CN112768739A - 一种改善燃料电池堆端板弱片的结构 - Google Patents

一种改善燃料电池堆端板弱片的结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，包括发电电池、伪电池、端板、绝缘板和集流板，所述的发电电池的极板流道宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板流道宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.1～1.3L1，H2＝1.1～1.3H1，R2＝0.7～0.9R1。与现有技术相比，本发明通过在燃料电池堆两端设置不具发电功能的伪电池，作为反应气体和冷却水的传输通道，有利于排出电堆运行过程中产生的多余的液态水，同时改善电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性。

Description

一种改善燃料电池堆端板弱片的结构
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种改善燃料电池堆端板弱片的结构。
背景技术
燃料电池是能够将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的一种装置，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，转换效率较高(45—60％)，同时生成物只有水，对环境没有污染，因而在众多领域具有广阔的发展前景。其中质子交换膜燃料电池具有功率密度高、启动快、对负载变化响应快等特点，成为交通运输能源领域重要发展方向。然而在实际运用中，燃料电池还面临诸多问题，端板效应便是其中之一，所谓端板效应就是燃料电池在常温或低温下工作时，其靠近端板处的单电池的输出电压要低于中间电池。端板效应受诸多因素的影响，比如燃料电池堆内侧的单电池主要通过冷却液散热，而燃料电池端板两侧的单电池。除了通过冷却液散热外，还向外部空气辐射散热，导致其温度偏低，输出电压与内部单电池相比也较低，即产生端板效应。
端板效应不仅影响燃料电池堆的输出性能，还对影响电堆的冷启动性能和寿命，在电堆冷启动时，端板两端的单电池向环境散热快，端板效应更为严重，是决定电堆能否启动成功的关键因素，而在使用过程中，燃料电池堆端板两侧单电池的性能衰减也远远高于内部的单电池，从而大大降低电堆的使用寿命，因此需要研究合适的方案，解决燃料电池堆的端板效应，提高燃料电池堆的使用寿命和冷启动性能。
专利CN201911065235.8在端部设置伪电池，极板与集流板之间增加柔性电阻板，可以在电流经过该柔性电阻板时产生热量，对极板进行加热，保证极板的温度与电堆内部单电池的温度相同，或者稍微超过内部单电池的温度，从而延长电堆的寿命。该专利通过调节伪电池的气体扩散层孔隙率与发电电池的气体扩散层孔隙率的比例来调节冷启动时两者的温差，但是其排水效果较差。专利CN201480053101.3在燃料电池堆端板处设置伪电池，有利于排除电堆中多余的液态水，在一定程度上可以改善电堆端板两端电压较低的现象。专利CN201911065235.8在端板处设置伪电池，并且在伪电池和端板之间插入加热器，可以在冷启动时，降低端板处与电堆中间部分的温差，提高电堆的冷启动性。
但是上述技术存在以下缺点：
1.在端板只设置伪电池，一定程度上可以排出电堆中多余的液态水，但对端板效应的改善并不明显。
2.与普通发电电池相比，伪电池流场结构并有没太多改变，排水效果一般。
3.需要在伪电池和端板之间增加其他的结构来改善端板效应，增加了电堆结构的复杂性。
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改善燃料电池堆端板弱片的结构，有利于排出电堆运行过程中产生的多余的液态水，同时改善电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，包括发电电池、伪电池、端板、绝缘板和集流板，其特征在于，所述的发电电池的极板流道宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板流道宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.1～1.3L1，H2＝1.1～1.3H1，R2＝0.7～0.9R1。
所述的伪电池包括阴极板a、阳极板a和石墨板，其中石墨板设置在阴极板a、阳极板a之间。
阴极板a和阳极板a面向石墨板的一侧设有阴阳极反应气体的流动通道，另一侧设有冷却液的流动通道。
所述的石墨板的导电率为6.5S/m，导热率为32.4W/(m*K)。
所述的石墨板内设有加热器。
所述的加热器为设置在石墨板内的加热片，石墨板由两块板用粘合剂粘合在一起，每块板内设置有凹槽，用来放置加热片。
所述的石墨板的宽度和长度与阴极板a相同，厚度为3mm。
所述的石墨板与阴极板a和阳极板a之间用密封胶密封。
所述的发电电池包括阴极板b和阳极板b，以及夹设在阴极板b和阳极板b之间的膜电极。
所述的伪电池设置在发电电池两端，伪电池外侧依次设有集流板、绝缘板和端板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.在燃料电池的正常工作温度下(60-80℃)，石墨板302中的加热器不工作，由于伪电池中的流道宽度和深度大于正常发电电池，流阻较小，电堆中多余的液态水容易从伪电池中流过，从而减少进入发电电池中的液态水量，改善在长时间运行时，燃料电池堆中易发生水淹的现象，提高燃料电池堆的输出性能。同时伪电池还具有一定的隔热作用，可以减少电堆端板处的发电电池向空气中的散热量，提高电堆端板处的发电电池的输出电压，改善燃料电池堆的端板效应，提高燃料电池堆的寿命。
