CN111180754A - 一种大功率金属板燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率金属板燃料电池堆，包括交错设置的双极板和膜电极，双极板包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的相对面分别设有阳极冷却流道和阴极冷却流道，非相对面分别对应设有燃料气体流道和氧化气体流道，阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道蚀刻成型，阳极板和阴极板相对面的阳极冷却流道和阴极冷却流道周侧对称设有密封槽，其中一个面上的密封槽内集成冷却液流场密封件，组装阳极板和阴极板时，冷却液流场密封件挤压嵌入另一个面上的密封槽中形成半粘合组合方式，阳极冷却流道和阴极冷却流道连通形成密封冷却液腔。与现有技术相比，本发明大功率金属板电堆密封效果好，散热性能高，单体电压一致性高。

Description

一种大功率金属板燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种大功率金属板燃料电池堆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢气作为燃料，具有高转化效率、反应产物无污染的特点，是一种理想的交通领域用新能源载体。然而，由于目前燃料电池还存在一定的技术瓶颈，加上加氢基础设施数量少，造成了燃料电池堆的使用成本居高不下的现状。在燃料电池汽车商业化的早期，可实现定点加注并适于远距离运输的燃料电池重卡、集装箱物流车、机车等日益受到重视；这就对大功率燃料电池堆的设计、开发和加工制造提出了迫切需求。
目前国内交通领域用燃料电池处于小规模应用阶段，商业化推广才刚起步；主流的电堆以30-60kW的功率等级为主，主要面向市内交通用大巴、公司通勤小巴和轻型物流车等市场。
100kW以上大功率电堆面积大、组件多、技术复杂，其成功开发需要攻破两大瓶颈：1、设计大功率下传质良好和废热排出迅速的金属极板(尤其是阴极)；2、易于实现低成本、批量制造且易于密封(包括氢气、空气和冷却液)的电堆密封技术。除此以外，还需要高性能膜电极组件(MEA)以及电堆集成与组装技术进行配合。
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大功率金属板燃料电池堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大功率金属板燃料电池堆，包括发电核心单元，所述的发电核心单元包括交错设置的双极板和膜电极，所述的双极板包括相对设置的阳极板和阴极板，所述的阳极板和阴极板的相对面分别设有阳极冷却流道和阴极冷却流道，所述的阳极板和阴极板的非相对面分别对应设有燃料气体流道和氧化气体流道，所述的发电核心单元两端分别设有正极集电板和负极集电板，所述的正极集电板外侧设有流体分配板，所述的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道蚀刻成型，所述的阳极板和阴极板相对面的阳极冷却流道和阴极冷却流道周侧对称设有密封槽，其中一个面上的密封槽内集成冷却液流场密封件，组装阳极板和阴极板时，所述的冷却液流场密封件挤压嵌入另一个面上的密封槽中形成半粘合组合方式，所述的阳极冷却流道和阴极冷却流道连通形成密封冷却液腔。
所述的阳极冷却流道和阴极冷却流道交错分布，形成交错分流结构。
所述的阳极板上的燃料气体流道包括多条紧密排布的蛇形流道，燃料气体进口端和燃料气体出口端分别位于阳极板的对角线位置处。
所述的燃料气体流道靠近燃料气体进口端设有用于将多条流道中的燃料气体汇流并再分配的第一隔断槽。
所述的阳极板上的阳极冷却流道包括多条紧密排布的蛇形流道，冷却液进口端和冷却液出口端分别位于阳极板的另一对角线位置处。
所述的阴极板上的氧化气体流道和阴极冷却流道分别包括多条紧密排布的波纹流道，两个面上的波纹流道对称加工，正面波纹流道的脊对应反面波纹流道的槽，氧化气体进口端和氧化气体出口端对称分布在阴极板两端。
所述的氧化气体流道靠近氧化气体进口端设有用于将多条流道中的氧化气体汇流并再分配的第二隔断槽。
