CN116454342A - 一种燃料电池介质串并联电堆结构 - Google Patents

一种燃料电池介质串并联电堆结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池介质串并联电堆结构，所述电堆结构按照前端板、前绝缘板、前集流板、第一组电芯、第一个假电池组、第二组电芯、第二个假电池组、……、第m+1组电芯、后集流板、后绝缘板、后端板的顺序叠片形成；每个假电池组中均设置有隔档部，假电池组的隔档部位置按照气体流动方向交错设置，用于阻挡并改变氧化剂的气体流动方向，并将反应生成的水以及氧化剂中携带的水汇聚后排出。m+1组电芯的单电池数量沿气体入口到出口的方向依次递减。本发明将传统并联供气的方式依据气体消耗规律形成梯度分组串联供气，提高了气体分配均匀性和流动速度，提高了电堆排水能力，降低了燃料电池计量比需求，降低了辅助功耗。

Description

一种燃料电池介质串并联电堆结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池介质串并联电堆结构。
背景技术
燃料电池是一种将氧化剂和氢燃料通过电化学反应进行发电的装置，发电过程无运动部件，无噪音，产物为水，具有绿色环保、发电效率高的优势，在能源动力各领域有广泛的应用前景。随着对燃料电池功率需求的不断提高，燃料电池电堆的单体数量、反应面积、电流密度不断增加，实际应用中遇到两方面的难题。一是反应生成水量增多，排水速率慢导致反应界面水淹，阻止反应进一步进行，出现电压波动甚至反极。二是单体数量增多导致单体之间介质分配均匀性变差，单体电压一致性差，降低电堆综合效率和输出功率。
针对水淹问题，传统方法为优化单电池流场结构设计，采用蛇形流场减小气体流通面积，提高气体流速，或采用变截面流道设计，提高流道出口端的气体流速。但由于单电池分配的气体流量有限，在单电池层面上的流道设计优化，对气体速度的提升效果有限，且导致流阻增加、流道结构复杂，加工难度大等问题。针对电堆单体一致性差的问题，传统方式为在电堆末端增加假电池，使气体分配不均匀的末端若干单体不参与发电，但本质上未解决气体分配一致性问题，或在燃料电池电堆公共流道内设置楔形结构，使公共流道截面积梯度变化，改善单体间气体分布的均一性，但改方法造成电堆结构复杂、楔形结构对不同单电池数量的电堆匹配性差等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种燃料电池介质串并联电堆结构，提高了气体流速均匀性与燃料电池单电池电压一致性，解决反应界面水淹问题。
本发明解决技术的方案是：一种燃料电池介质串并联电堆结构，包括前端板、前绝缘板、前集流板、m+1组电芯、m个假电池组、后集流板、后绝缘板、后端板；
所述电堆结构采用分组隔档方式，按照前端板、前绝缘板、前集流板、第1组电芯、第1个假电池组、…、第i组电芯、第i个假电池组、…、第m组电芯、第m个假电池组、第m+1组电芯、后集流板、后绝缘板、后端板的顺序叠片形成；其中，电堆结构的各组成部分均设有阴极气体入口通孔，所有阴极气体入口通孔贯通，形成阴极进气公共流道；电堆结构的各组成部分均设有阴极气体出口通孔，所有阴极气体出口通孔贯通，形成阴极出气公共流道，同时，电堆结构的各组成部分均设有连通阴极气体入口通孔与阴极气体出口通孔的内部流道；1<i<m；
每个假电池组中均设置有隔档部，单数个假电池组在阴极进气公共流道对应的通孔处设置有隔档部，双数个假电池组在阴极出气公共流道对应的通孔处设置有隔档部；隔档部用于阻挡并改变氧化剂的气体流动方向，并将反应生成的水以及氧化剂中携带的水汇聚后再流经阴极进气公共流道和阴极出气公共流道排出。
进一步的，所述m+1组电芯均由多个单电池叠片形成，每个单电池按照阴极板、膜电极、阳极板的顺序叠片形成，相邻两个单电池的阴极板和阳极板组成双极板，形成双极板—膜电极重复单元。
进一步的，m+1组电芯的单电池数量沿气体入口到出口的方向递减。
进一步的，m+1组电芯的单电池数量的递减符合与气体消耗规律相匹配的流通截面积递减规律。
进一步的，所述假电池按照阴极板、假电极、阳极板的顺序叠片形成，所述假电极形状轮廓与膜电极相同，仅用于阻气和导电。
进一步的，所述隔档部设置在每个假电池组中间位置处的假电池上。
