CN112928308A - 一种用于除湿的燃料电池双极板及其燃料电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池相关技术领域，并公开了一种用于除湿的燃料电池双极板及其燃料电池电堆。该双极板包括基板和设置在基板上的阴极流场、阳极流场和除湿孔，基板上半部分的正面和反面上均设置有凹槽，该凹槽作为气体的流道，分别形成阴极流场和阳极流场，所述基板下半部分设置有除湿孔，阴极气体从所述阴极流场流入除湿孔中。本发明还公开了燃料电池电堆，包括上端板、下端板、双极板、膜电极和除湿器，上端板和下端板之间设置有多个平行排列的双极板，该多个平行排列的双极板下方的除湿孔与上端板和下端板形成封闭的空腔，除湿器放置该空腔中，阴极气体在空腔中除湿。通过本发明，缓解燃料电池内部的水淹问题，保持电池内部良好的水管理能力。

Description

一种用于除湿的燃料电池双极板及其燃料电池电堆
技术领域
本发明属于燃料电池相关技术领域，更具体地，涉及一种用于除湿的燃料电池双极板及其燃料电池电堆。
背景技术
水管理是质子交换膜燃料电池维持高效稳定运行的关键。电池流道是电池系统中唯一与外界发生质量交换的部分，也是电池内水分从系统中移除的唯一通道。流道内的水分如不能及时移除，不仅会影响反应气体的传输，限制了氧气与催化层接触进行反应，增大系统压降，使电池电流分布不均，降低电池性能，更为甚者将影响电池的运行安全。
针对上述的问题，尾气除湿是一种有效缓解电池内部水淹的方法，可以在电堆内部与电堆出口气体之间强制形成高水蒸气浓度梯度差，加速电池内部的水蒸气排出并冷凝成液体。现有的燃料电池电堆中除湿的方法中大都采用专门的除湿装置，或者专门的除湿系统，对于整个燃料电池电堆而言，结构相对复杂，且成本高。同时，由于除湿装置距离电堆出口较远，减小了电堆内部与出口气体之间的水蒸气浓度梯度差，导致冷凝除湿的效果不明显。且出口气体通过管道汇集在一起后再通入除湿装置，减小了换热面积，降低了换热效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于除湿的燃料电池双极板及其燃料电池电堆，通过在双极板上设置除湿孔，多个通孔与上下端板形成空腔，使得气体流场与除湿器空腔集成在燃料电池双极板上，除湿器设置在气体流场下方，距离近，二者之间的水蒸气浓度高，冷凝效果好，极大缓解燃料电池内部的水淹问题，保持电池内部良好的水管理能力。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于除湿的燃料电池双极板，该双极板包括基板和设置在基板上的阴极流场、阳极流场和除湿孔，其中，
所述基板上半部分的正面和反面上均设置有凹槽，该凹槽作为气体的流道，分别形成阴极流场和阳极流场，所述基板下半部分设置有除湿孔，该除湿孔为通孔，所述阴极流场与所述除湿孔相连，阴极气体从所述阴极流场流入所述除湿孔中。
进一步优选地，所述阳极流场的凹槽呈Z型分布，气体从所述基板的一侧进入，另一侧流出。
进一步优选地，所述阴极流场中的凹槽为多个且沿纵向平行排列的波浪形流道，每个凹槽的底部均与所述除湿孔连通。
进一步优选地，所述基板中间设置有冷却流道，该冷却流道介于所述阴极流场和阳极流场之间，用于冷却所述阴极流道和阳极流道中的气体。
进一步优选地，所述双极板的两侧均设置有密封槽，用于安装密封圈。
按照本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池电堆，该燃料电池电堆包括上端板、下端板、上述所述的双极板、膜电极和除湿器，其中，
所述上端板和下端板之间设置有多个平行排列的所述双极板，彼此相邻的所述双极板的阴极流场和阳极流场相对设置，且相邻的双极板之间设置有膜电极，相邻的所述双极板的阴极流场和阳极流场中的阴极气体和阳极气体在所述膜电极上的催化剂的作用下发生反应；所述多个平行排列的双极板的除湿孔与所述上端板和下端板形成封闭的空腔，所述除湿器放置该空腔中，反应后的气体从所述阴极流场进入所述除湿器中进行除湿。
