CN117613308B - 一种燃料电池的公共通道排水结构及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池的公共通道排水结构及燃料电池，公共通道排水结构包括设置在各单电池出气口边缘的挡片，各挡片中部的镂空部位堆叠组成排气通道，排气通道的一端密封，另一端开口，排气通道内设有排水管，排水管的进口靠近排气通道的密封端，排水管的出口超过排气通道的开口端，挡片的下部边缘设有第一凹槽，堆叠设置的各第一凹槽形成第一导水槽，排气通道的开口端一侧设有集流板，集流板上设有集流板出气口，集流板出气口与单电池出气口位置对应，集流板出气口的面积小于单电池出气口的面积。本发明能够改善燃料电池公共通道的排水效果，在排气量不变的情况下增大排水效率，防止公共通道内的积水倒吸。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池的公共通道排水结构及燃料电池。
背景技术
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，目前已经应用于新能源汽车领域。电堆是燃料电池的核心部件，其堆栈由多个单电池堆叠而成，单电池由金属双极板和膜电极组成。金属双极板包括流场区和流体进出区，流体进出区由三腔口、过桥区以及周围部分组成。数百片单电池堆叠在一起形成堆栈，各单电池的三腔口组合后形成燃料电池的公共通道。
燃料电池运行过程中，在阳极氢气被分解成氢离子和电子，在阴极空气中的氧气与氢离子和电子结合产生水，产生的水容易在气体出口的公共通道内堆积。为了排出公共通道中的积水，中国专利CN217035703U提供了一种电堆排水结构，将排水吸管插至公共通道的积水处，利用出口处大量出气所形成的负压，将积水通过排水吸管排出电堆。
上述结构实现有效排水需要满足以下条件：1、排水吸管进口位置必须精准处于公共通道的积水处，并保证液态水液封排水吸管进口；2、排水吸管进口和出口需要形成足够大的压差。但是汽车在行驶过程中常处于上下坡、转弯、振动等状态，其积水位置容易发生移动，使得排水吸管进口无法形成液封；特别是汽车在低速或者怠速工况下，此时进气量较少，公共通道内难以产生足够大的排水压差，堆积在公共通道内的液态水就无法从排水吸管排出。
实际上，汽车在低速和怠速工况下电堆各单电池排出的液态水会以液滴的形式挂在金属极板上，难以向底部流动汇集，从而影响排水速度，导致出现进气不足的情况；又由于公共通道内的液态水堆积，燃料电池停止工作后，气体流通停止，残存水会在过桥区的毛细管作用下产生倒吸现象，水回流到单电池内会导致电池性能和寿命降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的是如何改善燃料电池公共通道的排水效果，防止公共通道内的积水倒吸。
为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池的公共通道排水结构，包括设置在各单电池出气口边缘的挡片，各所述单电池堆叠设置，各所述挡片中部的镂空部位堆叠组成排气通道，所述排气通道的一端密封，另一端开口，所述排气通道的密封端的高度低于所述排气通道的开口端的高度，所述排气通道内设有排水管，所述排水管的进口靠近所述排气通道的密封端，所述排水管的出口超过所述排气通道的开口端，所述挡片的下部边缘设有第一凹槽，堆叠设置的各所述第一凹槽形成第一导水槽，所述排气通道的开口端一侧设有集流板，所述集流板上设有集流板出气口，所述集流板出气口与所述单电池出气口位置对应，所述集流板出气口的面积小于所述单电池出气口的面积。
本发明通过在单电池出气口设置镂空挡片的方式形成排气通道，挡片上容易加工出凹槽，并使排气通道底部具有导水槽，导水槽能够引导水分汇聚，并向底部流动，从而实现水的定向导流，将单电池出气口的水引向排水管进口位置，同时设置出气口的面积较小的集流板，可以增加排气通道内的压力，保证排水管两端具有足够的压差，利用排气的压力差将水挤压进入排水管中排出，在排气量不变的情况下增大排水效率。
