CN107546393B - 一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能，简化了辅助冷却系统，提高了电堆内温度分布的均匀性，同时易于实现低温条件下的快速冷启动；通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性；阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面，可提升三相反应区表面的氧分压；多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力，提高了燃料电池堆的稳定性；采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性，提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC）是一种直接将燃料中的化学能转化成电能而不经过燃烧的电化学发电装置，具有清洁、高效、节能、环保、结构简单、启动速度快、能量转换效率高、燃料来源广、燃料补给速度快、适用范围广等特性而得到了广泛关注。
燃料电池实质上是一种电、热、水三联产的开放性能量转换装置，工作方式上类似于内燃机，而工作原理上类似于化学电源。PEMFC电堆在产生电能的同时会排放出大量的热能，因此，必须通过合理的散热设计来维持正常工作温度，否则电堆内部温度过高导致电堆失效，甚至发生爆炸危险。PEMFC电堆的散热通常采用水冷法或空冷法。水冷法是通过冷却液体将电堆中产生的热量带出，进入电堆外部的冷却循环管路，通过外部换热将冷却液体进行冷却，冷却后的冷却液体再通过循环管路返回电堆；空冷法是通过将常温空气强制流经电堆将电堆中产生的热量带出。水冷法散热效果较好，因此可应用于交通、大型发电、固定式的热电联产等大功率耗电领域，但是其缺点是对系统的要求较高，需要匹配庞大的冷却系统，还需要额外的复杂且价格昂贵的空气供给系统，这些无疑加大了系统的成本，同时降低了系统的比功率，阻碍了燃料电池的商业化推广及应用。而对于空冷型PEMFC电堆，虽然其辅助系统相对简单，但是空冷法的散热效果不好，电堆内温度分布很不均匀，难以实现电堆的长时间稳定运行。另外，目前的空冷型PEMFC电堆的空气流场均采用普通的平行直流道，空气强制流入电堆后只能依靠气体扩散到达三相反应区参与反应，不利于提高电堆的比功率。
近几年来，成本和耐久性方面的技术进步使燃料电池处于产业化的边缘，燃料电池的冷启动问题因而变得更加突出，特别是对应用于汽车和野外基站的燃料电池而言，实现电池冰点下快速启动和尽可能地减轻或者消除低温对电池的破坏是一个急需解决的问题。在冰点以下的低温环境中，电池内部的液态水发生冻结将会对电池产生恶劣的影响，如启动困难、启动缓慢甚至启动失败，以及多次启动后可能造成内部结构出现损伤和破环，造成性能衰减等诸多问题。然而，质子交换膜燃料电池堆的低温冷启动是燃料电池系统实际应用必然会经历的过程。目前，为了解决燃料电池的冷启动，研究者们都倾向于在单电池与极板之间嵌入电加热原件，这种办法在解决了燃料电池的冷启动问题的同时，使电池的设计变得更加复杂。
此外，燃料电池运行过程中受到的各种振动冲击负荷导致的燃料电池端板变形、端板在电堆内部预紧力的作用下发生的形变等，会严重影响燃料电池电堆内部预紧力分布的均匀性，从而影响燃料电池的基本发电性能、稳定性及使用寿命。因此，高强度、轻质化的端板有利于提高燃料电池的性能与能量密度。
发明内容
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法，使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能，简化了辅助冷却系统，提高了电堆内温度分布的均匀性，同时易于实现低温条件下的快速冷启动；通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性；阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面，可提升三相反应区表面的氧分压；多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力，提高了燃料电池堆的稳定性；采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性，提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命。
本发明的第一个方面，提供了：
一种质子交换膜燃料电池双极板结构，是由阳极板和阴极板层叠而成；阳极板的正面设有氢气流场；阴极板的正面设有空气流道，空气流道是由多条空气流道沟槽所构成；阴极板的背面设有冷却液流道，冷却液流道是由多条冷却液流道沟槽所构成。
