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制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术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。

A Single Cell and Proton Exchange Membrane Fuel Cell Reactor with Cross Flow Field

The invention discloses a cross-type cathode flow field plate, which has two parallel crossing channels A and B on one side of the cathode flow field plate and a hollow groove. The crossing channels A, B and the hollow groove are separated by the shoulder of the cathode flow channel respectively, and the air inlet A of the cathode flow field plate connected with the crossing channel A and B of the crossing flow channel are connected on the cathode flow field plate. The cathode flow field plate air inlet B, the cathode flow field plate hydrogen inlet and the cathode flow field plate hydrogen outlet. The invention also discloses a single cell structure with cross flow field and a proton exchange fuel cell stack structure with cross flow field. The beneficial effect of the invention is that the parallel cross-flow channel and the hollow groove are designed on the cathode flow field plate of a single cell, so that the reaction gas on the cathode side reaches the parallel cross-flow channel through the air inlet of the cathode flow field plate and reacts with the membrane electrode, and the residual air and water in the reaction process pass through the junction of the cathode flow channel shoulder and the membrane electrode, in the form of forced convection. It enters the hollow groove and discharges the fuel cell outside through the groove.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及燃料电池
，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。
技术介绍
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系统崩溃。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，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。本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术质子交换膜燃料电池电堆的结构示意图。图2为本专利技术阴极端板结构示意图。图3为本专利技术阴极密封圈结构示意图。图4为本专利技术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为本专利技术阴极内垫圈结构示意图。图8为本专利技术膜电极结构示意图。图9为本专利技术阳极内垫圈结构示意图。图10为本专利技术阳极流场板结构示意图。图11为本专利技术阳极流场板与阴极流场板连接结构示意图。图12为本专利技术阳极密封圈结构示意图。图13为本专利技术阳极端板结构示意图。图14为本专利技术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专利技术，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步地描述。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上开有三个通本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.如权利要求1所述的交叉型阴极流场板，其特征在于，所述阴极流场板的另一侧开有与镂空沟槽连通的一个通槽。3.如权利要求2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。4.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。5.如权利要求4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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，刘士华，谢屹，张继伟，陈亚男，陈宇轩，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42