本技术属于燃料电池，尤其涉及一种燃料电池的外部气罩及其设计方法与应用。
背景技术：
1、燃料电池是通过氢气和氧气在电催化剂作用下发生电化学反应直接将燃料中的化学能转换为电能的电化学装置。燃料电池具有能量转换效率高，零碳排放，噪音低，绿色环保等特点。燃料电池在交通运输和固定电站等领域有着广泛应用。
2、膜电极和双极板是燃料电池的关键部件，氢气在阳极侧催化剂层发生氧化反应，反应生成的质子和水结合后通过质子交换膜传递到阴极催化剂层，氧气在阴极催化剂的作用下发生还原反应和质子结合生成水。膜电极提供电化学反应的场所，双极板提供气体流动通道，隔离反应气体，防止氢气和氧气互串，同时传导电堆反应的热量，收集和传递电流，支撑膜电极。
3、单电池组件由阳极侧双极板，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，和阴极侧双极板组成。燃料电池电堆由多个单电池组件叠加而成，燃料电池所需氢气和空气通过外部气源进入电堆内部，在电堆内部进行重新分配后进入双极板流道为电堆内部的每个单电池组件提供电化学反应所需的反应气体。反应气体在电堆内部双极板之间的分布直接影响到电堆的性能，当双极板之间气体分配不均时，电堆内部出现局部缺氢或缺氧的情况，缺氢或缺氧的单电池进入极化曲线的浓度控制区域，导致单电池电压出现快速下降，影响电堆整体性能。特别是局部缺氢的情况，局部电压迅速下降，电压的损失转换为热，引起膜电极局部温度过高，膜电极干化甚至穿孔，同时缺氢引起局部碳腐蚀，对单电池性能的影响是不可逆的，进一步造成电堆的寿命衰减。因此，反应气体在电堆内部的均匀分配是设计电堆的一个重要考量指标。
4、在专利cn116031460a通过在双极板进出口设置分流区，控制分流区进出口歧管的面积大小来调节歧管中的气体流速，进而改变歧管阻力，促使电堆内部不同双极板进出口压差趋于一致，提高双极板之间流体分布的均匀性。在专利cn215771215u中采用双极板分配头，提高流体分布的均匀性。在专利cn111755711a中，通过在双极板的进口分配区和出口汇集区设置多条错位交替的小凸台和大凸台，控制气体进口和出口的截面积，从而提高流体分布的一致性。在专利cn108232229a中，在双极板设置第一流体分布区，直流道区及第二流体分布区，有效减小气体流道阻力和提高流体的分配一致性。
5、现有技术中，为提高电堆内部双极板之间的流体分布的一致性，需要通过改善双极板的内部歧管或增加双极板表面流体分布特征来解决流体分布均匀性问题。然而双极板设计较为复杂，加工工艺精度要求较高，增加制作成本，同时提高了流体流动阻力，导致外部气源设备的能耗增加。因此，有待开发一种简单有效且成本较低的设计方法。
技术实现思路
1、本技术的目的在于提供一种燃料电池的外部气罩及其设计方法与应用，旨在解决现有技术中双极板设计复杂，流体流动阻力较高，外部气源设备的能耗消耗大，电堆系统的电效率较低，电堆内部双极板之间流体分布的一致性差的问题。
2、为实现上述申请目的，本技术采用的技术方案如下：
3、第一方面，本技术提供一种燃料电池的外部气罩，所述外部气罩包括气罩主体，气罩周边的密封区域和气罩腔体区域；其中，所述气罩周边的密封区域设有密封条，通过所述密封条和电堆的表面形成密封面；所述气罩腔体区域的内部包括气体导流分布结构，所述气体导流分布结构与所述外部气罩形成一体或单独的组装部件。
4、在一些实施例中，所述气罩密封区域的长度和宽度和所述电堆的侧面所覆盖区域一致。
5、在一些实施例中，所述气罩主体的材料为非导电材料。
6、在一些实施例中，所述气体导流分布结构的材料为非导电材料。
7、在一些实施例中，所述气体导流分布结构的设计方法包括如下步骤：
8、s1：根据电堆和系统集成要求，确定外部供给氢气或空气和电堆外部气罩的入口连接位置，气罩入口连接位置和内部腔体气体导流分布结构件的入口相连；
9、s2：根据电堆设计额定功率要求pw，单电池组件长度lcell，单电池组件宽度wcell，单电池组件厚度tcell，单电池伏安曲线v-i，
10、计算额定功率电堆所需单电池组件数量vw和iw为额定功率下的单电池电压和电流，
11、计算单电池组件叠加以及加上电堆两端端板后的电堆高度hstack＝ncelltcell+2ep，ep为电堆端板厚度；
12、s3：根据单电池组件数量ncell，
13、计算气罩内部腔体导流分布结构气体终端出口数量其中nout应为偶数；
14、s4：导流分布结构气体终端出口在气体入口腔体沿电堆高度平行方向的一侧分布或两侧对称分布，对应的气体终端出口数量为：
15、
16、s5：气体终端出口位置在电堆高度方向均匀分布，并和电堆高度的中点对称，每个气体终端出口的轴心距δd为：
17、
18、hd为对应气体入口气罩内部腔体气体导流分布结构的长度(和电堆高度方向平行)；
19、s6：气体入口腔体内每个气体终端出口方向和腔体所覆盖电堆表面平行，和沿电堆高度方向的气罩内侧面垂直；
20、s7：气罩腔体内导流分布结构每个气体终端出口和沿电堆高度方向的气罩腔体内侧面垂直直线距离：
21、
22、wh为对应气体入口气罩内部腔体的宽度(和电堆高度方向垂直)；
23、s8：气罩内部腔体的高度(和电堆高度方向平行)hh≥ncelltcell；
24、s9：气罩内部腔体导流分布结构靠近电堆表面的平行面与电堆表面的最小距离dmin≥30％dh，dh为气罩内部腔体的深度；
