一种pem燃料电池组的阴极流场板的制作方法
【专利摘要】一种PEM燃料电池组的阴极流场板，所述阴极流场板用于与一膜电极组，一阳极流场板组装成一质子交换薄膜燃料电池单元，其特征在于，所述阴极流场板在面向所述膜电极组的一侧具有多个冷却孔，并且具有位于另一侧的多个流体导引槽，这样，从所述膜电级组产生的热量经由所述冷却孔而得以向外排出，所述流体导引槽用于使流体沿所述流体导引槽流动，以促使所述膜电极组发生透过所述膜电极组的电化学反应从而产生电能。
【专利说明】一种PEM燃料电池组的阴极流场板
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及燃料电池【技术领域】，特别涉及一种有效散发热量并降低聚合物电 解质薄膜的水分蒸发量的质子交换薄膜（PEM)燃料电池的聚合物薄膜电池组的阴极流场 板。
【背景技术】
[0002] 燃料电池是可将燃料中的化学能通过氧气或其他氧化剂介导的化学反应转化为 电能的一种能源。氢是此类电池中最常见的燃料。其中，最具代表性的此类燃料电池技术 的实例就是质子交换薄膜（PEM)燃料电池。此类燃料电池包括膜电极组件（MEA)，该膜电 极组件包括夹在分别作为阴阳级的两层催化剂涂层纸间的聚合物电解质膜；该膜电极组件 (MEA)再被夹在分别独立的直接运送燃料和氧化剂的一对流场板间。该燃料电池的工作原 理包括以下步骤：将氢燃料通入燃料电池一侧的阳极流场板中，再将氧化剂通入燃料电池 另一侧的阴极流场板中；将钼催化剂置于阳极侧使得氢分离为正电荷氢质子和负电荷氢电 子；聚合物电解质膜仅可使正电荷氢质子穿过后进入阴极，而负电荷氢电子则需要通过外 设的通道进入阴极，此时电流即产生；在阴极侧，电子和正电荷质子与氧结合生成水，作为 该电池排出唯一产物。此外，因为氧气是被吹入阴极流场板，故可使该燃料电池冷却。阴极 流场板可采用暴露于空气中作为一种"开放阴极结构"。
[0003] 惯用的阴极流场板设计采用锯状或方波状结构，空气可通过送风机或风扇吹入其 中。相较水冷却型电池堆，空气冷却型电池堆具有更易平衡设计和更易控制策略，可立即启 用。
[0004] 采用聚合物电解质薄膜的空气冷却型质子交换薄膜燃料电池的一个主要技术难 点是热量和水处理。其中聚合物电解质薄膜需要具备高含水量以保证薄膜内在电阻低。传 统的质子交换薄膜燃料电池的阴极流场板设置有锯齿状侧边，以形成多个凹槽，当气流通 过流场板的这些凹槽时，可冷却电池堆，但是同样加速了水分的蒸发导致薄膜中水含量降 低。因此，风扇转速需要根据流量、环境温度和相对湿度极为小心的控制(控制策略)以求达 到平衡。不适宜的风扇转速将导致电池堆的输出功率下降。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的主要目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，其 有效散发热量并降低聚合物电解质薄膜的水分蒸发量，从而提高所述质子交换薄膜燃料电 池组的效率。
[0006] 本实用新型的另一目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，其 提高了冷却效率，使所述阴极流场板得以更轻薄化。
[0007] 本实用新型的另一目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，其 能使薄电池组件得以维持在较低的电阻，从而加强了所述质子交换薄膜燃料电池组的性 能。
[0008] 本实用新型的另一目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，以 使薄膜水含量对风扇转速的敏感性降低。
[0009] 本实用新型的另一目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，其 可以应用在传统的质子交换薄膜燃料电池组中，而不用改变原有的质子交换薄膜燃料电池 组的结构。
[0010] 本实用新型的另一目的在于提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板，其 结构简单，方便使用，成本低。
