CN113346101B - 一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构 - Google Patents

一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，包括阳极多孔层、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极多孔层、阴极挡板、冷却多孔层、阳极挡板，所述阳极多孔层或阴极多孔层或冷却多孔材料由多孔材料嵌入固体边框形成，所述阴极挡板将所述阴极多孔层和所述冷却多孔层分隔。本发明还提出一种燃料电池串并联电堆结构。本发明通过对结构、孔隙率、渗透率合理设计，有效降低多孔流场流动阻力，提高流体分布均匀性，从而增加电极反应面积有效利用率，提高燃料电池性能，采用共用阳极多孔层或共用冷却多孔层的设计，将燃料电池单体并联，形成Ns×Np节串并联电堆结构，从而减小电堆体积，提升电堆功率密度。

Description

一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构。
背景技术
燃料电池将燃料化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点，是理想的可移动电源，在汽车、无人机、船舶、电子产品等领域具有广泛的应用前景。燃料电池的流场的作用是将反应物分配至整个燃料电池活性区域，因此，流场及双极板的设计应满足均匀分配反应物，以及良好的冷却散热性能、导电性、排水性、结构稳定性等。为了同时满足这些要求，除了常见的蛇形结构、平行结构、交叉结构、针式结构等流场设计，还有多孔结构的流场及扩散层设计。
专利号为US005798187A的发明专利“Fuel cell with metal screen flowfield”采用了一种方形编织的金属网格作为反应物流场结构。金属网格流场的优点是气体在整个电极表面分布均匀，电极面积有效利用率高，而且制备简单，成本低。该结构的缺点是流场内流动阻力分配不均匀，会导致气体走短路，而且当液态水积累时，不易将水排出，将导致电池无法稳定运行。
公布号为CN110797548A的发明专利“无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池”以多孔泡沫金属上喷涂微孔层代替沟脊流道、气体扩散层和微孔层，可以提高燃料电池性能、降低燃料电池成本。该结构的流阻较大，不易将水排出，不利于燃料电池稳定运行。
公开号为CN101414690A的发明专利“燃料电池电堆结构”采用将两个燃料电池模块并联的电池堆结构，主要包括第一阴极端板、第一燃料电池模块、阳极流道板、第二燃料电池模块、第二阴极端板，由上至下堆栈而成。具有组装简单、结构紧凑等优点。
公开号为CN101540412A的发明专利“一种集成式燃料电池电堆模块间的内置式串并联方法”包括至少两组或以上燃料电池堆模块、前端板或中央集流板、及电流母板和后端板，利用前端板或中央集流板将燃料电池模块对应的集流模板串联或并联。具有结构简单、节省空间等优点。
现有的燃料电池流场设计，主要存在以下几点问题：1、沟脊流场内由于脊的存在增加了反应气体进入膜电极内脊下区域的传质阻力，导致膜电极内反应气体浓度分布不均匀，从而降低电池性能；2、多孔流场气体可能走短路，反应物分配不均匀，而且流动阻力增大不利于不利于将反应产生的液滴排出，很有可能导致阴极“水淹”，同样降低电池性能，甚至对电极造成破坏；3、冷却一致性不好，导致电池内部温差较大，局部的“热点”现象会严重影响电池寿命。此外，在电堆结构设计方面，燃料电池模块的串并联需要利用端板结构连接，体积较大，结构复杂。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，利用多孔材料作为反应物和冷却剂的流场，通过对结构、孔隙率、渗透率合理设计，有效降低多孔流场流动阻力，提高流体分布均匀性，从而增加电极反应面积有效利用率，提高燃料电池性能。
