CN116266633A - 一种用于燃料电池电堆的进气组件及燃料电池电堆和散热方法 - Google Patents

一种用于燃料电池电堆的进气组件及燃料电池电堆和散热方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于燃料电池电堆的进气组件及燃料电池电堆和散热方法；所述进气组件包括流场板和集流板；所述流场板相对的两个侧面分别为具有流路的侧面I和具有流路的侧面II；所述集流板包括第一集流板和第二集流板，所述第一集流板与侧面I配合，形成流道I；所述第二集流板与侧面II配合形成流道II；本申请的进气组件可保证电堆温度的一致性，同时双泵进料的结构设计能够减轻气泵的工作压力，对气泵的选型以及电堆内每片MEA上物料的平均分配均能够产生积极作用。同时实现风冷高温燃料电池电堆中间双泵单独进料、单独排出阴极空气的功能。

Description

一种用于燃料电池电堆的进气组件及燃料电池电堆和散热 方法
技术领域
本申请涉及一种用于燃料电池电堆的进气组件及燃料电池电堆和散热方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
随着燃料电池行业的发展，燃料电池系统的需求量急剧上升。高比功率的燃料电池系统广泛应用于替代油机发电的固定及可移动发电站、车载电源及单兵作战便携式电源等生活生产中的各个方面。燃料电池发电系统具有污染小、燃料价格低廉、低噪音、高比功率等优点，相比于汽柴油发电设备，燃料电池工作温度一般低于200℃，对环境及操作人员均非常安全，在军用设备上，由于工作温度低噪音小、热辐射远远小于汽柴油等发电设备，因此可为对隐身要求较高的军用设备供电。
高比功率燃料电池系统中核心问题为开发具有高比功率、高一致性、长寿命的燃料电池电堆，电堆的可靠性与一致性是决定电堆寿命的关键因素。电堆是整个燃料电池系统的核心部件，电堆的可靠性直接决定燃料电池系统的可靠性。高温燃料电池电堆反应温度区间在160℃～180℃之间，电堆工作温度的稳定直接影响电堆的一致性和可靠性从而间接影响电堆的寿命。电堆工作过程中自身会产生热量，若不将电堆工作产生的热量及时输送出电堆，随着反应时间的加长，电堆工作温度将会飞温超过正常工作的温度范围，因此高温燃料电池电堆需要通过一种冷却剂将电堆工作过程中产生的废热输送出电堆以外加以利用。风冷电堆以其独特的风冷散热形式，以空气作为阴极物料的同时，更以阴极空气作为电堆热量向外输送的冷却剂。风冷电堆由于冷却剂易获得且冷却剂对电堆的密封性要求低，因此风冷高温燃料电池电堆结构简单、成本低且相比其他冷却剂散热形式的电堆如导热油作为冷却剂的电堆更加可靠。
风冷高温燃料电池电堆优点突出，但空气作为冷却剂也具有一定的局限性。空气相比于导热油等液态冷却剂，空气热容较低，相同流量条件下所能输送的热量低。因此随着风冷高温燃料电池电堆的功率等级的不断提升就需要更大流量的空气作为冷却剂将电堆产生的更多的热量输送出电堆。因此随着风冷高温燃料电池电堆功率等级的提升，对单泵形式的电堆中气泵的要求就越来越高，气泵不仅要有更大的流量，同时随着电堆长度的增加，对电堆气泵的压头也有更高的要求。现有的风冷高温燃料电池电堆阴极进气方式比较单一，均为电堆端板一端以气泵或者空压机为提供阴极气源的设备，随着电堆长度的增加，一端进气的结构使电堆靠近气泵进口一端的MEA上的空气流量大于电堆尾端的空气流量，此种结构造成整个电堆长度方向上的MEA温度不均匀因此在同等反应条件下，MEA的性能会出现较大差别即造成了电堆性能一致性差等问题。
发明内容
基于对现有风冷高温燃料电池结构的分析与改进，发明了一种风冷高温燃料电池电堆阴极中间进料的双泵结构电堆。电堆结构包括两块结构不同的阴、阳极端板，一块电堆阴极进料板，阴、阳极集流板，两块中间集流板分别命名为中间集流板A和中间集流板B，中间板阴极进气管，阴极进气罩板和阴极左电堆排气罩板A、B，阴极右电堆排气罩板A、B，两块电堆绝缘板，6根弹簧和6根螺杆。
本申请的一个方面，提供一种用于燃料电池电堆的进气组件，所述进气组件包括流场板和集流板；
所述流场板相对的两个侧面分别为具有流路的侧面I和具有流路的侧面II；
所述集流板包括第一集流板和第二集流板，所述第一集流板与侧面I配合，形成流道I；所述第二集流板与侧面II配合形成流道II；
所述流场板具有A端和B端；
所述流道I由A端流向B端；
所述流道II由A端流向B端；
在与侧面I平行的截面I上，所述第一气体流道和第二气体流道的投影关于截面I对角线交点呈中心对称；
所述流场板设有进气端口和出气端口；
