CN109742422B - 一种闭口质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种闭口质子交换膜燃料电池，包括电池组件和尾气处理装置，电池组件内部形成有气液通道，气液通道包括沿其流通方向依次形成的前电池段、加速段和后电池段，加速段用以供自前电池段输出的反应气和/或反应液加速通过并进入后电池段；尾气处理装置用于对处于加速段内的反应气和/或反应液作用，以获得去液反应气或者聚液反应气。本发明中，通过在前电池段和后电池段间设置加速段，有助于提高反应气和/或反应液自前电池段至后电池段的流通速度，再配合尾气处理装置，使得电池组件内的排水工作可快速进行而不影响电池组件内的电化学反应，并且分段排水的设置更有利于电池组件的彻底、高效排水，有助于提高排水可靠性。

Description

一种闭口质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别涉及闭口质子交换膜燃料电池排积水的技术领域，具体涉及一种闭口质子交换膜燃料电池。

背景技术

在催化剂的作用下，质子交换膜燃料电池中的质子穿过质子交换膜到达阴极，反应气体(例如氢气和氧气)相互反应而实现转化化学能为电能的目的，具有能量转换效率高、噪音低、燃料来源广、无排放(反应产物为水)的优点，广泛应用于备用电源、汽车、小型电站及军用领域等。

质子交换膜燃料电池在反应过程中会生成水，若水量偏多，则可能覆盖在催化层反应区域，形成水膜而限制氧气与催化层的接触，阻碍了反应气体到达催化层表面参与电化学反应；若水量偏少，则可能导致反应气体之间无法充分反应，同样影响电能转换效果，需要合理把控质子交换膜燃料电池内的水量。基于此，常规的开口式质子交换膜燃料电池可采用过量气体吹扫带走电池内反应生成的水，从而避免电池因水的堆积而造成电池的失效；而传统的闭口式质子交换膜燃料电池的出口是封闭状态的，无法直接利用过量反应气体将电池内的水吹扫出电池外，通常采用脉冲式或者重力式排水，但是脉冲式或者重力式排水方法仍然无法适配完全的闭口运行，且排水不够彻底及时，可靠性差。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种闭口质子交换膜燃料电池，旨在解决传统闭口质子交换膜燃料电池排水效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种闭口质子交换膜燃料电池，包括：

电池组件，内部形成有气液通道，所述气液通道包括沿其流通方向依次形成的前电池段、加速段和后电池段，所述加速段用以供自所述前电池段输出的反应气和/或反应液加速通过并进入所述后电池段；以及，

尾气处理装置，用于对处于所述加速段内的反应气和/或反应液作用，以获得去液反应气或者聚液反应气。

可选地，所述电池组件包括：

沿流通方向依次层叠设置的多个单电池，每一所述单电池具有一反应腔，多个所述单电池的反应腔依次连通形成所述气液通道；以及，

隔板，夹设于多个所述单电池中相邻的两个所述单电池之间，以将所述气液通道分隔出所述前电池段和所述后电池段，所述隔板的外形与两个所述单电池的夹持面形状相适配；

其中，所述隔板开设有与所述前电池段的排气口连通设置的第一集气槽、以及与所述后电池段的进气口连通设置的第二集气槽，所述第一集气槽和所述第二集气槽相互连通以形成所述加速段。

可选地，所述隔板由导体材料制成。

可选地，所述第一集气槽与所述前电池段的排气口之间的连接处设有密封筋；和/或，

所述第二集气槽与所述后电池段的进气口之间的连接处设有密封筋。

可选地，所述第一集气槽和所述第二集气槽间通过一通道孔实现连通，其中：

所述通道孔靠近所述第一集气槽的一段在靠近所述第一集气槽的方向上呈渐扩设置；和/或，

所述通道孔靠近所述第二集气槽的一段在靠近所述第二集气槽的方向上呈渐扩设置。

可选地，所述闭口质子交换膜燃料电池还包括单向阀，所述单向阀设于所述第二集气槽和所述后电池段的进气口之间，用于限制反应气和/或反应液从所述后电池段的进气口进入所述第二集气槽。

