CN118016926B - 一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，包括左侧设置的空气进口、氢气出口，右侧设置的氢气进口、空气出口，两侧中部为内设阳极氢气流道、阴极空气流道和散热空气流道的反应区，所述反应区包括氢气反应区和空气反应区，所述阴极空气流道的空气入口和阳极氢气流道的氢气入口，都接近散热空气流道的散热空气入口；阴极空气流道的空气出口和阳极氢气流道的氢气出口，都接近散热空气流道的散热空气出口。所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，优化了水热平衡布局，消除了湿冷区域和干热区域，提高了对催化剂和质子交换膜的利用效率，提高了电流密度。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其是涉及一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构。
背景技术
燃料电池采用氢气作为能源发电，反应产物是水，能量转化效率高，是一种环保高效的新能源。燃料电池的能量转化效率虽然高于内燃机，但仍然会产生相当一部分废热。废热的排放方式，有通过水或防冻液冷却、通过空气冷却两种方式。在采用空气冷却的情况下，由于不需要冷却液循环系统和外置散热器，燃料电池的内部结构和外围结构都比较精简，因此很适合小功率应用。
在采用空气冷却的情况下，燃料电池还可以有两种不同的结构，阴极封闭式和阴极开放式。阴极封闭式结构的燃料电池只是采用散热空气流代替冷却液流，仍保留独立提供给阴极的反应空气流。而阴极开放式结构的燃料电池直接从散热空气流中获取反应所需的空气，因此结构更为精简。但是阴极开放式结构的燃料电池不便设置针对反应空气流的化学过滤器，且其适应的环境温度上下限也较窄，能达到的电流密度较小，而电流密度涉及成本占比最大的膜电极的利用率。
由于阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池兼具液冷和阴极开放式的优点，因此很适合功率较小、环境仍然严苛的场景，具有广泛的应用前景。然而，在实际的产品开发中，阴极封闭式结构的空气冷却效果与液冷燃料电池相比较，其所能够达到的电流密度仍然略逊于后者。例如，设计的一款液冷燃料电池，在阴极出口无背压，阴极空气计量比2.0、堆芯温度65度左右时，达到的电流密度是1.2A/cm2@0.65V；而设计的另一款基于同行主流方案的阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池（如图1-图3），采用与前者同样的膜电极配置，以及同样的运行条件，电流密度只有1.0A/cm2@0.65V，这就导致了核心部件膜电极的成本上升。
如图1到图3所示，阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池的反应区中，设置有三个气流通道，分别是阳极氢气流道、散热空气流道和阴极空气流道，空气冷却燃料电池的右端设置有两个氢气进口（简称氢进）和一个空气出口（简称空出），空出位于两个氢进之间；左端设置有两个氢气出口（简称氢出）和一个空气进口（简称空进），空进位于两个氢出之间。氢进和氢出之间的阳极氢气流道用于通入氢气，空进和空出之间的阴极空气流道用于通入空气，和阳极氢气流道的方向相反，散热空气流道从下向上用于通入空气，垂直于阳极氢气流道和阴极空气流道的方向。
发明内容
本发明提供了一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，解决了提高阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池的电流密度的问题，其技术方案如下所述：
一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，包括左侧设置的空气进口、氢气出口，右侧设置的氢气进口、空气出口，两侧中部为内设阳极氢气流道、阴极空气流道和散热空气流道的反应区，所述反应区包括氢气反应区和空气反应区；
