一种模块化串并联燃料电池堆组
阅读说明：本技术 一种模块化串并联燃料电池堆组 (Modularized series-parallel fuel cell stack group ) 是由 杜玮 邓呈维 姬峰 王星显 罗若尹 王涛 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种模块化串并联燃料电池堆组,属于燃料电池技术领域；包括n个燃料电池堆单元和导气芯；其中,导气芯为轴向竖直放置的筒状结构；燃料电池堆单元为中心带有通孔的盘状结构；n个燃料电池堆单元同轴竖直堆叠,并套装在导气芯的外壁；导气芯内部设置有环状通气道,通气道与各燃料电池堆单元内壁连通；本发明可达到大活性面积电堆同样的反应区域面积,可灵活扩展燃料电池堆组的功率等级,可避免传统燃料电池堆由于单体故障而导致的停机,提高了燃料电池堆组工作的可靠性。(The invention relates to a modularized series-parallel connection fuel cell stack group, belonging to the technical field of fuel cells; the fuel cell stack comprises n fuel cell stack units and a gas guide core; the air guide core is a cylindrical structure which is vertically arranged in the axial direction; the fuel cell stack unit is of a disc-shaped structure with a through hole in the center; the n fuel cell stack units are coaxially and vertically stacked and sleeved on the outer wall of the air guide core; the air guide core is internally provided with an annular air duct which is communicated with the inner wall of each fuel cell stack unit; the invention can reach the same reaction area of the large-active-area electric pile, can flexibly expand the power grade of the fuel cell pile group, can avoid the shutdown of the traditional fuel cell pile caused by the single failure, and improves the working reliability of the fuel cell pile group.)
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种模块化串并联燃料电池堆组。
背景技术
燃料电池是一种将氧化剂(空气、氧气等)和还原剂(氢气、储氢材料等)通过电化学氧化还原反应发电的装置。氢能和燃料电池被认为是替代石化能源的新一代可大规模应用的清洁能源体系。燃料电池包括燃料电池堆芯和辅助部件，燃料电池堆芯由几十至数百片单电池串连堆叠形成，单电池包括分配介质流动的双极板和电化学反应的核心结构，即膜电极。辅助部件的功能为压紧燃料电池堆芯，并提供燃料电池氧化剂、还原剂和冷却剂的介质进出口。辅助部件包括前后压紧端板、介质分配部件和介质进出管接口等。
