燃料电池流道、双极板、燃料电池及气体流向控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池流道、双极板、燃料电池及气体流向控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)是以氢气为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。双极板在pemfc中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热及为反应气体提供通道，均匀分布反应气体以及排水等作用，被称为燃料电池电堆的“骨架”，双极板合理的燃料电池流道设计可以有效提高燃料电池的性能。
3.目前在膜电极有效面积接触的燃料电池流道为连续不间断的一条燃料电池流道，或者是多条燃料电池流道。在采用多条燃料电池流道的情况下，每条燃料电池流道之间没有连通，氢气无法在每条燃料电池流道间形成良好的循环流动，导致在每条燃料电池流道上的氢气利用率低。而整个燃料电池系统为了提高氢气利用率，需要在燃料电池外另行增加氢气循环装置，这会占用整个系统空间，并且使得整体质量增加。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的整个燃料电池系统为了提高氢气利用率，需要在燃料电池外另行增加氢气循环装置，占用整个系统空间，并且使得整体质量增加的缺陷，提供一种燃料电池流道、双极板、燃料电池及气体流向控制方法。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.一种燃料电池流道，包括进气段和出气段，其特点在于，所述燃料电池流道还包括收缩段和循环段，气体从所述进气段进入所述收缩段，再经过所述循环段，以形成气体在所述燃料电池流道内的循环。
7.在本方案中，通过在燃料电池流道上设置收缩段，并在收缩段之后设置循环段，以实现气体在燃料电池流道内的加速循环，使得在燃料电池内部就可以实现加速氢气的循环，提高了氢气利用率，从而避免了在燃料电池外部额外增加氢气循环系统，减少了整个系统对空间的占用，减轻了整体质量；并且能减少燃料电池流道湿度增加的时间，提高燃料电池的性能。
8.较佳地，所述出气段连通于所述循环段。
9.在本方案中，采用上述结构形式，以在方便加工的情况下，便于排出气体反应过程中出现的水蒸气、杂质、以及小部分尚未反应完全的氢气。
10.较佳地，所述燃料电池流道还包括过渡段，所述过渡段连通于所述收缩段和所述循环段。
11.在本方案中，采用上述结构形式，气体在收缩段与循环段之间形成一个良好的循环，使得燃料电池流道内单位面积的气体密度增加，提高氢气反应效率，使得反应更加充分
完全，进而提高燃料电池的性能。
12.较佳地，其特征在于，所述过渡段与所述收缩段通过斜面一连通。
13.在本方案中，采用上述结构形式，可以较快实现气体从过渡段到收缩段之间的加速。
14.较佳地，所述斜面一与所述收缩段的轴线形成的夹角一为110
°‑
130
°
。
15.在本方案中，采用上述结构形式，可以实现更好的气体加速效果，提高气体反应效率。
16.较佳地，所述收缩段与所述进气段通过斜面二连通。
17.在本方案中，采用上述结构形式，可以较快实现气体从过渡段到收缩段之间的加速。
18.较佳地，所述斜面二与所述收缩段的轴线形成的夹角二为110
°‑
130
°
。
19.在本方案中，采用上述结构形式，可以实现更好的气体加速效果，提高气体反应效率。
20.较佳地，所述循环段包括流通段和连接段，所述流通段与所述过渡段连通，所述连接段的两端分别连通于所述流通段。
21.在本方案中，通过收缩段与过渡段的配合，流经流通段的大部分气体进入连接段，并被重新吸入进流通段，使气体在流通段流动过程中流速逐渐减慢的状态下，气体流速能再次加快，以提高整个燃料电池流道内的气体反应效率。