[0011] 为达到以上目的，本实用新型提供一种质子交换薄膜燃料电池组的阴极流场板， 所述阴极流场板用于与一膜电极组，一阳极流场板组装成一质子交换薄膜燃料电池单元， 所述阴极流场板在面向所述膜电极组的一侧具有多个冷却孔，并且具有位于另一侧的多个 流体导引槽，这样，从所述膜电级组产生的热量经由所述冷却孔而得以向外排出，所述流体 导引槽用于使流体沿所述流体导引槽流动，以促使所述膜电极组发生透过所述膜电极组的 电化学反应从而产生电能。
[0012] 根据本实用新型的一个实例，至少部分所述冷却孔与至少部分所述流体导引槽相 连通。
[0013] 根据本实用新型的一个实例，各个所述冷却孔与对应的多个所述流体导引槽其中 之一相连通。
[0014] 根据本实用新型的一个实例，所有所述冷却孔分成一列或多列排列，每列具有一 个或多个互相间隔设置的所述冷却孔，每列所述冷却孔沿着一所述流体导引槽的长度方向 与对应的所述流体导引槽相连通。
[0015] 根据本实用新型的一个实例，预定数目的所述流体导引槽不与所述冷却孔相连 通。
[0016] 根据本实用新型的一个实例，与所述冷却孔相连通的所述流体导引槽和不与所述 冷却孔相连通的所述流体导引槽互相交替在排列
[0017] 根据本实用新型的一个实例，所述阴极流场板包括一主体，所述主体具有一内侧 平整平面，以面向所述膜电极组设置，所述冷却孔沿着所述内侧平整表面布置，所述流体导 引槽成型在所述主体的外侧。
[0018] 根据本实用新型的一个实例，所述阴极流场板还包括多个从所述主体的外侧延伸 的凸起，相邻的所述凸起形成所述流体导引槽。
[0019] 根据本实用新型的一个实例，所述冷却孔的截面呈圆形、椭圆形、三角形、长条形、 或多边形。
[0020] 根据本实用新型的一个实例，所述凸起截面呈矩形、梯形、或多边形。
[0021] 根据本实用新型的一个实例，多个所述冷却孔沿着所述内侧平整表面均匀分布。
[0022] 根据本实用新型的一个实例，相邻的所述凸起互相平行地以相同的间隔设置。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是根据本实用新型的一个优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池组的阴 极流场板的结构示意图。
[0024] 图2是根据本实用新型的上述优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池组的阴 极流场板的另一侧面结构示意图。
[0025] 图3是根据本实用新型的上述优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池组的阴 极流场板的剖视图。
[0026] 图4是根据本实用新型的上述优选实施例的阴极流场板组装成的质子交换薄膜 燃料电池组的结构示意图
[0027] 图5是根据本实用新型的另一个优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池组的 阴极流场板的结构示意图。
[0028] 图6是根据本实用新型的上述另一个优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池 组的阴极流场板的另一侧面结构示意图。
[0029] 图7是根据本实用新型的上述另一个优选实施例的一种质子交换薄膜燃料电池 组的阴极流场板的剖视图。
【具体实施方式】
[0030] 如图1至图4所示是根据本实用新型的一个优选实施例的质子交换薄膜燃料电池 组及其阴极流场板10。所述质子交换薄膜燃料电池组包括一个或多个燃料电池单元100, 其可以通过堆叠的方式组装在一起。各个燃料电池单元100包括一阴极流场板10,一膜电 极组（MEA) 20,以及一阳极流场板30。所述膜电极组20设置在所述阴极流场板10与所述 阳极流场板30之间。
[0031] 本实用新型的所述阴极流场板10在面向所述膜电极组20的一侧具有多个冷却孔 11，以及位于另一侧的多个流体导引槽12。这样，从所述膜电级组20产生的热量经由所述 冷却孔11而得以向外排出。所述流体导引槽12用于使流体沿所述流体导引槽12流动，以 促使所述膜电极组20发生透过所述膜电极组20的电化学反应从而产生电能。相应地，该 流体为反应气体，如氢气、氧气或空气等。
