CN114420967A - 氢燃料电池电堆及解决端部单体寿命快速衰减的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池电堆及解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其中，解决氢燃料电池电堆端部单体寿命快速衰减的方法包括步骤：减小氢燃料电池电堆靠近第一端板的第一端部双极板的第一冷却腔的容积。本申请通过减小第一冷却腔的容积，减少第一冷却腔内冷却液的量，降低第一端部双极板的冷却能力，进而减少通过第一冷却腔的冷却液带走的单体的热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现过冷却的问题。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法及氢燃料电池电堆。
背景技术
电堆包括端板和单体，如图1所示，端板包括第一端板100和第二端板200，第一端板100和第二端板200之间层叠设置单体，具体的，单体包括双极板300和膜电极400，双极板300包括两个单极板，电堆内依次层叠布置第一端板100、双极板300、膜电极400、双极板300、膜电极400、……、双极板300和第二端板200。
位于电堆中间的双极板用于对位于双极板两侧的膜电极进行冷却，位于第一端板100和膜电极400之间靠近第一端板100的两个极板分别为阳极板320和第一端部单极板310，阳极板320相比第一端部单极板310靠近膜电极400，阳极板320与膜电极400贴合的一侧设置有氢通道321，阳极板320与第一端部单极板310贴合的一侧设置有第一冷却流道322。
靠近第一端板100的单体会因为过冷穿氢饥饿，加快氢燃料电池电堆的衰减寿命，重则反极，长时间的反极会产生大量的热，甚至烧穿膜电极导致单体失效，甚至发生氢氧混合，发生危险。
因此，如何解决氢燃料电池电堆靠近端板的单体寿命衰减的问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，以解决氢燃料电池电堆靠近端板的单体寿命衰减的问题。本发明还提供了一种氢燃料电池电堆。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，包括步骤1）减小氢燃料电池电堆靠近第一端板的第一端部双极板的第一冷却腔的容积，以防止靠近所述第一端板的单体出现过冷却的问题，
其中，所述第一端部双极板包括与膜电极贴合的阳极板和与所述第一端板贴合的第一端部单极板，所述阳极板与所述第一端部单极板贴合的一侧设置有第一冷却流道，所述第一冷却流道和所述第一端部单极板与所述阳极板贴合的一侧构成所述第一冷却腔。
优选地，在上述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法中，所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，减小所述第一冷却流道沿垂直于所述阳极板方向的第一截面积和/或沿平行于所述阳极板方向的第二截面积。
优选地，在上述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法中，所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，在所述第一端部单极板与所述阳极板贴合的一侧设置能够伸入所述第一冷却流道的第一凸起；
和/或，
所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，所述第一冷却流道的内壁设置有第二凸起。
优选地，在上述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法中，还包括步骤2）增大所述氢燃料电池电堆靠近第二端板的第二端部双极板的第二冷却腔的容积，以防止所述氢燃料电池电堆的靠近所述第二端板的单体出现过热的问题，
其中，所述第二端部双极板包括与膜电极贴合的阴极板和与所述第二端板贴合的第二端部单极板，所述第二端板和所述第一端板相对，所述阴极板与所述第二端部单极板贴合的一侧设置有第二冷却流道，所述第二冷却流道和所述第二端部单极板与所述阴极板贴合的一侧构成所述第二冷却腔。
优选地，在上述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法中，所述步骤2）中增大所述第二冷却腔的容积的方法具体为，
