CN117727962B - 一种超大有效面积的大功率燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超大有效面积的大功率燃料电池，包括燃料电池电堆和流体分配组件，燃料电池电堆由若干片单电池堆叠而成；单电池包括双极板和膜电极，双极板分为左右两个对称的区域，分别为第一区域和第二区域，每个区域内设置有流体流道，膜电极与双极板对应，膜电极为左右对称结构，以提供两个有效反应区域，流体分配组件包括腔体以及设置于腔体内部的冷却液流道和气体流道；气体流道为为水平布置的歧管流道，通过使单片电池具有两个有效反应区域，增大活性面积，相同的体积下具有更大的输出功率，即体积功率密度高，同时匹配水平分布的歧管流道，从而使得用更少的单电池叠片所组装成的燃料电池电堆具有更大的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种超大有效面积的大功率燃料电池。
背景技术
以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池由于其环保高效、启动速度快、功率密度大、可靠性高的优势受到较多关注。随着燃料电池应用领域的拓宽以及应用规模的不断扩大，大功率燃料电池电堆的需求也不断上升。目前为了满足较大功率输出需求，主要通过两种技术手段来实现。
一是增加更多片单电池进行堆叠组装来满足大功率输出需求。单电池的片数根据其活性面积确定，目前百千瓦级大功率燃料电池通常由300-400片单电池组成，甚至高达500片。但是大量的组装单片电池对装配工艺提出了较高的要求。因为随着单电池数量增多，电堆一致性将会下降，影响电堆的性能与寿命。
二是增加电堆数量来满足大功率输出需求。然而，随着电堆数量增加，相应的进气分配差异增大，水热管理难度也增大，电堆之间的差异也会影响电堆输出功率。
发明专利CN 113022332 B提出一种双堆串联大功率燃料电池应用于车载动力系统，虽然该系统采用的方式能很好解决大功率动力输出问题，然而复杂的结构和较大的体积，使得其难以应用于商用车。发明专利CN 109065934 A提供一种大功率燃料电池电堆，通过电堆的串联组装来达到50 kW以上的大功率电堆，通过在电堆中间加装接气端板的方法增加单电池叠片数量，虽然功率有所提升，但仍无法达到百千瓦级。
由此可见，不论是采用双堆或者增加单电池叠片数量，均带来不可避免的缺陷。因此需要设计活性面积高的燃料电池堆以满足较大输出功率需求，以防止电堆片数无限制增多而带来不确定性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超大有效面积的大功率燃料电池，目的在于，在不增加单电池片数的前提下，通过增大单电池的活性面积，来实现燃料电池电堆的大功率输出。
为达上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种超大有效面积的大功率燃料电池，包括燃料电池电堆和流体分配组件，所述燃料电池电堆由若干片单电池堆叠而成；
所述单电池包括双极板和膜电极，所述双极板分为左右两个对称的区域，分别为第一区域和第二区域，每个区域内设置有流体流道，膜电极与双极板对应，膜电极为左右对称结构，以提供两个有效反应区域，增大活性面积；
所述流体分配组件包括腔体以及设置于腔体内部的冷却液流道和气体流道；
所述气体流道为水平布置的歧管流道，包括进气流道和出气流道，所述进气流道的进气口与所述出气流道的出气口均位于腔体的中间，所述进气流道的歧管为长管道，从进气口输入的气体分别沿歧管输送至腔体的左右两侧后进入燃料电池电堆，所述出气流道的歧管为短管道，来自燃料电池电堆的气体从腔体中部进入歧管后从出气口排出。
进一步的，单个所述有效反应区域的活性面积为300-400平方厘米。
进一步的，所述冷却液流道包括冷却液进液流道和冷却液出液流道，分别位于腔体的左右两侧。
进一步的，所述进气流道包括氢气进气流道和空气进气流道；所述出气流道包括氢气出气流道和空气出气流道。
进一步的，所述双极板的材质为石墨材质、金属材质或石墨金属复合材质。
进一步的，所述双极板为矩形，长宽比为4：1-8：1。
进一步的，所述膜电极包括质子交换膜、催化层和气体扩散层，所述催化层涂布在质子交换膜上，所述气体扩散层与质子交换膜重叠设置，所述膜电极通过气体扩散层与双极板紧密接触。