22.较佳地，所述流通段为u型或w型或v型。
23.在本方案中，采用上述结构形式，可以使燃料电池流道占用更少的空间，提高空间利用率。
24.较佳地，所述出气段位于所述流通段的底部。
25.在本方案中，采用上述结构形式，便于加工，以使得流道在竖直放置的情况下，更有利于多余气体从底部排出。
26.较佳地，所述连接段具有远离所述进气段的边缘，所述收缩口具有远离所述进气段的端口，所述边缘与所述端口之间的水平距离为3-7mm。
27.在本方案中，采用上述结构形式，收缩段对连接段中的气体产生的吸引效果较佳，气体循环效果较好。
28.较佳地，所述收缩段的直径为0.4-0.6mm。
29.在本方案中，采用上述结构形式，收缩段对连接段中的气体产生的吸引效果更佳，气体循环效果更好。
30.一种双极板，其包括：本体；
31.所述本体的一个表面上形成多条沿着同一方向放置的如上所述的燃料电池流道。
32.在本方案中，通过沿同一方向放置多条燃料电池流道，以提升双极板有效面积上的气体反应效率，提高燃料电池性能。
33.较佳地，相邻所述燃料电池流道的侧部之间贴合。
34.在本方案中，所有相邻燃料电池流道的侧部之间贴合，使得燃料电池流道尽可能多的布置于双极板上，以最大利用双极板的有效空间，提高气体反应效率，提高燃料电池性能。
35.一种燃料电池，其包括如上所述的双极板、控制单元和气道，所述控制单元包括控制单元一、控制单元二、控制单元三、控制单元四，所述气道包括气道一、气道二、气道三和气道四；
36.所述气道一连通于所述进气段，所述气道一上设置有控制单元一；
37.所述气道二连通于所述出气段，所述气道二上设置有控制单元二；
38.所述气道三连通于所述气道一和所述气道二，所述气道三上设置有控制单元三；
39.所述气道四连通于所述气道一，所述气道四上设置有控制单元四；
40.所述控制单元用于控制所述气道的打开和关闭。
41.在本方案中，通过控制单元控制气道的打开和关闭，以实现不同工况下气体在双极板的流道内的流向。气体流向的不同可以使得燃料电池内部的湿度在一定程度内可控，进而提升燃料电池性能的稳定性，延长燃料电池的使用寿命。
42.较佳地，所述气道上具有连接点一、连接点二和连接点三，所述连接点一位于所述进气段与所述控制单元四之间，所述连接点二位于所述出气段与所述控制单元二之间，所述连接点三位于所述控制单元一与进气口之间。
43.在本方案中，通过气体在进气段和出气段之间的交替进出气，使得反应造成的湿度在一定范围内可控，保持湿度的适宜和稳定，以提升燃料电池的性能，延长燃料电池的使用寿命。
44.较佳地，所述控制单元为电磁阀；
45.较佳地，所述控制单元三和所述控制单元四为脉冲电磁阀；
46.在本方案中，控制单元三和控制单元四为脉冲电磁阀，以更好的实现对气体流向的控制，精确控制燃料电池内部的湿度变化范围，保持湿度的适宜和稳定，提升燃料电池的性能，延长燃料电池的使用寿命。
47.一种气体流向控制方法，所述方法用于控制如上所述的双极板的气体流向，包括以下步骤：
48.s1、使气体从所述进气段进入所述收缩段，经由所述循环段一段时间；
49.s2、使气体从所述出气段进入所述循环段，经由所述收缩段一段时间；
50.s3、循环以上步骤。
51.一种气体流向控制方法，所述方法用于控制如上所述的燃料电池，所述方法包括以下步骤：
52.s1、使气体从所述进气段进入所述收缩段，经由所述循环段一段时间；
53.s2、使气体从所述出气段进入所述循环段，经由所述收缩段一段时间；
54.s3、循环以上步骤。
55.较佳地，所述控制单元为电磁阀，所述电磁阀包括电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三和电磁阀四，
56.所述s1、打开电磁阀一和电磁阀四，关闭电磁阀二和电磁阀三，使气体从所述进气段进入所述收缩段，经由所述循环段一段时间；
