CN211350839U - 具有排水结构的燃料电池装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有排水结构的燃料电池装置，包括封装壳体和设置在封装壳体内的燃料电池堆叠体；封装壳体顶部朝向燃料电池堆叠体的一侧包括由顶部中心至边缘向下倾斜的四个斜面，四个斜面构成四棱锥的四个侧面，顶部设置有气体出口；封装壳体侧壁底端设置有气体吹扫口；封装壳体底部边缘设置有排水渠，排水渠远离燃料电池堆叠体的一侧与排水管相连通；阴极流场包括间隔平行设置的第一流道和第二流道，第一流道两端分别设置有第一流道进口和出口，第二流道一端设置有第二流道进口另一端封闭。本实用新型通过封装壳体以及双极板的结构设置，避免由于催化剂水淹或质子传导速度下降导致能量转化效率降低，提高燃料电池的安全性和能量转化效率。

Description

具有排水结构的燃料电池装置

技术领域

本实用新型涉及新能源电池领域，具体涉及一种具有排水结构的燃料电池装置。

背景技术

燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应直接转换成电能的装置，具有清洁无污染、能量转化效率高、能量密度高等优点，在交通运输、信号基站等领域具有广阔的应用前景。在交通运输、信号基站等领域应用的燃料电池通常包括多个堆叠在一起的单元燃料电池形成的燃料电池堆叠体(电堆)和包覆在电堆外部的封装壳体，封装壳体可防止空气中的水和灰尘进入电堆，起到保护电堆的作用。为了避免从电堆内泄露的少量氢气在封装壳体内累积而发生危险，需要用空气对封装壳体内部进行吹扫，但空气中的水蒸气也会随着吹扫进入封装壳体内部，加上电堆中反应生成的水，会使得封装壳体内累积大量水蒸气，导致电堆零件腐蚀，造成安全隐患。

燃料电池的核心零部件主要包括膜电极组件(MEA)、气体扩散层和双极板，其中膜电极组件由两侧装配有阳极和阴极的聚合物电解质膜组成。膜电极组件两侧分别设置有气体扩散层。双极板包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板分别设置有流道，且阳极板和阴极板分别与MEA两侧的气体扩散层接触。氢气从阳极一侧进入单元燃料电池，在催化剂的作用下分离为质子和电子，质子穿过聚合物电解质膜到达阴极并与氧气结合，在催化剂的作用下生成水；无法穿过质子交换膜的电子会从燃料电池中流出进入外电路，产生电能。由于燃料电池内的电化学反应需要在三相反应界面(反应气体、催化剂和传导质子的水)进行，且燃料电池本身的电化学反应一直在产生水，这就容易导致燃料电池内部由于含水量过多而造成催化剂水淹，堵塞反应气体的扩散传质通路，使得能量转化效率降低。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种能够合理地将自身内部多余水蒸气和液态水排出，避免由于催化剂水淹或质子传导速度下降导致能量转化效率降低的燃料电池。

技术方案：本实用新型提供一种具有排水结构的燃料电池装置，包括封装壳体和设置在封装壳体内的燃料电池堆叠体，封装壳体包括顶部、侧壁和底部，燃料电池堆叠体包括堆叠在一起的单元燃料电池，单元燃料电池包括膜电极组件、气体扩散层和双极板，双极板包括阳极板和阴极板；顶部朝向燃料电池堆叠体的一侧包括从顶部中心到边缘向下倾斜的四个斜面，该四个斜面构成四棱锥的四个侧面，顶部设置有气体出口；封装壳体侧壁底端设置有气体吹扫口；封装壳体底部边缘设置有排水渠，排水渠远离燃料电池堆叠体的一侧与排水管相连通；阴极板包括间隔平行设置的第一流道和第二流道，第一流道和第二流道都为直线形且垂直于流场板边缘设置，第一流道两端分别设置有第一流道进口和出口，第二流道一端设置有第二流道进口另一端封闭。

本实用新型提到的“排水结构”包括上述封装壳体顶部朝向燃料电池堆叠体的一侧的从顶部中心到边缘向下倾斜的四个斜面、气体出口、气体吹扫口、排水渠和阴极板。

由于氢气密度较小，容易聚集在封装壳体内顶部，在顶部上设置气体出口，在封装壳体侧壁底端设置有气体吹扫口，可以方便聚集在封装壳体内顶部的氢气排出；将封装壳体顶部朝向燃料电池堆叠体的一侧设置为包括由顶部中心至边缘向下倾斜的四个斜面，且四个斜面为一个四棱锥的四个侧面的结构可以促使四个斜面上的冷凝水从高位滑至低位(即顶部边缘，顶部边缘在底部边缘正上方)，进而直接滴入底部边缘的排水渠。上述四个斜面与侧壁的夹角α取值范围为90o ＜α≤120o；侧壁垂直于底部设置。

