CN112952155B - 一种导流结构及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导流结构及燃料电池系统，属于燃料电池领域。本发明的燃料电池系统，包括电堆，电堆包括电池单元，电池单元包括有分流区，电池单元内设置有氢气入口歧管，导流结构包括混合物入口段、分流段和密封端板，分流段插入氢气入口歧管内，混合物入口段位于电池单元的外部，密封端板在混合物入口段区域与电池单元的外端面实现密封，且导流结构在分流段上开设有多个分流口，该分流口用于引导混合气流和液态水在燃料电池中部单元区域的分布与分配。本发明将燃料电池阳极入堆液态水向电池单元各单片区域分布，避免了液态水在燃料电池单元局部区域聚集；改善了电池单元各单片区域内的气流的分布与分配。

Description

一种导流结构及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种导流结构及燃料电池系统。

背景技术

为提高燃料电池系统性能,提高氢气利用率、改善系统水平衡，燃料电池系统中均采用阳极回流系统,即燃料电池阳极氢气反应气体过量供给电堆，电堆电化学反应消耗部分氢气，剩余氢气连同反应生成物混合排出电堆，出堆混合物经由驱动装置（氢循环泵或引射器）驱动回流,在电堆阳极入口之前与新供给的氢气混合,重新进入电堆。

燃料电池阳极回流系统中，出堆混合物温度一般为60-90度，显著高于环境温度。阳极出堆混合物在回流路流动过程中会经壁面向环境散热，温度逐步降低。新鲜氢气的供给来自于氢瓶，供气温度接近环境温度。当回流混合物与新鲜供给氢气混合后温度会进一步降低。尤其是在冬季冷态环境运行的条件下，环境温度低、壁面向环境散热量大；氢瓶内新鲜氢气温度低，新鲜氢气与回流氢气混合后，温度进一步降低。随温度降低,回流混合气中的水蒸气冷凝,以液态水析出。

燃料电池电堆由数百单片单元堆叠而成，两端端板施加预紧力实现电堆内各单片单元间的连接与密封。为实现均匀夹紧，需要较高的端板强度和刚度，端板常采用铝材料，而且比较厚，热容较大，相应的热惯性较大；另外端板通过其外端面向环境散热，热散失比重较大。以上两个因素共同影响，尤其针对低温环境和燃料电池系统启动暖机过程，临近端板单元的温度较中间单片单元温度低，通常其单片性能较中间单片性能偏低，由温度因素引起“端板效应”。

现有架构中，氢回流路中的液态水随气流进入电堆，较大比例流入紧临端板的首片单元。燃料电池单片单元含若干气流微通道，水的气相、液相间的密度差异巨大，液态水的含量直接影响气体在燃料电池系统通道内流动状态，液态水累积严重的情况会阻塞气体传输通道，影响系统正常运行。燃料电池紧临端板的首片单元受氢回流路液态水的影响较大，也会造成其单片性能较中间单片性能偏低。

现有燃料电池系统中，温度影响因素与液态水影响因素叠加作用，加剧 “端板效应”。

现有技术中，针对阳极冷凝液态水入堆问题，主要解决方案为堆内分水设置分水结构：为缓解液态水进入电堆后的影响，专利US7163760B2和US2018/0342744A1在电堆内部增设旁通单元，分流液态水的措施。其主要特点是在电堆内侧紧邻前端板增设氢气路旁通单元，旁通单元内设有连通氢气入口腔与出口腔的流通通道。氢气侧入堆混合物入堆后首先流经旁通单元，部分入堆的液态水会经旁通通道流至氢气出口腔体排出电堆，由此旁通单元下游的正常反应单元进入液态水的风险降低。

现有技术中，堆内分水设置分水结构，电堆内部增设旁通单元可缓解其下游正常反应单元受液态水影响的风险。增设旁通单元会增加电堆长度、影响电堆内部密封可靠性、接触压力分布、甚至关系到电堆整体性能。方案实施影响变量多、配适调整难度大。

因此，亟需提供一种导流结构及燃料电池系统，以解决燃料电池阳极入堆液态水在紧邻端板的首单片区域积聚，及其他局部区域聚集的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导流结构及燃料电池系统法，可实现将燃料电池阳极入堆液态水向燃料电池各单片分布，避免液态水在局部区域聚集，改善燃料电池各单片气流的分布与分配。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种导流结构，用于燃料电池系统的阳极入口前侧，所述燃料电池系统包括电堆，所述电堆包括电池单元，所述电池单元包括有分流区，所述电池单元内设置有氢气入口歧管，所述导流结构包括混合物入口段、分流段和密封端板，所述分流段插入所述氢气入口歧管内，所述混合物入口段位于所述电池单元的外部，所述密封端板在所述混合物入口段区域与所述电池单元的外端面实现密封，且所述导流结构在分流段的壁面上开设有多个分流口。