25、s10：外部气体进入气罩内部导流分布结构件的入口，结构件气体入口和每个气体终端出口通过导流槽相连，导流槽流道设计需满足提供的条件，以设计每个导流槽流道路径的长度和流道形状尺寸。
26、在一些实施例中，所述步骤s10中，导流槽流道设计需满足提供的条件中，所述条件包括如下两个条件：
27、第一条件：基于各个导流槽流道路径从导流分布结构入口到气体终端出口压力降相等的原理：
28、δpi＝δpj，[i≠j，i或j为流道路径∈(1，nout)]；
29、第二条件：反应气体在每个气体终端出口的流量相等的分配均匀性设计要求：
30、[i≠j，i或j为流道路径e(1，nout)]，
31、qi为第i个气体终端出口的气体流量，qt为在电堆设计额定功率下的所需反应气体的体积流量。
32、第二方面，本技术提供一种燃料电池，所述电池包括多个单电池组件以及外部气罩，其中，所述外部气罩为上述的燃料电池的外部气罩。
33、在一些实施例中，所述单电池组件包括阳极侧双极板，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，和阴极侧双极板。
34、在一些实施例中，所述燃料电池的外部气罩覆盖在所述燃料电池的电堆的所有侧面。
35、在一些实施例中，所述外部气罩包括覆盖在所述电堆的空气入口或一个侧面的第一外部气罩、覆盖在所述电堆的空气出口或另一个侧面的第二外部气罩，以及覆盖在所述电堆的氢气入口或一个侧面的第三外部气罩、覆盖在所述电堆的氢气出口或另一个侧面的第四外部气罩。
36、在一些实施例中，所述第一外部气罩和所述第三外部气罩的内部腔体内设有气体导流分布结构，所述气体导流结构入口和气罩外部气体接口相连，气体通过导流结构分布后，从多个气体终端出口进入电堆。
37、本技术第一方面提供的一种燃料电池的外部气罩，所述外部气罩包括气罩主体，气罩周边的密封区域和气罩腔体区域；其中，所述气罩周边的密封区域设有密封条，通过所述密封条和电堆的表面形成密封面；所述气罩腔体区域的内部包括气体导流分布结构，所述气体导流分布结构与所述外部气罩形成一体或单独的组装部件。提供的外部气罩在阻止反应气体向电堆外部泄漏的同时，为反应气体提供导入电堆双极板和导出电堆双极板的腔体，从功能角度取代了双极板设计中的内部歧管和双极板气体入口及出口导流分布区，从而简化了双极板的设计，降低双极板内流体流动阻力，减少外部气源设备的能耗；同时保证了反应气体在单电池组件之间的分配的一致性，避免了由于组件之间气体分配不均引起的局部反应气体的供给不足导致出现局部欠气，从而提高燃料电池电堆内单电池组件性能的一致性，进一步提高燃料电池电堆的整体性能的稳定性和使用寿命。
38、本技术第二方面提供的一种燃料电池，由于该燃料电池包括了上述的燃料电池的外部气罩，因此得到的燃料电池电堆内单电池组件性能的一致性高，燃料电池电堆的整体性能的稳定性强，电堆系统的电效率较高，使用寿命长，有利于广泛使用。
1.一种燃料电池的外部气罩，其特征在于，所述外部气罩包括气罩主体，气罩周边的密封区域和气罩腔体区域；其中，所述气罩周边的密封区域设有密封条，通过所述密封条和电堆的表面形成密封面；所述气罩腔体区域的内部包括气体导流分布结构，所述气体导流分布结构与所述外部气罩形成一体或单独的组装部件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的外部气罩，其特征在于，所述气罩密封区域的长度和宽度和所述电堆的侧面所覆盖区域一致。
3.根据权利要求1所述的燃料电池的外部气罩，其特征在于，所述气罩主体的材料为非导电材料；和/或，
4.根据权利要求1～3任一所述的燃料电池的外部气罩，其特征在于，所述气体导流分布结构的设计方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的燃料电池的外部气罩，其特征在于，所述步骤s10中，导流槽流道设计需满足提供的条件中，所述条件包括如下两个条件：
6.一种燃料电池，其特征在于，所述电池包括多个单电池组件以及外部气罩，其中，所述外部气罩为权利要求1～5任一所述的燃料电池的外部气罩。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述单电池组件包括阳极侧双极板，阳极气体扩散层，膜电极，阴极气体扩散层，和阴极侧双极板。
8.根据权利要求6所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池的外部气罩覆盖在所述燃料电池的电堆的所有侧面。
9.根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述外部气罩包括覆盖在所述电堆的空气入口或一个侧面的第一外部气罩、覆盖在所述电堆的空气出口或另一个侧面的第二外部气罩，以及覆盖在所述电堆的氢气入口或一个侧面的第三外部气罩、覆盖在所述电堆的氢气出口或另一个侧面的第四外部气罩。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述第一外部气罩和所述第三外部气罩的内部腔体内设有气体导流分布结构，所述气体导流结构入口和气罩外部气体接口相连，气体通过导流结构分布后，从多个气体终端出口进入电堆。
