[發明專利]水冷質子交換膜燃料電池電堆和水冷質子交換膜燃料電池

有效

• 申請號: 201410543495.2
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104347888A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發明（設計）人: 張蘋;歐陽洵;毛崚
• 申請（專利權）人: 北京氫璞創能科技有限公司
• 主分類號: H01M8/24
• 分類號: H01M8/24;H01M8/04;H01M2/14
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 鄭建暉;楊勇

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，更具體地涉及水冷質子交換膜燃料電池電堆和水冷質子交換膜燃料電池。

背景技術

圖1示出了一種典型的水冷質子交換膜燃料電池的原理圖。水冷質子交換膜燃料電池1包括核心部件——水冷電堆2。水冷質子交換膜燃料電池1主要分為三個回路：陰極回路，陰極的氧化劑，例如空氣，一般通過風機3加壓且經加濕器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，進入水冷電堆2后通過氣泵5進行循環；冷卻回路，冷卻劑，例如去離子水，通過液泵6進行循環，并通過散熱器7和風扇8進行散熱。

圖2示出了圖1的水冷質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的表面上設有陰極流場通道12，作為氧化劑進入陰極的通道，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的表面上設有陽極流場流道13，作為燃料進入陽極的通道，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有冷卻流場通道14，作為冷卻劑進入冷卻表面的通道。

為了保證質子交換膜燃料電池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，會導致膜電極9各點實際性能有較大差異，嚴重時會導致膜電極9中部分會出現局部過熱，甚至燒穿質子交換膜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。

流場設計應當考慮如下要求：

(1)有較小的壓降，降低對電堆外圍設備的性能要求，如風機、氣泵、液泵；

(2)陰極流場、陽極流場布局合理，保證氣體能均勻進入到電堆正、負極，在電堆電極中均勻分布；

(3)陰極流場、陽極流場能迅速將電堆運行中的產生的冷凝水排除；

(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。

目前極板流場的類型主要有蛇形流場、平行流場。

蛇形流場是較早提出的一種流道形式，它的突出優點是能迅速排除生成的液態水，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，從而導致系統效率低。針對蛇形流場的這些問題，有很多改進專利，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。

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情況的微小差別會對電池的整體性能造成擾動，容易出現性能不穩定的情況。

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定問題。

發明內容

本發明的目的就是提供一種在低壓運行條件下氣體均勻分布、不會堵水及性能穩定的水冷質子交換膜燃料電池電堆。

上述目的是通過如下的水冷質子交換膜燃料電池電堆實現的。所述水冷質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。

優選地，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。

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，本發明的水冷質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定。

另一方面，本發明還提供一種包括上述水冷質子交換膜燃料電池電堆的水冷質子交換膜燃料電池。

附圖說明

本發明的上述以及其他目的和優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：

圖1示出了一種典型的水冷質子交換膜燃料電池的原理圖。

圖2示出了圖1的質子交換膜燃料電池的水冷電堆的示意圖。

圖3示出了本發明的水冷質子交換膜燃料電池電堆的陰極流場的示意圖。