用于燃料电池系统的电堆以及燃料电池系统的制作方法

1.本技术总体上涉及燃料电池技术，尤其涉及一种电堆以及包括这种电堆的燃料电池系统。


背景技术：

2.利用燃料与氧化剂的电化学反应发电的燃料电池系统被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车辆领域中。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种广泛应用的燃料电池。在pemfc中，一定数量的电池单元被沿着堆叠方向堆叠并组合在一起，以达到功率、电压和电流等电气应用要求，从而形成电堆。在pemfc运行期间，氢气和空气被分别供给到各电池单元的阳极和阴极。进入阳极的氢原子被催化剂吸附并离化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极，电子则通过外电路流向阴极以形成电流。空气中的氧气在阴极与氢离子和电子相结合成水分子。由于质子交换膜两侧的水浓度差，阴极侧的生成水会迁移到阳极侧。在pemfc运行期间，阳极侧的再循环可能会将从电堆排出的部分液态水带回到电堆，并且阴极侧对空气的增湿也可能会将液态水引入电堆。在一些应用中，电堆被以堆叠方向与重力方向基本一致地定向。由于重力的作用，进入电堆的大部分液态水会进入到沿着堆叠方向处于最下方的电池单元中。这会导致在最下方的电池单元中发生水淹，从而导致出现反极现象，造成电池单元损坏。
3.因此，需要对现有的电堆进行改进。


技术实现要素：

4.本技术旨在提供一种用于燃料电池系统的电堆，以克服以上缺陷。
5.一方面，本技术提供了一种用于燃料电池系统的电堆。所述电堆包括伪电池单元和多个电池单元，所述伪电池单元和所述多个电池单元沿着堆叠方向彼此堆叠，并且所述电堆被配置成当所述燃料电池系统运行时以所述堆叠方向与重力方向基本一致地定向。每个所述电池单元包括：形成有第一阴极流场的阴极板；形成有第一阳极流场的阳极板；以及膜电极组件，所述膜电极组件被设置在所述阴极板与所述阳极板之间，所述第一阳极流场和所述第一阴极流场分别面对所述膜电极组件。所述伪电池单元被在所述堆叠方向上设置在所述多个电池单元的下侧，并且所述伪电池单元包括：形成有第二阴极流场的第一流场板；形成有第二阳极流场的第二流场板；以及隔板，所述隔板被设置在所述第一流场板与所述第二流场板之间，所述第二阳极流场和所述第二阴极流场分别面对所述隔板，所述隔板被配置成隔绝所述第二阳极流场与所述第二阴极流场之间的传质，但能够在所述第一流场板与所述第二流场板之间传导电流。
6.在一些实施例中，所述第一流场板和所述阴极板中的每个具有相同的形状。
7.在一些实施例中，所述第二流场板和所述阳极板中的每个具有相同的形状。
8.在一些实施例中，所述第一流场板被配置成具有使得所述第二阴极流场具有可调的通流能力，以使得能够调节阴极气体的进入所述第一阴极流场的部分与进入所述第二阴
极流场的部分的比例。
9.在一些实施例中，所述第二流场板被配置成具有使得所述第二阳极流场具有可调的通流能力，以使得能够调节阳极气体的进入所述第一阳极流场的部分与进入所述第二阳极流场的部分的比例。
10.在一些实施例中，所述燃料电池系统包括加热器和水循环回路，所述加热器被设置在所述水循环回路上，并且被配置成在水经过所述加热器时加热水，并且所述隔板包括形成在所述隔板内的流场以及与所述流场连通的入口端口和出口端口，所述入口端口和所述出口端口被配置成分别与所述水循环回路的两端连接。
11.在一些实施例中，所述隔板包括加热电阻器，所述加热电阻器被在所述隔板内，并且被配置成能够由外部电源供电。
12.在一些实施例中，所述隔板面对所述第二阴极流场的表面和所述第一流场板的在所述第二阴极流场中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层。
13.在一些实施例中，所述隔板面对所述第二阳极流场的表面和所述第一流场板的在所述第二阳极流场中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层。
14.在一些实施例中，所述隔板、所述第一流场板、所述第二流场板、所述阴极板和所述阳极板由相同的材料制成。
15.在一些实施例中，所述隔板的形状与所述膜电极组件的形状相同。
16.在一些实施例中，所述隔板由不锈钢制成。