所述进气端口位于侧面I的A端，包括进气口I和进气口II；所述进气口I与进气口II沿所述侧面I的由A端至B端的中轴线对称设置；
所述出气端口，包括分别位于侧面I的B端的出气口I和位于侧面II的B端的出气口II；
所述进气口I、流道I、出气口I依次连通；
所述进气口II、流道II、出气口II依次连通；
第一集流板设有气体入口I，所述气体入口I与出气口I连通；
第二集流板设有气体入口II，所述气体出口II与出气口II连通。
可选地，所述流道I和流道II均为蛇形流道。
可选地，所述用于燃料电池电堆的进气组件还包括具有一定长度的用于导引气流的引流单元I；
所述引流单元I的长度方向分别为自由端I和自由端II；
所述引流单元I固定于所述流场板的B端，所述自由端I用于导引出气口I流出的气体流向背离侧面II的方向；所述自由端II用于导引出气口II流出的气体流向背离侧面I的方向。
所述引流单元I集成在电堆阴极进气口(进气口I和进气口II)相反一侧作为阴极空气进入电堆后的空气流道，使阴极空气受阴极空气罩的限制作用流经石墨板上的阴极流道。
可选地，所述流场板的材料为7075铝合金材质。
可选地，所述侧面I的A端沿侧面I向侧面II的方向设有通孔。
本申请的另一个方面，提供一种燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括进气组件、限位单元和若干个单电池；
所述限位单元包括限位单元I和限位单元II；
将所述限位单元I、由所述单电池组成的电池组I、进气组件、由所述单电池组成的电池组II、限位单元II依次组装，构成所述燃料电池电堆；
所述引流单元I的自由端I与限位单元I密封连接；所述引流单元I的自由端II与与限位单元II密封连接；
所述进气组件选自上述的用于燃料电池电堆的进气组件。
可选地，所述限位单元I和限位单元II分别为阴极限位模块和阳极限位模块，
所述进气组件、限位单元、电池组I、电池组II紧固连接。
可选地，电池组I与电池组II中的单电池的数量相同。
可选地，所述燃料电池电堆包括四个具有一定长度的用于导引气流的引流板；所述引流板的长度方向的两端分别为固定端和自由端；
所述引流板分别为引流板a、引流板b、引流板c、引流板d；
所述引流板a、引流板b、引流板c、引流板d的固定端分别固定于流场板的A端a区、b区、c区、d区；
所述a区与c区由流场板的B端至A端的方向排列，分列于所述通孔的两侧；
所述b区与d区由流场板的B端至A端的方向排列；分列于所述通孔的两侧；
所述引流板a具有若干通孔；引流板a的自由端固定于限位单元I；
所述引流板b的自由端固定于限位单元II；
所述引流板c的自由端固定于限位单元I；
所述引流板d的自由端固定于限位单元II。
可选地，所述限位单元II设有排气孔I和排气孔II，用于排出引流板b、引流板d导引的气流。
可选地，所述每个单电池包括石墨板和膜电极组件。
可选地，所述阴极限位模块包括由外至内依次紧固连接的电堆阴极端板、PEEK绝缘板、阴极集流板；
所述阳极限位模块包括由外至内依次紧固连接的电堆阳极端板、PEEK绝缘板和阳极集流板。
可选地，通过6根碳钢螺杆穿过电堆阴极进料板将电堆阴阳极端板与电堆阴极进料板之间的石墨板和膜电极组件(MEA)夹紧构成一个完成的风冷高温燃料电池电堆。
可选地，所述电堆阴极端板的材料为铝合金7075材质；
所述电堆阳极端板的材料为铝合金7075材质。
所述电堆阴极端板、电堆阳极端板作为整个电堆两端的固定板，采用铝合金7075材质，在电堆阴极端板外设置6根金属弹簧用来抵消电堆工作过程中热胀冷缩带来的电堆长度的变化，从而使电堆满足密封性的要求。
可选地，所述PEEK绝缘板上设有通孔，作为阳极气体的流道。
可选地，所述燃料电池电堆还包括气泵I和气泵II；
所述气泵I与所述进气口I经管路连通；
所述气泵II与所述进气口II经管路连通。
作为一种具体实施方式，电堆阴极中间板同样采用7075铝合金材质，阴极进料中间板两面均有阴极空气流道，每面阴极空气流道对应一个气泵，两个气泵对应两侧的阴极空气流道分别负责左、右两个电堆的阴极进料。
本申请的再一个方面，提供一种燃料电池电堆的散热方法，所述方法包括上述的用于燃料电池电堆的进气组件或上述的燃料电池电堆。
可选地，具体方法包括：空气分别经进气组件的进气口I和进气口II进入流道I、流道II，进入流道I的空气经由出气口I、气体入口I以及引流单元I导引流入电池组I；进入流道II的空气经由出气口II、气体出口II以及引流单元II导引流入电池组II；
进入电池组I的空气经由引流板a、引流板c通孔导引流入引流板d，通过限位单元II的排气孔II排出；
