CN107658480B - 一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆，单电池包括阳极极板、阴极极板以及设置在阳极极板与阴极极板之间的膜电极组件，阳极极板上并列设有多个阳极流道，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，阴极极板上设有阴极流道；电堆包括多个依次堆叠而成的单电池。与现有技术相比，本发明中，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，能够有效缓解传统流场单一气体流向存在的局部温度、湿度过低或者过高的情况，能够减小进气口、出气口处的温湿度极差，提高电堆温湿度分布的均匀性，保证电堆内部水、热均衡，进而提高燃料电池的工作性能和使用稳定性，且易于加工制造。

Description

一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过氢气和氧气的电化学反应，将化学能转化成电能的新型能源装置，具有能量转换率高、无污染、运行温度低、启动快等优点。电堆通常由多个燃料电池单电池进行层叠式组装后，由端板夹紧构成。单电池由阳极极板、膜电极组件及阴极极板构成，呈“三明治”状，通过多层单电池堆叠成电堆后，满足不同电压、输出功率的需求。其中，膜电极组件是具有三合一结构的组件，它由扩散层、催化层和质子交换膜组成，扩散层为反应气体提供传质通道，同时起到集流体的作用；催化层是发生电化学反应的场所，是膜电极组件的核心部件；质子交换膜为阴阳两极提供了隔膜，同时也为质子的传输提供通道。根据冷却方式的不同，质子交换膜燃料电池可分为水冷质子交换膜燃料电池和空冷质子交换膜燃料电池。其中，空冷质子交换膜燃料电池依靠反应气体带走多余热量，具有冷却系统简单、质量轻的特点，在功率较小的电源中，如百瓦或千瓦级的无人机、备用电源领域，具有广泛的应用前景。
在空冷燃料电池工作的过程中，大约有40-60％的化学能以热能的形式耗散，热量如果在电堆中累积将会使电堆温度不断上升，不仅会使燃料电池的工作效率降低，甚至会使膜电极组件由于局部温度过高而烧穿，导致电池失效等后果；而如果散热过度，电堆温度降低过多，将导致化学反应速率下降，膜电极组件离子电导率降低，会影响输出功率，且过多的风扇布置也会导致电堆质量增加。因此，对于空冷燃料电池，必须控制好反应气体的散热方式，保证电池处于合适的工作温度。然而，目前空冷燃料电池的反应气体大都从极板的一端通入，另一端排出，入口处燃料电池温度偏低，出口处燃料电池温度又较高，温度极化现象严重，制约了燃料电池反应效率的提高。
另外，燃料电池的高性能输出需要合适的湿度。湿度不足，质子交换膜传质效率下降，化学反应速率降低；而湿度过高又会发生“水淹”现象，阻碍气体通过气体扩散层进入催化层发生反应，进而造成燃料电池性能下降。空冷燃料电池的工作温度在40-60℃，反应生成的水主要以液滴的形式存在，多余的水必须随气体以水蒸气或微液滴的方式排出。然而，目前燃料电池的反应气体为单流向设计，液滴随气体沿通道方向流动，反应区湿度分布不均，特别是入口部分和出口部分湿度极差大。
因此，现有技术中空冷燃料电池的内部温度、湿度分布不均匀，严重影响了燃料电池的反应效率。通过对极板的流场进行改进，能够在一定程度上促进反应气体对温度、湿度均匀性的调节。
申请公布号为CN104821407A的中国发明专利公开了一种叶脉状燃料电池流场结构，通过将叶脉结构引入流场设计，能够减小流动阻力，使流体分布更加均匀，但这种形状复杂的极板难以加工，且无法解决燃料电池中温度、湿度的极化现象。申请公布号为CN103746129A的中国发明专利公开了一种整体呈蛇形分布的流场，其流场在气体入口处为九根流道，在流道转弯处进行流道合并，合并为三根流道，能够减小由于气体消耗引起的压力变化，有利于排水，使电流密度在流场中分布均匀，但该方案没有考虑到温度分布的均匀性。授权公告号为CN2893939Y的中国实用新型专利公开了一种由折回的螺旋形流道构成的流场，该流场在一定程度上提高了流场内温度和湿度的均匀性，但该流场仍存在湿度由气体入口向气体出口递减的现象，对温度、湿度分布的改变作用有限。公开号为CN101101992A的中国发明专利提供了一种板间流道以串联方式相连的流场板，能够高效排出反应物、生成物、杂质，延长电堆寿命，但该流场板中，气体流过流场的阻力过大，且没有考虑反应的不均匀性。因此，现有的极板流场无法兼顾到温度、湿度的均匀性要求，难以满足实际需要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够保证空冷燃料电池高性能输出的温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板、阴极极板以及设置在阳极极板与阴极极板之间的膜电极组件，所述的阳极极板上并列设有多个阳极流道，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，所述的阴极极板上设有阴极流道。采用空气冷却的方式，阳极流道内通入氢气，阴极流道内通入空气，空气同时起到提供反应所需的氧气以及散热的作用。