[0032] 各个所述冷却孔11可以是各种形状，如圆形，椭圆形，多边形，方形，狭长的缝形 等。多个所述冷却孔11可以均匀分布，也可以根据需要按照不同的样式排列。值得一提的 是，多个所述冷却孔11在所述阴极流场板在面向所述膜电极组20这一侧所占有的面积也 可以根据需要设置，以达到既能有效地排出热量，又不至于带走所述膜电极组20过多的水 分。
[0033] 也就是说，传统的阴极流场板，其在面向对应的膜电极一侧是锯齿状侧面，由一系 列锯齿形成了对应的一系列的狭长的流体通道，而且，为了保证充分进行电化学反应，这些 流体通道都保持占有较大的面积，以用于填充足够多的电化学反应流体，这样在有流体进 入这些流体通道时，会同时带去膜电极薄膜的水分，而聚合物电解质薄膜需要具备高含水 量以保证薄膜内在电阻维持在较低水平。这样，就使得传统的质子交换薄膜燃料电池在供 应足够的反应流体与维持聚合物电解质薄膜具有较低的电阻之间存在一定的矛盾。
[0034] 通常，在传统的阴极流场板中，空气，氧化或其他流体用风扇吹入这些流体通道， 这样，聚合物电解质薄膜中的水分很容易借着风力被带走。而在本实用新型中，在面向所述 膜电极组20的那一侧只设置有用于带走热量的所述冷却孔11，而水分被隔离在所述膜电 极组20上，也就是说，所述膜电极组20的水分被阻止朝向所述阴极流场板10的另一侧移 动。
[0035] 换句话说，在传统的质子交换薄膜燃料电池组中，聚合物电解质薄膜中的水分可 以直接与吹入流体通道的空气，氧化或其他流体直接接触而被带走。而在本实用新型中，所 述膜电极组20中的水分被了阻止直接与吹入的空气，氧化或其他流体直接接触，从而得以 防止水分流失。
[0036] 更具体地，所述阴极流场板10具有一主体13,所述主体13在其内侧，也就是面向 所述膜电极组20的那一侧，具有平整的表面131，各个所述冷却孔11成型于所述主体13内 侧并用于使流量从所述主体内侧的平整表面到达的所述主体的外侧。而所述膜电极组20 的水分由于所述主体13的内侧平整表面131的有效阻挡而不容易被带走，从而可以保证所 述膜电极组20含有较高量的水分，以维持较低的内阻。
[0037] 所述阴极流场板10在所述主体13的另一侧具有多个一体地从所述主体13延伸 的凸起14,各个所述凸起14互相间隔地设置并且可以呈狭长状并从所述主体13 -边缘延 伸到所述主体的另一边缘。相邻的所述凸起14之间形成对应的所述流体导引槽12。这样， 当有空气，氧化或其他流体沿着这些凸起14进入这些流体导引槽12时，在这个阴极侧，电 子和正电荷质子与氧结合生成水，作为该燃料电池的产物排出。
[0038] 各个所述凸起14沿着所述阴极流场板10的长度方向可以是柱状，条状，片状等， 并且可以呈直线地排列，也可以倾斜地排列。各个所述凸起14的截面也可以是各种形状， 如长方形，梯形，多边形等各种形状。
[0039] 这样，在所述阴极流场板10的一侧，可以看到有多个所述冷却孔11，而在另一侧， 可以看到由所述凸起14形成的多个凹槽，所述冷却孔11的形状与所述流体导引槽14的凹 槽的形状明显可辨别，并且应用于不同的目的。这是本实用新型的所述阴极流场板10与传 统的阴极流场板的区别所在。也就是说，传统的阴极流场板，其用风扇吹入需要的气体时， 气体会进入这些凹槽，而由于所述主体13的隔离作用，这些气体不会很容易地直接接触到 所述膜电极组20,从而不会带走所述膜电极组20的水分。也就是说，本实用新型的所述燃 料电池单元100的阴极反应主要在所述阴极流场板10的凹槽侧进行，而传统的燃料电池 中，气体进入流体通道后，直接与来自膜电极组的电子和正电荷质子与氧结合生成水，所有 阴极电化学反应主要集中在所述阴极流场板10面向膜电极组那一侧。
[0040] 值得一提的是，在本实用新型这个优选实施例中，这些冷却孔11都与所述流体导 引槽12相连通。也就是说，这些冷却孔11各自延伸进入对应的所述流体导引槽12从而从 所述内侧平整表面131贯穿达到所述主体13的另一面，从而当空气，氧化或其他流体进入 这些流体导引槽12时，可以藉由这些冷却孔11带走所述膜电极组20的热量。
[0041] 另外，因为本实用新型的这样的阴极流场板的设计，使得风扇的速率不会成为所 述膜电极组20的电化学反应的制约因素。也就是说，风扇速率较大时，也不会轻易地将所 述膜电极组20的水分带走而影响所述膜电极组20的性能。这样更方便于操作。
