CN117613340A - 一种消除总管口负压区的电堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除总管口负压区的电堆，包括进气口组件、电堆堆芯、盲端绝缘板和盲端端板；所述电堆堆芯由若干单电池组成；所述单电池上，在燃料入口、燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口附近均设置有小孔结构；所述电堆堆芯中靠近所述进气口组件的1～5节所述单电池为气口端边缘节，靠近所述盲端绝缘板的1～5节所述单电池为盲端边缘节；所述气口端边缘节和所述盲端边缘节的所述单电池上的所述小孔结构附近还设置有流道。本发明的技术方案可以改善反应物气体在边缘节的流量分布不均、欠气等问题，提高边缘节电池的性能。

Description

一种消除总管口负压区的电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种消除总管口负压区的电堆。

背景技术

目前常规的电堆制作方法是将阴极板和阳极板组合成双极板，双极板、膜电极在电堆中交叉堆叠串联形成燃料电池电堆堆芯，堆芯与堆芯外部增加收集电流、绝缘、外端板、进气端等功能组件结构共同构成燃料电池电堆。堆芯最外侧靠近边缘的几节单电池由于温度，水热管理等问题，常常导致其流体的分配不均匀。在燃料电池电堆中，边缘几节单电池时长出现性能最差，衰减最快甚至欠气等问题。

其中，在电堆节数较高，比如上百节电堆时，流体均匀分配的难度增加，边缘节的总管口处会出现明显的负压区，节数越多，气流量越大，负压区越明显，负压区的出现，进一步加剧了边缘电池性能低和欠气的现象。

发明内容

根据上述提出现有电堆结构边缘节的总管口负压区的出现影响边缘电池性能的技术问题，而提供一种消除总管口负压区的电堆。本发明通过小孔通道设计方式，对堆芯边缘的几节燃料电池提供特殊的流体流动通道，平衡流体分布，消除负压区，同时在绝缘板处增加气口凹槽，将负压区后移，有效的改善了边缘节气量分配不足的问题，提升边缘节电池性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种消除总管口负压区的电堆，包括依次设置的进气口组件、电堆堆芯、盲端绝缘板和盲端端板；

所述进气口组件包括燃料进气口、燃料出气口、氧化剂进气口、氧化剂出气口；

所述电堆堆芯由若干单电池组成，所述单电池上设置有分别与所述燃料进气口、所述燃料出气口、所述氧化剂进气口和所述氧化剂出气口相对应的燃料入口、燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口；

所述单电池上，在所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口附近均设置有小孔结构；

所述电堆堆芯中靠近所述进气口组件的1～5节所述单电池为气口端边缘节，靠近所述盲端绝缘板的1～5节所述单电池为盲端边缘节；所述气口端边缘节和所述盲端边缘节的所述单电池上的所述小孔结构附近还设置有流道，所述流道用于连通相应的所述小孔结构与所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口或所述氧化剂出口。

进一步地，所述流道设置于所述单电池内双极板的一片单板表面，且所述流道位于两片单板之间。

进一步地，所述流道的宽度为1～5mm。

进一步地，所述小孔结构的直径为1～3mm。

进一步地，所述小孔结构沿边缘安装有密封圈。

进一步地，所述盲端绝缘板设置有盲端绝缘板气口区域，包括分别对应至所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口的凹槽。

进一步地，所述盲端绝缘板的厚度为5～30mm，所述凹槽深度为3～20mm。

进一步地，所述盲端端板采用高强度不易变形材料制成。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

负压区出现在堆芯两侧边缘的位置，本发明提供的消除总管口负压区的电堆采用特殊的小孔及流道设计形式，将边缘负压区的气体通过小孔形成的通道导入电堆的其他节，平衡气体，消除涡流区域，同时在绝缘板处增加凹槽，将盲端侧的负压区后移，可以改善反应物气体在边缘节的流量分布不均、欠气等问题，提高边缘节电池的性能。