可选地，所述尾气处理装置包括气液分离器和集水器，用于获得所述去液反应气，其中，所述气液分离器的输入管连通所述第一集气槽，所述气液分离器的气体输出管连通所述第二集气槽，所述气液分离器的液体输出管连通所述集水器。

可选地，所述加速段靠近所述第二集气槽处设有吸液结构，所述吸液结构用于吸取所述去液反应气中的残余反应液。

可选地，所述燃料电池包括位于流通方向前向的尾端单电池；

所述尾气处理装置包括脉冲吹扫器，所述脉冲吹扫器用于获得所述聚液反应气，其中，所述脉冲吹扫器的输入管连通所述尾端单电池的排气口，所述脉冲吹扫器的输出管连通所述加速段。

可选地，所述电池组件具有散热通道；

所述隔板设有冷却结构，所述冷却结构作用于所述散热通道，以加速所述电池组件的散热。

本发明提供的技术方案中，通过在所述前电池段和所述后电池段之间设置所述加速段，有助于提高反应气和/或反应液自所述前电池段至所述后电池段的流通速度，再配合所述尾气处理装置的作用，使得所述电池组件内的排水工作可快速进行而不影响所述电池组件的电化学反应，并且，分段排水的设置更有利于所述电池组件的彻底、高效排水，有助于提高排水可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的闭口质子交换膜燃料电池的一实施例的立体分解结构示意图；

图2为图1中的隔板的结构示意图；

图3为图1中的反应气和/或反应液的流通路径示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

质子交换膜燃料电池在反应过程中会生成水，若水量偏多，则可能覆盖在催化层反应区域，形成水膜而限制氧气与催化层的接触，阻碍了反应气体到达催化层表面参与电化学反应；若水量偏少，则可能导致反应气体之间无法充分反应，同样影响电能转换效果，需要合理把控质子交换膜燃料电池内的水量。基于此，常规的开口式质子交换膜燃料电池可采用过量气体吹扫带走电池内反应生成的水，从而避免电池因水的堆积而造成电池的失效；而传统的闭口式质子交换膜燃料电池的出口是封闭状态的，无法直接利用过量反应气体将电池内的水吹扫出电池外，通常采用脉冲式或者重力式排水，但是脉冲式或者重力式排水方法仍然无法适配完全的闭口运行，且排水不够彻底及时，可靠性差。

鉴于此，本发明提供一种闭口质子交换膜燃料电池，图1至图3为本发明提供的闭口质子交换膜燃料电池的具体实施例。

请参阅图1和图3，在本实施例中，所述闭口质子交换膜燃料电池100一般包括壳体，所述壳体的内部形成有安装腔，所述安装腔具有供纯反应气输入的管道而无供反应气和/或反应液输出的管道。所述闭口质子交换膜燃料电池100包括电池组件1以及尾气处理装置2，其中，所述电池组件1安装于所述安装腔内，且所述电池组件1内部形成有气液通道11，所述气液通道11包括沿其流通方向依次形成的前电池段111、加速段112和后电池段113，所述加速段112用以供自所述前电池段111输出的反应气和/或反应液加速通过并进入所述后电池段113，减少反应气和/或反应液的流通所浪费的时间，从而可以提高所述电池组件1内电化学反应的发生效率。需要注意的是，所述气液通道11中的所述加速段112可以设置多个，且每一所述加速段112对应具备一所述前电池段111和一所述后电池段113。所述气液通道11可以有多种形式表现，例如可为多种形状的腔体或者管道。所述尾气处理装置2用于对所述加速段112内的反应气和/或反应液作用而实现排水目的，所述作用的具体实现方式可以有多种，例如其一是排除所述前电池段111的尾气中的反应液而获得去液反应气，也即纯反应气，然后再将该纯反应气通入所述后电池段113来继续参与后续的电化学反应；其二是聚积所述电池组件1的尾气中的反应液和反应气而获得聚液反应气，也即气液混合物，然后再将该气液混合物通入所述电池组件1中以实现该部分电池组件1的自增湿目的。