阳极极板及阴极极板可采用单块石墨板铣削而成，也可由不锈钢、钛合金等金属薄板通过辊压、单次或级进冲压、液压胀形工艺形成流道结构，再经冲孔并切边得到。阳极极板及阴极极板的外缘经电阻点焊或激光焊连接形成双极板，通过在双极板双侧装配硅橡胶或氟橡胶等材料制成的密封件以防止反应气体泄漏。
所述的阴极流道与阳极流道相互垂直。阴极流道、阳极流道相互垂直的布置更好地利用了电池的空间，采用空冷方式，使阴极流道由于一端风扇提供的负压吸入外界空气时不受阻碍，简化电池结构的同时不影响反应。
相邻两阳极流道之间设有阳极流道隔断部。多个阳极流道隔断部与多个阳极流道交替设置，形成凸凹交替的拱桥形结构，该结构同时起支撑作用。
作为优选的技术方案，相邻两阴极流道之间设有阴极流道隔断部。
作为优选的技术方案，所述的阴极流道的深度大于阳极流道的深度。加深阴极流道可以减小阴极气体阻力，增加阴极进气量，一方面提供充足的阴极反应气体能够加强反应效率，另一方面阴极气体流动带走的热量增加，使电池散热增强，可以避免电池内部过热。
所述的阳极极板上沿阳极极板宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道、第二阳极流道，所述的阳极极板的一端设有与第一阳极流道相连通的第一阳极流道进气口以及与第二阳极流道相连通的第二阳极流道出气口。第一阳极流道与第二阳极流道相邻，并且第一阳极流道与第二阳极流道内的气体流动方向相反。
所述的阳极极板的另一端设有与第一阳极流道相连通的第一阳极流道出气口以及与第二阳极流道相连通的第二阳极流道进气口。阳极流道可采用类似于平行流场的方式，从一端进气，另一端出气，但同时保持相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，即第一阳极流道进气口与第二阳极流道出气口位于同一端，第一阳极流道出气口与第二阳极流道进气口位于同一端。
第一阳极流道进气口与第二阳极流道出气口之间、第一阳极流道出气口与第二阳极流道进气口之间均设有密封件，并被密封件分隔开。
所述的第一阳极流道的一端与第一阳极流道进气口相连通，另一端与第二阳极流道相连通，所述的第二阳极流道的一端与第二阳极流道出气口相连通，另一端与第一阳极流道相连通。阳极流道也可采用类似于蛇形流场的方式，气体由第一阳极流道进气口进入第一阳极流道内，之后在第一阳极流道的另一端转向并进入第二阳极流道内，之后由第二阳极流道出气口排出。在整个阳极极板上，相邻两阳极流道内的气体依然保持反向流动。
阴极流道采用的流场形式可为蛇形流场、平行流场、蜿蜒流场或交指流场。空气经阴极流道进入反应区，并在反应区发生电化学反应。通过在阴极流道的出口端放置风扇形成负压的方式，使入口端吸入空气，增强冷却效果，提供反应物。
一种含有温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池。若采用类似于平行流场的方式，可直接将多个单电池堆叠在一起，构成电堆。根据所需的电压及功率，选择相应的单电池数量。
所述的电堆还包括第一进气通道、第二进气通道、第一出气通道及第二出气通道，所述的第一进气通道与第一阳极流道进气口相连通，所述的第二进气通道与第二阳极流道进气口相连通，所述的第一出气通道与第一阳极流道出气口相连通，所述的第二出气通道与第二阳极流道出气口相连通。第一进气通道内通入的气体分别进入各个单电池的第一阳极流道进气口内，流经第一阳极流道后，由相应的第一阳极流道出气口进入第一出气通道后排出；第二进气通道内通入的气体分别进入各个单电池的第二阳极流道进气口内，流经第二阳极流道后，由相应的第二阳极流道出气口进入第二出气通道后排出。
氢气经第一进气通道或第二进气通道以低阻力进入阳极流道，减小了压力损失。
一种含有温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池，所述的阳极极板上沿阳极极板宽度方向依次交替布设有多个进气过孔、出气过孔。若采用类似于蛇形流场的方式，可将多个单电池堆叠在一起，并使第一层、第三层、第五层等单数层的单电池与第二层、第四层、第六层等双数层的单电池保持反向设置。进气过孔及出气过孔均开设在阳极极板上，但与同一阳极极板上的阳极流道保持分隔，即进气过孔及出气过孔内的气体均只与相邻单电池的阳极极板上的阳极流道相连通。
上一层单电池的进气过孔与下一层单电池的第一阳极流道进气口相连通，上一层单电池的出气过孔与下一层单电池的第二阳极流道出气口相连通。上一层单电池的第一阳极流道进气口与下一层单电池的进气过孔相连通，上一层单电池的第二阳极流道出气口与下一层单电池的出气过孔相连通。
一部分氢气穿过单数层单电池的进气过孔后经下一层双数层单电池的第一阳极流道进气口进入该层双数层单电池的第一阳极流道内，之后经相应的第二阳极流道出气口进入下一层单数层单电池的出气过孔并排出；另一部分氢气穿过双数层单电池的进气过孔后经下一层单数层单电池的第一阳极流道进气口进入该层单数层单电池的第一阳极流道内，之后经相应的第二阳极流道出气口进入下一层双数层单电池的出气过孔并排出。即一部分氢气穿过各个单数层单电池的进气过孔后与双数层单电池的阳极流道相连通，之后由单数层单电池的出气过孔排出；另一部分氢气穿过各个双数层单电池的进气过孔后与单数层单电池的阳极流道相连通，之后由双数层单电池的出气过孔排出。通过这种多层间隔通气方式，保证了电堆中各单电池的进气、排气过程及相邻单电池的气体流通过程均能顺畅进行。