增大所述第二冷却流道沿垂直于所述阴极板的方向的第三截面积和/或第二冷却流道沿平行于所述阴极板方向的第四截面积。
优选地，在上述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法中，所述步骤2）中增大所述第二冷却腔的容积的方法具体为，在所述第二端部单极板上开设与所述第二冷却流道位置对应且连通的第五冷却流道。
一种氢燃料电池电堆，适用于上述任意一个方案中记载的所述解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，
所述氢燃料电池电堆包括第一端板、第一端部双极板、中间双极板和膜电极，
所述第一端部双极板位于所述第一端板和所述膜电极之间，所述第一端部双极板包括阳极板和第一端部单极板，所述阳极板与所述膜电极贴合，所述阳极板与所述第一端部单极板贴合的一侧设置有所述第一冷却流道，所述第一冷却流道和所述第一端部单极板与所述阳极板贴合的一侧构成第一冷却腔；
所述中间双极板包括第一单极板和第二单极板，所述第二单极板相对于所述第一单极板靠近所述阳极板，所述第一单极板与所述第二单极板贴合的一侧设置有第三冷却流道，所述第二单极板与所述第一单极板贴合的一侧设置有与所述第三冷却流道位置对应且连通第四冷却流道，所述第三冷却流道的容积大于所述第一冷却腔的容积。
优选地，在上述氢燃料电池电堆中，所述第一端部单极板上设置有与所述第一冷却流道位置对应的第一凸起，所述第一凸起凸出于所述第一端部单极板的表面，所述第一凸起能够伸入所述第一冷却流道。
优选地，在上述氢燃料电池电堆中，还包括第二端部双极板和第二端板，
所述第二端部双极板位于所述第二端板和所述膜电极之间，所述第二端部双极板包括阴极板和第二端部单极板，所述阴极板相对于所述第二端部单极板靠近所述第一单极板，所述阴极板与所述膜电极贴合，所述阴极板与所述第二端部单极板贴合的一侧设置有第二冷却流道，所述第二冷却流道和所述第二端部单极板与所述阴极板贴合的一侧构成第二冷却腔，所述第二冷却腔的容积大于所述第四冷却流道的容积。
优选地，在上述氢燃料电池电堆中，所述第二端部单极板上开设有与所述第二冷却流道位置对应且连通的第五冷却流道，所述第五冷却流道与所述第二冷却流道构成所述第二冷却腔。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，包括步骤减小氢燃料电池电堆靠近第一端板的第一端部双极板的第一冷却腔的容积。本申请通过减小第一冷却腔的容积，减少第一冷却腔内冷却液的量，降低第一端部双极板的冷却能力，进而减少通过第一冷却腔的冷却液带走的单体的热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现过冷却的问题。
本申请还公开了一种氢燃料电池电堆，适用于上述任意一个方案中记载的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法。由于解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法具有上述技术效果，使用上述方法的氢燃料电池电堆也具有同样的技术效果，在此不再赘述。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的氢燃料电池电堆的结构示意图；
图2为本发明提供的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法的流程图；
图3为本发明提供的氢燃料电池电堆的结构示意图；
图4为本发明第一种实施例提供的第一端部双极板的结构示意图；
图5为本发明第二种实施例提供的第一端部双极板的结构示意图；
图6为本发明提供的氢燃料电池电堆的结构示意图；
图7为本发明提供的氢燃料电池电堆的结构示意图。
附图说明如下：
100、第一端板，200、第二端板，300、双极板，400、膜电极；
310、第一端部单极板，320、阳极板，321、氢通道，322、第一冷却流道；
1、第一端板；
2、第一端部双极板，21、阳极板，22、第一端部单极板，23、第一冷却流道，24、第一凸起；
3、中间双极板，31、第一单极板，32、第二单极板，33、第三冷却流道，34、第四冷却流道；
4、膜电极；
5、第二端部双极板，51、阴极板，52、第二端部单极板，53、第二冷却流道，54、第五冷却流道；
6、第二端板。
具体实施方式
本发明公开了一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，以解决氢燃料电池电堆靠近端板的单体寿命衰减的问题。本发明还公开了一种氢燃料电池电堆。
