燃料电池电堆及燃料电池系统

摘要

本发明公开了一种燃料电池电堆及燃料电池系统，燃料电池堆包括多个桥孔和公共流道，燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构，脉冲排气机构设置于氢气出口所在的公共流道内，脉冲排气机构包括挡流板，挡流板的侧壁上设置有至少一个排气槽，排气槽贯通挡流板的侧壁，排气槽可沿着公共流道的延伸方向移动，使得单节电池上的氢气出口处的桥孔可以在闭气和排气之间切换，使得单节电池能实现脉冲式流量变化，产生的短时大流量有利于单节电池内液态水的排出。多个排气槽周期性反复扫过燃料电池电堆内的整个电池组，使得每个单节电池沿堆叠方向顺次执行氢气脉冲排气动作，达到降低电堆氢气排水对氢气计量比的需求，进而减小氢循环系统的技术难度、能耗的效果。

权利要求

1.一种燃料电池电堆，包括多个桥孔和公共流道，其特征在于，所述燃料电池电堆包括多个单节电池，每一所述单节电池均包括双极板，所述双极板上设置有氢气流道和公共流道孔，所述桥孔设置于所述双极板上并将所述氢气流道与所述公共流道孔相连通，所述燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构，所述脉冲排气机构设置于氢气出口所在的所述公共流道内，所述脉冲排气机构包括挡流板，所述挡流板的侧壁上设置有至少一个排气槽，所述排气槽贯通所述挡流板的侧壁，所述排气槽可沿着所述公共流道的延伸方向移动，以使电堆内单节电池在闭气状态和排气状态之间切换；

当所述挡流板将所述桥孔遮挡时，所述桥孔对应的单节电池处于闭气状态；

当所述排气槽与所述桥孔连通时，所述桥孔对应的单节电池处于排气状态。

2.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，沿着所述公共流道的延伸方向，所述挡流板上间隔地设置有多个排气槽。

3.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述挡流板为两端开口的圆筒状结构，所述排气槽沿着所述挡流板的侧壁呈螺旋状设置，所述挡流板绕着其轴线转动。

4.如权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述排气槽的宽度与所述燃料电池电堆中单节电池的厚度相同。

5.如权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述排气槽的螺距为所述单节电池的厚度的不小于2的整数倍。

6.如权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括一转轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔与所述挡流板间隔设置并与所述挡流板固定，所述转轴与所述挡流板同轴，所述转轴绕着其轴线旋转。

7.如权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括多个相互间隔设置的连接杆，多个所述连接杆均布于所述转轴的外表面，所述连接杆的两端分别连接于所述转轴的外表面和所述挡流板的内侧面。

8.如权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括电机，所述转轴连接于所述电机，所述电机驱动所述转轴转动。

9.如权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括扇叶，所述扇叶设置于所述公共流道的端部，并位于氢气流向的下风向端。

10.如权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括一转轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔并与所述挡流板固定，所述扇叶连接于所述转轴的一端，所述扇叶位于氢气流向的下风向端。

11.如权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述脉冲排气机构还包括一转轴、第一齿轮、第二齿轮和连接轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔并与所述挡流板固定，所述转轴与第一齿轮连接，所述连接轴与所述第二齿轮连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，所述扇叶连接于所述连接轴的端部，所述扇叶位于氢气流向的下风向端。

12.如权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆的氢气出口所在的公共流道与分水器的氢气入口相连通，所述扇叶设置于所述分水器的氢气入口处。

13.如权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述挡流板的一端设置有转速传感器，所述转速传感器用于检测所述挡流板的转速。

14.如权利要求1‑13中任意一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述挡流板与所述公共流道边缘上排布着所述桥孔的侧面相贴合。

15.如权利要求14所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括端板、集电板和绝缘板，所述端板、所述集电板以及所述绝缘板上与所述氢气出口所在的所述公共流道相对应的通孔的形状及尺寸与所述公共流道的形状及尺寸一致。

16.如权利要求15所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括端盖，所述端盖与所述端板上的所述通孔通过法兰连接并密封，所述脉冲排气机构的两端分别连接于两个所述端盖或者所述脉冲排气机构的两端分别连接于两个所述端板。

17.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包含如权利要求1‑16中任意一项所述的燃料电池电堆。

说明书

燃料电池电堆及燃料电池系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池电堆及燃料电池系统。

背景技术

[0002] 随着质子交换膜燃料电池的技术革新，研究者们不断研发出更高体积功率密度的燃料电池电堆，其运行电流密度也越来越高。在此过程中质子交换膜的技术沿革起了关键
作用，在保持膜的机械强度和耐久性的基础上，厚度更薄而导电性更高的质子交换膜被开
发并广泛应用，其带来的更低的欧姆损耗使电堆可以运行在更高的电流密度以获取更大的
峰值功率，同时更高的水扩散速度也使反应产生的水能够快速扩散于膜电极中，省去了外
置增湿器的必要，节约了发电系统的成本。

[0003] 但是，燃料电池电堆运行的电流密度越高，运行过程中产生的水就越多，由此，燃料电池电堆产生的大量生成水顺利排出的问题逐渐成为了当今电堆研发的主要问题之一。
若电堆某单片电池内存在积水或者水淹，轻则影响整体电堆的性能，需要更加苛刻的操作
条件来维持稳定运行，系统的寄生能耗随之增加，重则产生电流分布严重差异，造成局部过
热或反极，损伤电极材料，减少寿命甚至损坏电堆。虽然燃料电池内水是在阴极产生，但高
扩散性的薄膜能将大量的生成水渗透至阳极。燃料电池内氢气相对更低的流速和惯量使其
带出生成水的能力较差，由此引发了薄膜大功率燃料电池内越来越频发的水淹问题，相比
空气侧的阴极水淹也更具危害性。

