CN216597652U - 集成增湿部件的燃料电池的电堆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种集成增湿部件的燃料电池的电堆，包括：电堆本体、增湿部件、第一端板、第二端板；其中第一端板将所述电堆与供氧系统连接，第二端板将所述增湿部件与所述电堆本体连接，所述第二端板上具有将所述电堆本体的空气出气口和增湿器相连的通道。本申请实现了增湿部件和电堆本体的无缝连接的最简化系统设计，结构最简单，体积尺寸最小化。

Description

集成增湿部件的燃料电池的电堆

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，特别涉及一种集成增湿部件的燃料电池的电堆。

背景技术

燃料电池是一种能以较高的效率将燃料与氧化剂(通常是空气中的氧气) 通过化学反应直接转化为电能的发电装置，其反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。

从早期的油电混动型，到后来的纯电型，再到现在的电电(燃料电池与电池)混动型，这预示着人们将越来越多的关注投向了更加清洁、环保的燃料电池车上。因此吸引了各大车厂及燃料电池界的专业技术人员对燃料电池汽车的研究与开发。

但是，由于各类车型的不同，而燃料电池本身又是一种具有高科技含量的、复杂的系统，并非简单的与传统发动机的替换即可，因此合适的零部件对于燃料电池系统的布置方案商会有很大的影响。电堆反应条件对空气的温度、湿度都有要求。空气经过空气压缩机增压后，温度已经急剧上升，过高温度的空气进入电堆后也会缩短质子交换膜寿命，因此在空气需要首先进入中冷器，冷却液和热空气在中冷器中进行换热，准确控制进入电堆的温度。燃料电池电堆在反应过程中，质子交换膜需要结合水才能保持质子的传导性，进而使得质子交换膜需维持一定的湿度以保证较高的反应效率，否则，当大量干燥的空气向燃料电池供应并离开燃料电池时，容易将质子交换膜中的水分子带走，使质子无法顺利通过质子交换膜，导致电极内阻急剧增加，电池性能急剧下降。因此，要求反应介质需携带一定量的水蒸气进入电堆，这一步通常需通过增湿器来实现，因此，增湿器作为燃料电池系统所必须的零部件显得尤为重要，空气经过中冷器控制温度后，进入增湿器，使进入燃料电池的空气相对湿度提高，以免使质子交换膜失水。

目前所用的燃料电池一般将增湿器设置在供氧系统中，但是增湿器和电堆的如何连接一直占用了太多的空间，造成了结构不紧凑，同时也造成了额外的管路压降。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种集成增湿部件的燃料电池的电堆，使得相对于电堆，增湿器更合理地布置、燃料电池系统内部的结构更加紧凑。

本申请公开了一种集成增湿部件的燃料电池的电堆，包括：电堆本体、增湿部件、第一端板、第二端板；其中

第一端板将所述电堆与供氧系统连接，

第二端板将所述增湿部件与所述电堆本体连接，所述第二端板上具有将所述电堆本体的空气出气口和增湿器相连的通道。

在一个优选例中，所述第二端板是由第一子板、第二子板拼合而成的，其中，所述第一子板与所述增湿部件连接，所述第二子板与所述电堆本体连接。

在一个优选例中，所述第二端板上具有用于供氧气流入所述电堆本体的通道，所述用于供氧气流入电堆本体的通道与所述增湿部件的出气口互相对位。

在一个优选例中，所述将电堆本体的空气出气口和增湿器相连的通道的截面是三角形。

在一个优选例中，所述第二端板上具有用于供氢气流入所述电堆本体的通道，和/或还具有用于供氢气流出所述电堆本体的通道。

在一个优选例中，所述第二端板上具有用于供冷却液流入所述电堆本体的通道，和/或还具有用于供冷却液流出所述电堆本体的通道。

在一个优选例中，所述第一端板具有干燥气进气口和湿气出气口，其中，所述干燥气进气口与供氧系统的中冷器相连接；所述湿气出气口与尾排相连接。

在一个优选例中，所述第二端板上设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量进入/流出所述电堆本体的氢气的压力，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的空气的压力。

在一个优选例中，所述第二端板上设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量进入/流出所述电堆本体的氢气的温度，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的空气的温度，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的冷却液的温度。