在新能源车领域，目前主流应用为电动汽车，其动力电池组为许多节标准的电芯通过串并联形成，并通过能量管理单元进行电芯的一致性管理。动力电池组中少量的单体电池失效，并不会造成整个动力电池组无法工作，因此电动汽车动力输出的可靠性较好。氢能源动力汽车作为具有巨大潜力的新能源车类型，其原理是通过燃料电池发电，带动电机转动提供车辆前进的驱动力，常见车用燃料电池系统根据车辆功率需求设计单个大功率燃料电池，往往由几百片单电池串连堆叠形成。随着车载燃料电池系统功率需求的不断提高，燃料电池膜电极的活性区域面积越来越大，带来了活性面积内反应介质分布的不均匀程度增加，容易导致一部分单电池单体电压偏低，甚至局部水淹或缺气导致单电池反极，引起燃料电池结构的腐蚀破坏，造成危险，从而使燃料电池整体无法继续工作。
在航天和水下等特殊应用领域，燃料电池的应用首先要确保安全性和可靠性。传统的单电池串连形成的大功率燃料电池，一旦出现某个单电池的性能恶化或失效，将导致整个燃料电池系统无法继续发电工作，制约了燃料电池在这些领域的进一步推广应用。
燃料电池电堆需要连接氧化剂、还原剂和冷却剂的进出口，因此燃料电池结构相对于蓄电池来说更加复杂，不同功率等级的燃料电池需要单独设计，且燃料电池为单电池串连组装结构，无法做到动力电池组串并联的组成方式，导致燃料电池一旦单电池发生故障，则整个燃料电池无法继续工作，运行可靠性较动力电池组较差。此外，由于对燃料电池功率需求的不断增加，燃料电池膜电极活性反应区域的面积越来越大，反应物浓度、温度、电流密度等一致性变差，进一步恶化了燃料电池工作的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种模块化串并联燃料电池堆组，可达到大活性面积电堆同样的反应区域面积，可灵活扩展燃料电池堆组的功率等级，可避免传统燃料电池堆由于单体故障而导致的停机，提高了燃料电池堆组工作的可靠性。
本发明解决技术的方案是：
一种模块化串并联燃料电池堆组，其特征在于：包括n个燃料电池堆单元和导气芯；其中，导气芯为轴向竖直放置的筒状结构；燃料电池堆单元为中心带有通孔的盘状结构；n个燃料电池堆单元同轴竖直堆叠，并套装在导气芯的外壁；导气芯内部设置有环状通气道，通气道与各燃料电池堆单元内壁连通；n为大于等于2的正整数。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述燃料电池堆单元包括堆芯骨架、m个燃料电池堆芯、上盖板和下盖板；其中，堆芯骨架为中空圆盘结构；m个燃料电池堆芯从堆芯骨架顶部安装在堆芯骨架的内腔中；上盖板和下盖板均为盖状结构；上盖板从上至下罩在堆芯骨架的顶部；下盖板从下至上罩在堆芯骨架的底部；m为不小于4的偶数。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述堆芯骨架的上表面设置有m个矩形凹槽；m个矩形凹槽沿周向均匀分布；m个燃料电池堆芯一一对应安装在m个矩形凹槽中；堆芯骨架的侧壁沿周向均匀设置有m个通孔；m个通孔与m个矩形凹槽交错设置；每个通孔中水平设置一个分隔板，共m个分隔板；m个分隔板的外沿水平伸出堆芯骨架。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述m个分隔板包括个高置分隔板和个低置分隔板；高置分隔板位于通孔水平中线的上方；低置分隔板位于通孔水平中线的下方；个高置分隔板和个低置分隔板交错分布。