CN114824348A - 一种燃料电池阳极板及燃料电池电堆和发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池阳极板及燃料电池电堆和发电系统，涉及燃料电池领域。其包括：第一氢气进气口、第一氢气排气口、空气进口、空气出口、冷却水进口、冷却水出口、第二氢气进气口、第二氢气排气口、第一燃料流道、第二燃料流道、以及导流板。工作时，同一阳极板上氢气能在不同的流道中反向流动，并且随着流道合并与流道面积的减小平衡进出口压强，实现了燃料电池电堆阳极板内氢气流动压强的平衡。与现有技术相比，利用本发明提供的燃料电池阳极板组成电池电堆后，电堆燃料流道进出口压差更低、整体压力更加均匀、输出电压更高；并且，电流密度越大，电堆进出口压差缩减越明显，输出电压的提高越显著。

Description

一种燃料电池阳极板及燃料电池电堆和发电系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池阳极板及燃料电池电堆和发电系统。

背景技术

燃料电池是将氢气的化学能直接转化为电能的装置，具有效率高、低噪音、零污染的优点。燃料电池通常需要将多个单体电池通过串联的方式组装成电堆，主要构成部件有双极板、膜电极(MEA)、端板和紧固件等。工作时，燃料电池的阳极板流通氢气，阴极板流通氧气。过量的氢气在阳极板流经氢气流道，氢离子穿过膜电极与阴极端的氧气发生电化学反应从而将化学能转化为电能。

现有技术中，常见的燃料电池阳极板所设计的气体流动多为同面积单方向均匀流道。这种流道存在的缺陷是，在燃料电池电堆的使用过程中，氢气进口处压力高，随着氢气沿着氢气流道流动并不断穿过膜电极与阴极端的氧气发生反应，其压力会逐渐降低，导致阳极板的氢气流道内压力不均匀。在氢气流道的末端，因为前端的反应消耗，氢气流道内会出现流速慢以及压强低的状况从而导致电化学反应不充分，严重影响燃料电池的性能。

一篇公开号为CN113258094A的中国发明专利申请公开一种具有非对称流场的双极板及燃料电池电堆和发电系统，其阳极板的第一面上的第一流道构成不具有点对称性的非对称流场，该非对称流场中存在若干阶梯式收窄的U形流动区间，各U形流动区间为独立形式或者相邻的U形流动区间首尾相接形成阶梯式收窄的蛇形流动区间；该阶梯式收窄的U形流动区间包括第一段、第二段和第三段，该第一段包括N条相互平行的第一流道，该第三段包括M条相互平行的第一流道，并且M<N；在安装有该双极板的燃料电池电堆中，该第一流道是参与电化学反应的阳极反应物的传输通道，该阳极反应物流入该阶梯式收窄的U形流动区间后按照先后次序依次流过第一段、第二段和第三段，并且该阳极反应物在第一段中的第一流道内的流动方向和在第三段中的第一流道内的流动方向相反。

上述公开号为CN113258094A发明专利申请虽然能够不断增大阳极反应物在阳极反应物流道内的气压，进而能够缓解膜电极各处受力不均的问题；但仍存在以下一些问题：1）由于采用蛇形流道，阳极反应物流经的流道更长，流道内压力不易把控，而且，多次弯曲的流道不利于气体传输；另外，阳极反应物反应生成的水不易排出，易形成堵塞。2）由于采用的是单氢气进口与单氢气出口结构，组成燃料电池电堆后，在整体压力上会出现偏差，燃料电池电堆的整体压力均匀性不够理想。本发明采用双氢气进口与出口，在双极板堆叠形成燃料电池电堆后，在整体上压力更平均。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种组成电池电堆后，电堆燃料流道进出口压差更低、整体压力更加均匀、输出电压更高的燃料电池阳极板。

本发明还提供一种具有上述燃料电池阳极板的燃料电池电堆和发电系统。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种燃料电池阳极板，包括阳极板本体，设置在所述阳极板本体背面的冷却流道，以及设置在所述阳极板本体正面的燃料流道；其中，所述燃料流道包括第一燃料流道和第二燃料流道，对应所述第一燃料流道和所述第二燃料流道上分别设有相应的燃料进口和燃料出口；所述第一燃料流道和所述第二燃料流道均为一端面积大、一端面积小的直通型渐变流道，所述燃料进口与面积较大的一端连接，所述燃料出口与面积较小的一端连接，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道内的燃料流动方向相反。

更为优选的是，在所述阳极板本体上设有氧化剂进口和氧化剂出口，所述氧化剂进口和所述氧化剂出口分别用来连接阴极板上的氧化剂流道的进料端和出料端。

更为优选的是，在所述阳极板本体上设有冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液进口和所述冷却液出口分别用来连接冷却流道的进料端和出料端。

更为优选的是，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道由隔板隔开而成，在所述第一燃料流道和所述第二燃料流道内分别设有若干导流板。

更为优选的是，所述燃料流道所在区域为矩形区域，所述隔板呈斜对角设置，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道被所述隔板分割成直角梯形结构。

