水冷质子交换膜燃料电池电堆和水冷质子交换膜燃料电池

摘要

本发明涉及水冷质子交换膜燃料电池电堆以及包括该电堆的水冷质子交换膜燃料电池。该电堆包括：阴极流场，其为平行流场以及具有入口和出口，阴极流场竖直放置，流道方向从左到右或从右到左；阳极流场，其为水平蛇形流场以及入口和出口，阳极流场竖直放置，阳极流场的入口在阳极流场的出口上方，阳极流场的入口靠近阴极流场的出口，阳极流场的出口靠近阴极流场的入口；冷却流场，为竖直蛇形流场以及具有入口和出口，冷却流场的入口靠近阴极流场的出口，冷却流场的出口靠近阴极流场的入口。通过使用平行阴极流场、水平蛇形阳极流场和竖直蛇形冷却流场并采用上述流场布置方式，本发明的电堆在运行时气体分布均匀，排水顺畅并且运行稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，更具体地涉及水冷质子交换膜燃料电池 电堆和水冷质子交换膜燃料电池。

背景技术

图1示出了一种典型的水冷质子交换膜燃料电池的原理图。水冷质 子交换膜燃料电池1包括核心部件——水冷电堆2。水冷质子交换膜燃 料电池1主要分为三个回路：阴极回路，阴极的氧化剂，例如空气，一 般通过风机3加压且经加湿器4加湿后送入水冷电堆2；阳极回路，阳 极的燃料，例如纯度大于99.999％的氢气，进入水冷电堆2后通过气泵 5进行循环；冷却回路，冷却剂，例如去离子水，通过液泵6进行循环， 并通过散热器7和风扇8进行散热。

图2示出了图1的水冷质子交换膜燃料电池的水冷电堆的示意图。 如图所示，水冷电堆2由膜电极9、阴极流场板10和阳极流场板11组 成。膜电极9位于导电的流场板10和11中间；流场板10和11既作为 电流集流板，又作为膜电极9的机械支撑。阴极流场板10在面对膜电 极9的表面上设有阴极流场通道12，作为氧化剂进入阴极的通道，又 作为带走燃料电池运行过程中生成水的通道。阳极流场板11在面对膜 电极9的表面上设有阳极流场流道13，作为燃料进入阳极的通道，又 作为带走燃料电池运行过程中生成水的通道，还在另一相对表面上设有 冷却流场通道14，作为冷却剂进入冷却表面的通道。

为了保证质子交换膜燃料电池1的性能和寿命，需要保持膜电极9 各点性能一致。因此需要保持膜电极9各点的气体分布均匀、温度分布 均匀。如果气体分布不一致、膜电极9各点散热条件不一致，会导致膜 电极9各点实际性能有较大差异，严重时会导致膜电极9中部分会出现 局部过热，甚至烧穿质子交换膜9。如果燃料电池运行中生成的多余的 水不能及时排除，堵塞流道,会造成气体流动受阻，气体无法均匀分布。

流场设计应当考虑如下要求：

(1)有较小的压降，降低对电堆外围设备的性能要求，如风机、 气泵、液泵；

(2)阴极流场、阳极流场布局合理，保证气体能均匀进入到电堆 正、负极，在电堆电极中均匀分布；

(3)阴极流场、阳极流场能迅速将电堆运行中的产生的冷凝水排 除；

(4)冷却流场保证冷却液分布均匀，使膜电极各点的温度均匀一 致。

目前极板流场的类型主要有蛇形流场、平行流场。

蛇形流场是较早提出的一种流道形式，它的突出优点是能迅速排除 生成的液态水，但其缺点也很明显，对于面积比较大的流场，因其流道 长度长、弯角多，而使得压降大、气体浓度分布差别大，弯角处易积水， 从而导致系统效率低。针对蛇形流场的这些问题，有很多改进专利，例 如专利号CN03806839，其将流场分为主、副流场，虽然解决了气体浓 度差的问题，但压降依然很大。

平行流场具有压降低的特点，流道长度短，气体浓度差别小，但流 道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动， 容易出现性能不稳定的情况。

因此，需要解决电堆在低压运行条件下的气体均匀分布问题，堵水 问题以及性能不稳定问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在低压运行条件下气体均匀分布、不会 堵水及性能稳定的水冷质子交换膜燃料电池电堆。