本发明提供的技术方案中，通过在所述前电池段111和所述后电池段113之间设置所述加速段112，有助于提高反应气和/或反应液自所述前电池段111至所述后电池段113的流通速度，再配合所述尾气处理装置2的作用，使得所述电池组件1内的排水工作可快速进行而不影响所述电池组件1的电化学反应，并且，分段排水的设置更有利于所述电池组件1的彻底、高效排水，有助于提高排水可靠性。

具体地，在本实施例中，所述电池组件1包括沿流通方向依次层叠设置的多个单电池12以及隔板13，其中，每一所述单电池12具有一反应腔123，多个所述单电池12的反应腔123依次连通形成所述气液通道11，具体地，每一所述单电池12一般包括两个双极板121、以及夹设于两个所述双极板121之间的膜电极122，而每一所述双极板121是由一阳极流场板和一阴极流场板通过胶水热压而形成的，所述阳极流场板和阴极流场板分别具备一反应室，在每一所述单电池12中，所述阳极反应室、阴极反应室以及所述膜电极122共同连通构成所述反应腔123，所述反应腔123一般包括反应区域、进气口124和排气口125，所述反应区域用于形成集中进行电化学反应的独立区域，在流通方向上，第一个单电池12，也即首端单电池12的进气口124连通所述安装腔的进气管道，所述首端单电池12的排气口125连通第二个单电池12的进气口124，后续依次类推，从而形成连通的所述气液通道11。所述隔板13夹设于多个所述单电池12中相邻的两个所述单电池12之间，以将所述电池组件1分为前后两部分，从而实现将所述气液通道11分隔出所述前电池段111和所述后电池段113的目的，所述隔板13的外形与两个所述单电池12的夹持面形状相适配，使得所述单电池12和所述隔板13之间的层叠安装更加贴合而紧密，有助于减少所述单电池12和所述隔板13之间的装配误差，避免对所述电池组件1的电能输出带来不利影响。所述隔板13开设有与所述前电池段111的排气口125连通设置的第一集气槽131、以及与所述后电池段113的进气口124连通设置的第二集气槽132，所述第一集气槽131和所述第二集气槽132相互连通以形成所述加速段112。所述第一集气槽131、所述第二集气槽132的设置有助于更高效地采集反应气和/或反应液，避免反应气和/或反应液输出不及时而造成堵塞或者倒流。所述尾气处理装置2对处于所述加速段112内的反应气和/或反应液作用后，产生的所述去液反应气或者聚液反应气通过所述第二集气槽132可加速进入所述后电池段113。需要说明的是，本发明中的所述隔板13和/或所述尾气处理装置2均可以设置为多个，用于将所述电池组件1划分为多个分段，以依次逐段进行排水工作，增加所述电池组件1内部气液的流通速度，使得排水效果更加高效。

接着，为了降低对所述电池组件1电能输出的损耗，在本实施例中，所述隔板13优选由导体材料制成，所述导体材料例如为石墨材料或者金属材料等，使得所述隔板13具备更小的电阻率和更优良的导电性能，减少电能传输过程中的损耗，从而提高所述闭口质子交换膜燃料电池100性能的可靠性。

此外，在本实施例中，所述第一集气槽131与所述前电池段111的排气口125之间的连接处设有密封筋；和/或，所述第二集气槽132与所述后电池段113的进气口124之间的连接处设有密封筋，所述密封筋可以由橡胶等弹性材料制成，也可以通过金属弹片的嵌入式安装来实现，或者通过其他可实现密封效果且不影响所述电池组件1电能输出的结构实现，使得当所述隔板13和多个所述单电池12层叠安装时，在不破坏安装快捷性的基础上兼顾所述第一集气槽131与所述前电池段111的排气口125之间的接缝、和/或所述第二集气槽132与所述后电池段113的进气口124之间的接缝的有效密封，防止反应气和/或反应液自所述接缝处流出至所述壳体、也防止液体自所述接缝处流入所述电池组件1。