[0004] 目前燃料电池阳极排水主要依靠氢气循环和脉冲排气的组合应用。氢循环过程是利用燃料电池电堆出口流出的未反应氢气，去除液态水后，经过气泵或引射器等零部件回
到氢气入口，与新鲜的氢气混合后进入电堆，达到氢气的再利用，在提高燃料利用率(通常>
95％)的同时，也提升了电堆供氢的计量比，使相对更高流量的氢气流过电堆，加速自阴极
迁移来的液态水的排出。脉冲排气是在电堆氢气出口处设置的阀门排气/闭气的脉冲式切
换，在尽量少浪费氢燃料的基础上产生极短时间的大流量排气，将之前积聚在电堆或分水
器内的废气与液态水快速排出。通过氢气循环和脉冲排气的组合应用，联合调节氢循环的
计量比与排气的脉冲频率和时间，可使氢腔排水与氢利用率达到最佳的兼顾。因此氢气循
环和脉冲排气的组合已经成为现今大功率燃料电池系统的主流应用。氢循环流量越大，氢
计量比越高，电池流场中的氢气流速越大，有利于提高反应气体浓度的均匀性同时也利于
氢腔液态水的排出。然而，更高流量的水汽饱和的氢气循环流经燃料电池将产生显著增加
的压力损失，这种高流量高压头的泵气需求会显著提高氢回流泵或引射器的技术难度与成
本，同时也增大了寄生能耗，使系统净输出降低。因此，现如今燃料电池系统匹配与控制上，
开发者都在避免氢气欠气或水淹的前提下尽量采取较低的氢气循环流量；而在燃料电池电
堆的设计研发上，开发者的主要方向之一也是设计出具备在更低的氢计量比下稳定运行能
力的双极板流场和电堆结构。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的燃料电池电堆因排水限制而难以降低氢气回流流量的问题，提供一种燃料电池电堆设计及燃料电池系统。

[0006] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

[0007] 一种燃料电池电堆，包括多个桥孔和公共流道，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构，所述脉冲排气机构设置于氢气出口所在的所述公共流道内，所述脉
冲排气机构包括挡流板，所述挡流板的侧壁上设置有至少一个排气槽，所述排气槽贯通所
述挡流板的侧壁，所述排气槽可沿着所述公共流道的延伸方向移动，以使电堆内单节电池
在闭气状态和排气状态之间切换；

[0008] 当所述挡流板将所述桥孔遮挡时，所述桥孔对应的单节电池处于闭气状态；

[0009] 当所述排气槽与所述桥孔连通时，所述桥孔对应的单节电池处于排气状态。

[0010] 在本方案中，通过在氢气出口所在的公共流道内设置脉冲排气机构，其中，挡流板用于对燃料电池中与氢气出口所在的公共流道相连通的桥孔进行遮挡，使得作为单节电池
氢气出口的桥孔被关闭，以使得对应的单节电池处于氢气闭气状态；而在挡流板上开设排
气槽使得双极板上的桥孔能自排气槽露出并与公共流道相连通，以实现对应的单节电池内
过剩氢气的排出，使对应的单节电池处于排气状态。当排气槽在公共流道的延伸方向上移
动而反复经过某单节电池的氢气出口侧桥孔时，能实现该单节电池的氢气脉冲式流量变
化，产生的短时大流量有利于单节电池内液态水的排出，有利于氢气流道排水对氢计量比
的需求。

[0011] 而且采用上述的结构形式，匹配多个单节电池堆叠后形成的整个电池组，并操作排气机构的排气槽能扫过整个电池组的氢气出口桥孔，可使得每个单节电池沿堆叠方向顺
次执行氢气闭气‑排气‑闭气的切换动作；进一步操作排气槽周期性反复扫过整个电池组，
使得每个单节电池沿堆叠方向顺次执行氢气脉冲排气动作。从燃料电池电堆的宏观角度，
该排气机构在保持燃料电池堆的氢气流量和压力比较稳定的基础上，能够降低电堆氢气排
水对氢气计量比的需求，进而减小氢循环系统的技术难度、成本和能耗。

[0012] 较佳地，沿着所述公共流道的延伸方向，所述挡流板上间隔地设置有多个排气槽。在挡流板上间隔地设置多个排气槽，使得脉冲排气机构同时执行多个单节电池的脉冲排气
动作。通过设置合适的排气槽间隔，能够设定脉冲排气的频率，进而有利于达到最佳的排气
和排水效果。

[0013] 较佳地，所述挡流板为两端开口的圆筒状结构，所述排气槽沿着所述挡流板的侧壁呈螺旋状设置，所述挡流板绕着其轴线转动。将挡流板设置成两端开口的圆筒状结构，自
排气槽排出的氢气，可从挡流板的圆筒内部汇聚并从两端排出。在圆筒状的挡流板的侧壁
上开设螺旋状的排气槽，当挡流板绕着其轴线转动时，使得螺旋状的排气槽在沿着挡流板
的轴线方向上产生平移的效果，使其沿着氢气出口公共流道的延伸方向对各个单节电池依
次进行脉冲排气动作，不仅能在短时间内对相应的多个单节电池进行大流量的排气，进而
有利于对应的单节电池内液态水的排出，从而有利于降低电堆总体氢计量比的需求。而且，
采用以上结构形式，使得在运转过程中燃料电池电堆内氢气排气和闭气的单节电池数量保
持恒定，进而使得电堆内的氢气的总流量及总压力始终处于稳定状态，同时减小了电堆总
体的氢气流量需求，进而有利于减小供氢与氢循环系统的技术难度、降低成本及能耗。

