CN113540515B - 燃料电池电堆及质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种燃料电池电堆及质子交换膜燃料电池，燃料电池电堆包括气液分离结构，连通于阳极的氢气入口，用于将来自氢气入口的气液混合介质分离出气体和液态水，气液分离结构的末端分别形成气流通路和液流通路，气流通路和液流通路相并联且共同通向氢气出口。通过设置气液分离结构，以使得燃料电池电堆能够通过自身零部件实现气体和液体的有效分离，使得气体通过气流通路进入反应区，液态水经液流通路从氢气出口直接排出，避免循环介质中的液态水进入反应流场，降低极板阳极排水难度和水淹的风险，提升低温吹扫的效率，降低液态水流场内结冰风险。

Description

燃料电池电堆及质子交换膜燃料电池

技术领域

本公开涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体地，涉及一种燃料电池电堆及质子交换膜燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化率高、无污染、噪音低的优点。在反应过程中生成物只有水，水在燃料电池阴极生成，部分水会通过膜电极从阴极侧渗透至阳极侧。随着反应的进行部分生成的水会形成液态，在阴极和阳极两侧向扩散层和流道流动。

相关技术中，通过使用循环系统可以循环使用氢气，以避免气源氢气持续流出造成系统效率过低。但是在循环过程中的流道内反应气体不均匀，尾排间隔时间短，系统效率低。在低温环境中，当氢气循环介入关机过程时，液态水会反复流经电堆，造成吹扫时间长和水残留的隐患。

发明内容

本公开的第一个目的是提供一种燃料电池电堆，以至少部分解决现有技术中存在的问题。

本公开的第二个目的是提供一种质子交换膜燃料电池，该质子交换膜燃料电池包括本公开提供的燃料电池电堆。

为了实现上述目的，本公开提供一种燃料电池电堆，包括气液分离结构，连通于阳极的氢气入口，用于将来自所述氢气入口的气液混合介质分离出气体和液态水，所述气液分离结构的末端分别形成气流通路和液流通路，所述气流通路和所述液流通路相并联且共同通向氢气出口。

可选地，包括依次贴合设置的贴合于取电板的入口侧绝缘板、入口端板、以及外框架，所述入口侧绝缘板、所述入口端板、以及所述外框架形成有位置对应的孔洞，所述氢气入口设置在外框架上并与所述孔洞连通；

所述气液分离结构设置在所述孔洞中，所述气流通路穿过所述入口侧绝缘板并朝向所述取电板延伸，所述液流通路在所述入口侧绝缘板和所述入口端板之间对接的表面之间延伸。

可选地，所述入口侧绝缘板和所述入口端板分别开设有位置对应的通孔，所述外框架形成有开口方向朝向所述通孔的U形部，所述通孔和所述U形部形成所述孔洞，所述氢气入口连通于所述U形部的内侧。

可选地，所述气液分离结构为形成在所述孔洞中的挡板结构，所述挡板结构配置为使进入氢气入口的气液混合介质在所述孔洞中的流通路径为上下交替弯折的S形。

可选地，所述挡板结构包括：

第一挡板，设置在所述外框架的靠近所述入口端板一侧，从所述孔洞的上端朝向下端延伸；

第二挡板，设置在所述入口端板的靠近所述外框架的一侧，从所述孔洞的下端朝向上端延伸；

第三挡板，设置在所述入口端板的靠近所述入口侧绝缘板的一侧，从所述孔洞的上端朝向下端延伸。

可选地，第二挡板的顶部高于所述第一挡板和所述第三挡板的底部。

可选地，所述孔洞设置在所述入口侧绝缘板、所述入口端板、以及所述外框架的上部，所述液流通路包括开设在所述入口侧绝缘板和/或所述入口端板表面的凹槽，所述凹槽从所述孔洞处向侧下方延伸至氢气出口。

可选地，所述凹槽形成为弧形。

可选地，所述凹槽数量为多条。

本公开的第二个目的，提供一种质子交换膜燃料电池，包括根据以上所述的具有氢气入口和氢气出口的燃料电池电堆、连通于所述氢气入口的氢气供应结构、以及设置在所述氢气入口和所述氢气出口之间的循环气泵，其中所述氢气出口还与大气连通。