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述上盖板和下盖板均为齿轮状盖板；上盖板盖在堆芯骨架的顶部时，齿轮状上盖板的齿顶处搭接在分隔板的外沿上表面；齿轮状上盖板的齿根处搭接在堆芯骨架的顶部的外沿上表面；下盖板盖在堆芯骨架的底部时，齿轮状下盖板的齿顶处搭接在分隔板的外沿下表面；齿轮状下盖板的齿根处搭接在堆芯骨架的底部的外沿下表面。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述导气芯为燃料电池组中流体介质的公用通道，实现流体介质在n个燃料电池堆单元之间连通流动；同时，导气芯实现为每个燃料电池堆单元中的m个燃料电池堆芯分配流体介质及收集流体介质；所述流体介质包括氧化剂、氢气和冷却剂。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述导气芯沿径向依次设置有6个同心环形管道，分别为氧化剂进气管道、氢气进气管道、冷却剂出口管道、氢气出气管道、氧化剂出气管道、冷却剂入口管道，分别提供氢气、氧化剂和冷却剂的供给和排出；且导气芯的顶面和底面位置沿径向均设置有开口，6个同心环形管道分别对应一个开口，实现流体介质通过对应开口流入或流出导气芯。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述导气芯的外壁与堆芯骨架、燃料电池堆芯、上盖板和下盖板共同围成燃料电池歧管；通过燃料电池歧管，实现将导气芯中的流体介质向燃料电池堆芯分配及收集。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，由于每个燃料电池堆单元中的m个矩形燃料电池堆芯呈环状布置，因此相邻燃料电池堆芯之间形成梯形的歧管结构，梯形的顶面指向燃料电池堆单元的中心，梯形的底面指向燃料电池堆单元的外壁；氢气和氧化剂分别在燃料电池堆芯之间的不同梯形腔内分布；其中，在低置分隔板上方，氧化剂通过梯形腔向燃料电池堆芯供气，流动方向指向燃料电池堆单元的中心，实现气体流动截面积逐渐减小，符合气体逐渐消耗导致流量减小的规律，避免了涡流的产生，提高了气体分配的一致性；未参与反应的多余氧化剂在穿过燃料电池堆芯后，进入高置分隔板的下方，氧化剂通过梯形腔排出，流动方向指向燃料电池堆单元的外壁，气体流动截面积逐渐增大，符合气体逐渐积累流量增加的规律，稳定了气体流速和压降，提高气体分配的一致性；
在低置分隔板下方，氢气通过梯形腔向燃料电池堆芯供气，流动方向指向燃料电池堆单元的中心，实现气体流动截面积逐渐减小，符合气体逐渐消耗导致流量减小的规律，避免了涡流的产生，提高了气体分配的一致性；未参与反应的多余氢气在穿过燃料电池堆芯后，进入高置分隔板的上方，氢气通过梯形腔排出，流动方向指向燃料电池堆单元的外壁，气体流动截面积逐渐增大，符合气体逐渐积累流量增加的规律，稳定了气体流速和压降，提高气体分配的一致性。
在上述的一种模块化串并联燃料电池堆组，所述下盖板与燃料电池堆芯的底面之间形成冷却剂入口通道；上盖板与燃料电池堆芯顶面之间形成的冷却剂出口；冷却剂从导气芯的底面开口进入冷却剂入口通道后，自下向上穿过燃料电池堆芯，进入冷却剂出口，并汇入导气芯的冷却剂出口管道，形成完整的冷却剂流动路径。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明的模块集成化程度高，缩短设计开发周期：将燃料电池电芯和燃料电池堆单元设计成标准模块，通过燃料电池堆单元的堆叠扩展燃料电池堆组的功率等级，针对不同的功率需求场景，快速开发燃料电池堆组方案。所述燃料电池单元具有相对独立的燃料电池结构和介质进出口，可单独接入系统运行发电，同时，通过所述燃料电池单元的直接堆叠，所述导气芯直接组成介质通路，无需额外增加分配管路布置，集成不增加分配管路额外的空间占用，模块集成化程度高；
