用于燃料电池系统的电堆以及燃料电池系统的制作方法

本申请总体上涉及燃料电池技术，尤其涉及一种电堆以及包括这种电堆的燃料电池系统。

背景技术：

1、利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种广泛应用的燃料电池。在pemfc中，一定数量的电池单元被沿着堆叠方向堆叠并组合在一起，以达到功率、电压和电流等电气应用要求，从而形成电堆。在pemfc运行期间，氢气和空气被分别供给到各电池单元的阳极和阴极。进入阳极的氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极，电子则通过外电路流向阴极以形成电流。空气中的氧气在阴极与氢离子和电子相结合成水分子。由于质子交换膜两侧的水浓度差，阴极侧的生成水会迁移到阳极侧。在pemfc运行期间，阳极侧的再循环可能会将从电堆排出的部分液态水带回到电堆，并且阴极侧对空气的增湿也可能会将液态水引入电堆。在一些应用中，电堆被以堆叠方向与重力方向基本一致地定向。由于重力的作用，进入电堆的大部分液态水会进入到沿着堆叠方向处于最下方的电池单元中。这会导致在最下方的电池单元中发生水淹，从而导致出现反极现象，造成电池单元损坏。

2、因此，需要对现有的电堆进行改进。

技术实现思路

1、本申请旨在提供一种用于燃料电池系统的电堆，以克服以上缺陷。

2、一方面，本申请提供了一种用于燃料电池系统的电堆。所述电堆包括伪电池单元和多个电池单元，所述伪电池单元和所述多个电池单元沿着堆叠方向彼此堆叠，并且所述电堆被配置成当所述燃料电池系统运行时以所述堆叠方向与重力方向基本一致地定向。每个所述电池单元包括：形成有第一阴极流场的阴极板；形成有第一阳极流场的阳极板；以及膜电极组件，所述膜电极组件被设置在所述阴极板与所述阳极板之间，所述第一阳极流场和所述第一阴极流场分别面对所述膜电极组件。所述伪电池单元被在所述堆叠方向上设置在所述多个电池单元的下侧，并且所述伪电池单元包括：形成有第二阴极流场的第一流场板；形成有第二阳极流场的第二流场板；以及隔板，所述隔板被设置在所述第一流场板与所述第二流场板之间，所述第二阳极流场和所述第二阴极流场分别面对所述隔板，所述隔板被配置成隔绝所述第二阳极流场与所述第二阴极流场之间的传质，但能够在所述第一流场板与所述第二流场板之间传导电流。

3、在一些实施例中，所述第一流场板和所述阴极板中的每个具有相同的形状。

4、在一些实施例中，所述第二流场板和所述阳极板中的每个具有相同的形状。

5、在一些实施例中，所述第一流场板被配置成具有使得所述第二阴极流场具有可调的通流能力，以使得能够调节阴极气体的进入所述第一阴极流场的部分与进入所述第二阴极流场的部分的比例。

6、在一些实施例中，所述第二流场板被配置成具有使得所述第二阳极流场具有可调的通流能力，以使得能够调节阳极气体的进入所述第一阳极流场的部分与进入所述第二阳极流场的部分的比例。

7、在一些实施例中，所述燃料电池系统包括加热器和水循环回路，所述加热器被设置在所述水循环回路上，并且被配置成在水经过所述加热器时加热水，并且所述隔板包括形成在所述隔板内的流场以及与所述流场连通的入口端口和出口端口，所述入口端口和所述出口端口被配置成分别与所述水循环回路的两端连接。

8、在一些实施例中，所述隔板包括加热电阻器，所述加热电阻器被在所述隔板内，并且被配置成能够由外部电源供电。

9、在一些实施例中，所述隔板面对所述第二阴极流场的表面和所述第一流场板的在所述第二阴极流场中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层。

10、在一些实施例中，所述隔板面对所述第二阳极流场的表面和所述第一流场板的在所述第二阳极流场中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层。

11、在一些实施例中，所述隔板、所述第一流场板、所述第二流场板、所述阴极板和所述阳极板由相同的材料制成。

12、在一些实施例中，所述隔板的形状与所述膜电极组件的形状相同。

13、在一些实施例中，所述隔板由不锈钢制成。

14、在一些实施例中，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板中的每个包括阳极入口孔道、阴极入口孔道、阳极出口孔道和阴极出口孔道，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阳极入口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阳极入口总管，并且所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阳极出口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阳极出口总管，所述多个电池单元的所述第一阳极流场和所述伪电池单元的所述第二阳极流场中的每个将所述阳极入口总管和所述阳极出口总管连通，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阴极入口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阴极入口总管，并且所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阴极出口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阴极出口总管，所述多个电池单元的所述第一阴极流场和所述伪电池单元的所述第二阴极流场中的每个将所述阴极入口总管和所述阴极出口总管连通；以及其中：所述电堆被配置成在所述阳极入口总管的在所述堆叠方向上的下端处接收阳极气体，并且在所述阳极出口总管的在所述堆叠方向上的下端处排出阳极产物；和/或所述电堆被配置成在所述阴极入口总管的在所述堆叠方向上的下端处接收阴极反应气体，并且在所述阴极出口总管的在所述堆叠方向上的下端处排出阴极产物。

15、另一方面，本申请提供了一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括前述的电堆。当所述燃料电池系统运行时，所述电堆以所述堆叠方向与重力方向基本一致地定向。

16、这些技术可以单独使用或以任何合适的组合使用。前面的总结是以说明的方式提供的，并不意味着是限制性的。

17、根据本申请，能够降低甚至消除在竖向定向(以堆叠方向与重力方向基本一致地定向)的电堆中发生电池单元水淹的风险，从而提高电堆的可靠性。

技术特征：

1.一种用于燃料电池系统的电堆(1)，其特征在于，所述电堆(1)包括伪电池单元(100)和多个电池单元(200)，所述伪电池单元(100)和所述多个电池单元(200)沿着堆叠方向(z-z)彼此堆叠，并且所述电堆(1)被配置成当所述燃料电池系统运行时以所述堆叠方向(z-z)与重力方向基本一致地定向，其中：

2.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于，所述隔板(105)包括加热电阻器(105d)，所述加热电阻器(105d)被在所述隔板(105)内，并且被配置成能够由外部电源(9)供电。

6.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于，所述隔板(105)、所述第一流场板(101)、所述第二流场板(103)、所述阴极板(201)和所述阳极板(203)由相同的材料制成。

8.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电堆(1)，其特征在于：

10.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的电堆(1)，当所述燃料电池系统运行时，所述电堆(1)以所述堆叠方向(z-z)与重力方向基本一致地定向。

技术总结
本申请提供了一种用于燃料电池系统的电堆。伪电池单元和多个电池单元沿着堆叠方向彼此堆叠，并且电堆被配置成当燃料电池系统运行时以堆叠方向与重力方向基本一致地定向。伪电池单元被在堆叠方向上设置在多个电池单元的下侧。伪电池单元包括：形成有第二阴极流场的第一流场板；形成有第二阳极流场的第二流场板；以及隔板，其被设置在第一流场板与第二流场板之间。隔板被配置成隔绝第二阳极流场与第二阴极流场之间的传质，但能够在第一流场板与第二流场板之间传导电流。根据本申请，能够降低甚至消除在竖向定向的电堆中发生电池单元水淹的风险，从而提高电堆的可靠性。本申请还提供了一种包括前述电堆的燃料电池系统。

技术研发人员：彭炜,许玉江,石春辉,肖浩栋
受保护的技术使用者：罗伯特·博世有限公司
技术研发日：20230322
技术公布日：2024/1/13