[发明专利]一种导流结构及燃料电池系统

说明书

本发明公开了一种导流结构及燃料电池系统，属于燃料电池领域。本发明的燃料电池系统，包括电堆，电堆包括电池单元，电池单元包括有分流区，电池单元内设置有氢气入口歧管，导流结构包括混合物入口段、分流段和密封端板，分流段插入氢气入口歧管内，混合物入口段位于电池单元的外部，密封端板在混合物入口段区域与电池单元的外端面实现密封，且导流结构在分流段上开设有多个分流口，该分流口用于引导混合气流和液态水在燃料电池中部单元区域的分布与分配。本发明将燃料电池阳极入堆液态水向电池单元各单片区域分布，避免了液态水在燃料电池单元局部区域聚集；改善了电池单元各单片区域内的气流的分布与分配。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种导流结构及燃料电池系统。

背景技术

为提高燃料电池系统性能,提高氢气利用率、改善系统水平衡，燃料电池系统中均采用阳极回流系统,即燃料电池阳极氢气反应气体过量供给电堆，电堆电化学反应消耗部分氢气，剩余氢气连同反应生成物混合排出电堆，出堆混合物经由驱动装置（氢循环泵或引射器）驱动回流,在电堆阳极入口之前与新供给的氢气混合,重新进入电堆。

燃料电池阳极回流系统中，出堆混合物温度一般为60-90度，显著高于环境温度。阳极出堆混合物在回流路流动过程中会经壁面向环境散热，温度逐步降低。新鲜氢气的供给来自于氢瓶，供气温度接近环境温度。当回流混合物与新鲜供给氢气混合后温度会进一步降低。尤其是在冬季冷态环境运行的条件下，环境温度低、壁面向环境散热量大；氢瓶内新鲜氢气温度低，新鲜氢气与回流氢气混合后，温度进一步降低。随温度降低,回流混合气中的水蒸气冷凝,以液态水析出。

燃料电池电堆由数百单片单元堆叠而成，两端端板施加预紧力实现电堆内各单片单元间的连接与密封。为实现均匀夹紧，需要较高的端板强度和刚度，端板常采用铝材料，而且比较厚，热容较大，相应的热惯性较大；另外端板通过其外端面向环境散热，热散失比重较大。以上两个因素共同影响，尤其针对低温环境和燃料电池系统启动暖机过程，临近端板单元的温度较中间单片单元温度低，通常其单片性能较中间单片性能偏低，由温度因素引起“端板效应”。

现有架构中，氢回流路中的液态水随气流进入电堆，较大比例流入紧临端板的首片单元。燃料电池单片单元含若干气流微通道，水的气相、液相间的密度差异巨大，液态水的含量直接影响气体在燃料电池系统通道内流动状态，液态水累积严重的情况会阻塞气体传输通道，影响系统正常运行。燃料电池紧临端板的首片单元受氢回流路液态水的影响较大，也会造成其单片性能较中间单片性能偏低。

现有燃料电池系统中，温度影响因素与液态水影响因素叠加作用，加剧 “端板效应”。

现有技术中，针对阳极冷凝液态水入堆问题，主要解决方案为堆内分水设置分水结构：为缓解液态水进入电堆后的影响，专利US7163760B2和US2018/0342744A1在电堆内部增设旁通单元，分流液态水的措施。其主要特点是在电堆内侧紧邻前端板增设氢气路旁通单元，旁通单元内设有连通氢气入口腔与出口腔的流通通道。氢气侧入堆混合物入堆后首先流经旁通单元，部分入堆的液态水会经旁通通道流至氢气出口腔体排出电堆，由此旁通单元下游的正常反应单元进入液态水的风险降低。

现有技术中，堆内分水设置分水结构，电堆内部增设旁通单元可缓解其下游正常反应单元受液态水影响的风险。增设旁通单元会增加电堆长度、影响电堆内部密封可靠性、接触压力分布、甚至关系到电堆整体性能。方案实施影响变量多、配适调整难度大。

因此，亟需提供一种导流结构及燃料电池系统，以解决燃料电池阳极入堆液态水在紧邻端板的首单片区域积聚，及其他局部区域聚集的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导流结构及燃料电池系统法，可实现将燃料电池阳极入堆液态水向燃料电池各单片分布，避免液态水在局部区域聚集，改善燃料电池各单片气流的分布与分配。

为实现上述目的，提供以下技术方案：