水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和水冷質(zhì)子交換膜燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆以及包括該電堆的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池。該電堆包括：陰極流場，其為平行流場以及具有入口和出口，陰極流場豎直放置，流道方向從左到右或從右到左；陽極流場，其為水平蛇形流場以及入口和出口，陽極流場豎直放置，陽極流場的入口在陽極流場的出口上方，陽極流場的入口靠近陰極流場的出口，陽極流場的出口靠近陰極流場的入口；冷卻流場，為豎直蛇形流場以及具有入口和出口，冷卻流場的入口靠近陰極流場的出口，冷卻流場的出口靠近陰極流場的入口。通過使用平行陰極流場、水平蛇形陽極流場和豎直蛇形冷卻流場并采用上述流場布置方式，本發(fā)明的電堆在運行時氣體分布均勻，排水順暢并且運行穩(wěn)定。
【專利說明】水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和水冷質(zhì)子交換膜燃料電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，更具體地涉及水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和水冷質(zhì) 子交換膜燃料電池。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖1示出了一種典型的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池的原理圖。水冷質(zhì)子交換膜燃料 電池1包括核心部件--水冷電堆2。水冷質(zhì)子交換膜燃料電池1主要分為三個回路：陰極 回路，陰極的氧化劑，例如空氣，一般通過風(fēng)機3加壓且經(jīng)加濕器4加濕后送入水冷電堆2 ; 陽極回路，陽極的燃料，例如純度大于99. 999%的氫氣，進(jìn)入水冷電堆2后通過氣泵5進(jìn)行 循環(huán)；冷卻回路，冷卻劑，例如去離子水，通過液泵6進(jìn)行循環(huán)，并通過散熱器7和風(fēng)扇8進(jìn) 行散熱。
[0003] 圖2示出了圖1的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池的水冷電堆的示意圖。如圖所示，水 冷電堆2由膜電極9、陰極流場板10和陽極流場板11組成。膜電極9位于導(dǎo)電的流場板 10和11中間；流場板10和11既作為電流集流板，又作為膜電極9的機械支撐。陰極流場 板10在面對膜電極9的表面上設(shè)有陰極流場通道12,作為氧化劑進(jìn)入陰極的通道，又作為 帶走燃料電池運行過程中生成水的通道。陽極流場板11在面對膜電極9的表面上設(shè)有陽 極流場流道13,作為燃料進(jìn)入陽極的通道，又作為帶走燃料電池運行過程中生成水的通道， 還在另一相對表面上設(shè)有冷卻流場通道14,作為冷卻劑進(jìn)入冷卻表面的通道。
[0004] 為了保證質(zhì)子交換膜燃料電池1的性能和壽命，需要保持膜電極9各點性能一致。 因此需要保持膜電極9各點的氣體分布均勻、溫度分布均勻。如果氣體分布不一致、膜電極 9各點散熱條件不一致，會導(dǎo)致膜電極9各點實際性能有較大差異，嚴(yán)重時會導(dǎo)致膜電極9 中部分會出現(xiàn)局部過熱，甚至燒穿質(zhì)子交換膜9。如果燃料電池運行中生成的多余的水不能 及時排除，堵塞流道，會造成氣體流動受阻，氣體無法均勻分布。
[0005] 流場設(shè)計應(yīng)當(dāng)考慮如下要求：
[0006] (1)有較小的壓降，降低對電堆外圍設(shè)備的性能要求，如風(fēng)機、氣泵、液泵；
[0007] (2)陰極流場、陽極流場布局合理，保證氣體能均勻進(jìn)入到電堆正、負(fù)極，在電堆電 極中均勻分布；
[0008] (3)陰極流場、陽極流場能迅速將電堆運行中的產(chǎn)生的冷凝水排除；
[0009] (4)冷卻流場保證冷卻液分布均勻，使膜電極各點的溫度均勻一致。
[0010]目前極板流場的類型主要有蛇形流場、平行流場。
[0011] 蛇形流場是較早提出的一種流道形式，它的突出優(yōu)點是能迅速排除生成的液態(tài) 水，但其缺點也很明顯，對于面積比較大的流場，因其流道長度長、彎角多，而使得壓降大、 氣體濃度分布差別大，彎角處易積水，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率低。針對蛇形流場的這些問題，有 很多改進(jìn)專利，例如專利號CN03806839，其將流場分為主、副流場，雖然解決了氣體濃度差 的問題，但壓降依然很大。
[0012] 平行流場具有壓降低的特點，流道長度短，氣體濃度差別小，但流道中氣體的流動 和反應(yīng)情況的微小差別會對電池的整體性能造成擾動，容易出現(xiàn)性能不穩(wěn)定的情況。
