[发明专利]一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，包括：S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置；S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式。本发明首先根据电堆开发方向，明确水板的布置位置，其次以良好的水管理为输入目标即阴阳极流道的温度一致，再去设计阴阳极的GDL与MPL的厚度设计关系；本发明能够很好的为碳纸的选型提供直接的数据帮助。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法。

背景技术

燃料电池电堆中碳纸起着支撑、水气传输及电子传导作用，根据电堆的设计输入不同，碳纸的选型设计也不一样，阴阳极GDL(气体扩散层，材料为碳布或者碳纸)与MPL(微孔层)的厚度设计是电堆开发选型中重要的步骤；

电堆良好的水管理是决定电堆性能的关键，现有专利主要集中在碳纸的材料设计等方面的研究，考虑电堆整体的设计到碳纸的设计很少。

发明内容

本发明提供一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，从水管理出发，根据电堆的水、氢、空极板的布置方式、温度分布，对阴阳极GDL与MPL厚度提供设计依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种燃料电池电堆阴阳极碳纸厚度设计方法，包括以下步骤：

S1、优化燃料电池电堆结构，根据电堆开发方向，明确水板的布置位置；

S2、基于阴阳极流道的温度一致原则，建立阴阳极的GDL与MPL的厚度之间耦合关系式。

作为上述方案的优选，还包括步骤S3、在可选范围内确定阴阳极的GDL厚度值，并以此设计阴阳极的MPL厚度值。

作为上述方案的优选，GDL的厚度范围为165-200um。

作为上述方案的优选，步骤S1中，将水侧与氢侧加工在一块极板上，而空气侧极板为光板与空气极板匹配。

作为上述方案的优选，燃料电池电堆在膜中的水传输过程，氢质子从阳极到阴极的传输需要拖拽水，即电拖，而阴极的水主要通过浓度扩散及压差扩散从阴极到阳极的传输，随着电堆电流密度的越来越大，电拖越来越强，而膜的厚度是一定，会出现在膜的两侧，阳极侧偏干而阴极侧偏湿的情况，为了保证膜两侧湿度均衡，也需要将水板布置在阳极侧，以降低阳极侧温度，降低水的饱和蒸气压。

作为上述方案的优选，步骤S2中，沿着流道方向极板及碳纸的布置依次为：阳极流道、阳极GDL、阳极MPL、阴极MPL、阴极GDL、阴极流道。

作为上述方案的优选，步骤S2具体包括：

S21、收集MPL导热系数、GDL导热系数、流道温度、当前电堆电压、当前电堆电流密度参数；

S22、根据以下公式(1)计算电堆本身产热量：

Q＝(1.254-V)*i＝(1.254-0.65)*1.5              (1)

式中，Q为电堆单位面积的产热量，V为当前电堆电压，i为当前电堆电流密度；

S23、根据以下公式(2)-(5)分别计算每个区域的温度差：

Q＝K_GDL*T_AGDL/L_AGDL                      (2)

Q＝K_MPL*T_AMPL/L_AMPL                      (3)