CN219106198U - 一种电堆结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种电堆结构及燃料电池，该电堆结构包括电堆主体和第一假电池；电堆主体上形成有进气流道，第一假电池设置在电堆主体末端侧；且电堆主体包括多个单体电池，每一单体电池中设置有第一流道；本申请通过在第一假电池中设置第二流道，第二流道以及第一流道均与进气流道连通；并设置第二流道的风阻小于第一流道的风阻，有利于减少气体聚集堵塞在进气流道末端的现象，并有利于提高电堆主体末端侧的气流流量，进而可提高电堆主体两侧的气流流量的均匀性。

Description

一种电堆结构及燃料电池

技术领域

本申请涉及新能源电池技术领域，尤其涉及一种电堆结构及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种利用催化反应将化学能直接转化为电能的发电装置。目前的燃料电池包括电堆主体，电堆主体由多个单体电池堆叠而成。且电堆主体中设置有进气流道，以给每一单体电池供气。

在相关技术中，进气流道一般包括进气端和盲端。进气管用于连接歧管进气。但是在进气的过程中，进气流道的盲端侧容易产生气体聚集堵塞的现象，导致进气流道盲端侧的气流流速小于进气流道进气端侧的气流流速，就会导致进气流道内进气端和盲端这两侧的气流流量相差很大。若进气流道两侧的气流流量相差较大，可能会导致电堆主体两侧的单体电池供气流量不均匀，进而导致两侧单体电池的电压出现不均匀的情况，甚至会影响到燃料电池的实际使用效果。

由此，如何解决在电堆主体的进气流道两端出现较大的气流差值，导致两侧单体电池供气流量不均匀是目前急需解决的问题。

实用新型内容

本申请旨在提供一种电堆结构及燃料电池，以解决在电堆主体的进气流道两侧出现较大的气流差值，导致两侧单体电池供气流量不均匀的问题。

而本申请为解决上述技术问题所采用了以下方案。

第一方面，本申请提供一种电堆结构，包括：

电堆主体，包括多个单体电池，每一所述单体电池内设置有第一流道；所述电堆主体上设置有连通每一所述第一流道的进气流道；

第一假电池，沿着第一方向设置在所述电堆主体的末端，所述第一方向为所述进气流道内气流的流动方向；所述第一假电池内设置有第二流道，所述第二流道与所述进气流道连通；

其中，所述第二流道的风阻小于所述第一流道的风阻。

在本申请的部分实施例中，所述第二流道的流道截面面积大于所述第一流道的流道截面面积。

在本申请的部分实施例中，所述第二流道的流道深度大于所述第一流道的流道深度。

在本申请的部分实施例中，所述第二流道的流道长度小于所述第一流道的流道长度。

在本申请的部分实施例中，所述第一假电池包括单极板，所述单极板一侧与所述电堆主体抵接，且所述单极板与所述电堆主体上靠近所述第一假电池的单体电池共同限定出冷却液流道；所述单极板背离所述电堆主体的一侧设置有凹槽，所述凹槽限定出所述第二流道。

在本申请的部分实施例中，所述进气流道和所述第一流道的连接处设置有导流面，所述导流面为平滑曲面结构。

在本申请的部分实施例中，所述电堆结构还包括第二假电池，所述第二假电池设置在所述电堆主体背离所述第一假电池的一侧；所述第二假电池内设置有第三流道，所述第三流道与所述进气流道连通；其中，所述第三流道的风阻小于所述第一流道的风阻。

在本申请的部分实施例中，所述第三流道的风阻大于所述第二流道的风阻。

在本申请的部分实施例中，所述第一假电池和所述第二假电池的结构相同。

第二方面，本申请还提供一种燃料电池，包括上述的电堆结构。

本申请所提供的一种电堆结构及燃料电池，该电堆结构包括电堆主体和第一假电池；电堆主体上形成有进气流道，第一假电池设置在电堆主体末端侧；且电堆主体包括多个单体电池，每一单体电池中设置有第一流道；本申请通过在第一假电池中设置第二流道，第二流道以及第一流道均与进气流道连通；并设置第二流道的风阻大于第一流道的风阻，有利于减少气体聚集堵塞在进气流道末端的现象，并有利于提高电堆主体末端侧的气流流量，进而可提高电堆主体两侧的气流流量的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请的现有技术中的电堆结构的示意图；

