CN111048801A - 一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池及电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，包括金属极板和反应流道，所述的金属极板为单片金属极板，所述的金属极板一侧为阴极气体反应流道和冷却介质流道，所述的阴极气体反应流道和冷却介质流道为同一流道，所述的金属极板另一侧为阳极气体反应流道。本发明使得燃料电池结构和系统更加紧凑，提高了电池的功率密度，阴极反应气体流道提供过量的反应气体，既提供反应所需的氧气，也用于冷却燃料电池反应产生的热量，简化了燃料电池结构，避免了双极板的焊接，简化了其复杂度。一种电堆，包括单电池，所述的单电池为上述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池。

Description

一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池及电堆
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体地说是一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池及电堆。
背景技术
燃料电池是将“燃料气体”的化学能直接转化为直流电能的能量转换器。质子交换膜燃料电池包含膜电极、氧气流道、氢气流道和冷却介质流道。在散热方面，常用的冷却介质有液态介质和气态介质。燃料电池的比功率是关键参数之一，针对燃料电池结构，尤其单电池结构进行紧凑性设计是提高燃料电池比功率的方向之一。
此外，随着燃料电池功率密度的提升，其对散热的要求也越来越高。目前燃料电池的实际工作效率大约在40-60％，这意味着大约有与燃料电池发电功率相等的热功率释放出来，此时为了保证燃料电池能够维持恒定温度工作而不至于被烧毁，一般会通过冷却介质对燃料电池进行冷却。
发明内容
本发明提供一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，解决了双极板制造复杂的问题，达到燃料电池结构紧凑、提高了电池功率密度的有益效果。
本发明还提供了一种电堆，提高了其体功率密度，同时确保了高功率密度下的换热需求的满足。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，包括金属极板和反应流道，所述的金属极板为单片金属极板，所述的金属极板一侧为阴极气体反应流道和冷却介质流道，所述的阴极气体反应流道和冷却介质流道为同一流道，所述的金属极板另一侧为阳极气体反应流道。
进一步的，所述的金属极板一侧开设多个相互平行的阴极气体流通槽，阴极气体流通槽两端开口；所述的金属极板另一侧开设多个相互平行的第一阳极气体流通槽，第一阳极气体流通槽与阴极气体流通槽垂直设置。
进一步的，所述的金属极板一侧设有多个相互平行的第二阳极气体流通槽，第二阳极气体流通槽与阴极气体流通槽平行且交错设置，第二阳极气体流通槽与第一阳极气体流通槽垂直设置。
进一步的，所述的阴极气体反应流道的深度为金属极板能够冲压出的最大深度。
进一步的，所述的阳极气体反应流道深度与阴极气体反应流道深度的比值范围为1:(1～5)。
进一步的，所述的阳极气体采用闭口或循环闭口的方式运行，阴极气体采用开口运行的方式。
一种电堆，包括单电池，所述的单电池为上述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池。
进一步的，所述的单电池还包括膜电极，膜电极位于相邻的金属极板之间，所述的金属极板之间相互交错叠放，阳极气体反应流道与阴极气体反应流道交错设置。
进一步的，所述的单电池设置多个，多个单电池之间为串联。
进一步的，所述的单电池两端设有绝缘的压板，并通过螺栓把叠放的单电池压紧。
本发明的优点是：
本发明采用风冷进行冷却，且只需单片金属板即可实现双极板的功能，采用单片金属极板作为反应气体的分隔板，避免采用传统的双极板的加工方法，从而避免了两片金属极板的焊接以及由此带来的极板变形问题，提高使用的可靠性。