57.所述s2、打开电磁阀二和电磁阀三，关闭电磁阀一和电磁阀四，使气体从所述出气段进入所述循环段，经由所述收缩段一段时间。
58.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实
例。
59.本发明的积极进步效果在于：
60.通过在燃料电池流道上设置收缩段，并在收缩段之后设置循环段，以实现气体在燃料电池流道内的加速循环，使得在燃料电池内部就可以实现加速氢气的循环，提高了氢气利用率，从而避免了在燃料电池外部额外增加氢气循环系统，减少了整个系统对空间的占用，减轻了整体质量；并且能减少燃料电池流道湿度增加的时间，提高燃料电池的性能。
附图说明
61.图1为本发明实施例1的燃料电池流道的结构示意图。
62.图2为本发明实施例1的燃料电池流道的局部结构示意图。
63.图3为本发明实施例2的燃料电池流道的结构示意图。
64.图4为本发明实施例3的燃料电池流道的结构示意图。
65.图5为本发明实施例1的燃料电池的一种气体在流道内流动方式的结构示意图。
66.图6为本发明实施例1的燃料电池的另一种气体在流道内流动方式的结构示意图。
67.图7为本发明实施例1的气体流向控制方法的一种气体流动方式示意图。
68.图8为本发明实施例1的气体流向控制方法的另一种气体流动方式示意图。
69.附图标记说明：
70.进气段 1
71.出气段 2
72.收缩段 3
73.循环段 4
74.过渡段 5
75.斜面一 6
76.斜面二 7
77.流通段 41
78.连接段 42
79.夹角一 a
80.夹角二 b
81.水平距离 c
82.直径 d
83.控制单元一 8
84.控制单元二 9
85.控制单元三 10
86.控制单元四 11
87.气道一 12
88.气道二 13
89.气道三 14
90.气道四 15
91.连接点一 16
92.连接点二 17
93.连接点三 18
具体实施方式
94.下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。
95.如图1至图4所示，本发明实施例的燃料电池流道，包括进气段1和出气段2，燃料电池流道还包括收缩段3和循环段4，气体从进气段1进入收缩段3，再经过循环段4，以形成气体在燃料电池流道内的循环。
96.燃料电池流道是用于燃料气体流动的地方，气体主要为氢气，也包含有一部分为确保反应过程稳定的氮气及杂质，进气段1通常设置于燃料电池流道的一端，气体从燃料电池流道的一端端口处进入，经过收缩段3，气体由于经过收缩段3被挤压，导致气体流速加快，被加速后的气体进入循环段4，使气体在燃料电池流道内得以循环。通过在燃料电池流道上设置收缩段3，并在收缩段3之后设置循环段4，以实现气体在燃料电池流道内的加速循环，使得在燃料电池内部就可以实现加速气体的循环，一方面，提高了氢气利用率，从而避免了在燃料电池外部额外增加氢气循环系统，减少了整个系统对空间的占用，减轻了整体质量；另一方面，加快了氢气反应速度，能减少燃料电池流道湿度增加的时间，提高燃料电池的性能。
97.就单条燃料电池流道而言，出气段2可以连通于燃料电池流道上除进气段1和收缩段3以外的任意位置，用以排出气体反应过程中出现的水蒸气、杂质、以及小部分尚未反应完全的氢气。在本实施例中，出气段2连通于循环段4；作为优选方案，出气段2位于循环段4上远离进气段1的位置，以在方便加工的情况下，便于排出气体反应过程中出现的水蒸气、杂质、以及小部分尚未反应完全的氢气。
98.在收缩段3和循环段4直接相连的情况下，气体经过收缩段3后对循环段4中的气体形成的吸引力很小甚至没有吸引力，使得气体的循环难以顺利进行。在本实施例中，过渡段5连通于收缩段3和循环段4，即在收缩段3和循环段4之间设置过渡段5，使气体经过收缩段3的加速后，气体流向循环段4，收缩段3又对流经循环段4的气体产生吸引力，使得气体在收缩段3与循环段4之间形成一个良好的循环，使得燃料电池流道内单位面积的气体密度增加，提高氢气反应效率，使得反应更加充分完全，进而提高燃料电池的性能。