所述的氧化气体流道中各波纹流道采用精细流道：槽宽≤0.5mm，槽深度≥0.35mm。
所述的正极集电板和/或负极集电板与发电核心单元之间设有导电但不发电的赝电极，所述的赝电极外侧设有与所述的发电核心单元中一致的双极板。
所述的流体分配板上设有用于燃料气体、氧化气体和冷却液进出电堆的燃料气体进口、燃料气体出口、氧化气体进口、氧化气体出口、冷却液进口和冷却液出口，流体分配板上进、出口的位置与阳极板和阴极板上的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道的进、出口位置一致，且流体分配板上靠近电堆内部的进、出口的尺寸与阳极板和阴极板上进、出口尺寸一致，流体分配板上靠近外部的进、出口的尺寸缩小。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明阳极板和阴极板上的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道采用蚀刻加工成型方式，与传统的冲压工艺相比，具有无需模具、加工精度高、可加工精细流道，开发费用低，同时可极大地缩短双极板的开发周期。
(2)本发明阳极板和阴极板采用半粘合的方式进行组合，同时在两块板之间形成冷却液腔，达到良好的密封效果，所谓半粘合组合，是将冷却液流场密封件通过原位注塑、点胶固化或胶线粘接等工艺集成到阴极板或阳极板的密封槽中，形成为一体，在另一块板上直接设置密封槽，最后通过组装时的压力使冷却液流场密封件压缩变形，贴合入密封槽中，既不会影响两块板的导电性，又达到良好的密封效果，与传统金属板的焊接工艺相比，这种半粘合工艺的好处是可以回避焊接对金属板表面涂层的破坏、消除焊接造成的应力不均影响涂层稳定性，有力地提升金属板的寿命，此外，它将冷却液流场密封件组合到任一极板上成为一体，减少了电堆部件数，易于组装，且还不影响两块极板的拆卸，易于维护和调换。
(3)本发明阳极冷却流道和阴极冷却流道采用错流冷却的方式对电堆进行散热，对称加工方法制造的蚀刻阴极金属板，非对称加工的阳极金属板，其背面都有冷却液流道，因此，阴阳极板的各自背面的流道形式是不一样的，冷却液在冷却液腔中的流动也是分流、错动的，这样，就可以保证冷却液与金属板的良好接触以及各区域的均匀分配，极大地改善了电堆散热效果，特别是在大功率放电时效果尤为显著。
(4)本发明阴极板上采用对称加工方法，氧化气体流道的脊对阴极冷却流道的槽，大幅减轻金属板的重量和厚度。
(5)本发明氧化气体流道采用精细流道，可改善阴极氧化气体传输和反应产物水的排出，从而提升电堆的发电性能，特别是提升在大电流发电时的功率密度。
(6)本发明设置导电但不发电赝电极，赝电极与两侧的阳极板和阴极板组成与单电池类似的导电单体，从而改善燃料气体、氧化气体、冷却液等流体在电堆内各节间的均匀分配，防止进气侧水淹，提升电堆内部各单电池间温度分布的均匀性。
附图说明
图1为本发明大功率金属板燃料电池堆的爆炸图；
图2为本发明双极板的结构示意图；
图3为本发明阳极板和阴极板密封结构示意图；
图4为本发明阳极板上燃料气体流道的结构示意图；
图5为本发明阳极板上阳极冷却流道的结构示意图；
图6为本发明阴极板上氧化气体流道的结构示意图；
图7为本发明阴极板上阴极冷却流道的结构示意图；
图8为本发明流体分配板的正面结构示意图；
图9为本发明流体分配板的反面结构示意图；
图10为实施例1中电堆性能图；
图11为实施例1的544A下的单电池电压一致性柱状图；
图12为实施例2中电堆性能图；
图13为实施例2的544A下的单电池电压一致性柱状图。
图中，1为膜电极，2为阳极板，3为阴极板，4为赝电极，5为负极集电板，6为正极集电板，7为正极绝缘板，8为流体分配板，9为后端板，10为紧固螺杆，11为氧化气体进口接头，12为燃料气体进口接头，13为冷却液进口接头，14为负极绝缘板，15、16和17为碟簧套件，18为碟簧压板，19为紧固螺母，20为冷却液出口接头，21为氧化气体出口接头，22为燃料气体出口接头，23为阳极板密封件，24为冷却液流场密封件，25为阴极板密封件，2-1为冷却液进口端，2-2为冷却液出口端，2-3为燃料气体进口端，2-4为燃料气体出口端，3-1为氧化气体进口端，3-2为氧化气体出口端，8-1为燃料气体进口，8-2为氧化气体出口，8-3为冷却液出口，8-4为燃料气体出口，8-5为氧化气体进口，8-6为冷却液进口。
