一种电堆结构及燃料电池

技术领域

本申请涉及新能源电池技术领域，尤其涉及一种电堆结构及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种利用催化反应将化学能直接转化为电能的发电装置。目前的燃料电池包括电堆主体，电堆主体由多个单体电池堆叠而成。且电堆主体中设置有进气流道，以给每一单体电池供气。

在相关技术中，在电堆主体上设置有进气管，进气管用于给进气流道供气。但是在进气流道内，靠近进气管的一侧气体压力大、流速快；而远离进气管的一侧气体压力小，流速慢。这就导致两侧出现较大的气流差值，进而导致两侧位置的单体电池获取到的气体流量不均匀，并进一步导致电堆主体中两侧单体电池的电压出现不均匀的情况，甚至会影响到燃料电池的实际使用效果。

由此，如何解决在电堆主体的进气流道两侧出现较大的气流差值，导致两侧单体电池供气流量不均匀是目前急需解决的问题。

发明内容

本申请旨在提供一种电堆结构及燃料电池，以解决在电堆主体的进气流道两侧出现较大的气流差值，导致两侧单体电池供气流量不均匀的问题。

而本申请为解决上述技术问题所采用了以下方案。

第一方面，本申请提供一种电堆结构，包括：

电堆主体，所述电堆主体上设置有进气流道，所述进气流道用于为所述电堆主体内的每一单体电池供气；

进气管，设置在所述电堆主体上，并与所述进气流道连通；

其中，所述进气流道包括相互远离的第一端部和第二端部；所述进气管具有出气端，所述进气管至少部分从所述第一端部伸入到所述进气流道内，且使所述出气端位于所述第一端部和所述第二端部之间；所述进气管的外径小于所述进气流道的内径。

在本申请的部分实施例中，所述出气端和所述第一端部的距离与所述出气端和所述第二端部的距离之比为0.3-3。

在本申请的部分实施例中，所述出气端和所述第一端部的距离与所述出气端和所述第二端部的距离之比为1。

在本申请的部分实施例中，所述进气管的侧壁上开设有出气孔，所述出气孔用于连通所述进气管的内流道和所述进气流道。

在本申请的部分实施例中，所述出气孔的数量为多个，且至少部分所述出气孔沿着第一方向间隔分布；其中，所述第一方向为沿着所述进气管内气流流动至所述出气端的方向。

在本申请的部分实施例中，所述第一端部和所述出气端之间的每一所述单体电池至少对应设置有一个出气孔。

在本申请的部分实施例中，所述进气管自所述进气流道的所述第一端部延伸至所述第二端部，以使所述出气端与所述第一端部的距离等于所述第一端部和所述第二端部的距离。

在本申请的部分实施例中，部分所述出气孔绕所述进气管的周向方向间隔设置。

在本申请的部分实施例中，沿着所述第一方向所述出气孔的孔径逐渐增大。

第二方面，本申请还提供一种燃料电池，包括上述的电堆结构。

本申请所提供的一种电堆结构及燃料电池，该电堆结构包括电堆主体和进气管；电堆主体内设置有进气流道，进气流道包括相互远离的第一端部和第二端部；进气管用于对电堆主体内的进气流道进行供气；通过设置进气管伸入到进气流道内，并使进气管的出气端位于第一端部和第二端部之间；相比较于直接将进气管设置在第一端部位置上的技术方案相比，本申请中的第一端部与出气端的距离更接近第二端部与出气端的距离；气流从出气端流出到进气流道之后，一部分继续流动至第二端部、另一部分沿着进气管和进气流道的间隙流动至第一端部；有利于提高对处于第一端部和第二端部的单体电池的供气均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的现有技术中的电堆结构的示意图；

图2为本申请的一实施例提供的电堆结构的示意图；

图3为本申请的另一实施例提供的电堆结构的示意图；

图4为本申请的图3的局部A放大图；

图5为本申请的又一实施例提供的电堆结构的示意图。

主要元件符号说明：

100-进气管，110-出气端，120-出气孔，200-电堆主体，210-单体电池，220-进气流道，221-涡流，222-第一端部，223-第二端部，a-第一方向。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本申请的描述中，“多个”的含义为两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认为，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实施例中，不会对已知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理的最广范围相一致。