[0014] 较佳地，所述排气槽的宽度与所述燃料电池电堆中单节电池的厚度相同。将排气槽的宽度设置成与单节电池的厚度相同，当排气槽平移经过一节单节电池厚度的距离时，
原大流量排气的单节电池的排氢桥孔被挡流板遮挡，排气槽平移方向上相邻单节电池的排
氢桥孔自排气槽露出，使其与氢气出口公共流道连通。排气槽宽度设置成与单节电池的厚
度相同，可使相邻的单节电池不同时大流量排气，有利于提高单节电池的短时间氢气排气
流速内的排气效率，从而更有利于液态水的排出。挡流板连续转动，可使得每节单节电池在
排气和闭气之间依次交替变化，以实现电池电堆内部脉冲排气的效果。

[0015] 较佳地，所述排气槽的螺距为所述单节电池的厚度的不小于2的整数倍。排气槽的螺距为单节电池的厚度的2倍、3倍、4倍…采用这种结构形式，使得处于排气状态的所有单
节电池均处于相同的脉冲相位，获得均匀一致的排气流量，进而达到相同的排气和排水效
率。

[0016] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括一转轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔与所述挡流板间隔设置并与所述挡流板固定，所述转轴与所述挡流板同轴，所述转轴绕着其轴
线旋转。通过将转轴与挡流板固定，使得当转轴旋转时，挡流板随着转轴转动。而将转轴和
挡流板间隔设置，使得自挡流板上的排气槽排出的氢气可从转轴和挡流板之间的间隙流
出。采用这种设置方式，一方面有利于将挡流板的两端设置成敞开的方式，进而便于氢气的
排出，另一方面，通过转轴为挡流板提供转动动力，有利于布置转轴和挡流板的位置，使得
整个脉冲排气机构更为小巧，进而有利于减轻燃料池电堆的重量及体积。

[0017] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括多个相互间隔设置的连接杆，多个所述连接杆均布于所述转轴的外表面，所述连接杆的两端分别连接于所述转轴的外表面和所述挡流板
的内侧面。通过将连接杆的两端分别连接转轴和挡流板以实现转轴和挡流板的相对固定连
接。通过多个连接杆间隔设置，使得连接杆之间具有间隙，有利于氢气的流通。而将多个连
接杆均匀地分布于转轴的外表面，有利于保持转轴转动时的平衡，进而有利于提高脉冲排
气机构运行的稳定性。

[0018] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括电机，所述转轴连接于所述电机，所述电机驱动所述转轴转动。通过电机驱动转轴的转动，可保证脉冲排气机构的可靠运行，进而保证燃料
电池电堆的脉冲排气的顺利进行。

[0019] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括扇叶，所述扇叶设置于所述公共流道的端部，并位于氢气流向的下风向端。在氢气出口所对应的公共流道的端部设置扇叶，并将扇叶设置
的氢气流向的下风向端，当氢气从桥孔排出并自公共流道流出时，在氢气气流的作用力下
驱动扇叶旋转，由于扇叶的旋转增大扇叶前端和后端氢气的压差，进而可加速燃料电池电
堆中氢气的排出，从而更加有利于燃料电池电堆内氢气和液态水的排出。

[0020] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括一转轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔并与所述挡流板固定，所述扇叶连接于所述转轴的一端，所述扇叶位于氢气流向的下风向端。通
过将转轴和挡流板固定并在转轴上氢气流向的下风向端设置一扇叶，在氢气气流的作用力
下驱动扇叶旋转，扇叶带动转轴旋转，从而带动挡流板旋转，进而实现挡流板上的螺旋状排
气槽沿着转轴的轴线方向平移，从而实现单节电池的脉冲排气动作。整个过程就是通过氢
气的排出带动扇叶旋转，进而为脉冲排气机构的运转提供动力，不用另外安装驱动电机，既
能节省成本还能简化结构。而且，扇叶的转速与氢气流量相关，而氢气流量大致与燃料电池
电堆运行的输出电流成正相关，进而与生成水的水量呈正相关。当燃料电池电堆运行的输
出电流越大，氢气流量越大，扇叶转速就会越快，进而使得转轴的转速更快，单节电池排气
和闭气的频次越高，即脉冲排气的频率越高，有利于缩短液态水的积聚时间，进而有利于提
高排水效果。

[0021] 较佳地，所述脉冲排气机构还包括一转轴、第一齿轮、第二齿轮和连接轴，所述转轴穿过所述挡流板的内腔并与所述挡流板固定，所述转轴与第一齿轮连接，所述连接轴与
所述第二齿轮连接，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，所述扇叶连接于所述连接轴的端
部，所述扇叶位于氢气流向的下风向端。通过将转轴与第一齿轮连接，与扇叶连接的连接轴
与第二齿轮连接，通过氢气气流驱动扇叶旋转，扇叶带动连接轴旋转从而带动第二齿轮转
动，第一齿轮和第二齿轮啮合，使得第二齿轮带动第一齿轮转动从而带动转轴旋转，最终使
得脉冲排气机构中的挡流板转动。通过齿轮传动带动脉冲排气机构中的转轴旋转，使用时
可通过实际情况来设置不同齿比的齿轮来调整脉冲调节机构的转速范围。