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。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例1
如图1所示，一种大功率金属板燃料电池堆，包括发电核心单元，发电核心单元包括交错设置的双极板和膜电极1，双极板包括相对设置的阳极板2和阴极板3。将一定数量的双极板和膜电极1串联组合起来，形成堆叠结构，由其向两侧分别布置正极集电板6、负极集电板5、正极绝缘板7、负极绝缘板14、流体分配板8、后端板9，流体分配板8，流体分配板8通过氧化气体接头(氧化气体进口接头11、氧化气体出口接头21)、燃料气体接头(燃料气体进口接头12、燃料气体出口接头22)和冷却液接头(冷却液进口接头13、冷却液出口接头20)与外部管路相连。后端板9外侧设有碟簧套件15、16、17和碟簧压板18，整个电堆通过8对紧固螺杆10、紧固螺母19进行紧固。另外，本发明中正极集电板6和/或负极集电板5与发电核心单元之间设有导电但不发电的赝电极4，赝电极4外侧设有与发电核心单元中一致的双极板。赝电极4位于电堆发电核心单元的外侧，即最靠近正极集电板6和负极集电板5的地方。它可以布置在正极集电板6或负极集电板5的一侧，也可以两侧均布置。数量则视电堆运行功率和应用工况而定，可以是1～10节之间，可以平均或不平均地分布在电堆的两侧。赝电极4的作用是改善氢气和空气流体在电堆内各节间的均匀分配，防止进气侧水淹，并提升电堆内部各单电池间温度分布的均匀性。本实施例中燃料气体为氢气，氧化气体为氧气或空气。
上述燃料电池对中各部件的作用如下：
膜电极1(MEA)：过在质子交换膜两侧涂覆的阳极催化剂和阴板催化剂，形成发电单元。利用阳极侧的氢氧化反应与阴板侧的氧还原反应成型电对，从而产生电流，对外作电功。
阳极板2：通过极板两侧蚀刻的沟槽，分别给氢气和冷却液的进出提供流道，并通过沟槽的尺寸形状设计来保证氢气和冷却液的均匀分布。
阴极板3：通过极板两侧蚀刻的沟槽，分别给空气或氧气和冷却液的进出提供流道，并通过沟槽的尺寸形状设计来保证空气或氧气和冷却液的均匀分布。
赝电极4：位于电堆发电核心单元的外侧，以改善氢空流体在电堆内各节间的均匀分配，并保证电堆内部温度达到稳定均匀。
负极集电板5：位于最外侧极板和负极绝缘板14之间，靠近膜电极1的阳极侧，作为电流导入板，与正极集流板一起起到电流输入输出和电压输出的作用。
正极集电板6：位于另一侧的最外侧极板和绝缘板之间，与负极集流板相对，靠近膜电极1的阴极侧，作为电流导出板，与负极集流板一起起到电流输入输出和电压输出的作用。
正极绝缘板7、负极绝缘板14：处于集电板与流体分配板8和外端板之间，将集流板与流体分配板8和外端板进行绝缘隔离。
流体分配板8：通过分配板上不同尺寸形状的通道或流道，提供燃料电池电堆运行所需的气体和冷却液的进出通道。
氧化气体进口接头11：将空气引入电堆，避免从圆管过渡至方口时可能产生的涡流，影响节间空气的分布。
氧化气体出口接头21：将反应未完全的燃料气体排出电堆，同时要有效地带出反应生成物水。
燃料气体进口接头12：将燃料气体(氢气)引入电堆，避免从圆管过渡至方口时可能产生的涡流，影响节间氢气的分布。
燃料气体出口接头22：将反应未完全的氢气排出电堆或经回流泵再循环进入电堆进口。
冷却液进口接头13：将冷却液引入电堆，避免从圆管过渡至方口时可能产生的涡流，影响节间冷却液的分布。
冷却液出口接头20：将冷却液排出电堆，并经热交换单元换热致冷后，再回到电堆进口。
质子交换膜燃料电池的工作原理：
氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列反应：
H2→2H++2e-，
氢离子通过电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，在阴极催化剂的作用下，与氧气反应生成水，反应式如下：
2H++2e-+1/2O2→H2O，
综合起来，即氢燃料电池中的总反应为：