氢气反应区包括氢进流道区、氢气中部流道区和氢出流道区，所述氢进流道区的阳极氢气流道和氢出流道区的阳极氢气流道平行设置，氢气中部流道区的阳极氢气流道垂直于氢进流道区和氢出流道区的阳极氢气流道；
空气反应区包括空进流道区、空气中部流道区和空出流道区，所述空进流道区的阴极空气流道和空出流道区的阴极空气流道平行设置，空气中部流道区的阴极空气流道垂直于空进流道区和空出流道区的阴极空气流道。
所述氢气中部流道区的区域大于氢气反应区的50%。
所述空气中部流道区的区域大于空气反应区的50%。
所述阴极空气流道的空气入口和阳极氢气流道的氢气入口，都接近散热空气流道的散热空气入口；阴极空气流道的空气出口和阳极氢气流道的氢气出口，都接近散热空气流道的散热空气出口。
所述氢气中部流道区的阳极氢气流道平行于散热空气流道，空气中部流道区的阴极空气流道平行于散热空气流道。
所述氢进流道区与氢气中部流道区的第一分隔线从上到下斜向布置，氢出流道区与氢气中部流道区的第二分隔线平行于第一分隔线，所述第一分隔线和第二分隔线，接近空气出口的位置高度，高于接近空气进口的位置高度。
所述空进流道区与空气中部流道区的第三分隔线从上到下斜向布置，空出流道区与空气中部流道区的第四分隔线平行于第三分隔线，所述第三分隔线和第四分隔线，接近氢气出口的位置高度，高于接近氢气进口的位置高度。
所述氢气中部流道区和空气中部流道区的形状为平行四边形。
所述空气进口位于氢气出口下方，所述氢气进口位于空气出口的下方。
阳极氢气流道的右端接所述氢气进口，左端接所述氢气出口；阴极空气流道的左端接所述空气进口，右端接所述空气出口。
所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，优化了水热平衡布局，消除了湿冷区域和干热区域，提高了对催化剂和质子交换膜的利用效率，提高了电流密度。
附图说明
图1是阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池的阳极总体布局结构示意图；
图2是阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池的散热总体布局结构示意图；
图3是阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池的阴极总体布局结构示意图；
图4是所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的阳极总体布局结构示意图；
图5是所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的冷却总体布局结构示意图；
图6是所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的阴极总体布局结构示意图；
图7是所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的立体结构的部分示意图。
具体实施方式
在图1所示的阴极封闭式结构的空气冷却燃料电池，其反应区的形状为矩形，定义氢进和氢出之间（或空进和空出之间）的左右方向为长边，定义散热空气流道的上下方向为短边。通过对现有技术的空气冷却燃料电池，进行深入细致的研究分析后发现：由于空气的比热容很小，升温吸热的能力较弱，所以为了避免风压太大导致的功耗太大、风噪太大，散热空气流道的长度必须较小，因此散热风道需要平行于燃料电池形状的短边，从而与平行于燃料电池形状长边的阴极空气流道形成了垂直的关系。
空气冷却燃料电池的反应区中，空气在从左向右流动的过程，不断吸收反应产生的水蒸汽，绝对湿度不断提高。在反应区的右下角，刚进入的较冷的散热空气流，与接近走完全程而吸收了大量反应产生的水蒸气的阴极空气流，两者协同产生了较为湿冷的湿冷区域，该区域的催化剂被水淹，局部电流密度下降；而在反应区的左上角，接近走完全程的较热的散热空气流，与刚进入的较干的阴极空气流，两者协同产生了较为干热的干热区域，该区域的质子交换膜被吹干使得质子电导率下降，同样会造成局部电流密度下降。
