CN116565254A - 一种燃料电池 - Google Patents

Abstract

本申请具体涉及一种燃料电池，燃料电池包括堆叠设置的多个电池单体和进液歧管，每个电池单体的表面设有流场，所述换热流场包括多个换热流道，进液歧管包括：供液支管，用于向换热流场通入换热介质；排气支管，与供液支管平行设置；过滤结构，设置在供液支管的入口，用于过滤换热介质，以阻止换热介质中的气泡进入供液支管，并引导气泡进入排气支管。本申请技术方案利用过滤结构将换热介质中的气泡拦截并引入排气支管，使得进入供液支管的换热介质的气泡含量和气泡体积大大减小，利用供液支管向换热流场通入换热介质，从而避免换热流场中的换热流道堵塞，以免换热流道堵塞导致局部过热。

Description

一种燃料电池

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池。

背景技术

燃料电池一般由多个燃料电池单体堆叠而成，每个燃料电池单体中分别通入反应气体(如氢气或空气)以进行电化学反应并产生电流。电化学反应过程中将产生热量导致燃料电池的温度升高，影响燃料电池的性能和使用寿命。

为保持适宜的温度，一般会向相邻的两个燃料电池单体之间通入换热介质，以便通过热交换的方式降低燃料电池的温度。

每个燃料电池单体包括两个极板，每个极板面向燃料电池单体的内部的一面具有间隔设置的多条凹槽，这些凹槽作为供气体流动的气体流道。而在每个极板背离燃料电池单体的内部的一面，气体流道的对应位置为凸起，相邻的两个气体流道之间为凹槽，该凹槽可作为供换热介质流动的换热流道。

实际使用中，存在换热流道堵塞的现象，换热流道堵塞容易引起燃料电池单体局部过热，影响燃料电池的性能和寿命。如何避免换热流道堵塞，防止局部过热，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

经研究发现，换热介质中有时混合有气泡，气泡进入换热流道后容易堵塞换热流道。

本申请旨在提供一种燃料电池，旨在缓解换热流道被气泡堵塞的问题，以防止燃料电池局部过热。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种燃料电池，燃料电池包括堆叠设置的多个电池单体和进液歧管，每个电池单体的表面设有换热流场，所述换热流场包括多个换热流道，所述进液歧管包括：

供液支管，用于向所述换热流场通入换热介质；

排气支管，与所述供液支管平行设置；

过滤结构，设置在所述供液支管的入口，用于过滤换热介质，以阻止换热介质中的气泡进入所述供液支管，并引导气泡进入所述排气支管。

本申请提供的燃料电池，通过在进液歧管中设置供液支管、排气支管和过滤结构，利用过滤结构将换热介质中的气泡拦截并引入排气支管，使得进入供液支管的换热介质的气泡含量和气泡体积大大减小，利用供液支管向换热流场通入换热介质，从而避免换热流场中的换热流道堵塞，以免换热流道堵塞导致局部过热。

在本申请的一种实施例中，所述过滤结构设有引导面，所述引导面位于所述过滤结构面向所述换热介质的来向的一侧，所述引导面倾斜设置，以引导所述气泡进入所述排气支管。

在上述技术方案中，通过将引导面倾斜设置，液流对气泡的推力一部分转化为朝向排气支管的分力，起到较好的引导作用，有利于气泡快速、顺利进入排气支管，避免气泡集中在引导面造成堵塞。

在本申请的一种实施例中，所述引导面的倾斜角度范围为5°-45°。

在上述技术方案中，既能够使被拦截的气泡沿引导面逐渐向排气支管移动，又避免换热介质被引导面大量引导至排气支管，保证换热介质被主要引导至供液支管。另外，气泡进入排气支管的速度适中，既不会过慢造成供液支管的入口堵塞，还能在较大气泡被拦截并沿引导面进入排气支管的过程中，使后来的部分微小气泡与前方的较大气泡汇合，并在引导面的引导作用和液流的推动下，微小气泡随较大气泡一起进入排气支管，从而进一步减少供液支管中的气泡含量。

