[发明专利]空气冷却型质子交换膜燃料电池极板

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池板板，尤其是对空气冷却型质子交换膜燃料电池极板空气流场的改进。

背景技术

质子交换膜燃料电池极板，为引导气流分配，通常在极板面上加工有气体流场，以确保电极板面各处，均能获得足够反应剂供应，并排出电池反应生成的水和废热。空气冷却型质子交换膜燃料电池堆，通常采用轴流风机供应空气，其空气流场通常设计成沿空气流动方向的平行直线形导流槽结构，在两侧风压力差作用下，空气从极板的一侧进入，经过极板面由另一侧排出。空气不仅起到氧化剂的作用，还起到冷却作用，空气在极板面是否分布均匀，直接影响组成电池堆的性能与稳定性，因此极板面上空气均匀性，在空气冷却型质子交换膜燃料电池堆占有十分重要作用。

现有技术空气冷却型质子交换膜燃料电池极板，空气流场主要有两种设计形式：(1)阴极流场和散热流场合为一体，空气在同一个流场内流动时又起氧化剂供给，又起散热作用的。(2)阴极流场与散热流场分成两部分，分别加工在一块板的两面。目前空气冷却型质子交换膜燃料电池各节极板、以及同一块极板不同位置，空气流场流道深度和流场开孔率完全一致，例如中国专利CN1971992、CN200969370所述极板。然而轴流风机供应空气，风机叶面与非叶面风力不相同，客观上造成电堆对应风机不同位置，两侧气体压力差不完全相同，从而导致电堆不同部位空气流动不均匀，进而造成散热和氧化剂供应不均匀，从而造成电池堆各个部位性能分布不均匀，影响电堆整体性能。例如对应风机叶片区域压力差大，空气流量相对较大，容易导致膜电极水分的吹干，不利于增湿；非风机叶片对应区域压力差小，空气流量相对较小，不利于氧化剂供给和废热排出。

为解决这一技术问题，中国专利CN1929178公开的空气型燃料电池堆，采用风机与风罩结合来使时空气分布均匀，但增加风罩势必会增加系统的体积与重量，不仅影响电池的便携性，而且限止了电堆单位体积能量密度提高。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种能确保极板各区域空气流动均匀的空气冷却型质子交换膜燃料电池极板。

本发明目的实现，基本构思是将极板流道流量设计成非均等结构，在轴流风机供应空气流道两侧压力差大的区域，减小流道的深度和/或流场的开孔率；在空气流道两侧压力差小的区域，增加流道的深度和/或流场的开孔率，从而均匀整个极板截面风量。具体说，本发明空气冷却型质子交换膜燃料电池极板，包括极板上内凹平行直线形空气流道，其特征在于对应轴流风机叶面区域流道深度与开孔率乘积，与其余部位流道深度与开孔率乘积比为0.95～0.2∶1。

更好为：轴流风机叶面对应处流道深度与开孔率乘积，与其余部位流道深度与开孔率乘积比为0.8～0.5∶1。

本发明极板不同部位流量的改变，既可以通过改变流道深度实现，又可以通过改变流场的开孔率实现，还可以同时改变流道的深度和流场的开孔率实现。根据此设计原则，结合不同材质极板制造工艺，一种较好极板轴流风机叶面对应处流场，流道深度为0.2～4mm，流场开孔率35％～80％；其余部位流场，流道深度为0.4～5mm，流场开孔率40％～85％。其中更好轴流风机叶面对应处流场，流道深度为0.4～2mm，流场开孔率45％～70％；其余部位流场，流道深度为0.6～3mm，流场开孔率50％～75％。

本发明极板材料，与现有技术极板相同，例如可以是硬石墨、柔性石墨、碳纸或金属材料等。

本发明极板空气流道设计，不仅适用包含阴极、阳极流场的双极板；还适用于包含阳极、阴极流场和散热流场的复合型双极板，阴极流场与散热流场分开情况下，空气流道流量非均等设计构思，分别适用于阴极流场与散热流场。