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一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法技术

技术编号:16972478 阅读:58 留言:0更新日期:2018-01-07 08:15
本发明专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法,属于质子交换膜燃料电池技术领域。使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能,简化了辅助冷却系统,提高了电堆内温度分布的均匀性,同时易于实现低温条件下的快速冷启动;通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性;阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面,可提升三相反应区表面的氧分压;多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力,提高了燃料电池堆的稳定性;采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性,提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法
本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法,属于质子交换膜燃料电池

技术介绍
质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)是一种直接将燃料中的化学能转化成电能而不经过燃烧的电化学发电装置,具有清洁、高效、节能、环保、结构简单、启动速度快、能量转换效率高、燃料来源广、燃料补给速度快、适用范围广等特性而得到了广泛关注。燃料电池实质上是一种电、热、水三联产的开放性能量转换装置,工作方式上类似于内燃机,而工作原理上类似于化学电源。PEMFC电堆在产生电能的同时会排放出大量的热能,因此,必须通过合理的散热设计来维持正常工作温度,否则电堆内部温度过高导致电堆失效,甚至发生爆炸危险。PEMFC电堆的散热通常采用水冷法或空冷法。水冷法是通过冷却液体将电堆中产生的热量带出,进入电堆外部的冷却循环管路,通过外部换热将冷却液体进行冷却,冷却后的冷却液体再通过循环管路返回电堆;空冷法是通过将常温空气强制流经电堆将电堆中产生的热量带出。水冷法散热效果较好,因此可应用于交通、大型发电、固定式的热电联产等大功率耗电领域,但是其缺点是对系统的要求较高,需要匹配庞大的冷却系统,还需要额外的复杂且价格昂贵的空气供给系统,这些无疑加大了系统的成本,同时降低了系统的比功率,阻碍了燃料电池的商业化推广及应用。而对于空冷型PEMFC电堆,虽然其辅助系统相对简单,但是空冷法的散热效果不好,电堆内温度分布很不均匀,难以实现电堆的长时间稳定运行。另外,目前的空冷型PEMFC电堆的空气流场均采用普通的平行直流道,空气强制流入电堆后只能依靠气体扩散到达三相反应区参与反应,不利于提高电堆的比功率。近几年来,成本和耐久性方面的技术进步使燃料电池处于产业化的边缘,燃料电池的冷启动问题因而变得更加突出,特别是对应用于汽车和野外基站的燃料电池而言,实现电池冰点下快速启动和尽可能地减轻或者消除低温对电池的破坏是一个急需解决的问题。在冰点以下的低温环境中,电池内部的液态水发生冻结将会对电池产生恶劣的影响,如启动困难、启动缓慢甚至启动失败,以及多次启动后可能造成内部结构出现损伤和破环,造成性能衰减等诸多问题。然而,质子交换膜燃料电池堆的低温冷启动是燃料电池系统实际应用必然会经历的过程。目前,为了解决燃料电池的冷启动,研究者们都倾向于在单电池与极板之间嵌入电加热原件,这种办法在解决了燃料电池的冷启动问题的同时,使电池的设计变得更加复杂。此外,燃料电池运行过程中受到的各种振动冲击负荷导致的燃料电池端板变形、端板在电堆内部预紧力的作用下发生的形变等,会严重影响燃料电池电堆内部预紧力分布的均匀性,从而影响燃料电池的基本发电性能、稳定性及使用寿命。因此,高强度、轻质化的端板有利于提高燃料电池的性能与能量密度。
技术实现思路
本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法,使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能,简化了辅助冷却系统,提高了电堆内温度分布的均匀性,同时易于实现低温条件下的快速冷启动;通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性;阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面,可提升三相反应区表面的氧分压;多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力,提高了燃料电池堆的稳定性;采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性,提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命。本专利技术的第一个方面,提供了:一种质子交换膜燃料电池双极板结构,是由阳极板和阴极板层叠而成;阳极板的正面设有氢气流场;阴极板的正面设有空气流道,空气流道是由多条空气流道沟槽所构成;阴极板的背面设有冷却液流道,冷却液流道是由多条冷却液流道沟槽所构成。在一个实施例中,空气流道沟槽与冷却液流道沟槽之间不平行。在一个实施例中,空气流道沟槽与冷却液流道沟槽在双极板所在平面的投影之间为相互垂直。在一个实施例中,冷却液流道沟槽嵌入空气流道沟槽中;使得空气流道沟槽的横截面呈周期性的变化。在一个实施例中,所述的氢气流场为平行流场或蛇形流场,流场的槽深为0.2~0.6mm,流场的槽宽为0.4~1.8mm,流场的脊宽为0.5~2.0mm。在一个实施例中,空气流道沟槽30的槽深为1.5mm~3.5mm,槽宽为1.5~3.5mm,脊宽为1.5~3.5mm。在一个实施例中,所述的冷却液流场的横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形,横截面的面积为0.5~5mm2,脊宽为1.0~3.5mm。在一个实施例中,阳极板的厚度为0.5~1.2mm,阴极板的厚度为1.9~4.2mm。在一个实施例中,所述的阳极板、阴极板的材质是由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的强导电性材料,其成型方式为雕刻、滚压、冲压或模压成型,所述的石墨基材为天然石墨、人造石墨或膨胀石墨,石墨基材的质量含量为90~95%,所述的石墨烯的质量含量为1~5%,所述的填充树脂为热固性树脂或热塑性树脂,填充树脂的质量含量为4~5%。本专利技术的第二个方面,提供了:一种燃料电池电堆,是由膜电极和双极板依次层叠而成,在膜电板的阴极与双极板的阴极之间还设有阴极加强层。在一个实施例中,所述的阴极加强层是由石墨纤维、石墨烯、树脂粘接剂充分混合后形成的呈多孔的网状结构的具有较高强度的导电支撑层。在一个实施例中,阴极加强层中的石墨纤维的质量含量为90~95%,石墨纤维为聚丙烯腈基石墨纤维或沥青基石墨纤维,石墨烯的质量含量为1~5%,树脂粘接剂为酚醛树脂或环氧树脂1~4%。在一个实施例中,阴极加强层的孔的形状为圆形、矩形或正方形,孔的面积为0.25~1.0mm2,孔间距为0.6~1.5mm。在一个实施例中,所述的膜电极中间是催化剂涂覆的质子交换膜,在催化剂涂覆的质子交换膜19的两侧是覆盖有多孔气体扩散层。在一个实施例中,催化剂涂覆的质子交换膜的一端还设有加强膜。在一个实施例中,多孔气体扩散层由碳纸基底层与微孔层(MPL)层叠而成。在一个实施例中,碳纸基底层的表面被疏水化处理,并且且沿着氢气流动方向,碳纸基底层上疏水性呈梯度性的增加。在一个实施例中,疏水化处理是指使用聚四氟乙烯(PTFE)修饰处理。在一个实施例中,碳纸基底层的聚四氟乙烯(PTFE)总质量含量为4~6%。在一个实施例中,所述的加强膜为聚酯薄膜、聚萘酯薄膜或聚酰亚胺薄膜,加强膜的厚度为0.05~0.1mm。在一个实施例中,燃料电池电堆的一端依次设有阳极端板、上集流板、上端板,另一端依次设有阴极端板、下集流板、下端板,使电堆构成整体封装。本专利技术的第三个方面,提供了:上述的燃料电池电堆的控制方法,步骤包括:将氢气供入氢气流道,使膜电极处发生质子交换反应,产生电流;同时,向空气流道和冷却液流道中分别供入空气和冷却液对电池进行空冷和风冷。有益效果本专利技术的有益效果是本专利技术提供一种新型的燃料电池堆,其结构简单而新颖,降低了工艺复杂性及电堆制造成本。使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能,简化了辅助冷却系统,提高了电堆内温度分布的均匀性,同时易于实现低温条件下的快速冷启动;通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性;阴极板流场的流道采用本文档来自技高网
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一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,是由阳极板(23)和阴极板(24)层叠粘接而成;阳极板(23)的正面设有氢气流场;阴极板(24)的正面设有空气流道(29),空气流道(29)是由多条空气流道沟槽(30)所构成;阴极板(24)的背面设有冷却液流道(31),冷却液流道(31)是由多条冷却液流道沟槽(32)所构成。