基于上述理由本发明可在燃料电池领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的电堆结构示意图。

图2为本发明所述的堆芯进气口结构示意图。

图3为本发明所述的消除负压区的气体流动通道结构示意图。

图4为本发明所述的负压区气体流动通道总管口结构示意图。

图5为本发明所述气体流动通道边缘轮廓示意图。

图6为本发明所述盲端绝缘板结构示意图。

图中：1、进气口组件；2、电堆堆芯；3、盲端绝缘板；4、盲端端板；5、氧化剂进气口；6、氧化剂入口总管口区域；7、单电池；8、氧化剂出口总管口区域；9、氧化剂出气口；10、燃料进气口；11、燃料入口总管口区域；12、燃料出口总管口区域；13、氧化剂出气口；14、小孔结构；15、气口端边缘节；16、盲端侧边缘节；17、流道；18、含流道的单板；19、单板；20、盲端绝缘板气口区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-6所示，本发明提供了一种消除总管口负压区的电堆，包括依次设置的进气口组件1、电堆堆芯2、盲端绝缘板3和盲端端板4；

所述进气口组件1包括燃料进气口10、燃料出气口13、氧化剂进气口5、氧化剂出气口9；

所述电堆堆芯2由若干单电池7组成，所述单电池7上设置有分别与所述燃料进气口10、所述燃料出气口13、所述氧化剂进气口5和所述氧化剂出气口9相对应的燃料入口、燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口；

所述单电池7上，在所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口附近均设置有小孔结构14，用于为平衡负压区的气体提供流动通道；

所述电堆堆芯2中靠近所述进气口组件1的1～5节所述单电池7为气口端边缘节15，靠近所述盲端绝缘板3的1～5节所述单电池7为盲端边缘节16，位于所述气口端边缘节15和所述盲端边缘节16之间的所述单电池7为中间节；所述气口端边缘节15和所述盲端边缘节16的所述单电池7上的所述小孔结构14附近还设置有流道17，所述流道17用于连通相应的所述小孔结构14与所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口或所述氧化剂出口；所述气口端边缘节15的所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口处的气体能够通过相应的所述流道17进入相应的所述小孔结构14，沿由所述小孔结构14组成的通道到达所述盲端边缘节16的所述流道17中，然后从所述流道17流出再次到达相应的所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口，本发明所述的小孔结构14形成的气体流通结构可以有效的消除边缘节负压区的形成，使流量均匀的分配到边缘节的电堆中。

进一步地，所述气口端边缘节15和所述盲端边缘节16所包括的所述单电池7的节数根据负压区的影响进行调节。

进一步地，所述流道17设置于所述单电池7内双极板的一片单板表面，且所述流道17位于两片单板之间，如图5所示，所述流道17位于含所述流道17的单板18以及另一片单板19之间。

进一步地，所述流道17的宽度为1～5mm。

进一步地，所述小孔结构的直径为1～3mm。

进一步地，所述小孔结构14沿边缘安装有密封圈，在组装所述电堆时，相邻的所述单电池7能够压紧所述密封圈，对所述小孔结构14边缘形成密封，防止气体从所述小孔结构14泄露至堆外。

进一步地，所述电堆堆芯2通常由300节～600节所述单电池7串联组成。

进一步地，所述电堆堆芯2内所有所述单电池7的所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口分别相互连通形成了燃料入口总管口区域11、燃料出口总管口区域12、氧化剂入口总管口区域6和氧化剂出口总管口区域8；所述燃料进气口10、所述燃料出气口13、所述氧化剂进气口5和所述氧化剂出气口9分别与相对应的所述燃料入口总管口区域11、所述燃料出口总管口区域12、所述氧化剂入口总管口区域6和所述氧化剂出口总管口区域8形成了燃料进口总管路、燃料出口总管路、氧化剂进口总管路和氧化剂出口总管路。