图2为本申请的一实施例提供的电堆结构的示意图；

图3为本申请的图2的实施例中对应的部分电堆结构的示意图；

图4为本申请的图3的局部A放大示意图；

图5为本申请的另一实施例提供的电堆结构的示意图；

图6为本申请的图5的实施例中对应的部分电堆结构的示意图。

主要元件符号说明：

100-歧管，200-电堆主体，210-单体电池，211-阴极板，212-膜电极，213-阳极板，214-第一流道，220-进气流道，221-涡流，230-冷却液流道，300-第一假电池，310-第二流道，320-凹槽，400-端板，500-第二假电池，510-第三流道，a-第一方向，b-深度，c-宽度。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本申请的描述中，“多个”的含义为两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认为，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对已知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理的最广范围相一致。

请结合图1，图1示出了现有技术中的电堆结构的示意图；电堆主体200包括多个单体电池210，且电堆主体200上设置有进气流道220，进气流道220可连通任意单体电池210。进气流道220一端连接有歧管100，歧管100用于供气给进气流道220，另一端为盲端。

由于在进气流道220的进气过程中，其盲端侧容易产生气体聚集堵塞的现象，导致进气流道220盲端侧的气流流速远小于进气流道220另一侧的气流流速。并且这一现象也可以从相关的进气流道220的流体仿真图中观测到。在进气流道220两端的气流流速相差较大的情况下，电堆主体200两侧的单体电池210中的气流流量也相差较大，导致两侧单体电池210体现出不同的电学性能，进而影响到电堆结构以及燃料电池的电学性能。

本申请基于此对目前的电堆结构及燃料电池进行了改进。

首先，请参阅图2和图3，图2示出了本申请实施例中提供的电堆结构的示意图，图3示出了本实施例中的部分电堆结构的示意图。本实施例中电堆结构包括电堆主体200、歧管100以及第一假电池300。

电堆主体200由多个单体电池210堆叠制成。每一单体电池210可以包括阳极板213、膜电极212和阴极板211。阳极板213和阴极板211由导电材料(例如金属或者石墨)制成。阳极板213和阴极板211上均具有气流流道，以便于导电的同时将反应气体均匀分布在膜电极212两侧。示例性地，阳极板213和阴极板211的流道可以为蛇形或回字形流道。

具体地，每一所述单体电池210内设置有第一流道214。需要解释的是，第一流道214可以是阳极板213上的气流流道也可以是阴极板211上的气流流道。例如，若进气流道220通入氢气，则第一流道214为阳极板213上的气流流道；若进气流道220通入氧气(空气)，则第一流道214为阴极板211上的气流流道。

更为具体地，电堆主体200上设置有连通每一第一流道214的进气流道220。具体地，每一单体电池210上设置有通气孔，该通气孔与对应的第一流道214连通。多个通气孔连通限定出进气流道220。

膜电极212主要包括质子交换膜、阳极气体扩散层、阳极催化层、阴极气体扩散层以及阴极催化层。示例性地，质子交换膜可以为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜或者非氟化聚合物质子交换膜。阳极气体扩散层和阴极扩散层可以为碳纸。

在一些实施例中，歧管100可以为阳极板213和/或阴极板211供气。例如设置一歧管100为阳极板213供应氢气，设置另一歧管100为阴极板211供应氧气(空气)。

歧管100与进气流道220连通，用于给进气流道220供气。一般来说，歧管100背离进气流道220的一端连接有气源，气流经过气源依次进入到歧管100、进气流道220中。