进一步的，在阴极进气公共流道对应的通孔处设置的隔档部位于假电极或假电池的阳极板上。
进一步的，在阴极出气公共流道对应的通孔处设置的隔档部位于假电极或假电池的阳极板上。
进一步的，每个假电池组的假电池数量选取方式为：进行发电测试，设置隔档部后反应生成的液态水汇集，将受液态水影响造成电压波动超过预设阈值的单电池替换为假电池，假电池数量确定为隔档部设置后受液态水积累造成电压波动超过预设阈值的单电池数量的最小值。
进一步的，电堆结构的各组成部分均设有阳极气体入口通孔，所有阳极气体入口通孔贯通，形成阳极进气公共流道；电堆结构的各组成部分均设有阳极气体出口通孔，所有阳极气体出口通孔贯通，形成阳极出气公共流道，同时，电堆结构的各组成部分均设有连通阳极气体入口通孔与阳极气体出口通孔的内部流道；
每个假电池组中均设置有隔档部，单数个假电池组在阳极进气公共流道对应的通孔处设置有隔档部，双数个假电池组在阳极出气公共流道对应的通孔处设置有隔档部。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明将燃料电池电堆进出气公共流道并联向n个单电池供气的方式改为m+1组电芯串联供气，成倍提高电芯内单电池流道的气体流速，显著提高液态水吹除效果，使燃料电池具有高排水效率。
(2)本发明将并联供气改为梯度分组串联供气，显著减少并联供气单电池数量，提高了电堆单电池的一致性。解决了现有技术中上百个单电池并联供气组成的电堆气体分配一致性差、在电堆末端气体流量低的问题。
(3)本发明所述电堆结构适用于传统燃料电池双极板结构，无需对双极板结构进行改造。对于金属冲压双极板来说，双极板结构的修改涉及到昂贵的模具费用，本发明基于原有双极板结构采用新型叠片方式即可完成改造，仅需增加低成本的假电池，并对电堆辅助部件进行少量结构修改，因此改造升级成本低。
(4)本发明可针对不同介质和燃料电池类型设计分组串联单电池数量的梯度，匹配不同的燃料电池应用场景，如低温质子交换膜燃料电池主要考虑气体消耗和排水，高温质子交换膜燃料电池主要考虑气体消耗和水蒸气导致的气体分压变化；此外，燃料电池阴极和阳极气体可分别设计分组方式，在一个电堆内同时实现阴阳两极的介质均匀性分配调控，设计灵活性大。
(5)燃料电池系统包含气体循环泵或压缩机等功耗部件提供反应介质的过量供给，以保证电化学反应的充分进行。本发明通过采用电堆单电池梯度分组串联后，上游电芯过量介质可作为下游电芯的反应消耗，因末组电芯单电池数量远小于电堆总体单电池数量，因此末组电芯的过量气体相比整个电堆占比很小，可降低电堆表观计量比需求，从而降低了对循环泵或压缩机流量的需求，从能量转换率和经济效益方面均具有较高的系统效益。
附图说明
图1为本发明实施例1中燃料电池介质串并联电堆内部结构示意图；
图2为本发明实施例2中燃料电池介质串并联电堆内部结构示意图；
图3是本发明实施例一种燃料电池介质串并联电堆外形示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明所述一种燃料电池介质串并联电堆结构应用于低温质子交换膜燃料电池，如图1所示，所述燃料电池电堆由前端板1、前绝缘板2、前集流板3、n个单电池、m组假电池组、后集流板9、后绝缘板10、后端板11组成，n个单电池被m组假电池组分隔成m+1组电芯。如图3所示，前端板1设有阴极气体入口15、阳极气体入口17、冷却剂入口19、冷却剂出口20；后端板11设有阴极气体出口16、阳极气体出口18。各组成部分在阴极气体入口15对应位置处均设有通孔，位置重叠的通孔形成阴极进气公共流道21。各组成部分在阴极气体出口16对应位置处均设有通孔，位置重叠的通孔形成阴极出气公共流道22。
如图1，本实施例中m为2，燃料电池电堆结构按照前端板1-前绝缘板2-前集流板3-阳极板-第一组电芯12-第一组假电池组-第二组电芯13-第二组假电池组-第三组电芯14-阴极板-后集流板9-后绝缘板10-后端板11的顺序叠片形成。其中，每一组电芯由多个单电池串联组成，同一组电芯的单电池气体流动方向相同，形成并联气体流动方向。每个单电池由阴极板4-膜电极5-阳极板6叠片组成，相邻两个单电池的阴极板4和阳极板6可组成双极板，从而形成双极板-膜电极重复单元。阴极板4中具有阴极流道，用于氧化剂(空气或氧气)、液态水的流通，阳极板6中具有阳极流道，用于氢气的流通。第一组电芯12、第二组电芯13、第三组电芯14的单电池总数为n，且三组电芯的单电池数量沿气体入口到出口的方向依次递减。