请结合图1，图1示出了现有技术中的电堆结构的示意图；电堆主体200包括多个单体电池210，且电堆主体200上设置有进气流道220，进气流道220可连通任意单体电池210。进气流道220包括第一端部222和第二端部223，一般来说，第一端部222连接进气管100，第二端部223为盲端。在进气管100通入气体到进气流道220时，第一端部222上靠近进气流道220侧壁的位置容易产生涡流221，产生涡流221的位置附近的单体电池210得到的气体会更少。导致第一端部222处的单体电池210与其他位置处的单体电池210的供气流量均一性较差。

更为具体地，由于进气流道220内存在风阻，因此在进气流道220内，越靠近进气管100的一侧气体压力大、流速快；而越远离进气管100的一侧气体压力小，流速慢。也就是说第一端部222的气流流速快，第二端部223的气流流速慢；这就导致第一端部222和第二端部223之间会出现较大的气流差值，进而也会导致两侧位置的单体电池210获取到的气体流量不均匀。并会导致电堆主体200中两侧单体电池210的电压出现不均匀的情况，进一步导致不同单体电池210的电压不同，则会影响到燃料电池的实际使用效果。

本申请基于此对目前的电堆结构及燃料电池进行了改进。

首先，请参阅图2，图2示出了本申请实施例中提供的电堆结构的示意图。本实施例中电堆结构包括电堆主体200和进气管100。

具体地，电堆主体200由多个单体电池210堆叠制成。每一单体电池210可以包括阳极板、膜电极和阴极板。阳极板和阴极板有导电材料(例如金属或者石墨)制成。阳极板和阴极板上均具有流道，以便于导电的同时将反应气体均匀分布在膜电极两侧。示例性地，阳极板和阴极板的流道可以为直线形、蛇形或回字形流道。

更为具体地，膜电极主要包括质子交换膜、阳极气体扩散层、阳极催化层阴极气体扩散层以及阴极催化层。示例性地，质子交换膜可以为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜或者非氟化聚合物质子交换膜。阳极气体扩散层和阴极扩散层可以为碳纸。

在一些实施例中，进气管100可以为阳极板和/或阴极板供气。例如设置进气管100为阳极板供应氢气，设置另一进气管100为阴极板供应氧气(空气)。

需要解释的是，通过进气管100为单体电池210的阳极板提供氢气，氢气经过阳极气体扩散层到达阳极催化层后，氢气经催化后发生反应并产生氢离子，氢离子穿过质子交换膜进入阴极板的一侧。通过进气管100为单体电池210的阴极板提供氧气(空气)，氧气经过阴极气体扩散层，氧气经过阴极气体扩散层与氢离子结合生成水，在上述氧化还原反应过程中可以产生电能。

电堆主体200上设置有进气流道220，进气流道220用于为电堆主体200内的每一单体电池210供气。需要解释的是，每一单体电池210均设置有通气孔，相邻单体电池210的通气孔连接形成该进气流道220。进气管100通过该进气流道220为单体电池210供气。

在一些实施例中，进气流道220设置为两个，分别连通单体电池210210和阳极板和阴极板。每一进气流道220上均可设置进气管100供气。

进气管100设置在电堆主体200上，进气管100与进气流道220连通。也就是说，进气管100和进气流道220连通后，可通过进气管100为进气流道220供气。

在一些实施例中，进气流道220至少一端与进气管100连通。在更为具体地实施例中，进气流道220的两端均与进气管100连通。

进气流道220包括相互远离的第一端部222和第二端部223。可以理解的是，若电堆为自下而上的多个单体电池210堆叠制成，那么第一端部222就为最上层的单体电池210所形成的部分进气流道220，第二端部223为最下层的单体电池210所形成的部分进气流道220。