上述目的是通过如下的水冷质子交换膜燃料电池电堆实现的。所述 水冷质子交换膜燃料电池电堆包括：阴极流场，其为平行流场以及具有 入口和出口，所述阴极流场竖直放置，流道方向从左到右或从右到左； 阳极流场，其为水平蛇形流场以及具有入口和出口，所述阳极流场竖直 放置，所述阳极流场的入口在所述阳极流场的出口上方，所述阳极流场 的入口靠近所述阴极流场的出口，所述阳极流场的出口靠近所述阴极流 场的入口；冷却流场，其为竖直蛇形流场以及具有入口和出口，所述冷 却流场的入口靠近所述阴极流场的出口，所述冷却流场的出口靠近所述 阴极流场的入口。

优选地，所述阳极流场的入口位于阴极流场出口的上方，所述阳极 流场的出口位于所述阳极流场入口的下方。

通过使用平行阴极流场、水平蛇形阳极流场和竖直蛇形冷却流场并 采用上述流场布置方式，本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆在运行 时气体分布均匀，排水顺畅并且运行稳定。

另一方面，本发明还提供一种包括上述水冷质子交换膜燃料电池电 堆的水冷质子交换膜燃料电池。

附图说明

本发明的上述以及其他目的和优点通过参考以下附图且以实施例 的方式会更加明显，在附图中：

图1示出了一种典型的水冷质子交换膜燃料电池的原理图。

图2示出了图1的质子交换膜燃料电池的水冷电堆的示意图。

图3示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的阴极流场的 示意图。

图4示出了图3的阴极流场的流道的局部立体图。

图5示出了阴极蛇形流场与本发明的阴极平行流场的压降对比图。

图6示出了使用阴极蛇形流场与使用本发明的阴极平行流场的电 堆的运行图。

图7示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的阳极流场的 示意图。

图8示出了图7的阳极流场的流道的局部立体图。

图9示出了阳极竖直蛇形流场与本发明的阳极水平蛇形流场的压 降对比图。

图10示出了使用阳极竖直蛇形流场与本发明的阳极水平蛇形流场 的电堆的运行图。

图11示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的冷却流场的 示意图。

图12示出了图11的冷却流场的流道的局部立体图。

图13示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的阳极流场、 阴极流场和冷却流场的布局图。

图14示出了本发明的一个实施例的水冷质子交换膜燃料电池电堆 的立体图

具体实施方式

下文将参照附图以举例的方式描述本发明的水冷质子交换膜燃料 电池电堆组件。然而，应理解，下面的实施例和附图仅是举例性的，并 不限制本发明的范围。本发明的范围应由所附带的权利要求限定。另外， 为清楚起见，附图未按比例绘制。

本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆100包括阴极流场20、阳 极流场30和冷却流场40。

阴极流场

图3示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的阴极流场的 示意图。图4示出了图3的阴极流场的流道的局部立体图。

如图3所示，阴极流场20的形状为长方形，阴极流场20采用平行 流场。主要参数如下：

长度L1范围:280mm<L1<380mm；

宽度W1范围:60mm<W1<80mm；

长与宽的比值L1/W1范围:4.0<L1/W1<5.0；

流道数量n1范围:20<n1<25。

如图4所示，单个流道22的参数如下：

长度L11范围：280mm<L11<380mm；

流道槽深度H1范围：0.3mm<H1<0.7mm；

流道槽宽度W11范围：1.2mm<W11<1.8mm；

流道台阶宽度W12范围：1.2mm<W12<1.8mm；

流场槽、流道台阶的宽度比W11/W12范围：0.7<W11/W12≤1.0；

槽深与槽宽的比值H1/W11范围：0.2<H1/W11<0.4。

此设计可以保证排除电堆运行过程中阴极生成的液态水珠和水柱 的压力需要，且阴极流场的压降控制在很低的水平，降低对阴极风机的 需求。

阴极流场的比较例和实施例

本发明的阴极流场与相同面积的一蛇形阴极流场的具体参数如下：

图5示出了阴极蛇形流场与本发明的阴极平行流场的压降对比图。 如图所示，本发明的阴极平行流场相对于阴极蛇形流场压降降低了67％ (从上表可知流道长度降低了63％)。图6示出了使用阴极蛇形流场与 使用本发明的阴极平行流场的电堆的运行图。如图所示，本发明的阴极 平行流场相比阴极蛇形流场风机功率节省了19％。因此，在选用阴极风 机时，可以有更多选择，风机的成本也可大幅降低。