进一步的，所述膜电极包含两个左右对称分布的质子交换膜，即提供左右两个有效反应区域，所述质子交换膜由耐高温材料制成，所述催化层的催化剂为高比表面积电化学催化剂，所述气体扩散层为普通碳纸材料。
进一步的，所述第一区域的中部为膜电极，提供一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气入口、冷却液入口和空气入口，有效反应区域右侧设置有氢气出口和空气出口；
所述第二区域的中部为膜电极，提供另一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气出口和空气出口，有效反应区域右侧设置有氢气入口、冷却液出口和空气入口。
进一步的，所述氢气入口和空气入口分别与氢气进气流道和空气进气流道连通；所述氢气出口和空气出口分别与氢气出气流道和空气出气流道连通；所述冷却液入口和冷却液出口分别与冷却液进液流道和冷却液出液流道连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）相较于传统的燃料电池，本发明中的电化学反应区域采用分区设计，使得单片电池具有两个有效反应区域，增大活性面积，相同的体积下具有更大的输出功率，即体积功率密度高，每个单电池可提供的有效反应区域的活性面积为600-800平方厘米，相比于传统的燃料电池电堆的单电池的有效反应区域的活性面积250-350平方厘米，本发明通过设计具有超大有效面积的单电池来保证燃料电池电堆的大功率输出，同时匹配水平分布的歧管流道，从而使得用更少的单电池叠片所组装成的燃料电池电堆具有更大的输出功率；相较于增加电堆数量的方式，此发明所述燃料电池电堆结构稳定性更强，能够应用于大型商用车，抵抗更大的震动压力。
（2）通过将气体流道均设计水平布置的歧管流道，气体进气流道为一进两出的水平分布管道，气体进气流道水平分配有助于气体的稳定流动，保障稳定的进堆压力，同时使进气分布更加均匀，避免气压抖动，相较于传统大功率双堆设计，具有更好的气体分配特性，单片电压一致性更好；气体出气流道为两进一出的水平分布管道，更有利于液态水排出，减少进气端因液态水聚集而引起的水淹现象发生；进气流道进气口与出气流道出气口位于流体分配组件的中部位置，使得气体到达左右两区域距离相同，保证供气均匀。
（3）通过使双极板上第一区域和第二区域的气体流道对称分布，每个区域都有独立的气体流道有助于气体的充足供应，保障两个区域不出现气体欠缺的情况，更有利液态水顺利排出，而冷却液呈一进一出的布置，由第一区域和第二区域共用，则便于进行统一的热管理，保证电堆热量与压力分布的一致性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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作一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的大功率燃料电池的立体图；
图2示出了本发明实施例单电池的主视图；
图3示出了本发明实施例单电池的剖面图；
图4示出了本发明实施例流体分配组件内部流道结构图；
图5示出了本发明实施例大功率燃料电池输出性能曲线图。
图中：1、燃料电池电堆 ；2、流体分配组件 ；3、冷却液流道 ；3-1、冷却液进液流道；3-2、冷却液出液流道；4、气体流道；4-1、氢气进气流道；4-2、氢气出气流道；4-3、空气出气流道；4-4、空气进气流道； 5、捆扎钢带；6、双极板；7、氢气出口；8、膜电极；9、氢气入口；10、冷却液入口；11、空气入口；12、空气出口；13、冷却液出口；14、第一区域；15、第二区域。
具体实施方式
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、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
如附图1-4所示，本发明实施例提出了一种超大有效面积的大功率燃料电池，包括燃料电池电堆1和流体分配组件2，所述燃料电池电堆1由若干片单电池堆叠而成；
所述单电池包括双极板6和膜电极8，所述双极板6分为左右两个对称的区域，分别为第一区域14和第二区域15，每个区域内设置有流体流道，膜电极8与双极板6对应，膜电极8为左右对称结构，以提供两个有效反应区域，增大活性面积；
