专利名称：空气冷却型质子交换膜燃料电池极板的制作方法
技术领域：
空气冷却型质子交换膜燃料电池极板技术领域实用新型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。
技术背景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枳能量密度 提高。实用新型内容实用新型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。实用新型目的实现，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，实用新型空气冷却型质子 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。实用新型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 4mrn，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%。实用新型极板材料，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。实用新型极板空气流道设计，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。实用新型极板，其空气流道采用流量非均等设计，对应风机叶片部位风量大风压强，减小流道的深度和/或流场的开孔率；风机非叶片部位风量 小风压弱，加大流道揮度和/或流场的开孔率，使两者流道深度与开孔率乘积比为0.95~0.2: 1，更优为0.8-0.5: 1，达到使整个极板空气流量均匀，从而确保空气在电堆不同部位流量均匀，使组成电堆性能均匀。克服了空 气冷却型质子交换膜燃料电池堆，由于轴流风机吹风截面风量、风压不均 匀，造成电堆不同部位空气流量不均匀带来的氧化剂供应和排热不均匀， 进而影响电堆性能的不足。此外，通过极板空气流场流道深度和/或流场开孔率不均等设计均匀空气流量，方法、工艺简单，可操作性强，还可以保 持在不增加原有电池堆体积情况下改善电堆性能，并且有利于组装电堆的 结构紧凑，以及单位体积能量密度的提高。例如采用加设风罩均匀空气流 量结构，电堆系统功率密度只有200瓦/升，实用新型极板组装电堆功率密度可以达到300瓦/升。以下结合二个具体实施例和比较例，示例性说明及帮助进一步理解实 用新型，但实施例具体细节仅是为了说明实用新型，并不代表实用新型构 思下全部技术方案，因此不应理解为对实用新型总的技术方案的限定，一 些在技术人员看来，不偏离实用新型构思的非实质性改动，例如具有相同 或相似技术效果技术特征的简单改变或替换，均属实用新型护范围。
图1为现有技术双极板侧视结构图。图2为现有技术复合双极板空气板侧视结构图。图3为实用新型双极板侧视结构图。图4为实用新型复合双极板空气板侧视结构图。图5为实施例1与比较例1的风机叶面对应处与其余部位电性能测试 对比图。图6为实施例2与比较例2的风机叶面对应处与其余部位电性能测试 对比图。
具体实施方式
实施例1:参见图3，采用12V外置直流轴流风机常压供气的空气冷却 型质子交换膜燃料电池堆，极板采用厚度为5mm的硬石墨双极板1，阴极 面轴流风机叶面对应处空气流场(极板两端区域)两侧压差16~20Pa，连通 极板两侧的平行空气流道3.1，深lmm，宽lmm，脊宽lmm;其余部位(风 机非叶面，极板中部区域)空气流道两侧压差8 10Pa，连通极板两侧平行空 气流道3.2，深1.6mm，宽1.25mm，脊宽lmm。阳极面采用流道深lmm， 宽lmm，脊宽lmm的平行流场。比较例1:参见图1，同实施例1，其中空气流场所有流道采用均等设 计，所有位置空气流道3深lmm，宽lmm，脊宽lmm。实施例2:参见图4，采用24V直流轴流风机供气的空气冷却型质子交 换膜燃料电池堆，极板采用包含阴极流场、阳极流场和散热流场的复合双 极板。复合双极板由一块lmm厚柔性石墨板、 一块2.5mm厚硬石墨板2构成。柔性石墨板表面加工有氢气流场，采用流道深0.4mm，宽0.8mm，脊 宽0.8mm的平行流场。硬石墨板两面分别加工有阴极流场4和散热流场5， 轴流风机叶面对应处空气流道两侧压差26~28Pa，阴极流场流道4.1深 0.8mm，宽lmm，脊宽lmm，散热流场流道5.1深0.8mm，宽lmm，脊宽 lmm;其余部位(风机非叶面)空气流道两侧压差13 14Pa，阴极流场流道4.2 深lmm，宽1.5mm,脊宽0.8mm，散热流场流道5.2深度lmm，宽度1.5mm， 脊宽lmm。比较例2:参见图2，同实施例2，其中空气流场所有流道采用均等设 计，所有位置阴极流道4深lmm，宽1.5mm，脊宽0.8mm，散热流场流道 5深度lmm， 宽度1.5mm， 脊宽lmm。由图5、 6，表明两种不同结构极板，采用上述对应风机不同部位，非 均等空气流场结构，具有基本相同趋势，均可有效改善电堆性能的均匀性。对于本领域技术人员来说，在实用新型构思启示下，能够从本专利公 开内容直接导出或联想得到的一些变形，或现有技术中常用公知技术的替 代，例如槽形变化，极板材料不同等等，均具有基本相同功能和效果，不 再一一举例细说，均属于本专利保护范围。
权利要求1、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。
2、 根据权利要求l所述空气冷却型质子交换膜燃料电池极板，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0.8-0.5: 1。
3、 根据权利要求1或2所述空气冷却型质子交换膜燃料电池极板，其特 征在于对应轴流风机叶面区域流道深度为0.2 4mm，开孔率35%~80%，其余 部位流道深度为0.4~5mm，开孔率为40% 85%。
4、 根据权利要求3所述空气冷却型质子交换膜燃料电池极板，其特征在 于对应轴流风机叶面区域流道深度为0.4 2mm，开孔率45% 70%，其余部位 流道深度为0.6~3mm，开孔率为50%~75%。
专利摘要本实用新型是对空气冷却型质子交换膜燃料电池极板空气流场改进，其特征是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。空气流道采用流量非均等设计结构，可以确保空气在电堆不同部位流量均匀，从而使组成电堆性能均匀。克服了空气冷却型质子交换膜燃料电池堆，由于轴流风机吹风截面风量、风压不均匀，造成电堆不同部位空气流量不均匀带来的氧化剂供应和排热不均匀，进而影响电堆性能的不足。此外，采用流道深度和/或流场开孔率不均等设计，工艺简单，可操作性强，可以保持原有电池堆体积不增加改善电堆性能，有利于组装电堆结构紧凑，以及单位体积能量密度提高。例如采用加设风罩均匀空气流量结构，电堆系统功率密度只有200瓦/升，本实用新型可以达到300瓦/升。
文档编号H01M4/86GK201167109SQ20082003337
公开日2008年12月17日 申请日期2008年3月22日 优先权日2008年3月22日
发明者侯向理, 刘常福, 徐洪峰 申请人:江苏新源动力有限公司