在一个优选例中，所述第二端板上设置有湿度传感器，所述湿度传感器用于测量进入、流出增湿部件的干燥空气的湿度。

在一个优选例中，所述第一端板上的干燥气进气口集成进气节气门，和 /或所述湿气出气口处集成出气节气门。

本申请至少具有以下技术效果：

1.无缝连接增湿器和电堆，最简化系统设计，结构最简单，体积尺寸最小化；

2.管路压降降低到最低，效率最高；

3.两侧端板上可集成所有必须的压力/温度/湿度传感器，以及球阀和背压阀，达到一体化设计。

附图说明

图1是根据本申请的集成增湿部件的燃料电池的电堆的示意图

附图标记说明:

1－电堆本体

2-增湿部件

201-湿空气进气口

3-第一端板

301-干燥空气进气口

302-湿空气出气口

4-第二端板

401-干燥空气出气口

410-电堆空气进气口

420-电堆空气出气口

430-电堆氢气进气口

440-电堆氢气出气口

450-电堆冷却液进口

460-电堆冷却液出口

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

术语

如本文所用，“电堆”、“燃料电池电堆”、“燃料电池的电堆”可互换使用，均指代本申请的集成增湿部件的燃料电池的电堆。

部分概念的说明：

电堆

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。单体电池是由将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成；若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

增湿部件

空气经过中冷器控制温度后，仍需进入增湿部件进行增湿，增湿部件一般来说是指增湿器，其原理是利用电堆阴极出口的饱和气体对电堆入口前的干燥气体在增湿器内进行增湿。

本实用新型的集成增湿部件的燃料电池的电堆如图1所示，包括：电堆本体1、增湿部件2、第一端板3、第二端板4。第一端板又可称为增湿器端板，将本电堆与系统例如中冷器的其他部件相连接。第一端板3具有干燥空气进气口301，干燥空气进气口与中冷器相通，用于接收从中冷器排出的干燥冷空气。在一个实施例中，经过电堆本体反应的空气具有高湿度，将其通入增湿部件，用于给干燥空气增湿；而第一端板还具有湿空气出气口302，将流经后增湿部件排出。第一端板上的干燥气进气口、湿气出气口302都可以分别集成进气节气门，节气门起到背压阀的作用。

第二端板4(又称电堆下端板)位于电堆本体下方，设置在电堆本体和增湿部件之间，将增湿部件与所述电堆本体连接，实现增湿部件与电堆本体的单电池组集成化。

第二端板是独立的一块板，具有集成化高的优点。在可选的实施例中，第二端板还可以是由两块子板拼合而成的：第一子板与增湿部件连接，与增湿部件形成一个整体；第二子板与电堆本体连接，与电堆本体形成一个整体。而后两块子板可以通过扣接、压接等形式拼合而成。采用两块子板的优点在于，能够分别将增湿部件和电堆本体各自安装，而后完成组装集成，灵活性更高。

第二端板上具有多个通道，功能为将不同的反应气体或冷却液送入或送出电堆本体。具体地：

第二端板上具有电堆空气进气口410，用于进入电堆本体进行反应的空气自电堆空气进气口410流入。在具有两块子板的情况下，第一子板上还可具有干燥空气出气口401，干燥空气出气口401与增湿部件的出气口对位，并与电堆本体相通，用于将经过增湿部件增湿的干燥冷空气供应给电堆本体，用于电堆本体的单电池组进行电化学反应。

电堆本体反应后的空气从电堆本体的出气口流出。第二端板上具有与该出气口对位的通道，即电堆空气出气口420。为使得流量增加，当电堆空气出气口420的截面积采用三角形时，流量最大。电堆空气出气口420与增湿部件的湿空气进气口201互相对位。由于反应后的空气具有较高的湿度，第二端板的电堆空气出气口420直接将电堆本体与增湿部件的湿空气进气口 201接通，由此增湿部件是使用电堆空气出气的湿空气对流入增湿部件的干燥空气进行增湿的。

在一个实施例中，第二端板上具有用于供氢气流入所述电堆本体的通道，即电堆氢气进气口430，还具有用于供氢气流出所述电堆本体的通道，即电堆氢气出气口440。电堆氢气进气430与氢气源联通，例如氢气循环泵。电堆氢气进气口430和电堆氢气出气口440的截面也可以是三角形。