(2)本发明具备气体预热、保温功能：本发明所述导气芯，包含的所述氢气进气管外围被所述冷却剂入口管和冷却剂出口管包围，因此冷却剂可对反应前的氢气进行预热；所述燃料电池单元除所述导气芯外，冷却剂的介质通道与氧化剂和氢气介质通道均交替布置，可对气体进行均匀预热。气体预热可起到改善燃料电池水热管理、提高燃料电池发电性能的作用。由于氢气出气管和氧化剂出气管位于导气芯的内部，热量较难散出，因此对氢气循环或氧化剂余热利用也是有利的，无需设置保温层即可达到出气管的保温效果；
(3)本发明降低维修成本：本发明所述燃料电池堆组包含的所述燃料电池电芯为多个活性反应面积较小的模块化燃料电池，可所述燃料电池堆组单个所述燃料电池电芯失效后，可快速更换失效电芯。而传统大功率燃料电池发生单体电池失效后，需对整个燃料电池进行复杂的拆卸更换，甚至整体报废。因此本发明所述燃料电池堆组具有更低的维修成本；
(4)本发明改善燃料电池气-热-电-力分布一致性：燃料电池在结构放大的过程中，气体介质分布、热管理、电流密度分布、极板装配应力分布的均匀性均会变差，要提高一致性的设计难度很大，结构复杂导致可靠性和良品率变差。本发明所述燃料电池堆组采用多个所述燃料电池堆芯达到大功率串连燃料电池同样的功率，但是采用的所述燃料电池堆芯的反应活性面积较小，这就避免了燃料电池放大导致的一致性变差的问题；
(5)本发明改善燃料电池不同单体电池之间介质分配均匀性：本发明所述的氢气进气通道截面积沿气体流动方向逐渐减小，所述氢气出气通道截面积沿气体流动方向逐渐增大，气体通道截面积的变化与气体消耗和汇聚的流量变化相吻合，减少了气体通道内的不稳定涡流，改善了燃料电池不同单体之间介质分配的均匀性；
(6)本发明提高了燃料电池工作的可靠性：本发明所述的燃料电池堆组参考蓄电池动力电池组的串并联方式，通过模块化集成设计，突破目前大面积串连大功率燃料电池的设计方法，实现了小面积燃料电池堆芯的模块化集成，避免了燃料电池单体电池失效导致的整体故障停机。因此显著提高了燃料电池工作的可靠性，在车用、固定式电站、航天、水下等领域有广泛潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明燃料电池堆组整体示意图；
图2为本发明燃料电池堆单元爆炸示意图；
图3为本发明堆芯骨架示意图；
图4为本发明上盖板和下盖板与堆芯骨架配合安装示意图；
图5为本发明燃料电池堆单元剖视图；
图6为本发明燃料电池堆单元B-B方向视图；
图7为本发明燃料电池堆单元C-C方向视图；
图8为本发明导气芯顶部开口示意图；
图9为本发明导气芯底部开口示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种模块化串并联燃料电池堆组，改善大功率燃料电池一致性，实现燃料电池类似动力电池组的灵活串并联结构，使燃料电池单电池失效不导致燃料电池堆组的连续运行，增加燃料电池堆组发电的可靠性。
模块化串并联燃料电池堆组，如图1所示，具体包括n个燃料电池堆单元1和导气芯7；其中，导气芯7为轴向竖直放置的筒状结构；燃料电池堆单元1为中心带有通孔的盘状结构；n个燃料电池堆单元1同轴竖直堆叠，并套装在导气芯7的外壁；导气芯7内部设置有环状通气道，通气道与各燃料电池堆单元1内壁连通；n为大于等于2的正整数。
如图2所示，燃料电池堆单元1包括堆芯骨架4、m个燃料电池堆芯3、上盖板5和下盖板6；其中，堆芯骨架4为中空圆盘结构；m个燃料电池堆芯3从堆芯骨架4顶部安装在堆芯骨架4的内腔中；上盖板5和下盖板6均为盖状结构；上盖板5从上至下罩在堆芯骨架4的顶部；下盖板6从下至上罩在堆芯骨架4的底部；m为不小于4的偶数。