17.在一些实施例中，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板中的每个包括阳极入口孔道、阴极入口孔道、阳极出口孔道和阴极出口孔道，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阳极入口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阳极入口总管，并且所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阳极出口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阳极出口总管，所述多个电池单元的所述第一阳极流场和所述伪电池单元的所述第二阳极流场中的每个将所述阳极入口总管和所述阳极出口总管连通，所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阴极入口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阴极入口总管，并且所述阴极板、所述阳极板、所述第一流场板和所述第二流场板的阴极出口孔道被沿着所述堆叠方向对准以形成阴极出口总管，所述多个电池单元的所述第一阴极流场和所述伪电池单元的所述第二阴极流场中的每个将所述阴极入口总管和所述阴极出口总管连通；以及其中：所述电堆被配置成在所述阳极入口总管的在所述堆叠方向上的下端处接收阳极气体，并且在所述阳极出口总管的在所述堆叠方向上的下端处排出阳极产物；和/或所述电堆被配置成在所述阴极入口总管的在所述堆叠方向上的下端处接收阴极反应气体，并且在所述阴极出口总管的在所述堆叠方向上的下端处排出阴极产物。
18.另一方面，本技术提供了一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括前述的电堆。当所述燃料电池系统运行时，所述电堆以所述堆叠方向与重力方向基本一致地定向。
19.这些技术可以单独使用或以任何合适的组合使用。前面的总结是以说明的方式提供的，并不意味着是限制性的。
20.根据本技术，能够降低甚至消除在竖向定向(以堆叠方向与重力方向基本一致地定向)的电堆中发生电池单元水淹的风险，从而提高电堆的可靠性。
附图说明
21.下面将结合附图来更彻底地理解并认识本技术的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示。此外，为简要起见，没有在附图中显示或标出电堆的所有部件。应理解到，附图中各部件或部分的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。在附图中：
22.图1是根据本技术的一些实施例的用于燃料电池系统的电堆的示意性立体图；
23.图2是图1的电堆的示意性分解视图；
24.图3示意性地示出了图1的电堆的沿着从阳极入口总管到阳极出口总管的方向的横截面，该横截面平行于竖向方向z-z；
25.图4示意性地示出了可用于图1的电堆的示例性流场板的结构；
26.图5示意性地示出了图1的电堆的伪电池单元的隔板的一种型式；以及
27.图6示意性地示出了图1的电堆的伪电池单元的隔板的另一种型式。
具体实施方式
28.下面结合示例详细描述本技术的一些优选实施例。本领域技术人员应理解到，这些实施例仅是示例性的，并不意味着对本技术形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互组合。
29.在附图中，为简要起见而省略了其它的部件，但这并不表明本技术的燃料电池系统和电堆不可包括其它结构和部件。应理解到，附图中各结构和部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。
30.图1至图3示意性地示出了根据本技术的一些实施例的用于燃料电池系统的电堆1。燃料电池系统例如可以是氢燃料电池系统，特别是质子交换膜燃料电池(pemfc)系统，其采用氢气为燃料气体，氧气为氧化剂。燃料电池系统可用于车辆中以提供电力，从而驱动车辆电机来提供动力或者使得车载系统执行各种功能。下面以pemfc为例具体介绍根据本技术的一些实施例的用于燃料电池系统的电堆1。应理解到，本技术不限于此。
31.为了描述的清楚和简明，定义横向方向x-x、纵向方向y-y和竖向方向z-z。横向方向x-x、纵向方向y-y和竖向方向z-z相互垂直。横向方向x-x通常指电堆1的宽度方向。纵向方向y-y通常指电堆1的长度方向。竖向方向z-z通常指电堆1的高度方向。
32.电堆1用于将燃料气体和氧化剂中的化学能转化为电能。如图1所示，电堆1包括伪电池单元100和多个电池单元200。伪电池单元100和多个电池单元200沿着竖向方向z-z彼此堆叠，以形成堆叠体3。该竖向方向z-z也可以被称为堆叠方向。伪电池单元100和多个电池单元200可以被串联在一起。电堆1被配置成当燃料电池系统运行时以竖向方向(堆叠方向)z-z与重力方向g基本一致地定向。也就是说，竖向方向(堆叠方向)z-z中的向下方向与重力方向g基本一致。如在本文中所使用的，“竖向方向(堆叠方向)z-z与重力方向g基本一致”是指竖向方向(堆叠方向)z-z与重力方向g之间的夹角范围为0度到10度。
33.电堆1还可以包括第一绝缘板301和第二绝缘板303。第一绝缘板301和第二绝缘板303分别在竖向方向(堆叠方向)z-z上设置在堆叠体3的相反两端处，以将堆叠体3夹在其间。可以通过端板和诸如螺杆或捆扎带之类的夹具(未示出)将第一绝缘板301、第二绝缘板303和堆叠体3保持在一起。电堆1还可以包括分别设置在第一绝缘板301和第二绝缘板303
处的第一集电板305和第二集电板307，其被配置成用于导出堆叠体3产生的电流。