同时，提出一种燃料电池串并联电堆结构，采用共用阳极或共用冷却流场的设计，将Ns×Np节燃料电池串联或并联，从而减小电堆体积，提升电堆功率密度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，包括阳极多孔层、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极多孔层、阴极挡板、冷却多孔层和阳极挡板；
阳极多孔层包括阳极多孔材料，阳极反应物经过阳极多孔层的孔隙进入阳极气体扩散层，最终到达膜电极参与电化学反应；阴极多孔层包括阴极多孔材料，阴极反应物经过阴极多孔层的孔隙进入阴极气体扩散层，最终到达膜电极参与电化学反应；冷却多孔层包括冷却多孔材料，冷却剂经过冷却多孔层的孔隙进行热量交换；阳极挡板将阳极多孔层和冷却多孔层分隔；阴极挡板将阴极多孔层和冷却多孔层分隔。
进一步地，所述阳极多孔层还包括阳极多孔层边框，所述阳极多孔材料内嵌于阳极多孔层边框，阳极多孔层边框为固体导电材料，阳极多孔层边框一侧设置有阳极极耳。
进一步地，所述阴极多孔层还包括阴极多孔层边框，所述阴极多孔材料内嵌于阴极多孔层边框，所述阴极多孔层边框为固体导电材料，阴极多孔层边框一侧设置有阴极极耳。
进一步地，所述冷却多孔层还包括冷却多孔层边框，所述冷却多孔材料内嵌于冷却多孔层边框，冷却多孔层边框为固体材料。
进一步地，所述阳极挡板和所述阴极挡板为固体导电材料。
进一步地，所述阳极多孔材料、阴极多孔材料、阴极多孔材料至少之一的形状具有开放的流道结构。
进一步地，所述阳极多孔材料、阴极多孔材料、冷却多孔材料至少之一的孔隙率、渗透率非均匀布置，孔隙率为50％-98％，在反应物传输路径较长的区域采用较大的孔隙率，在反应物传输路径较短的区域采用较小的孔隙率，使得整个多孔材料内流阻一致。
一种无双极板的多孔流场燃料电池单体组成的串并联电堆结构，包括Ns×Np节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体，Ns节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体堆叠形成1个串联子堆，将Np个所述串联子堆并联。
进一步地，并联的相邻两节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体共用一个所述阳极多孔层，相邻两个所述阴极极耳通过电缆连接，形成并联堆叠。
进一步地，并联的相邻两节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体共用一个所述冷却多孔层，相邻两个所述阳极极耳通过电缆连接，形成并联堆叠。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、多孔材料结合开放式流道设计，可以促进反应物均匀分配，增加了电极有效反应面积，提高了反应物利用率，从而提升燃料电池输出性能。
2、开放式流道设计，减小了多孔材料对流体尤其是液态水的传输阻力，有利于将反应产生的液态水快速排出，减少液滴对反应气体传输的阻塞作用，从而保持燃料电池的稳定性。
3、采用多孔材料可以有效减少燃料电池重量和体积，提升燃料电池功率密度。
4、单一电堆内的串并联电堆结构，减少了双极板/流场板以及端板数量，可以有效减少燃料电池电堆的重量和体积，提升燃料电池电堆功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为传统石墨极板燃料电池单体示意图；
图2为本发明无双极板的多孔流场燃料电池单体示意图；
图3为本发明多孔材料沿厚度方向流道截面示意图；
图4为本发明多孔材料非均匀孔隙率布置示意图；
图5为本发明两节燃料电池单体共用阳极并联示意图；
图6为本发明两节燃料电池单体共用冷却层并联示意图；
图7为本发明串并联电堆结构示意图；