在本申请的一种实施例中，所述引导面与所述排气支管的内壁平滑连接。

在上述技术方案中，引导面与排气支管的内壁之间没有阻挡，有利于气泡不堆积在阴角、顺利进入排气支管，避免造成供液支管的入口堵塞。

在本申请的一种实施例中，所述进液歧管包括相连的第一段和第二段，所述供液支管和所述排气支管设置于所述第二段，所述第一段与换热介质源连接。

在上述技术方案中，方便进液歧管与换热介质源连接。

在本申请的一种实施例中，所述第一段的口径小于所述第二段的口径，所述第一段与所述引导面相对。

在上述技术方案中，换热介质通过第一段后首先流向引导面，保证换热介质能够大部分通过过滤结构进入供液支管，而换热介质中的气泡被拦截后能够在引导面和少部分液流推动下进入排气支管。

在本申请的一种实施例中，所述过滤结构中，至少所述引导面的表面具有憎水性。

在上述技术方案中，通过将引导面的表面设置为具有憎水性，气泡接触引导面后不易破碎，以免气泡破碎并形成微小气泡通过过滤结构，起到减少供液支管中的含气量的目的。

在本申请的一种实施例中，所述过滤结构远离引导面的一面的表面具有亲水性。

在上述技术方案中，通过过滤结构的微小气泡在接触具有亲水性的结构之后，表面张力破坏，使得这些微小气泡有几率破碎成更小的气泡，以进一步避免堵塞换热流道。

在本申请的一种实施例中，所述过滤结构的孔径小于所述换热流道的宽度和深度。

在上述技术方案中，过滤结构将较大的气泡拦截在外，使得通过过滤结构的气泡的体积大小均不足以堵塞换热流道。

在本申请的一种实施例中，所述进液歧管还包括：

多个亲水性滤网，沿所述供液支管间隔布置。

在上述技术方案中，通过在供液支管的沿线布置多个亲水性滤网，起到打散气泡的作用，防止微小气泡在供液支管流动过程中汇聚形成较大的气泡，进一步防止换热流道堵塞。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请一实施例提供的燃料电池的俯视图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为图2的局部放大图；

图4为引导面靠近排气支管的一端具有阴角的示意图；

图5为本申请一实施例提供的过滤结构的憎水部分和亲水部分分体设置的示意图；

图6为本申请一实施例提供的进液歧管具有多亲水性滤网的示意图。

图标：1000-燃料电池，100-电池单体，101-第一极板，102-扩散反应层，103-第二极板，104-第一压板，105-第二压板，106-第一端极板，107-第二端极板，108-换热流道，200-进液歧管，200a-第一段，200b-第二段，201-供液支管，202-排气支管，203-过滤结构，2031-憎水部分，2032-亲水部分，204-引导面，205-分隔部，206-缺口；207-亲水性滤网。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。

如图1和图2所示，本申请实施例提供一种燃料电池1000，其包括堆叠设置的多个电池单体100。

每个电池单体100包括第一极板101、第二极板103和扩散反应层102。

扩散反应层102包括两个气体扩散层、两个催化剂层和质子交换膜，质子交换膜大致平行于第一极板101和第二极板103，两个催化剂层分别设置在质子交换膜的两侧，两个气体扩散层分别设置在两个催化剂层的表面。

第一极板101和第二极板103中的一者为正极板，另一者为负极板。第一极板101和第二极板103相对的表面上(也即位于电池单体100内部的表面)形成气体流场，气体流场包括几十上百条气体流道，通过气体流道输入反应气体(如氢气或空气)，气体向气体流道外扩散，通过气体扩散层均匀分布在催化剂层表面，以供应电化学反应。

第一极板101和第二极板103相互背离的表面上，(也即位于电池单体100外部的表面)，形成供换热介质流通的换热流场，换热流场包括多个换热流道108。图2所示的剖面示意图中仅示出了换热流场中的一个换热流道108，可以理解地，换热流场包括多个平行排列的换热流道108。

