CN115513474B - 一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，包括：S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置；S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式。本发明首先根据电堆开发方向，明确水板的布置位置，其次以良好的水管理为输入目标即阴阳极流道的温度一致，再去设计阴阳极的GDL与MPL的厚度设计关系；本发明能够很好的为碳纸的选型提供直接的数据帮助。

Description

一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法。
背景技术
燃料电池电堆中碳纸起着支撑、水气传输及电子传导作用，根据电堆的设计输入不同，碳纸的选型设计也不一样，阴阳极GDL(气体扩散层，材料为碳布或者碳纸)与MPL(微孔层)的厚度设计是电堆开发选型中重要的步骤；
电堆良好的水管理是决定电堆性能的关键，现有专利主要集中在碳纸的材料设计等方面的研究，考虑电堆整体的设计到碳纸的设计很少。
发明内容
本发明提供一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，从水管理出发，根据电堆的水、氢、空极板的布置方式、温度分布，对阴阳极GDL与MPL厚度提供设计依据。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，包括以下步骤：
S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置；
S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式。
作为上述方案的优选，还包括步骤S3、在可选范围内确定阴阳极的GDL厚度值，并以此设计阴阳极的MPL厚度值。
作为上述方案的优选，GDL的厚度范围为165-200um。
作为上述方案的优选，步骤S1中，将水侧与氢侧加工在一块极板上，而空气侧极板为光板与空气极板匹配。
作为上述方案的优选，燃料电池电堆在膜中的水传输过程，氢质子从阳极到阴极的传输需要拖拽水，即电拖，而阴极的水主要通过浓度扩散及压差扩散从阴极到阳极的传输，随着电堆电流密度的越来越大，电拖越来越强，而膜的厚度是一定，会出现在膜的两侧，阳极侧偏干而阴极侧偏湿的情况，为了保证膜两侧湿度均衡，也需要将水板布置在阳极侧，以降低阳极侧温度，降低水的饱和蒸气压。
作为上述方案的优选，步骤S2中，沿着流道方向极板及碳纸的布置依次为：阳极流道、阳极GDL、阳极MPL、阴极MPL、阴极GDL、阴极流道。
作为上述方案的优选，步骤S2具体包括：
S21、收集MPL导热系数、GDL导热系数、流道温度、当前电堆电压、当前电堆电流密度参数；
S22、根据以下公式(1)计算电堆本身产热量：
Q＝(1.254-V)*i＝(1.254-0.65)*1.5              (1)
式中，Q为电堆单位面积的产热量，V为当前电堆电压，i为当前电堆电流密度；
S23、根据以下公式(2)-(5)分别计算每个区域的温度差：
Q＝KGDL*TAGDL/LAGDL                      (2)
Q＝KMPL*TAMPL/LAMPL                      (3)
Q＝KMPL*TCMPL/LCMPL                      (4)
Q＝KGDL*TCGDL/LCGDL                      (5)
并基于阴阳极流道的温度一致原则，根据以下公式(6)建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式：
TAGDL+TAMPL＝TCMPL+TCGDL                 (6)
将公式(2)-(5)带入到公式(6)中，则有公式(7)：
(LAMPL-LCMPL)/(LCGDL-LAGDL)＝KMPL/KGDL           (7)
式中，KGDL为GDL导热系数，KMPL为MPL导热系数，TAGDL为阳极GDL温度差，TAMPL为阳极MPL温度差，TCMPL为阴极MPL温度差，TCGDL为阴极GDL温度差，LAGDL为阳极GDL厚度，LAMPL为阳极MPL厚度，LCMPL为阴极MPL厚度，LCGDL为阴极GDL厚度。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
本发明首先根据电堆开发方向，明确水板的布置位置，其次以良好的水管理为输入目标即阴阳极流道的温度一致，再去设计阴阳极的GDL与MPL的厚度设计关系；本发明能够很好的为碳纸的选型提供直接的数据帮助。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明沿着流道方向极板及碳纸的示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，包括以下步骤：
S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置：
首选，为了尽可能降低双极板的厚度，而阳极的流场深度比阴极流场深度要浅，保证双极板强度前提下，将水侧与氢侧加工在一块极板上，而空气侧极板为光板与空气极板匹配；