通过上述技术方案，本公开提供的燃料电池电堆，通过设置气液分离结构，以使得燃料电池电堆能够通过自身零部件实现气体和液体的有效分离，使得气体通过气流通路进入反应区，液态水经液流通路从氢气出口直接排出，避免循环介质中的液态水进入反应流场，降低极板阳极排水难度和水淹的风险，提升低温吹扫的效率，降低液态水流场内结冰风险。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开示例性实施方式提供的燃料电池电堆的内部结构示意图；

图2是本公开示例性实施方式提供的燃料电池的内部局部结构示意图；

图3是本公开示例性实施方式提供的燃料电池电堆的轴测图；

图4是本公开示例性实施方式提供的燃料电池电堆的局部结构示意图图；

图5是本公开另一示例性实施方式提供的燃料电池电堆的局部结构示意图；

图6是本公开示例性实施方式提供的燃料电池电堆的截面图。

附图标记说明

11 氢气入口 12 氢气出口

13 入口端板 14 入口侧绝缘板

15 外框架 16 孔洞

17 凹槽 2 气液分离结构

21 第一挡板 22 第二挡板

23 第三挡板 3 气流通路

4 液流通路 5 循环泵

6 氢气供应结构 7 大气

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“顶”、“底”是燃料电池电堆的使用习惯定义的，具体参照图5所示的图面方向。“内”、“外”是根据相应零部件的本身轮廓而言的。此外，本公开中使用的术语“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

参照图1，本公开提供的一种燃料电池电堆，包括气液分离结构2，该气液分离结构2可以连通于阳极的氢气入口11，可以用于将来自氢气入口 11的气液混合介质分离出气体和液态水，气液分离结构2的末端能够分别形成气流通路3和液流通路4，分离出的气体和液态水可以在燃料电池电堆内分别流通，并且气流通路3和液流通路4可以相并联且共同通向氢气出口12，使得液态水能够与氢气分别排出，避免液态水随氢气进入燃料电池电堆的反应流场。

通过上述技术方案，本公开提供的燃料电池电堆，通过设置气液分离结构2，以使得燃料电池电堆能够通过自身零部件实现气体和液体的有效分离，使得气体通过气流通路3进入反应区，液态水经液流通路4从氢气出口12 直接排出，避免了大量液态水进入阳极反应流道，防止液态水反复流经燃料电池电堆，避免循环介质中的液态水进入反应流场，降低极板阳极排水难度和水淹的风险，提升低温吹扫的效率，降低液态水流场内结冰风险。

进一步地，参照图3，本公开提供的燃料电池电堆还可以包括依次贴合设置的贴合于取电板的入口侧绝缘板14、入口端板13、以及外框架15。入口侧绝缘板14、入口端板13、以及外框架15形成有位置对应的孔洞16，通过燃料电池电堆自身结构形成的孔洞16，能够有效地确保液态水流经孔洞 16的稳定性，同时氢气入口11可以设置在外框架15上并与孔洞16连通，一方面，能够保证氢气入口11管道的稳定性，还能使经氢气入口11进入阳极的氢气能够及时地进入到气液分离结构2中。

参照图3，气液分离结构2设置在孔洞16中，气流通路3穿过入口侧绝缘板14并朝向取电板延伸，液流通路4在入口侧绝缘板14和入口端板13 之间对接的表面之间延伸。气液混合介质在孔洞16中通过气液分离结构2 的分离成气体和液态水，为气液混合介质提供了稳定地分离环境，并经过气流通路3引导气体穿过入口侧绝缘板14朝取电板出流通，经液流通路4引导液态水在入口侧绝缘板14和入口端板13之间对接的表面流通，使得气体和液体的各自在燃料电池电堆内流通，确保氢气和液态水的有效分离。

进一步地，参照图3，入口侧绝缘板14和入口端板13分别开设有位置对应的通孔，外框架15形成有开口方向朝向通孔的U形部，通孔和U形部连通以形成上述的孔洞16，通过燃料电池电堆自身结构形成的孔洞16具有较强稳定性，确保流通在燃料电池电堆内部的气体和液态水能够稳定地流通，氢气入口11连通于U形部的内侧，以将氢气入口11容纳在U形部中，能够保证经氢气入口11向通入孔洞16的气体时氢气入口11与孔洞16的气密性，并能够提高氢气入口11的管道使用寿命。