其中：1、阳极流场板；1-1阳极气体通道；2、阳极气体扩散层；3、膜电极；4、阴极气体扩散层；5、阴极流场板；5-1阴极气体通道；5-2、冷却剂通道；6、阳极多孔层；6-1、阳极多孔材料；6-2、阳极多孔层边框；6-3、阳极极耳；6-4、阳极多孔层流道；7、阴极多孔层；7-1、阴极多孔材料；7-2、阴极多孔层边框；7-3、阴极极耳；7-4、阴极多孔层流道；8、阴极挡板；9、冷却多孔层；9-1、冷却多孔材料；9-2、冷却多孔层边框；9-3、冷却多孔层流道；10、阳极挡板；11、共用阳极并联结构；11-1、共用阳极第一单体；11-2、共用阳极第二单体；11-3、共用阳极多孔层；12、共用阴极并联结构；12-1、共用阴极第一单体；12-2、共用阴极第二单体；12-3、共用冷却多孔层。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，利用多孔材料作为反应物和冷却剂的流场，通过对结构、孔隙率、渗透率合理设计，有效降低多孔流场流动阻力，提高流体分布均匀性，从而增加电极反应面积有效利用率，提高燃料电池性能。同时，提出一种燃料电池串并联结构，采用共用阳极或共用冷却流场的设计，将Ns×Np节燃料电池串联或并联，从而减小电堆体积，提升电堆功率密度。
实施例：
参见图1至图7，图1为传统石墨极板燃料电池单体示意图；图2为本发明无双极板的多孔流场燃料电池单体示意图；图3为本发明多孔材料沿厚度方向流道截面示意图；图4为本发明多孔材料非均匀孔隙率布置示意图；图5为本发明两节燃料电池单体共用阳极并联示意图；图6为本发明两节燃料电池单体共用冷却层并联示意图；图7为本发明串并联电堆结构示意图。
如图1所示，传统石墨极板燃料电池单体由阳极流场板1、阳极气体扩散层2、膜电极3、阴极气体扩散层4、阴极流场板5组成，所述阳极流场板1布置有阳极气体通道1-1，所述阴极流场板5的两侧分别布置有阴极气体通道5-1和冷却剂通道5-2。阳极反应物经过所述阳极气体通道1-1进入所述阳极气体扩散层2，最终到达所述膜电极3进行电化学反应。阴极反应物经过所述阴极气体通道5-1进入所述阴极气体扩散层4，最终到达所述膜电极3进行电化学反应。所述膜电极3内与所述阳极气体通道1-1和所述阴极气体通道5-1对应的区域内反应物浓度较高，而其他区域反应物浓度较低，从而反应物浓度较低的区域电化学反应速率低，降低燃料电池输出性能。而且通常石墨流场板厚度≥1mm，燃料电池的体积和重量较大。
如图2所示，本发明的一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，包括阳极多孔层6、阳极气体扩散层2、膜电极3、阴极气体扩散层4、阴极多孔层7、阴极挡板8、冷却多孔层9、阳极挡板10。所述阳极多孔层6包括阳极多孔材料6-1，阳极反应物经过所述阳极多孔层6的孔隙进入所述阳极气体扩散层2，最终到达所述膜电极3参与电化学反应。所述阴极多孔层7包括阴极多孔材料7-1，阴极反应物经过所述阴极多孔层7的孔隙进入所述阴极气体扩散层4，最终到达所述膜电极3参与电化学反应。所述冷却多孔层9包括冷却多孔材料9-1，冷却剂经过所述冷却多孔层9的孔隙进行热量交换。采用多孔材料可以有效减少燃料电池重量和体积，提升燃料电池功率密度。所述阳极挡板10将所述阳极多孔层6和所述冷却多孔层9分隔，所述阴极挡板8将所述阴极多孔层7和所述冷却多孔层9分隔。
所述阳极多孔层6由阳极多孔材料6-1内嵌于阳极多孔层边框6-2组成，所述阳极多孔层边框6-2为固体导电材料，所述阳极多孔层边框6-2一侧设置有阳极极耳6-3。所述阴极多孔层7由阴极多孔材料7-1内嵌于阴极多孔层边框7-2组成，所述阴极多孔层边框7-2为固体导电材料，所述阴极多孔层边框7-2一侧设置有阴极极耳7-3。所述冷却多孔层9由冷却多孔材料9-1内嵌于冷却多孔层边框9-2组成，所述冷却多孔层边框9-2为固体材料。所述阳极挡板10和所述阴极挡板8为金属箔或其他导电材料。
参见图3，所述阳极多孔材料6-1或阴极多孔材料7-1或冷却多孔材料9-1的形状具有开放的流道结构，即阳极多孔层流道6-4、阴极多孔层流道7-4、冷却多孔层流道9-3。开放式流道设计，减小了多孔材料对流体尤其是液态水的传输阻力，有利于将反应产生的液态水快速排出，减少液滴对反应气体传输的阻塞作用，从而保持燃料电池的稳定性。多孔材料结合开放式流道设计，可以促进反应物均匀分配，增加了电极有效反应面积，提高了反应物利用率，从而提升燃料电池输出性能。
参见图4，所述阳极阳极多孔材料6-1或阴极多孔材料7-1或冷却多孔材料9-1的孔隙率、渗透率非均匀布置，在孔隙率为50％-98％。在反应物传输路径较长的区域采用较大的孔隙率，在反应物传输路径较短的区域采用较小的孔隙率，使得整个多孔材料内流阻一致。