进一步优选地，所述除湿器采用物理吸附除湿或化学反应除湿。
进一步优选地，所述除湿器为冷凝管，在该冷凝管中通入冷凝液体后，阴极气体中的水分被冷凝后实现除湿。
进一步优选地，所述除湿器的冷凝管呈蛇形分布，以扩大气体和冷凝管的接触面积。
进一步优选地，所述膜电极中设置有质子交换膜，用于传导氢离子，隔绝氢气和氧气防止二者直接接触。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明通过在双极板上设置除湿孔，阴极流场和除湿孔连接，使得进入阴极流场气体均可以流入除湿孔中，进而在形成燃料电池电堆后，反应后的气体可以进入空腔中被除湿，且除湿器直接设置在阴极流场的下方，反应后从阴极流场流出的气体直接进入除湿器中除湿，二者之间的水蒸气浓度梯度高，除湿效果好，实现将除湿器与燃料电池电堆高度集成，简化了系统的复杂程度，提高了运行的稳定性；
2.本发明中将阴极流场采用排布均匀分散的波浪形流道，提高了气体分布的均匀性和流动性，也增加了气体与膜电极的接触面积，提高反应效率，促进反应的充分进行，同时通过在双极板的两侧设置密封槽，防止反应过程中反应气体的泄漏；
3.本发明中阴极流场和空腔连通，阳极流场不与空腔连通，避免除湿过程中阴极氢气和阳极氧气同时在空腔中汇合爆炸，同时，膜电极中设置有质子交换膜，仅允许氢气通过，其也是避免氢气和氧气汇合，避免产生爆炸；
4.本发明中双极板中的除湿空腔设置有若干个，且每个除湿空腔与阴极流场有一个气体通道连通，增加了阴极气体进入除湿空腔的速度，有利于增强换热；
5.本发明通过双极板的结构设计，使得在利用双极板形成燃料电池电堆时，形成放置除湿器的空腔，降低除湿成本，蛇形冷凝管的设置既有效地除去流场的液态水，也有利于电池散热，具有很好的水热管理能力。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的燃料电池双极板结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的燃料电池电堆结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-阴极流场，2-空腔，3-除湿器，4-双极板，5-上端板，6-膜电极，7-阴极气体进口，8-冷凝水进口，9-阴极气体出口，10-冷凝水出口，11-下端板，12-凹槽，13-除湿孔，14-基板，15-阳极气体入口，16-阳极气体出口。17-冷却水入口，18-冷却水出口，19-密封槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种将气体流场与除湿器空腔集成的燃料电池双极板结构。其中，燃料电池双极板4包括基板14和设置在基板正面的阴极流场1和反面的阳极流场，阴极流场和阳极流场之间设置有多个冷却流道，或者基板中间呈中空状态，中空部分为通入冷却水，冷却水入口17在基板的一侧，冷却水出口18设置在另一侧。图1中的多个平行排列的凹槽12形成阴极流场1，阴极流场在阴极流场出口处设置若干个用以安装除湿设备的除湿孔13，除湿孔为通孔，阴极流场采用平行排列的波浪形流道，增强了气体的均匀性和流动性。阴极板的气体流道的气体出口沿竖直方向与每个底部的除湿孔13均有一个气体流道相通；阳极流场的气体不与除湿孔相连通，其凹槽的分布呈Z型，从基板的一侧的阳极气体入口15流入，另一侧的阳极气体出口16流出。