[0022] 较佳地，所述燃料电池堆的氢气出口所在的公共流道与分水器的氢气入口相连通，所述扇叶设置于所述分水器的氢气入口处。扇叶的旋转可对液态水产生离心效果，因
此，将扇叶设置在分水器的氢气入口处，可将氢气气流中的液态水进行初步分离，具有汽水
分离的功能，不仅有利于提高燃料电池电堆排气和排水的效率，还有利于提高分水器气液
分离的效果。

[0023] 较佳地，所述挡流板的一端设置有转速传感器，所述转速传感器用于检测所述挡流板的转速。在挡流板的一端设置转速传感器，用于检测挡流板是否正常运转，若停转容易
造成被遮挡闭气的单节电池水淹，因此需执行燃料电池急停操作。当然，转速传感器不限于
与挡流板连接，在本发明中转速传感器连接于转轴上。

[0024] 较佳地，所述挡流板与所述公共流道上与所述挡流板相对应的侧面相贴合。挡流板与公共流道的侧面相贴合，但是允许挡流板与公共流道产生相对移动或者转动且避免卡
滞，以使得排气槽相对于公共流道进行移动。通过这种结构形式，最小化挡流板与公共流道
之间的漏气，可提高处于闭气状态的单节电池内部的压力，进而使得切换至排气状态时短
时内的排气流量更大，从而有利于排水。

[0025] 较佳地，所述燃料电池电堆包括多个单节电池，每一所述单节电池均包括双极板，所述双极板上设置有氢气流道和公共流道孔，所述桥孔设置于所述双极板上并将所述氢气
流道与所述公共流道孔相连通。多个单节电池堆叠后形成燃料电池组，同时，单节电池上的
公共流道孔叠加后形成公共流道并与燃料电池电堆的氢气进出接口相连通，桥孔用于将双
极板上的氢气流道与公共流道孔相连通，使得供应进入电池的氢气或反应过剩的氢气通过
桥孔自公共流道流入氢气流道或自氢气流道流出至公共流道。在过剩氢气流出时，会带走
燃料电池堆反应时生成的汽态水和液态水。

[0026] 较佳地，所述燃料电池电堆还包括端板、集电板、和绝缘板，所述端板、所述集电板以及所述绝缘板上与所述氢气出口所在的所述公共流道相对应的通孔的形状及尺寸与所
述公共流道的形状及尺寸一致。采用这种设置方式，在脉冲排气机构装入和拆出时，不需要
拆解电堆，因此便于对脉冲排气机构进行安装或者维护。

[0027] 较佳地，所述燃料电池电堆还包括端盖，所述端盖与所述端板上的所述通孔通过法兰连接并密封，所述脉冲排气机构的两端分别连接于所述端盖或者端板。将端盖和端板
通过法兰连接并密封，便于将整个脉冲排气机构设置在于端板对接的模块中，进而提高集
成程度，同时便于检修和维护。

[0028] 一种燃料电池系统，其特点在于，所述燃料电池系统包含如上所述的燃料电池电堆。

[0029] 在本方案中，在燃料电池系统中采用如上的燃料电池电堆，利用电堆内部的脉冲排气机构实现内部单节电池的脉冲高流量排气，解决电池流道内积存的液态水排出的问
题。并且，利用脉冲排气机构的结构特点实现燃料电池电堆内单节电池依次排气，具有保持
总流量和总压力稳定的优点，还具有降低燃料电池电堆总体氢计量比的需求的优点，进而
可减小氢循环系统的技术难度、成本和能耗。

[0030] 在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

[0031] 本发明的积极进步效果在于：本发明的燃料电池电堆及燃料电池系统，其中燃料电池电堆通过在氢气出口所在的公共流道内设置脉冲排气机构，其中挡流板用于对燃料电
池氢气出口公共流道一端的桥孔进行遮挡，产生该桥孔连通的单节电池氢气出口关闭的效
果。而在挡流板上开设排气槽使得双极板桥孔能自排气槽露出并与公共流道相连通，进而
实现对应的单节电池内过剩氢气的排出。通过设计和操作该排气机构，使多个等距间隔的
排气槽周期性反复扫过燃料电池电堆内的整个电池组，使得每个单节电池沿堆叠方向顺次
执行氢气脉冲排气动作。从燃料电池电堆的宏观角度，该排气机构能够在保持燃料电池堆
的氢气流量和压力比较稳定的基础上，达到降低电堆氢气排水对氢气计量比的需求，进而
减小氢循环系统的技术难度、成本和能耗的效果。