作为优选的技术方案，上一层单电池的第一阳极流道位于下一层单电池的第一阳极流道上方，上一层单电池的第二阳极流道位于下一层单电池的第二阳极流道上方。即保证在同一竖直面内，上一层单电池阳极流道内的气体流向与下一层单电池阳极流道内的气体流向相反，以进一步保证电堆温湿分布的均匀性。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，能够有效缓解传统流场单一气体流向存在的局部温度、湿度过低或者过高的情况，能够减小进气口、出气口处的温湿度极差，提高电堆温湿度分布的均匀性，保证电堆内部水、热均衡，进而提高燃料电池的工作性能和使用稳定性；
2)通过气体的充分交错逆流方式提高燃料电池反应区内部温度、湿度的均匀性，有效避免燃料电池由于反应气体消耗而导致的温度分布不均匀，以及反应区入口处水不足、出口处水聚集造成的质子交换膜湿度不均匀现象，避免了燃料电池因温度过高、膜脱水严重而导致的膜电极组件失效现象，延长了燃料电池的使用寿命；
3)阳极极板及阴极极板在加工方式上与传统的极板差异不大，可采用冲压或滚压的方式快速制得，即在提高燃料电池性能的前提下，并不会显著增加加工成本及电堆的制造难度。
附图说明
图1为实施例1中单电池的结构示意图；
图2为实施例1中电堆的结构示意图；
图3为实施例2中阳极极板的结构示意图；
图4为实施例2中相邻两单电池的反向排列结构示意图；
图中标记说明：
1—阳极极板、101—阳极流道隔断部、2—阴极极板、3—阳极流道、301—第一阳极流道、3011—第一阳极流道进气口、3012—第一阳极流道出气口、302—第二阳极流道、3021—第二阳极流道进气口、3022—第二阳极流道出气口、4—阴极流道、5—第一进气通道、6—第二进气通道、7—第一出气通道、8—第二出气通道、9—进气过孔、10—出气过孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板1、阴极极板2以及设置在阳极极板1与阴极极板2之间的膜电极组件，阳极极板1上并列设有多个阳极流道3，相邻两阳极流道3内的气体流动方向相反，阴极极板2上设有阴极流道4。
其中，阳极极板1及阴极极板2均由厚度为0.1mm的不锈钢薄板一次冲压成型，并进行冲孔和切边。阳极极板1与阴极极板2装配贴合后进行激光焊接，形成双极板。阴极流道4与阳极流道3相互垂直。相邻两阳极流道3之间设有阳极流道隔断部101。
阳极极板1上沿阳极极板1宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道301、第二阳极流道302，阳极极板1的一端设有与第一阳极流道301相连通的第一阳极流道进气口3011以及与第二阳极流道302相连通的第二阳极流道出气口3022。
阳极极板1的另一端设有与第一阳极流道301相连通的第一阳极流道出气口3012以及与第二阳极流道302相连通的第二阳极流道进气口3021。这样交错的气体出入方式使得阳极极板1中同时存在相反方向的气体流动，且相邻两阳极流道3内的气体流动方向相反。
如图2所示的一种含有上述温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，该电堆包括6个依次堆叠而成的单电池。电堆还包括第一进气通道5、第二进气通道6、第一出气通道7及第二出气通道8，第一进气通道5与第一阳极流道进气口3011相连通，第二进气通道6与第二阳极流道进气口3021相连通，第一出气通道7与第一阳极流道出气口3012相连通，第二出气通道8与第二阳极流道出气口3022相连通。
在实际应用时，第一进气通道5内通入的气体分别进入各个单电池的第一阳极流道进气口3011内，之后进入第一阳极流道301，并在反应区发生电化学反应，最后由相应的第一阳极流道出气口3012进入第一出气通道后7排出；第二进气通道6内通入的气体分别进入各个单电池的第二阳极流道进气口3021内，之后进入第二阳极流道302，并在反应区发生电化学反应，最后由相应的第二阳极流道出气口3022进入第二出气通道8后排出。由于气体密封的需要，将最上层单电池及最下层单电池中不需要进出气的相应第一阳极流道进气口3011、第一阳极流道出气口3012、第二阳极流道进气口3021、第二阳极流道出气口3022封闭。
实施例2：
一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板1、阴极极板2以及设置在阳极极板1与阴极极板2之间的膜电极组件，阳极极板1上并列设有多个阳极流道3，相邻两阳极流道3内的气体流动方向相反，阴极极板2上设有阴极流道4。
其中，阴极流道4与阳极流道3相互垂直。相邻两阳极流道3之间设有阳极流道隔断部101。
