CN101308936A - 空气直接冷却的燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接空气冷却的质子交换膜燃料电池单元及其组装结构。电池单元包括二片模压成型的具有流场和该流场背面具有的与流场并行的空气冷却通道的薄金属极板和一片膜电极组件(MEA)。该结构将空气直接冷却通道与单元电池双极板化加以整合，用在氢电堆上，能减少总体的材料使用，有利于降低整个燃料电池系统的体积和造价，进一步提高了燃料电池的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的模压金属双极板，用于直接空气冷却的电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池的由电池单体层叠组成，而该电池单体由带有流场的阴阳极板中间夹有膜电极组件(MEA)组成，并有冷却结构。对于大功率的氢质子膜燃料电池，在阳极板和阴极板设计方面，一般是将两种极板设计为背对结构，中间形成冷却剂流场，组成双极板结构，然后与MEA和密封线等构件交替叠合，组成多节电池的电堆。中间的冷却流场一般是使用水或空气作为冷却媒体。
在传统的空气直接冷却的电堆中，一般是在石墨双极板之间刻出或压出空气冷却通道，但因石墨强度低、石墨的皮厚比较大，难以降低单电池的厚度。而对于使用薄金属板的设计，一般冷却流场的方向与工作气体(本文指氧化剂和燃料)流场的方向垂直，又难以设计出一面是工作气体流场，一面是空气冷却剂流场的模压薄金属双极板；而在空气冷却剂流场方向与工作气体流场方向相同时，由于工作气体的分配槽垂直于流场，又阻碍了冷却剂空气的进出，往往又需要加大单电池的厚度。当然也有在薄金属双极板之间插入单独的冷却板，或在薄金属双极板的冷却剂流场一侧接翅片，做散热和导电用途，这样更增加了材料的使用量、加工工作量，以及单电池的厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空气直接冷却的质子交换膜燃料电池单元及其组装结构，旨在使用模压的方法将薄金属板加工成一次成型便可获得既有工作气体流场又有空气冷却流场的双极板，并且在不提高单电池厚度的前提下，保证冷却空气在单电池的边缘具有足够的进出口空间。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种空气直接冷却的燃料电池，包括由氢流场板、氧流场板和一块膜电极组件MEA构成的一个燃料电池单元，其特征在于：所述的氢流场板和氧流场板乃系由模压的金属薄板形成，其上带有孔洞和凹槽，凹槽的背面有相应的凸起，所述的孔洞与膜电极组件MEA上的相应孔洞构成工作气体的公用通道，凹槽则构成与公用通道口连接的分配槽，分配槽上连接与其垂直的流场沟，流场沟的横断面呈瓦楞状，两个电池单元通过流场沟的背面相互接触并形成电池单元之间的冷却空气通道腔，通道腔端口的边缘上涂有隔热层；而在每片金属极板与MEA之间、工作气体通道四周以及对外部的边缘均设置胶线槽，槽内填充密封胶线和/或密封粘合剂。
所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的冷却空气通道的方向与所述的金属极板上形成的工作气体的分配槽的方向垂直，冷却空气的进口应设在有分配槽且与其相邻分配槽相互错开的一端；与其相对应的另一端则为冷却空气的出口端。
所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的两个电池单元的接触部位是平面、凸凹镶嵌结构和/或在其接触面上使用钎料封焊。
与现有技术相比较，本发明的优点是：使用模压的薄金属板，一次成型具有工作气体流场和空气冷却流场的双极板，将燃料电池对外界的散热系统和单电池元件整合为一体，降低燃料电池总的金属使用量和体积，特别是去掉冷却循环水系统可以大幅度减轻总系统的重量和体积。而且，由于不使用容易结冰的水作为导热载体，也有利于燃料电池设备在冬天的低温环境的储存和使用。因此，本发明降低燃料电池的零件数量，降低重量和体积，可以提高系统的单位体积功率密度和单位重量功率密度，提高燃料电池系统启动速度。
附图说明
图1是本发明的氢流场板平面示意图；
图2是本发明的氧流场板平面示意图；
图3是使用的膜电极组件MEA的平面结构示意图；
图4是电池单元的俯视示意图；
图5是图4中A-A剖视示意图；
图6是电池单元叠加后的边缘保温涂层和冷却气体通道示意图。
在图中：1为氢流场板，11为氢气的公用通道，12为氢气分配槽，13为密封槽位置，14为氢流场沟，15为氢流场脊，16为极板边缘；2为氧流场板，21为氧气的公用通道，22为氧气分配槽，23为密封槽位置，24为氧流场沟，25为氧流场脊，26为极板边缘；3为膜组件MEA，32为绝缘边框，33为电极；123为俯视的单电池，40为隔热涂层区域；41为隔热涂层，50为冷却空气通道。
具体实施方式