在一个实施例中，空气流道沟槽与冷却液流道沟槽之间不平行。
在一个实施例中，空气流道沟槽与冷却液流道沟槽在双极板所在平面的投影之间为相互垂直。
在一个实施例中，冷却液流道沟槽嵌入空气流道沟槽中；使得空气流道沟槽的横截面呈周期性的变化。
在一个实施例中，所述的氢气流场为平行流场或蛇形流场，流场的槽深为0.2～0.6mm，流场的槽宽为0.4～1.8mm，流场的脊宽为0.5～2.0mm。
在一个实施例中，空气流道沟槽30的槽深为1.5mm～3.5mm，槽宽为1.5～3.5mm，脊宽为1.5～3.5mm。
在一个实施例中，所述的冷却液流场的横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.5～5mm2，脊宽为1.0～3.5mm。
在一个实施例中，阳极板的厚度为0.5～1.2mm，阴极板的厚度为1.9～4.2mm。
在一个实施例中，所述的阳极板、阴极板的材质是由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的强导电性材料，其成型方式为雕刻、滚压、冲压或模压成型，所述的石墨基材为天然石墨、人造石墨或膨胀石墨，石墨基材的质量含量为90～95%，所述的石墨烯的质量含量为1～5%，所述的填充树脂为热固性树脂或热塑性树脂，填充树脂的质量含量为4～5%。
本发明的第二个方面，提供了：
一种燃料电池电堆，是由膜电极和双极板依次层叠而成，在膜电板的阴极与双极板的阴极之间还设有阴极加强层。
在一个实施例中，所述的阴极加强层是由石墨纤维、石墨烯、树脂粘接剂充分混合后形成的呈多孔的网状结构的具有较高强度的导电支撑层。
在一个实施例中，阴极加强层中的石墨纤维的质量含量为90～95%，石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维，石墨烯的质量含量为1～5%，树脂粘接剂为酚醛树脂或环氧树脂1～4%。
在一个实施例中，阴极加强层的孔的形状为圆形、矩形或正方形，孔的面积为0.25～1.0mm2，孔间距为0.6～1.5mm。
在一个实施例中，所述的膜电极中间是催化剂涂覆的质子交换膜，在催化剂涂覆的质子交换膜19的两侧是覆盖有多孔气体扩散层。
在一个实施例中，催化剂涂覆的质子交换膜的一端还设有加强膜。
在一个实施例中，多孔气体扩散层由碳纸基底层与微孔层（MPL）层叠而成。
在一个实施例中，碳纸基底层的表面被疏水化处理，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加。
在一个实施例中，疏水化处理是指使用聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理。
在一个实施例中，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为4～6%。
在一个实施例中，所述的加强膜为聚酯薄膜、聚萘酯薄膜或聚酰亚胺薄膜，加强膜的厚度为0.05～0.1mm。
在一个实施例中，燃料电池电堆的一端依次设有阳极端板、上集流板、上端板，另一端依次设有阴极端板、下集流板、下端板，使电堆构成整体封装。
本发明的第三个方面，提供了：
上述的燃料电池电堆的控制方法，步骤包括：将氢气供入氢气流道，使膜电极处发生质子交换反应，产生电流；同时，向空气流道和冷却液流道中分别供入空气和冷却液对电池进行空冷和风冷。
有益效果
本发明的有益效果是本发明提供一种新型的燃料电池堆，其结构简单而新颖，降低了工艺复杂性及电堆制造成本。使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能，简化了辅助冷却系统，提高了电堆内温度分布的均匀性，同时易于实现低温条件下的快速冷启动；通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性；阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面，可提升三相反应区表面的氧分压；多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力，提高了燃料电池堆的稳定性；采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性，提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命；此外，上、下端板采用轻型、高强度的材质，在确保高强度的同时，减轻了电堆的重量，实现电堆的轻量化设计。
附图说明
图1是双极板的结构图；
图2是阳极板正面（带有氢气流场）结构图；
