CN214956985U - 燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括多个子燃料电池电堆，所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第一进气通道通过第一电控阀连接到第一主进气通道，并且所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第二进气通道通过第二电控阀连接到第二主进气通道。所述第一电控阀和第二电控阀能够在多个状态之间切换，从而在不同的状态下使不同组合的子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道。根据本公开的燃料电池电堆能够充分利用处于使用状态的电池单体的可用功率，延长燃料电池电堆的使用寿命，稳定燃料电池电堆的输出功率，以及优化燃料电池电堆的热管理，提高其使用寿命。

Description

燃料电池电堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池是将外部供应的还原剂和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转换为电能、热能和其他反应产物的发电装置。燃料电池电堆通常由多个电池单体构成。在现有燃料电池电堆的运行过程中，其中的每个电池单体均处于使用状态，这导致电池单体的功率无法得到充分利用，燃料电池电堆的使用寿命变短，并且燃料电池电堆的热管理也成为一项不小的挑战。

因此，本领域中需要一种能够解决上述问题的燃料电池电堆。

实用新型内容

本公开提出了一种燃料电池电堆，所述燃料电池电堆包括多个子燃料电池电堆，所述多个子燃料电池电堆中的每一个包括：第一进气通道、第一出气通道和并联连接在所述第一进气通道与第一出气通道之间的多条气流支路；以及第二进气通道、第二出气通道和并联连接在所述第二进气通道与第二出气通道之间的多条气流支路，其中，所述第一进气通道与第一出气通道之间的多条气流支路和所述第二进气通道与第二出气通道之间的多条气流支路被布置为形成多个气流支路对，每个气流支路对用于子燃料电池电堆中的一个电池单体，并且其中，所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第一进气通道通过第一电控阀连接到第一主进气通道，并且所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第二进气通道通过第二电控阀连接到第二主进气通道，所述第一电控阀和第二电控阀能够在多个状态之间切换，从而在不同的状态下使不同组合的子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道。

在一种实施方式中，所述多个子燃料电池电堆包括第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆，并且所述第一电控阀和第二电控阀能够在第一状态和第二状态之间切换，其中，在第一状态下，仅第一子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道，在第二状态下，仅第二子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道。

在一种实施方式中，所述多个子燃料电池电堆包括第一子燃料电池电堆至第三子燃料电池电堆，并且所述第一电控阀和第二电控阀能够在第一状态至第三状态之间切换，其中，在第一状态下，第二子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道，在第二状态下，第一子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道，并且在第三状态下，第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道和第二主进气通道。

在一种实施方式中，所述多个子燃料电池电堆包括不同数量的电池单体。

在一种实施方式中，至少一个子燃料电池电堆的多个气流支路对中的一部分气流支路对的每条气流支路的入口和出口处设置有第三电控阀，所述第三电控阀能够在打开状态和关闭状态之间切换。

在一种实施方式中，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的间隔布置的电池单体。

在一种实施方式中，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的内侧的电池单体。

在一种实施方式中，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的外侧的电池单体。

在一种实施方式中，所述燃料电池电堆还包括控制器，所述控制器被配置为与所述第一电控阀和第二电控阀通信，以控制所述第一电控阀和第二电控阀的状态切换。

在一种实施方式中，所述燃料电池电堆还包括控制器，所述控制器被配置为与所述第一电控阀、第二电控阀和第三电控阀通信，以控制所述第一电控阀、第二电控阀和第三电控阀的状态切换。

根据本公开的燃料电池电堆能够充分利用处于使用状态的电池单体的可用功率，延长燃料电池电堆的使用寿命，稳定燃料电池电堆的输出功率，以及优化燃料电池电堆的热管理，提高其使用寿命。

附图说明

提供说明书附图以帮助阅读者更透彻地理解本公开，其中：

图1是现有技术中的燃料电池电堆的配置的示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的燃料电池电堆的配置的示意图；以及

图3是对图2所示的燃料电池电堆的进一步改进的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本公开进行描述。应当理解，提供具体实施例仅是出于便于透彻理解本公开的目的，而不旨在限制本公开。因此，以下实施例只是示例性的，并且本公开的保护范围仅由所附权利要求限定。