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。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。
请参阅图1-图6。
本发明公开了一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，包括步骤：
1）减小氢燃料电池电堆靠近第一端板1的第一端部双极板2的第一冷却腔的容积，以降低第一端部双极板2的冷却能力，防止氢燃料电池电堆靠近第一端板1的单体出现过冷却问题。
第一端部双极板2包括阳极板21和第一端部单极板22，其中，阳极板21与膜电极贴合，第一端部单极板22位于阳极板21与第一端板1之间，阳极板21与膜电极贴合的一侧设置有氢气通道，阳极板21与第一端部单极板22贴合的一侧设置有第一冷却流道23，第一冷却流道23构成第一冷却腔。
本申请通过减小第一冷却腔的容积，减少第一冷却腔内冷却液的量，降低第一端部双极板2的冷却能力，进而减少通过第一冷却腔的冷却液带走的单体的热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现过冷却的问题。
在本申请的一些实施例中，步骤1）中减小第一冷却腔的容积的方法具体为，减小阳极板21上第一冷却流道23沿垂直于阳极板21方向的第一截面积和/或沿平行于阳极板21方向的第二截面积，以达到减小第一冷却腔的容积的目的。
在本申请的另一些实施例中，步骤1）中减小第一冷却腔的截面积的方法具体为，在第一冷却流道23的内壁设置第一凸起，第一凸起能够对第一冷却流道23的容积进行占用，以达到减小第一冷却流道23的容积的目的。
在本申请的另一些实施例中，步骤1）中减小第一冷却腔的容积的方法具体为，在第一端部单极板22与阳极板21贴合的一侧设置能够伸入第一冷却流道23的第二凸起。
第二凸伸入第一冷却流道23内，以达到同步减小第一冷却流道23的容积的效果。
本申请减小第一冷却腔的截面积的方式还可以为改变第一冷却流道23形状。
优选地，本申请选择对阳极板21上的第一冷却流道23的截面积进行修改，以降低开发成本和生产成本，额外增加设计周期，且易于实现。
本申请公开的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，还包括步骤：
2）增大氢燃料电池电堆靠近第二端板6的第二端部双极板5的第二冷却腔的容积，以增强第二端部双极板5的冷却能力，防止氢燃料电池电堆靠近第二端板6单体出现过热的问题。
第二端部双极板5包括阴极板51和第二端部单极板52，其中，阴极板51与膜电极贴合，第二端部单极板52位于阴极板51与第二端板6之间，第二端板6与第一端板1相对且分别位于氢燃料电池的两端。阴极板51与膜电极贴合的一侧设置有氧气通道，阴极板51与第二端部单极板52贴合的一侧设置有第二冷却流道53，第二冷却流道53和第二端部单极板52与阴极板51贴合的一侧构成第二冷却腔。
本申请通过增大第二冷却腔的容积，增大第二冷却腔内冷却液的量，增强第二端部双极板5的冷却能力，进而增加通过第二冷却腔的冷却液带走的单体的热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现过热的问题。
在本申请的一些实施例中，步骤2）中增大第二冷却腔的容积的方法具体为，增大阴极板51上第二冷却流道53沿垂直于阴极板51方向的第三截面积和/或沿平行于阴极板51方向的第四截面积。
具体的，第二冷却流道53的容积至多增大至与第一冷却流道23的容积相等。
本申请减小第二冷却腔的容积的方式还可以为改变第二冷却流道53第二冷却流道53的形状。
在本申请的一些实施例中，步骤2）中增大第二冷却腔的容积的方法具体为，在第二端部单极板52上开设与第二冷却流道53位置对应且连通的第五冷却流道54。
第五冷却流道54和第二冷却流道53构成第二冷却腔。
本申请还公开了一种氢燃料电池电堆，适用于上述任意一个方案中记载的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法。
由于解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法具有上述技术效果，使用上述方法的氢燃料电池电堆也具有同样的技术效果。
具体的，氢燃料电池电堆包括第一端板1、第一端部双极板2、中间双极板3和膜电极4，