一种无双极板的多孔流场燃料电池单体组成的串并联电堆结构，包括Ns×Np节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体，Ns节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体堆叠形成1个串联子堆，将Np个所述串联子堆并联。单一电堆内的串并联电堆结构，减少了双极板/流场板以及端板数量，可以有效减少燃料电池电堆的重量和体积，提升燃料电池电堆功率密度。
如图5所示，一种燃料电池并联电堆结构，包括共用阳极第一单体11-1和共用阳极第二单体11-2，所述共用阳极第一单体11-1和所述共用阳极第二单体11-2通过共用阳极多孔层11-3连接，所述共用阳极第一单体11-1和所述共用阳极第二单体11-2的阴极多孔层极耳采用导体连接，形成并联堆叠。
如图6所示，一种燃料电池并联电堆结构，包括共用阴极第一单体12-1和共用阴极第二单体12-2，所述共用阴极第一单体12-1和所述共用阴极第二单体12-2通过共用冷却多孔层12-3连接，所述共用阴第一单体12-1和所述共用阴极第二单体12-2的阳极多孔层极耳采用导线连接，形成并联堆叠。
参见图7，一种燃料电池串并联电堆结构，包括Ns×Np＝2×3＝6节无双极板的多孔流场燃料电池单体。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，其特征在于：包括阳极多孔层、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极多孔层、阴极挡板、冷却多孔层和阳极挡板；
阳极多孔层包括阳极多孔材料，阳极反应物经过阳极多孔层的孔隙进入阳极气体扩散层，最终到达膜电极参与电化学反应；阴极多孔层包括阴极多孔材料，阴极反应物经过阴极多孔层的孔隙进入阴极气体扩散层，最终到达膜电极参与电化学反应；冷却多孔层包括冷却多孔材料，冷却剂经过冷却多孔层的孔隙进行热量交换；阳极挡板将阳极多孔层和冷却多孔层分隔；阴极挡板将阴极多孔层和冷却多孔层分隔；
所述阳极多孔层还包括阳极多孔层边框，所述阳极多孔材料内嵌于阳极多孔层边框，阳极多孔层边框为固体导电材料，阳极多孔层边框一侧设置有阳极极耳；所述阴极多孔层还包括阴极多孔层边框，所述阴极多孔材料内嵌于阴极多孔层边框，所述阴极多孔层边框为固体导电材料，阴极多孔层边框一侧设置有阴极极耳；
所述阳极多孔材料、阴极多孔材料、冷却多孔材料至少之一的形状具有开放的流道结构；
所述阳极多孔材料、阴极多孔材料、冷却多孔材料至少之一的孔隙率、渗透率非均匀布置，孔隙率为50％-98％，在反应物传输路径长的区域采用大的孔隙率，在反应物传输路径短的区域采用小的孔隙率，使得整个多孔材料内流阻一致。
2.根据权利要求1所述的一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，其特征在于：所述冷却多孔层还包括冷却多孔层边框，所述冷却多孔材料内嵌于冷却多孔层边框，冷却多孔层边框为固体材料。
3.根据权利要求1所述的一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，其特征在于：所述阳极挡板和所述阴极挡板为固体导电材料。
4.一种由权利要求1至3中任一项所述的无双极板的多孔流场燃料电池单体组成的串并联电堆结构，其特征在于：包括Ns×Np节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体，Ns节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体堆叠形成1个串联子堆，将Np个所述串联子堆并联；
并联的相邻两节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体共用一个所述阳极多孔层，相邻两个所述阴极极耳通过电缆连接，形成并联堆叠。
5.根据权利要求4所述的串并联电堆结构，其特征在于：并联的相邻两节所述无双极板的多孔流场燃料电池单体共用一个所述冷却多孔层，相邻两个所述阳极极耳通过电缆连接，形成并联堆叠。
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