2.当燃料电池堆在低温下(温度低于0℃)启动时，系统中的温度传感器检测到温度低于0℃，在电堆启动时，便通过加热器对电堆两端进行加热，由加热器的作用，电堆端板处的温度与电堆中间的温度差距减小，端板处单电池的输出电压增加，端板效应得到明显改善。同时，伪电池还可以排出电堆中多余的液态水，防止水在发电电池中结冰，提高电堆的冷启动性能。当电堆温度高于0℃时，加热器片即停止加热。
3.本发明通过在燃料电池堆两端设置不具发电功能的伪电池，作为反应气体和冷却水的传输通道，有利于排出电堆运行过程中产生的多余的液态水，同时改善电堆端板两端单电池电压偏低的现象，提高电堆的输出性能、冷启动性能和耐久性。
附图说明
图1为本发明燃料电池堆的结构示意图；
图2为本发明发电电池单电池结构示意图；
图3为本发明伪电池结构示意图；
图4为石墨板内加热片的结构示意图；
图5为-20℃低温启动时，无伪电池电堆的单片电压图；
图6为-20℃低温启动时，端板处设置有伪电池电堆的单片电压图；
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提条件下进行，现给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，包括发电电池、伪电池、端板、绝缘板和集流板。具体结构如图1所示，发电电池105两端设有不具发电功能的伪电池104和伪电池106，伪电池104外侧依次设有集流板103、绝缘板102和端板101，所述的伪电池106外侧依次设有集流板107、绝缘板108和端板109，组装成燃料电池堆，该燃料电池堆上设有三进三出口：空气进口110，空气出口115，氢气进口113，氢气出口112，冷却液进口111，冷却液出口114。
如图2所示，所述的发电电池包括阴极板b201和阳极板b203，以及夹设在阴极板b201和阳极板b203之间的膜电极202。
如图3所示，所述的伪电池包括阴极板a301、阳极板a302和石墨板302，其中石墨板302设置在阴极板a301、阳极板a302之间。阴极板a301和阳极板a302面向石墨板302的一侧设有阴阳极反应气体的流动通道，另一侧设有冷却液的流动通道。所述的石墨板302的导电率为6.5S/m，导热率为32.4W/(m*K)。所述的石墨板302内设有加热器。石墨板由两块板用粘合剂粘合在一起，每块板内设置有凹槽，用来放置加热片，如图4所示，加热片401、加热片402、加热片403均嵌入石墨板的凹槽内。所述的石墨板302的宽度和长度与阴极板a301相同，厚度为3mm。所述的石墨板302与阴极板a301和阳极板a302之间用密封胶密封。
所述的发电电池阴极板b201上设有导氧化剂流道，阳极板b203上设有导氢气流道，阴极板b201和阳极板b203之间设有导冷却流体流道，其中的导冷却流体流道的宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板阴极板a301、阳极板a302上的导冷却流体流道的宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.2L1，H2＝1.2H1，R2＝0.8R1。
在燃料电池的正常工作温度下(60-80℃)，石墨板302中的加热器不工作，由于伪电池中的导冷却流体流道的宽度和深度大于正常发电电池，流阻较小，电堆中多余的液态水容易从伪电池中流过，从而减少进入发电电池中的液态水量，改善在长时间运行时，燃料电池堆中易发生水淹的现象，提高燃料电池堆的输出性能。同时伪电池还具有一定的隔热作用，可以减少电堆端板处的发电电池向空气中的散热量，提高电堆端板处的发电电池的输出电压，改善燃料电池堆的端板效应，提高燃料电池堆的寿命。
当燃料电池堆在低温下(温度低于0℃)启动时，系统中的温度传感器检测到温度低于0℃，在电堆启动时，便通过加热器对电堆两端进行加热，由加热器的作用，电堆端板处的温度与电堆中间的温度差距减小，端板处单电池的输出电压增加，端板效应得到明显改善。同时，伪电池还可以排出电堆中多余的液态水，防止水在发电电池中结冰，提高电堆的冷启动性能。当电堆温度高于0℃时，加热器片即停止加热。
实施例2
所述的发电电池的导冷却流体流道的宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板阴极板a301、阳极板a302上的导冷却流体流道的宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.1L1，H2＝1.1H1，R2＝0.7R1。
实施例3
所述的发电电池的导冷却流体流道的宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板阴极板a301、阳极板a302上的导冷却流体流道的宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.3L1，H2＝1.3H1，R2＝0.9R1。
图5为-20℃低温启动时，无伪电池电堆的单片电压，图6为-20℃低温启动时，端板处设置有伪电池电堆的单片电压，对比图5和图6可以看出，端板处设置有伪电池电堆的端板单电池电压明显高于无伪电池电堆的端板单电池电压。
表1为无伪电池电堆和端板处设置有伪电池电堆经过2000h的运行，电堆的性能衰减情况，端板处设置有伪电池电堆的性能衰减也远低于无伪电池电堆。
表1
Figure BDA0002918600050000051