参照图3、图4和图6，气液分离结构2可以为形成在孔洞16中的挡板结构，挡板结构可以配置为使进入氢气入口11的气液混合介质在孔洞16中的流通路径为上下交替弯折的S形，当气液混合介质流经挡板结构时，挡板结构能够迫使气液混合介质不断转向，利用流体转向时气液比重不同以将氢气和液态水分离，确保气液混合介质在流经孔洞16时能够得到有效分离。

参照图6，挡板结构可以包括：第一挡板21、第二挡板22以及第三挡板23。第一挡板21可以设置在外框架15的靠近入口端板13一侧，并从孔洞16的上端朝向下端延伸，由外框架15和第一挡板21可以形成为第一流通空间，为即将分离的气液混合介质提供流通空间，并通过第一挡板21改变气体混合介质流向，以对气液混合介质进行第一次分离；第二挡板22可以设置在入口端板13的靠近外框架15的一侧，从孔洞16的下端朝向上端延伸，通过第二挡板22改变经第一空间流出的气液混合介质流向，以对该气液混合介质进行第二次分离，使得气液混合介质能够得到进一步地分离，并由第一挡板21、第二挡板22以及下面即将提到的第三挡板23形成第二流通空间；第三挡板23可以设置在入口端板13的靠近入口侧绝缘板14的一侧，从孔洞16的上端朝向下端延伸，通过第三挡板23改变经第二流通空间流过的气液混合气体的流向，以对该气液混合介质再一次分离。这样，通过不断地改变气体混合介质的流向，能够保证气液分离结构2对气液混合介质进行氢气和液态水的分离效果。

进一步地，参照图6，第二挡板22的顶部可以高于第一挡板21和第三挡板23的底部，能够有效防止上述第一流通空间内的气液混合介质未通过第二挡板22改变流向而直接进入第二流通空间，避免已经分离的气液混合介质和未分离的气液混合介质发生混合，确保了气液分离结构2对气液混合介质的分离效果。

参照图4、图5和图6，孔洞16可以设置在入口侧绝缘板14、入口端板 13、以及外框架15的上部，以使得液态水可以利用重力向入口侧绝缘板14、入口端板13、以及外框架15处流动和汇集。液流通路4包括开设在入口侧绝缘板14和入口端板13表面的凹槽17，凹槽17还可以设置在入口侧绝缘板14或入口端板13其中的一者上，以使得凹槽17从孔洞16处向侧下方延伸至氢气出口12，以将液态水排出。当凹槽17同时开设在入口侧绝缘板14 和入口端板13表面上时，凹槽17可以构造为对称设置的两个小凹槽，两个小凹槽通过入口侧绝缘板14和入口端板13拼接形成为供液态水流通的管道；当凹槽17开设在入口侧绝缘板14和入口端板13中的一者上时，凹槽17可以构造为圆形或其他形状的管道以供液态水在入口侧绝缘板14和入口端板 13之间流通。在本公开提供实施例中，凹槽17可以开设在入口侧绝缘板14上，使得液态水能够贴合于入口侧绝缘板14的壁面流动，有利于液态水在液流通道4内的流动，以使得液态水稳定地从氢气出口12排出。

进一步地，参照图5，凹槽17可以形成为弧形。使得流经凹槽17的液态水具有较长的流通路径，能够有效地提高液态水的排出效率。

参照图5，凹槽17数量可以设置为多条，这些凹槽17可以平行间隔设置，能够有效地提高液态水的排出效率。同时，根据一些实施例，燃料电池电堆通常包括多个阳极极板，多个阳极极板上分别设置有阳极流道，由于液态水的流动阻力比氢气的流动阻力要大得多，因此凹槽17的截面面积可以大于单个阳极极板上的阳极流道的面积，这样凹槽17的截面面积可以近似等于多个阳极流道截面面积之和，保证了气液分离结构2的分离效果，以将燃料电池电堆内的气液混合介质进行有效分离。并且，避免了燃料电池电堆的氢气入口11和氢气出口12的压力差变化较大导致的阳极极板流道最大和最小流量差值增大，保证了各个阳极极板的阳极流道内的气体能够均匀分布。

