[发明专利]燃料电池电堆及燃料电池系统

说明书

本发明公开了一种燃料电池电堆及燃料电池系统，燃料电池堆包括多个桥孔和公共流道，燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构，脉冲排气机构设置于氢气出口所在的公共流道内，脉冲排气机构包括挡流板，挡流板的侧壁上设置有至少一个排气槽，排气槽贯通挡流板的侧壁，排气槽可沿着公共流道的延伸方向移动，使得单节电池上的氢气出口处的桥孔可以在闭气和排气之间切换，使得单节电池能实现脉冲式流量变化，产生的短时大流量有利于单节电池内液态水的排出。多个排气槽周期性反复扫过燃料电池电堆内的整个电池组，使得每个单节电池沿堆叠方向顺次执行氢气脉冲排气动作，达到降低电堆氢气排水对氢气计量比的需求，进而减小氢循环系统的技术难度、能耗的效果。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池电堆及燃料电池系统。

背景技术

随着质子交换膜燃料电池的技术革新，研究者们不断研发出更高体积功率密度的燃料电池电堆，其运行电流密度也越来越高。在此过程中质子交换膜的技术沿革起了关键作用，在保持膜的机械强度和耐久性的基础上，厚度更薄而导电性更高的质子交换膜被开发并广泛应用，其带来的更低的欧姆损耗使电堆可以运行在更高的电流密度以获取更大的峰值功率，同时更高的水扩散速度也使反应产生的水能够快速扩散于膜电极中，省去了外置增湿器的必要，节约了发电系统的成本。

但是，燃料电池电堆运行的电流密度越高，运行过程中产生的水就越多，由此，燃料电池电堆产生的大量生成水顺利排出的问题逐渐成为了当今电堆研发的主要问题之一。若电堆某单片电池内存在积水或者水淹，轻则影响整体电堆的性能，需要更加苛刻的操作条件来维持稳定运行，系统的寄生能耗随之增加，重则产生电流分布严重差异，造成局部过热或反极，损伤电极材料，减少寿命甚至损坏电堆。虽然燃料电池内水是在阴极产生，但高扩散性的薄膜能将大量的生成水渗透至阳极。燃料电池内氢气相对更低的流速和惯量使其带出生成水的能力较差，由此引发了薄膜大功率燃料电池内越来越频发的水淹问题，相比空气侧的阴极水淹也更具危害性。

目前燃料电池阳极排水主要依靠氢气循环和脉冲排气的组合应用。氢循环过程是利用燃料电池电堆出口流出的未反应氢气，去除液态水后，经过气泵或引射器等零部件回到氢气入口，与新鲜的氢气混合后进入电堆，达到氢气的再利用，在提高燃料利用率(通常95％)的同时，也提升了电堆供氢的计量比，使相对更高流量的氢气流过电堆，加速自阴极迁移来的液态水的排出。脉冲排气是在电堆氢气出口处设置的阀门排气/闭气的脉冲式切换，在尽量少浪费氢燃料的基础上产生极短时间的大流量排气，将之前积聚在电堆或分水器内的废气与液态水快速排出。通过氢气循环和脉冲排气的组合应用，联合调节氢循环的计量比与排气的脉冲频率和时间，可使氢腔排水与氢利用率达到最佳的兼顾。因此氢气循环和脉冲排气的组合已经成为现今大功率燃料电池系统的主流应用。氢循环流量越大，氢计量比越高，电池流场中的氢气流速越大，有利于提高反应气体浓度的均匀性同时也利于氢腔液态水的排出。然而，更高流量的水汽饱和的氢气循环流经燃料电池将产生显著增加的压力损失，这种高流量高压头的泵气需求会显著提高氢回流泵或引射器的技术难度与成本，同时也增大了寄生能耗，使系统净输出降低。因此，现如今燃料电池系统匹配与控制上，开发者都在避免氢气欠气或水淹的前提下尽量采取较低的氢气循环流量；而在燃料电池电堆的设计研发上，开发者的主要方向之一也是设计出具备在更低的氢计量比下稳定运行能力的双极板流场和电堆结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的燃料电池电堆因排水限制而难以降低氢气回流流量的问题，提供一种燃料电池电堆设计及燃料电池系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种燃料电池电堆，包括多个桥孔和公共流道，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构，所述脉冲排气机构设置于氢气出口所在的所述公共流道内，所述脉冲排气机构包括挡流板，所述挡流板的侧壁上设置有至少一个排气槽，所述排气槽贯通所述挡流板的侧壁，所述排气槽可沿着所述公共流道的延伸方向移动，以使电堆内单节电池在闭气状态和排气状态之间切换；