基于上述研究分析，本发明提出了一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，如图4到图6所示，包括左侧设置的空气进口、氢气出口，右侧设置的氢气进口、空气出口，两侧中部为内设阳极氢气流道、阴极空气流道和散热空气流道的反应区；阳极氢气流道的右端接所述氢气进口，左端接所述氢气出口；阴极空气流道的左端接所述空气进口，右端接所述空气出口。在空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的左侧，所述空气进口位于氢气出口下方，在空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构的右侧，所述氢气进口位于空气出口的下方。散热空气流道的散热空气进口位于下方，散热空气出口位于上方。图4提供的阳极总体布局结构和图6提供的阴极总体布局结构这两个区域虽然投影重叠，但位于质子交换膜15的上下两个不同层面，因此相互之间是气密的。
所述反应区包括氢气反应区和空气反应区，图4表示了对应氢气反应区的阳极总体布局，氢气反应区包括氢进流道区1、氢气中部流道区2和氢出流道区3，所述氢进流道区1的阳极氢气流道和氢出流道区3的阳极氢气流道平行设置，氢气中部流道区2的阳极氢气流道垂直于氢进流道区1和氢出流道区3的阳极氢气流道；图5表示对应散热空气流道的冷却总体布局，散热空气从下向上流动；图6表示对应空气反应区的阴极总体布局，空气反应区包括空进流道区4、空气中部流道区5和空出流道区6，所述空进流道区4的阴极空气流道和空出流道区6的阴极空气流道平行设置，空气中部流道区5的阴极空气流道垂直于空进流道区4和空出流道区6的阴极空气流道。
进一步的，氢气中部流道区2的阳极氢气流道平行同向于散热空气流道，空气中部流道区5的阴极空气流道平行于散热空气流道。本实施例中，所述氢气中部流道区2的区域大于氢气反应区的50%，实现在氢气反应区的50%以上区域，阳极氢气流与散热空气流平行同向。优选的，所述氢气中部流道区2的区域大于氢气反应区的70%，实现在氢气反应区的70%以上区域，阳极氢气流与散热空气流平行同向。
进一步的，空气中部流道区5的阴极空气流道的区域大于空气反应区的50%，实现在空气反应区的50%以上区域，阴极空气流与散热空气流平行同向。优选的，所述空气中部流道区5的区域大于空气反应区的70%，实现在空气反应区的70%以上区域，阴极空气流与散热空气流平行同向。
所述氢气中部流道区2和空气中部流道区5的占比越大，水热平衡效果越好，通过阳极氢气流道及阴极空气流道的90度转向，使阳极氢气流、阴极空气流与散热空气流平行甚至同向。进一步的，平行同向是能够发挥更好的效果，根据实际情况的走向也能够实现平行逆向。
所述氢进流道区1与氢气中部流道区2的第一分隔线从上到下斜向布置，氢出流道区3与氢气中部流道区2的第二分隔线平行于第一分隔线，通过第一分隔线、第二分隔线和氢气中部流道区2左右两侧的分隔线，使得氢气中部流道区2的形状为平行四边形。所述第一分隔线和第二分隔线，接近空气出口的位置高度，高于接近空气进口的位置高度。
同理，所述空进流道区4与空气中部流道区5的第三分隔线从上到下斜向布置，空出流道区6与空气中部流道区5的第四分隔线平行于第三分隔线，通过第三分隔线、第四分隔线和空气中部流道区5左右两侧的分隔线，使得空气中部流道区5的形状为平行四边形。所述第三分隔线和第四分隔线，接近氢气出口的位置高度，高于接近氢气进口的位置高度。
通过上述布置，阴极空气流道的空气入口和阳极氢气流道的氢气入口，都靠近较冷的散热空气流道的散热空气入口，使得入口区域成为干冷区域，既不易把催化剂水淹，也不易把质子交换膜吹干。阴极空气流道的空气出口和阳极氢气流道的氢气出口，都靠近较热的散热空气流道的散热空气出口，使得出口区域成为湿热区域，既不易把催化剂水淹，也不易把质子交换膜吹干。
进一步的，与散热空气流道垂直的空气中部流道区5的槽深，是与散热空气流道平行的空进流道区4和/或空出流道区6的槽深的至少两倍。
进一步的，与散热空气流道垂直的氢气中部流道区2的槽深，是与散热空气流平行的氢进流道区1和/或氢出流道区3的槽深的至少两倍。
如图7所示，本发明的实施例中，阴极空气流道对应的阴极空气流场板11，和阳极氢气流道对应的阳极氢气流场板13之间，依次设置有阴极气体扩散层12、涂覆有催化剂的质子交换膜15、阳极气体扩散层14，气体从主流道通过干线流道进入到极板流场区的支线流道16。