阳极流场

图7示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的阳极流场的 示意图。图8示出了图7的阳极流场的流道的局部立体图。

如图7所示，阳极流场30的形状为长方形，阳极流场30采用水平 蛇形流场。本文中“水平蛇形”表示流道的重叠部分位于水平方向。主 要参数如下：

长度L2范围：280mm<L2<380mm；

宽度W2范围：60mm<W2<80mm；

长与宽的比值L2/W2范围：4.0<L2/W2<5.0；

流道数量n2范围：5<n2<10。

如图8所示，单个流道32的主要参数如下：

长度L21范围：950mm<L21<1100mm；

流道槽深度H2范围：0.3mm<H2<0.6mm；

流道槽宽度W21范围：1.2mm<W11<1.8mm；

流道台阶宽度W22范围：1.2mm<W12<1.8mm；

直角弯数量N:N<8；

流道槽、流道台阶的宽度比W21/W22范围：0.7<W21/W22≤1.0；

槽深与槽宽的比值H2/W21范围：0.2<H2/W21<0.4。

阳极流场30采用水平蛇形流场，具有如下优点：阳极流场的压降 降低，但使阳极压降高于阴极压降，避免阴极的气体渗透到阳极；减少 弯角，避免弯角处的积水导致质子交换膜在运行中产生空气或氢气局部 供应不足，产生热点，烧损质子交换膜，影响电堆的稳定性。

阳极流场的比较例和实施例

本发明的水平蛇形阳极流场与相同面积的一竖直蛇形阳极流场的 具体参数如下：

图9示出了阳极竖直蛇形流场与本发明的阳极水平蛇形流场的压 降对比图。如图所示，本发明的阳极水平蛇形流场相对于阳极竖直蛇形 流场压降降低了66％(从上表可知拐角数量降低了20％)。对氢气泵的需 求也大幅降低，甚至可以取消氢气循环泵。图10示出了使用阳极竖直 蛇形流场与本发明的阳极水平蛇形流场的电堆的运行图。如图所示，电 堆在同样的负载情况下，使用本发明的阳极水平蛇形流场与阳极竖直蛇 形流场相比，氢气循环泵功率降低了40％。

冷却流场

图11示出了本发明的水冷质子交换膜燃料电池电堆的冷却流场的 示意图。图12示出了图11的冷却流场的流道的局部立体图。

如图11所示，冷却流场40的形状为长方形，冷却流场40采用竖 直蛇形流场。本文中“竖直蛇形”表示流道的重叠部分位于竖直方向。 主要参数如下：

长度L3范围：280mm<L3<380mm；

宽度W3范围：60mm<W2<80mm；

流道的数量n3范围：8<n3<12。

如图12所示，单个流道42的主要参数如下：

长度L31范围：500mm<L31<550mm；

流道槽深度H3范围：0.7mm<H3<1.1mm；

流道槽宽度W31范围：2.0mm<W31<3.0mm；

流道台阶宽度W32范围：1.5mm<W32<2.5mm；

流道槽、流道台阶的宽度比W31/W32范围：1.0<W31/W32<1.5；

槽深、槽宽比H3/W31范围：0.3<H3/W31<0.5。

冷却流场采用蛇形流场设计，增加流道的长度，使冷却介质与流场 板充分接触，达到冷却电堆的目的。冷却流场槽的深度大约是阴极流场 槽深度的2倍，目的是降低冷却流场槽的压降，使得水流分布均匀，最 大压降控制在15Kpa，降低对冷却液泵的需求。

阴极流场、阳极流场和冷却流场的布置

图13示出了根据本发明的一个优选实施例的水冷质子交换膜燃料 电池电堆的阳极流场、阴极流场和冷却流场的布局图。如图所示，优选 地，阴极流场竖直放置，流道方向从左到右(或者从右到左)，依次从 上到下排列；阳极流场竖直放置，流道的入口在上方且靠近阴极流场的 出口，流道的出口在下方且靠近阴极流场的入口；冷却流场竖直放置， 流道的入口靠近阴极流场的出口，流道的出口靠近阴极流场的入口。