进一步地，所述分流口均设置在所述分流段的底部。

进一步地，在所述分流段底部，且背离所述分流区的方向上设置向下的分流口；在所述分流段顶部，且临近所述分流区的方向上设置向上的分流口。

进一步地，沿气流流通方向，所述分流口的面积逐渐增大。

进一步地，所述导流结构的材质为非导电塑料。

本发明还提供了一种燃料电池系统，包括以上任一项技术方案所述的导流结构。

进一步地，所述电池单元内还设置有氢气出口歧管，所述燃料电池系统还包括储氢装置、氢喷、混合口、引射器、气液分离器、排气阀，所述储氢装置的出口连接所述氢喷的进口，所述混合口的第一进口连接所述氢喷的出口、第二进口连接所述引射器的出口，所述混合口的出口连接所述氢气入口歧管，所述引射器的进口及所述排气阀的进口均连接所述气液分离器的第一出口，所述气液分离器的进口连接所述氢气出口歧管。

进一步地，所述燃料电池系统还包括储液腔室和排水阀，所述储液腔室的进口与所述气液分离器的第二出口连接，所述储液腔室的出口与所述排水阀连接。

进一步地，所述电堆还包括前端板、后端板和绝缘板与集流板，所述前端板设置在所述电池单元的阳极侧的端部，所述绝缘板与集流板紧挨所述前端板设置，所述后端板设置在所述电池单元的阴极侧的端部。

进一步地，所述燃料电池系统还包括减压阀和安全阀，所述减压阀和安全阀依次连接在所述储氢装置的出口至上述氢喷的进口的管路上。

与现有技术相比，本发明提供的导流结构及燃料电池系统，其在燃料电池阳极侧增设导流结构，阳极入堆混合气流及液态水经导流结构引导进入燃料电池中部单元区域。该导流结构的分流段的壁面上开设有分流口，该分流口用于引导混合气流和液态水在燃料电池中部单元区域的分布与分配。本发明避免了燃料电池阳极入堆液态水在紧邻前端板的电池单元的首片单元区域积聚，缓解了燃料电池端板效应；将燃料电池阳极入堆液态水向电池单元各单片区域分布，避免了液态水在燃料电池单元局部区域聚集；改善了电池单元各单片区域内的气流的分布与分配。

附图说明

图1为本实施例的燃料电池系统的结构示意图；

图2为本实施例燃料电池单元的单片单元的结构示意图；

图3为本实施例的燃料电池系统的装配示意图；

图4为本实施例中第一种导流结构的结构示意图；

图5为本实施例中第二种导流结构的结构示意图。

附图标记：

1-储氢装置；2-减压阀；3-安全阀；4-氢喷；5-混合口；6-电堆；61-前端板；62-电池单元；63-氢气入口歧管；64-后端板；65-氢气出口歧管；66-首片单元；67-分流区；68-反应区；69-绝缘板与集流板；7-气液分离器；8-储液腔室；9-引射器；10-排水阀；11-排气阀；12-导流结构；121-混合物入口段；122-分流段；123-密封端板；124-分流口。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，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。基于本发明中的实施例，本领域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。

如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池系统，特别涉及端板集成式燃料电池，该燃料电池系统包括电堆6和导流结构12，电堆6包括电池单元62，电池单元62包括有分流区67，电池单元62内设置有氢气入口歧管63，导流结构12的一部分插入氢气入口歧管63内、一部分位于电池单元62的外部，且导流结构12与电池单元62的外端面密封接合，且导流结构12伸入氢气入口管内的部分壁面上开设有多个分流口124。本实施例的燃料电池系统其阳极入堆端设置了导流结构12，可实现将燃料电池阳极入堆液态水向燃料电池各单片分布，避免了液态水在局部区域聚集，改善了燃料电池各单片气流的分布与分配。

进一步地，参考图1，本实施例的燃料电池系统还包括储氢装置1、氢喷4、混合口5、引射器9、气液分离器7、排气阀11，储氢装置1的出口连接氢喷4的进口，混合口5的第一进口连接氢喷4的出口、第二进口连接引射器9的出口，混合口5的出口连接氢气入口歧管63，引射器9的进口及排气阀11的进口均连接气液分离器7的第一出口，气液分离器7的进口连接氢气出口歧管65。可选地，本实施例的引射器9也可以替换为循环泵，只要能够作为动力源将气态混合物和氢气泵出即可。

优选地，本实施例的电堆6还包括前端板61、后端板64、绝缘板与集流板69，前端板61设置在电池单元62的阳极侧的端部，绝缘板与集流板69紧挨前端板61设置，后端板63设置在电池单元62的阴极侧的端部。电池单元62还包括首片单元66和反应区68，首片单元66紧挨绝缘板和集流板设置在其后方，分流区67为导流结构12与氢气入口歧管63之间的区域，反应区68为电堆6中间燃料进行反应的区域。

优选地，为使得引射器9泵循环回去的混合气流中液态水含量减少，燃料电池系统还包括储液腔室8和排水阀10，储液腔室8的进口与气液分离器7的第二出口连接，储液腔室8的出口与排水阀10连接，使得混合气流中的液态水能够通过排水阀10排出。

可选地，参考图1，本实施例的燃料电池系统还包括减压阀2和安全阀3，减压阀2和安全阀3依次连接在储氢装置1的出口至氢喷4的进口的管路上，起到对泵入的新鲜氢气减压控制的作用。