在本实施例中，所述第一集气槽131和所述第二集气槽132的设置可一定程度提高反应气和/或反应液的流通速率，但进一步地，请参阅图2，在本实施例中，所述第一集气槽131和所述第二集气槽132间通过一通道孔133实现连通，其中，所述通道孔133靠近所述第一集气槽131的一段在靠近所述第一集气槽131的方向上呈渐扩设置；和/或，所述通道孔133靠近所述第二集气槽132的一段在靠近所述第二集气槽132的方向上呈渐扩设置。以所述第一集气槽131为例，所述通道孔133连通至所述第一集气槽131的下侧壁，所述渐扩设置更利于将所述第一集气槽131内的气液混合物顺势导流至所述通道孔133，避免气液混合物中的反应液在所述第一集气槽131处聚积而反向流入所述前电池段111。另外，所述第一集气槽131的下侧壁也可以在靠近所述通道孔133的方向上呈逐渐向下倾斜设置，以更进一步加速气液混合物的流通。

进一步地，在本实施例中，所述闭口质子交换膜燃料电池100还包括单向阀3，所述单向阀3设于所述第二集气槽132和所述后电池段113的进气口124之间，用于限制反应气和/或反应液从所述后电池段113的进气口124进入所述第二集气槽132，有助于反应气和/或反应液加速进入所述后电池段113中参与电化学反应，提高所述闭口质子交换膜燃料电池100的反应气的利用率。

鉴于上述可知，所述尾气处理装置2可以通过直接排除气液混合物中的反应液、或者聚积游离的反应液两种方式实现所述电池组件1内的排水工作，在本发明提供的一实施例中，请参阅图3，当所述电池组件1由数量较多的所述单电池12层叠设置而成时，所述电池组件1中部的所述单电池12间聚积较多反应液而容易造成“水淹”现象，此时需要采用排除气液混合物中的反应液来进行排水，因此优选地，所述尾气处理装置2包括气液分离器211和集水器212，用于获得所述去液反应气，其中，所述气液分离器211的输入管连通所述第一集气槽131，以通过所述第一集气槽131获得气液混合物并进行气液分离，所述气液分离器211的气体输出管连通所述第二集气槽132，以将分离出的反应气通过所述第二集气槽132通入至所述后电池段113，所述气液分离器211的液体输出管连通所述集水器212，以将分离出的反应液集中处理。当所述隔板13、气液分离器211和集水器212的组合设置为多个，有助于在气液流通的过程中逐次消除反应液的过量问题，提高反应气的利用率，并且有助于使所述电池组件1内的反应气流通和分布更加均匀，从而实现所述电池组件1在一定过量系数下的高效运行。

进一步地，在一实施例中，所述加速段112靠近所述第二集气槽132的一段可以加设吸液结构112a，所述吸液结构112a用于应对当所述气液分离器211气液分离不彻底或者失效时等异常情况，进一步吸取所述去液反应气中的残余反应液，以提高所述去液反应气中的反应气纯度。所述吸液结构112a例如可以体现为布设于所述气液通道11内的吸水层，所述吸水层由海绵或者吸水树脂等材料制成。

