一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆制造技术

本发明专利技术涉及一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆，单电池包括阳极极板、阴极极板以及设置在阳极极板与阴极极板之间的膜电极组件，阳极极板上并列设有多个阳极流道，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，阴极极板上设有阴极流道；电堆包括多个依次堆叠而成的单电池。与现有技术相比，本发明专利技术中，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，能够有效缓解传统流场单一气体流向存在的局部温度、湿度过低或者过高的情况，能够减小进气口、出气口处的温湿度极差，提高电堆温湿度分布的均匀性，保证电堆内部水、热均衡，进而提高燃料电池的工作性能和使用稳定性，且易于加工制造。

【技术实现步骤摘要】
一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过氢气和氧气的电化学反应，将化学能转化成电能的新型能源装置，具有能量转换率高、无污染、运行温度低、启动快等优点。电堆通常由多个燃料电池单电池进行层叠式组装后，由端板夹紧构成。单电池由阳极极板、膜电极组件及阴极极板构成，呈“三明治”状，通过多层单电池堆叠成电堆后，满足不同电压、输出功率的需求。其中，膜电极组件是具有三合一结构的组件，它由扩散层、催化层和质子交换膜组成，扩散层为反应气体提供传质通道，同时起到集流体的作用；催化层是发生电化学反应的场所，是膜电极组件的核心部件；质子交换膜为阴阳两极提供了隔膜，同时也为质子的传输提供通道。根据冷却方式的不同，质子交换膜燃料电池可分为水冷质子交换膜燃料电池和空冷质子交换膜燃料电池。其中，空冷质子交换膜燃料电池依靠反应气体带走多余热量，具有冷却系统简单、质量轻的特点，在功率较小的电源中，如百瓦或千瓦级的无人机、备用电源领域，具有广泛的应用前景。在空冷燃料电池工作的过程中，大约有40-60％的化学能以热能的形式耗散，热量如果在电堆中累积将会使电堆温度不断上升，不仅会使燃料电池的工作效率降低，甚至会使膜电极组件由于局部温度过高而烧穿，导致电池失效等后果；而如果散热过度，电堆温度降低过多，将导致化学反应速率下降，膜电极组件离子电导率降低，会影响输出功率，且过多的风扇布置也会导致电堆质量增加。因此，对于空冷燃料电池，必须控制好反应气体的散热方式，保证电池处于合适的工作温度。然而，目前空冷燃料电池的反应气体大都从极板的一端通入，另一端排出，入口处燃料电池温度偏低，出口处燃料电池温度又较高，温度极化现象严重，制约了燃料电池反应效率的提高。另外，燃料电池的高性能输出需要合适的湿度。湿度不足，质子交换膜传质效率下降，化学反应速率降低；而湿度过高又会发生“水淹”现象，阻碍气体通过气体扩散层进入催化层发生反应，进而造成燃料电池性能下降。空冷燃料电池的工作温度在40-60℃，反应生成的水主要以液滴的形式存在，多余的水必须随气体以水蒸气或微液滴的方式排出。然而，目前燃料电池的反应气体为单流向设计，液滴随气体沿通道方向流动，反应区湿度分布不均，特别是入口部分和出口部分湿度极差大。因此，现有技术中空冷燃料电池的内部温度、湿度分布不均匀，严重影响了燃料电池的反应效率。通过对极板的流场进行改进，能够在一定程度上促进反应气体对温度、湿度均匀性的调节。申请公布号为CN104821407A的中国专利技术专利公开了一种叶脉状燃料电池流场结构，通过将叶脉结构引入流场设计，能够减小流动阻力，使流体分布更加均匀，但这种形状复杂的极板难以加工，且无法解决燃料电池中温度、湿度的极化现象。申请公布号为CN103746129A的中国专利技术专利公开了一种整体呈蛇形分布的流场，其流场在气体入口处为九根流道，在流道转弯处进行流道合并，合并为三根流道，能够减小由于气体消耗引起的压力变化，有利于排水，使电流密度在流场中分布均匀，但该方案没有考虑到温度分布的均匀性。授权公告号为CN2893939Y的中国技术专利公开了一种由折回的螺旋形流道构成的流场，该流场在一定程度上提高了流场内温度和湿度的均匀性，但该流场仍存在湿度由气体入口向气体出口递减的现象，对温度、湿度分布的改变作用有限。公开号为CN101101992A的中国专利技术专利提供了一种板间流道以串联方式相连的流场板，能够高效排出反应物、生成物、杂质，延长电堆寿命，但该流场板中，气体流过流场的阻力过大，且没有考虑反应的不均匀性。因此，现有的极板流场无法兼顾到温度、湿度的均匀性要求，难以满足实际需要。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够保证空冷燃料电池高性能输出的温湿度均匀性增强的燃料电池单电池及电堆。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板、阴极极板以及设置在阳极极板与阴极极板之间的膜电极组件，所述的阳极极板上并列设有多个阳极流道，相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，所述的阴极极板上设有阴极流道。采用空气冷却的方式，阳极流道内通入氢气，阴极流道内通入空气，空气同时起到提供反应所需的氧气以及散热的作用。阳极极板及阴极极板可采用单块石墨板铣削而成，也可由不锈钢、钛合金等金属薄板通过辊压、单次或级进冲压、液压胀形工艺形成流道结构，再经冲孔并切边得到。阳极极板及阴极极板的外缘经电阻点焊或激光焊连接形成双极板，通过在双极板双侧装配硅橡胶或氟橡胶等材料制成的密封件以防止反应气体泄漏。所述的阴极流道与阳极流道相互垂直。阴极流道、阳极流道相互垂直的布置更好地利用了电池的空间，采用空冷方式，使阴极流道由于一端风扇提供的负压吸入外界空气时不受阻碍，简化电池结构的同时不影响反应。相邻两阳极流道之间设有阳极流道隔断部。多个阳极流道隔断部与多个阳极流道交替设置，形成凸凹交替的拱桥形结构，该结构同时起支撑作用。作为优选的技术方案，相邻两阴极流道之间设有阴极流道隔断部。作为优选的技术方案，所述的阴极流道的深度大于阳极流道的深度。加深阴极流道可以减小阴极气体阻力，增加阴极进气量，一方面提供充足的阴极反应气体能够加强反应效率，另一方面阴极气体流动带走的热量增加，使电池散热增强，可以避免电池内部过热。所述的阳极极板上沿阳极极板宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道、第二阳极流道，所述的阳极极板的一端设有与第一阳极流道相连通的第一阳极流道进气口以及与第二阳极流道相连通的第二阳极流道出气口。第一阳极流道与第二阳极流道相邻，并且第一阳极流道与第二阳极流道内的气体流动方向相反。所述的阳极极板的另一端设有与第一阳极流道相连通的第一阳极流道出气口以及与第二阳极流道相连通的第二阳极流道进气口。阳极流道可采用类似于平行流场的方式，从一端进气，另一端出气，但同时保持相邻两阳极流道内的气体流动方向相反，即第一阳极流道进气口与第二阳极流道出气口位于同一端，第一阳极流道出气口与第二阳极流道进气口位于同一端。第一阳极流道进气口与第二阳极流道出气口之间、第一阳极流道出气口与第二阳极流道进气口之间均设有密封件，并被密封件分隔开。所述的第一阳极流道的一端与第一阳极流道进气口相连通，另一端与第二阳极流道相连通，所述的第二阳极流道的一端与第二阳极流道出气口相连通，另一端与第一阳极流道相连通。阳极流道也可采用类似于蛇形流场的方式，气体由第一阳极流道进气口进入第一阳极流道内，之后在第一阳极流道的另一端转向并进入第二阳极流道内，之后由第二阳极流道出气口排出。在整个阳极极板上，相邻两阳极流道内的气体依然保持反向流动。阴极流道采用的流场形式可为蛇形流场、平行流场、蜿蜒流场或交指流场。空气经阴极流道进入反应区，并在反应区发生电化学反应。通过在阴极流道的出口端放置风扇形成负压的方式，使入口端吸入空气，增强冷却效果，提供反应物。一种含有温湿度均匀性增强的燃料电池单电池的电堆，该电堆包括多个依次堆叠而成的单电池。若采用类似于平行流场的方式，可直接将多个单电池堆叠在一起，构成电堆。根据所需的电压及功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板(1)、阴极极板(2)以及设置在阳极极板(1)与阴极极板(2)之间的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极极板(1)上并列设有多个阳极流道(3)，相邻两阳极流道(3)内的气体流动方向相反，所述的阴极极板(2)上设有阴极流道(4)。