具体地，进气管100具有出气端110，进气管100至少部分从第一端部222伸入到进气流道220内，且使出气端110位于第一端部222和第二端部223之间。出气端110送出的气流能够往第一端部222和第二端部223扩散。有利于提高第一端部222和第二端部223位置的单体电池210获得气体的流量均匀性。

更为具体地，进气管100的外径小于进气流道220的内径。也就是说，进气管100的外壁和进气流道220的内壁之间存在间隙。出气端110送出的气流能够沿着间隙流动至第一端部222，并为流动路径上的单体电池210供气。

当前的电堆结构中，进气管100设置在电堆结构进气流道220外部。一方面，在进气流道220的第一端部222容易产生涡流221，导致单体电池210的气流流量不均匀；另一方面，第二端部223的气流流量远小于第一端部222的气流流量，则会导致第一端部222位置和第二端部223位置的单体电池210的气流流量差异较大。单体电流的气流流量不均匀则会导致单体电池210的工作电压不同，进而影响到电堆的正常工作。

然而，本申请中通过将进气管100伸入到进气流道220中，进气管100的出气端110送出的气流可沿着靠近第一端部222和第二端部223方向流动；一方面，气流回流的部分直接沿着靠近第一端部222的方向流动，则不易产生涡流221，有利于避免因涡流221造成的气流流量不均匀的情况；另一方面，相比较于现有技术，气流流动到第一端部222的路径加大，流动到第二端部223的路径减小，以此来降低气流流动至第一端部222以及第二端部223的路径差值，以减小第一端部222位置和第二端部223位置的气流流量差值。

例如，以进气流道220的第一端部222为原点，第二端部223坐标为1，气流流动至第一端部222的路径长度为L1，气流流动至第二端部223的路径长度为L2。可以理解为，现有技术中的L1为0，L2为1，L1和L2的差值为1。然而本申请实施例中的出气端110设置在第一端部222和第二端部223之间，因此L1∈(0,1)，L2∈(0,1)；L1和L2之间的差值必然小于1。L1和L2的绝对差值越小，则第一端部222和第二端部223位置的气流流量相差越小。

在本申请的部分实施例中，请继续参阅图2，出气端110和第一端部222的距离与出气端110和第二端部223的距离之比为0.3-3。可以理解为，将进气流道220按照距离划分为上中下三段，出气端110可设置在进气流道220的中段内。可以尽量减小第一端部222和第二端部223的气流流量的差值。

若将出气端110设置在上段，即出气端110和第一端部222的距离与出气端110和第二端部223的距离之比小于0.3。则气流会更快的流动至第一端部222，导致第一端部222的气流流量仍然远大于第二端部223的气流流量。若将出气端110设置在下段，即出气端110和第一端部222的距离与出气端110和第二端部223的距离之比大于3。则气流会更快的流动至第二端部223，导致第二端部223的气流流量会远大于第一端部222的气流流量。

在本申请的部分实施例中，请继续参阅图2，出气端110和第一端部222的距离与出气端110和第二端部223的距离之比为1。也就是说，能够保证出气端110气流流动至第一端部222的路径和流动至第二端部223的路径相等。有利于提高第一端部222和第二端部223气流流量的均匀性。

在一些实施例中，出气端110和第一端部222的距离与出气端110和第二端部223的距离之比可以为0.9。由于气流在进气管100中沿着第一方向a流动，气流流出出气端110之后在惯性作用下，气流更容易靠近第二端部223流动。若将出气端110设置在第一端部222和第二端部223的中点位置，实际上第二端部223的气流流量会更大。因此可以将出气端110设置在中点更靠近第一端部222的位置，以克服上述问题。

在本申请的部分实施例中，请参阅图3和图4，图3示出了本实施例提供的电堆结构的示意图；图4示出了图3的局部A放大示意图，本实施例中的进气管100的侧壁上开设有出气孔120，出气孔120用于连通进气管100的内流道和进气流道220。