其中，相邻两个气体流道之间的部分所对应的位置在电池单体100的外部表面凹陷形成前述的换热流道108。

燃料电池1000还包括进液歧管200，进液歧管200用于向每个电池单体100的换热流场通入换热介质，以使换热介质从换热流道108的一端进入，并从换热流道108的另一端排出，从而带走热量。

由于燃料电池1000的气体流道日益精细化，使得位于相邻两个气体流道之间的换热流道108也精细化，在实际使用中，换热流道108容易堵塞，一旦堵塞将引起燃料电池1000单体局部过热，影响燃料电池1000的性能和寿命。

为避免换热流道108堵塞，对换热介质的黏度、冰点等性能进行了调整，以使换热介质具有较好的流动性且不易冻结固化。还对换热介质进行除杂，以免换热介质中混入杂质导致换热流道108堵塞。但采用上述手段后，发现仍无法完全解决堵塞问题。进一步研究，发现换热介质中有时会混合有气泡，这些气泡进入换热流道108后容易堵塞换热流道108。

基于此，本申请实施例提供一种技术方案，用于解决换热流道108被气泡堵塞的问题，以免导致燃料电池1000局部过热。如图3所示，进液歧管200包括供液支管201、排气支管202和过滤结构203，排气支管202与供液支管201平行设置，供液支管201用于向换热流场通入换热介质并使流道沿换热流道108流动，过滤结构203设置在供液支管201的入口以过滤换热介质，在过滤结构203的作用下，换热介质中的气泡被拦截在供液支管201以外，在过滤结构203的引导和液流推动下，气泡进入排气支管202并排出，从而避免换热流道108堵塞，以免换热流道108堵塞导致局部过热。

供液支管201的侧壁被设置为具有多个开口，每个开口都与换热流场对应，以便向换热流道108通入换热介质。

过滤结构203为允许水流经过的网状结构，进一步地，过滤结构203的孔径小于换热流道108的宽度和深度，以通过过滤结构203将较大的气泡拦截在外，以免较大的气泡堵塞换热流道108。

在另一些实施例中，如图2所示，相邻的两个电池单体100的换热流道108相对并围合成孔以供换热介质流通，过滤结构203的孔径小于换热流道108的宽度和两倍深度。两个电池单体100的表面的换热流道108形成的孔，该孔沿极板宽度方向的尺寸为换热流道108的宽度，该孔沿极板厚度方向的尺寸为两倍换热流道108的深度。通过相邻两个换热流道108的配合，在过滤阻拦较大的气泡以防堵塞的情况下，能够将过滤结构203的孔径设置得相对较大，减小过滤结构203对换热介质的阻力。

可选地，过滤结构203的孔径小于0.2mm。目前极板的换热流道108的宽度和深度一般均在0.2mm-2.5mm范围内，通过将过滤结构203的孔径设置为0.2mm，能够较大程度上避免换热流道108被气泡堵塞。

在一些实施例中，如图3所示，过滤结构203具有引导面204，引导面204位于过滤结构203面向换热介质的来向的一侧，引导面204倾斜设置，以引导气泡进入排气支管202。引导面204倾斜是指，引导面204靠近排气支管202的一端相对引导面204远离排气支管202的一端朝向换热介质的去向移动，以使引导面204与排液支管的轴线方向所形成的夹角大于0°、小于90°。通过将引导面204倾斜设置，液流对气泡的推力一部分转化为朝向排气支管202的分力，起到较好的引导作用，有利于气泡快速、顺利进入排气支管202，避免气泡集中在引导面204造成堵塞。

当引导面204的倾斜角度较小时，气泡受到的朝向排气支管202一侧的分力较小；当引导面204的倾斜角度较大时，换热介质进入排气支管202的量较多。在一些实施例中，引导面204的倾斜角度范围被设置为5°-45°。引导面204在5°-45°的倾斜角度范围内时，既能够使被拦截的气泡沿引导面204逐渐向排气支管202移动，又避免换热介质被引导面204大量引导至排气支管202，保证换热介质被主要引导至供液支管201。