【技术特征摘要】
1.一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，该单电池包括阳极极板(1)、阴极极板(2)以及设置在阳极极板(1)与阴极极板(2)之间的膜电极组件，其特征在于，所述的阳极极板(1)上并列设有多个阳极流道(3)，相邻两阳极流道(3)内的气体流动方向相反，所述的阴极极板(2)上设有阴极流道(4)。2.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的阴极流道(4)与阳极流道(3)相互垂直。3.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，相邻两阳极流道(3)之间设有阳极流道隔断部(101)。4.根据权利要求1所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的阳极极板(1)上沿阳极极板(1)宽度方向依次交替布设有多个第一阳极流道(301)、第二阳极流道(302)，所述的阳极极板(1)的一端设有与第一阳极流道(301)相连通的第一阳极流道进气口(3011)以及与第二阳极流道(302)相连通的第二阳极流道出气口(3022)。5.根据权利要求4所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的阳极极板(1)的另一端设有与第一阳极流道(301)相连通的第一阳极流道出气口(3012)以及与第二阳极流道(302)相连通的第二阳极流道进气口(3021)。6.根据权利要求4所述的一种温湿度均匀性增强的燃料电池单电池，其特征在于，所述的第一阳极流道(301...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林法，唐嘉钰，邱殿凯，徐一凡，易培云，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31