附图说明

[0032] 图1为本发明实施例2的燃料电池电堆内部的结构示意图。

[0033] 图2为本发明实施例2的燃料电池电堆的局部结构示意图。

[0034] 图3为本发明实施例2的燃料电池电堆内部结构的主视图。

[0035] 图4为本发明实施例2的燃料电池电堆中的脉冲排气机构的立体结构示意图。

[0036] 图5为本发明实施例2的燃料电池电堆中的脉冲排气机构的主视图。

[0037] 图6为本发明实施例2的燃料电池电堆中的脉冲排气机构的另一视角下立体结构示意图。

[0038] 图7为本发明实施例2的燃料电池电堆中的氢气出口处的公共流道的放大示意图。

[0039] 图8为本发明实施例2的燃料电池电堆中的燃料电池组的平面结构示意图。

[0040] 图9为沿图8中A‑A线的剖视图。

[0041] 附图标记说明：

[0042] 燃料电池组10

[0043] 氢气进口公共流道101

[0044] 氢气出口公共流道102

[0045] 空气出口公共流道103

[0046] 空气进口公共流道104

[0047] 单节电池105

[0048] 桥孔1051

[0049] 脉冲排气机构20

[0050] 挡流板201

[0051] 排气槽202

[0052] 转轴203

[0053] 扇叶204

[0054] 连接杆205

[0055] 氢气流动方向30

[0056] 排气槽平移方向40

具体实施方式

[0057] 下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

[0058] 实施例1

[0059] 本实施例提供一种燃料电池电堆，燃料电池电堆包括电池组、端板、集电板、绝缘板，其中，燃料电池组10的相对的两侧分别自燃料电池组10向外依次设有集电板、绝缘板和
端板。可以参照图1‑图3予以理解，燃料电池组10包括多个单节电池105，每个单节电池105
包括膜电极、两个双极板，膜电极位于两个双极板之间，多个单节电池105堆叠后形成燃料
电池组10。正负两极的集电板、绝缘板及端板由内向外依次叠加在燃料电池组10的外侧并
通过绝缘固定杆和螺母等将燃料电池组10紧固和密封后形成燃料电池电堆。在燃料电池组
10中分别设有氢气进口公共流道101、氢气出口公共流道102、空气进口公共流道104及空气
出口公共流道103。相应地，在其中一侧的集电板、绝缘板及端板上设置有与以上公共流道
相连通的氢气供、排气接口，空气供、排气接口，冷却液进、出接口等。

[0060] 具体的，在双极板阳极侧的侧壁上设置有氢气流道，在氢气进口和氢气出口对应的公共流道处设置有公共流道孔，而氢气进口和氢气出口分别通过桥孔1051与公共流道孔
相连通，桥孔1051设置在双极板上。每个双击板上均设置有多个桥孔，双极板上的氢气流道
通过桥孔与公共流道孔相连通，进而氢气的流通。多个单节电池105堆叠后形成燃料燃料电
池组10，同时，单节电池上的公共流道孔叠加后形成公共流道并与燃料电池电堆的氢气进
出接口相连通，桥孔1051用于将双极板上的氢气流道与公共流道孔相连通，这样在阳极双
极板上就形成了氢气流通的通路。氢气从氢气入口进入电堆，经与空气中的氧气反应后，反
应过剩的氢气自氢气流道通过桥孔1051流至公共流道孔，并自公共流道流出。在过剩氢气
流出时，会带走燃料电池堆反应时生成的汽态水和液态水。

[0061] 在本实施例中，燃料电池电堆还包括一脉冲排气机构20，脉冲排气机构20设置于氢气出口所在的公共流道内，脉冲排气机构20包括挡流板201，挡流板201的侧壁上设置有
至少一个排气槽202，排气槽202贯通挡流板201的侧壁，排气槽202可沿着公共流道的延伸
方向移动以使桥孔1051在闭气状态和排气状态之间切换；当挡流板201将桥孔1051遮挡时，
对应的单节电池105处于氢气闭气状态；当排气槽202与桥孔1051桥孔连通时，对应的单节
电池105处于氢气排气状态。

[0062] 通过在氢气出口所在的公共流道内设置脉冲排气机构20，其中挡流板201用于对燃料电池氢气出口公共流道102一端的桥孔1051进行遮挡，产生作为单节电池105氢气出口
的桥孔1051关闭的效果，使得对应的单节电池105处于氢气闭气状态；而在挡流板201上开
设排气槽202使得桥孔1051能自排气槽202露出并与公共流道相连通，进而实现对应的单节
电池105的过剩氢气的排出，使对应的单节电池处于排气状态。当排气槽202在公共流道102
的延伸方向上移动而反复经过某单节电池105的氢气出口侧桥孔1051时，能实现单节电池
105的氢气脉冲式流量变化，产生的短时大流量有利于单节电池105内液态水的排出，有利
于氢气流道排水对氢计量比的需求。

[0063] 而且采用上述的结构形式，匹配多个单节电池105堆叠后形成的整个电池组10，并操作排气机构20的排气槽202能扫过整个电池组的氢气出口桥孔1051，可使得每个单节电
池105沿堆叠方向顺次执行氢气闭气‑排气‑闭气的切换动作；进一步操作排气槽202周期性
反复扫过整个电池组10，使得每个单节电池沿堆叠方向顺次执行氢气脉冲排气动作。从燃
料电池电堆的宏观角度，该排气机构在保持燃料电池堆的氢气流量和压力比较稳定的基础
上，能够降低电堆氢气排水对氢气计量比的需求，进而减小氢循环系统的技术难度、成本和
能耗。

[0064] 对于挡流板201的结构以及排气槽202的结构及数量不做限制，挡流板201可以是平板状结构，在板状结构的挡流板201上开设有长条状的排气槽202，挡流板201沿着燃料燃
料电池组10的叠加方向周期性平移，使得排气槽202能依次与不同的单节电池105上的桥孔
1051相连通，以实现对该单节电池105进行排气。其中，挡流板的往复移动可以采用丝杠电
机进行驱动，或者，采用其他的结构形式也可以，例如齿轮齿条等。当然，也可以采用其他的
结构形式，如以下的实施例所述。