本发明使得燃料电池结构和系统更加紧凑，提高了电池的功率密度，阴极反应气体流道提供过量的反应气体，既提供反应所需的氧气，也用于冷却燃料电池反应产生的热量，简化了燃料电池结构，避免了双极板的焊接，简化了其复杂度。
本发明将冷却介质流道与燃料电池的阴极气体反应流道合二为一，大大简化了燃料电池结构。本发明通过第一阳极气体流通槽与第二阳极气体流通槽的配合使用，使得氢气能够沿着横向进行扩散，氢气会快速均匀的分布到整个流场中，所述流场结构最大化的提高了反应气体与膜电极的有效接触面积。
本发明设置的阴极气体流通槽，使得阴极反应气体流动路径较短，且阴极流道流动面积较大，便于空气快速流出；相对于阳极气体流通槽的结构，阴极气体流通槽在流道中构造了凸台结构，有利于对空气流动进行扰动，强化其向膜电极内部的传质作用。
本发明由多片单电池串联而成，采用单片金属极板，简化了燃料电池结构、提高了燃料电池的紧凑性，大幅度降低电堆的厚度；阴极反应气体既向膜电极供给反应气体，也带走化学反应热，从而对电堆进行冷却；阴极反应气体流道的深度影响了电池厚度，其流道深度越高，提供的气体流量越大，越能够满足高功率密度下的换热需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是金属极板的结构示意图；
图2是阳极气体流通方向示意图一；
图3是阳极气体流通方向示意图二；
图4是阴极气体流通方向示意图；
图5是电堆的结构示意图。
图中，1.金属极板；2.阴极气体反应流道；21.阴极气体流通槽；3.阳极气体反应流道；31.第一阳极气体流通槽；32.第二阳极气体流通槽；4.膜电极。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，如图1-图4所示，包括金属极板1和反应流道，所述的金属极板1为单片金属极板，单片金属极板作为反应气体的分隔板，其用于承担集流和输送反应气体作用；金属极板1两侧分别为空气和氢气的流动空间；所述的金属极板1一侧为阴极气体反应流道2和冷却介质流道，所述的阴极气体反应流道2和冷却介质流道为同一流道，简化了燃料电池结构；所述的冷却介质器气体，流通的空气介质，既向膜电极4提供反应所需的氧气，也能够及时的将反应生成热量带出燃料电池。所述的金属极板1另一侧为阳极气体反应流道3。
所述的冷却方式采用风冷，由于空气的比热容和换热系数远远小于液态介质，采用风冷模式冷却燃料电池，需要更大的流量和更短的流动路径，金属极板1上设置的阴极气体流通槽21，使得阴极反应气体流动路径较短，且阴极流道流动面积较大，便于空气快速流出；相对于阳极气体流通槽3的结构，阴极气体流通槽21在流道中构造了凸台结构，有利于对空气流动进行扰动，强化其向膜电极4内部的传质作用。
如图2与图4所示，所述的金属极板1一侧开设多个相互平行的阴极气体流通槽1，阴极气体流通槽21两端开口；所述的金属极板1另一侧开设多个相互平行的第一阳极气体流通槽31，第一阳极气体流通槽31与阴极气体流通槽21垂直设置。氢气和空气流动方向交叉，氢气进口与空气进口分布在金属极板1相邻的两侧，彼此在空间上没有竞争关系。
如图3所示，所述的金属极板1一侧设有多个相互平行的第二阳极气体流通槽32，第二阳极气体流通槽32与阴极气体流通槽21平行且交错设置，第二阳极气体流通槽32与第一阳极气体流通槽31垂直设置。第一阳极气体流通槽31与第二阳极气体流通槽32的配合使用，使得氢气能够沿着横向进行扩散，氢气会快速均匀的分布到整个流场中，所述流场结构最大化的提高了反应气体与膜电极的有效接触面积。
由于金属极板1在冲压深度上的限制，所述的阴极气体反应流道2的深度为金属极板1能够冲压出的最大深度。由于冷却介质流道的流量一般较大，因此阴极气体反应流道2深度比阳极气体反应流道3深度设置的要深，所述的阳极气体反应流道3深度与阴极气体反应流道1深度的比值范围为1:(1～5)。使用者可设置阴极气体反应流道2深度为0.2～5mm；阳极气体反应流道3深度一般为0.2～1mm，满足上述的设置比例要求。
所述的阳极气体采用闭口或循环闭口的方式运行，阴极气体采用开口运行的方式。闭口是指氢气在流道里面不流动，只是把气源和阳极流道接通，里面消耗多少氢气，就供入多少氢气。循环闭口，在流动路径中加一个循环泵，让氢气流动起来。开口指的是阴极流道与大气直接连通。