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,是由阳极板(23)和阴极板(24)层叠粘接而成;阳极板(23)的正面设有氢气流场;阴极板(24)的正面设有空气流道(29),空气流道(29)是由多条空气流道沟槽(30)所构成;阴极板(24)的背面设有冷却液流道(31),冷却液流道(31)是由多条冷却液流道沟槽(32)所构成。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,空气流道沟槽(30)与冷却液流道沟槽(32)之间不平行;空气流道沟槽(30)与冷却液流道沟槽(32)在双极板所在平面的投影之间为相互垂直;冷却液流道沟槽(32)嵌入空气流道沟槽(30)中;使得空气流道沟槽(30的横截面呈周期性的变化。3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,所述的氢气流场为平行流场或蛇形流场,流场的槽深为0.2~0.6mm,流场的槽宽为0.4~1.8mm,流场的脊宽为0.5~2.0mm;空气流道沟槽(30)的槽深为1.5mm~3.5mm,槽宽为1.5~3.5mm,脊宽为1.5~3.5mm;所述的冷却液流场的横截面的形状为一劣弧与一线段组成的圆弧形,横截面的面积为0.5~5mm2,脊宽为1.0~3.5mm。4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,阳极板(23)的厚度为0.5~1.2mm,阴极板的厚度为1.9~4.2mm。5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板结构,其特征在于,所述的阳极板(23)、阴极板(24)的材质是由石墨基材、石墨烯、填充树脂所组成的强导电性材料,其成型方式为雕刻、滚压、冲压或模压成型,所述的石墨基材为天然石墨、人造石墨或膨胀石墨,石墨基材的质量含量为90~95%,所述的石墨烯的质量含量为1~5%,所述的填充树脂为热固性树脂或热塑性树脂,填充树脂的质量含量为4~5%。6....

【专利技术属性】
技术研发人员:陈莉周嵬王洁
申请(专利权)人:陈莉
类型:发明
国别省市:江苏,32

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