本发明通过对阴极流场的设计，采用平行流场的设计，在保证排除 电堆运行过程中阴极生成的液态水珠和水柱的情况下，降低阴极流场压 降，降低电堆对阴极风机的性能要求。

本发明阴极流场采用平行流场，流场长度降低，降低流场内部的气 体浓度差，且流场无拐角，更容易通过气流将运行过程中生成的水排除。

本发明通过对阳极的流场的流道形状、尺寸设计，保证电堆在运行 过程中阳极的压力高于阴极。

本发明阳极流场流道数量是阴极流场流道数量的1/3,阳极单个流 道长度是阴极流道长度的2-4倍，运行中阳极压降高于阴极压降。

本发明中的阳极流道根据流场形状，设计成水平蛇形流场，弯角数 量最少，且没有U型弯角，避免积水。

本发明的阳极流场，入口在出口的上方，气体流动方向从上到下， 借助重力作用排除电堆运行中阳极的液态水。

本发明的冷却流场与阴极流场配合，保证电堆在运行中温度分布更 均衡。电堆运行过程中，阴极的气体流量远大于阳极的气体流量。阴极 的气体进入电堆后，随着流动，温度升高，到阴极出口时，温度达到最 高值；冷却介质进入电堆时温度最低，随着流动，吸收电堆的热量，到 达冷却出口时温度最高。本发明的冷却入口设计在阴极流场的出口附近， 使温度最低的冷却介质首先接触温度最高的阴极气流，达到均衡电堆温 度的目的。

图14示出了本发明的一个实施例的水冷质子交换膜燃料电池电堆 的立体图。水冷质子交换膜燃料电池电堆100中的阴极流场、阳极流场 和冷却流场的布置如上所述。阳极流场的入口34在上方且靠近阴极流 场的出口26，流道的出口36在下方且靠近阴极流场的入口24；冷却流 场的入口44靠近阴极流场的出口26，流道的出口46靠近阴极流场的 入口24。

(1)阴极流场采用平行流场，主要设计参数如下：

长度(L1):L1＝333mm；

宽度(W1):W1＝70.1mm；

长与宽的比值(L1/W1):L1/W1＝4.75；

流道数量(n·):n1＝24。

单个流道的参数如下：

长度L11：L11＝333mm，

流道槽深度H1：H1＝0.5mm；

流道槽宽度W11：W11＝1.5mm；

流道台阶宽度W12：W12＝1.5mm；

流场槽、台阶的宽度比W11/W12：W11/W12＝1；

槽深与槽宽的比值H1/W11：H1/W11＝0.3.

(2)阳极流场采用水平蛇形流场，主要设计参数如下：

长度(L2):L2＝333mm；

宽度(W2):W2＝70.1mm；

长与宽的比值(L2/W2):L2/W2＝4.75；

流道数量(n2):n2＝8。

阴极流场采用平行流场，单个流道的参数如下：

长度L21：L21＝1060.5mm；

流道槽深度H2：H2＝0.4；

流道槽宽度W21：W21＝1.5；

流道台阶宽度W22：W22＝1.5；

直角弯数量:N＝6；

流道槽、台阶的宽度比W21/W22：W21/W22＝1；

槽深与槽宽的比值H2/W21：H2/W21＝0.27。

(3)冷却流场

流场长度L3：L3＝316mm，

流场宽度W3：W2＝70.5mm，

冷却流场流道的数量n3：n3＝10。

冷却流场单个流道的主要参数如下：

长度L31：L31＝530.1mm；

流道槽宽度W31：W31＝2.5mm；

流道台阶宽度W32：W32＝2.0mm；

流道槽深度H3：H3＝0.9mm；

冷却流道的槽、台阶的宽度比W31/W32：W31/W32＝1.25；

流道槽深、槽宽比H3/W31：H3/W31＝0.36。

本发明的电堆由于冷却流场与阴极流场的相对位置关系，能使电堆 内部温度场分布更均匀。电堆运行中产生的液态水能及时随气流排出， 没有发生堵塞流道的现象，因此电堆电压在高负载下输出平稳，波动小。 因为阳极中大部分的液态水可以通过重力作用排出，所以本发明的电堆 在阳极的工作压力小于10Kpa的条件下，可以保证电压低波动的平稳运 行。