优选地，所述排水管靠近或接触所述挡片的下边缘，且所述排水管设置在所述排气通道的一侧角落设置，所述第一导水槽与所述排水管接触或靠近。限定排水管和第一导水槽的位置，实现用最少的水液封排水管入口，保证短时间内尽可能多的被排出。
优选地，所述第一凹槽的凹陷深度占所述挡片下边缘高度的70%以上，所述第一凹槽的槽底宽度为所述挡片下边缘宽度的10%~30%。对第一凹槽的尺寸进行限定，保证第一导水槽具有很好的导水效果，即使部分水未来得及排出，也会滞留在导水槽中，而不会被倒吸回单电池。
优选地，所述挡片的下部边缘设有第二凹槽，堆叠设置的各所述第二凹槽组成第二导水槽。第二导水槽可以与第一导水槽起到协同作用，进一步引导液态水向排气通道底部汇集，保证液封效果，提高排水效率。
优选地，所述第二凹槽的凹陷深度占所述挡片下边缘高度的70%以上，所述第二凹槽的槽底宽度为所述挡片下边缘宽度的10%~30%。对第二凹槽的尺寸进行限定，保证第二导水槽具有很好的导水效果和一定的储水能力。
优选地，所述集流板出气口面积为所述单电池出气口面积的40%~50%。限定集流板出气口和单电池出气口面积差，兼顾排气和排水效果。
优选地，所述排水管的开口面积与所述排气通道的开口面积的比值小于1/10。限定排水管的开口面积，使其中空体积较小，这样在液态水量整体较少的情况下也能从排水管排出，有利于减少排气通道内液态水残留。
优选地，所述排气通道沿密封端至开口端方向向上倾斜设置，所述排气通道相对于燃料电池安装平面的倾斜角度为5°~15°。使排气通道形成一定的倾斜角度，有利于使水向排气通道底部汇集，能够提高排水效率。
优选地，所述挡片的材质为接触角大于90°的疏水材料。挡片为疏水材料，可以避免残留的水从挡片缝隙中被倒吸回单电池。
本发明还提供一种燃料电池，包括电堆，所述电堆包括上述的公共通道排水结构。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设置挡片及凹槽，形成了具有导水槽的排气通道，导水槽能够水分汇聚，并向排气通道底部流动，从而实现水的定向导流，将水引导至排水管的进口，提高排水效率。
2、本发明的排水结构中导水槽设置在排气通道下部，未排出电堆的液态水会滞留在导水槽中，防止水被过桥区的毛细管吸回，保证了电池的性能和可靠性。
3、本发明通过设置排水管，利用排气的压力差将水挤压进入排水管中排出，在不增加燃料电池压力损失的情况下提升排水速率。
4、本发明排水结构通过设计集流板的出气口面积、排气通道倾斜角度，保证了液封效果和排水压差，在进气量较少的情况下，仍具有很好的排水效果。
附图说明
图1为本发明一种具体实施方式中单电池出气口和挡片的结构示意图。
图2为本发明一种具体实施方式中排气通道的结构示意图。
图3为本发明一种具体实施方式中排水管的位置示意图。
图4为本发明一种具体实施方式中集流板出气口和单电池出气口位置关系示意图。
图5为本发明另一实施方式中单电池出气口和挡片的结构示意图。
附图标记说明
1-单电池出气口，2-挡片，3-第一凹槽，4-第二凹槽，5-排气通道，6-第一导水槽，7-排水管，8-集流板出气口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
本发明的具体实施方式提供一种燃料电池，包括电堆，电堆包括堆叠设置的单电池和集流板，每个单电池由双金属极板和膜电极组成。电堆具有用于空气/氧气、氢气、冷却液进出的公共通道，在空气/氧气、氢气的排气公共通道具有排水结构，用于排出电堆工作产生的液态水。
结合图1至图3所示，公共通道排水结构包括设置在各单电池出气口1边缘的挡片2，单电池出气口1可以为氢气出气口，也可以为空气/氧气出气口。挡片2中部镂空，其镂空形状与单电池出气口1的形状接近。各单电池堆叠设置后，对应为位置的挡片2也堆叠设置，挡片2中部的镂空部位堆叠组成排气通道5，排气通道5的一端密封，另一端开口，且密封端的高度低于开口端的高度，在重力作用下排气通道5的水会向密封端汇集。挡片2的下部边缘设有第一凹槽3，堆叠设置的各第一凹槽3形成第一导水槽6。第一导水槽6能够引导水分汇聚，并向底部流动，从而实现水的定向导流。
