CN115528269A - 燃料电池及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池及其控制方法。所述燃料电池具有一双极板，所述双极板具有至少一气体流道，所述气体流道具有：一高速流道和一低速流道，所述高速流道于靠近所述第一气口处具有一提高流速的缩径喉口。本发明通过在高速流道第一气口处增设缩径喉口，使流入气体流道内气体经由缩径喉口时被加速，提高了催化剂接触气体流量，从而提高了燃料电池的性能。再设置低速流道，并将低速流道的一端与高速流道的另一端于第二气口处一体联通连接，低速流道的另一端增设与高速流道联通的吸引道实现与高速流道的联通，以此实现了气体的循环利用，从而节省了外部循环装置，节省了燃料电池系统的空间并降低燃料电池的重量。

Description

燃料电池及其控制方法

技术领域

本发明属于新能源汽车电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池及其控制方法。

背景技术

燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置，将氢气和氧气的化学能连续不断地转换为电能。与传统电池最大不同之处是燃料电池是发电设备而不是储能设备。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种。

双极板在PEMFC中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热及为反应气体提供通道，均匀分布反应气体以及排水等作用，被称为燃料电池电堆的“骨架”，双极板合理的流道设计可以有效提高燃料电池的性能。

目前现有技术中双极板内的气体流道通常为一条蛇形连续流道，无法对气体进行提速，因此催化剂接触气体的流量较低，使得燃料电池的性能不佳。现有技术中燃料电池系统为了提高氢气利用率，在燃料电池外额外增加氢气循环装置。额外的氢气循环装置不仅占用了整个系统空间及系统质量增加，并且氢气循环装置使得电堆内湿度增加也需要一定的时间。这些都使得燃料电池的性能受到限制。如何提高氢气利用率又不额外增加空间及质量是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明针对现有技术中因催化剂接触气体的流量较低，使得燃料电池的性能不佳的技术问题，目的在于提供一种带有新气体流道的双极板的燃料电池。

本发明的燃料电池具有一双极板，所述双极板具有至少一气体流道，所述气体流道具有一高速流道，所述高速流道的一端具有一第一气口，另一端具有第二气口，所述高速流道于靠近所述第一气口处具有一提高流速的缩径喉口。本发明通过设置缩径喉口来提高气体流速，提高催化剂接触气体的流量，从而提高燃料电池的性能。

在一较佳的示例中，在所述气体流道还设具有一低速流道，所述低速流道的一端与所述高速流道的另一端于所述第二气口处一体联通连接，所述低速流道的另一端具有与所述高速流道联通的吸引道。本发明通过在双极板内增加一低速流道来使得氢气循环回至高速流道内进行再利用，从而提高氢气的利用率，又省去了电堆外额外的氢气循环装置，节省了整个燃料电池的空间并降低了燃料电池的质量。另外由于低速流道也是设置在双极板的内部，使得湿度的增加也更加迅速，从而在更短时间内满足电堆内湿度需求，进一步提高燃料电池的性能。

较佳的是，所述至少一气体流道为N个互不联通的气体流道，N为≥2的整数。

较佳的是，当所述第一气口为进气口时，所述第二气口为出气口；当所述第二气口为进气口时，所述第一气口为出气口。

较佳的是，所述双极板具有：

第一进气道和第一出气道，所述第一进气道于第一端和第二端之间具有第一进气电磁阀，所述第一出气道于第一端和第二端之间具有第一出气电磁阀；

第一总气道，所述第一总气道的第一端分别与所述第一进气道的第二端和第一出气道的第二端联通连接；

N个第一支气道，一端与所述第一总气道的第二端联通连接，另一端分别与对应的所述气体流道的第一气口联通连接；

N个第二支气道，一端分别与对应的所述气体流道的第二气口联通连接；

第二总气道，第一端与所述N个第二支气道的另一端联通连接；

第二进气道和第二出气道，所述第二进气道于第一端和第二端之间具有第二进气电磁阀，所述第二出气道于第一端和第二端之间具有第二出气电磁阀；所述第二进气道的第二端、所述第二出气道的第一端分别与所述第二总气道的第二端联通连接；