Claims (10)

1.一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，包括发电电池、伪电池、端板、绝缘板和集流板，其特征在于，所述的发电电池的极板流道宽度为L1，深度为H1，流道脊的宽度为R1，所述的伪电池的极板流道宽度为L2，深度为H2，流道脊的宽度为R2，其中L2＝1.1～1.3L1，H2＝1.1～1.3H1，R2＝0.7～0.9R1。
2.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的伪电池包括阴极板a(301)、阳极板a(302)和石墨板(302)，其中石墨板(302)设置在阴极板a(301)、阳极板a(302)之间。
3.根据权利要求2所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的阴极板a(301)和阳极板a(302)面向石墨板(302)的一侧设有阴阳极反应气体的流动通道，另一侧设有冷却液的流动通道。
4.根据权利要求2所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的石墨板(302)的导电率为6.5S/m，导热率为32.4W/(m*K)。
5.根据权利要求2所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的石墨板(302)内设有加热器。
6.根据权利要求5所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的加热器为设置在石墨板内的加热片，石墨板由两块板用粘合剂粘合在一起，每块板内设置有凹槽，用来放置加热片。
7.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的石墨板(302)的宽度和长度与阴极板a(301)相同，厚度为3mm。
8.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的石墨板(302)与阴极板a(301)和阳极板a(302)之间用密封胶密封。
9.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的发电电池包括阴极板b(201)和阳极板b(203)，以及夹设在阴极板b(201)和阳极板b(203)之间的膜电极(202)。
10.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆端板弱片的结构，其特征在于，所述的伪电池设置在发电电池两端，伪电池外侧依次设有集流板、绝缘板和端板。
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