[0013] 因此，需要解決電堆在低壓運行條件下的氣體均勻分布問題，堵水問題以及性能 不穩(wěn)定問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的就是提供一種在低壓運行條件下氣體均勻分布、不會堵水及性能穩(wěn) 定的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。
[0015] 上述目的是通過如下的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆實現(xiàn)的。所述水冷質(zhì)子交換 膜燃料電池電堆包括：陰極流場，其為平行流場以及具有入口和出口，所述陰極流場堅直放 置，流道方向從左到右或從右到左；陽極流場，其為水平蛇形流場以及具有入口和出口，所 述陽極流場堅直放置，所述陽極流場的入口在所述陽極流場的出口上方，所述陽極流場的 入口靠近所述陰極流場的出口，所述陽極流場的出口靠近所述陰極流場的入口；冷卻流場， 其為堅直蛇形流場以及具有入口和出口，所述冷卻流場的入口靠近所述陰極流場的出口， 所述冷卻流場的出口靠近所述陰極流場的入口。
[0016] 優(yōu)選地，所述陽極流場的入口位于陰極流場出口的上方，所述陽極流場的出口位 于所述陽極流場入口的下方。
[0017] 通過使用平行陰極流場、水平蛇形陽極流場和堅直蛇形冷卻流場并采用上述流場 布置方式，本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆在運行時氣體分布均勻，排水順暢并且 運行穩(wěn)定。
[0018] 另一方面，本發(fā)明還提供一種包括上述水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的水冷質(zhì)子 交換膜燃料電池。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 本發(fā)明的上述以及其他目的和優(yōu)點通過參考以下附圖且以實施例的方式會更加 明顯，在附圖中：
[0020] 圖1示出了一種典型的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池的原理圖。
[0021] 圖2示出了圖1的質(zhì)子交換膜燃料電池的水冷電堆的示意圖。
[0022] 圖3示出了本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極流場的示意圖。
[0023] 圖4示出了圖3的陰極流場的流道的局部立體圖。
[0024] 圖5示出了陰極蛇形流場與本發(fā)明的陰極平行流場的壓降對比圖。
[0025] 圖6示出了使用陰極蛇形流場與使用本發(fā)明的陰極平行流場的電堆的運行圖。
[0026] 圖7示出了本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陽極流場的示意圖。
[0027] 圖8示出了圖7的陽極流場的流道的局部立體圖。
[0028] 圖9示出了陽極堅直蛇形流場與本發(fā)明的陽極水平蛇形流場的壓降對比圖。
[0029] 圖10示出了使用陽極堅直蛇形流場與本發(fā)明的陽極水平蛇形流場的電堆的運行 圖。
[0030] 圖11示出了本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的冷卻流場的示意圖。
[0031] 圖12示出了圖11的冷卻流場的流道的局部立體圖。
[0032] 圖13示出了本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陽極流場、陰極流場和冷 卻流場的布局圖。
[0033] 圖14示出了本發(fā)明的一個實施例的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的立體圖【具體實施方式】
[0034] 下文將參照附圖以舉例的方式描述本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆組件。 然而，應(yīng)理解，下面的實施例和附圖僅是舉例性的，并不限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍 應(yīng)由所附帶的權(quán)利要求限定。另外，為清楚起見，附圖未按比例繪制。
[0035] 本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆100包括陰極流場20、陽極流場30和冷卻 流場40。
[0036] 陰極流場
[0037] 圖3示出了本發(fā)明的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的陰極流場的示意圖。圖4示 出了圖3的陰極流場的流道的局部立體圖。
[0038] 如圖3所示，陰極流場20的形狀為長方形，陰極流場20采用平行流場。主要參數(shù) 如下：
[0039] 長度Ll范圍：28〇mm〈Ll〈38〇mm;
[0040] 寬度Wl范圍：6〇mm〈Wl〈8〇mm;