优选地，挡片2的材质为疏水材料，其接触角大于90°，这样排气通道5内的水就很难沿着挡片2被倒吸回单电池。
排气通道5内还设有排水管7，排水管7可以为独立安装的管子，也可以是在各挡片2上形成的环状结构堆叠而成的管状结构。排水管7的进口靠近排气通道5的密封端，出口超过排气通道5的开口端。燃料电池工作过程中，单电池出气口1会有水产生，在第一导水槽6的引导作用下，这些水会向排水管7进口位置流动，又由于排气通道5内会有气体排出，这样排气的压力差将水挤压进入排水管7中并排出，在不增加燃料电池压力损失的情况下提升排水速率。
本实施例中，排水管7的开口面积与排气通道5的开口面积的比值为1/9。在其他实施例中，限定排水管7的开口面积与排气通道5的开口面积的比值为小于1/10，排水管7开口面积减小，相应的中空体积也会减小，这样在排气通道5内液态水量整体较少的情况下也能从排水管7排出，有利于减少排气通道5内液态水残留。
结合图1所示，在一些优选的实施方式中，对第一凹槽3的尺寸进行限定。挡片2下边缘高度为H0，下边缘宽度为W0，第一凹槽3的凹陷深度为H1，槽底宽度为W1，H1/ H0≥0.7，0.3≥W1/ W0≥0.1。第一导水槽6具有一定的深度和宽度，保证其导水效果，并具有一定的储水容积，燃料电池停止工作时，即使部分水未来得及排出，也会滞留在第一导水槽6中，而不会被倒吸回单电池。
经仿真模拟计算，挡片2设置第一凹槽3相对于不设置凹槽的技术方案，在高排气量（超过300 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降5%左右，低排气量（低于200 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降10%左右。可见由第一凹槽3堆叠形成的第一导水槽6结构可以提高排水效率，减少排气通道5内的残余水量，在汽车在低速和怠速工况环境，导水槽设置对于排水的促进效果更好。
在一些优选的实施方式中，排气通道5沿密封端至开口端方向向上倾斜设置，排气通道5相对于燃料电池安装平面的倾斜角度为5°~15°。倾斜设置的排气通道5有利于使水向排气通道5底部汇集，从而提高排水效率。
经仿真模拟计算，排气通道5的倾斜角度为6°与0°相比，在高排气量（超过300 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降10.5%左右；斜角度为15°与6°相比，在高排气量（超过300 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降0.5%左右。可见排气通道5倾斜角度较小时，增大倾斜角度对于提高排水效率作用明显，当倾斜角度超过6°后，增大倾斜角度仍然有利于提高排水效率，但影响较小。
结合图3所示，本实施方式中，排水管7的安装位置靠近挡片2的下边缘，且排水管7设置在排气通道5的一侧角落（图中左侧），第一导水槽6与排水管7的位置靠近，这样有利于发挥第一导水槽6的作用，实现用最少的水液封排水管7入口，保证短时间内尽可能多的被排出。在其他实施方式中，排水管7可以直接与挡片2的下边缘接触，第一导水槽6也可以与排水管7直接接触。
排气通道5的开口端一侧设有集流板，集流板上设有集流板出气口8，集流板出气口8与单电池出气口1位置对应。结合图4所示，集流板出气口8的面积小于单电池出气口1的面积，图中阴影部分即为集流板遮挡住的部分单电池出气口1，集流板出气口8缩小的结构可以提高排气通道5内的压力，使排水管7两端压差足够大，从而保证排水效果。优选地，集流板出气口8面积为单电池出气口1面积的40%~50%，限定集流板出气口8和单电池出气口1面积差，可以兼顾排气和排水效果。
结合图5所示，提供另一种公共通道排水结构的实施方式，该实施方式中，挡片2具有挡片2的下部边缘设有两个凹槽，分别为第一凹槽3和第二凹槽4，堆叠设置的各第一凹槽3形成第一导水槽6，堆叠设置的各第二凹槽4组成第二导水槽。排水管7设置在排气通道5图中右侧角落，第一凹槽3的位置也发生变化，仍然靠近排水管7设置，第二凹槽4与第一凹槽3之间具有一定的间隔。