第二端板上具有用于供冷却液流入和/或流出电堆本体的通道，即电堆冷却液进口450、电堆冷却液出口460。

第二端板上可以设置有各种传感器：例如，温度传感器、压力传感器、湿度传感器。压力传感器可以用于测量进入、流出电堆本体的氢气的压力。

在一部分实施例中，在第二端板上设置有氢气浓度传感器(图中未示出)。控制器与传感器电连接。根据电堆的实时氢气浓度值，决定是否向电堆内部执行氢气吹扫。吹扫结构可以是由供氧系统引申出(例如，从中冷器出气口延伸出的分支结构)，并配有电磁阀。

控制器内存储有预设含氢气浓度值。将传感器获得的实时氢气浓度值与预设含氢气浓度值作比较，当实时氢气浓度值高于预设含氢气浓度值时，控制器发送使能命令，打开吹扫结构的电磁阀，通过较大量的空气吹扫来降低尾排氢气浓度。

压力传感器也可以用于测量进入、流出所述电堆本体的空气的压力。

第二端板上可以设置有温度传感器，用于测量进入、流出电堆本体的氢气的温度，或用于测量进入、流出电堆本体的空气的温度，还可以用于测量进入、流出所述电堆本体的冷却液的温度。根据测量流入、流出电堆的冷却液的温度，可以计算电堆中的换热效率。

第二端板上还可以设置有湿度传感器，用于测量进入、流出增湿部件的干燥空气的湿度，根据测量流入、流出增湿部件的干燥空气的湿度，可以计算增湿部件的增湿效率。

为了能够更好地理解本申请的技术方案，下面结合具体的实施例来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本申请保护范围的限制。

实施例1、尾排氢气的感测与吹扫

本实施例的第二端板的电堆氢气出气口440上设置有氢气浓度传感器。供氧系统的中冷器上设置一吹扫墩头，墩头引申进入电堆本体，并配有电磁阀，可以用于向电堆内部执行吹扫。

控制器内存储有预设含氢气浓度值：4500ppm。将传感器获得的实时氢气浓度值与4500ppm作比较。实时氢气浓度值为5500ppm，即实时氢气浓度值高于预设含氢气浓度值时，说明尾排氢气浓度过高。控制器发送使能命令，打开吹扫结构的电磁阀，想电堆本体执行吹扫，以降低氢气浓度。

一段时间后测得实时氢气浓度为3000ppm，电堆氢气浓度得到有效降低。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种集成增湿部件的燃料电池的电堆，其特征在于，包括：电堆本体、增湿部件、第一端板、第二端板；其中

第一端板将所述电堆与供氧系统连接，

第二端板将所述增湿部件与所述电堆本体连接，所述第二端板上具有将所述电堆本体的空气出气口和增湿器相连的通道。

2.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板是由第一子板、第二子板拼合而成的，其中，所述第一子板与所述增湿部件连接，所述第二子板与所述电堆本体连接。

3.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板上具有用于供氧气流入所述电堆本体的通道，所述用于供氧气流入电堆本体的通道与所述增湿部件的出气口互相对位。

4.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述将电堆本体的空气出气口和增湿器相连的通道的截面是三角形。

5.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板上具有用于供氢气流入所述电堆本体的通道，和/或还具有用于供氢气流出所述电堆本体的通道。

6.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板上具有用于供冷却液流入所述电堆本体的通道，和/或还具有用于供冷却液流出所述电堆本体的通道。

7.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第一端板具有干燥气进气口和湿气出气口，其中，所述干燥气进气口与供氧系统的中冷器相连接；所述湿气出气口与尾排相连接。

8.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板上设置有压力传感器，所述压力传感器用于测量进入/流出所述电堆本体的氢气的压力，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的空气的压力。

9.如权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第二端板上设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量进入/流出所述电堆本体的氢气的温度，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的空气的温度，和/或用于测量进入/流出所述电堆本体的冷却液的温度。

10.如权利要求7所述的电堆，其特征在于，所述第一端板上的干燥气进气口集成进气节气门，和/或所述湿气出气口处集成出气节气门。

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