更为优选的是，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道的形状一致，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道两端的宽度比均为2:1。

更为优选的是，所述导流板将所述第一燃料流道和所述第二燃料流道分别间隔成若干细小流道，各所述细小流道在靠近所述氢气排气口的一端合并。

更为优选的是，所述阳极板本体为长方形结构，所述阳极板本体的长宽比为3:1。

一种燃料电池电堆，包括组装在一起的阳极板、阴极板和膜电极，其中，所述阳极板为如上所述的燃料电池阳极板。

一种燃料电池发电系统，其包含如上所述的燃料电池电堆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

一、本发明采用相互独立的两个直通型流道，燃料流道内反应生成的水更容易排出；同时，相对于现有的蛇形流道而言，具有更好的气体传输性，流过的路径更短，阳极板内部流道中的压力更加均衡，更容易把控。

二、本发明采用双燃料进口与燃料出口，在双极板堆叠形成燃料电池电堆后，燃料进口与燃料出口流向交替相错，使得燃料电池电堆在整体上压力更平均。

经模拟实验验证，利用本发明制得的燃料电池电堆，能够有效缩减燃料进口与燃料出口之间的压差；且燃料电池电堆的电流密度越大，燃料进口与燃料出口之间的压差缩减越明显。

实际工作时，对燃料电池电堆的燃料进出口压力进行实时监测，进而反映双燃料流道阳极板对燃料电池电堆的性能影响。

附图说明

图1所示为本发明提供的燃料电池阳极板的结构示意图。

附图标记说明：1-第一氢气进气口，2-氧气进气口，3-冷却水进水口，4-第二氢气排气口，5-第二氢气流道，6-第二氢气进气口，7-氧气排气口，8-冷却水排水口，9-第一氢气排气口，10-第一氢气流道，11-导流板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向” 、“纵向”、“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”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征 “之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

如图1所示，一种燃料电池阳极板，其包括阳极板本体，在所述阳极板本体上设有第一氢气进气口1、氧气进气口2、冷却水进水口3、第二氢气排气口4、第二氢气流道5、第二氢气进气口6、氧气排气口7、冷却水排水口8、第一氢气排气口9、第一氢气流道10和导流板11。

其中，阳极板本体为长方形结构，长宽比为3:1。阳极板本体的活性面积为300cm²，以确保最佳的发电效果。显然，双极板的长宽比、以及双极板的活性面积是本领域技术人员可以根据实际需要进行选择的，如将双极板的长宽比设置为2:1或4:1等等；不限于本实施例。

所述第一氢气流道10和所述第二氢气流道5均为一端面积大、一端面积小的直通型渐变流道；所述第一氢气进气口1与所述第一氢气流道10面积较大的一端连接，所述第一氢气排气口9与所述第一氢气流道10面积较小的一端连接；所述第二氢气进气口6与所述第二氢气流道5面积较大的一端连接，所述第二氢气排气口4与所述第二氢气流道5面积较小的一端连接；第一氢气流道10面积较大的一端与第二氢气流道5面积较小的一端对应，第一氢气流道10面积较小的一端与第二氢气流道5面积较大的一端对应，进而使两个氢气流道中的氢气流动方向相反。

本实施例中，氢气流道所述区域为矩形区域，所述第一氢气流道10和所述第二氢气流道5由隔板隔开，在所述第一氢气流道10和所述第二氢气流道5内分别设有若干所述导流板11。所述隔板呈斜对角设置，所述第一氢气流道10和所述第二氢气流道5被所述隔板分割成直角梯形结构。所述渐变流道两端的宽度比为2:1。显然，渐变流道两端的宽度比是本领域技术人员可以根据实际需要进行选择的，如将渐变流道两端的宽度比设置为1.5:1,3:1等等；不限于本实施例。

所述氧气进气口2和所述氧气排气口7分别用来连接阴极板上的氧化剂流道的进料端和出料端。所述冷却水进水口3和所述冷却水排水口8分别用来连接冷却流道的进料端和出料端。

工作时，冷却水从冷却水进水口3进入阳极板背面的冷却流道，从冷却水排水口8流出。氢气分别从第一氢气进气口1和第二氢气进气口6流入第一氢气流道10与第二氢气流道5，经过导流板11均匀分布于阳极板本体上，在阳极板上实现双向流动。氧气从氧气进气口2进入，流经阴极板的氧气流道，从氧气排气口7排出。氢气在沿着第一氢气流道10与第二氢气流道5流动时，虽然有消耗，但是随着流道的合并与流道面积的减小，最终不会发生压强过低，流速降慢导致电化学反应不充分的情况。