本实施例中，如图1-图5所示，导流结构12包括混合物入口段121、分流段122和密封端板123，分流段122插入氢气入口歧管63内，混合物入口段121位于电池单元62的外部，密封端板123在混合物入口段121区域与电池单元62的前端板61的外端面实现密封。具体地，导流结构12在分流段122的壁面上开设有多个分流口124，导流结构12插入氢气入口歧管63的深度可根据混合气和液态水在不同单片区域的分布和分配调整。

具体地，本实施例的导流结构12优选采用非导电塑料材料制成，且导流口的设置根据流动的分布需求优化：参考图4，一种实施方式为将分流口124设置于导流结构12底部，沿气流流通方向，分流口124的开口面积逐步增大。参考图5，另一种实施方式为在分流段122底部，且背离分流区67的方向上设置向下的分流口124，其目的是利用重力作用分流液态水，在分流段122顶部，且临近分流区67的方向上设置向上的分流口124，其目的为分流混合气，底部向下的分流口124和顶部向上的分流口124均沿气流流通方向，分流口124的开口面积逐步增大。导流结构12设置底部向下的分流口124和顶部向上的分流口124也可用于调整混合气流和液态水在不同单片区域的分布和分配。

本实施例提供的导流结构12及燃料电池系统，其在燃料电池阳极侧增设导流结构12，阳极入堆混合气流及液态水经导流结构12引导进入燃料电池中部单元区域。该导流结构12的分流段122的壁面上开设有分流口124，该分流口124用于引导混合气流和液态水在燃料电池中部单元区域的分布与分配。本发明避免了燃料电池阳极入堆液态水在紧邻前端板61的电池单元62的首片单元66区域积聚，缓解了燃料电池端板效应；将燃料电池阳极入堆液态水向电池单元62各单片区域分布，避免了液态水在电池单元62局部区域聚集；改善了电池单元62各单片区域内的气流的分布与分配。

本实施例提供的燃料电池系统的氢气循环过程如下：

电堆6内出来的出堆混合物通过氢气出口歧管65流出电堆6，进入气液分离器7，经过气液分离后，气态混合物被引射器9泵出，并与氢喷4自储氢装置1泵出的新鲜氢气一起形成氢气混合气在混合口5处混合，再自导流结构12的混合物入口段121进入电池单元62，经过导流结构12的导流，从分流口124进入氢气入口歧管63，实现在燃料电池系统的电堆6内的循环。其中，气液分离器7中分离的液态水自第二出口排出至储液腔室8，再经过排液阀排出，气液分离器7分离的其他气体经第一出口自排气阀11排出。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种导流结构，用于燃料电池系统的阳极入口前侧，所述燃料电池系统包括电堆（6），所述电堆（6）包括电池单元（62），所述电池单元（62）包括有分流区（67），所述电池单元（62）内设置有氢气入口歧管（63），其特征在于，所述导流结构（12）包括混合物入口段（121）、分流段（122）和密封端板（123），所述分流段（122）插入所述氢气入口歧管（63）内，所述混合物入口段（121）位于所述电池单元（62）的外部，所述密封端板（123）在所述混合物入口段（121）区域与所述电池单元（62）的外端面实现密封，且所述导流结构（12）在分流段（122）的壁面上开设有多个分流口（124）；

在所述分流段（122）底部，且背离所述分流区（67）的方向上设置向下的分流口（124）；在所述分流段（122）顶部，且临近所述分流区（67）的方向上设置向上的分流口（124）；

沿气流流通方向，所述分流口（124）的面积逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的导流结构，其特征在于，所述导流结构（12）的材质为非导电塑料。

3.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1或2项所述的导流结构。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池单元（62）内还设置有氢气出口歧管（65），所述燃料电池系统还包括储氢装置（1）、氢喷（4）、混合口（5）、引射器（9）、气液分离器（7）、排气阀（11），所述储氢装置（1）的出口连接所述氢喷（4）的进口，所述混合口（5）的第一进口连接所述氢喷（4）的出口、第二进口连接所述引射器（9）的出口，所述混合口（5）的出口连接所述氢气入口歧管（63），所述引射器（9）的进口及所述排气阀（11）的进口均连接所述气液分离器（7）的第一出口，所述气液分离器（7）的进口连接所述氢气出口歧管（65）。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括储液腔室（8）和排水阀（10），所述储液腔室（8）的进口与所述气液分离器（7）的第二出口连接，所述储液腔室（8）的出口与所述排水阀（10）连接。

6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电堆（6）还包括前端板（61)、后端板（64）和绝缘板与集流板（69），所述前端板（61）设置在所述电池单元（62）的阳极侧的端部，所述绝缘板与集流板（69）紧挨所述前端板（61）设置，所述后端板（64）设置在所述电池单元（62）的阴极侧的端部。

7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括减压阀（2）和安全阀（3），所述减压阀（2）和安全阀（3）依次连接在所述储氢装置（1）的出口至所述氢喷（4）的进口的管路上。

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