参考图1，其示意性地示出了现有技术中的燃料电池电堆的配置。如图1所示，燃料电池电堆包括第一进气通道1a、第一出气通道1b以及并联连接在第一进气通道1a与第一出气通道1b之间的多条气流支路2a-2i。气体从第一进气通道1a流入，进入各气流支路2a-2i中用于反应，剩余的气体从气流支路2a-2i中离开，汇聚到第一出气通道1b中流出，如图中箭头所示。

该燃料电池电堆还包括第二进气通道3a、第二出气通道3b以及并联连接在第二进气通道3a与第二出气通道3b之间的多条气流支路4a-4i。气体从第二进气通道3a流入，进入各气流支路4a-4i中用于反应，剩余的气体从气流支路4a-4i中离开，汇聚到第二出气通道3b中流出，如图中箭头所示。

其中，流入第一进气通道1a的气体可以是诸如氢气的还原性气体，并且流入第二进气通道3a的气体可以是诸如氧气的氧化性气体，反之亦然。

再次参考图1，所述多条气流支路2a-2i与多条气流支路4a-4i被布置为形成多个气流支路对，每个气流支路对用于燃料电池电堆中的一个电池单体。以组成气流支路对的气流支路2a和4a为例，它们用于图中虚线框所指示的电池单体C1。具体地，气流支路2a和4a分别形成在电池单体C1两端的隔板中，因此也可以称为隔板通道。从电池单体C1两端的隔板向内分别设置有阳极和阴极，气流支路2a和4a可分别用于向阳极和阴极供应反应气体。

此外，用于相邻电池单体的气流支路对中的一个阳极气流支路(例如4a)和一个阴极气流支路(例如2b)可以紧邻彼此设置，使得它们能够形成在同一隔板中。该隔板能够防止两气流支路4a和2b中的反应气体串通，同时在布置于其两侧的不同电池单体的阳极和阴极之间建立电流通路。以这种方式，多个隔板将多个电池单体串联连接，以形成具有高可用功率的燃料电池电堆。

在图1所示的燃料电池电堆的运行过程中，反应气体将流入每个电池单体两端的气流支路中。因此，每个电池单体均处于使用状态。这将导致电池单体的功率无法得到充分利用，而且燃料电池电堆的使用寿命变短。此外，由于每个电池单体在使用状态下均产生热量，导致燃料电池电堆的热管理成为一项不小的挑战。

图2是根据本实用新型的一个实施例的燃料电池电堆的配置的示意图。如图2所示，该燃料电池电堆包括多个子燃料电池电堆。具体地，该燃料电池电堆包括两个子燃料电池电堆，即第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆。应当理解，本实用新型并不限制子燃料电池电堆的数量，只要允许，该燃料电池电堆可以包括任何合适数量的子燃料电池电堆。

上述子燃料电池电堆的结构类似于图1中所示的燃料电池电堆的结构。其中，第一子燃料电池电堆包括第一进气通道1a、第一出气通道1b以及并联连接在第一进气通道1a与第一出气通道1b之间的多条气流支路2a-2i，并且还包括第二进气通道3a、第二出气通道3b以及并联连接在第二进气通道3a与第二出气通道3b之间的多条气流支路4a-4i。第二子燃料电池电堆也包括第一进气通道1a、第一出气通道1b以及并联连接在第一进气通道1a与第一出气通道1b之间的多条气流支路2a-2e，并且还包括第二进气通道3a、第二出气通道3b以及并联连接在第二进气通道3a与第二出气通道3b之间的多条气流支路4a-4e。