99.过渡段5与收缩段3可以通过弧形面连接，也可以通过垂直面连接。在本实施例中，过渡段5与收缩段3通过斜面一6连通。作为优选方案，斜面一6与收缩段3的轴线形成的夹角一a为110
°‑
130
°
。
100.过渡段5与收缩段3通过斜面一6连通，较快实现气体从过渡段5到收缩段3之间的加速，并且在同样的工况下，斜面一6与收缩段3的轴线形成夹角一a为110
°‑
130
°
时，可以实现更好的气体加速效果，提高气体反应效率。
101.同理，收缩段3与进气段1可以通过弧形面连接，也可以通过垂直面连接。在本实施例中，收缩段3与进气段1通过斜面二7连通。作为优选方案，斜面二7与收缩段3的轴线形成的夹角二b为110
°‑
130
°
。
102.收缩段3与进气段1通过斜面二7连通，较快实现气体从收缩段3与进气段1之间的
加速，并且在同样的工况下，斜面二7与收缩段3的轴线形成的夹角二b为110
°‑
130
°
时，可以实现更好的气体加速效果，提高气体反应效率。
103.在同时保证斜面一6与收缩段3的轴线形成的夹角一a为110
°‑
130
°
，斜面二7与收缩段3的轴线形成的夹角二b为110
°‑
130
°
的情况下，可以使气体加速过程更平稳，保证气体反应过程更稳定，提高燃料电池的性能。
104.为形成气体在燃料电池流道内的循环，气体从过渡段5进入循环段4，循环段4包括流通段41和连接段42，流通段41与过渡段5连通，连接段42的两端分别连通于流通段41。
105.在收缩段3与过渡段5的配合下，流经流通段41的大部分气体进入连接段42，并被重新吸入进流通段41，使气体在流通段41流动过程中流速逐渐减慢的状态下，气体流速能再次加快，以提高整个燃料电池流道内的气体反应效率。
106.流通段41的形状具有弯折，可与连接部形成连通即可，因此流通段41的形状可以为w型或v型。在本实施例中，流通段41的形状为u型，以使燃料电池流道占用更少的空间，提高空间利用率。
107.进一步地，出气段2位于流通段41的底部，在本实施例中，出气段2位于u型流通段41的底部，远离u型流通段41的两端，便于加工，以使得流道在竖直放置的情况下，更有利于多余气体从底部排出。在其他实施例中，出气段2也可以位于流通段41的任意位置。
108.u型流通段41有两个端口，一个端口与过渡段5相连，另一个端口可以直接与连接段42的端口相连，u型流通段41的端口也可以延伸至靠近进气段1的相对位置与连接段42的端口之间的任意位置。作为优选方案，u型流通段41的另一个端口延伸至与进气段1的端口齐平，以充分利用燃料电池流道的有效空间，增加气体在一定空间内的充分分布，提高一定空间内的气体反应效率，使得反应更为均匀。
109.连接段42具有远离进气段1的边缘，收缩口具有远离进气段1的端口，在边缘与端口之间的水平距离c为3-7mm的工况下，收缩段3对连接段42中的气体产生的吸引效果较佳，气体循环效果较好。
110.进一步地，收缩段3的直径d为0.4-0.6mm的工况下，收缩段3对连接段42中的气体产生的吸引效果更佳，气体循环效果更好。
111.本实施例还公开了一种双极板，该双极板的一个表面上形成多条沿着同一方向放置的如上的燃料电池流道，通过沿同一方向放置多条燃料电池流道，以提升双极板有效面积上的气体反应效率，提高燃料电池性能。
112.多条同一方向的燃料电池流道的放置方式有多种，所有燃料电池流道的侧部之间可以都留有间隙；也可以部分相邻燃料电池流道的侧部之间贴合，部分相邻燃料电池流道的侧部之间留有间隙。作为优选方案，所有相邻燃料电池流道的侧部之间贴合，使得燃料电池流道尽可能多的布置于双极板上，以最大利用双极板的有效空间，提高气体反应效率，提高燃料电池性能。