在反应区的75%的区域，阴极空气流与散热空气流平行同向，其余25%的区域，阴极空气流与散热空气流垂直。在反应区的75%的区域，阳极氢气流与散热空气流平行同向，其余25%的区域，阳极氢气流与散热空气流垂直。
而在靠近散热空气进口和靠近散热空气出口的一小部分区域中，阳极氢气流与阴极空气流平行逆向，能略为起到逆流增湿的作用，进一步优化等温区的干湿分布。本领域技术人员公知，阴极空气流的下游，湿度相对较高，反应产生的水份可以通过质子交换膜渗透到阳极侧，被逆向的阳极氢气流带到湿度相对较低的阴极空气流的上游所对应的阳极侧，补偿此处的质子交换膜较为干燥的问题。
与散热空气流垂直的阴极空气流的槽深，是与散热空气流平行的阴极空气流道的槽深的2.5倍。从图中可以看到阳极氢气流道和阴极空气流道，每一根干线流道，都对应5根支线流道，流量是支线流道的5倍，因此需要更大的截面积。
进一步的，与散热空气流垂直的阳极氢气流的槽深，是与散热空气流平行的阳极氢气流道的槽深的2.5倍。
图7显示的是单电池细节，包含了阴极空气流场板11和阳极氢气流场板13。实际的燃料电池，为了得到足够高的电压和足够大的功率，通常由多片单电池堆叠组成电堆。因此，下方单电池的11与上方单电池的13贴合成为双极板，夹在两者之间的流道即为冷却空气流道。
所述空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，优化了水热平衡布局，消除了湿冷区域和干热区域，提高了对催化剂和质子交换膜的利用效率，提高了电流密度。
Claims (6)
1.一种空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：包括左侧设置的空气进口、氢气出口，右侧设置的氢气进口、空气出口，两侧中部为内设阳极氢气流道、阴极空气流道和散热空气流道的反应区，所述反应区包括氢气反应区和空气反应区；
氢气反应区包括氢进流道区、氢气中部流道区和氢出流道区，所述氢进流道区的阳极氢气流道和氢出流道区的阳极氢气流道平行设置，氢气中部流道区的阳极氢气流道垂直于氢进流道区和氢出流道区的阳极氢气流道；
空气反应区包括空进流道区、空气中部流道区和空出流道区，所述空进流道区的阴极空气流道和空出流道区的阴极空气流道平行设置，空气中部流道区的阴极空气流道垂直于空进流道区和空出流道区的阴极空气流道；
所述阴极空气流道的空气入口和阳极氢气流道的氢气入口，都接近散热空气流道的散热空气入口；阴极空气流道的空气出口和阳极氢气流道的氢气出口，都接近散热空气流道的散热空气出口；
所述氢气中部流道区的阳极氢气流道平行于散热空气流道，空气中部流道区的阴极空气流道平行于散热空气流道；
所述氢进流道区与氢气中部流道区的第一分隔线从上到下斜向布置，氢出流道区与氢气中部流道区的第二分隔线平行于第一分隔线，所述第一分隔线和第二分隔线，接近空气出口的位置高度，高于接近空气进口的位置高度；
所述空进流道区与空气中部流道区的第三分隔线从上到下斜向布置，空出流道区与空气中部流道区的第四分隔线平行于第三分隔线，所述第三分隔线和第四分隔线，接近氢气出口的位置高度，高于接近氢气进口的位置高度。
2.根据权利要求1所述的空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：所述氢气中部流道区的区域大于氢气反应区的50%。
3.根据权利要求1所述的空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：所述空气中部流道区的区域大于空气反应区的50%。
4.根据权利要求1所述的空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：所述氢气中部流道区和空气中部流道区的形状为平行四边形。
5.根据权利要求1所述的空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：所述空气进口位于氢气出口下方，所述氢气进口位于空气出口的下方。
6.根据权利要求1所述的空气冷却燃料电池的阴极封闭式结构，其特征在于：阳极氢气流道的右端接所述氢气进口，左端接所述氢气出口；阴极空气流道的左端接所述空气进口，右端接所述空气出口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |