CN109494385B - 一种交叉型流场的单电池及质子交换膜燃料电池电堆结构 - Google Patents

一种交叉型流场的单电池及质子交换膜燃料电池电堆结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交叉型阴极流场板，阴极流场板的一侧开设两个平行的交叉流道A和交叉流道B，以及镂空沟槽，所述交叉流道A、交叉流道B和镂空沟槽之间均分别通过阴极流道肩分隔，在阴极流场板上开有与交叉流道A连通的阴极流场板空气入口A、与交叉流道B连通的阴极流场板空气入口B，以及阴极流场板氢气入口和阴极流场板氢气出口。本发明还公开了一种交叉型流场的单电池结构和一种交叉型流场的质子交换燃料电池堆结构。本发明的有益效果为：本发明在单电池的阴极流场板上设计平行交叉流道和镂空沟槽，使阴极侧的反应气体通过阴极流场板上的空气入口到达平行交叉流道中并进入膜电极中进行反应，反应过程中的剩余空气和水通过阴极流道肩与膜电极交界处，以强制对流的形式进入镂空沟槽中，并通过通槽排出燃料电池外部。

Description

一种交叉型流场的单电池及质子交换膜燃料电池电堆结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种交叉型流场的单电池及质子交换膜燃料电池电堆结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池是将氢气与氧气的化学能直接转化为电能的电化学发电装置,最终主要反应产物只有水。在环境污染和能源日益紧张的今天，燃料电池以其环境友好、能量转化效率高等特点，有望成为化石燃料的替代能源而越来越受各国政府的重视。
质子交换膜燃料电池是目前应用最为广泛的、研究最多的燃料电池类型之一。在实际使用过程中都是将多个单电池串联叠加在一起的，最后用端板配合紧固件(通常为螺栓)将内部结构紧密装配在一起。电堆内部各级单电池主要是由两块双极板、膜电极、气体扩散层、催化层以及密封件组成。燃料电池双极板一般采用石墨极板或者是金属极板，双极板两侧的流场分别为氧化剂(氧气)与燃料(氢气)的通道，以确保氧化剂与燃料能均匀分配到膜电极各处，发生还原与氧化反应而产生电流。在运行过程中，燃料电池内部发生的氧化还原反应会产生大量的热量和反应产物水，水热管理技术直接影响燃料电池的性能与寿命，尤其对于大型的燃料电池电堆的运行，水热管理不当往往导致电池性能的显著下降甚至整个电池***崩溃。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑、排水效率高的交叉型流场的单电池及质子交换膜燃料电池电堆结构。
本发明采用的技术方案为：一种交叉型阴极流场板，所述阴极流场板的一侧开设两个平行的交叉流道A和交叉流道B，以及镂空沟槽，所述交叉流道A、交叉流道B和镂空沟槽之间均分别通过阴极流道肩分隔，在阴极流场板上开有与交叉流道A连通的阴极流场板空气入口A、与交叉流道B连通的阴极流场板空气入口B，以及阴极流场板氢气入口和阴极流场板氢气出口。
按上述方案，所述阴极流场板的另一侧开有与镂空沟槽连通的一个通槽。
按上述方案，所述通槽外侧配设吹风机。
按上述方案，所述交叉流道A包括一个横向流道A和多个纵向流道A；所述交叉流道B包括一个横向流道B和多个纵向流道B，所述纵向流道A与横向流道A连通，且自横向流道A向横向流道B延伸；所述纵向流道B与横向流道B连通，且自横向流道B向横向流道A的方向延伸。
按上述方案，所述镂空沟槽整体呈蛇形结构，其包括多个间隔布置且依次连通的纵向流道C，所述纵向流道B/纵向流道A、阴极流道肩34、纵向流道C、纵向流道A/纵向流道B依次排布。