另一方面，当所述电池组件1由数量较少的所述单电池12层叠设置而成、或者在所述电池组件1的末端处，所述电池组件1容易出现反应区域内水量不够但是反应区域外游离水量较多的问题，此时需要采用聚积游离的反应液的方法来排水，首先定义所述电池组件1包括位于流通方向前侧的尾端单电池12a；优选地，所述尾气处理装置2包括脉冲吹扫器22，所述脉冲吹扫器22用于获得所述聚液反应气，其中，所述脉冲吹扫器22的输入管连通所述尾端单电池12a的排气口125，所述脉冲吹扫器22的输出管连通所述气液通道11，所述脉冲吹扫器22例如通过一个三通阀4实现三路气液的分别流通。所述脉冲吹扫器22用于将所述尾端单电池12a中反应过剩的气液混合物间歇性地导入所述电池组件1中，如此，所述气液混合物中的反应液为去离子水，所述去离子水进入所述电池组件1后可实现加湿功能，实现部分所述单电池12的自增湿目的；另外，所述气液混合物中的反应气进入所述电池组件1后继续参与反应，避免在所述尾端单电池12a处滞留或者倒流，充分利用所述电池组件1中的反应气，确保所述闭口质子交换膜燃料电池100的稳定运行。

此外，为了减少所述电池组件1运行过程中热量的聚积，所述电池组件1一般具有散热通道14，所述隔板13设有冷却结构134，所述冷却结构134作用于所述散热通道14，以加速所述电池组件1的散热。所述冷却结构134例如可以体现为与所述散热通道14连通设置的冷却通道，用以增加热气的流通时间以实现充分散热、或者用于延长冷却液的流通路径以对所述电池组件1的较大区域进行持续散热。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括：

电池组件，内部形成有气液通道，所述气液通道包括沿其流通方向依次形成的前电池段、加速段和后电池段，所述加速段用以供自所述前电池段输出的反应气和/或反应液加速通过并进入所述后电池段；以及，

尾气处理装置，用于对处于所述加速段内的反应气和/或反应液作用，以获得去液反应气或者聚液反应气；

其中，所述电池组件包括沿流通方向依次层叠设置的多个单电池以及隔板，每一所述单电池具有一反应腔，多个所述单电池的反应腔依次连通形成所述气液通道；所述隔板夹设于多个所述单电池中相邻的两个所述单电池之间，以将所述气液通道分隔出所述前电池段和所述后电池段，所述隔板的外形与两个所述单电池的夹持面形状相适配；所述隔板开设有与所述前电池段的排气口连通设置的第一集气槽、以及与所述后电池段的进气口连通设置的第二集气槽，所述第一集气槽和所述第二集气槽相互连通以形成所述加速段；

其中，所述尾气处理装置包括气液分离器和集水器，用于获得所述去液反应气，所述气液分离器的输入管连通所述第一集气槽，所述气液分离器的气体输出管连通所述第二集气槽，所述气液分离器的液体输出管连通所述集水器；和/或，

所述电池组件包括位于流通方向前侧的尾端单电池；所述尾气处理装置包括脉冲吹扫器，所述脉冲吹扫器用于获得所述聚液反应气，其中，所述脉冲吹扫器的输入管连通所述尾端单电池的排气口，所述脉冲吹扫器的输出管连通所述加速段。

2.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述隔板由导体材料制成。

3.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第一集气槽与所述前电池段的排气口之间的连接处设有密封筋；和/或，

所述第二集气槽与所述后电池段的进气口之间的连接处设有密封筋。

4.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述第一集气槽和所述第二集气槽间通过一通道孔实现连通，其中：

所述通道孔靠近所述第一集气槽的一段在靠近所述第一集气槽的方向上呈渐扩设置；和/或，

所述通道孔靠近所述第二集气槽的一段在靠近所述第二集气槽的方向上呈渐扩设置。

5.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，还包括单向阀，所述单向阀设于所述第二集气槽和所述后电池段的进气口之间，用于限制反应气和/或反应液从所述后电池段的进气口进入所述第二集气槽。

6.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述加速段靠近所述第二集气槽处设有吸液结构，所述吸液结构用于吸取所述去液反应气中的残余反应液。

7.如权利要求1所述的闭口质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述电池组件具有散热通道；

所述隔板设有冷却结构，所述冷却结构作用于所述散热通道，以加速所述电池组件的散热。

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