第一流道和第二流道的间隔设置可以使第二流道内多余的水在从进口进入的气体(空气)吹扫驱动下渗透进入第一流道，并通过第一流道的出口排出燃料电池，由于第二流道没有出口，因此在第二流道内可以残余少量水，从而实现在避免催化剂水淹的同时防止水排出速度过快造成燃料电池内含水量不足导致质子传导速率过慢。

优选地，使封装壳体顶部朝向燃料电池堆叠体的一面设置有疏水涂层；进一步优选地，封装壳体靠近所述燃料电池堆叠体的一面设置有疏水涂层。疏水涂层的设置可以促进封装壳体上的水流入排水渠，而不是在封装壳体上过多停留。

阴极板的第一流道和第二流道横截面可以为本领域常见的形状，优选为矩形；为了促进第二流道的水可以高效地进入第一流道并使阴极多余的水及时流出，使第一流道的横截面面积大于第二流道。

优选地，排水渠远离燃料电池堆叠体的一侧与4～8个排水管相连通。

技术效果：本实用新型的燃料电池装置通过封装壳体以及双极板的结构设置，使得燃料电池中多余的气态和液态水能够及时排出，避免由于含水量过多而堵塞反应气体的扩散传质通路，同时防止水排出速度过快造成燃料电池内含水量不足导致质子传导速率过慢，避免由于催化剂水淹或质子传导速度下降导致能量转化效率降低，提高燃料电池的安全性和能量转化效率。

附图说明

图1为燃料电池装置整体结构(包括燃料电池封装壳体及燃料电池堆叠体) 示意图；

图2为封装壳体顶部结构示意图(俯视图)；

图3为封装壳体底部结构示意图(俯视图)；

图4为双极板中阴极板结构示意图；

图5为图4中A-A一侧截面示意图；

图6为图4中B-B一侧截面示意图。

其中的附图标记如下：

1-封装壳体；2-燃料电池堆叠体；3-顶部；4-侧壁；5-底部；6-单元燃料电池； 7-气体出口；8-气体吹扫口；9-排水渠；10-排水管；11-第一流道；12-第二流道； 13-第一流道进口；14-出口；15-第二流道进口。

具体实施方式

下面将结合附图1-6对本实用新型进行详细说明。需要注意的是，为了便于理解，附图中所示出的各部分的尺寸并非按照实际比例进行绘制。同时，本实用新型中有关方位的用语如“上、下、顶、底”等表示装置习惯摆放时各部位的相对位置。对于本领域技术人员已知的技术在此可能不作详细描述，但应当被视为说明书的一部分。

如图1-3所示，燃料电池装置包括封装壳体1和设置在封装壳体1内的燃料电池堆叠体2，封装壳体1由顶部3、侧壁4和底部5围成，燃料电池堆叠体2 包括堆叠在一起的单元燃料电池6。单元燃料电池6包括膜电极组件(图中未示出)、气体扩散层(图中未示出)和双极板，双极板包括相互接合的阳极板和阴极板。阴极板和阳极板接合的方式可使用本领域公知的技术，如粘合、焊接等。封装壳体顶部3朝向燃料电池堆叠体2的一侧由四个斜面组成，四个斜面分别为三角形，且四个斜面侧边依次接合，顶点重合，顶点即为顶部3的中心，三角形底边即为顶部3边缘。四个斜面从顶部3中心到边缘分别向下倾斜，也就是说，中心为最高点，边缘为最低点。更形象地说，上述四个斜面构成了一个四棱锥的四个侧面。

顶部3设置有气体出口7。侧壁4底端设置有气体吹扫口8，气体出口7和气体吹扫口8的数量和大小可根据燃料电池堆叠体2的整体功率以及空气湿度、氢气含量的实际情况具体设置。气体出口7可设置在顶部3中心。封装壳体底部 5边缘设置有排水渠9，排水渠9远离燃料电池堆叠体的一侧与排水管10相连通。

如图4-6所示，阴极板设置有阴极流场，阴极流场包括间隔平行设置的第一流道11和第二流道12，第一流道11和第二流道12都为直线形流道且垂直于阴极板边缘设置，第一流道11位于阴极板第一侧的一端设置有第一流道进口13，第一流道11位于阴极板第二侧的一端设置有出口14，第二流道12位于阴极板第一侧的一端设置有第二流道进口15，第二流道12位于阴极板第二侧的一端封闭。以上提到的阴极板第一侧和阴极板第二侧相对平行设置。阳极板结构可以与阴极板结构完全相同，也可以使用本领域公知的结构，在此不再赘述。