需要解释的是，气流流出出气端110之后，由于惯性作用导致气流更容易流动至第二端部223，进而导致进气流道220上半段的气流流量较小。因此通过在进气管100的侧壁上开设出气孔120，通过出气孔120可以对进气流道220上半段进行直接供气。有利于提高进气流道220上半段的气流流量。

在一些实施例中，出气孔120的孔径远小于进气管100的内径。能够避免出气孔120过大，导致进气管100上半段气流流量过大的情况。

在一些实施例中，出气孔120的形状可以为方形、长条形、圆形、多边形等。

在本申请的部分实施例中，请继续参阅图3和图4，出气孔120的数量为多个，且至少部分出气孔120沿着第一方向a间隔分布。其中，第一方向a为沿着进气管100内气流流动至出气端110的方向。有利于进一步提高进气流道220上半段的气流流量。

在一些实施例中，至少部分出气孔120沿着第一方向a均匀间隔分布。能够提高进气流道220不同单体电池210之间获得气流的流量均匀性。

在另一实施例中，至少部分出气孔120沿着第一方向a间隔部分，且相邻两个出气孔120的间距沿着第一方向a逐渐增大。也就是说，出气孔120的间距沿着第一方向a先密后疏。需要解释的是，由于在出气端110的气流流向第一端部222的过程中，越靠近出气端110的位置，能够获得越大的气流流量。因此随着靠近第一端部222，进气流道220的气流流量越小。故而通过设置出气孔120的间距沿着第一方向a先密后疏，可以给进气流道220越靠近第一端部222的位置补充越多的气流流量。有利于克服因出气端110的气流回流到第一端部222的过程中，气流流量逐渐减小的问题。

在又一实施例中，至少部分出气孔120沿着第一方向a间隔部分，且相邻两个出气孔120的间距沿着第一方向a逐渐减小。也就是说，出气孔120的间距沿着第一方向a先疏后密。需要解释的是，在进气管100中的气流流向出气端110的过程中，由于进气管100存在风阻，越靠近出气端110的位置，能够获得越小的气流流量。因此随着靠近第一端部222，进气管100的气流流量越大，通过该处出气孔120给进气流道220的气流流量也越大。故而通过设置出气孔120的间距沿着第一方向a先疏后密，可以给进气流道220越远离第一端部222的位置补充更多的气流流量，有利于克服因进气管100内气流流动至出气端110的过程中，气流流量逐渐减小，而导致出气孔120给进气流道220的气流流量也减小的问题。

在一些实施例中，不同出气孔120的孔径相等。

在另一实施例中，沿着第一方向a出气孔120的孔径逐渐减小。有利于克服因出气端110的气流回流到第一端部222的过程中，气流流量逐渐减小的问题。

在又一实施例中，沿着第一方向a出气孔120的孔径逐渐增大。有利于克服因进气管100内气流流动至出气端110的过程中，气流流量逐渐减小，而导致出气孔120给进气流道220的气流流量也减小的问题。

在本申请的部分实施例中，请参阅图3，第一端部222和出气端110之间的每一单体电池210至少对应设置有一个出气孔120。也就是说，能够通过出气孔120直接给对应的单体电池210供气。

在一些实施例中，每一单体电池210可对应设置有多个出气孔120。以提高该单体电池210的气流流量。

在本申请的部分实施例中，请参阅图5，图5示出了本实施例提供的电堆结构的示意图。本实施例中的进气管100自进气流道220的第一端部222延伸至第二端部223，以使出气端110与第一端部222的距离等于第一端部222和第二端部223的距离。也就是说，电堆中所有的单体电池210都可以通过对应的出气孔120进行供气。

在本申请的部分实施例中，部分出气孔120绕进气管100的周向方向间隔设置。也就是说，出气孔120可以绕进气管100的周向环绕设置。以提高对单体电池210的供气流量。

进一步地，为了更好的实施本申请实施例中电堆结构，在电堆结构的基础之上，本申请还提供一种燃料电池，包括上述任一实施例的电堆结构。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考，但与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

以上对本申请实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。