另外，引导面204在5°-45°的倾斜角度范围内时，气泡能够进入排气支管202且进入排气支管202的速度适中，既不会过慢造成供液支管201的入口堵塞，也不会过快，因此当较大气泡被拦截并沿引导面204进入排气支管202的过程中，后来的部分微小气泡也可能会与前方的较大气泡汇合，在引导面204的引导作用和液流的推动下，微小气泡随较大气泡一起进入排气支管202，从而进一步减少供液支管201中的气泡含量。

其中，引导面204与排气支管202的内壁平滑连接，以使得引导面204与排气支管202的内壁之间没有阻挡，以免影响气泡进入排气支管202。

在一些实施例中，如图2所示，进液歧管200包括相连的第一段200a和第二段200b，其中，供液支管201和排气支管202设置于第二段200b，第一段200a与换热介质源连接。

可以理解为，进液歧管200的第二段200b设置有分隔部205，以将第二段200b分隔为供液支管201和排气支管202，其中，在第二段200b靠近第一段200a的一端，分隔部205一部分缺失以形成缺口206，过滤结构203的引导面204连接于缺口206处，以免分隔部205与引导面204之间形成如图4所示的阴角而造成气泡堆积，而是使得引导面204与排气支管202的内壁能够平滑连接(如图3所示)，从而引导气泡进入排气支管202。

在一些实施例中，如图3所示，第一段200a的口径小于第二段200b的口径，第一段200a与引导面204相对，换热介质通过第一段200a后首先流向引导面204，保证换热介质能够大部分通过过滤结构203进入供液支管201，而换热介质中的气泡在引导面204和液流推动下能够进入排气支管202。

在一些实施例中，过滤结构203中，至少引导面204的表面具有憎水性。换言之，过滤结构203的引导面204设置有憎水性的表层材料；或者，过滤结构203至少形成引导面204的这部分结构采用憎水性的材料制成。

本申请实施例中所说的憎水性是指，材料表面不能被水润湿的性质，材料的水接触角大于90°，水中的气泡在接触憎水性表面时不易破裂。

这里所说的“至少引导面204的表面具有憎水性”是指，引导面204的表面具有憎水性，或者过滤结构203的其他部分的表面也具有憎水性。

通过将引导面204的表面设置为具有憎水性，气泡接触引导面204后不易破碎，以免气泡破碎并形成微小气泡通过过滤结构203，起到减少供液支管201中的含气量的目的。

可选地，引导面204的水接触角趋近于180°。例如，在过滤结构203的表面设置超疏水涂层，以形成具有憎水性的引导面204。气泡接触引导面后不会破碎，当气泡直径不能通过过滤结构203时，气泡将在流体推动下流向排气支管202。

在一些实施例中，过滤结构203远离引导面204的一面被设置为具有亲水性。换言之，过滤结构203远离引导面204的一面设有亲水性的表层材料；或者，过滤结构203远离引导面204的这部分结构采用亲水性的材料制成。亲水性是指材料表面易于被水润湿的性质，材料的水接触角小于90°。水中的气泡接触亲水性的结构易于被分割或破碎。

通过将过滤结构203远离引导面204的一面设置为具有亲水性，通过过滤结构203的微小气泡在接触具有亲水性的结构之后，表面张力破坏，使得这些微小气泡有几率破碎成更小的气泡，以进一步避免堵塞换热流道108。

也就是说，在一些实施例中，如图5所示，过滤结构203包括憎水部分2031和亲水部分2032，憎水部分2031相对靠近换热介质的来向，亲水部分2032相对靠近换热介质的去向。其中，憎水部分2031和亲水部分2032可以是连接为一体，或者，憎水部分2031和亲水部分2032也可以为分体式设置。

在一些实施例中，如图6所示，进液歧管200还包括多个亲水性滤网207，多个亲水性滤网207沿供液支管201间隔布置。经过过滤结构203之后，供液支管201中的换热介质的气泡含量大大减少，但是仍然不免有少量微小气泡，通过在供液支管201的沿线布置多个亲水性滤网207，起到打散气泡的作用，防止微小气泡在供液支管201流动过程中汇聚形成较大的气泡，进一步防止换热流道108堵塞。