封装壳体1靠近燃料电池堆叠体的一面设置有疏水涂层(图中未示出)。上述燃料电池堆叠体为本领域公知的燃料电池电堆；封装壳体的材料以及疏水涂层可以采用本领域现有的材料。

阴极板的第一流道11和第二流道12横截面可以为本领域常见的形状，优选为矩形；第一流道11的横截面面积大于第二流道12。排水渠连通的排水管的数量可根据燃料电池堆叠体2功率的实际情况具体设置(电池堆叠体2的功率高，则产水量较大，需要排水管的数量多；电池堆叠体2的功率较低，则产水量较小，需要排水管的数量少)，在本实施方式中，排水渠远离燃料电池堆叠体的一侧与 8个排水管相连通。

在实际工作过程中，燃料电池堆叠体2中的单元燃料电池6工作产生水，同时可能泄露少量氢气至封装壳体1内。从封装壳体1侧壁4上的气体吹扫口8 向封装壳体1内吹扫空气，同时带入空气中的水蒸气。由于氢气本身密度较小以及在吹扫的空气作用下，泄露的少量氢气聚集在封装壳体1内顶端，从气体出口 7排出封装壳体1，从而排出整个燃料电池装置。燃料电池堆叠体2中的单元燃料电池6工作产生的水通过第一流道和第二流道的间隔设置，使第二流道内多余的水在从进口进入的气体(空气)吹扫驱动下渗透经过气体扩散层和阴极板接合处进入第一流道，并在第一流道的出口排出燃料电池堆叠体，由于第二流道没有出口，因此在第二流道内可以残余少量水，从而实现在避免催化剂水淹的同时防止水排出速度过快造成燃料电池内含水量不足导致质子传导速率过慢。吹扫的空气带入的部分水蒸气以及燃料电池电化学反应生成的部分水蒸气在顶部内侧冷凝，且冷凝水从顶部内侧的高位滑至低位(即边缘)，由于顶部边缘位于底部边缘正上方，因此冷凝水直接滴入底部边缘的排水渠。因此，本燃料电池装置能够及时将自身多余水蒸气和液态水排出，避免由于催化剂水淹或质子传导速度下降导致能量转化效率降低。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有排水结构的燃料电池装置，包括封装壳体(1)和设置在所述封装壳体(1)内的燃料电池堆叠体(2)，所述封装壳体(1)包括顶部(3)、侧壁(4)和底部(5)，所述燃料电池堆叠体(2)包括堆叠在一起的单元燃料电池(6)，所述单元燃料电池(6)包括膜电极组件、气体扩散层和双极板，所述双极板包括阳极板和阴极板；其特征在于，所述顶部(3)朝向所述燃料电池堆叠体的一侧包括从顶部中心到边缘向下倾斜的四个斜面，所述四个斜面构成四棱锥的四个侧面，所述顶部(3)设置有气体出口(7)；所述侧壁(4)底端设置有气体吹扫口(8)；所述底部边缘设置有排水渠(9)，所述排水渠(9)远离所述燃料电池堆叠体(2)的一侧与排水管(10)相连通；所述阴极板包括间隔平行设置的第一流道(11)和第二流道(12)，所述第一流道(11)和第二流道(12)都为直线形且垂直于流场板边缘设置，所述第一流道(11)两端分别设置有第一流道进口(13)和出口(14)，所述第二流道(12)一端设置有第二流道进口(15)另一端封闭。

2.根据权利要求1所述的具有排水结构的燃料电池装置，其特征在于，所述封装壳体(1)靠近所述燃料电池堆叠体(2)的一面设置有疏水涂层。

3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，所述四个斜面与所述侧壁(4)的夹角α的取值范围为90°＜α≤120°；所述侧壁(4)垂直于所述底部(5)设置。

4.根据权利要求1所述的具有排水结构的燃料电池装置，其特征在于，所述第一流道(11)和所述第二流道(12)的横截面为矩形。

5.根据权利要求1所述的具有排水结构的燃料电池装置，其特征在于，所述第一流道(11)的横截面面积大于第二流道(12)。

6.根据权利要求1所述的具有排水结构的燃料电池装置，其特征在于，所述排水渠(9)远离所述燃料电池堆叠体的一侧与4～8个所述排水管(10)相连通。

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