如图1至图6所示的一种空气直接冷却的燃料电池。其中的氢流场板1和氧流场板2是相对的，可以互换。氢流场板1、氧流场板2均由矩形金属薄板模压形成，见图1、图2。膜组件MEA 3由绝缘边框32和电极33组成，见图3，并开有工作气体的公用通道。矩形金属极板及膜组件MEA 3在矩形的一对平行边的相对位置上开设有工作气体的公用通道，每片金属极板的一个面与膜组件MEA 3接触，与膜组件MEA 3接触的两片金属极板分别设置有与燃料公用通道(氢气的公用通道11)、氧化剂公用通道21连接的燃料流体的氢气分配槽12、氧化剂流体的氧气分配槽22。流场使用平行沟槽或蛇形沟槽，流场断面呈瓦楞状，该瓦楞状断面的流场与膜组件MEA 3的电极33接触的条状部分称为流场脊，相对远离膜组件MEA 3的电极33的条状部分称为流场沟。分配槽位于金属极板的一对平行边上，分配槽上连接有位于极板中间区域的与分配槽垂直的氢流场沟14、氧流场沟24，通过流场沟的连接，一对分配槽接通一对公用通道，一对公用通道可以选择在单电池的矩形同侧位置，也可以选择在对角线位置，并且以对角线位置为佳。以上连通的公用通道、分配槽和流场形成工作气体的一个回路。两片金属极板氢流场板1、氧流场板2与其间的膜组件MEA 3形成一个燃料电池单元123，见图4、图5；两个电池单元之间接触的主体是金属极板的流场沟的背面，两个电池单元之间形成冷却空气的通道空腔。在每片金属极板与膜组件MEA 3之间，在燃料公用通道(氢气的公用通道11)四周、氧化剂公用通道21四周，以及对外部的边缘均设置有胶线槽，内填充有密封胶线或沿胶线槽填充有密封黏合剂，使燃料、氧化剂流体控制在各自特定的空间流动，不向其他空间泄露，包括不向电池的外部泄露。
本发明的技术方案还包括冷却空气通道50是由工作气体流场脊的背面空间形成，并由工作气体流场沟分割成线性通道，方向与所述金属极板上设置的工作气体的分配槽的方向垂直，与工作气体的流场方向一致，或逆向。在一片膜组件MEA 3两侧同边的上下两种工作气体的氢气分配槽12与氧气分配槽22的位置不重叠，见图4，在水平位置上错开一定距离，使相邻的两组电池单元在有分配槽的位置上，相邻的分配槽是水平错开的，不直接上下叠加，因此形成了冷却空气的进口以及出口。分配槽与冷却空气接触的一面包敷有绝热的隔热涂层41，而所述错开位置也给该隔热涂层41提供了空间。
本发明的技术方案也还包括提高单电池之间的电导率和增加单电池之间位置稳定性的措施。两片金属极板在流场区域接触的部位是流场沟24的背面，该接触部位是两个平面接触，或上述两片金属极板之间的接触面使用局部的凸凹镶嵌结构，使金属极板之间的接触面增加，增加导电性能和固定金属极板之间的相对位置，或在接触面使用焊料增加导电性能和固定两片金属极板的相对位置，并矫正模压金属板的翘曲。
本发明的双极板上分配槽外表面具有隔热的涂层，即隔热涂层41，该涂层是由浸涂可以固化的具有一定黏度的溶液形成，使用该溶液对单个或多个电池单元的组，特别是对按照整个电堆要求的数量组装的电池单元组进行浸涂处理；浸涂时，将上述待处理的单电池(组)的板面方向与上述液体表面垂直，具有待浸涂的分配槽一边平行于上述液体，将双极板待浸涂一侧向液体中浸入一定深度，该深度控制在双极板该侧的电池膜反应区域以外。设计双极板的冷却通道最小间距和上述液体的黏度以及浸涂量，使浸涂物料在浸涂时和固化后，不阻塞冷却空气的任何通道，通道的截面达到冷却空气流量的要求。浸涂物具有发泡特性，在浸涂后，双极板经过加热或辐射，使浸涂物固化，形成发泡体，具有一定的隔热作用。对于工作气体公用通道，在浸涂时需要加以遮盖。在对已经组装到电堆上之后的双极板进行浸涂时，则对浸入到溶液的其他不需要浸涂的部位进行遮盖，而对于公用通道位置设计在可浸涂区域之外，则不必遮盖。
Claims (3)
1、一种空气直接冷却的燃料电池，包括由氢流场板(1)、氧流场板(2)和一块膜电极组件MEA(3)构成的一个燃料电池单元，其特征在于：所述的氢流场板和氧流场板乃系由模压的金属薄板形成，其上带有孔洞和凹槽，凹槽的背面有相应的凸起，所述的孔洞与膜电极组件MEA上的相应孔洞构成工作气体的公用通道(11、21)，凹槽则构成与公用通道口连接的分配槽(12、22)，分配槽上连接与其垂直的流场沟(14、24)，流场沟的横断面呈瓦楞状，两个电池单元通过流场沟的背面相互接触并形成电池单元之间的冷却空气通道腔(50)，通道腔端口的边缘(16、26)上涂有隔热层(41)；而在每片金属极板与MEA之间、工作气体通道四周以及对外部的边缘均设置胶线槽(23)，槽内填充密封胶线和/或密封粘合剂。
2、根据权利要求1所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的冷却空气通道的方向与所述的金属极板上形成的工作气体的分配槽的方向垂直，冷却空气的进口应设在有分配槽且与其相邻分配槽相互错开的一端；与其相对应的另一端则为冷却空气的出口端。
3、根据权利要求2所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的两个电池单元的接触部位是平面、凸凹镶嵌结构和/或在其接触面上使用钎料封焊。
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