图3是阳极板反面（平面）结构图；
图4是阴极板正面（带有空气流场）结构图；
图5是阴极板反面（带有冷却液流场）结构图；
图6是燃料电池电堆的结构示意图；
图7是燃料电池电堆的前视图；
图8是图6的内部剖面图；
图9是电堆零部件的距离拉开示意图；
图10是膜电极的阳极面示意图；
图11是膜电极的阴极面示意图；
图12是膜电膜的一端的剖面图。
其中，1、双极板；2、膜电极；3、阴极加强层；4；上集流板；5、下集流板；6、上端板；7、下端板；8、密封垫；9、上端垫片；10、下端垫片；11、绝缘套管；12、紧固螺杆；13、螺母；14、氢气进口；15、氢气出口；16、冷却液进口；17、冷却液出口；18、多孔气体扩散层（GDL）；19、催化剂涂覆的质子交换膜（CCM）；20、加强膜；21、氢气入口；22、氢气出口；23、阳极板；24、阴极板；25、阳极端板；26、阴极端板；27、平板；28、氢气流道；29、空气流道；30、空气流道沟槽；31、冷却液流道；32，冷却液流道沟槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在权利要求和说明书中使用的序数词例如“第一”、“第二”、“第三”等，用于修饰权利要求项而不是由于本身含有任何优先、在先或一项权利要求的顺序在另一权利要求之前或者执行方法步骤的时间顺序。但是，仅仅作为标签使用以区别例如带有特定名称的权利要求的元素与另外一个带有相同名称的元素（而不是用于顺序性的属于），来区分权利要求的元素。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。应理解的是，当一个元件被提及与另一个元件“连接”时，它可以与其他元件直接相连或者与其他元件间接相连，而它们之间插入有元件。除非有明确相反的说明，否则术语“包括”和“具有”应理解为表述包含所列出的元件，而非排除任意其他元件。本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲 涵盖非排它性的包括。例如，包括列出要素的工艺、方法、物品或设 备不必受限于那些要素，而是可以包括其他没有明确列出或属于这种 工艺、方法、物品或设备固有的要素。在无特别说明的情况下，本发明所述的百分比是指质量百分比。
如图6～9所示的，是本发明提供的质子交换膜燃料电池电堆的安装结构图，包括集空冷与液体冷却为一体的具有双重冷却功能的双极板1、膜电极2、阴极加强层3、上集流板4、下集流板5、轻型高强度的上端板6、轻型高强度的下端板7、阳极端板25、阴极端板26、密封垫8、绝缘的上端垫片9、绝缘的下端垫片10、绝缘套管11、紧固螺杆12、螺母13。
其安装方式可以如常规的质子交换膜燃料电池电堆，主要是由膜电极2和双极板1依次层叠而成，在膜电板2的阴极与双极板1的阴极之间还设有阴极加强层3，经过各层叠加之后构成电池主体，更具体的安装是将集空冷与液体冷却为一体的具有双重冷却功能的双极板1、新型的膜电极2、新型的阴极加强层3依次堆叠，组成n片集空冷与液体冷却为一体的具有双重冷却功能的双极板1、n片新型的膜电极2与n-1片新型的阴极加强层3的堆叠体，双极板1阳极面与膜电极2阳极侧之间通过胶水粘结的方式实现氢气的密封，并且在堆叠体上端依次设置新型的阴极加强层3、阳极端部单电池、上集流板4、绝缘的上端垫片9、轻型高强度的上端板6，在堆叠体下端依次设置新型的阴极加强层3、阴极端板26、下集流板5、下端绝缘的弹性垫片、轻型高强度的下端板7，最终通过紧固件组装成一种新型的燃料电池堆。采用由石墨纤维、石墨烯、树脂粘接剂组成的多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性，一方面，足以支撑阴极侧气体扩散层，确保阴极侧气体扩散层不被电堆内部预紧力压坏，维持阴极侧气体扩散层的水气通道，实现电堆内阴极侧水、气的稳定传输，提高电堆的稳定性及寿命；另一方面，可以实现电子的快速传递，减小电堆内部接触电阻，提高电堆的发电效率及寿命。此外，该阴极加强层还具有优异的耐腐蚀性，提高电堆的使用寿命，阴极加强层3中的石墨纤维的质量含量为90～95%，石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维，石墨烯的质量含量为1～5%，树脂粘接剂为酚醛树脂或环氧树脂。
双极板结构如图1所示，是由阳极板23和阴极板24层叠而成；阳极板23的正面设有氢气流场；阴极板24的正面设有空气流道29，空气流道29是由多条空气流道沟槽30所构成；阴极板24的背面设有冷却液流道31，冷却液流道31是由多条冷却液流道沟槽32所构成。