阳极极板1上沿阳极极板1宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道301、第二阳极流道302，阳极极板1的一端设有与第一阳极流道301相连通的第一阳极流道进气口3011以及与第二阳极流道302相连通的第二阳极流道出气口3022。
如图3所示，第一阳极流道301的一端与第一阳极流道进气口3011相连通，另一端与第二阳极流道302相连通，第二阳极流道302的一端与第二阳极流道出气口3022相连通，另一端与第一阳极流道301相连通。通过这种方式，使流场中仅存在一组气体出入口，同时保证流场中同时存在相反方向的气体流动，相邻两阳极流道3内的气体流动方向相反。
如图4所示的一种含有上述温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池，阳极极板1上沿阳极极板1宽度方向依次交替布设有多个进气过孔9、出气过孔10。上一层单电池的进气过孔9与下一层单电池的第一阳极流道进气口3011相连通，上一层单电池的出气过孔10与下一层单电池的第二阳极流道出气口3022相连通。
第一层、第三层、第五层等单数层的单电池与第二层、第四层、第六层等双数层的单电池保持反向设置。
在实际应用时，一部分氢气穿过各个单数层单电池的进气过孔9后与双数层单电池的阳极流道3相连通，之后由单数层单电池的出气过孔10排出；另一部分氢气穿过各个双数层单电池的进气过孔9后与单数层单电池的阳极流道3相连通，之后由双数层单电池的出气过孔10排出。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板(1)、阴极极板(2)以及设置在阳极极板(1)与阴极极板(2)之间的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极极板(1)上并列设有多个阳极流道(3)，相邻两阳极流道(3)内的气体流动方向相反，所述的阴极极板(2)上设有阴极流道(4)；
所述的阴极流道(4)与阳极流道(3)相互垂直，所述的阴极流道(4)的深度大于阳极流道(3)的深度；
所述的阳极极板(1)上沿阳极极板(1)宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道(301)、第二阳极流道(302)，所述的阳极极板(1)的一端设有与第一阳极流道(301)相连通的第一阳极流道进气口(3011)以及与第二阳极流道(302)相连通的第二阳极流道出气口(3022)。
2.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，相邻两阳极流道(3)之间设有阳极流道隔断部(101)。
3.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的阳极极板(1)的另一端设有与第一阳极流道(301)相连通的第一阳极流道出气口(3012)以及与第二阳极流道(302)相连通的第二阳极流道进气口(3021)。
4.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的第一阳极流道(301)的一端与第一阳极流道进气口(3011)相连通，另一端与第二阳极流道(302)相连通，所述的第二阳极流道(302)的一端与第二阳极流道出气口(3022)相连通，另一端与第一阳极流道(301)相连通。
5.一种含有如权利要求3所述的温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，其特征在于，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池。
6.根据权利要求5所述的一种含有温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，其特征在于，所述的电堆还包括第一进气通道(5)、第二进气通道(6)、第一出气通道(7)及第二出气通道(8)，所述的第一进气通道(5)与第一阳极流道进气口(3011)相连通，所述的第二进气通道(6)与第二阳极流道进气口(3021)相连通，所述的第一出气通道(7)与第一阳极流道出气口(3012)相连通，所述的第二出气通道(8)与第二阳极流道出气口(3022)相连通。
7.一种含有如权利要求4所述的温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，其特征在于，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池，所述的阳极极板(1)上沿阳极极板(1)宽度方向依次交替布设有多个进气过孔(9)、出气过孔(10)。
8.根据权利要求7所述的一种含有温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，其特征在于，上一层单电池的进气过孔(9)与下一层单电池的第一阳极流道进气口(3011)相连通，上一层单电池的出气过孔(10)与下一层单电池的第二阳极流道出气口(3022)相连通。
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