本发明还提供了一种交叉型流场的单电池结构，包括依次装配的如上所述的阴极流场板，以及阴极内垫圈、膜电极、阳极内垫圈、阳极流场板；反应的空气经阴极流场板空气入口进入阴极流场板交叉流道，再从阴极流场板交叉流道进入膜电极中进行电化学反应；反应剩余的空气通过阴极流场板的流道肩下部位进入到镂空沟槽中，再从镂空沟槽进入阴极流场板的通槽中排出到电池外部；反应的氢气经阳极流场板氢气入口进入阳极流场板的蛇形流道中，再从阳极流场板的蛇形流道进入膜电极中进行电化学反应；反应剩余的氢气经阳极内垫圈、膜电极和阴极内垫圈后与阴极流场板氢气出口连通。
本发明还提供了一种交叉型流场的质子交换燃料电池堆结构，包括叠加装配于一体的阴极端板、阴极密封圈、多个依次串联的如上所述单电池结构、阳极密封圈和阳极端板，相邻两个单电池结构中，其中一个单电池结构的阳极流场板与另一个单电池结构的阴极流场板相连，且与阴极流场板相连的阳极流场板上对应开设连通空气和氢气的管道。
本发明的有益效果为：
1、本发明在单电池的阴极流场板上设计平行交叉流道和镂空沟槽，使阴极侧的反应气体通过阴极流场板上的空气入口到达平行交叉流道中并进入膜电极中进行反应，反应过程中的剩余空气和水通过阴极流道肩与膜电极交界处，以强制对流的形式进入镂空沟槽中，并通过通槽排出燃料电池电堆外部，排水效率高；
2、本发明在通槽外配置吹风机，利用外部空气吹扫的方式，将空气从阴极流场板的一个侧面吹入到阴极流场板的通槽中，并从阴极流场板的另一个侧面排出，这种空气吹扫方式不但可以加速流场板中的水快速排出，提高燃料电池电堆的水管理性能，而且可以将燃料电池中的热量快速带出，从而实现燃料电池的热管理；
3、本发明所述流场板采用金属材质，在电堆内部各相邻单电池之间的阴极流场板和阳极流场板是通过压力焊形式连接在一起，使得燃料电池的阴极和阳极的流场结构可以单独进行设计，互不影响；
4、本发明所述流场板整体结构简单，便于加工；所述水管理结构整体结构紧凑，实用性强，可以广泛应用于多种规格的燃料电池电堆中，并且能有效提高燃料电池电堆中的水热管理性能的结构设计。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。
图2为本发明阴极端板结构示意图。
图3为本发明阴极密封圈结构示意图。
图4为本发明阴极流场板的前视图。
图5为阴极流场板的后视图。
图6为阴极流场板的俯视图。
图7为本发明阴极内垫圈结构示意图。
图8为本发明膜电极结构示意图。
图9为本发明阳极内垫圈结构示意图。
图10为本发明阳极流场板结构示意图。
图11为本发明阳极流场板与阴极流场板连接结构示意图。
图12为本发明阳极密封圈结构示意图。
图13为本发明阳极端板结构示意图。
图14为本发明质子交换膜燃料电池电堆结构侧视图。
其中：1、阴极端板；11、阴极端板空气入口；12、阴极端板空气入口；13、阴极端板氢气出口；2、阴极密封圈；21、阴极密封圈空气入口；22、阴极密封圈空气入口；23、阴极密封圈氢气出口；3、阴极流场板；31、平行交叉流道；32、平行交叉流道；33、镂空沟槽；34、阴极流道肩；35、阴极流场板空气入口；36、阴极流场板空气入口；37、通槽；38、阴极流场板氢气出口；39、阴极流场板氢气入口；4、阴极内垫圈；41、阴极内垫圈空气入口A；42、阴极内垫圈空气入口B；43、阴极内垫圈氢气出口；44、阴极内垫圈氢气入口；5、膜电极；51、膜电极空气入口A；52、膜电极空气入口B；53、膜电极氢气出口；54、膜电极氢气入口；6、阳极内垫圈；61、阳极内垫圈空气入口A；62、阳极内垫圈空气入口B；63、阳极内垫圈氢气出口；64、阳极内垫圈氢气入口；7、阳极流场板；71、蛇形流道；72、阳极流场板氢气入口；73、阳极流场板空气入口A；74、阳极流场板空气入口B；75、阳极流场板氢气出口；8、阳极密封圈；81、阳极密封圈氢气入口；9、阳极端板；91、阳极端板氢气入口。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1和图14所示，一种交叉型流场的质子交换膜燃料电池堆结构，包括叠加装配于一体的阴极端板1、阴极密封圈2、多个依次串联的单电池结构(本实施例中单电池1号，单电池2号，…单电池N号依次串联)、阳极密封圈8和阳极端板9，每个单电池结构包括阴极流场板3、阴极内垫圈4、膜电极5、阳极内垫圈6、阳极流场板7，其中阴极流场板3为交叉型流场板；相邻两个单电池结构中，其中一个单电池结构的阳极流场板7与另一个单电池结构的阴极流场板3相连，且与阴极流场板3相连的阳极流场板7上对应开设连通空气和氢气的管道。通过改变单电池依次叠加的数目实现燃料电池电堆的扩容。
