燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统技术方案

本发明专利技术提供了一种燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统，其中，燃料电池堆包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板，第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上，其中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流。本申请的技术方案有效解决了现有技术中燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。

Fuel cell stack and fuel cell stack system with it

【技术实现步骤摘要】
燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统
本专利技术涉及电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统。
技术介绍
在现有技术中，燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45％。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。在现有的燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合，形成多节甚至数十节的电池堆，从而形成功率较高的发电装置。如图1所示，为燃料电池堆结构，由双极板B和膜电极20叠放而成，其中双极板的上表面为阳极，下表面为阴极，膜电极的上表面为阴极，膜电极的下表面为阳极，在电池堆的两端通过集流板C1与C2实现电池堆整体电流的收集，C1为阴极集流板(电池正极)，C2为阳极集流板(电池负极)。其中，膜电极为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。其中，双极板上刻有流道，以均匀分配反应气体。在现有技术中，一般采用石墨雕刻加工的双极板，如图2所示，雕刻加工的石墨双极板截面结构图，其中B1为阳极板，B2为阴极板，B3为阳极板的流道以供燃料氢气的流通，B4为阴极板的流道以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，B5为阴极板另一侧的流道以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池膜电极截面结构，其中M1为阳极气体扩散层，M2为阳极催化剂层，M3为质子交换膜，M4为阴极催化剂层，M5为阴极气体扩散层。对于现有燃料电池堆的设计与操作，如图4所示，燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断，然而，当电池堆整体性能下降或者某一节电压下降时，却无法判断燃料电池某一节电池在具体哪个部位出现了故障，从而无法提出准确、高效的反馈控制策略。例如，当电堆电压或节电池电压下降，可能存在多种原因，比如：第一，电堆内部湿度过高，造成液态水堆积，阻碍反应气体传质，即水淹；第二，电堆内部过度干燥，造成膜内阻偏大，降低电压性能；第三，阴极或阳极的反应气体流量不足，造成反应物缺乏，降低电压性能。如图5所示，为现有设计的燃料电池电堆节电池截面示意图，其中An为阳极部，20为膜电极，Ca为阴极部，D为冷却部，C1为阴极集流板，C2为阳极集流板，Tr1为阴极到阳极的水扩散行为，Tr2为阳极到阴极的水电迁移行为。箭头表示流体或者气体流动方向。冷却部从进口端57到出口端56经过流道，冷却部中的三角形代表温度变化从进口温度T上升至出口温度T+ΔT。显然，氢气从进口端31到出口端34经过流道的输运与反应的消耗，氢气的浓度、湿度、温度等反应条件在整个膜电极反应区域是不可能完全一致的；对于空气从进口端43到出口端42经过流道也存在相同的问题；同时，通过质子交换膜，阴阳极之间存在复杂的水热交换过程(如Tr1与Tr2等过程)，造成内部反应条件参数分布的复杂性与不一致性。不一致的局部反应条件与膜电极工作环境，导致膜电极在不同区域的性能以及不同区域的性能不均，并造成各区域的寿命衰减不一致，而限制燃料电池性能与寿命的关键则是性能最低以及性能衰减最快的局部区域。因此，在现有技术中，燃料电池的性能只通过电压来判断，无法获悉电堆内部具体性能分布，从而无法判断电堆内部真实反应条件，导致电堆在发电系统中的控制策略不准确、不及时，进而导致电堆性能的进一步恶化，从而降低系统效率，并引发电堆加速寿命衰减。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种燃料电池堆及具有其的燃料电池堆系统，以解决现有技术中燃料电池的性能只能通过电池堆整体的电压来判断或者通过电池堆内每一节电池的电压判断，判断过程中无法获悉电堆内部具体性能分布的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种燃料电池堆，包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板，第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上，其中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流。进一步地，多个子集流板相互平行，并且多个子集流板由上至下布置。进一步地，每个子集流板包括位于端部的接线端，接线端凸出于第一绝缘板或者第二绝缘板。