参照图2，本公开还提供一种质子交换膜燃料电池，包括根据以上所述的具有氢气入口11和氢气出口12的燃料电池电堆，该质子交换膜燃料电池包括上述燃料电池电堆的所有有益效果，这里不再赘述。质子交换膜燃料电池还可以包括连通于氢气入口11的氢气供应结构6，氢气供应结构6可以为气瓶，在氢气供应结构6连通于氢气入口11的管路上可以设置有入口电磁阀，通过调节入口电磁阀来控制氢气供应结构6对燃料电池电堆氢气的供应，以满足氢气的供应需求；对以及设置在氢气入口11和氢气出口12之间的循环气泵5，通过循环气泵5对氢气出口12排出部分含有氢气的尾气进行循环，并通过连通在循环气泵5另一端的氢气入口11通入到燃料电池电堆内，提升了气体的利用率。其中，氢气出口12还可以与大气7连通，以将未重复利用的尾气排入大气。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括气液分离结构（2），连通于阳极的氢气入口（11），用于将来自所述氢气入口（11）的气液混合介质分离出气体和液态水，所述气液分离结构（2）的末端分别形成气流通路（3）和液流通路（4），所述气流通路（3）和所述液流通路（4）相并联且共同通向氢气出口（12）；

包括依次贴合设置的贴合于取电板的入口侧绝缘板（14）、入口端板（13）、以及外框架（15），所述入口侧绝缘板（14）、所述入口端板（13）、以及所述外框架（15）形成有位置对应的孔洞（16），所述氢气入口（11）设置在外框架（15）上并与所述孔洞（16）连通；

所述气液分离结构（2）设置在所述孔洞（16）中，所述气流通路（3）穿过所述入口侧绝缘板（14）并朝向所述取电板延伸，所述液流通路（4）在所述入口侧绝缘板（14）和所述入口端板（13）之间对接的表面之间延伸；

所述液流通路（4）包括开设在所述入口侧绝缘板（14）和/或所述入口端板（13）表面的凹槽（17），所述凹槽（17）形成为弧形；

所述气液分离结构（2）为形成在所述孔洞（16）中的挡板结构，所述挡板结构配置为使进入氢气入口（11）的气液混合介质在所述孔洞（16）中的流通路径为上下交替弯折的S形，所述挡板由所述入口侧绝缘板（14）、所述入口端板（13）、以及所述外框架（15）构成。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述入口侧绝缘板（14）和所述入口端板（13）分别开设有位置对应的通孔，所述外框架（15）形成有开口方向朝向所述通孔的U形部，所述通孔和所述U形部形成所述孔洞（16），所述氢气入口（11）连通于所述U形部的内侧。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述挡板结构包括：

第一挡板（21），设置在所述外框架（15）的靠近所述入口端板（13）一侧，从所述孔洞（16）的上端朝向下端延伸；

第二挡板（22），设置在所述入口端板（13）的靠近所述外框架（15）的一侧，从所述孔洞（16）的下端朝向上端延伸；

第三挡板（23），设置在所述入口端板（13）的靠近所述入口侧绝缘板（14）的一侧，从所述孔洞（16）的上端朝向下端延伸。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，第二挡板（22）的顶部高于所述第一挡板（21）和所述第三挡板（23）的底部。

5.根据权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述孔洞（16）设置在所述入口侧绝缘板（14）、所述入口端板（13）、以及所述外框架（15）的上部，所述凹槽（17）从所述孔洞（16）处向侧下方延伸至氢气出口（12）。

6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述凹槽（17）数量为多条。

7.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括根据权利要求1-6中任一项所述的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆具有氢气入口（11）和氢气出口（12）、连通于所述氢气入口（11）的氢气供应结构（6）、以及设置在所述氢气入口（11）和所述氢气出口（12）之间的循环气泵（5），其中所述氢气出口（12）还与大气（7）连通。

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