如图2所示，在阴极端板1上开有三个通孔，分别作为阴极端板空气入口A11、阴极端板空气入口B12和阴极端板氢气出口13。如图3所示，在阴极密封圈2上开有三个通孔，分别作为阴极密封圈空气入口A21、阴极密封圈空气入口B22和阴极密封圈氢气出口23，所述阴极密封圈空气入口A21、阴极密封圈空气入口B22和阴极密封圈氢气出口23的位置分别与阴极端板空气入口A11、阴极端板空气入口B12和阴极端板氢气出口13的位置对应。阴极密封圈2可防止气体在阴极端板1与单电池之间传递的过程中发生泄漏。
如图4～6所示，单电池1号的阴极流场板3为交叉型阴极流场板，其一侧开设两个平行的交叉流道A31和交叉流道B32，以及镂空沟槽33，交叉流道A31、交叉流道B32和镂空沟槽33之间均分别通过阴极流道肩34分隔，在阴极流场板3上开有与交叉流道A31连通的阴极流场板空气入口A35、与交叉流道B32连通的阴极流场板空气入口B36，以及阴极流场板氢气出口13，所述阴极流场板空气入口A35、阴极流场板空气入口B36和阴极流场板氢气出口38分别与端板空气入口A11、端板空气入口B12和端板氢气出口13对应设置。优选地，在阴极流场板3的另一侧开有与镂空沟槽33连通的一个通槽37，作为反应剩余空气和产物水的排出通道以及空气冷却通道。优选地，通槽37的外侧配置吹风机。
优选地，所述交叉流道A31包括一个横向流道A和多个纵向流道A；所述交叉流道B32包括一个横向流道B和多个纵向流道B，所述纵向流道A与横向流道A连通，且自横向流道A向横向流道B延伸；所述纵向流道B与横向流道B连通，且自横向流道B向横向流道A的方向延伸。优选地，所述镂空沟槽33整体呈蛇形结构，其包括多个间隔布置且依次连通的纵向流道C，所述纵向流道B/纵向流道A、阴极流道肩34、纵向流道C、纵向流道A/纵向流道B依次排布。
如图7所示，单电池1号中，阴极内垫圈4上开设有阴极内垫圈空气入口A41、阴极内垫圈空气入口B42以及阴极内垫圈氢气出口A43，阴极内垫圈空气入口A41、阴极内垫圈空气入口B42以及阴极内垫圈氢气出口A43分别与与端板空气入口A11、端板空气入口B12和端板氢气出口13对应设置。
如图8所示，单电池1号中，膜电极5上开有膜电极空气入口A51、膜电极空气入口B52和膜电极氢气出口53，膜电极空气入口A51、膜电极空气入口B52和膜电极氢气出口53分别与端板空气入口A11、端板空气入口B12和端板氢气出口13对应设置。
如图9所示，在单电池1号中，阳极内垫圈6上开设有阳极内垫圈空气入口A61和阳极内垫圈空气入口B62以及阳极内垫圈氢气出口63，阳极内垫圈空气入口A61和阳极内垫圈空气入口B62以及阳极内垫圈氢气出口63分别与端板空气入口A11、端板空气入口B12和端板氢气出口13对应设置。
如图10所示，阳极流场板7的一侧面有蛇形流道A71作为氢气的流道，在阳极流场板7上开有与蛇形流道A71连通的阳极流道板氢气入口72，以及阳极流道板空气入口A73、阳极流道板空气入口B74和阳极流道板氢气出口A75，所述阳极流道板空气入口A73、阳极流道板空气入口B74和阳极流道板氢气出口A75分别与与端板空气入口A11、端板空气入口B12和端板氢气出口13对应设置。
如图11所示，在单电池1号中，阳极流场板7上没有流道的一面与单电池2号的阴极流场板3上开有通槽37的一面通过压力焊连接在一起，单电池2号的阳极流场板7上没有流道的一面与单电池3号的阴极流场板3上开有通槽37的一面通过压力焊连接在一起，以此类推，单电池N-1号的阳极流场板7上没有流道的一面与单电池N号的阴极流场板3上开有通槽的一面通过压力焊连接在一起。通过这种连接方式，从而实现燃料电池电堆中多个单电池的依次叠加。
如图12所示，在阳极密封圈8上开有阳极密封圈氢气入口81，阳极密封圈氢气入口81与单电池A号中的阳极流场板氢气入口72对应设置。阳极密封圈8防止气体在阳极端板与单电池N号之间传递的过程中发生泄漏。
如图13所示，在阳极端板9上开有阳极端板氢气入口91，阳极端板氢气入口91与阳极密封圈氢气入口81对应设置。
本发明中，单电池2号至单电池N号中，各阴极流场板上除配置有阴极流场板空气入口A35、阴极流场板空气入口B36和阴极流场板氢气出口38之外，还配置阴极流场板氢气入口39，其余各单电池的其他配置均与单电池1号中的阴极流场板3配置相同。单电池2号至单电池N-1号中，各阳极流场板7的配置与单电池1号中的阳极流场板7上的配置一致。单电池N号中的阳极流场板7上的配置有阳极流场板氢气入口72，无空气入口A和B，也没有氢气出口，其他配置均与单电池1号中的阳极流场板7上的配置相同。
本发明中，单电池2号至单电池N-1号中，各阴极内垫圈4上除配置有阴极内垫圈空气入口A41、阴极内垫圈空气入口B42和阴极内垫圈氢气出口43之外，还配置有阴极内垫圈氢气入口44，且单电池N号的阴极内垫圈4上配置有阴极内垫圈氢气入口A44和阴极内垫圈氢气出口43，无阴极内垫圈空气入口A41、阴极内垫圈42，其余各单电池阴极内垫圈4的其他配置均与单电池A号中的阴极内垫圈4上的配置相同。单电池2号至单电池N-1号中，各膜电极上除配置有膜电极空气入口A51、膜电极空气入口B52和膜电极氢气出口53之外，还配置有膜电极氢气入口54，且单电池N号中的膜电极上配置有膜电极氢气入口54和膜电极氢气出口53，无膜电极空气入口A51和膜电极空气入口B52，其余各单电池的膜电极5配置均与单电池1号中的膜电极5配置相同。单电池2号至单电池N-1号中，阳极内垫圈6上配置有配置有阳极内垫圈空气入口61、阳极内垫圈62、阳极内垫圈氢气出口63和阳极内垫圈氢气入口64；单电池N号中的阳极内垫圈6上配置有阳极内垫圈氢气入口64和阳极内垫圈氢气出口63.无阳极内垫圈空气入口A61、阳极内垫圈空气入口B62，其余各单电池的阳极内垫圈6配置均与单电池1号中的阳极内垫圈6配置相同。单电池2号至单电池N-1号中，阳极流场板7的配置与单电池1号中的阳极流场板7相同；单电池N号中，阳极流场板7设有阳极流场板氢气入口72，无阳极流场板空气入口A73、阳极流场板空气入口B74以及阳极流场板氢气出口75，其他配置均与单电池1号中的阳极流场板7配置相同。
质子交换膜燃料电池堆结构包括叠加装配于一体的阴极端板1、阴极密封圈2、多个依次串联的单电池结构、阳极密封圈8和阳极端板9，相邻两个单电池结构中，其中一个单电池结构的阳极流场板7与另一个单电池结构的阴极流场板3相连，且与阴极流场板3相连的阳极流场板7上对应开设连通空气和氢气的管道。所述质子交换膜燃料电池堆结构的工作原理为：
1、阴极侧
阴极侧的反应气体空气经阴极端板1、阴极密封圈2和紧邻阴极端板的单电池1号中的阴极流场板3上的阴极流场板空气入口A35和阴极流场板空气入口B36到达交叉流道A31和交叉流道B32，随后进入膜电极5中进行电化学反应；反应剩余的一部分空气和产物水经过阴极流道肩34与膜电极5交界处，以强制对流的形式进入镂空沟槽33中，并通过通槽37排至到燃料电池电堆外部，防止燃料电池电堆内部发生水淹，实现燃料电池电堆的水管理；另一部分剩余空气通过阴极内垫圈4、膜电极5、阳极内垫圈6和阳极流场板7后进入到下一个单电池(也即单电池2号)的阴极流场板3上的两个空气入口，随后进入阴极流场板的两个交叉流道并到达膜电极5中继续进行电化学反应，除了排出到电池外部的剩余空气之外，其余剩余空气以此循环往复直至到达紧邻阳极端板9的单电池(也即单电池N号)中，在紧邻阳极端板9的单电池中反应剩余的全部空气和产物水经过阴极流道肩34与膜电极5交界处，以强制对流的形式进入镂空沟槽33中，并通过通槽37排出到燃料电池电堆外部。