其中，第一子燃料电池电堆的第一进气通道1a和第二子燃料电池电堆的第一进气通道1a通过第一电控阀5a连接到第一主进气通道6，并且第一子燃料电池电堆的第二进气通道3a和第二子燃料电池电堆的第二进气通道3a通过第二电控阀5b连接到第二主进气通道7。所述第一电控阀5a和第二电控阀5b通过有线或无线方式与控制器(图中未示出)通信。该控制器被配置为使第一电控阀5a和第二电控阀5b在第一状态和第二状态之间切换。在第一状态下，第一电控阀5a和第二电控阀5b分别将第一主进气通道6和第二主进气通道7连通到第一子燃料电池电堆的第一进气通道1a和第二进气通道3a，使得仅第一子燃料电池电堆中的电池单体处于使用状态。在第二状态下，第一电控阀5a和第二电控阀5b分别将第一主进气通道6和第二主进气通道7连通到第二子燃料电池电堆的第一进气通道1a和第二进气通道3a，使得仅第二子燃料电池电堆中的电池单体处于使用状态(如图2所示)。由此，在燃料电池电堆的运行过程中，通过控制第一电控阀5a和第二电控阀5b的状态，可以使单个子燃料电池电堆中的电池单体处于使用状态，而其余子燃料电池电堆的电池单体处于未使用状态。

图2所示的燃料电池电堆能够实现如下好处：(1)能够充分利用处于使用状态的电池单体的可用功率；(2)通过交替使用各个子燃料电池电堆，延长燃料电池电堆的使用寿命；(3)由于部分子燃料电池电堆被关闭，处于使用状态的子燃料电池电堆两端的气压更加稳定，从而能够稳定燃料电池电堆的输出功率；以及(4)由于在燃料电池电堆的运行过程中仅处于使用状态的子燃料电池电堆生成热量，优化了燃料电池电堆的热管理，还可以提高其使用寿命。

在图2所示的示例中，第一主进气通道6和第二主进气通道7中的一个用于供应氧化性气体，另一个用于供应还原性气体。此外，第一子燃料电池电堆的电池单体的数量大于第二子燃料电池电堆的电池单体的数量。由此，燃料电池电堆可以根据功率需求使第一电控阀5a和第二电控阀5b在第一状态和第二状态之间切换，从而提供不同的输出功率。

应当理解，在燃料电池电堆包括多于两个子燃料电池电堆的情况下，每一个子燃料电池电堆的第一进气通道均通过第一电控阀5a连接到第一主进气通道6，并且每一个子燃料电池电堆的第二进气通道均通过第二电控阀5b连接到第二主进气通道7。此外，每个电控阀具有与子燃料电池电堆的数量相同数量的状态，控制器控制电控阀在多个状态之间切换，以使相应的子燃料电池电堆处于使用状态，而其余的子燃料电池电堆处于未使用状态。

还应当理解，所述第一电控阀5a和第二电控阀5b的控制逻辑并不限于如上所阐述的逻辑。例如，在替代实施例中，所述控制器可以使第一电控阀5a和第二电控阀5b在多个状态之间切换，使得在各个状态下，多个子燃料电池电堆中的不同组合的子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道被连通到主进气通道6和7。例如，燃料电池电堆可以包括第一至第三子燃料电池电堆，并且第一电控阀5a和第二电控阀5b能够在第一至第三状态之间切换。其中，在第一状态下，第二子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到主进气通道6和7；在第二状态下，第一子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到主进气通道6和7；并且在第三状态下，第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到主进气通道6和7。当然，本领域技术人员还可以设想对应于电控阀的各个状态而被接通到主进气通道6和7的其他组合的子燃料电池电堆。

图3是对图2所示的燃料电池电堆的进一步改进的示意图，其中以图2中的第一子燃料电池电堆为例进行说明。如图3所示，在用于第一子燃料电池电堆的间隔布置的电池单体C2、C4、C6、C8的气流支路对上设置有多个第三电控阀5c。其中，每个气流支路对上设置有四个第三电控阀5c，它们分别设置在每条气流支路的入口和出口处。所述多个第三电控阀5c通过有线或无线方式与控制器(图中未示出)通信。该控制器被配置为打开或关闭第三电控阀5c，以控制相应电池单体的使用状态。当一个气流支路对上的四个第三电控阀5c被打开时，相应电池单体在燃料电池电堆的运行过程中处于使用状态。当一个气流支路对上的四个第三电控阀5c被关闭时，相应电池单体在燃料电池电堆的运行过程中处于未使用状态。其中，设置在气流支路的入口处的第三电控阀5c用于防止第一和第二进气通道1a、3a中的气体流入电池单体内，而设置在气流支路的出口处的第三电控阀5c用于防止第一和第二出气通道1b、3b中的气体回流到电池单体中。由此，在燃料电池电堆的运行过程中，通过控制相应第三电控阀5c的打开/关闭状态，可以使部分电池单体处于使用状态，而其余电池单体处于未使用状态。从而，能够在电池单体的水平上控制整个燃料电池电堆的可用功率。