堆芯骨架4的上表面设置有m个矩形凹槽41；m个矩形凹槽41沿周向均匀分布；m个燃料电池堆芯3一一对应安装在m个矩形凹槽41中；堆芯骨架4的侧壁沿周向均匀设置有m个通孔42；m个通孔42与m个矩形凹槽41交错设置；每个通孔42中水平设置一个分隔板43，共m个分隔板43；m个分隔板43的外沿水平伸出堆芯骨架4，如图3所示。
m个分隔板43包括个高置分隔板和个低置分隔板；高置分隔板位于通孔42水平中线的上方；低置分隔板位于通孔42水平中线的下方；个高置分隔板和个低置分隔板交错分布。
如图4所示，上盖板5和下盖板6均为齿轮状盖板；上盖板5盖在堆芯骨架4的顶部时，齿轮状上盖板5的齿顶处搭接在分隔板43的外沿上表面；齿轮状上盖板5的齿根处搭接在堆芯骨架4的顶部的外沿上表面；下盖板6盖在堆芯骨架4的底部时，齿轮状下盖板6的齿顶处搭接在分隔板43的外沿下表面；齿轮状下盖板6的齿根处搭接在堆芯骨架4的底部的外沿下表面。
导气芯7为燃料电池组中流体介质的公用通道，实现流体介质在n个燃料电池堆单元1之间连通流动；同时，导气芯7实现为每个燃料电池堆单元1中的m个燃料电池堆芯3分配流体介质及收集流体介质；所述流体介质包括氧化剂、氢气和冷却剂。
导气芯7沿径向依次设置有6个同心环形管道，分别为氧化剂进气管道、氢气进气管道、冷却剂出口管道、氢气出气管道、氧化剂出气管道、冷却剂入口管道，分别提供氢气、氧化剂和冷却剂的供给和排出；且导气芯7的顶面和底面位置沿径向均设置有开口，6个同心环形管道分别对应一个开口，实现流体介质通过对应开口流入或流出导气芯7。
导气芯7的外壁与堆芯骨架4、燃料电池堆芯3、上盖板5和下盖板6共同围成燃料电池歧管；通过燃料电池歧管，实现将导气芯7中的流体介质向燃料电池堆芯3分配及收集。
由于每个燃料电池堆单元1中的m个矩形燃料电池堆芯3呈环状布置，因此相邻燃料电池堆芯3之间形成梯形的歧管结构，梯形的顶面指向燃料电池堆单元1的中心，梯形的底面指向燃料电池堆单元1的外壁；氢气和氧化剂分别在燃料电池堆芯3之间的不同梯形腔内分布；其中，在低置分隔板上方，氧化剂通过梯形腔向燃料电池堆芯3供气，流动方向指向燃料电池堆单元1的中心，实现气体流动截面积逐渐减小，符合气体逐渐消耗导致流量减小的规律，避免了涡流的产生，提高了气体分配的一致性；未参与反应的多余氧化剂在穿过燃料电池堆芯3后，进入高置分隔板的下方，氧化剂通过梯形腔排出，流动方向指向燃料电池堆单元1的外壁，气体流动截面积逐渐增大，符合气体逐渐积累流量增加的规律，稳定了气体流速和压降，提高气体分配的一致性。
在低置分隔板下方，氢气通过梯形腔向燃料电池堆芯3供气，流动方向指向燃料电池堆单元1的中心，实现气体流动截面积逐渐减小，符合气体逐渐消耗导致流量减小的规律，避免了涡流的产生，提高了气体分配的一致性；未参与反应的多余氢气在穿过燃料电池堆芯3后，进入高置分隔板的上方，氢气通过梯形腔排出，流动方向指向燃料电池堆单元1的外壁，气体流动截面积逐渐增大，符合气体逐渐积累流量增加的规律，稳定了气体流速和压降，提高气体分配的一致性。
下盖板6与燃料电池堆芯3的底面之间形成冷却剂入口通道63；上盖板5与燃料电池堆芯3顶面之间形成的冷却剂出口53；冷却剂从导气芯7的底面开口进入冷却剂入口通道63后，自下向上穿过燃料电池堆芯3，进入冷却剂出口53，并汇入导气芯7的冷却剂出口管道，形成完整的冷却剂流动路径。