[0065] 其中，单节电池相互叠加的方向为公共流道的延伸方向，沿着公共流道的延伸方向，挡流板201上等距间隔地设置有多个排气槽202。在挡流板201上等距间隔地设置多个排
气槽202，使得脉冲排气机构20执行多个单节电池的桥孔1051的脉冲排气动作。设置合适的
排气槽202的间隔，能够设定脉冲排气的频率，进而有利于达到最佳的排气和排水效果。

[0066] 当然，实际应用时也可以根据实际电堆的特性来对排气槽的间距进行特定的设置。例如某电堆在某局部的数节电池容易水淹，则将该处的排气槽间距缩小，使该局部以更
短的周期进行排气，该局部的累计计量比高于其他位置，以解决局部电池易水淹单低的问
题。

[0067] 实施例2

[0068] 如图1‑图9所示，本实施例的燃料电池电堆的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：

[0069] 在本实施例中，挡流板201为两端开口的圆筒状结构，排气槽202沿着挡流板201的侧壁呈等距螺旋状设置，挡流板201绕着其轴线转动。对应地，燃料电池堆中的氢气出口桥
孔1051所在的公共流道轮廓形状与挡流板201的外部轮廓相对应，并能使得挡流板201能相
对燃料燃料电池组10进行转动。同样的，也可以根据实际的使用情况，对螺距进行特定的设
置，原理同上，在此不再赘述。如图8所示，公共流道102在其延伸方向上的投影的一端的形
状为一半圆形，其余的形状为长方形。该半圆形所对应的一侧用于容纳挡流板201。将挡流
板201设置成两端开口的圆筒状结构，自排气槽202排出的氢气，可从挡流板201的圆筒内部
汇聚并从两端排出。在圆筒状的挡流板201的侧壁上开设螺旋状的排气槽202，当挡流板201
绕着其轴线转动时，使得螺旋状的排气槽202在沿着挡流板201的轴线方向上产生平移的效
果，使沿着氢气出口公共流道102的延伸方向上的各个单节电池105依次进行脉冲排气动
作，不仅能在短时间内对相应的多个单节电池105进行大流量的排气促进了液态水的排出，
进而有利于降低电堆总体氢计量比的需求。而且，采用以上等距螺旋的结构形式，使得在运
转过程中燃料电池电堆内氢气排气和闭气的单节电池105的数量保持恒定，进而使得电堆
内的氢气的总流量及总压力始终处于稳定状态，同时减小了电堆总体的氢气流量需求，进
而有利于减小供氢与氢循环系统的技术难度、降低成本及能耗。

[0070] 而且，对于单节电池105的双极板上所对应的桥孔1051的数量及形状不作限定，只要满足单节电池105处于氢气闭气状态下，挡流板能遮挡该单节电池的所有桥孔，并且，当
螺旋型的排气槽202对应到该单节电池105上时，该单节电池105上的所有桥孔1051都能与
该排气槽202相连通。在本实施例中，氢气出口所对应的公共流道孔上设置有四个相互间隔
的桥孔1051，而且桥孔1051的端部的形状与公共流道孔的形状相对应。对于排气槽平移方
向40和氢气流动方向30不做限制，两者可以为同向，也可以为异向，在本实施例中为后者，
如图2所示。

[0071] 挡流板201的外壁与公共流道上与挡流板201相对应的侧面相贴合，但两者之间不产生明显的摩擦。也就是说，在保证圆筒状挡流板201转动的同时，圆筒状的挡流板201的外
径与公共流道孔所对应的圆弧的直径尽可能接近。并且，挡流板201与公共流道的圆弧轮廓
同轴，挡流板201与公共流道的侧面相贴合以保证挡流效果，但是允许挡流板201与公共流
道产生相对移动或者转动且避免卡滞，以使得排气槽202相对于公共流道进行移动。通过这
种结构形式，最小化挡流板201与公共流道之间漏气，可提高处于闭气状态的单节电池内部
的压力，进而使得切换至排气状态时短时内的排气流量更大，从而有利于排水。而且，挡流
板201的壁厚在确保刚度的情况下尽可能设置的薄一些，以减少对公共流道通径的侵占，避
免产生明显气体流动阻力。

[0072] 为了保证脉冲排气效果，排气槽202的宽度与燃料电池电堆中单节电池的厚度相同。而且，排气槽202的螺距为排气槽202的槽宽的整数倍。将排气槽202的宽度设置成与单
节电池105的厚度相同，当排气槽202平移经过一节单节电池105厚度的距离时，原大流量排
气的单节电池的桥孔1051被挡流板遮挡，排气槽202平移方向上的相邻单节电池的桥孔
1051自排气槽202露出，使其与氢气出口公共流道102连通。排气槽202的宽度设置成与单节
电池105的厚度相同，可使相邻的单节电池不同时进行大流量排气，有利于提高单节电池的
短时间氢气排气流速，从而更有利于液态水的排出。挡流板连续转动，可使得每节单节电池
105在排气和闭气之间依次交替循环变化，以实现电池电堆内部脉冲排气的效果。排气槽
202的螺距为排气槽202的槽宽的整数倍，也就是说排气槽202的螺距是单节电池105的厚度
的2倍、3倍、4倍…采用这种结构形式，使得处于排气状态的所有单节电池105均处于相同的
脉冲相位，获得均匀一致的排气流量，进而达到相同的排气和排水效率。