应当理解，图2中所示的第三电控阀5c的布置只是示意性的，根据本实用新型的实施例的第三电控阀5c不一定要设置在间隔布置的电池单体的气流支路上。相反，可以根据实际使用场景在任何合适的电池单体的气流支路上设置第三电控阀5c。例如，可以在燃料电池电堆内侧的多个电池单体的气流支路上设置第三电控阀5c，也可以在燃料电池电堆外侧的多个电池单体的气流支路上设置第三电控阀5c，只要所设置的第三电控阀5c能够用于使相应电池单体在使用状态和未使用状态之间切换即可。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”至“第三”等仅用于区别类似的对象，并不用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，被冠以“第一”至“第三”等的对象在适当的情况下可以互换。

尽管以上公开了本实用新型的具体实施例，但是本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的条件下，可以进行各种修改、替换和变化。因此，本公开的范围不局限于上述具体实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆包括多个子燃料电池电堆，所述多个子燃料电池电堆中的每一个包括：

第一进气通道(1a)、第一出气通道(1b)和并联连接在所述第一进气通道(1a)与第一出气通道(1b)之间的多条气流支路(2a-2i)；以及

第二进气通道(3a)、第二出气通道(3b)和并联连接在所述第二进气通道(3a)与第二出气通道(3b)之间的多条气流支路(4a-4i)，

其中，所述第一进气通道(1a)与第一出气通道(1b)之间的多条气流支路(2a-2i)和所述第二进气通道(3a)与第二出气通道(3b)之间的多条气流支路(4a-4i)被布置为形成多个气流支路对，每个气流支路对用于子燃料电池电堆中的一个电池单体，并且

其中，所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第一进气通道(1a)通过第一电控阀(5a)连接到第一主进气通道(6)，并且所述多个子燃料电池电堆中的每一个的第二进气通道(3a)通过第二电控阀(5b)连接到第二主进气通道(7)，所述第一电控阀(5a)和第二电控阀(5b)能够在多个状态之间切换，从而在不同的状态下使不同组合的子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述多个子燃料电池电堆包括第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆，并且所述第一电控阀(5a)和第二电控阀(5b)能够在第一状态和第二状态之间切换，其中，在第一状态下，仅第一子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)，在第二状态下，仅第二子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)。

3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述多个子燃料电池电堆包括第一子燃料电池电堆至第三子燃料电池电堆，并且所述第一电控阀(5a)和第二电控阀(5b)能够在第一状态至第三状态之间切换，其中，在第一状态下，第二子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)，在第二状态下，第一子燃料电池电堆和第三子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)，并且在第三状态下，第一子燃料电池电堆和第二子燃料电池电堆的第一进气通道和第二进气通道连通到所述第一主进气通道(6)和第二主进气通道(7)。

4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述多个子燃料电池电堆包括不同数量的电池单体。

5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，至少一个子燃料电池电堆的多个气流支路对中的一部分气流支路对的每条气流支路的入口和出口处设置有第三电控阀(5c)，所述第三电控阀(5c)能够在打开状态和关闭状态之间切换。

6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的间隔布置的电池单体(C2、C4、C6、C8)。

7.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的内侧的电池单体。

8.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述一部分气流支路对用于所述至少一个子燃料电池电堆的外侧的电池单体。

9.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括控制器，所述控制器被配置为与所述第一电控阀(5a)和第二电控阀(5b)通信，以控制所述第一电控阀(5a)和第二电控阀(5b)的状态切换。

10.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括控制器，所述控制器被配置为与所述第一电控阀(5a)、第二电控阀(5b)和第三电控阀(5c)通信，以控制所述第一电控阀(5a)、第二电控阀(5b)和第三电控阀(5c)的状态切换。

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