需要解释的是，通过歧管100为单体电池210的阳极板213提供氢气，氢气经过阳极气体扩散层到达阳极催化层后，氢气经催化后发生反应并产生氢离子，氢离子穿过质子交换膜进入阴极板211的一侧。通过歧管100为单体电池210的阴极板211提供氧气(空气)，氧气经过阴极气体扩散层，氧气经过阴极气体扩散层与氢离子结合生成水，在上述氧化还原反应过程中可以产生电能。

第一假电池300不参与到电堆结构的电化学反应中。第一假电池300沿着第一方向a设置在电堆主体200的末端，第一方向a为进气流道220内气流的流动方向。也就是说，若电堆主体200为自下而上堆叠的单体电池210制成，第一假电池300就设置在最底层的单体电池210下。

第一假电池300内设置有第二流道310，第二流道310与进气流道220连通。其中，第二流道310的风阻小于第一流道214的风阻。也就是说，第二流道310内的气流流速大于第一流道214内的气流流速。有利于疏导气流沿着第二流道310流动，防止气流在进气流道220内淤积造成堵塞。

当前的电堆结构中，气流流动至进气流道220的盲端后，其流速就会变慢，导致电堆结构末端的单体电池210内的气流流量很低。而本申请通过在第一假电池300中设置第二流道310，第二流道310以及第一流道214均与进气流道220连通；并设置第二流道310的风阻大于第一流道214的风阻，有利于减少气体聚集堵塞在进气流道220末端的现象，并有利于提高电堆主体200末端侧的气流流量，进而可提高电堆主体200两侧的气流流量的均匀性。

在本申请的部分实施例中，请参阅图4，图4示出了图3的局部A放大示意图；本实施例中的第二流道310的流道截面面积大于第一流道214的流道截面面积。需要解释的是，流道截面为与第二方向垂直的截面，第二方向为第二流道310中气流的流动方向。也就是说，相较于第一流道214，第二流道310的流道更为宽阔，在单位时间内能够通过更多的气流。由于第一假电池300并不参与到电堆结构的电化学反应中，因此能够更容易的对第一假电池300的结构进行改进。

在一些实施例中，请继续参阅图4，第二流道310的宽度c大于第一流道214的宽度。需要解释的是，第二流道310的宽度c是指第二流道310中气流左右两侧之间的间距。

在另一实施例中，请继续参阅图4，第二流道310的流道深度b大于第一流道214的流道深度。需要解释的是，第二流道310的流道深度b是指第二流道310中气流上下两侧之间的间距。流道深度可以理解为是电堆主体200堆叠方向上，流道的厚度尺寸。

在又一实施例中，第二流道310的宽度c大于第一流道214的宽度c，且第二流道310的流道深度b大于第一流道214的流道深度b。

在本申请的部分实施例中，第二流道310的流道长度小于第一流道214的流道长度。如此设置，有利于降低第二流道310中气流在流动过程中的速度损耗。需要解释的是，当前的电堆结构中，第一流道214可以按照蛇型、回字型等结构进行布置，有利于第一流道214中的气流均匀分布到单体电池210上。但是第一假电池300并不参与到电化学反应中，不需要考虑气流均匀分布到单体电池210上的问题。因此，可通过尽量避免气流在第二流道310中拐弯来减小风阻。在一些实施例中，可将第二流道310设置为直线型。第二流道310设置为直线型，一方面能够避免气流转弯减速；另一方面也可以缩短气流路径，减少气流流动过程中的速度损耗。

值得注意的是，上述实施例可以任意组合，并不局限于单独实施。例如，第二流道310的流道长度小于第一流道214的流道长度，且第二流道310的宽度c大于第一流道214的宽度c，以及第二流道310的流道深度b大于第一流道214的流道深度b。

在本申请的部分实施例中，请继续参阅图3，第一假电池300背离电堆主体200的一侧设置有端板400，第一假电池300靠近端板400的一侧设置为平面，平面有利于降低气流风阻，提高气流流速。

在本申请的部分实施例中，请继续参阅图3，第一假电池300包括单极板，单极板一侧与电堆主体200抵接，且单极板与电堆主体200上靠近第一假电池的单体电池210共同限定出冷却液流道230。单极板背离电堆主体200的一侧设置有凹槽320，凹槽320限定出第二流道310。也就是说，单极板能够密封单体电池210，并与单体电池210围合形成冷却液流道230。