[0041]長與寬的比值L1/W1 范圍：4. 0〈L1/W1〈5. 0;
[0042] 流道數(shù)量nl范圍：20〈nl〈25。
[0043] 如圖4所示，單個流道22的參數(shù)如下：
[0044] 長度Lll范圍：28〇mm〈Lll〈38〇mm;
[0045]流道槽深度Hl范圍：0·3mm〈Hl〈0. 7mm;
[0046] 流道槽寬度Wll范圍：1. 2mm〈Wll〈l. 8mm;
[0047] 流道臺階寬度W12 范圍：1. 2mm〈W12〈l. 8mm;
[0048] 流場槽、流道臺階的寬度比W11/W12范圍：0·7〈W11/W12彡I.0 ;
[0049] 槽深與槽寬的比值H1/W11范圍：0.2〈H1/W11〈0.4。
[0050] 此設(shè)計可以保證排除電堆運行過程中陰極生成的液態(tài)水珠和水柱的壓力需要，且 陰極流場的壓降控制在很低的水平，降低對陰極風(fēng)機的需求。
[0051] 陰極流場的比較例和實施例
[0052] 本發(fā)明的陰極流場與相同面積的一蛇形陰極流場的具體參數(shù)如下：
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，其特征在于，該電堆包括： 陰極流場，其為平行流場W及具有入口和出口，所述陰極流場豎直放置，流道方向從左 到右或從右到左； 陽極流場，其為水平蛇形流場W及具有入口和出口，所述陽極流場豎直放置，所述陽極 流場的入口在所述陽極流場的出口上方，所述陽極流場的入口靠近所述陰極流場的出口， 所述陽極流場的出口靠近所述陰極流場的入口； 冷卻流場，其為豎直蛇形流場W及具有入口和出口，所述冷卻流場的入口靠近所述陰 極流場的出口，所述冷卻流場的出口靠近所述陰極流場的入口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電堆，其特征在于，所述陽極流場的入口位于陰極流場出口 的上方，所述陽極流場的出口位于所述陽極流場入口的下方。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電堆，其特征在于，所述陰極流場的長度11，寬度W1，長 與寬的比值L1/W1，W及流道數(shù)量nl滿足W下條件： 280mm<LK380mm ； 60mm<Wl<80mm ; 4. 0<L1/W1<5. 0 ; 20<nl<25, 所述陰極流場的單個流道的長度Lll，流道槽深度HI,流道槽寬度化1，流道臺階寬度 化2,流場槽、流道臺階的寬度比值W11/W12 W及槽深與槽寬的比值H1/W11滿足W下條件： 280mm<LlK380mm ； 0. 3mm<Hl<0. 7mm ; 1. 2mm<Wll<l. 8mm ; 1. 2mm<W12<l. 8mm ; 0. 7<W11/W12《1. 0 ; 0. 2<H1/W1K0. 4。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電堆，其特征在于，所述陽極流場的長度L2,寬度W2,長與寬 的比值L2/W2, W及流道數(shù)量n2滿足W下條件： 280mm<L2<380mm ； 60mm<W2<80mm ； 4. 0<L2/W2<5. 0 ; 5<n2<10 ； 所述陽極流場的單個流道的長度L21，流道槽深度H2,流道槽寬度W21，流道臺階寬度 W22,直角彎數(shù)量N，流場槽、流道臺階的寬度比值W21/W22 W及槽深與槽寬的比值肥/W21 滿足W下條件： 950mm<L21<1100mm ； 0. 3111111<肥<0. 6mm ; 1. 2mm<W11<1 8mm ； 1. 2mm<W12<l. 8mm ; N<8 ； 0. 7<W21/W22《1. 0 ; 0. 2<肥/胖21<0. 4。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電堆，其特征在于，所述冷卻流場的長度L3,寬度W3, W及流 道數(shù)量n3滿足W下條件： 280mm<L3<380mm ； 60mm<W2<80mm ； 8<n3<12, 所述冷卻流場的單個流道的長度L31，流道槽深度H3,流道槽寬度W31，流道臺階寬度 W32,流場槽、流道臺階的寬度比值W31/W32 W及槽深與槽寬的比值H3/W31滿足W下條件： 500mm<L31<550mm ； 0. 7mm<H3<l. 1mm ； 2. 0mm<W31<3. 0mm ; 1. 5mm<W32<2. 5mm ； 1.0<W31/W32<1.5 ; 0. 3<H3/W3K0. 5。
6. 水冷質(zhì)子交換膜燃料電池，其特征在于，包括至少一個如權(quán)利要求1-5中任一項所 述的水冷質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。
【文檔編號】H01M2/14GK104347888SQ201410543495
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】張?zhí)O, 歐陽洵, 毛崚 申請人:北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司