第一端部双极板2位于第一端板1和膜电极4之间，第一端部双极板2包括阳极板21和第一端部单极板22，阳极板21与膜电极4贴合，阳极板21与第一端部单极板22贴合的一侧设置有第一冷却流道23，第一冷却流道23和第一端部单极板22与阳极板21贴合的一侧构成第一冷却腔；
中间双极板3包括第一单极板31和第二单极板32，第二单极板32相对于第一单极板31靠近阳极板21，第一单极板31与第二单极板32贴合的一侧设置有第三冷却流道33，第二单极板32与第一单极板31贴合的一侧设置有与第三冷却流道33位置对应且连通第四冷却流道34，第三冷却流道33的容积大于第一冷却腔的容积。
本申请通过减小第一冷却腔的容积，减少第一冷却腔内冷却液的量，降低第一端部双极板2的冷却能力，进而减少通过第一冷却腔的冷却液带走的单体的热量，保证单体在适宜的温度下反应，防止单体出现过冷却的问题。
第一端部单极板22上设置有与第一冷却流道23位置对应的第一凸起24，第一凸起24凸出于第一端部单极板22的表面，第一凸起24能够伸入第一冷却流道23，减小第一冷却腔的容积。
本申请改变了用于冷却包括第一端部双极板2的单体的第一冷却腔的容积，增大了冷却液在第一端部双极板2的第一冷却腔内流动的阻力，减小了第一冷却腔内部冷却液的流量，降低第一端部双极板2的冷却能力，避免阳极板21出现氢饥饿，延长氢燃料电堆的衰减寿命，不会出现反极，从而降低避免由于长时间的反极产生热量的烧穿膜电极4导致单体失效的风险。
通过对包括第一端部双极板2的单体进行冷却现象的抑制，减少了阳极板21内液态水的含量，有效降低氢饥饿的可能。
本申请公开了三种用于降低第一端部双极板2的冷却能力的手段。
实施例一，保留阳极板21上的第一冷却流道23，减小第一冷却流道23沿垂直于阳极板21方向的截面积和/或沿平行于阳极板21方向的截面积；
实施例二，在阳极板21上设置第一凸起24，第一凸起24能够伸入第一冷却流道23内。
现有技术中，中间双极板3的第三冷却流道33的截面积大于第四冷却流道34的截面积，第一端部双极板的第一冷却流道23的截面积大于第二冷却流道53的截面积，同时第三冷却流道33的截面积等于第一冷却流道23的截面积，第四冷却流道34的截面积等于第二冷却流道53的截面积。
氢燃料电池电堆还包括第二端部双极板5和第二端板6，第二端部双极板5位于第二端板6和膜电极4之间，第二端部双极板5包括阴极板51和第二端部单极板52，阴极板51相对于第二端部单极板52靠近第一单极板31，阴极板51与膜电极4贴合，
阴极板51与第二端部单极板52贴合的一侧设置有第二冷却流道53，第二冷却流道53和第二端部单极板52与阴极板51贴合的一侧构成第二冷却腔，第二冷却腔的容积大于第四冷却流道34的容积。
本申请改变了用于冷却包括第二端部双极板5的单体的第二冷却腔的截面积，减小了冷却液在第二端部双极板5的第二冷却腔内的流动阻力，增加了第二冷却腔内的冷却液的量，增强了第二端部双极板5的冷却能力，增加了冷却液带走的单体的热量，以增强对单体的冷却效果，避免靠近第二端板6的单体出现过热的问题。
通过对单体过热的现象进行抑制，可以避免质子交换膜湿度低于设计值，避免因为湿度过低加速膜电极4的衰减；同时减缓氢燃料电池电堆的密封件的老化。
在本申请的一些实施例中，在第二端部单极板52上开设于第二冷却流道53位置对应且连通的第五冷却流道54，第五冷却流道与第二冷却流道53构成第二冷却腔。
本申请通过在第二端部单极板52上开设第五冷却流道以达到增加第二冷却腔容积的目的；
第五冷却流道的容积由冷却需求进行确定，在此不做具体限定。
本申请还可以通过增加第二冷却流道53的容积来达到增大第二冷却腔容积的目的。增大第二冷却流道53的容积的具体操作时增大第二冷却流道53沿平行于阴极板51方向的截面积，和/或，增大第二冷却流道53沿垂直于阴极板51方向的截面积。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，包括步骤1）减小氢燃料电池电堆靠近第一端板（1）的第一端部双极板（2）的第一冷却腔的容积，以防止靠近所述第一端板（1）的单体出现过冷却的问题，
其中，所述第一端部双极板（2）包括与膜电极贴合的阳极板（21）和与所述第一端板（1）贴合的第一端部单极板（22），所述阳极板（21）与所述第一端部单极板（22）贴合的一侧设置有第一冷却流道（23），所述第一冷却流道（23）和所述第一端部单极板（22）与所述阳极板（21）贴合的一侧构成所述第一冷却腔。
2.根据权利要求1所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，减小所述第一冷却流道（23）沿垂直于所述阳极板（21）方向的第一截面积和/或沿平行于所述阳极板（21）方向的第二截面积。