每个假电池按照阴极板-假电极8-阳极板的形式组成，假电池的阴极板、阳极板均与单电池相同，所述假电极8形状轮廓与膜电极5相同，但并不是电化学反应发生的场所，只起到阻气和导电的作用。
在每个假电池组的任意一个假电池中设置隔档部，氧化剂被隔档部阻挡后改变流向，反应生成的水以及氧化剂中携带的水在假电池组的各个阴极流道中扩散并通过阴极进气公共流道21和阴极出气公共流道22排出，防止在单电池中出现反应界面水淹现象。隔档部优选设置在假电池组中间位置的假电池上，具体的，隔档部可以设置在假电极8上或者阴极板上。
此外，燃料电池阴极和阳极气体可分别设计分组方式，在一个电堆内同时实现阴阳两极的介质均匀性分配调控，设计灵活性大。
实施例1
如图1所示，在第一组假电池组的一个假电池中，假电极8在阴极进气公共流道21经过的位置处封堵，形成第一隔档部71；在第二组假电池组的一个假电池中，假电极8在阴极出气公共流道22经过的位置处封堵，形成第二隔档部72。隔档部的设置使燃料电池进出气公共通道形成m个封堵位置，氧化剂从阴极进气公共流道21通入，自左向右通过第一组电芯12的每一个单电池进行反应。剩余的氧化剂经过第一隔档部71后气体流动被阻挡并改变流向，从发生隔档前的假电池阴极流道流入阴极出气公共流道22，第二组电芯13的每个单电池从阴极出气公共流道22自右向左通入氧化剂后进行反应。剩余的氧化剂经过第二隔档部72后气体流动被阻挡并再次改变流向，从发生隔档前的假电池阴极流道流入阴极进气公共流道21，第三组电芯14的每个单电池从阴极进气公共流道21自左向右通入氧化剂后进行反应。按照此流动方式，直至最后反应剩余的氧化剂从阴极气体出口16排出。因此，隔档部将单电池的气体供给方向由n次并联改为m次串联，n个单电池分为m+1组电芯(电芯组内每个单电池的气体供给方向仍然为并联)。
燃料电池电堆单电池的性能均一性很大程度上取决于向每个单电池供气的流量分配一致性。传统燃料电池随着单电池数量的增多，从燃料电池公共流道并联(指的是气体流动方向)向单电池分配的气体流量均一性逐渐变差，越靠近公共流道末端的单电池分配的气体流量越小，则单电池性能越差。当采用本发明所述的电堆结构，对所有并联供气的单电池进行m次电芯间的串联供气，则并联供气的单电池数量平均(这里说平均是因为每组电芯的单电池数量可以是递减的，此处简化取平均值)缩短为1/m，显著减少了并联供气的单电池数量，提高了单电池气体流量分配的一致性。
此外，由于m组电芯之间的气体串联流动，增加了流道长度和压降。由于单电池压降的增加也有利于并联供气的单电池之间的气体分布一致性，因此每组电芯的一致性也得到了改善。
假电池的阴极流道还用于流通燃料电池反应生成的水以及氧化剂中携带的水。如图1所示，第一组电芯12反应生成的水以及氧化剂中携带的水被第一隔档部71阻挡并汇聚，通过第一隔档部71两侧的假电池阴极通道按照箭头方向扩散到阴极进气公共流道21以及阴极出气公共流道22。第一组电芯12反应生成的水、第二组电芯13反应生成的水以及氧化剂中携带的水被隔档部72阻挡并汇聚，通过第二隔档部72两侧的假电池阴极通道按照箭头方向扩散到阴极进气公共流道21以及阴极出气公共流道22。液态水在阴极进气公共流道21内继续流动，最终通过与集流板9相邻的阴极流道到达阴极出气公共流道22，从阴极气体出口16排出电堆。因此，本发明通过设置隔档部对液态水进行汇聚，并将水淹现象严重的单电池替换为假电池，从而解决了液态水淹没膜电极阻止反应进一步进行，出现电压波动甚至反极的问题。
提供一种假电池数量的选取原则：假电池的数量选取应根据燃料电池电堆总的单电池数量以及产水量确定，通过发电测试确认隔档位置附近受液态水影响产生较大电压波动的单电池数量，将其替换为假电池。同时，应避免过多设置假电池数量，以免造成不必要的额外气体流量，造成气体浪费或增加循环泵功耗。因此，假电池数量应确定为隔档部附近受液态水积累而显著影响电性能的单电池数量的最小值。