[0073] 进一步地，脉冲排气机构20还包括一转轴203，转轴203穿过挡流板的内腔与挡流板间隔设置并与挡流板固定，转轴203与挡流板同轴，转轴203绕着其轴线旋转。通过将转轴
203与挡流板固定，使得当转轴203旋转时，挡流板随着转轴203转动。而将转轴203和挡流板
间隔设置，使得自挡流板上的排气槽202排出的氢气可从转轴203和挡流板之间的间隙流
出。采用这种设置方式，一方面有利于将挡流板的两端设置成敞开的方式，进而便于氢气的
排出，另一方面，通过转轴203为挡流板提供转动动力，有利于布置转轴203和挡流板的位
置，使得整个脉冲排气机构20更为小巧，进而有利于减轻燃料电池电堆的重量及体积。在本
实施例中，挡流板与转轴203采用耐酸性抗氧化低润湿且具有一定表面润滑度的材质，例
如，聚四氟乙烯等。

[0074] 具体地，脉冲排气机构20还包括多个相互间隔设置的连接杆205，多个连接杆205均布于转轴203的外表面，连接杆205的两端分别连接于转轴203的外表面和挡流板的内侧
面。通过将连接杆205的两端分别连接转轴203和挡流板以实现转轴203和挡流板的相对固
定连接以确保同轴转动。通过多个连接杆205间隔设置，使得连接杆205之间具有间隙，有利
于氢气的流通。而将多个连接杆205均匀地分布于转轴203的外表面，有利于保持转轴203转
动时的平衡，进而有利于提高脉冲排气机构20运行的稳定性。

[0075] 在本实施例中，脉冲排气机构20还包括扇叶204，扇叶204设置于公共流道的端部，并位于氢气流向的下风向端。在氢气出口所对应的公共流道的端部设置扇叶204，并将扇叶
204设置的氢气流向的下风向端，当氢气从桥孔1051排出并自公共流道流出时，在氢气气流
的作用力下驱动扇叶204旋转，由于扇叶204的旋转增大扇叶204前端和后端氢气的压差，进
而可加速燃料电池电堆中氢气的排出，从而更加有利于燃料电池电堆内氢气和液态水的排
出。

[0076] 其中，扇叶204连接于转轴203的一端。通过将转轴203和挡流板固定并在转轴203上氢气流向的下风向端设置一扇叶204，在氢气气流的作用力下驱动扇叶204旋转，扇叶204
带动转轴203旋转，从而带动挡流板旋转，进而实现挡流板上的螺旋状排气槽202沿着转轴
203的轴线方向平移，从而实现电堆内各个单节电池的依次脉冲排气动作。整个过程就是通
过氢气的排出带动扇叶204旋转，进而为脉冲排气机构20的运转提供动力，不用另外安装驱
动电机，既能节省成本还能简化结构。而且，扇叶204的转速与氢气流量相关，而氢气流量大
致与燃料电池电堆运行的输出电流成正相关，进而与生成水的水量呈正相关。当燃料电池
电堆运行的输出电流越大，氢气流量越大，扇叶204转速就会越快，进而使得转轴203的转速
更快，单节电池排气和闭气的频次越高，即脉冲频率越高，有利于缩短液态水的积聚时间，
进而有利于提高排水效果。

[0077] 挡流板的一端设置有转速传感器，转速传感器用于检测挡流板的转速。在挡流板的一端设置转速传感器，用于检测挡流板是否正常运转，若停转容易造成被遮挡闭气的单
节电池105水淹，因此需执行燃料电池急停操作。当然，转速传感器不限于与挡流板连接。

[0078] 在本实施例中，端板、集电板以及绝缘板上与氢气出口所在的公共流道相对应的通孔的形状及尺寸与公共流道的形状及尺寸一致。采用这种设置方式，在脉冲排气机构20
装入和拆出时，不需要拆解电堆，因此便于对脉冲排气机构20进行安装或者维护。

[0079] 而且，燃料电池电堆还包括端盖，端盖与端板上的通孔通过法兰连接并密封，脉冲排气机构20的两端分别连接于端盖或者端板。将端盖和端板通过法兰连接并密封，便于将
整个脉冲排气机构20设置在于端板对接的模块中，进而提高集成程度，同时便于检修和维
护。

[0080] 在本实施例中，单节电池的厚度为d，将脉冲排气机构20中的挡流板上的螺旋型的排气槽202的宽度设置为d，螺距设置为2d。在转轴203的外端安装扇叶204，通过氢气气流驱
动扇叶204旋转，扇叶204用于驱动转轴203转动。扇叶204的最大半径小于氢气出口公共流
道的圆弧半径。扇叶204的角度、面积及数量可按流体计算，匹配最大氢流量下的转速为
20rpm。在扇叶204外设置转速传感器，用于反馈转速以避免脉冲排气机构20卡死导致单节
电池水淹。转轴203的最外端固定在设置有氢气出口接口的端盖上，轴的两端与端板或者端
盖嵌套配合，并允许滑动。端盖与端板用法兰连接和密封。燃料电池电堆在脉冲排气机构20
旋转周期中，闭气与排气时间比例为2:1，排气位置的单节电池氢计量比为1.9，遮挡位置的
单节电池氢计量比约为1.05，综合电堆供氢计量比则为1.33。