3.根据权利要求1所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，在所述第一端部单极板（22）与所述阳极板（21）贴合的一侧设置能够伸入所述第一冷却流道（23）的第一凸起（24）；
和/或，
所述步骤1）中减小所述第一冷却腔的容积的方法具体为，所述第一冷却流道（23）的内壁设置有第二凸起。
4.根据权利要求1所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，还包括步骤2）增大所述氢燃料电池电堆靠近第二端板（6）的第二端部双极板（5）的第二冷却腔的容积，以防止所述氢燃料电池电堆的靠近所述第二端板（6）的单体出现过热的问题，
其中，所述第二端部双极板（5）包括与膜电极贴合的阴极板（51）和与所述第二端板（6）贴合的第二端部单极板（52），所述第二端板（6）和所述第一端板（1）相对，所述阴极板（51）与所述第二端部单极板（52）贴合的一侧设置有第二冷却流道（53），所述第二冷却流道（53）和所述第二端部单极板（52）与所述阴极板（51）贴合的一侧构成所述第二冷却腔。
5.根据权利要求4所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，所述步骤2）中增大所述第二冷却腔的容积的方法具体为，
增大所述第二冷却流道（53）沿垂直于所述阴极板（51）的方向的第三截面积和/或第二冷却流道（53）沿平行于所述阴极板（51）方向的第四截面积。
6.根据权利要求4所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，其特征在于，所述步骤2）中增大所述第二冷却腔的容积的方法具体为，在所述第二端部单极板（52）上开设与所述第二冷却流道（53）位置对应且连通的第五冷却流道（54）。
7.一种氢燃料电池电堆，其特征在于，适用于权利要求1-6中任一项所述的解决氢燃料电池电堆的端部单体寿命快速衰减的方法，
所述氢燃料电池电堆包括第一端板（1）、第一端部双极板（2）、中间双极板（3）和膜电极（4），
所述第一端部双极板（2）位于所述第一端板（1）和所述膜电极（4）之间，所述第一端部双极板（2）包括阳极板（21）和第一端部单极板（22），所述阳极板（21）与所述膜电极（4）贴合，所述阳极板（21）与所述第一端部单极板（22）贴合的一侧设置有所述第一冷却流道（23），所述第一冷却流道（23）和所述第一端部单极板（22）与所述阳极板（21）贴合的一侧构成第一冷却腔；
所述中间双极板（3）包括第一单极板（31）和第二单极板（32），所述第二单极板（32）相对于所述第一单极板（31）靠近所述阳极板（21），所述第一单极板（31）与所述第二单极板（32）贴合的一侧设置有第三冷却流道（33），所述第二单极板（32）与所述第一单极板（31）贴合的一侧设置有与所述第三冷却流道（33）位置对应且连通第四冷却流道（34），所述第三冷却流道（33）的容积大于所述第一冷却腔的容积。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池电堆，其特征在于， 所述第一端部单极板（22）上设置有与所述第一冷却流道（23）位置对应的第一凸起（24），所述第一凸起（24）凸出于所述第一端部单极板（22）的表面，所述第一凸起（24）能够伸入所述第一冷却流道（23）。
9.根据权利要求7所述的氢燃料电池电堆，其特征在于，还包括第二端部双极板（5）和第二端板（6），
所述第二端部双极板（5）位于所述第二端板（6）和所述膜电极（4）之间，所述第二端部双极板（5）包括阴极板（51）和第二端部单极板（52），所述阴极板（51）相对于所述第二端部单极板（52）靠近所述第一单极板（31），所述阴极板（51）与所述膜电极（4）贴合，所述阴极板（51）与所述第二端部单极板（52）贴合的一侧设置有第二冷却流道（53），所述第二冷却流道（53）和所述第二端部单极板（52）与所述阴极板（51）贴合的一侧构成第二冷却腔，所述第二冷却腔的容积大于所述第四冷却流道（34）的容积。
10.根据权利要求9所述的氢燃料电池电堆，其特征在于，所述第二端部单极板（52）上开设有与所述第二冷却流道（53）位置对应且连通的第五冷却流道（54），所述第五冷却流道（54）与所述第二冷却流道（53）构成所述第二冷却腔。
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