本发明使得燃料电池结构和系统更加紧凑，提高了电池的功率密度，阴极反应气体流道提供过量的反应气体，既提供反应所需的氧气，也用于冷却燃料电池反应产生的热量，简化了燃料电池结构，避免了双极板的焊接，简化了其复杂度。
实施例2
在实施例1的基础上，还设有一种电堆，如图5所示，包括单电池，所述的单电池为上述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池。
所述的单电池还包括膜电极4，膜电极4位于相邻的金属极板1之间，所述的金属极板1之间相互交错叠放，多片金属极板1叠放在一起后，形成氢气的进口流道。阳极气体反应流道3与阴极气体反应流道2交错设置。单电池是叠放在一起的，把氢气、氧气侧的宽度设置的不一样，是为了保证黄色的膜电极两侧分别是氢气和氧气，才能进行反应。
所述的单电池设置多个，多个单电池之间为串联。电池之间是串联的。每个金属极板1，既是其中一个电池的阴极板，也是相邻电池的阳极板，因此作为双极板满足使用需求。常规的制造过程是采用两片金属极板设计后焊接在一起，成为双极板，本发明通过设计流道结构，避免了焊接这一步骤，一片金属板可以直接作为双极板。
所述的单电池两端设有绝缘的压板，并通过螺栓把叠放的单电池压紧。两个双极板之间夹着一片膜电极4，这就构成了一个单电池，一直往上叠放这种结构，就组成了电堆。叠放以后，两端要用绝缘板和端板作为压板，然后通过螺栓把叠放的单电池压紧。
本发明由多片单电池串联而成，采用单片金属极板，简化了燃料电池结构、提高了燃料电池的紧凑性，使得电堆的厚度大幅度降低；阴极反应气体既向膜电极供给反应气体，也带走化学反应热，从而对电堆进行冷却，满足高功率密度下的换热需求。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，包括金属极板和反应流道，其特征在于：所述的金属极板为单片金属极板，所述的金属极板一侧为阴极气体反应流道和冷却介质流道，所述的阴极气体反应流道和冷却介质流道为同一流道，所述的金属极板另一侧为阳极气体反应流道。
2.根据权利要求1所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，其特征在于：所述的金属极板一侧开设多个相互平行的阴极气体流通槽，阴极气体流通槽两端开口；所述的金属极板另一侧开设多个相互平行的第一阳极气体流通槽，第一阳极气体流通槽与阴极气体流通槽垂直设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，其特征在于：所述的金属极板一侧设有多个相互平行的第二阳极气体流通槽，第二阳极气体流通槽与阴极气体流通槽平行且交错设置，第二阳极气体流通槽与第一阳极气体流通槽垂直设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，其特征在于：所述的阴极气体反应流道的深度为金属极板能够冲压出的最大深度。
5.根据权利要求1所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，其特征在于：所述的阳极气体反应流道深度与阴极气体反应流道深度的比值范围为1:(1～5)。
6.根据权利要求1所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池，其特征在于：所述的阳极气体采用闭口或循环闭口的方式运行，阴极气体采用开口运行的方式。
7.一种电堆，包括单电池，其特征在于：所述的单电池为权利要求1-6任一项所述的一种基于单片金属极板的风冷氢燃料电池。
8.根据权利要求7所述的一种电堆，其特征在于：所述的单电池还包括膜电极，膜电极位于相邻的金属极板之间，所述的金属极板之间相互交错叠放，阳极气体反应流道与阴极气体反应流道交错设置。
9.根据权利要求7所述的一种电堆，其特征在于：所述的单电池设置多个，多个单电池之间为串联。
10.根据权利要求7所述的一种电堆，其特征在于：所述的单电池两端设有绝缘的压板，并通过螺栓把叠放的单电池压紧。
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