113.如图5至图8所示，本实施例还公开了一种燃料电池，该燃料电池包括如上的双极板、控制单元和气道，控制单元包括控制单元一8、控制单元二9、控制单元三10、控制单元四11，气道包括气道一12、气道二13、气道三14和气道四15；气道一12连通于进气段1，气道一12上设置有控制单元一8；气道二13连通于出气段2，气道二13上设置有控制单元二9；气道三14连通于气道一12和气道二13，气道三14上设置有控制单元三10；气道四15连通于气道
一12，气道四15上设置有控制单元四11；控制单元用于控制气道的打开和关闭。
114.打开控制单元一8和控制单元二9的同时，关闭控制单元三10和控制单元四11，气体从气道一12进，从气道二13出；打开控制单元三10和控制单元四11的同时，关闭控制单元一8和控制单元二9，气体从气道三14进，从气道四15出。通过控制单元控制气道的打开和关闭，以实现不同工况下气体在双极板的流道内的流向。当气体从气道一12进，从气道二13出的时候，气体流速加快，反应加快，湿度增加；当气体从气道三14进，从气道四15出的时候，气体流速相对变慢，反应相对减缓，湿度相对降低。气体流向的不同可以使得燃料电池内部的湿度在一定程度内可控，进而提升燃料电池性能的稳定性，延长燃料电池的使用寿命。
115.气道上具有连接点一16、连接点二17和连接点三18，连接点一16位于进气段1与控制单元四11之间，连接点二17位于出气段2与控制单元二9之间，连接点三18位于控制单元一8与进气口之间。
116.具体地，气体从进气口进入，依次通过连接点三18、连接点一16，进入进气段1后，从出气段2出，通过连接点二17后排出；气体从进气口进入，依次通过连接点三18、连接点二17，进入出气段2后，从进气段1出，通过连接点一16后排出。通过气体在进气段1和出气段2之间的交替进出气，使得反应造成的湿度在一定范围内可控，保持湿度的适宜和稳定，以提升燃料电池的性能，延长燃料电池的使用寿命。
117.控制单元可以有多种，在本实施例中，控制单元为电磁阀。
118.作为优选方案，控制单元二9和控制单元四11为脉冲电磁阀，以更好的实现对气体流向的控制，以精确控制燃料电池内部的湿度变化范围，保持湿度的适宜和稳定，提升燃料电池的性能，延长燃料电池的使用寿命。
119.本实施例还公开了一种气体流向控制方法，该方法用于控制如上的双极板的气体流向，包括以下步骤：
120.s1、使气体从进气段1进入收缩段3，经由循环段4一段时间；
121.s2、使气体从出气段2进入循环段4，经由收缩段3一段时间；
122.s3、循环以上步骤。
123.通过控制气体流向，使得气体在进气段1和出气段2之间的交替进出气，让反应造成的湿度在一定范围内可控，保持湿度的适宜和稳定，进而提升燃料电池性能的稳定性，延长燃料电池的使用寿命。
124.本实施例还公开了一种气体流向控制方法，该方法用于控制如上的燃料电池，方法包括以下步骤：
125.s1、使气体从进气段1进入收缩段3，经由循环段4一段时间；
126.s2、使气体从出气段2进入循环段4，经由收缩段3一段时间；
127.s3、循环以上步骤。
128.通过控制气体流向，使得气体在进气段1和出气段2之间的交替进出气，让反应造成的湿度在一定范围内可控，保持湿度的适宜和稳定，进而提升燃料电池性能的稳定性，延长燃料电池的使用寿命。
129.具体地，以上步骤中的控制单元为电磁阀，电磁阀包括电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三和电磁阀四，
130.s1、打开电磁阀一和电磁阀二，关闭电磁阀三和电磁阀四，使气体从进气段1进入
收缩段3，经由循环段4一段时间；
131.s2、打开电磁阀三和电磁阀四，关闭电磁阀一和电磁阀二，使气体从出气段2进入循环段4，经由收缩段3一段时间。
132.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。