一总气道，所述第一进气道与所述第二进气道的第一端与所述总气道联通连接。

本发明的另一目的在于提供一种燃料电池的控制方法，包括如下正向流通步骤：

关闭第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，开启第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，气体由总气道、第一进气道、第一总气道、第一支气道流入气体流道，再由第二支气道、第二总气道及第二出气道流出。

本发明的再一目的在于提供一种燃料电池的控制方法，包括如下反向流通步骤：

关闭第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，开启第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，气体由总气道、第二进气道、第二总气道、第二支气道流入气体流道，再由第一支气道、第一总气道及第一出气道流出。

本发明的还一目的在于提供一种燃料电池的控制方法，包括步骤如下：

正向流通步骤，关闭第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，开启第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，气体由总气道、第一进气道、第一总气道、第一支气道流入气体流道，再由第二支气道、第二总气道及第二出气道流出；

反向流通步骤，关闭第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，开启第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，气体由总气道、第二进气道、第二总气道、第二支气道流入气体流道，再由第一支气道、第一总气道及第一出气道流出；

循环步骤，循环重复正向流通步骤和反向流通步骤若干次。

较佳的是，正向流通步骤中，所述气体由所述第一气口进入所述气体流道经所述缩径喉口增速后在所述高速流道内流至接近所述第二气口处，部分气体由所述第二气口流出，剩余气体由所述低速流道折返并经所述吸引道回流至所述高速流道；

较佳的是，反向流通步骤中，所述气体经由所述第二气口进入所述气体流道，部分气体经由所述高速流道从所述缩径喉口和第一气口流出，另一部分气体经由所述低速流道及吸引道与所述高速流道中的部分气体汇合从所述缩径喉口和第一气口流出。

较佳的是，所述控制方法为气体流向控制方法、湿度控制方法或吹扫控制方法。

本发明的积极进步效果在于：

1)本发明通过在高速流道第一气口处增设缩径喉口，使流入气体流道内气体经由缩径喉口时被加速，提高了催化剂接触气体流量，从而提高了燃料电池的性能。

2)本发明通过设置低速流道，并将低速流道的一端与高速流道的另一端于第二气口处一体联通连接，低速流道的另一端增设与高速流道联通的吸引道实现与高速流道的联通，以此实现了气体的循环利用，从而节省了外部循环装置，节省了燃料电池系统的空间并降低燃料电池的重量。

3)本发明通过在双极板内部设置循环用的低速流道，缩短了对电池堆的湿度需求的时间，更短时间内满足电堆内湿度需求，可以保证质子交换膜较高的反应速率，从而从而提高了燃料电池的性能。

4)本发明通过设置正向和反向循环流通的控制方法，对于吹扫控方法来讲，极大地提高了吹扫的效率，使得内部水分吹扫更佳彻底，不余留死角。对于湿度控制方法来说，也同样更加高效地提高了电池堆内部的湿度达到目标湿度的效率，电池堆内部湿度更佳均匀。

5)本发明提供了一种新的燃料电池的吹扫控制方法，也可以实现燃料电池系统冷静前的停机吹扫，可以做到避免停机后质子交换膜残余水分冻结而导致电堆性能下降或损坏。

附图说明

图1为本发明的燃料电池双极板气体流道10结构示意图；

图2为本发明的燃料电池双极板20结构示意图；

图3为燃料电池的气体流向控制方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

如图1所示，为本发明的燃料电池双极板20，电池双极板20可以只有一个气体流道10，当然也可以具有N个气体流道10，N为≥2的整数，N个气体流道间隔平行设置且互不连通。

如图2所示，气体流道10包括高速流道11、第一气口12、缩径喉口13、低速流道14、第二气口15、吸引道16。作为示例说明，燃料电池双极板气体流道10的高速流道11的一端具有第一气口12，另一端具有第二气口15，高速流道11于靠近第一气口12处具有可提高流速的缩径喉口13。缩径喉口13的设置可以提高燃料电池双极板气体流道10内气体的流速，以此提高催化剂接触气体流量，从而提高了燃料电池的性能。燃料电池双极板气体流道10的低速流道14的一端与高速流道11的另一端于第二气口15处一体联通连接，低速流道14的另一端具有吸引道16，吸引道16与高速流道11联通，气体流道10内高速流道11和低速流道14的联通，可以实现气体的循环利用。这种气体循环利用的结构在燃料电池双极板20内部实现，从而省去了燃料电池系统外部的气体循环装置，从而降低燃料电池系统的体积和重量。