每个除湿孔13与阴极流场均有一个气体通道连通，增加了气体进入除湿空腔的速度，同时保证所有阴极出口气体都得到除湿效果。除湿孔13的设置为除湿器3提供准确的安装位置。除湿器3有助于降低出口处的气体温度，在电堆内部与电堆出口气体之间强制形成高水蒸气浓度梯度差，加速电池内部的水蒸气排出并冷凝成液体。配合流场内相应的气体流道等结构，可加强所述燃料电池双极板的排水能力，有助于及时排水，从而提升电池工作效率及稳定。
采用此燃料电池双极板装配的质子交换膜燃料电池电堆，燃料电池双极板在气体流道的周侧设有密封槽，供以安装密封圈。
如图2所示，燃料电池电堆包括上端部5、下端板11、双极板4和膜电极，其中，上端部5和下端板11之间设置有多块平行布置的双极板4，相邻的双极板4是阴极流场与阳极流场相对设置，阴极流场和阳极流场之间设置有膜电极6，膜电极6中设置有质子交换膜，在上端板上设置阴极气体进口7、冷凝水进口8和冷凝水出口10，在下端板上设置与除湿设备3相通的出阴极气体出口9，反应后的气体从该阴极气体出口9中排出。除湿器3不仅包括冷凝、吸附等物理除湿设备，还包括化学反应除水等化学除湿设备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于除湿的燃料电池双极板，其特征在于，该双极板(4)包括基板(14)和设置在基板上的阴极流场(1)、阳极流场和除湿孔(13)，其中，
所述基板(14)上半部分的正面和反面上均设置有凹槽(12)，该凹槽(12)作为气体的流道，分别形成阴极流场(1)和阳极流场，所述基板下半部分设置有除湿孔(13)，该除湿孔为通孔，所述阴极流场与所述除湿孔相连，阴极气体从所述阴极流场流入所述除湿孔中。
2.如权利要求1所述的一种用于除湿的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场的凹槽呈Z型分布，气体从所述基板的一侧进入，另一侧流出。
3.如权利要求1或2所述的一种用于除湿的燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极流场中的凹槽(12)为多个且沿纵向平行排列的波浪形流道，每个凹槽的底部均与所述除湿孔(13)连通。
4.如权利要求1或2所述的一种用于除湿的燃料电池双极板，其特征在于，所述基板中间设置有冷却流道，该冷却流道介于所述阴极流场和阳极流场之间，用于冷却所述阴极流道和阳极流道中的气体。
5.如权利要求1或2所述的一种用于除湿的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板(4)的两侧均设置有密封槽(19)，用于安装密封圈。
6.一种燃料电池电堆，其特征在于，该燃料电池电堆包括上端板(5)、下端板(11)、权利要求1-5任一项所述的双极板(4)、膜电极(6)和除湿器(3)，其中，
所述上端板(5)和下端板(11)之间设置有多个平行排列的所述双极板(4)，彼此相邻的所述双极板的阴极流场和阳极流场相对设置，且相邻的双极板之间设置有膜电极，相邻的所述双极板的阴极流场和阳极流场中的阴极气体和阳极气体在所述膜电极上的催化剂的作用下发生反应；所述多个平行排列的双极板(4)的除湿孔与所述上端板和下端板形成封闭的空腔(2)，所述除湿器(3)放置该空腔中，反应后的气体从所述阴极流场进入所述除湿器中进行除湿。
7.如权利要求6所述的一种燃料电池电堆，其特征在于，所述除湿器(3)采用物理吸附除湿或化学反应除湿。
8.如权利要求6所述的一种燃料电池电堆，其特征在于，所述除湿器(3)为冷凝管，在该冷凝管中通入冷凝液体后，阴极气体中的水分被冷凝后实现除湿。
9.如权利要求8所述的一种燃料电池电堆，其特征在于，所述除湿器(3)的冷凝管呈蛇形分布，以扩大气体和冷凝管的接触面积。
10.如权利要求6或7所述的一种燃料电池电堆，其特征在于，所述膜电极(6)中设置有质子交换膜，用于传导氢离子，隔绝氢气和氧气防止二者直接接触。
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