单个所述有效反应区域的活性面积为300-400平方厘米，即每个单电池可提供的有效反应区域的活性面积为600-800平方厘米，相比于传统的燃料电池电堆的单电池的有效反应区域的活性面积250-350平方厘米，本发明通过设计具有超大有效面积的单电池来保证燃料电池电堆的大功率输出。
所述流体分配组件2包括腔体以及设置于腔体内部的冷却液流道3和气体流道4。
所述冷却液流道3包括冷却液进液流道3-1和冷却液出液流道3-2，分别位于腔体的左右两侧。
将冷却液流道设计为一进一出结构，且位于流体分配组件腔体的左右两侧，保证进入电堆冷却液温度的一致性。
所述气体流道4为水平布置的歧管流道，包括进气流道和出气流道，所述进气流道的进气口与所述出气流道的出气口均位于腔体的中间，所述进气流道的左右歧管为长管道，从进气口输入的气体分别沿歧管输送至腔体的左右两侧后进入燃料电池电堆1，所述出气流道的左右歧管为短管道，来自燃料电池电堆1的气体从腔体中部进入歧管后从出气口排出。
进气流道包括氢气进气流道4-1和空气进气流道4-4；出气流道包括氢气出气流道4-2和空气出气流道4-3。
将气体流道均设计水平布置的歧管流道，气体进气流道为一进两出的水平分布管道，气体进气流道水平分配有助于气体的稳定流动，保障稳定的进堆压力，同时使进气分布更加均匀，避免气压抖动，相较于传统大功率双堆设计，具有更好的气体分配特性，单片电压一致性更好；气体出气流道为两进一出的水平分布管道，更有利于液态水排出，减少进气端因液态水聚集而引起的水淹现象发生；进气流道进气口与出气流道出气口位于流体分配组件的中部位置，使得气体到达左右两区域距离相同，保证供气均匀。
所述双极板6的材质为石墨材质、金属材质或石墨金属复合材质，具体选择由实际需求或成本决定。
所述双极板6为矩形，长宽比为4：1-8：1。
所述膜电极8包括质子交换膜、催化层和气体扩散层，所述催化层涂布在质子交换膜上，所述气体扩散层与质子交换膜重叠设置，所述膜电极8通过气体扩散层与双极板6紧密接触。
所述膜电极8包含两个左右对称分布的质子交换膜，即提供左右两个有效反应区域，所述质子交换膜由耐高温材料制成，所述催化层的催化剂为高比表面积电化学催化剂，所述气体扩散层为普通碳纸材料。
优选的所述催化剂为高比表面积的Pt/C（铂碳）催化剂。
所述单电池由双极板6与膜电极8组合形成，若干片单电池压紧后，通过捆扎钢带5捆绑组装成燃料电池电堆。
所述双极板6分为左右两个对称的区域，分别为第一区域14和第二区域15，所述第一区域14的中部为膜电极8，提供一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气入口9、冷却液入口10和空气入口11，有效反应区域右侧设置有氢气出口7和空气出口12。
所述第二区域15的中部为膜电极8，提供另一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气出口7和空气出口12，有效反应区域右侧设置有氢气入口9、冷却液出口13和空气入口11。
所述氢气入口9和空气入口11分别与氢气进气流道4-1和空气进气流道4-4连通；所述氢气出口7和空气出口12分别与氢气出气流道4-2和空气出气流道4-3连通；所述冷却液入口10和冷却液出口13分别与冷却液进液流道3-1和冷却液出液流道3-2连通。
双极板上的第一区域14和第二区域15的气体流道对称分布，每个区域都有独立的气体流道有助于气体的充足供应，保障两个区域不出现气体欠缺的情况，更有利液态水顺利排出，而冷却液呈一进一出的布置，由第一区域14和第二区域15共用，则便于进行统一的热管理，保证电堆热量与压力分布的一致性。
为了验证燃料电池电堆性能，对本发明超大有效面积的大功率燃料电池进行输出性能测试，所得结果，如图5所示，燃料电池电堆的输出功率最高达到155kW，最大电流为600A，由此可见，该燃料电池电堆的单电池能够提供较大的电化学反应活性面积，大电流下有较大的功率输出。
相较于传统的燃料电池，本发明中的电化学反应区域采用分区设计，使得单片电池具有两个有效反应区域，增大活性面积，相同的体积下具有更大的输出功率，即体积功率密度高，同时匹配水平分布的歧管流道，从而使得用更少的单电池叠片所组装成的燃料电池电堆具有更大的输出功率；相较于增加电堆数量的方式，此发明所述燃料电池电堆结构稳定性更强，能够应用于大型商用车，抵抗更大的震动压力。