继续如图2所示，在一种示例中，燃料电池双极板20中的气体流道10中气体流向，气体由第一气口12流入，第二气口15流出。在另一种示例中，燃料电池双极板气体流道10中气体流向，气体由第二气口15流入，第一气口12流出。

如图3所示，本发明的燃料电池双极板，包括第一进气道31A、第一出气道32A、第一进气电磁阀33A、第一出气电磁阀34A、第一总气道35A、和N条第一支气道36A。其中第一进气电磁阀33A位于第一进气道31A的第一端和第二端之间，从而可以实现开启和关闭第一进气道31A。第一出气电磁阀34A位于第一出气道32A的第一端和第二端之间，从而可以实现开启和关闭第一出气道32A。N条第一支气道36A的一端连接第一总气道35A，另一端连接燃料电池双极板气体流道10的第一气口12。第一总气道35A的第一端分别与第一进气道31A的第二端和第一出气道32A的第二端联通连接，以使得可以轮流借用第一总气道35A进行进气和出气。N条第一支气道36A另一端分别与对应的气体流道10的第一气口12联通连接，由此可分别对每个气体流道10输入气体或输出气体。

继续如图3所示，本发明的燃料电池双极板还包括N条第二支气道36B第二总气道35B、第二进气道31B、第二出气道32B、第二进气电磁阀33B、及第二出气电磁阀34B。N条第二支气道36B的一端连接第二总气道35B，另一端连接燃料电池双极板气体流道10的第二气口15。第二进气道31B于第一端和第二端之间具有第二进气电磁阀33B，从而可以实现开启和关闭第二进气道31B。第二出气道32B于第一端和第二端之间具有第二出气电磁阀34B，从而可以实现开启和关闭第二出气道32B。第二进气道31B的第二端、第二出气道32B的第一端分别与第二总气道35B的第二端联通连接。

继续如图3所示，本发明的燃料电池双极板还包括总气道37，第一进气道31A与第二进气道31B的第一端与总气道37联通连接，以提供气源。

本发明还提供一种燃料电池的控制方法，该控制方法可以是气体流向控制方法，也可以是燃料电池的湿度控制方法，还可以是吹扫控制方法。

在一种示例中，本发明的控制方法包含正向流通步骤，关闭第一出气电磁阀34A和第二进气电磁阀33B，开启第一进气电磁阀33A和第二出气电磁阀34B，气体由总气道37、第一进气道31A、第一总气道35A、第一支气道36A流入燃料电池双极板气体流道10，气体由第一气口12进入燃料电池双极板气体流道10经缩径喉口13增速后在高速流道11内流至接近第二气15口处，部分气体由由第二气口15流出，再由第二支气道36B、第二总气道35B及第二出气道32B流出，流至接近第二气15口处的剩余气体由低速流道14折返并经吸引道16回流至高速流道11。

在另一种示例中，本发明的控制方法包含反向流通步骤，关闭第一进气电磁阀33A和第二出气电磁阀34B，开启第一出气电磁阀34A和第二进气电磁阀33B，气体由总气道37、第二进气道31B、第二总气道35B、第二支气道36B流入燃料电池双极板气体流道10，气体经由第二气口15进入燃料电池双极板气体流道10，部分气体经由高速流道11从缩径喉口13和第一气口12流出，另一部分气体经由低速流道14及吸引道16与高速流道11中的部分气体汇合从缩径喉口13和第一气口12流出，从第一气口12流出气体再由第一支气道36A、第一总气道35A及第一出气道32A流出。