34.如下文将要具体描述的，堆叠体3可以包括阳极入口总管31、阳极出口总管32、阴极入口总管33、阴极出口总管34、冷却剂入口总管35和冷却剂出口总管36(图2)。第一绝缘板301包括阳极入口接头301a、阳极出口接头301b、阴极入口接头301c、阴极出口接头301d、冷却剂入口接头301e和冷却剂出口接头301f。第一绝缘板301的阳极入口接头301a、阳极出口接头301b、阴极入口接头301c、阴极出口接头301d、冷却剂入口接头301e和冷却剂出口接头301f分别与堆叠体3的阳极入口总管31、阳极出口总管32、阴极入口总管33、阴极出口总管34、冷却剂入口总管35和冷却剂出口总管36的一端连通(图1至图3)，以引入和排出阳极气体(通常是氢气)、阴极气体(通常是空气)和冷却剂(通常是水)。第二绝缘板303可以没有任何接头，而是封闭阳极入口总管31、阳极出口总管32、阴极入口总管33、阴极出口总管34、冷却剂入口总管35和冷却剂出口总管36的另一端。阳极入口总管31和阳极出口总管32可以呈对角地布置，并且阴极出口总管32和阴极入口总管33可以呈对角地布置。
35.图3示意性地示出了电堆1的沿着从阳极入口总管31到阳极出口总管32的方向的横截面，该横截面平行于竖向方向(堆叠方向)z-z。可设想到，电堆1的沿着从阴极入口总管33到阴极出口总管34的方向的横截面可以与图3所示的横截面类似，故在此不再示出和赘述。
36.如图3所示，每个电池单元200包括形成有第一阴极流场201a的阴极板201、形成有第一阳极流场203a的阳极板203以及膜电极组件(mea)205。膜电极组件205被设置在阴极板201与阳极板203之间，并且第一阳极流场203a和第一阴极流场201a分别面对膜电极组件205。膜电极组件205通常包括质子交换膜、阴极扩散层、阴极催化层、阳极扩散层和阳极催化层(均未在图中具体示出)。诸如树脂框架之类的密封构件可以围绕质子交换膜、阴极扩散层、阴极催化层、阳极扩散层和阳极催化层。
37.阴极扩散层、阴极催化层、阳极扩散层、阳极催化层与质子交换膜通常被制成一体。阴极扩散层和阳极扩散层分别用于支撑阴极催化层和阳极催化层，并且传输反应气体和反应产物(氢气、氧气/空气、水等)。当膜电极组件被设置在阴极板201与阳极板203之间时，阴极扩散层和阴极催化层位于阴极板201与质子交换膜之间，并且阳极扩散层和阳极催化层位于阳极板203与质子交换膜之间。
38.电堆1的电化学反应发生在膜电极组件205中，主要涉及氢氧化(hor)过程和氧还原(orr)过程。在每个电池单元200中，h2和o2分别从第一阳极流场203a和第一阴极流场201a通过阳极扩散层和阴极扩散层传输到阳极催化层和阴极催化层中，h2在阳极催化层处在阳极催化剂的作用下失去电子，形成h
+
。h
+
通过质子交换膜传递到阴极侧，在阴极催化层处在阴极催化剂的作用下与o2结合成h2o。h2o通过阴极扩散层和阳极扩散层传递到第一阴极流场201a和第一阳极流场203a中，随后可被排出电堆1。电子则通过外电路(未示出)流向阴极以形成电流。
39.图4示意性地示出了可用于图1的电堆的示例性流场板400的结构。图4所示的流场板400可用作电池单元200的阴极板201和/或阳极板203。下面以流场板400用作电池单元200的阳极板203为例具体介绍流场板400。流场板400对于反应气体而言基本上是不可渗透的。如图4所示，流场板400通常呈大致矩形的形状，并且包括板体401。流场板400还包括被配置成接收阳极气体的阳极入口孔道400a、被配置成排出阳极产物的阳极出口孔道400b、
被配置成接收阴极气体的阴极入口孔道400c、被配置成排出阴极产物的阴极出口孔道400d、被配置成接收冷却剂的冷却剂入口孔道400e以及被配置成排出冷却剂的冷却剂出口孔道400f。阳极入口孔道400a、阳极出口孔道400b、阴极入口孔道400c、阴极出口孔道400d、冷却剂入口孔道400e和冷却剂出口孔道400f分别延伸贯穿板体401。
40.阳极流场203a形成于板体401的一侧上，并且在阳极入口孔道400a与阳极出口孔道400b之间延伸。阳极流场203a可以包括与阳极入口孔道400a连通的入口分配区403、与阳极出口孔道400b连通的出口汇集区405以及在入口分配区403和出口汇集区405之间延伸的反应区407。阳极流场203a可以是任何合适形式的流场。冷却剂流场(未示出)形成于板体401的相反一侧上，并且在冷却剂入口孔道400e与冷却剂出口孔道400f之间延伸。
41.应理解到，当流场板400用作阴极板201时，类似于阳极流场203a，阴极流场201a可以在板体401的一侧上在阴极入口孔道400c与阴极出口孔道400d之间延伸。阴极流场201a可以包括与阴极入口孔道400c连通的入口分配区403、与阴极出口孔道400d连通的出口汇集区405以及在入口分配区403和出口汇集区405之间延伸的反应区407。冷却剂流场(未示出)形成于板体401的相反一侧上，并且在冷却剂入口孔道400e与冷却剂出口孔道400f之间延伸。