本申请实施例提供的燃料电池1000，还包括第一压板104和第二压板105，第一压板104和第二压板105分别设置多个电池单体100的堆叠方向的两端，第一压板104和第二压板105通过螺栓拉杆连接固定，以将多个电池单体100沿堆叠方向压紧。

考虑压紧和密封问题，电池单体100和第一压板104之间、电池单体100和第二压板105之间往往是密封的，换热介质不允许流通，在一些实施例中，燃料电池1000还包括第一端极板106和第二端极板107，第一端极板106设置在第一压板104和堆叠的多个电池单体100之间，第二端极板107设置在第二压板105和堆叠的多个电池单体100之间。第一压板104和第一端极板106之间密封，例如在第一压板104和第一端极板106之间设置绝缘橡胶垫以实现密封并加强绝缘，而第一端极板106与电池单体100之间形成允许换热介质流通的空间，可选地，第一端极板106表面的换热流道108与电池单体100表面的换热流道108相对并围合形成供换热介质流通的孔，从而对靠近第一压板104的电池单体100的散热；第二压板105和第二端极板107之间密封，例如在第二压板105和第二端极板107之间设置绝缘橡胶垫以实现密封并加强绝缘，而第二端极板107与电池单体100之间形成允许换热介质流通的空间，可选地，第二端极板107表面的换热流道108与电池单体100表面的换热流道108相对并围合形成供换热介质流通的孔，从而对靠近第二压板105的电池单体100的散热。

在另一些实施例中，第一端极板106和第二端极板107也可以分别替换为双极板，以在多个电池单体100的堆叠方向的两端分别形成假电池，假电池是指仅具有电池单体100的外形但不参与发电的结构，假电池仅是与其相邻的电池单体100配合形成供换热介质流通的换热流道108，从而对其相邻的电池单体100进行散热。

在上述实施例中，进液歧管200可以是一体设置的管路，也可以是由多节结构压紧组成。示例性地，设置一种具有双孔的弹性密封件，在电池单体100的边缘设置两个通孔，每两个相邻的电池单体100之间设置一个该弹性密封件，该弹性密封件的双孔与电池单体100的边缘的两个通孔对应，从而形成供液支管201和排气支管202。其中，位于多个电池单体100的堆叠方向的一端的弹性密封件设置过滤结构203，过滤结构203封堵供液支管201所在的一侧，以使进入供液支管201的换热介质均需通过过滤，而换热介质中的较大气泡被拦截在供液支管201以外，该过滤结构203朝向排气支管202倾斜设置，以将拦截的气泡引导至排气支管202排出。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

应注意到：相似的标号和字母在本申请的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考，但与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池，包括堆叠设置的多个电池单体和进液歧管，每个电池单体的表面设有换热流场，所述换热流场包括多个换热流道，其特征在于，所述进液歧管包括：

供液支管，用于向所述换热流场通入换热介质；

排气支管，与所述供液支管平行设置；

过滤结构，设置在所述供液支管的入口，用于过滤换热介质，以阻止换热介质中的气泡进入所述供液支管，并引导气泡进入所述排气支管。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述过滤结构设有引导面，所述引导面位于所述过滤结构面向所述换热介质的来向的一侧，所述引导面倾斜设置，以引导所述气泡进入所述排气支管。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述引导面的倾斜角度范围为5°-45°。

4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述引导面与所述排气支管的内壁平滑连接。

5.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述进液歧管包括相连的第一段和第二段，所述供液支管和所述排气支管设置于所述第二段，所述第一段与换热介质源连接。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述第一段的口径小于所述第二段的口径，所述第一段与所述引导面相对。

7.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述过滤结构中，至少所述引导面的表面具有憎水性。

8.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述过滤结构远离引导面的一面的表面具有亲水性。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述过滤结构的孔径小于所述换热流道的宽度和深度。

10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述进液歧管还包括：

多个亲水性滤网，沿所述供液支管间隔布置。