其次，燃料电池电堆在膜中的水传输过程，氢质子从阳极到阴极的传输需要拖拽水，也就是电拖，而阴极的水主要通过浓度扩散及压差扩散从阴极到阳极的传输，随着电堆电流密度的越来越大，电拖越来越强，而膜的厚度是一定，可能会出现在膜的两侧，阳极侧偏干，而阴极侧偏湿的情况，为了保证膜两侧湿度均衡，也需要将水板布置在阳极侧，降低阳极侧温度，降低水的饱和蒸气压。
S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式：
依据上述的分析，水侧在氢单板上，垂直于流道方向的界面，存在温度的一个梯度，而产热点在阴极的催化剂层，依次往外温度降低，而碳纸本身因为导热系数不一致，到达流道的温度也不一致，为了保证良好的水管理，我们需要在阴阳极流道保证温度一致。如图2所示，沿着流道方向极板及碳纸的布置依次为：阳极流道1、阳极GDL2、阳极MPL3、阴极MPL4、阴极GDL5、阴极流道6。
依据为1与6处的温度一致，假定温度为68℃(此处忽略催化层及质子交换膜，因为其厚度相较于GDL和MPL较薄)，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式，具体步骤如下：
S21、收集MPL导热系数、GDL导热系数、流道温度、当前电堆电压、当前电堆电流密度参数；
S22、根据以下公式(1)计算电堆本身产热量：
Q＝(1.254-V)*i＝(1.254-0.65)*1.5              (1)
式中，Q为电堆单位面积的产热量，V为当前电堆电压，i为当前电堆电流密度；
S23、根据以下公式(2)-(5)分别计算每个区域的温度差：
Q＝KGDL*TAGDL/LAGDL                      (2)
Q＝KMPL*TAMPL/LAMPL                      (3)
Q＝KMPL*TCMPL/LCMPL                      (4)
Q＝KGDL*TCGDL/LCGDL                      (5)
并基于阴阳极流道的温度一致原则，根据以下公式(6)建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式：
TAGDL+TAMPL＝TCMPL+TCGDL                (6)
将公式(2)-(5)带入到公式(6)中，则有公式(7)：
(LAMPL-LCMPL)/(LCGDL-LAGDL)＝KMPL/KGDL           (7)
式中，KGDL为GDL导热系数，KMPL为MPL导热系数，TAGDL为阳极GDL温度差，TAMPL为阳极MPL温度差，TCMPL为阴极MPL温度差，TCGDL为阴极GDL温度差，LAGDL为阳极GDL厚度，LAMPL为阳极MPL厚度，LCMPL为阴极MPL厚度，LCGDL为阴极GDL厚度。
步骤S3、在可选范围内确定阴阳极的GDL厚度值，并以此设计阴阳极的MPL厚度值。GDL的厚度范围为165-200um。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置；
S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式；
还包括步骤S3、在可选范围内确定阴阳极的GDL厚度值，并以此设计阴阳极的MPL厚度值；
步骤S2中，沿着流道方向极板及碳纸的布置依次为：阳极流道、阳极GDL、阳极MPL、阴极MPL、阴极GDL、阴极流道；
步骤S2具体包括：
S21、收集MPL导热系数、GDL导热系数、流道温度、当前电堆电压、当前电堆电流密度参数；
S22、根据以下公式(1)计算电堆本身产热量：
Q＝(1.254-V)*i＝(1.254-0.65)*1.5(1)
式中，Q为电堆单位面积的产热量，V为当前电堆电压，i为当前电堆电流密度；
S23、根据以下公式(2)-(5)分别计算每个区域的温度差：
Q＝KGDL*TAGDL/LAGDL(2)
Q＝KMPL*TAMPL/LAMPL(3)
Q＝KMPL*TCMPL/LCMPL(4)
Q＝KGDL*TCGDL/LCGDL(5)
并基于阴阳极流道的温度一致原则，根据以下公式(6)建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式：
TAGDL+TAMPL＝TCMPL+TCGDL(6)
将公式(2)-(5)带入到公式(6)中，则有公式(7)：
(LAMPL-LCMPL)/(LCGDL-LAGDL)＝KMPL/KGDL(7)
式中，KGDL为GDL导热系数，KMPL为MPL导热系数，TAGDL为阳极GDL温度差，TAMPL为阳极MPL温度差，TCMPL为阴极MPL温度差，TCGDL为阴极GDL温度差，LAGDL为阳极GDL厚度，LAMPL为阳极MPL厚度，LCMPL为阴极MPL厚度，LCGDL为阴极GDL厚度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，其特征在于，GDL的厚度范围为165-200um。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，其特征在于，步骤S1中，将水侧与氢侧加工在一块极板上，而空气侧极板为光板与空气极板匹配。
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