42.返回参考图3，相邻两个电池单元200中的一个电池单元200的阳极板203可以与另一个电池单元200的阴极板201以阳极流场203a与阴极流场201a彼此背对的方式固定在一起(例如通过在图3中示意性表示的焊接部5)，并且在其间界定冷却剂流场(未在图3中标出)。因此，相邻两个电池单元200的阳极板203和阴极板201构成一块双极板。
43.如图1至图3所示，伪电池单元100被在竖向方向(堆叠方向)z-z上设置在多个电池单元200的下侧。如图3所最佳示出的，伪电池单元100包括形成有第二阴极流场101a的第一流场板101和形成有第二阳极流场103a的第二流场板103。
44.图4所示的流场板400也可用作伪电池单元100的第一流场板101和/或第二流场板103。在一些实施例中，第一流场板101、第二流场板103、阴极板201和阳极板203中的每个可以具有相同的形状。在一些实施例中，第一流场板101、第二流场板103、阴极板201和阳极板203中的每个可以由相同的材料制成。
45.当流场板400用作伪电池单元100的第二流场板103时，在阳极入口孔道400a与阳极出口孔道400b之间延伸的阳极流场用作第二阳极流场103a。冷却剂流场(未示出)形成于板体401的相反一侧上，并且在冷却剂入口孔道400e与冷却剂出口孔道400f之间延伸。
46.当流场板400用作伪电池单元100的第一流场板101时，在阴极入口孔道400c与阴极出口孔道400d之间延伸的阴极流场用作第二阴极流场101a。冷却剂流场(未示出)形成于板体401的相反一侧上，并且在冷却剂入口孔道400e与冷却剂出口孔道400f之间延伸。
47.因此，多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103中的每个包括阳极入口孔道400a、阳极出口孔道400b、阴极入口孔道400c、阴极出口孔道400d、冷却剂入口孔道400e和冷却剂出口孔道400f。
48.如图3所示，在堆叠体3的下端处，伪电池单元100的第一流场板101与位于端部处的电池单元200的阳极板203以第二阴极流场101a与第一阳极流场203a彼此背对的方式固定在一起(例如通过在图3中示意性表示的焊接部5)，并且在其间界定冷却剂流场(未在图3中标出)。因此，伪电池单元100的第一流场板101和该电池单元200的阳极板203构成一块双
极板。伪电池单元100的第二流场板103与另一流场板500以第二阳极流场103a与流场板500的反应气体流场501(例如阴极气体流场)彼此背对的方式固定在一起(例如通过在图3中示意性表示的焊接部5)，并且可以在其间界定冷却剂流场(未在图3中标出)。伪电池单元100的第二流场板103与流场板500构成一块端部双极板。该端部双极板可以与第一集电板305导电连接。该流场板500的反应气体流场501可以被封堵，而不与任何反应气体总管连通。流场板500可以具有与流场板400类似的结构。应理解到，可以没有流场板500，而是伪电池单元100的第二流场板103紧邻第一集电板305。
49.继续参考图3，在堆叠体3的上端处，位于端部处的电池单元200的阴极板201与另一流场板600以第一阴极流场201a与流场板600的反应气体流场601(例如阴极气体流场)彼此背对的方式固定在一起(例如通过在图3中示意性表示的焊接部5)，并且可以在其间界定冷却剂流场(未在图3中标出)。该电池单元200的阴极板201与流场板600构成一块端部双极板。该端部双极板可以与第二集电板307导电连接。该流场板600的反应气体流场601可以被封堵，而不与任何反应气体总管连通。流场板600可以具有与流场板400类似的结构。应理解到，可以没有流场板600，而是该电池单元200的阴极板201紧邻第二集电板307。
50.应理解到，虽然在图3中示出的是对于每个电池单元200，第一阴极流场201a位于第一阳极流场203a上方，并且伪电池单元100的第一流场板101和位于端部的电池单元200的阳极板203构成一块双极板，但应理解到，在其它部分实施例中，对于每个电池单元200，第一阴极流场201a可以位于第一阳极流场203a下方，并且伪电池单元100的第二流场板103和位于端部的电池单元200的阴极板201构成一块双极板。其它结构也可以相应地变型。
51.多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的阳极入口孔道400a被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的阳极入口总管31。多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的阳极出口孔道400b被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的阳极出口总管32。多个电池单元200的第一阳极流场203a和伪电池单元100的第二阳极流场103a中的每个将阳极入口总管31和阳极出口总管32连通。