为更好体现本实施例提供的燃料电池阳极板的进步性，下面进行对比实验。

对比实验一。

1）将本实施例提供的燃料电池阳极板和与之对应的阴极板组成10kW电堆，定义为电堆1a并检测其氢气进出口压差。

2）将现有的同面积、单方向氢气流道结构的阳极板和与之对应的阴极板组成10kW电堆，定义为电堆1b并检测其氢气进出口压差。

电堆1a和电堆1b中未提及的其他参数保持一致。

对比结果：1）在电流密度为0.8A/cm²时，电堆1a的氢气进出口压差相对于电堆1b的氢气进出口压差降低了12%。

2）在电流密度为1.2A/cm²时，电堆1a的氢气进出口压差相对于电堆1b的氢气进出口压差降低了18%。

3）在电流密度为1.5A/cm²时，电堆1a的氢气进出口压差相对于电堆1b的氢气进出口压差降低了22%。

对比实验二。

1）将本实施例提供的燃料电池阳极板和与之对应的阴极板组成30kW电堆，定义为电堆2a并检测其氢气进出口压差。

2）将现有的同面积、单方向氢气流道结构的阳极板和与之对应的阴极板组成30kW电堆，定义为电堆2b并检测其氢气进出口压差。

电堆2a和电堆2b中未提及的其他参数保持一致。

对比结果：1）在电流密度为0.8A/cm²时，电堆2a的氢气进出口压差相对于电堆2b的氢气进出口压差降低了14%。

2）在电流密度为1.2A/cm²时，电堆2a的氢气进出口压差相对于电堆2b的氢气进出口压差降低了19%。

3）在电流密度为1.5A/cm²时，电堆2a的氢气进出口压差相对于电堆2b的氢气进出口压差降低了25%。

对比实验三。

1）将本实施例提供的燃料电池阳极板和与之对应的阴极板组成10kW电堆，定义为电堆3a并检测其氢气进出口压差。

2）将公开号为CN113258094A 的中国发明专利申请中的蛇形阶梯式递减流道阳极板和与之对应的阴极板组成10kW电堆，定义为电堆3b并检测其氢气进出口压差。

电堆3a和电堆3b中未提及的其他参数保持一致。

对比结果：1）在电流密度为0.8A/cm²时，电堆3a的输出电压相对于电堆3b的输出电压提高了8mV，电堆3a的氢气进出口压差相对于电堆3b的氢气进出口压差降低了3%。

2）在电流密度为1.2A/cm²时，电堆3a的输出电压相对于电堆3b的输出电压提高了18mV，电堆3a的氢气进出口压差相对于电堆3b的氢气进出口压差降低了10%。

3）在电流密度为1.5A/cm²时，电堆3a的输出电压相对于电堆3b的输出电压提高了29mV，电堆3a的氢气进出口压差相对于电堆3b的氢气进出口压差降低了14%。

通过以上对比实验看出：与现有技术相比，利用本发明提供的燃料电池阳极板组成电池电堆后，电堆燃料流道进出口压差更低、整体压力更加均匀、输出电压更高；并且，电流密度越大，电堆进出口压差缩减越明显，输出电压的提高越显著。

需要说明的是，为了描述的方便，本实施例中仅以氢燃料电池为例。显然，本发明所涉及的燃料电池阳极板不局限于氢燃料电池上的应用，还可以用于甲烷燃料电池等其他类型的燃料电池上。相应的，氢气可以用其他现有已知的或将来能够实现的其他燃料代替，氧气可以采用现有已知的或将来能够实现的其他氧化剂代替，冷却水也可以采用现有已知的或将来能够实现的其他冷却剂代替。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (10)

1.一种燃料电池阳极板，包括阳极板本体，设置在所述阳极板本体背面的冷却流道，以及设置在所述阳极板本体正面的燃料流道；其特征在于，所述燃料流道包括第一燃料流道和第二燃料流道，对应所述第一燃料流道和所述第二燃料流道上分别设有相应的燃料进口和燃料出口；所述第一燃料流道和所述第二燃料流道均为一端面积大、一端面积小的直通型渐变流道，所述燃料进口与面积较大的一端连接，所述燃料出口与面积较小的一端连接，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道内的燃料流动方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，在所述阳极板本体上设有氧化剂进口和氧化剂出口，所述氧化剂进口和所述氧化剂出口分别用来连接阴极板上的氧化剂流道的进料端和出料端。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，在所述阳极板本体上设有冷却液进口和冷却液出口，所述冷却液进口和所述冷却液出口分别用来连接冷却流道的进料端和出料端。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道由隔板隔开而成，在所述第一燃料流道和所述第二燃料流道内分别设有若干导流板。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，所述燃料流道所在区域为矩形区域，所述隔板呈斜对角设置，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道被所述隔板分割成直角梯形结构。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道的形状一致，所述第一燃料流道和所述第二燃料流道两端的宽度比均为2:1。

7.根据权利要求4所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，所述导流板将所述第一燃料流道和所述第二燃料流道分别间隔成若干细小流道，各所述细小流道在靠近所述氢气排气口的一端合并。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极板，其特征在于，所述阳极板本体为长方形结构，所述阳极板本体的长宽比为3:1。

9.一种燃料电池，包括组装在一起的阳极板、阴极板和膜电极，其特征在于，所述阳极板为如权利要求1-8中任意一项所述的燃料电池阳极板。

10.一种燃料电池发电系统，其特征在于包含如权利要求9所述的燃料电池电堆。

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