[0042] 另外，如图4中所示，所述膜电极组20位于所述阴极流场板10与所述阳极流场板 30之间，以组成所述质子交换薄膜燃料电池单元100, 一系列所述交换薄膜燃料电池单元 100可以组成一燃料电池组。所述膜电极组20包括一聚合物电解质膜，以及涂布于该聚合 物电解质膜两侧的催化剂。两气体扩散层分别地位于该膜电极组件的两外侧面，其中该气 体扩散层固定于两导电双极板之间。
[0043] 如图5至图7所示是根据本实用新型的一个优选实施例的质子交换薄膜燃料电 池组及其阴极流场板10A。所述质子交换薄膜燃料电池组包括一个或多个燃料电池单元 100A，其可以通过堆叠的方式组装在一起。各个燃料电池单元100A包括一阴极流场板10A， 一膜电极组（MEA) 20A，以及一阳极流场板30A。所述膜电极组20A设置在所述阴极流场板 10A与所述阳极流场板30A之间。
[0044] 本实用新型的所述阴极流场板10A在面向所述膜电极组20A的一侧具有多个冷却 孔11A，以及位于另一侧的多个流体导引槽12A。这样，从所述膜电级组20A产生的热量经由 所述冷却孔11A而得以向外排出。所述流体导引槽12A用于使流体沿所述流体导引槽12A 流动，以促使所述膜电极组20A发生透过所述膜电极组20A的电化学反应从而产生电能。相 应地，该流体为反应气体，如氢气、氧气或空气等。
[0045] 各个所述冷却孔11A可以是各种形状，如圆形，椭圆形，多边形，方形，狭长的缝形 等。多个所述冷却孔11A可以均匀分布，也可以根据需要按照不同的样式排列。值得一提 的是，多个所述冷却孔11A在所述阴极流场板在面向所述膜电极组20A这一侧所占有的面 积也可以根据需要设置，以达到既能有效地排出热量，又不至于带走所述膜电极组20A过 多的水分。
[0046] 更具体地，所述阴极流场板10A具有一主体13A，所述主体13A在其内侧，也就是面 向所述膜电极组20A的那一侧，具有平整的表面131A，各个所述冷却孔11A成型于所述主体 13A内侧并用于使流量从所述主体内侧的平整表面到达的所述主体的外侧。而所述膜电极 组20A的水分由于所述主体13A的内侧平整表面131A的有效阻挡而不容易被带走，从而可 以保证所述膜电极组20A含有较高量的水分，以维持较低的内阻。
[0047] 所述阴极流场板10A在所述主体13A的另一侧具有多个一体地从所述主体13A延 伸的凸起14A，各个所述凸起14A互相间隔地设置并且可以呈狭长状并从所述主体13A-边 缘延伸到所述主体的另一边缘。相邻的所述凸起14A之间形成对应的所述流体导引槽12A。 这样，当有空气，氧化或其他流体沿着这些凸起14A进入这些流体导引槽12A时，在这个阴 极侧，电子和正电荷质子与氧结合生成水，作为该燃料电池的产物排出。
[0048] 各个所述凸起14A沿着所述阴极流场板10A的长度方向可以是柱状，条状，片状 等，并且可以呈直线地排列，也可以倾斜地排列。各个所述凸起14A的截面也可以是各种形 状，如长方形，梯形，多边形等各种形状。
[0049] 这样，在所述阴极流场板10A的一侧，可以看到有多个所述冷却孔11A，而在另一 侦牝可以看到由所述凸起14A形成的多个凹槽，所述冷却孔11A的形状与所述流体导引槽 14A的凹槽的形状明显可辨别，并且应用于不同的目的。这是本实用新型的所述阴极流场板 10A与传统的阴极流场板的区别所在。也就是说，传统的阴极流场板，其用风扇吹入需要的 气体时，气体会进入这些凹槽，而由于所述主体13A的隔离作用，这些气体不会很容易地直 接接触到所述膜电极组20A，从而不会带走所述膜电极组20A的水分。也就是说，本实用新 型的所述燃料电池单元100A的阴极反应主要在所述阴极流场板10A的凹槽侧进行，而传统 的燃料电池中，气体进入流体通道后，直接与来自膜电极组的电子和正电荷质子与氧结合 生成水，所有阴极电化学反应主要集中在所述阴极流场板10A面向膜电极组那一侧。
[0050] 值得一提的是，在本实用新型这个优选实施例中，些冷却孔11A可以选择性地与 位于另一侧的这些流体导引槽12A相连通。也就是说，不是每一个所述流体导引槽12A都 与所述冷却孔11A相连通。可以是一所述流体导引槽12A与几个冷却孔11A或一狭长的冷 却孔11A相连通，而相邻的另一所述流体导引槽12A不与所述冷却孔11A相连通。