52.第一绝缘板301的阳极入口接头301a和阳极出口接头301b可以被连接到燃料电池系统1的燃料子系统(未示出)。如上所述且如图3所示，第一绝缘板301的阳极入口接头301a与堆叠体3的阳极入口总管31连通。如此，可以通过第一绝缘板301的阳极入口接头301a将燃料气体(具体是氢气)供给到堆叠体3的阳极入口总管31，从而将燃料气体分配到伪电池单元100的第二阳极流场103a和各个电池单元200的第一阳极流场203a。此外，如上所述，第一绝缘板301的阳极出口接头301b与堆叠体3的阳极出口总管32连通。如此，可以通过第一绝缘板301的阳极出口接头301b将阳极侧的反应产物(通常包括产物水、未消耗的燃料气体和无效气体)排出堆叠体3，例如排入燃料子系统的再循环回路。
53.多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的阴极入口孔道400c被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的阴极入口总管33。多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的阴极出口孔道400d被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的阴极出口总管34。多个电池单元200的第一阴极流场201a和伪电池单元100的第二阴极流场101a中的每个将阴极入口总管33和阴极出口总管34连通。
54.第一绝缘板301的阴极入口接头301c和阴极出口接头301d可以被连接到燃料电池系统1的空气子系统(未示出)。如上所述，第一绝缘板301的阴极入口接头301c与堆叠体3的阴极入口总管33连通。如此，可以通过第一绝缘板301的阴极入口接头301c将氧化剂(具体是氧气或空气)供给到堆叠体3的阴极入口总管33，从而将氧化剂分配到伪电池单元100的第二阴极流场101a和各个电池单元200的第一阴极流场201a。此外，如上所述，第一绝缘板301的阴极出口接头301d与堆叠体3的阴极出口总管34连通。如此，可以通过第一绝缘板301的阴极出口接头301d将阴极侧的反应产物(通常包括产物水、未消耗的氧化剂和无效气体)排出堆叠体3，例如直接排入尾气管中。
55.多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的冷却剂入口孔道400e被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的冷却剂入口总管35。多个电池单元200的阴极板201和阳极板203以及伪电池单元100的第一流场板101和第二流场板103的冷却剂出口孔道400f被沿着竖向方向(堆叠方向)z-z对准，以形成堆叠体3的冷却剂出口总管36。多个电池单元200的冷却剂流场和伪电池单元100的冷却剂流场中的每个将冷却剂入口总管35和冷却剂出口总管36连通。
56.第一绝缘板301的冷却剂入口接头301e和冷却剂出口接头301f可以被连接到燃料电池系统1的热管理子系统(未示出)。如上所述，第一绝缘板301的冷却剂入口接头301e与堆叠体3的冷却剂入口总管35连通。如此，可以通过第一绝缘板301的冷却剂入口接头301e将冷却剂(具体是水)供给到堆叠体3的冷却剂入口总管35，从而分配到伪电池单元100和各个电池单元200的冷却剂流场。此外，如上所述，第一绝缘板301的冷却剂出口接头301f与堆叠体3的冷却剂出口总管36连通。如此，可以通过第一绝缘板301的冷却剂出口接头301f将冷却剂排出堆叠体3。
57.如图3所示，密封件11可以绕着阳极入口总管31、阳极出口总管32、阴极入口总管33、阴极出口总管34、冷却剂入口总管35和冷却剂出口总管36中的每个设置，以防止内窜和外漏。
58.如图3所示，与电池单元200不同，伪电池单元100没有膜电极组件205，而是包括隔板105。隔板105被设置在第一流场板101与第二流场板103之间，并且第二阳极流场103a和第二阴极流场101a分别面对隔板105。隔板105被配置成隔绝伪电池单元100的第二阳极流场103a与第二阴极流场101a之间的传质，但能够在第一流场板101与第二流场板103之间传导电流。也就是说，当来自阴极入口总管33和阳极入口总管31的阴极气体(或者被称为阴极反应气体)和阳极气体(或者被称为阳极反应气体)分别流动通过第一流场板101和第二流场板103时，在伪电池单元100中不发生电化学反应，因而不产生水。通过第一流场板101和第二流场板103的阴极气体和阳极气体分别直接进入阴极出口总管34和阳极出口总管32，从而被排出电堆1。此外，由于隔板105能够在第一流场板101与第二流场板103之间传导电流，因而能够确保电堆1中导电路径的连续性。
59.由于重力的作用，进入电堆1的大部分液态水会进入到伪电池单元100中。得益于伪电池单元100的上述配置，这些液态水会被阴极反应气体和阳极气体夹带离开伪电池单元100并被排出电堆1。例如，通过第二流场板103的阳极气体可以夹带液态水进入阳极侧再循环回路，并且液态水可以被通过水分离器减少甚至移除。又如，通过第一流场板101的阴极气体可以夹带液态水进入尾气管。因此，进入电堆1的大部分液态水可以借助伪电池单元
