure BDA0002851267480000062
为进口首端的动能；Pinn为进口末端的压强势能；
Figure BDA0002851267480000063
为进口末端的动能；
Figure BDA0002851267480000064
为进口公用通道的总损失；
Figure BDA0002851267480000065
为进口公用通道由于分流导致的总流量损失；
Figure BDA0002851267480000066
其中，voutn为电堆盲端第一节单池出口流速；Poutn为出口末端的压强势能；
Figure BDA0002851267480000067
为出口末端的动能；hl为末端单池的损失；
Figure BDA0002851267480000068
其中，vout1为电堆进口端第一节单池出口流速；Pout1为出口首端的压强势能；
Figure BDA0002851267480000069
为出口首端的动能；
Figure BDA00028512674800000610
为出口公用通道的总损失；
Figure BDA00028512674800000611
为出口公用通道由于分流导致的总流量损失；
vin1＝αvout1，vinn＝αvoutn (4)
Figure BDA00028512674800000612
其中，α代表单电池出口截面积与进口截面积的比例；
由公式(1)～(4)，可推出公式(5)：
Figure BDA00028512674800000613
其中，
Figure BDA0002851267480000071
(对于离线条件下取“＝”)
根据公式(5)可以看出对于目前大部分电堆，一般α＝1，(Pin1-Pout1)＞(Pinn-Poutn)，即U型电堆从进气端到盲端流量呈现逐渐递减趋势；随着电堆节数的增多，
Figure BDA0002851267480000072
逐渐增大，所以电堆流量差异会随着电堆节数的增多而逐渐增大；采用本申请所述的方法及电堆结构，α＞1，即单电池气体出口截面积＞气体进口截面积，能够提高电堆流体分配的均匀性。
采用本申请所述的方法及电堆结构，在加工MEA边框时，需要设计加工相同尺寸的MEA成型刀口模，以提高电堆运行过程中各节单池电性能的均一性。
下面结合具体实例对本发明提供的方法及电堆结构的技术效果进行验证：
首先将本发明所述的电堆发电，在中高电密运行一段时间(20min～30min)，保证电堆各节单池性能的稳定性，同时保证各节单池MEA含水量的一致性，然后停机，空气和氢气切换成干气模式，并且空气和氢气尾排切换为常排模式，水腔温度设置为55℃～65℃，空气按照500～700mA/cm2电流密度供气，氢气通过压力控制，保证氢气侧压力比空气侧高15KPa，同时控制低载荷50～100mA/cm2电流密度供电，通过巡检仪检测的电堆各节单池的电压分配一致性，间接判断电堆流体分配的一致性。
图3为电堆结构优化前后电堆各节单池流量分配差异的计算结果，由图3可以看出，采用本发明所述的方法及电堆结构，电堆各节电池流体分配均一性提高3倍多。电堆流体分配均一性通过电堆流量差异体现，其中电堆流量差异为电堆最大流量相差百分数与电堆最小流量相差百分数之差，其中流量相差百分数的计算见公式(6)：
Figure BDA0002851267480000073
其中：n为电堆单池的总节数；Q单池i为电堆第i节单池的质量流量。
图4为电堆结构优化前后在实验验证过程中电压均一性随着电堆节数的变化关系，由图4可以看出，采用本发明所述方法与电堆结构，电堆各节单池电压分配均一性明显提高，从而验证本发明所述方法与电堆结构的实用性与可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法，其特征在于，在加工所述燃料电池电堆使用的双极板和MEA边框时，使所述双极板的气体出口截面积大于气体入口截面积，且使所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
2.根据权利要求1所述的提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法，其特征在于，所述气体出口包括空气出口和氢气出口，所述气体入口包括空气入口和氢气入口，所述空气出口的面积与所述空气入口的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口的面积与所述氢气入口的面积之比为1.67～2。
3.根据权利要求1所述的提高燃料电池电堆流体分配均一性的方法，其特征在于，在加工所述燃料电池电堆使用的进气端板时，使所述进气端板的空气入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同。
4.一种提高燃料电池电堆流体分配均一性的电堆，包括由双极板、MEA和MEA边框组成的单电池，所述MEA通过所述MEA边框安装于所述双极板内，其特征在于，所述双极板气体出口的截面积大于气体入口的截面积；所述MEA边框上对应至所述气体出口和所述气体入口位置处的开口形状及开口面积分别与所述气体出口和所述气体入口的形状及面积相同。
5.根据权利要求4所述的提高燃料电池电堆流体分配均一性的电堆，其特征在于，所述气体出口包括空气出口和氢气出口，所述气体入口包括空气入口和氢气入口，所述空气出口的面积与所述空气入口的面积之比为1.56～1.67，所述氢气出口的面积与所述氢气入口的面积之比为1.67～2。
6.根据权利要求4所述的提高燃料电池电堆流体分配均一性的电堆，其特征在于，所述电堆还包括进气端板，所述进气端板的气体入口区的开口形状及开口面积与所述气体入口的形状及面积相同。
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