2H2+O2→2H2O，
正是通过该电池反应，电池向外输出电能，只要保证氢气和空气或氧气的供给，该燃料电池即可连续不断产生电能。对于质子交换膜燃料电池，由于不受卡诺循环约束，在标准态下理想的最大转化效率为83％，而实际应用中由于各种条件影响，燃料电池系统的实际效率约在45％～60％。
如图2所示，阳极板2和阴极板3的相对面分别设有阳极冷却流道和阴极冷却流道，阳极板2和阴极板3的非相对面分别对应设有燃料气体流道和氧化气体流道，阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道蚀刻成型，阳极冷却流道和阴极冷却流道连通形成密封冷却液腔，阳极冷却流道和阴极冷却流道交错分布，形成交错分流结构。
如图3所示，阳极板2和阴极板3相对面的阳极冷却流道和阴极冷却流道周侧对称设有密封槽，其中一个面上的密封槽内集成冷却液流场密封件24，阳极板2另一面设有阳极板2密封件23，阴极板3另一面设有阴极板3密封件25。组装阳极板2和阴极板3时，冷却液流场密封件24挤压嵌入另一个面上的密封槽中形成半粘合组合方式。半粘合组合，是将冷却液流场密封件24通过原位注塑、点胶固化或胶线粘接等工艺集成到阴极板3或阳极板2的密封槽中，形成为一体，在另一块板上直接设置密封槽，最后通过组装时的压力使冷却液流场密封件24压缩变形，贴合入密封槽中，既不会影响两块板的导电性，又达到良好的密封效果，与传统金属板的焊接工艺相比，这种半粘合工艺的好处是可以回避焊接对金属板表面涂层的破坏、消除焊接造成的应力不均影响涂层稳定性，有力地提升金属板的寿命，此外，它将冷却液流场密封件24组合到任一极板上成为一体，减少了电堆部件数，易于组装，且还不影响两块极板的拆卸，易于维护和调换。
如图4所示，阳极板2上的燃料气体流道包括多条紧密排布的蛇形流道，燃料气体进口端2-3和燃料气体出口端2-4分别位于阳极板2的对角线位置处，燃料气体流道靠近燃料气体进口端2-3设有用于将多条流道中的燃料气体汇流并再分配的第一隔断槽。
如图5所示，阳极板2上的阳极冷却流道包括多条紧密排布的蛇形流道，冷却液进口端2-1和冷却液出口端2-2分别位于阳极板2的另一对角线位置处。
如图6、图7所示，阴极板3上的氧化气体流道和阴极冷却流道分别包括多条紧密排布的波纹流道，两个面上的波纹流道对称加工，正面波纹流道的脊对应反面波纹流道的槽，氧化气体进口端3-1和氧化气体出口端3-2对称分布在阴极板3两端，氧化气体流道靠近氧化气体进口端3-1设有用于将多条流道中的氧化气体汇流并再分配的第二隔断槽。氧化气体流道中各波纹流道采用精细流道：槽宽≤0.5mm，槽深度≥0.35mm。冷却液通过两极板之间流动，阴阳极板2冷却液侧流道通过蛇形和波纹流道交会，保证了冷却液的均匀分布。
如图8、图9所示，流体分配板8上设有用于燃料气体、氧化气体和冷却液进出电堆的燃料气体进口8-1、燃料气体出口8-4、氧化气体进口8-5、氧化气体出口8-2、冷却液进口8-6和冷却液出口8-3，流体分配板8上进、出口的位置与阳极板2和阴极板3上的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道的进、出口位置一致，且流体分配板8上靠近电堆内部的进、出口的尺寸与阳极板2和阴极板3上进、出口尺寸一致，流体分配板8上靠近外部的进、出口的尺寸缩小。氧化气体进口8-5和冷却液进口8-6做了2个分隔分流结构，避免了入口处的涡流导致的气体分配不均。
本实施例中电堆节数设计为240节，图10为该实施例中电堆极化性能和功率曲线图，峰值功率达80kW，极化曲线中电压值为平均单节电压。并在测试过程中选取了544A电流下的各节一致性，发现各节电压一致性相对较好，未出现各节明显单低的情况，如图11所示。由于该240节电堆采用的是2节一检，故图11所示电压为两节的总电压。
实施例2