100的上述配置被排出电堆1，从而减少进入伪电池单元100上方的电池单元200的液态水、尤其是进入紧邻伪电池单元100的电池单元200的液态水。这能够降低甚至消除在电堆1中发生电池单元200水淹的风险，从而提高电堆1的可靠性。
60.在图3中以虚线箭头示意性地表示了阳极气体通过电堆1的流动路径。
61.如上所述，第一流场板101、第二流场板103、阴极板201和阳极板203中的每个可以具有相同的形状。也就是说，形状相同的部件可用于制造电池单元200和伪电池单元100。在这种情况下，可以降低电堆1的制造成本，并且提高电堆1的组装效率。可选择地，第一流场板101和阴极板201中的每个具有相同的形状。可选择地，第二流场板103和阳极板203中的每个具有相同的形状。应理解到，第一流场板101、第二流场板103、阴极板201和阳极板203也可以具有不同的形状。
62.隔板105可以由任何合适的材料制成，只要其能够隔绝伪电池单元100的第二阳极流场103a与第二阴极流场101a之间的传质，并且能够在第一流场板101与第二流场板103之间传导电流。在一些实施例中，隔板105可以由不锈钢制成。在其它部分实施例中，隔板105可以是石墨板。在其它部分实施例中，隔板105、第一流场板101、第二流场板103、阴极板201和阳极板203可以由相同的材料制成。
63.在一些实施例中，隔板105的形状可以与膜电极组件205的形状相同。也就是说，隔板105可以具有与由阴极扩散层、阴极催化层、阳极扩散层、阳极催化层与质子交换膜构成的膜电极组件205相同的形状。这使得无需在隔板105与第一流场板101和第二流场板103之间添加其它部件来建立电流传导路径。在其它部分实施例中，可以在隔板105与第一流场板101和第二流场板103之间设置阴极催化层和阳极催化层，以建立从第一流场板101通过隔板105到第二流场板103的电流传导路径。
64.在一些实施例中，第二流场板103可以被配置成具有使得第二阳极流场103a具有可调的通流能力，以使得能够调节阳极气体的进入第一阳极流场203a的部分与进入第二阳极流场103a的部分的比例。如在本文中所使用的，“通流能力”是指流场允许流体经由其通过的能力，其通常以流场用于流通流体的有效截面积来表征。例如，第二流场板103可以被配置成在入口分配区403(图4)或出口汇集区405(图4)处具有可调的通流能力，以使得能够调节阳极气体的进入第一阳极流场203a的部分与进入第二阳极流场103a的部分的比例。诸如滑块或滑动挡片之类的调节机构(未示出)可以被设置在入口分配区403或出口汇集区405处并且(手动或自动地)在其中滑动，以调节入口分配区403或出口汇集区405的通流能力。借此，可以调节阳极气体的进入第一阳极流场203a的部分与进入第二阳极流场103a的部分的比例。通过这种方式，可以更精确地控制伪电池单元100的阳极侧排水能力。应理解，调节机构的具体形式不限于滑块或滑动挡片，其它合适的形式也是可能的。
65.类似地，在一些实施例中，第一流场板101可以被配置成具有使得第二阴极流场101a具有可调的通流能力，以使得能够调节阴极气体的进入第一阴极流场201a的部分与进入第二阴极流场101a的部分的比例。例如，第一流场板101可以被配置成在入口分配区403(图4)或出口汇集区405(图4)处具有可调的通流能力，以使得能够调节阴极气体的进入第一阴极流场201a的部分与进入第二阴极流场101a的部分的比例。诸如滑块或滑动挡片之类的调节机构(未示出)可以被设置在入口分配区403或出口汇集区405处并且(手动或自动地)在其中滑动，以调节入口分配区403或出口汇集区405的通流能力。借此，可以调节阴极
气体的进入第一阴极流场201a的部分与进入第二阴极流场101a的部分的比例。通过这种方式，可以更精确地控制伪电池单元100的阴极侧排水能力。应理解，调节机构的具体形式不限于滑块或滑动挡片，其它合适的形式也是可能的。
66.在一些实施例中，隔板105可以被配置成是实心的。在一些实施例中，隔板105可以仅设置在第二阴极流场101a和第二阳极流场103a的入口分配区403、出口汇集区405和反应区407之间。在其它部分实施例中，隔板105可以沿着第一流场板101和第二流场板103之间的整个范围延伸。在这种情况下，隔板105可以相应地形成有各种孔道。
67.在一些实施例中，隔板105可以被配置为能够被加热。一方面，当pemfc所处环境的温度过低(例如低于冰点温度的低温)时，在伪电池单元100中可能会出现结冰堵塞。将隔板105配置为能够被加热，能够防止在伪电池单元100中出现结冰堵塞，以确保伪电池单元100能够及时将液态水排出电堆1，从而确保燃料电池系统可靠运行。另一方面，将隔板105配置为能够被加热可以提高伪电池单元100处的温度，从而提高伪电池单元100的排水能力。
68.图5和图6示意性地示出了隔板105的两种种型式。