本实施例中的2个隔档部将单电池分为三组，分别是第一组电芯12、第二组电芯13和第三组电芯14，这三组电芯的气体介质为依次串联连通方式。本实施例中，第一组电芯12包含4个单电池，这4个单电池的气体介质由阴极进气公共流道21并联供给。同理其他组电芯内的单电池也为组内并联供气模式。从第一组电芯12到最后第三组电芯14，为了起到均衡电堆所有单电池流道气体流速的作用，电芯内的单电池数量逐渐减少，可采用与气体消耗规律相匹配的流通截面积递减规律，包括等差递减、等比递减等方式。
假设额定工况下单电池的气体消耗流量为1SLPM，从阴极气体入口15供应的氧气流量为8SLPM，则每组电芯的内单电池的气体流量和化学计量比如表1所示。可见通过单电池数量逐渐减少的梯度分组串连方式，达到了平衡电堆所有单电池化学计量比的效果，使电堆所有单电池都具有较高的化学计量比(本实施例中为2)，有利于提高电化学反应性能，提高水管理效率；同时，实现了非常低的电堆表观计量比(实施例中为1.14)，降低了对循环泵、压缩机等的流量需求，提高了燃料电池的系统效益。
表1燃料电池电堆表观与分组气体参数对比
实施例2
如图2所示，在第一组假电池组的一个假电池中，阳极板在阴极进气公共流道21经过的位置处封堵，形成第一隔档部71；在第二组假电池组的一个假电池中，阳极板在阴极出气公共流道22经过的位置处封堵，形成第二隔档部72。隔档部的设置使燃料电池进出气公共通道形成m个封堵位置，氧化剂从阴极进气公共流道21通入，自左向右通过第一组电芯12的每一个单电池进行反应。剩余的氧化剂经过第一隔档部71后气体流动被阻挡并改变流向，从发生隔档前的假电池阴极流道流入阴极出气公共流道22，第二组电芯13的每个单电池从阴极出气公共流道22自右向左通入氧化剂后进行反应。剩余的氧化剂经过第二隔档部72后气体流动被阻挡并再次改变流向，从发生隔档前的假电池阴极流道流入阴极进气公共流道21，第三组电芯14的每个单电池从阴极进气公共流道21自左向右通入氧化剂后进行反应。按照此流动方式，直至最后反应剩余的氧化剂从阴极气体出口16排出。因此，隔档部将单电池的气体供给方向由n次并联改为m次串联，n个单电池分为m+1组电芯(电芯组内每个单电池的气体供给方向仍然为并联)，改善了燃料电池单电池的电压一致性。
假电池的阴极流道还用于流通燃料电池反应生成的水以及氧化剂中携带的水。如图1所示，第一组电芯12反应生成的水以及氧化剂中携带的水被第一隔档部71阻挡并汇聚，通过第一隔档部71两侧的假电池阴极通道按照箭头方向扩散到阴极进气公共流道21以及阴极出气公共流道22。第一组电芯12反应生成的水、第二组电芯13反应生成的水以及氧化剂中携带的水被隔档部72阻挡并汇聚，通过第二隔档部72两侧的假电池阴极通道按照箭头方向扩散到阴极进气公共流道21以及阴极出气公共流道22。液态水在阴极进气公共流道21内继续流动，最终通过与集流板9相邻的阴极流道到达阴极出气公共流道22，从阴极气体出口16排出电堆。通过设置隔档部对液态水进行汇聚，并将水淹现象严重的单电池替换为假电池，从而解决了液态水淹没膜电极阻止反应进一步进行，出现电压波动甚至反极的问题。
提供一种假电池数量的选取原则：假电池的数量选取应根据燃料电池电堆总的单电池数量以及产水量确定，通过发电测试确认隔档位置附近受液态水影响产生较大电压波动的单电池数量，将其替换为假电池。同时，应避免过多设置假电池数量，以免造成不必要的额外气体流量，造成气体浪费或增加循环泵功耗。因此，假电池数量应确定为隔档部附近受液态水积累而显著影响电性能的单电池数量的最小值。
本实施例中的2个隔档部将单电池分为三组，分别是第一组电芯12、第二组电芯13和第三组电芯14，这三组电芯的气体介质为依次串联连通方式。本实施例中，第一组电芯12包含4个单电池，这4个单电池的气体介质由阴极进气公共流道21并联供给。同理其他组电芯内的单电池也为组内并联供气模式。从第一组电芯12到最后第三组电芯14，为了起到均衡电堆所有单电池流道气体流速的作用，电芯内的单电池数量逐渐减少，可采用与气体消耗规律相匹配的流通截面积递减规律，包括等差递减、等比递减等方式。
假设额定工况下单电池的气体消耗流量为1SLPM，从阴极气体入口15供应的氧气流量为8SLPM，则每组电芯的内单电池的气体流量和化学计量比如表2所示。可见通过单电池数量逐渐减少的梯度分组串连方式，达到了平衡电堆所有单电池化学计量比的效果，使电堆所有单电池都具有较高的化学计量比(本实施例中为2)，有利于提高电化学反应性能，提高水管理效率；同时，实现了非常低的电堆表观计量比(实施例中为1.14)，降低了对循环泵、压缩机等的流量需求，提高了燃料电池的系统效益。