本实施例一种大功率金属板燃料电池堆，相比于实施例1，本实施例电堆节数增加至370节组装电堆，其它设计保持不变。图12为该实施例的电堆极化曲线和功率图，实测电堆峰值功率高达120kW，极化曲线中电压值为平均到单节电压。图13为该370节堆在544A下的各节一致性，该堆同样采用的是2节一检，故图13所示电压为两节的总电压。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种大功率金属板燃料电池堆，包括发电核心单元，所述的发电核心单元包括交错设置的双极板和膜电极(1)，所述的双极板包括相对设置的阳极板(2)和阴极板(3)，所述的阳极板(2)和阴极板(3)的相对面分别设有阳极冷却流道和阴极冷却流道，所述的阳极板(2)和阴极板(3)的非相对面分别对应设有燃料气体流道和氧化气体流道，所述的发电核心单元两端分别设有正极集电板(6)和负极集电板(5)，所述的正极集电板(6)外侧设有流体分配板(8)，其特征在于，所述的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道蚀刻成型，所述的阳极板(2)和阴极板(3)相对面的阳极冷却流道和阴极冷却流道周侧对称设有密封槽，其中一个面上的密封槽内集成冷却液流场密封件(24)，组装阳极板(2)和阴极板(3)时，所述的冷却液流场密封件(24)挤压嵌入另一个面上的密封槽中形成半粘合组合方式，所述的阳极冷却流道和阴极冷却流道连通形成密封冷却液腔。
2.根据权利要求1所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的阳极冷却流道和阴极冷却流道交错分布，形成交错分流结构。
3.根据权利要求1所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的阳极板(2)上的燃料气体流道包括多条紧密排布的蛇形流道，燃料气体进口端(2-3)和燃料气体出口端(2-4)分别位于阳极板(2)的对角线位置处。
4.根据权利要求3所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的燃料气体流道靠近燃料气体进口端(2-3)设有用于将多条流道中的燃料气体汇流并再分配的第一隔断槽。
5.根据权利要求3所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的阳极板(2)上的阳极冷却流道包括多条紧密排布的蛇形流道，冷却液进口端(2-1)和冷却液出口端(2-2)分别位于阳极板(2)的另一对角线位置处。
6.根据权利要求1所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的阴极板(3)上的氧化气体流道和阴极冷却流道分别包括多条紧密排布的波纹流道，两个面上的波纹流道对称加工，正面波纹流道的脊对应反面波纹流道的槽，氧化气体进口端(3-1)和氧化气体出口端(3-2)对称分布在阴极板(3)两端。
7.根据权利要求6所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的氧化气体流道靠近氧化气体进口端(3-1)设有用于将多条流道中的氧化气体汇流并再分配的第二隔断槽。
8.根据权利要求6所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的氧化气体流道中各波纹流道采用精细流道：槽宽≤0.5mm，槽深度≥0.35mm。
9.根据权利要求1所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的正极集电板(6)和/或负极集电板(5)与发电核心单元之间设有导电但不发电的赝电极(4)，所述的赝电极(4)外侧设有与所述的发电核心单元中一致的双极板。
10.根据权利要求1所述的一种大功率金属板燃料电池堆，其特征在于，所述的流体分配板(8)上设有用于燃料气体、氧化气体和冷却液进出电堆的燃料气体进口(8-1)、燃料气体出口(8-4)、氧化气体进口(8-5)、氧化气体出口(8-2)、冷却液进口(8-6)和冷却液出口(8-3)，流体分配板(8)上进、出口的位置与阳极板(2)和阴极板(3)上的阳极冷却流道、阴极冷却流道、燃料气体流道和氧化气体流道的进、出口位置一致，且流体分配板(8)上靠近电堆内部的进、出口的尺寸与阳极板(2)和阴极板(3)上进、出口尺寸一致，流体分配板(8)上靠近外部的进、出口的尺寸缩小。
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