69.在这些实施例中的一个中，如图5所示，隔板105包括形成在隔板105内的流场105a、与流场105a连通的入口端口105b以及与流场105a连通的出口端口105c。燃料电池系统可以包括加热器7和水循环回路8。加热器7和水循环回路8可以是燃料电池系统的热管理子系统的一部分，或者可以是单独的部分。加热器7被设置在水循环回路8上，并且被配置成在水经过加热器7时加热水。隔板105的入口端口105b和出口端口105c分别与水循环回路8的两端连接。加热器7可以是能够加热水的任何合适类型的加热装置，例如正温度系数(ptc)加热器。水循环回路8可以包括泵81。泵81和加热器7能够由燃料电池系统的控制器控制，水循环回路8使水循环通过隔板105的流场105a和加热器7，并通过加热器7对水进行加热，从而对隔板105进行加热。
70.在这些实施例中的另一个中，如图6所示，隔板105包括加热电阻器105d。加热电阻器105d被在隔板105内，并且被配置成能够由外部电源9供电。外部电源9例如可以是燃料电池系统的蓄电池。
71.在一些实施例中，隔板105面对第二阴极流场101a的表面和第一流场板101的在第二阴极流场101a中露出的表面中的至少一者可以设置有疏水涂层，从而进一步提高隔板105的阴极侧排水能力。疏水涂层可以是任何合适的疏水涂层，例如为聚四氟乙烯层以及其它氟代的聚合物疏水涂层。
72.在一些实施例中，隔板105面对第二阳极流场103a的表面和第一流场板101的在第二阳极流场103a中露出的表面中的至少一者可以设置有疏水涂层，从而进一步提高隔板105的阳极侧排水能力。疏水涂层可以是任何合适的疏水涂层，例如为聚四氟乙烯层以及其它氟代的聚合物疏水涂层。
73.应理解到，虽然在图1至图3中示出的是电堆1被配置成在阳极入口总管31的在竖向方向(堆叠方向)z-z上的下端处接收阳极气体，在阳极出口总管32的在竖向方向(堆叠方向)z-z上的下端处排出阳极产物，在阴极入口总管33的在竖向方向(堆叠方向)z-z上的下端处接收阴极气体，并且在阴极出口总管34的在竖向方向(堆叠方向)z-z上的下端处排出阴极产物，即阳极气体“下进下出”并且阴极气体“下进下出”，但应理解到，本技术不限于此。例如，电堆1可以被配置成使得阳极气体“上进上出”、“上进下出”或“下进上出”。又如，
电堆1可以被配置成使得阴极气体“上进上出”、“上进下出”或“下进上出”74.应理解到，本技术还提供了一种燃料电池系统1，其包括前述的电堆1。借助于电堆1，燃料电池系统1具有较高的可靠性。
75.还应理解，术语“第一”和“第二”仅用于将一个部件或部分与另一个部件或部分分开来，但是这些部件和/或部分不应受到此类术语的限制。
76.以上结合具体实施例对本技术进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本技术的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本技术的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本技术的范围。

技术特征：
1.一种用于燃料电池系统的电堆(1)，其特征在于，所述电堆(1)包括伪电池单元(100)和多个电池单元(200)，所述伪电池单元(100)和所述多个电池单元(200)沿着堆叠方向(z-z)彼此堆叠，并且所述电堆(1)被配置成当所述燃料电池系统运行时以所述堆叠方向(z-z)与重力方向基本一致地定向，其中：每个所述电池单元(200)包括：形成有第一阴极流场(201a)的阴极板(201)；形成有第一阳极流场(203a)的阳极板(203)；以及膜电极组件(205)，所述膜电极组件(205)被设置在所述阴极板(201)与所述阳极板(203)之间，所述第一阳极流场(203a)和所述第一阴极流场(201a)分别面对所述膜电极组件(205)；所述伪电池单元(100)被在所述堆叠方向(z-z)上设置在所述多个电池单元(200)的下侧，并且所述伪电池单元(100)包括：形成有第二阴极流场(101a)的第一流场板(101)；形成有第二阳极流场(103a)的第二流场板(103)；以及隔板(105)，所述隔板(105)被设置在所述第一流场板(101)与所述第二流场板(103)之间，所述第二阳极流场(103a)和所述第二阴极流场(101a)分别面对所述隔板(105)，所述隔板(105)被配置成隔绝所述第二阳极流场(103a)与所述第二阴极流场(101a)之间的传质，但能够在所述第一流场板(101)与所述第二流场板(103)之间传导电流。2.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：所述第一流场板(101)和所述阴极板(201)中的每个具有相同的形状；和/或所述第二流场板(103)和所述阳极板(203)中的每个具有相同的形状。3.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：所述第一流场板(101)被配置成具有使得所述第二阴极流场(101a)具有可调的通流能力，以使得能够调节阴极气体的进入所述第一阴极流场(201a)的部分与进入所述第二阴极流场(101a)的部分的比例；和/或所述第二流场板(103)被配置成具有使得所述第二阳极流场(103a)具有可调的通流能力，以使得能够调节阳极气体的进入所述第一阳极流场(203a)的部分与进入所述第二阳极流场(103a)的部分的比例。