表2燃料电池电堆表观与分组气体参数对比
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，包括前端板、前绝缘板、前集流板、m+1组电芯、m个假电池组、后集流板、后绝缘板、后端板；
所述电堆结构采用分组隔档方式，按照前端板、前绝缘板、前集流板、第1组电芯、第1个假电池组、…、第i组电芯、第i个假电池组、…、第m组电芯、第m个假电池组、第m+1组电芯、后集流板、后绝缘板、后端板的顺序叠片形成；其中，电堆结构的各组成部分均设有阴极气体入口通孔，所有阴极气体入口通孔贯通，形成阴极进气公共流道(21)；电堆结构的各组成部分均设有阴极气体出口通孔，所有阴极气体出口通孔贯通，形成阴极出气公共流道(22)，同时，电堆结构的各组成部分均设有连通阴极气体入口通孔与阴极气体出口通孔的内部流道；1<i<m；
每个假电池组中均设置有隔档部，单数个假电池组在阴极进气公共流道(21)对应的通孔处设置有隔档部，双数个假电池组在阴极出气公共流道(22)对应的通孔处设置有隔档部；隔档部用于阻挡并改变氧化剂的气体流动方向，并将反应生成的水以及氧化剂中携带的水汇聚后再流经阴极进气公共流道(21)和阴极出气公共流道(22)排出。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，所述m+1组电芯均由多个单电池叠片形成，每个单电池按照阴极板、膜电极、阳极板的顺序叠片形成，相邻两个单电池的阴极板和阳极板组成双极板，形成双极板—膜电极重复单元。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，m+1组电芯的单电池数量沿气体入口到出口的方向递减。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，m+1组电芯的单电池数量的递减符合与气体消耗规律相匹配的流通截面积递减规律。
5.根据权利要求2所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，所述假电池按照阴极板、假电极、阳极板的顺序叠片形成，所述假电极形状轮廓与膜电极相同，仅用于阻气和导电。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，所述隔档部设置在每个假电池组中间位置处的假电池上。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，在阴极进气公共流道(21)对应的通孔处设置的隔档部位于假电极或假电池的阳极板上。
8.根据权利要求5所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，在阴极出气公共流道(22)对应的通孔处设置的隔档部位于假电极或假电池的阳极板上。
9.根据权利要求5所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，每个假电池组的假电池数量选取方式为：进行发电测试，设置隔档部后反应生成的液态水汇集，将受液态水影响造成电压波动超过预设阈值的单电池替换为假电池，假电池数量确定为隔档部设置后受液态水积累造成电压波动超过预设阈值的单电池数量的最小值。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池介质串并联电堆结构，其特征在于，电堆结构的各组成部分均设有阳极气体入口通孔，所有阳极气体入口通孔贯通，形成阳极进气公共流道；电堆结构的各组成部分均设有阳极气体出口通孔，所有阳极气体出口通孔贯通，形成阳极出气公共流道，同时，电堆结构的各组成部分均设有连通阳极气体入口通孔与阳极气体出口通孔的内部流道；
每个假电池组中均设置有隔档部，单数个假电池组在阳极进气公共流道对应的通孔处设置有隔档部，双数个假电池组在阳极出气公共流道对应的通孔处设置有隔档部。
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