2、阳极侧
阳极侧的反应气体氢气经阳极端板9、阳极密封圈8和紧邻阳极端板的单电池N号中的阳极流场板7上的阳极流场板氢气入口72到达蛇形流道71中，随后进入膜电极5中进行电化学反应；在单电池N号中反应剩余氢气的一部分经阳极内垫圈氢气出口63、膜电极氢气出口53、阴极内垫圈氢气出口43和阴极流场板氢气出口38后进入下一个单电池(也即单电池N-1号)的阳极流场板氢气出口75，依次循环往复并最终排出到燃料电池外部；在单电池N号中反应剩余氢气的另一部分经阳极内垫圈氢气入口64、膜电极氢气入口54、阴极内垫圈氢气入口44和阴极流场板氢气入口39后进入下一个单电池(也即单电池N-1号)的阳极流场板氢气入口72，随后进入阳极流场板蛇形流道71到达膜电极5中继续进行电化学反应，除了排出到电池外部的剩余氢气之外，其余剩余氢气以此循环往复直至到达紧邻阴极端板1的单电池(也即单电池1号)中，在紧邻阴极端板1的单电池中反应剩余的全部氢气通过阴极密封圈2和阴极端板1排出到电池堆外部。
此外，从阴极流场板3上的通槽37的一侧利用外配的吹风机等装置向通槽37内吹扫空气，一方面可以将通槽37内部的水快速的吹扫出电堆外部；另一方面可以加速通槽37内的空气流动速度，从而将电堆内部的热量快速带出，加快燃料电池电堆的冷却速度，实现燃料电池电堆的水热管理。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是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 (6)

1.一种交叉型阴极流场板，其特征在于，所述阴极流场板的一侧开设两个平行的交叉流道A和交叉流道B，以及镂空沟槽，所述交叉流道A、交叉流道B和镂空沟槽之间均分别通过阴极流道肩分隔，在阴极流场板上开有与交叉流道A连通的阴极流场板空气入口A、与交叉流道B连通的阴极流场板空气入口B，以及阴极流场板氢气入口和阴极流场板氢气出口；所述阴极流场板的另一侧开有与镂空沟槽连通的一个通槽。
2.如权利要求1所述的交叉型阴极流场板，其特征在于，所述通槽外侧配设吹风机。
3.如权利要求1所述的交叉型阴极流场板，其特征在于，所述交叉流道A包括一个横向流道A和多个纵向流道A；所述交叉流道B包括一个横向流道B和多个纵向流道B，所述纵向流道A与横向流道A连通，且自横向流道A向横向流道B延伸；所述纵向流道B与横向流道B连通，且自横向流道B向横向流道A的方向延伸。
4.如权利要求3所述的交叉型阴极流场板，其特征在于，所述镂空沟槽整体呈蛇形结构，其包括多个间隔布置且依次连通的纵向流道C，所述纵向流道B/纵向流道A、阴极流道肩、纵向流道C、阴极流道肩、纵向流道A/纵向流道B依次排布。
5.一种交叉型流场的单电池结构，其特征在于，包括依次装配的权利要求1～4中任意一项所述的阴极流场板，以及阴极内垫圈、膜电极、阳极内垫圈、阳极流场板；反应的空气经阴极流场板空气入口进入阴极流场板交叉流道，再从阴极流场板交叉流道进入膜电极中进行电化学反应；反应剩余的空气通过阴极流场板的流道肩下部位进入到镂空沟槽中，再从镂空沟槽进入阴极流场板的通槽中排出到电池外部；反应的氢气经阳极流场板氢气入口进入阳极流场板的蛇形流道中，再从阳极流场板的蛇形流道进入膜电极中进行电化学反应；反应剩余的氢气经阳极内垫圈、膜电极和阴极内垫圈后与阴极流场板氢气出口连通。
6.一种交叉型流场的质子交换燃料电池堆结构，其特征在于，包括叠加装配于一体的阴极端板、阴极密封圈、多个依次串联的权利要求5所述单电池结构、阳极密封圈和阳极端板，相邻两个单电池结构中，其中一个单电池结构的阳极流场板与另一个单电池结构的阴极流场板相连，且与阴极流场板相连的阳极流场板上对应开设连通空气和氢气的管道。
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