阳极端部单电池由双极板1的阳极板一侧与新型的膜电极2组成，阳极板23带有流场的一面与膜电极1阳极侧之间通过胶水粘结的方式实现氢气的密封。所述的阴极端板26由阴极板24与平板27粘接而成。在电堆上还设有氢气进口14和氢气出口15，用于各阳极板23上的氢气流场上供入氢气。电堆的整体的固定是靠绝缘套管11、紧固螺杆、螺母13将上端板6和下端板7之间实现固定。
所述的轻型高强度的上端板6与轻型高强度的下端板7的基材是碳纤维板或玻纤增强的PA66（聚酰胺66或尼龙66）塑胶板，其成型方式为铣削成型、模压成型或注塑成型。所述的上集流板4、下集流板5的基材为铜或镍，表面依次进行镀银、镀金的处理，镀银层厚度为0.5-5μm，镀金层厚度为0.02-0.2μm。在上集流板4和上端板6之间、在下集流板5和下端板7之间还分别设有上端垫片9、下端垫片10。垫片为硅胶垫片、发泡硅橡胶垫片或膨体四氟垫片。电堆的上、下端均设置了绝缘的弹性垫片，一方面确保电堆的绝缘性能，另一方面提高了电堆的抗振性，以免电堆内部部件在外部振动与冲击等作用下发生损伤或产生破坏。电堆的上、下端板采用轻型、高强度的材质，在确保高强度的同时，减轻了电堆的重量，实现电堆的轻量化设计。电堆的结构简单而新颖，降低了工艺复杂性及电堆制造成本，同时，易于实现电堆的串并联。
本发明中提供的双极板的结构如图1～5所示，是由阳极板23和阴极板24层叠粘接而成；阳极板23的正面设有氢气流场；阴极板24的正面设有空气流道29，空气流道29是由多条空气流道沟槽30所构成；阴极板24的背面设有冷却液流道31，冷却液流道31是由多条冷却液流道沟槽32所构成。集空冷与液体冷却为一体的具有双重冷却功能的双极板1由阳极板23与阴极板24粘接而成，所述的阳极板23的两端布置了氢气与冷却液的进出口，所述的阳极板23的正面带有氢气流场，所述的阳极板23的反面为平面，所述的阴极板24的两端布置了氢气与冷却液的进出口，所述的阴极板的正面带有平行直型沟槽的空气流场，所述的阴极板的反面带有平行直型沟槽的冷却液流场，所述的冷却液流场的平行直型沟槽的方向与空气流场的平行直型沟槽的方向相垂直，空气流场的平行直型沟槽内的凸起部分的反面为冷却液流场的沟槽，使得冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中；使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化。所述的氢气流场可以是为平行流场或蛇形流场，流场的槽深为0.2～0.6mm，流场的槽宽为0.4～1.8mm，流场的脊宽为0.5～2.0mm。空气流道沟槽30的槽深可以为1.5mm～3.5mm，槽宽为1.5～3.5mm，脊宽为1.5～3.5mm。冷却液流场的横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.5～5mm2，脊宽为1.0～3.5mm。阳极板的厚度为0.5～1.2mm，阴极板的厚度为1.9～4.2mm。所述的阳极板、阴极板的材质是由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的强导电性材料，其成型方式为雕刻、滚压、冲压或模压成型，所述的石墨基材为天然石墨、人造石墨或膨胀石墨，石墨基材的质量含量为90～95%，所述的石墨烯的质量含量为1～5%，所述的填充树脂为热固性树脂或热塑性树脂，填充树脂的质量含量为4～5%。集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能,简化了辅助冷却系统，电堆内产生的热量能及时散出，同时循环的冷却液提高了电堆内温度分布的均匀性，有利于提高燃料电池堆的稳定性及寿命。此外，可通过在外部加热电堆的循环冷却液，方便地实现低温条件下的快速冷启动。在一个实施例中，阴极加强层3中的石墨纤维的质量含量为90～95%，石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维，石墨烯的质量含量为1～5%，树脂粘接剂为酚醛树脂或环氧树脂，其制备方法是将原料充分混合后形成的呈多孔的网状结构的具有较高强度的导电支撑层。由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的双极板材料，其导电性较强，提高了双极板传导电子的能力，有利于提升燃料电池堆的性能。阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面，当气体流经空气流场时，除了依靠气体的扩散进入气体扩散层，另外，缩小的流道截面迫使气体在垂直于气体扩散层的方向上产生速度分量，最终使得三相反应区表面的氧分压得以提升，因此提高了燃料电池堆的性能。
对于膜电极2，中间是催化剂涂覆的质子交换膜19，在催化剂涂覆的质子交换膜19的两侧是覆盖有多孔气体扩散层18，催化剂涂覆的质子交换膜19的一端还设有加强膜20，多孔气体扩散层18由碳纸基底层与微孔层（MPL）层叠而成，碳纸基底层的表面被疏水化处理，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为4～6%。这里所述的疏水化处理可以是按照常规方式将碳纸基底层浸泡于溶解有PTFE的溶液中修饰处理。具有梯度化疏水能力的碳纸基底层使得多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力，一方面，靠近气体出口端疏水能力较强，有利于的水的排出，保障水、气的流通顺畅，避免发生水淹，另一方面，靠近气体进口端疏水能力相对较弱，有利于延长水的停留时间，以确保进口端质子交换膜具有足够的湿度，从而保证质子交换膜传输质子的能力，因此提高了燃料电池堆的稳定性。
催化剂涂覆的质子交换膜19的一端还设有加强膜20，所述的加强膜为聚酯薄膜、聚萘酯薄膜或聚酰亚胺薄膜，加强膜的厚度为0.05～0.1mm。传统的膜电极通过在CCM两侧面均设置加强膜来实现封边，而此电堆中的膜电极只在CCM的一侧面设置加强膜，这样避免了聚合物电解质膜在加强膜的边缘处受到过大的机械压力而发生损坏的现象。
采用本发明的新型的燃料电池电堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，经测试，其性能超过国际先进水平。在额定电流密度下，该电堆的额定功率密度高达552mW/cm2，且持续运行2小时无电压衰减，电堆寿命超过10000小时，并且在-30℃条件下实现快速冷启动。
实施例1
采用本发明的新型的燃料电池堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，并在同等环境条件下与常规的空冷型燃料电池堆进行性能比较的测试。这两种燃料电池堆的单电池的活性面积均为150cm2，氢气流场均为平行流场，氢气流场的槽深均为0.3mm，槽宽均为1.0mm，脊宽均为1.0mm，空气流场的槽宽均为2.5mm，脊宽均为2.0mm，冷却液为水，冷却液流场横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为1.3mm2，脊宽为1.5mm，本发明的新型的燃料电池堆中冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中，使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化的空气流场槽深最大值处为2.0mm，最小值处为1.2mm，空气流道沟槽30与冷却液流道沟槽32之间为相互垂直。
本实施例中，阳极板、阴极板的材质是由石墨基材91%、石墨烯4%、E44环氧树脂4.5%、0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂所组成的强导电性材料，其成型方式为冲压成型，阳极板的厚度为0.5～1.2mm，阴极板的厚度为1.9～4.2mm。阴极加强层3中的聚丙烯腈基石墨纤维的质量含量为93%，石墨烯的质量含量为4%，树脂粘接剂为E44环氧树脂2.5%，还包括0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂。碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理，使其表面疏水化，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为5%。
对照例1
与实施例1的区别在于：采用的双极板上只有空冷流场，未设冷却液流场。
对照例2
与实施例2的区别在于：碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理过得中是使其表面疏水化均匀化。
对照例3
与实施例2的区别：在双极板上的冷却液流道未嵌入空气流道，空气流道中未形成周期性变化的截面。
实施例2
采用本发明的新型的燃料电池堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，并在同等环境条件下与常规的空冷型燃料电池堆进行性能比较的测试。这两种燃料电池堆的单电池的活性面积均为190cm2，氢气流场均为平行流场，氢气流场的槽深均为0.5mm，槽宽均为0.5mm，脊宽均为1.2mm，空气流场的槽宽均为3.5mm，脊宽均为1.5mm，冷却液为水，冷却液流场横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.3mm2，脊宽为1.2mm，本发明的新型的燃料电池堆中冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中，使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化的空气流场槽深最大值处为1.4mm，最小值处为1.3mm，空气流道沟槽30与冷却液流道沟槽32之间为相互垂直。
本实施例中，阳极板、阴极板的材质是由石墨基材91%、石墨烯4%、E44环氧树脂4.5%、0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂所组成的强导电性材料，其成型方式为冲压成型，阳极板的厚度为1.0mm，阴极板的厚度为3.3mm。阴极加强层3中的聚丙烯腈基石墨纤维的质量含量为93%，石墨烯的质量含量为4%，树脂粘接剂为E44环氧树脂2.5%，还包括0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂。碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理，使其表面疏水化，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为5%。
实施例3
采用本发明的新型的燃料电池堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，并在同等环境条件下与常规的空冷型燃料电池堆进行性能比较的测试。这两种燃料电池堆的单电池的活性面积均为160cm2，氢气流场均为平行流场，氢气流场的槽深均为0.4mm，槽宽均为1.5mm，脊宽均为0.7mm，空气流场的槽宽均为2.2mm，脊宽均为1.8mm，冷却液为水，冷却液流场横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.8mm2，脊宽为1.1mm，本发明的新型的燃料电池堆中冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中，使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化的空气流场槽深最大值处为1.2mm，最小值处为0.6mm，空气流道沟槽30与冷却液流道沟槽32之间为相互垂直。
本实施例中，阳极板、阴极板的材质是由石墨基材92%、石墨烯3%、E44环氧树脂3.5%、1.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂所组成的强导电性材料，其成型方式为冲压成型，阳极板的厚度为0.7mm，阴极板的厚度为2.2mm。阴极加强层3中的聚丙烯腈基石墨纤维的质量含量为92%，石墨烯的质量含量为3%，树脂粘接剂为E44环氧树脂4.5%，还包括0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂。碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理，使其表面疏水化，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为5%。
实施例4
与实施例3的区别是将环氧树脂经过丁二酸封端的超支化聚酯改性的E44环氧树脂。
采用本发明的新型的燃料电池堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，并在同等环境条件下与常规的空冷型燃料电池堆进行性能比较的测试。这两种燃料电池堆的单电池的活性面积均为160cm2，氢气流场均为平行流场，氢气流场的槽深均为0.4mm，槽宽均为1.5mm，脊宽均为0.7mm，空气流场的槽宽均为2.2mm，脊宽均为1.8mm，冷却液为水，冷却液流场横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.8mm2，脊宽为1.1mm，本发明的新型的燃料电池堆中冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中，使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化的空气流场槽深最大值处为1.2mm，最小值处为0.6mm，空气流道沟槽30与冷却液流道沟槽32之间为相互垂直。
本实施例中，阳极板、阴极板的材质是由石墨基材92%、石墨烯3%、E44环氧树脂3.5%、1.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂所组成的强导电性材料，其成型方式为冲压成型，阳极板的厚度为0.7mm，阴极板的厚度为2.2mm。阴极加强层3中的聚丙烯腈基石墨纤维的质量含量为92%，石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维，石墨烯的质量含量为3%，树脂粘接剂为丁二酸封端的超支化聚酯改性的E44环氧树脂4.5%，还包括0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂。碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理，使其表面疏水化，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为5%。改性E44环氧树脂的制备方法是：取丙三醇40g、二羟甲基丙酸35g、对甲苯磺酸2.4g混合均匀，在145～150℃下反应3h后，再加入丁二酸12g，保温至酸值达到6mgKOH/g后降温，出料，得到丁二酸封端的聚酯改性剂。再将E44环氧树脂、丁二酸封端的聚酯改性剂、按照重量比5：0.5混合均匀作为环氧树脂粘合剂，再按照，减压除泡后，再按照比例将聚丙烯腈基石墨纤维、石墨烯、树脂环氧树脂粘合剂、固化剂混合均匀，放入模具中，在95℃/1.5h、130℃/0.5h的高温固化程序进行固化处理后，得到阴极加强层材料。
实施例5
与实施例3的区别是采用的阴极加强层3中的聚丙烯腈基石墨纤维经过羧基改性处理。
采用本发明的新型的燃料电池堆的设计组装了一台50节的燃料电池堆，并在同等环境条件下与常规的空冷型燃料电池堆进行性能比较的测试。这两种燃料电池堆的单电池的活性面积均为160cm2，氢气流场均为平行流场，氢气流场的槽深均为0.4mm，槽宽均为1.5mm，脊宽均为0.7mm，空气流场的槽宽均为2.2mm，脊宽均为1.8mm，冷却液为水，冷却液流场横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.8mm2，脊宽为1.1mm，本发明的新型的燃料电池堆中冷却液流道沟槽32嵌入空气流道沟槽30中，使得空气流道沟槽30的横截面呈周期性的变化的空气流场槽深最大值处为1.2mm，最小值处为0.6mm，空气流道沟槽30与冷却液流道沟槽32之间为相互垂直。
本实施例中，阳极板、阴极板的材质是由石墨基材92%、石墨烯3%、E44环氧树脂3.5%、1.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂所组成的强导电性材料，其成型方式为冲压成型，阳极板的厚度为0.7mm，阴极板的厚度为2.2mm。阴极加强层3中的羧基改性的聚丙烯腈基石墨纤维的质量含量为92%，石墨烯的质量含量为3%，树脂粘接剂为丁二酸封端的超支化聚酯改性的E44环氧树脂4.5%，还包括0.5%邻苯二甲酸酐环氧固化剂，按照比例将聚丙烯腈基石墨纤维、石墨烯、树脂环氧树脂粘合剂、固化剂混合均匀，放入模具中，在95℃/1.5h、130℃/0.5h的高温固化程序进行固化处理后，得到阴极加强层材料。碳纸基底层的表面聚四氟乙烯（PTFE）修饰处理，使其表面疏水化，并且且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加，碳纸基底层的聚四氟乙烯（PTFE）总质量含量为5%。羧基改性的聚丙烯腈基石墨纤维的制备方法是：将聚丙烯腈基石墨纤维20g与第一混合液45g进行混合，再在超声作用下加热回流反应4h，所述的第一混合液是指按体积比3：1复配的95%浓硫酸和65%浓硝酸的混合液，反应结束后，将聚丙烯腈基石墨纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到酸改性聚丙烯腈基石墨纤维；再将酸改性聚丙烯腈基石墨纤维15g份与第二混合液22g混合，升温至68℃进行反应2h，所述的第二混合液是由95%浓硫酸和30wt%的过氧化氢溶液混合而成，反应结束后，将聚丙烯腈基石墨纤维过滤出，再用去离子水洗涤、干燥，得到羧基改性聚丙烯腈基石墨纤维。
测试条件如下：氢气为干气，即不增湿，室温25℃，进气压力为60Kpa，尾排通过电磁阀进行脉冲排放；通过使用风扇进行强制对流的方式给阴极供应空气，空气进气温度为室温25℃，相对湿度约50%RH，在600mA/cm2的电流密度下测定功率密度和电堆稳定运行时间。
通过上表可以看出，本发明提供的双极板结构及燃料电池电堆具有较好的性能和运行稳定性。实施例1与对照例1相比，通过采用了水冷结构可以有效地实现提高运行性能和稳定性，运行2h后功率密度未发生明显下降，并且运行稳定性高；实施例1和对照例2对比可以看出，采用了梯度化的疏水处理碳纸可利于的水的排出，靠近气体进口端疏水能力相对较弱，有利于延长水的停留时间，因此提高了燃料电池堆的稳定性；实施例1和对照例3对比可以看到，采用了周期截面化的空气流道可以使得三相反应区表面的氧分压得以提升，因此提高了燃料电池堆的性能；通过实施例4和实施例3对比可以看出，采用了丁二酸封端的超支化聚酯改性的E44环氧树脂可以有效地提高E44环氧树脂的导电性能，使电池运行效率提高；实施例5和实施例4对比可以看出，采用了羧基改性的石墨纤维可以更好地使它与环氧树脂之间形成羧基和羟基的结合，使材料的融合性更好，提高导电性能，使电池的运行功率更高。