进入电池组II的空气经由引流板b导引，通过限位单元II的排气孔I排出。
本申请能产生的有益效果包括：
本申请所提供的燃料电池电堆，电堆阴极采用中间进料的结构，解决了电堆工作过程中，电堆中间部位由于热量集中的原因导致电堆中间温度高于两端温度的问题，有助于保证电堆温度的一致性。同时双泵进料的结构设计能够减轻气泵的工作压力，对气泵的选型以及电堆内每片MEA上物料的平均分配均能够产生积极作用。同时实现风冷高温燃料电池电堆中间双泵单独进料、单独排出阴极空气的功能。
附图说明
图1为本申请实施例2中双泵中间进料燃料电池电堆；
图2为本申请实施例2中双泵中间进料燃料电池电堆的爆炸图；
图3为本申请实施例1中的电堆阴极进料板；其中a图为侧面I，b图为侧面II；
图4为本申请实施例1中的集流板；
图5为本申请实施例1中的电堆阴极进气罩板；
图6为本申请实施例1中的阴极左、右电堆排气罩板B；
图7为本申请实施例1中的阴极左、右电堆进气罩板A；其中，a为阴极右电堆进气罩板A；b图为阴极左电堆进气罩板A；
图8为本申请实施例2中的电堆阳极端板；
图9为本申请实施例2中的电堆阳极集流板；
图10为本申请实施例2中的电堆阴极端板；
图11为本申请实施例2中的电堆阴极集流板；
图12为本申请实施例2中的PEEK绝缘板；
图13为本申请实施例2中的阴极进气管；
图14为本申请实施例2中的螺杆；
图15为本申请实施例2中的弹簧。
其中：
1、电堆阴极进料板；2、集流板；3、电堆阴极进气罩板；4、阴极左、右排气罩板B；5、阴极左、右排气罩板A；6、电堆阳极集流板；7、PEEK绝缘板；8、电堆阳极端板；9、电堆阴极端板；10、电堆阴极集流板；11、阴极进气管；12、螺杆；13、弹簧。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
实施例1
本实施例提供一种具体的进气结构，包括如图3所示的电堆阴极进料板1、位于电堆阴极进料板左右两个侧面的图4所示的集流板2、图5所示的电堆阴极进气罩板3。
电堆阴极进料板1两侧分别设有蛇形流道和出气口I、出气口II，电堆阴极进料板1的左侧面设有对称的进气口I和进气口II，进气口I和进气口II附近设有安装槽和通孔；电堆阴极进气罩板3位于出气口I、出气口II端，形成向两侧流通的流道。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池电堆(如图2所示)，包括实施例获得的进气结构。
将电堆阴极端板9、PEEK绝缘板7、电堆阴极集流板10、左电堆石墨板与MEA、集流板2、电堆阴极进料板1(即为流场板)、集流板2、右电堆石墨板与MEA、电堆阳极集流板6、PEEK绝缘板7和电堆阳极端板8通过6根碳钢螺杆12依次集成到一起。在电堆阴极端板9外安装6根弹簧13。6根碳钢螺杆穿过弹簧通过螺母将整个电堆紧固。
在阴极进料板1的左侧设计两个阴极空气进口，两个进口处分别安装两根铝管用于连接两个气泵，两根铝管作为阴极进气管11分别负责左右两个电堆的阴极物流及阴极空气冷却剂的输送。阴极进气罩板3(即为引流单元I)集成在电堆阴极进气口相反一侧作为阴极空气进入电堆后的空气流道，使阴极空气受阴极空气罩板3的限制作用流经石墨板上的阴极流道。
阴极空气通过左右电堆的石墨板阴极流道将左右电堆中MEA产生的热量带出，此时右侧电堆的阴极空气经过阴极右电堆排气罩板A(即为引流板b)排出电堆外。左侧电堆阴极空气经过阴极左电堆排气罩板A(即为引流板a)、阴极左电堆排气罩板B(即为引流板c)和阴极右电堆排气罩板B(即为引流板d)组成的流道排出电堆外。以此实现风冷高温燃料电池电堆中间双泵单独进料、单独排出阴极空气的功能。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池电堆的进气组件，其特征在于，
所述进气组件包括流场板和集流板；
所述流场板相对的两个侧面分别为具有流路的侧面I和具有流路的侧面II；
所述集流板包括第一集流板和第二集流板，所述第一集流板与侧面I配合，形成流道I；所述第二集流板与侧面II配合形成流道II；
所述流场板具有A端和B端；
所述流道I由A端流向B端；
所述流道II由A端流向B端；
在与侧面I平行的截面I上，所述第一气体流道和第二气体流道的投影关于截面I对角线交点呈中心对称；
所述流场板设有进气端口和出气端口；
所述进气端口位于侧面I的A端，包括进气口I和进气口II；所述进气口I与进气口II沿所述侧面I的由A端至B端的中轴线对称设置；
所述出气端口，包括分别位于侧面I的B端的出气口I和位于侧面II的B端的出气口II；