4.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：所述燃料电池系统包括加热器(7)和水循环回路(8)，所述加热器(7)被设置在所述水循环回路(8)上，并且被配置成在水经过所述加热器(7)时加热水；并且所述隔板(105)包括形成在所述隔板(105)内的流场(105a)以及与所述流场连通的入口端口(105b)和出口端口(105c)，所述入口端口和所述出口端口被配置成分别与所述水循环回路的两端连接。5.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于，所述隔板(105)包括加热电阻器(105d)，所述加热电阻器(105d)被在所述隔板(105)内，并且被配置成能够由外部电源(9)供电。6.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：所述隔板(105)面对所述第二阴极流场(101a)的表面和所述第一流场板(101)的在所
述第二阴极流场(101a)中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层；和/或所述隔板(105)面对所述第二阳极流场(103a)的表面和所述第一流场板(101)的在所述第二阳极流场(103a)中露出的表面中的至少一者设置有疏水涂层。7.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于，所述隔板(105)、所述第一流场板(101)、所述第二流场板(103)、所述阴极板(201)和所述阳极板(203)由相同的材料制成。8.根据权利要求1所述的电堆(1)，其特征在于：所述隔板(105)的形状与所述膜电极组件(205)的形状相同；和/或所述隔板(105)由不锈钢制成。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电堆(1)，其特征在于：所述阴极板(201)、所述阳极板(203)、所述第一流场板(101)和所述第二流场板(103)中的每个包括阳极入口孔道、阴极入口孔道、阳极出口孔道和阴极出口孔道；所述阴极板(201)、所述阳极板(203)、所述第一流场板(101)和所述第二流场板(103)的阳极入口孔道被沿着所述堆叠方向(z-z)对准以形成阳极入口总管，并且所述阴极板(201)、所述阳极板(203)、所述第一流场板(101)和所述第二流场板(103)的阳极出口孔道被沿着所述堆叠方向(z-z)对准以形成阳极出口总管，所述多个电池单元(200)的所述第一阳极流场(203a)和所述伪电池单元(100)的所述第二阳极流场(103a)中的每个将所述阳极入口总管和所述阳极出口总管连通；所述阴极板(201)、所述阳极板(203)、所述第一流场板(101)和所述第二流场板(103)的阴极入口孔道被沿着所述堆叠方向(z-z)对准以形成阴极入口总管，并且所述阴极板(201)、所述阳极板(203)、所述第一流场板(101)和所述第二流场板(103)的阴极出口孔道被沿着所述堆叠方向(z-z)对准以形成阴极出口总管，所述多个电池单元(200)的所述第一阴极流场(201a)和所述伪电池单元(100)的所述第二阴极流场(101a)中的每个将所述阴极入口总管和所述阴极出口总管连通；以及其中：所述电堆(1)被配置成在所述阳极入口总管的在所述堆叠方向(z-z)上的下端处接收阳极气体，并且在所述阳极出口总管的在所述堆叠方向(z-z)上的下端处排出阳极产物；和/或所述电堆(1)被配置成在所述阴极入口总管的在所述堆叠方向(z-z)上的下端处接收阴极反应气体，并且在所述阴极出口总管的在所述堆叠方向(z-z)上的下端处排出阴极产物。10.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的电堆(1)，当所述燃料电池系统运行时，所述电堆(1)以所述堆叠方向(z-z)与重力方向基本一致地定向。

技术总结
本申请提供了一种用于燃料电池系统的电堆。伪电池单元和多个电池单元沿着堆叠方向彼此堆叠，并且电堆被配置成当燃料电池系统运行时以堆叠方向与重力方向基本一致地定向。伪电池单元被在堆叠方向上设置在多个电池单元的下侧。伪电池单元包括：形成有第二阴极流场的第一流场板；形成有第二阳极流场的第二流场板；以及隔板，其被设置在第一流场板与第二流场板之间。隔板被配置成隔绝第二阳极流场与第二阴极流场之间的传质，但能够在第一流场板与第二流场板之间传导电流。根据本申请，能够降低甚至消除在竖向定向的电堆中发生电池单元水淹的风险，从而提高电堆的可靠性。本申请还提供了一种包括前述电堆的燃料电池系统。提供了一种包括前述电堆的燃料电池系统。提供了一种包括前述电堆的燃料电池系统。


技术研发人员：彭炜 许玉江 石春辉 肖浩栋
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/19