[0051] 所有这些冷却孔12A也可以具有不同的形状，例如一些呈圆形，而另一些可能是 狭长的缝形状。沿着某一流体导引槽12A的长度方向，可以对应设置有多个相同形状或不 同形状的所述冷却孔12A。并且这些冷却孔11A的相邻两个所述冷却孔11A之间可以具有 相同的间隔或不同的间隔。
[0052] 本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为 举例而并不限制本实用新型。
[0053] 由此可见，本实用新型之目的已经完整并有效的予以实现。本实用新型的功能及 结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。所 以，本实用新型包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。
【权利要求】
1. 一种PEM燃料电池组的阴极流场板，所述阴极流场板用于与一膜电极组，一阳极流 场板组装成一质子交换薄膜燃料电池单元，其特征在于，所述阴极流场板在面向所述膜电 极组的一侧具有多个冷却孔，并且具有位于另一侧的多个流体导引槽，这样，从所述膜电级 组产生的热量经由所述冷却孔而得以向外排出，所述流体导引槽用于使流体沿所述流体导 引槽流动，以促使所述膜电极组发生透过所述膜电极组的电化学反应从而产生电能。
2. 如权利要求1所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，至少部分所述冷却 孔与至少部分所述流体导引槽相连通。
3. 如权利要求2所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，各个所述冷却孔与 对应的多个所述流体导引槽其中之一相连通。
4. 如权利要求2所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，所有所述冷却孔分 成一列或多列排列，每列具有一个或多个互相间隔设置的所述冷却孔，每列所述冷却孔沿 着一所述流体导引槽的长度方向与对应的所述流体导引槽相连通。
5. 如权利要求4所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，预定数目的所述流 体导引槽不与所述冷却孔相连通。
6. 如权利要求5所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，与所述冷却孔相连 通的所述流体导引槽和不与所述冷却孔相连通的所述流体导引槽互相交替在排列。
7. 如权利要求2至6中任一所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，所述阴 极流场板包括一主体，所述主体具有一内侧平整平面，以面向所述膜电极组设置，所述冷却 孔沿着所述内侧平整表面布置，所述流体导引槽成型在所述主体的外侧。
8. 如权利要求7所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，所述阴极流场板还 包括多个从所述主体的外侧延伸的凸起，相邻的所述凸起形成所述流体导引槽。
9. 如权利要求8所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，所述冷却孔的截面 呈圆形、椭圆形、或多边形。
10. 如权利要求8所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，所述凸起截面呈 多边形。
11. 如权利要求7所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，多个所述冷却孔 沿着所述内侧平整表面均匀分布。
12. 如权利要求8所述的PEM燃料电池组的阴极流场板，其特征在于，相邻的所述凸起 互相平行地以相同的间隔设置。
【文档编号】H01M8/02GK203850383SQ201320853256
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】李骁, 赵锋, 刘清亭 申请人:武汉众宇动力系统科技有限公司