[0081] 实施例3

[0082] 本实施例的燃料电池以及脉冲排气机构20的结构形式与实施例2中的基本相同，其不同之处在于：

[0083] 在本实施例中，脉冲排气机构20还包括第一齿轮、第二齿轮和连接轴，转轴203穿过挡流板的内腔并与挡流板固定，转轴203与第一齿轮连接，连接轴与第二齿轮连接，第一
齿轮和第二齿轮啮合，扇叶204连接于连接轴的端部，扇叶204位于氢气流向的下风向端。通
过将转轴203与第一齿轮连接，与扇叶204连接的连接轴与第二齿轮连接，通过氢气气流驱
动扇叶204旋转，扇叶204带动连接轴旋转从而带动第二齿轮转动，第一齿轮和第二齿轮啮
合，使得第二齿轮带动第一齿轮转动从而带动转轴203旋转，最终使得脉冲排气机构20中的
挡流板转动。通过齿轮传动带动脉冲排气机构20中的转轴203旋转，使用时可通过实际情况
来设置不同齿比的齿轮来调整脉冲调节机构的转速范围。

[0084] 燃料电池堆的氢气出口所在的公共流道与分水器的氢气入口相连通，扇叶204设置于分水器的氢气入口处。扇叶204的旋转可对液态水产生离心效果，因此，将扇叶204设置
在分水器的氢气入口处，可将氢气气流中的液态水进行初步分离，具有汽水分离的功能，不
仅有利于提高燃料电池电堆排气和排水的效率，还有利于提高分水器气液分离的效果。

[0085] 例如，圆筒状的挡流板的排气槽202的宽度为d，螺距为3d。在本实施例中，脉冲排气机构20的动力来源同样为流过公共流道的氢气。挡流板及转轴203设置与端板的内侧，氢
气掠过的与连接轴连接的扇叶204设置在端板的外侧。氢气掠过扇叶204后，扇叶204旋转并
带动连接轴转动，利用特定齿比的第一齿轮和第二齿轮带动脉冲排气机构20运转，匹配最
大氢流量下的转速为30rpm。端板的外侧同时设有分水室，扇叶204位于风水室内，利用扇叶
204旋转离心将水滴甩向分水室内壁，并可在分水室的后端适当添加更多的分水扰流部件
实现彻底的水汽分离，在分水室的下端设置排水口和排放阀门，根据系统控制间歇式排水
和废气排出。并且在分水室上还设有水汽分离后的氢气出口接口，供氢循环管路连接。分水
室与端板之间通过法兰密封。燃料电池电堆在脉冲排气机构20旋转周期中，闭气与排气时
间比例为3:1，排气位置的单节电池氢气计量比为2.05，遮挡位置的单节电池氢气计量比约
为1.05，综合电堆供氢计量比则为1.3.

[0086] 实施例4

[0087] 本实施例中的燃料电池电堆的基本结构与实施例2中的基本相同，其不同之处在于：

[0088] 对于脉冲排气机构20转动的动力可来自于自公共流道流过的氢气本身，也可通过外部的动力装置例如电机。在本实施例中，脉冲排气机构20还包括电机，转轴203连接于电
机，电机驱动转轴203转动。通过电机驱动转轴203的转动，可保证脉冲排气机构20的可靠运
行，进而保证燃料电池电堆的脉冲排气的顺利进行。

[0089] 其中，圆筒状的挡流板上的螺旋形排气槽202的槽宽为d，螺距为4d。端板的外侧设置有模板，模块内设置氢循环专用电机和密封、防爆结构，电机的转速可控。可以将脉冲排
气机构20的转轴203直接与电机相连，也可以通过异轴相连来进行驱动脉冲排气机构20，来
调控脉冲排气机构20的转速，匹配最大氢流量下的转速为60rpm。燃料电池电堆在脉冲排气
机构20转动周期中，闭气与排气时间比例为4:1，排气位置的单节电池氢气计量比为2.1，遮
挡位置的单节电池氢计量比约为1.05，综合电堆供氢计量比则为1.26。

[0090] 实施例5

[0091] 本实施例提供一种燃料电池系统，燃料电池系统包含如实施例1‑4中任意一个实施例提供的燃料电池电堆。在燃料电池系统中采用如上的燃料电池电堆，利用电堆内部的
脉冲排气机构20实现内部单节电池的脉冲高流量排气，解决电池流道内积存的液态水排出
的问题。并且，利用脉冲排气机构20的结构特点实现燃料电池电堆内单节电池依次排气，具
有保持总流量和总压力稳定的优点，还具有降低燃料电池电堆总体氢计量比的需求的优
点，进而可减小氢循环系统的技术难度、成本和能耗。

[0092] 有以上的几个实施例可以看出，本发明通过将脉冲排气机构20引入燃料电池电堆内部，并通过单节电池之间的顺次脉冲排气，达到整体氢计量比需求降低的效果。本发明可
利用自身气体流量驱动，无需额外能耗。而且本发明还可根据不同电极材料的特性，通过调
整螺旋参数与转速来匹配燃料电池电堆的低流量稳定排水需求，灵活度高。脉冲排气机构
20的零部件较少，加工难度低，对燃料电池电堆成本影响较小，而且集成度高，可在不拆解
燃料电池电堆的情况下快速拆装，便于检修维护。而且，还可与分水装置和外部脉冲排气机
构20等进行模块化整合，提高系统集成度。本发明的脉冲排气机构20对单节电池数量更多
的燃料电池组10效果更好，可获得更加平稳的氢气流量和压力。

[0093] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离
本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和
修改均落入本发明的保护范围。