在再一种示例中，本发明的控制方法包括正向流通步骤、反向流通步骤，而且还包括循环步骤，循环重复正向流通步骤和反向流通步骤若干次。

本发明的燃料电池的湿度控制方法，保证质子交换膜较高的反应速率，从而提高了燃料电池的性能。

燃料电池的吹扫控制方法可以实现燃料电池系统冷静前的停机吹扫，避免停机后质子交换膜残余水分冻结而导致电堆性能下降或损坏。

本发明提供的气体流向控制方法中，对流体进行维持一定的压强，以此可以保证进入气体流道10的气体顺利被加速。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有会各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种燃料电池，具有一双极板，所述双极板具有至少一气体流道，其特征在于所述气体流道具有：

一高速流道，所述高速流道的一端具有一第一气口，另一端具有第二气口，所述高速流道于靠近所述第一气口处具有一提高流速的缩径喉口。

2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于所述气体流道还具有：

一低速流道，所述低速流道的一端与所述高速流道的另一端于所述第二气口处一体联通连接，所述低速流道的另一端具有与所述高速流道联通的吸引道。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于所述至少一气体流道为N个互不联通的气体流道，N为≥2的整数。

4.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于

当所述第一气口为进气口时，所述第二气口为出气口；

当所述第二气口为进气口时，所述第一气口为出气口。

5.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于所述双极板具有：

第一进气道和第一出气道，所述第一进气道于第一端和第二端之间具有第一进气电磁阀，所述第一出气道于第一端和第二端之间具有第一出气电磁阀；

第一总气道，所述第一总气道的第一端分别与所述第一进气道的第二端和第一出气道的第二端联通连接；

N个第一支气道，一端与所述第一总气道的第二端联通连接，另一端分别与对应的所述气体流道的第一气口联通连接；

N个第二支气道，一端分别与对应的所述气体流道的第二气口联通连接；

第二总气道，第一端与所述N个第二支气道的另一端联通连接；

第二进气道和第二出气道，所述第二进气道于第一端和第二端之间具有第二进气电磁阀，所述第二出气道于第一端和第二端之间具有第二出气电磁阀；所述第二进气道的第二端、所述第二出气道的第一端分别与所述第二总气道的第二端联通连接；

一总气道，所述第一进气道与所述第二进气道的第一端与所述总气道联通连接。

6.一种如权利要求5所述的燃料电池的控制方法，其特征在于包括正向流通步骤：

关闭第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，开启第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，气体由总气道、第一进气道、第一总气道、第一支气道流入气体流道，再由第二支气道、第二总气道及第二出气道流出。

7.一种如权利要求5所述的燃料电池的控制方法，其特征在于包括反向流通步骤：

关闭第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，开启第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，气体由总气道、第二进气道、第二总气道、第二支气道流入气体流道，再由第一支气道、第一总气道及第一出气道流出。

8.一种如权利要求5所述的燃料电池的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

正向流通步骤，关闭第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，开启第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，气体由总气道、第一进气道、第一总气道、第一支气道流入气体流道，再由第二支气道、第二总气道及第二出气道流出；

反向流通步骤，关闭第一进气电磁阀和第二出气电磁阀，开启第一出气电磁阀和第二进气电磁阀，气体由总气道、第二进气道、第二总气道、第二支气道流入气体流道，再由第一支气道、第一总气道及第一出气道流出；

循环步骤，循环重复正向流通步骤和反向流通步骤若干次。

9.如权利要求6～8任一项所述的燃料电池的控制方法，其特征在于

正向流通步骤中，所述气体由所述第一气口进入所述气体流道经所述缩径喉口增速后在所述高速流道内流至接近所述第二气口处，部分气体由所述第二气口流出，剩余气体由所述低速流道折返并经所述吸引道回流至所述高速流道；

反向流通步骤中，所述气体经由所述第二气口进入所述气体流道，部分气体经由所述高速流道从所述缩径喉口和第一气口流出，另一部分气体经由所述低速流道及吸引道与所述高速流道中的部分气体汇合从所述缩径喉口和第一气口流出。

10.如权利要求6～8任一项所述的燃料电池的控制方法，其特征在于所述控制方法为气体流向控制方法、湿度控制方法或吹扫控制方法。

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