进一步地，所述盲端绝缘板3用于绝缘；所述盲端绝缘板3设置有盲端绝缘板气口区域20，包括分别对应至所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口的凹槽；所述凹槽可以使所述电堆堆芯2靠近盲端的各总管口区域的负压区后移至所述盲端绝缘板3中，从而使负压区无法影响到所述盲端边缘节16。

进一步地，所述盲端绝缘板3的厚度为5～30mm，所述凹槽深度为3～20mm。

进一步地，所述盲端端板4采用高强度不易变形材料制成，如铝合金等金属材料，用于保护所述电堆堆芯2。

本发明所述电堆工作时，氧化剂从氧化剂进气口5，到达堆芯的氧化剂总管口区域6，再均匀配到每一节单电池7中进行化学反应发电，未及时参与反应的氧化剂及生成物汇集至氧化剂出口总管口区域8，从氧化剂出气口9排出电堆；同样的，燃料从燃料进气口10，到达堆芯的燃料总管口区域11，再均匀配到每一节单电池7中与氧化剂进行化学反应发电，未及时参与反应的燃料及生成物汇集至燃料出口总管口区域12，从燃料出气口13排出电堆；反应后的气体汇集至出口总管路，统一从进气口组件中的出气口排出至电堆外部；电堆堆芯进气口及出气口处均设计有小孔结构14，气口端边缘节15和盲端侧边缘节16的小孔结构附近设计有流道17，流道17位于单电池7内双极板的两片单板之间，盲端侧绝缘板气口区域20下沉3～20mm；

由于反应气体在电堆内部整体的流动方向成U字型，使得气体在靠近盲端处的公共管路会有涡流区的存在，高电密时气口端的涡流区较明显，影响气口端的几节电池的流量分配状况，低电密时，盲端较明显，影响近盲端侧的几节电池的流量分配，高电密时，气口端涡流区域较明显，影响气口端附近的几节电池的流量分配；理想状态下，气体在电堆堆芯2的总管口区域应均匀的将燃料及氧化剂均匀分配至电堆堆芯2中的每一节单电池中，但由于种种因素影响，比如上述低负压区的问题等，会导致流体分配的不均匀，本发明提供的电堆，能够避免靠近气口端和靠近盲端的公共管路出现涡流，进而避免了其附近几节电池出现电压低于中间节电压的情况。

最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种消除总管口负压区的电堆，其特征在于，包括进气口组件、电堆堆芯、盲端绝缘板和盲端端板；

所述进气口组件包括燃料进气口、燃料出气口、氧化剂进气口、氧化剂出气口；

所述电堆堆芯由若干单电池组成，所述单电池上设置有分别与所述燃料进气口、所述燃料出气口、所述氧化剂进气口和所述氧化剂出气口相对应的燃料入口、燃料出口、氧化剂入口和氧化剂出口；

所述单电池上，在所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口附近均设置有小孔结构；

所述电堆堆芯中靠近所述进气口组件的1～5节所述单电池为气口端边缘节，靠近所述盲端绝缘板的1～5节所述单电池为盲端边缘节；所述气口端边缘节和所述盲端边缘节的所述单电池上的所述小孔结构附近还设置有流道，所述流道用于连通相应的所述小孔结构与所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口或所述氧化剂出口。

2.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述流道设置于所述单电池内双极板的一片单板表面，且所述流道位于两片单板之间。

3.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述流道的宽度为1～5mm。

4.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述小孔结构的直径为1～3mm。

5.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述小孔结构沿边缘安装有密封圈。

6.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述盲端绝缘板设置有盲端绝缘板气口区域，包括分别对应至所述燃料入口、所述燃料出口、所述氧化剂入口和所述氧化剂出口的凹槽。

7.根据权利要求6所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述盲端绝缘板的厚度为5～30mm，所述凹槽深度为3～20mm。

8.根据权利要求1所述的消除总管口负压区的电堆，其特征在于，所述盲端端板采用高强度不易变形材料制成。