第二凹槽4的形状与第一凹槽3相同，尺寸相近。优选地，第二凹槽4的凹陷深度占挡片2下边缘高度的70%以上，第二凹槽4的槽底宽度为挡片2下边缘宽度的10%~30%，由此二导水槽也具有很好的导水效果和一定的储水能力。
经仿真模拟计算，挡片2设置第一凹槽3和第二凹槽4相对只设置第一凹槽3的技术方案，在高排气量（超过300 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降3%左右，低排气量（低于200 L/min）情况下排气通道5内残余水量下降5%左右。可见第二导水槽可以与第一导水槽6起到协同作用，进一步引导液态水向排气通道5底部汇集，保证液封效果，提高排水效率。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，包括设置在各单电池出气口(1)边缘的挡片(2)，各所述单电池堆叠设置，各所述挡片(2)中部的镂空部位堆叠组成排气通道(5)，所述排气通道(5)的一端密封，另一端开口，所述排气通道(5)的密封端的高度低于所述排气通道(5)的开口端的高度，所述排气通道(5)内设有排水管(7)，所述排水管(7)的进口靠近所述排气通道(5)的密封端，所述排水管(7)的出口超过所述排气通道(5)的开口端，所述挡片(2)的下部边缘设有第一凹槽(3)，堆叠设置的各所述第一凹槽(3)形成第一导水槽(6)，所述第一凹槽(3)的凹陷深度占所述挡片(2)下边缘高度的70%以上，所述第一凹槽(3)的槽底宽度为所述挡片(2)下边缘宽度的10%~30%，所述排气通道(5)的开口端一侧设有集流板，所述集流板上设有集流板出气口(8)，所述集流板出气口(8)与所述单电池出气口(1)位置对应，所述集流板出气口(8)的面积小于所述排气通道(5)的开口面积。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述排水管(7)靠近或接触所述挡片(2)的下边缘，且所述排水管(7)设置在所述排气通道(5)的一侧角落设置，所述第一导水槽(6)与所述排水管(7)接触或靠近。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述挡片(2)的下部边缘设有第二凹槽(4)，堆叠设置的各所述第二凹槽(4)组成第二导水槽。
4.根据权利要求3所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述第二凹槽(4)的凹陷深度占所述挡片(2)下边缘高度的70%以上，所述第二凹槽(4)的槽底宽度为所述挡片(2)下边缘宽度的10%~30%。
5.根据权利要求1所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述集流板出气口(8)面积为所述排气通道(5)的开口面积的40%~50%。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述排水管的开口面积与所述排气通道的开口面积的比值小于1/10。
7.根据权利要求1-6任一所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述排气通道(5)沿密封端至开口端方向向上倾斜设置，所述排气通道(5)相对于燃料电池安装平面的倾斜角度为5°~15°。
8.根据权利要求1-6任一所述的燃料电池的公共通道排水结构，其特征在于，所述挡片(2)的材质为接触角大于90°的疏水材料。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括电堆，所述电堆包括如权利要求1-8任一所述的公共通道排水结构。
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