[發明專利]燃料電池電堆及燃料電池系統

有效

• 申請號: 202110491114.0
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113258116B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 郝傳璞;黃騰達;楊敏;鄭立能
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: H01M8/241
• 分類號: H01M8/241;H01M8/2457;H01M8/2483;H01M8/04291
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 楊東明;羅洋

本發明公開了一種燃料電池電堆及燃料電池系統，燃料電池堆包括多個橋孔和公共流道，燃料電池電堆還包括一脈沖排氣機構，脈沖排氣機構設置于氫氣出口所在的公共流道內，脈沖排氣機構包括擋流板，擋流板的側壁上設置有至少一個排氣槽，排氣槽貫通擋流板的側壁，排氣槽可沿著公共流道的延伸方向移動，使得單節電池上的氫氣出口處的橋孔可以在閉氣和排氣之間切換，使得單節電池能實現脈沖式流量變化，產生的短時大流量有利于單節電池內液態水的排出。多個排氣槽周期性反復掃過燃料電池電堆內的整個電池組，使得每個單節電池沿堆疊方向順次執行氫氣脈沖排氣動作，達到降低電堆氫氣排水對氫氣計量比的需求，進而減小氫循環系統的技術難度、能耗的效果。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，特別涉及一種燃料電池電堆及燃料電池系統。

背景技術

隨著質子交換膜燃料電池的技術革新，研究者們不斷研發出更高體積功率密度的燃料電池電堆，其運行電流密度也越來越高。在此過程中質子交換膜的技術沿革起了關鍵作用，在保持膜的機械強度和耐久性的基礎上，厚度更薄而導電性更高的質子交換膜被開發并廣泛應用，其帶來的更低的歐姆損耗使電堆可以運行在更高的電流密度以獲取更大的峰值功率，同時更高的水擴散速度也使反應產生的水能夠快速擴散于膜電極中，省去了外置增濕器的必要，節約了發電系統的成本。

但是，燃料電池電堆運行的電流密度越高，運行過程中產生的水就越多，由此，燃料電池電堆產生的大量生成水順利排出的問題逐漸成為了當今電堆研發的主要問題之一。若電堆某單片電池內存在積水或者水淹，輕則影響整體電堆的性能，需要更加苛刻的操作條件來維持穩定運行，系統的寄生能耗隨之增加，重則產生電流分布嚴重差異，造成局部過熱或反極，損傷電極材料，減少壽命甚至損壞電堆。雖然燃料電池內水是在陰極產生，但高擴散性的薄膜能將大量的生成水滲透至陽極。燃料電池內氫氣相對更低的流速和慣量使其帶出生成水的能力較差，由此引發了薄膜大功率燃料電池內越來越頻發的水淹問題，相比空氣側的陰極水淹也更具危害性。

目前燃料電池陽極排水主要依靠氫氣循環和脈沖排氣的組合應用。氫循環過程是利用燃料電池電堆出口流出的未反應氫氣，去除液態水后，經過氣泵或引射器等零部件回到氫氣入口，與新鮮的氫氣混合后進入電堆，達到氫氣的再利用，在提高燃料利用率(通常95％)的同時，也提升了電堆供氫的計量比，使相對更高流量的氫氣流過電堆，加速自陰極遷移來的液態水的排出。脈沖排氣是在電堆氫氣出口處設置的閥門排氣/閉氣的脈沖式切換，在盡量少浪費氫燃料的基礎上產生極短時間的大流量排氣，將之前積聚在電堆或分水器內的廢氣與液態水快速排出。通過氫氣循環和脈沖排氣的組合應用，聯合調節氫循環的計量比與排氣的脈沖頻率和時間，可使氫腔排水與氫利用率達到最佳的兼顧。因此氫氣循環和脈沖排氣的組合已經成為現今大功率燃料電池系統的主流應用。氫循環流量越大，氫計量比越高，電池流場中的氫氣流速越大，有利于提高反應氣體濃度的均勻性同時也利于氫腔液態水的排出。然而，更高流量的水汽飽和的氫氣循環流經燃料電池將產生顯著增加的壓力損失，這種高流量高壓頭的泵氣需求會顯著提高氫回流泵或引射器的技術難度與成本，同時也增大了寄生能耗，使系統凈輸出降低。因此，現如今燃料電池系統匹配與控制上，開發者都在避免氫氣欠氣或水淹的前提下盡量采取較低的氫氣循環流量；而在燃料電池電堆的設計研發上，開發者的主要方向之一也是設計出具備在更低的氫計量比下穩定運行能力的雙極板流場和電堆結構。

發明內容

本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中的燃料電池電堆因排水限制而難以降低氫氣回流流量的問題，提供一種燃料電池電堆設計及燃料電池系統。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題：

一種燃料電池電堆，包括多個橋孔和公共流道，其特征在于，所述燃料電池電堆還包括一脈沖排氣機構，所述脈沖排氣機構設置于氫氣出口所在的所述公共流道內，所述脈沖排氣機構包括擋流板，所述擋流板的側壁上設置有至少一個排氣槽，所述排氣槽貫通所述擋流板的側壁，所述排氣槽可沿著所述公共流道的延伸方向移動，以使電堆內單節電池在閉氣狀態和排氣狀態之間切換；