进一步地，第一绝缘板和/或第二绝缘板上形成有容纳多个子集流板的多个嵌入槽，每个嵌入槽的第一端为封闭端，每个嵌入槽的第二端为开放端，接线端从开放端伸出。进一步地，在朝向多节电池的方向上，每个子集流板的表面与第一绝缘板或第二绝缘板的表面共面。进一步地，每节电池包括依次设置的阳极板、膜电极和阴极板；相邻的两节电池中，一节电池的阴极板与另一节电池的阳极板相邻接；阳极板的顶部设置有第一氢气进口和第一空气出口，阳极板的底部设置有第一氢气出口和第一空气进口，阳极板朝向膜电极的表面上设置有氢气导流槽；阴极板的顶部设置有第二氢气进口和第二空气出口，阴极板的底部设置有第二氢气出口和第二空气进口，阴极板朝向膜电极的表面上设置有空气导流槽。进一步地，氢气导流槽包括沿阳极板的纵向布置的多条直流道，或者，氢气导流槽包括沿阳极板的纵向布置的多条弯曲流道，或者，氢气导流槽包括弯折迂回流道，并且弯折迂回流道的拐弯处位于阳极板的左右两侧；空气导流槽包括沿阴极板的纵向布置的多条直流道，或者，空气导流槽包括沿阴极板的纵向布置的多条弯曲流道。进一步地，燃料电池堆还包括位于第一绝缘板远离多节电池一侧的第一金属板和位于第二绝缘板远离多节电池另一侧的第二金属板，第一金属板和第二金属板之间设置有连接结构，以使第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板、第二绝缘板夹设在第一金属板和第二金属板之间。根据本专利技术的另一方面，提供了一种燃料电池堆系统，包括燃料电池堆和与燃料电池堆连接的检测电路，所述燃料电池堆为上述的燃料电池堆。进一步地，燃料电池堆的第一集流板包括多个子集流板，燃料电池堆的第二集流板为一体结构，检测电路包括主路、与主路连接的多条支路及设置在主路上的负载，主路的第一端与第二集流板连接，每条支路的第一端与每个子集流板一一对应地连接，每条支路的第二端均与主路连接，燃料电池堆系统还包括多个第一传感器，每条支路上设置有一个第一传感器。进一步地，燃料电池堆系统还包括第二传感器，第二传感器设置在主路上。应用本专利技术的技术方案，燃料电池堆包括依次设置的第一绝缘板、第一集流板、多节电池、第二集流板以及第二绝缘板。第一集流板装配在第一绝缘板上，第二集流板装配在第二绝缘板上。在本申请中，第一集流板和/或第二集流板包括间隔设置的多个子集流板，多个子集流板将燃料电池堆分成多个集流区域，每个子集流板能够收集每节电池与该子集流板对应区域的电流。这样，在对燃料电池堆的性能进行检测的情况下，通过等电势的分区域集流设计，每个子集流板能够实时监测多节电池内部局部区域的实际反应性能分布，即电流密度。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括依次设置的第一绝缘板(11)、第一集流板(C2)、多节电池(A)、第二集流板(C1)以及第二绝缘板(15)，所述第一集流板(C2)装配在所述第一绝缘板(11)上，所述第二集流板(C1)装配在所述第二绝缘板(15)上，其中，所述第一集流板(C2)和/或所述第二集流板(C1)包括间隔设置的多个子集流板，每个所述子集流板能够收集每节所述电池(A)与该子集流板对应区域的电流。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括依次设置的第一绝缘板(11)、第一集流板(C2)、多节电池(A)、第二集流板(C1)以及第二绝缘板(15)，所述第一集流板(C2)装配在所述第一绝缘板(11)上，所述第二集流板(C1)装配在所述第二绝缘板(15)上，其中，所述第一集流板(C2)和/或所述第二集流板(C1)包括间隔设置的多个子集流板，每个所述子集流板能够收集每节所述电池(A)与该子集流板对应区域的电流。2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，多个所述子集流板相互平行，并且多个所述子集流板由上至下布置。3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，每个所述子集流板包括位于端部的接线端(Co)，所述接线端(Co)凸出于所述第一绝缘板(11)或者所述第二绝缘板(15)。4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，所述第一绝缘板(11)和/或所述第二绝缘板(15)上形成有容纳多个所述子集流板的多个嵌入槽(G)，每个所述嵌入槽(G)的第一端为封闭端(G1)，每个所述嵌入槽(G)的第二端为开放端(G2)，所述接线端(Co)从所述开放端(G2)伸出。5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于，在朝向多节所述电池(A)的方向上，每个所述子集流板的表面与所述第一绝缘板(11)或所述第二绝缘板(15)的表面共面。6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，每节所述电池(A)包括依次设置的阳极板(B1)、膜电极(20)和阴极板(B2)；相邻的两节所述电池(A)中，一节所述电池(A)的所述阴极板(B2)与另一节所述电池(A)的所述阳极板(B1)相邻接；所述阳极板(B1)的顶部设置有第一氢气进口(31)和第一空气出口(32)，所述阳极板(B1)的底部设置有第一空气进口(33)和第一氢气出口(34)，所述阳极板(B1)朝向所述膜电极(20)的表面上设置有氢气导流槽(35)；所述阴极板(B2)的顶部设置有第二氢气进口(41)和第二空气出口(42)，所述阴极板(B2)的底部设置有第二空气进口(43)和第二氢气出口(44)，所述阴极板(B2)朝向所述膜电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐煜，乔泽敏，曹继申，谭玉芳，吴敏，
申请(专利权)人：苏州市华昌能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32