Claims (9)
1.一种燃料电池电堆，其特征在于，是由膜电极（2）和双极板（1）依次层叠而成，在膜电极（2）的阴极与双极板（1）的阴极之间还设有阴极加强层（3）；
所述的双极板（1）是由阳极板（23）和阴极板（24）层叠粘接而成；阳极板（23）的正面设有氢气流场；阴极板（24）的正面设有空气流道（29），空气流道（29）是由多条空气流道沟槽（30）所构成；阴极板（24）的背面设有冷却液流道（31），冷却液流道（31）是由多条冷却液流道沟槽（32）所构成；
所述的膜电极（2）中间是催化剂涂覆的质子交换膜（19），在催化剂涂覆的质子交换膜（19）的两侧是覆盖有多孔气体扩散层（18）；
多孔气体扩散层（18）由碳纸基底层与微孔层层叠而成；碳纸基底层的表面被疏水化处理，并且沿着氢气流动方向，碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加；疏水化处理是指使用聚四氟乙烯修饰处理；碳纸基底层的聚四氟乙烯总质量含量为4～6%；
修饰处理是将碳纸基底层浸泡于溶解有PTFE的溶液中修饰处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，空气流道沟槽（30）与冷却液流道沟槽（32）之间不平行；空气流道沟槽（30）与冷却液流道沟槽（32）在双极板所在平面的投影之间为相互垂直；冷却液流道沟槽（32）嵌入空气流道沟槽（30）中；使得空气流道沟槽（30的横截面呈周期性的变化。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的氢气流场为平行流场或蛇形流场，流场的槽深为0.2～0.6mm，流场的槽宽为0.4～1.8mm，流场的脊宽为0.5～2.0mm；空气流道沟槽（30）的槽深为1.5mm～3.5mm，槽宽为1.5～3.5mm，脊宽为1.5～3.5mm；所述的冷却液流场的横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形，横截面的面积为0.5～5mm2，脊宽为1.0～3.5mm。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，阳极板（23）的厚度为0.5～1.2mm，阴极板的厚度为1.9～4.2mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的阳极板（23）、阴极板（24）的材质是由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的强导电性材料，其成型方式为雕刻、滚压、冲压或模压成型，所述的石墨基材为天然石墨、人造石墨或膨胀石墨，石墨基材的质量含量为90～95%，所述的石墨烯的质量含量为1～5%，所述的填充树脂为热固性树脂或热塑性树脂，填充树脂的质量含量为4～5%。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的阴极加强层（3）是由石墨纤维、石墨烯、树脂粘接剂充分混合后形成的呈多孔的网状结构的具有较高强度的导电支撑层；阴极加强层（3）中的石墨纤维的质量含量为90～95%，石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维，石墨烯的质量含量为1～5%，树脂粘接剂为酚醛树脂或环氧树脂1～4%；阴极加强层（3）的孔的形状为圆形、矩形或正方形，孔的面积为0.25～1.0mm2，孔间距为0.6～1.5mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，催化剂涂覆的质子交换膜（19）的一端还设有加强膜（20）。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述的加强膜为聚酯薄膜、聚萘酯薄膜或聚酰亚胺薄膜，加强膜的厚度为0.05～0.1mm；燃料电池电堆的一端依次设有阳极端板（25）、上集流板（4）、上端板（6），另一端依次设有阴极端板（26）、下集流板（5）、下端板（7），使电堆构成整体封装。
9.权利要求1所述的燃料电池电堆的控制方法，步骤包括：将氢气供入氢气流道，使膜电极处发生质子交换反应，产生电流；同时，向空气流道和冷却液流道中分别供入空气和冷却液对电池进行空冷和风冷。
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