如图6所示，燃料电池堆芯3安装在堆芯骨架4的矩形凹槽41内；堆芯骨架4的高置隔板与上盖板5之间形成氢气进气通道52，高置隔板42与下盖板6之间形成氧化剂出气通道62，低置隔板与上盖板5之间形成氧化剂进气通道51，低置隔板与下盖板6之间形成氢气出气通道61；矩形凹槽41与上盖板5之间形成冷却剂出口通道53，如图7所示。矩形凹槽41与下盖板6之间形成冷却剂入口通道63。氢气进气通道52与氢气流道入口33连接，氧化剂进气通道51与氧化剂流道入口31连接，冷却剂出口通道53与冷却剂流道出口35连接。上盖板包含的氢气进气通道52的截面积沿气体流动方向逐渐缩小，氧化剂进气通道51的截面积沿气体流动方向逐渐缩小。下盖板6整体外形为环形，内部包含与燃料电池的堆芯3数量相同的几组一体式介质通道，每组一体式介质通道分别包含氢气出气通道61、氧化剂出气通道62、以及冷却剂入口通道63；氢气出气通道61与氢气流道出口34连接，氧化剂出气通道62与氧化剂流道出口32连接，冷却剂入口通道63与冷却剂流道入口36连接。下盖板6包含的氢气出气通道61的截面积沿气体流动方向逐渐增大，氧化剂出气通道62的截面积沿气体流动方向逐渐增大，如图5所示。
导气芯7顶部、底部开口具体分布如图8、图9所示，分别为氢气进气口72、氢气出气口74、氧化剂进气口71、氧化剂出气口75、冷却剂入口76和冷却剂出口73；氢气进气口72与氢气进气通道52连接，氢气出气口74与氢气出气通道61连接，氧化剂进气管71与氧化剂进气通道51连接，氧化剂出气口75与氧化剂出气通道62连接，冷却剂入口76与冷却剂入口通道63连接，冷却剂出口73与冷却剂出口通道53连接。
如图6所示，截面B-B为氧化剂进气通道51与燃料电池堆芯3的氧化剂流道入口31连接、氢气进气通道52与燃料电池堆芯3的氢气流道入口33连接的截面位置。从截面图B-B中可以看出，每个氧化剂进气通道51与相邻两个燃料电池堆芯3的氧化剂流道入口31连接，且氧化剂进气通道51的宽度沿气体流动方向(箭头所示)逐渐减小，由于沿气体流动方向的流量不断降低(燃料电池单电池依此消耗)，因此截面积逐渐减小的氧化剂进气通道51能够降低气体流速的变化梯度，有利于燃料电池单电池之间的介质分配均匀性，从而提高燃料电池单电池电压的一致性。氢气进气通道52具有相似的技术原理。图7中C-C截面为氧化剂进气通道51与氧化剂进气口71连接、氢气进气通道52与氢气进气口72连接、冷却剂出口通道53与冷却剂出口73连接的截面位置。结合截面图C-C和截面图B-B可以看出，在图7的C-C截面内，氧化剂从氧化剂进气口71沿径向向外(实线箭头)流入氧化剂进气通道51内，并通过上盖板5折流，在图6的B-B截面内沿径向向内(实线箭头)依此流向燃料电池堆芯3的氧化剂流道入口31。氢气流动方向具有相似的原理。在图7中C-C截面，虚线箭头表示了冷却剂在冷却剂出口通道53中的整体流动方向，在冷却剂入口通道63内，冷却剂具有相反的流动方向。
本发明导气芯7进一步提高了模块化燃料电池堆组的集成度。燃料电池至少需要氧化剂进出口、氢气进出口和冷却剂进出口共6个管路接口，传统燃料电池的管路接口在燃料电池外部，通过管路连接，造成燃料电池系统体积的增加。本发明导气芯7将6个管路接口布置在燃料电池堆单元1的内部，不占用外部体积，同时多个燃料电池单元1堆叠可形成多个导气芯7的贯通管路，模块化程度高，集成度高。导气芯7具有6个同心环形布置的介质管路，可看到氧化剂进气口71、氢气进气口72、冷却剂出口73、氢气出气口74、氧化剂出气口75、冷却剂入口76。导气芯7的此中结构布置使得燃料电池的6个管路接口得以合理紧凑布置，并且导气芯7具有可串连连接的特点。导气芯7中冷却剂入口76和冷却剂出口73之间设置有氢气进气口72，因此可通过冷却剂对氢气进行预热，改善燃料电池性能。由于氢气出气口74和氧化剂出气口75位于导气芯7的内部，热量较难散出，因此对氢气循环或氧化剂余热利用也是有利的，无需设置保温层即可达到出气管的保温效果。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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