[發明專利]一種質子交換膜燃料電池雙極板結構、燃料電池電堆及其控制方法

在審

• 申請號: 201710897738.6
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107546393A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 陳莉;周嵬;王潔
• 申請（專利權）人: 陳莉
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/0213;H01M8/0226;H01M8/0265;H01M8/04007;H01M8/04029;H01M8/04225;H01M8/04701;H01M8/2483
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司32243
• 代理人: 鄧唯

技術領域

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池雙極板結構、燃料電池電堆及其控制方法，屬于質子交換膜燃料電池技術領域。

背景技術

質子交換膜燃料電池（proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC）是一種直接將燃料中的化學能轉化成電能而不經過燃燒的電化學發電裝置，具有清潔、高效、節能、環保、結構簡單、啟動速度快、能量轉換效率高、燃料來源廣、燃料補給速度快、適用范圍廣等特性而得到了廣泛關注。

燃料電池實質上是一種電、熱、水三聯產的開放性能量轉換裝置，工作方式上類似于內燃機，而工作原理上類似于化學電源。PEMFC電堆在產生電能的同時會排放出大量的熱能，因此，必須通過合理的散熱設計來維持正常工作溫度，否則電堆內部溫度過高導致電堆失效，甚至發生爆炸危險。PEMFC電堆的散熱通常采用水冷法或空冷法。水冷法是通過冷卻液體將電堆中產生的熱量帶出，進入電堆外部的冷卻循環管路，通過外部換熱將冷卻液體進行冷卻，冷卻后的冷卻液體再通過循環管路返回電堆；空冷法是通過將常溫空氣強制流經電堆將電堆中產生的熱量帶出。水冷法散熱效果較好，因此可應用于交通、大型發電、固定式的熱電聯產等大功率耗電領域，但是其缺點是對系統的要求較高，需要匹配龐大的冷卻系統，還需要額外的復雜且價格昂貴的空氣供給系統，這些無疑加大了系統的成本，同時降低了系統的比功率，阻礙了燃料電池的商業化推廣及應用。而對于空冷型PEMFC電堆，雖然其輔助系統相對簡單，但是空冷法的散熱效果不好，電堆內溫度分布很不均勻，難以實現電堆的長時間穩定運行。另外，目前的空冷型PEMFC電堆的空氣流場均采用普通的平行直流道，空氣強制流入電堆后只能依靠氣體擴散到達三相反應區參與反應，不利于提高電堆的比功率。

近幾年來，成本和耐久性方面的技術進步使燃料電池處于產業化的邊緣，燃料電池的冷啟動問題因而變得更加突出，特別是對應用于汽車和野外基站的燃料電池而言，實現電池冰點下快速啟動和盡可能地減輕或者消除低溫對電池的破壞是一個急需解決的問題。在冰點以下的低溫環境中，電池內部的液態水發生凍結將會對電池產生惡劣的影響，如啟動困難、啟動緩慢甚至啟動失敗，以及多次啟動后可能造成內部結構出現損傷和破環，造成性能衰減等諸多問題。然而，質子交換膜燃料電池堆的低溫冷啟動是燃料電池系統實際應用必然會經歷的過程。目前，為了解決燃料電池的冷啟動，研究者們都傾向于在單電池與極板之間嵌入電加熱原件，這種辦法在解決了燃料電池的冷啟動問題的同時，使電池的設計變得更加復雜。

此外，燃料電池運行過程中受到的各種振動沖擊負荷導致的燃料電池端板變形、端板在電堆內部預緊力的作用下發生的形變等，會嚴重影響燃料電池電堆內部預緊力分布的均勻性，從而影響燃料電池的基本發電性能、穩定性及使用壽命。因此，高強度、輕質化的端板有利于提高燃料電池的性能與能量密度。

發明內容

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池雙極板結構、燃料電池電堆及其控制方法，使用集空冷與液體冷卻為一體的雙極板具有雙重冷卻功能，簡化了輔助冷卻系統，提高了電堆內溫度分布的均勻性，同時易于實現低溫條件下的快速冷啟動；通過在雙極板材料中引入石墨烯可提高雙極板的導電性；陰極板流場的流道采用周期性的漸變式截面，可提升三相反應區表面的氧分壓；多孔氣體擴散層在氣體流動方向上具有梯度化疏水能力，提高了燃料電池堆的穩定性；采用多孔網狀結構的陰極加強層具有較高的強度、較強的導電性、優異的耐腐蝕性，提高了電堆的功率、穩定性及使用壽命。

本發明的第一個方面，提供了：

一種質子交換膜燃料電池雙極板結構，是由陽極板和陰極板層疊而成；陽極板的正面設有氫氣流場；陰極板的正面設有空氣流道，空氣流道是由多條空氣流道溝槽所構成；陰極板的背面設有冷卻液流道，冷卻液流道是由多條冷卻液流道溝槽所構成。

在一個實施例中，空氣流道溝槽與冷卻液流道溝槽之間不平行。

在一個實施例中，空氣流道溝槽與冷卻液流道溝槽在雙極板所在平面的投影之間為相互垂直。

在一個實施例中，冷卻液流道溝槽嵌入空氣流道溝槽中；使得空氣流道溝槽的橫截面呈周期性的變化。

在一個實施例中，所述的氫氣流場為平行流場或蛇形流場，流場的槽深為0.2～0.6mm，流場的槽寬為0.4～1.8mm，流場的脊寬為0.5～2.0mm。

在一個實施例中，空氣流道溝槽30的槽深為1.5mm～3.5mm，槽寬為1.5～3.5mm，脊寬為1.5～3.5mm。