在本申请的部分实施例中，进气流道220和第一流道214的连接处设置有导流面，导流面为平滑曲面结构。有利于使进气流道220中的气流更平缓的流动至第一流道214中，有利于减少气流因为拐弯造成的速度损耗。

在一些实施例中，平滑曲面结构包括流线型曲面、圆弧型曲面或其他曲面的任意一者或者任意组合。具体地，流线型可以理解为是气流在其上没有明显分类的物体形状。在流体力学的理论上，气流在流线型结构上相对运动时，气流所受阻力非常小。更为具体地，圆弧型更易于加工，并且也能够减小气流阻力。圆弧型可以包括正圆弧型、椭圆弧型。

在本申请的部分实施例中，请参阅图5和图6，图5示出了本实施例中的电堆结构的示意图，图6示出了本实施例中的部分电堆结构的示意图；本实施例中的电堆结构还包括第二假电池500，第二假电池500设置在电堆主体200背离第一假电池300的一侧。第二假电池500内设置有第三流道510，第三流道510与进气流道220连通。其中，第三流道510的风阻小于第一流道214的风阻。

需要说明的是，进气流道220中的进气端处容易产生涡流221，就会导致涡流221处的单体电池210的气流流量小。本实施例中通过设置第二假电池500，通过风阻更小的第三流道510将涡流221处的气流引导而出，有利于降低进气端处的涡流221。进而有利于提高进气端处单体电池210内的气流流量。

在本申请的部分实施例中，第三流道510的风阻大于第二流道310的风阻。由于即使在不加第一假电池300和第二假电池500的情况下，进气流道220的末端气流流速会低于进气端气流流速。设置第二流道310风阻更小，可更多的提高进气流道220末端的气流流速，以促使进气流道220两端的气流流速保持平衡。

在本申请的部分实施例中，第一假电池300和第二假电池500的结构相同。有利于方便进行统一的生产制造，降低生产成本。

进一步地，为了更好的实施本申请实施例中电堆结构，在电堆结构的基础之上，本申请还提供一种燃料电池，包括上述任一实施例的电堆结构。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考，但与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

以上对本申请实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种电堆结构，其特征在于，包括：

电堆主体，包括多个单体电池，每一所述单体电池内设置有第一流道；所述电堆主体上设置有连通每一所述第一流道的进气流道；

第一假电池，沿着第一方向设置在所述电堆主体的末端，所述第一方向为所述进气流道内气流的流动方向；所述第一假电池内设置有第二流道，所述第二流道与所述进气流道连通；

其中，所述第二流道的风阻小于所述第一流道的风阻。

2.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述第二流道的流道截面面积大于所述第一流道的流道截面面积。

3.根据权利要求2所述的电堆结构，其特征在于，所述第二流道的流道深度大于所述第一流道的流道深度。

4.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述第二流道的流道长度小于所述第一流道的流道长度。

5.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述第一假电池包括单极板，所述单极板一侧与所述电堆主体抵接，且所述单极板与所述电堆主体上靠近所述第一假电池的单体电池共同限定出冷却液流道；所述单极板背离所述电堆主体的一侧设置有凹槽，所述凹槽限定出所述第二流道。

6.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述进气流道和所述第一流道的连接处设置有导流面，所述导流面为平滑曲面结构。

7.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征在于，所述电堆结构还包括第二假电池，所述第二假电池设置在所述电堆主体背离所述第一假电池的一侧；所述第二假电池内设置有第三流道，所述第三流道与所述进气流道连通；其中，所述第三流道的风阻小于所述第一流道的风阻。

8.根据权利要求7所述的电堆结构，其特征在于，所述第三流道的风阻大于所述第二流道的风阻。

9.根据权利要求7所述的电堆结构，其特征在于，所述第一假电池和所述第二假电池的结构相同。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的电堆结构。

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