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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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精神和范围。
Claims (8)
1.一种超大有效面积的大功率燃料电池，包括燃料电池电堆（1）和流体分配组件（2），所述燃料电池电堆（1）由若干片单电池堆叠而成，其特征在于：
所述单电池包括双极板（6）和膜电极（8），所述双极板（6）分为左右两个对称的区域，分别为第一区域（14）和第二区域（15），每个区域内设置有流体流道，膜电极（8）与双极板（6）对应，膜电极（8）为左右对称结构，以提供两个有效反应区域，增大活性面积；
所述流体分配组件（2）包括腔体以及设置于腔体内部的冷却液流道（3）和气体流道（4）；
所述冷却液流道（3）包括冷却液进液流道（3-1）和冷却液出液流道（3-2），分别位于腔体的左右两侧；
所述气体流道（4）为水平布置的歧管流道，包括进气流道和出气流道，所述进气流道的进气口与所述出气流道的出气口均位于腔体的中间，所述进气流道的歧管为长管道，从进气口输入的气体分别沿歧管输送至腔体的左右两侧后进入燃料电池电堆（1），所述出气流道的歧管为短管道，来自燃料电池电堆（1）的气体从腔体中部进入歧管后从出气口排出；
所述进气流道包括氢气进气流道（4-1）和空气进气流道（4-4）；所述出气流道包括氢气出气流道（4-2）和空气出气流道（4-3）。
2.如权利要求1所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，单个所述有效反应区域的活性面积为300-400平方厘米。
3.如权利要求1所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述双极板（6）的材质为石墨材质、金属材质或石墨金属复合材质。
4.如权利要求1所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述双极板（6）为矩形，长宽比为4：1-8：1。
5.如权利要求1所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述膜电极（8）包括质子交换膜、催化层和气体扩散层，所述催化层涂布在质子交换膜上，所述气体扩散层与质子交换膜重叠设置，所述膜电极（8）通过气体扩散层与双极板（6）紧密接触。
6.如权利要求5所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述膜电极（8）包含两个左右对称分布的质子交换膜，即提供左右两个有效反应区域，所述质子交换膜由耐高温材料制成，所述催化层的催化剂为高比表面积电化学催化剂，所述气体扩散层为普通碳纸材料。
7.如权利要求1所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述第一区域（14）的中部为膜电极（8），提供一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气入口（9）、冷却液入口（10）和空气入口（11），有效反应区域右侧设置有氢气出口（7）和空气出口（12）；
所述第二区域（15）的中部为膜电极（8），提供另一个有效反应区域，有效反应区域两侧设置有流体流道，其中有效反应区域左侧设置有氢气出口（7）和空气出口（12），有效反应区域右侧设置有氢气入口（9）、冷却液出口（13）和空气入口（11）。
8.如权利要求7所述的超大有效面积的大功率燃料电池，其特征在于，所述氢气入口（9）和空气入口（11）分别与氢气进气流道（4-1）和空气进气流道（4-4）连通；所述氢气出口（7）和空气出口（12）分别与氢气出气流道（4-2）和空气出气流道（4-3）连通；所述冷却液入口（10）和冷却液出口（13）分别与冷却液进液流道（3-1）和冷却液出液流道（3-2）连通。
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| CN117727962A (zh) | 2024-03-19 |
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