[發明專利]一種交叉型流場的單電池及質子交換膜燃料電池電堆結構

有效

• 申請號: 201811493600.0
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109494385B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 陳濤;劉士華;謝屹;張繼偉;陳亞男;陳宇軒
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M8/0263
• 分類號: H01M8/0263;H01M8/0273;H01M8/04089;H01M8/2457
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明;周舒蒙

本發明公開了一種交叉型陰極流場板，陰極流場板的一側開設兩個平行的交叉流道A和交叉流道B，以及鏤空溝槽，所述交叉流道A、交叉流道B和鏤空溝槽之間均分別通過陰極流道肩分隔，在陰極流場板上開有與交叉流道A連通的陰極流場板空氣入口A、與交叉流道B連通的陰極流場板空氣入口B，以及陰極流場板氫氣入口和陰極流場板氫氣出口。本發明還公開了一種交叉型流場的單電池結構和一種交叉型流場的質子交換燃料電池堆結構。本發明的有益效果為：本發明在單電池的陰極流場板上設計平行交叉流道和鏤空溝槽，使陰極側的反應氣體通過陰極流場板上的空氣入口到達平行交叉流道中并進入膜電極中進行反應，反應過程中的剩余空氣和水通過陰極流道肩與膜電極交界處，以強制對流的形式進入鏤空溝槽中，并通過通槽排出燃料電池外部。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種交叉型流場的單電池及質子交換膜燃料電池電堆結構。

背景技術

質子交換膜燃料電池是將氫氣與氧氣的化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置,最終主要反應產物只有水。在環境污染和能源日益緊張的今天，燃料電池以其環境友好、能量轉化效率高等特點，有望成為化石燃料的替代能源而越來越受各國政府的重視。

質子交換膜燃料電池是目前應用最為廣泛的、研究最多的燃料電池類型之一。在實際使用過程中都是將多個單電池串聯疊加在一起的，最后用端板配合緊固件(通常為螺栓)將內部結構緊密裝配在一起。電堆內部各級單電池主要是由兩塊雙極板、膜電極、氣體擴散層、催化層以及密封件組成。燃料電池雙極板一般采用石墨極板或者是金屬極板，雙極板兩側的流場分別為氧化劑(氧氣)與燃料(氫氣)的通道，以確保氧化劑與燃料能均勻分配到膜電極各處，發生還原與氧化反應而產生電流。在運行過程中，燃料電池內部發生的氧化還原反應會產生大量的熱量和反應產物水，水熱管理技術直接影響燃料電池的性能與壽命，尤其對于大型的燃料電池電堆的運行，水熱管理不當往往導致電池性能的顯著下降甚至整個電池系統崩潰。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的不足，提供一種結構緊湊、排水效率高的交叉型流場的單電池及質子交換膜燃料電池電堆結構。

本發明采用的技術方案為：一種交叉型陰極流場板，所述陰極流場板的一側開設兩個平行的交叉流道A和交叉流道B，以及鏤空溝槽，所述交叉流道A、交叉流道B和鏤空溝槽之間均分別通過陰極流道肩分隔，在陰極流場板上開有與交叉流道A連通的陰極流場板空氣入口A、與交叉流道B連通的陰極流場板空氣入口B，以及陰極流場板氫氣入口和陰極流場板氫氣出口。

按上述方案，所述陰極流場板的另一側開有與鏤空溝槽連通的一個通槽。

按上述方案，所述通槽外側配設吹風機。

按上述方案，所述交叉流道A包括一個橫向流道A和多個縱向流道A；所述交叉流道B包括一個橫向流道B和多個縱向流道B，所述縱向流道A與橫向流道A連通，且自橫向流道A向橫向流道B延伸；所述縱向流道B與橫向流道B連通，且自橫向流道B向橫向流道A的方向延伸。

按上述方案，所述鏤空溝槽整體呈蛇形結構，其包括多個間隔布置且依次連通的縱向流道C，所述縱向流道B/縱向流道A、陰極流道肩34、縱向流道C、縱向流道A/縱向流道B依次排布。

本發明還提供了一種交叉型流場的單電池結構，包括依次裝配的如上所述的陰極流場板，以及陰極內墊圈、膜電極、陽極內墊圈、陽極流場板；反應的空氣經陰極流場板空氣入口進入陰極流場板交叉流道，再從陰極流場板交叉流道進入膜電極中進行電化學反應；反應剩余的空氣通過陰極流場板的流道肩下部位進入到鏤空溝槽中，再從鏤空溝槽進入陰極流場板的通槽中排出到電池外部；反應的氫氣經陽極流場板氫氣入口進入陽極流場板的蛇形流道中，再從陽極流場板的蛇形流道進入膜電極中進行電化學反應；反應剩余的氫氣經陽極內墊圈、膜電極和陰極內墊圈后與陰極流場板氫氣出口連通。