所述进气口I、流道I、出气口I依次连通；
所述进气口II、流道II、出气口II依次连通；
第一集流板设有气体入口I，所述气体入口I与出气口I连通；
第二集流板设有气体入口II，所述气体出口II与出气口II连通。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池电堆的进气组件，其特征在于，
所述流道I和流道II均为蛇形流道；
优选地，所述用于燃料电池电堆的进气组件还包括具有一定长度的用于导引气流的引流单元I；
所述引流单元I的长度方向分别为自由端I和自由端II；
所述引流单元I固定于所述流场板的B端，所述自由端I用于导引出气口I流出的气体流向背离侧面II的方向；所述自由端II用于导引出气口II流出的气体流向背离侧面I的方向；
优选地，所述流场板的材料为7075铝合金材质。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池电堆的进气组件，其特征在于，所述侧面I的A端沿侧面I向侧面II的方向设有通孔。
4.一种燃料电池电堆，其特征在于，
所述燃料电池电堆包括进气组件、限位单元和若干个单电池；
所述限位单元包括限位单元I和限位单元II；
将所述限位单元I、由所述单电池组成的电池组I、进气组件、由所述单电池组成的电池组II、限位单元II依次组装，构成所述燃料电池电堆；
所述引流单元I的自由端I与限位单元I密封连接；所述引流单元I的自由端II与与限位单元II密封连接；
所述进气组件选自权利要求1～3任一项所述的用于燃料电池电堆的进气组件。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，
所述限位单元I和限位单元II分别为阴极限位模块和阳极限位模块，
所述进气组件、限位单元、电池组I、电池组II紧固连接；
优选地，电池组I与电池组II中的单电池的数量相同。
6.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，
所述燃料电池电堆包括四个具有一定长度的用于导引气流的引流板；所述引流板的长度方向的两端分别为固定端和自由端；
所述引流板分别为引流板a、引流板b、引流板c、引流板d；
所述引流板a、引流板b、引流板c、引流板d的固定端分别固定于流场板的A端a区、b区、c区、d区；
所述a区与c区由流场板的B端至A端的方向排列，分列于所述通孔的两侧；
所述b区与d区由流场板的B端至A端的方向排列；分列于所述通孔的两侧；
所述引流板a具有若干通孔；引流板a的自由端固定于限位单元I；
所述引流板b的自由端固定于限位单元II；
所述引流板c的自由端固定于限位单元I；
所述引流板d的自由端固定于限位单元II。
7.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，
所述限位单元II设有排气孔I和排气孔II，用于排出引流板b、引流板d导引的气流；
优选地，所述每个单电池包括石墨板和膜电极组件；
优选地，所述阴极限位模块包括由外至内依次紧固连接的电堆阴极端板、PEEK绝缘板、阴极集流板；
所述阳极限位模块包括由外至内依次紧固连接的电堆阳极端板、PEEK绝缘板和阳极集流板；
优选地，所述电堆阴极端板的材料为铝合金7075材质；
所述电堆阳极端板的材料为铝合金7075材质；
优选地，所述PEEK绝缘板上设有通孔，作为阳极气体的流道。
8.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，
所述燃料电池电堆还包括气泵I和气泵II；
所述气泵I与所述进气口I经管路连通；
所述气泵II与所述进气口II经管路连通。
9.一种燃料电池电堆的散热方法，其特征在于，所述方法包括权利要求1～3任一项所述的用于燃料电池电堆的进气组件或权利要求4～8任一项所述的燃料电池电堆。
10.根据权利要求9所述的散热方法，其特征在于，具体包括：空气分别经进气组件的进气口I和进气口II进入流道I、流道II，进入流道I的空气经由出气口I、气体入口I以及引流单元I导引流入电池组I；进入流道II的空气经由出气口II、气体出口II以及引流单元II导引流入电池组II；
进入电池组I的空气经由引流板a、引流板c通孔导引流入引流板d，通过限位单元II的排气孔II排出；
进入电池组II的空气经由引流板b导引，通过限位单元II的排气孔I排出。
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