專利名稱：空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵱眯滦蜕婕百|(zhì)子交換膜燃料電池板板，尤其是對空氣冷卻型質(zhì)子交 換膜燃料電池極板空氣流場的改進(jìn)。
技術(shù)背景質(zhì)子交換膜燃料電池極板，為引導(dǎo)氣流分配，通常在極板面上加工有 氣體流場，以確保電極板面各處，均能獲得足夠反應(yīng)劑供應(yīng)，并排出電池 反應(yīng)生成的水和廢熱?？諝饫鋮s型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，通常采用軸流 風(fēng)機(jī)供應(yīng)空氣，其空氣流場通常設(shè)計(jì)成沿空氣流動(dòng)方向的平行直線形導(dǎo)流 槽結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)風(fēng)壓力差作用下，空氣從極板的一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過極板面由 另一側(cè)排出?？諝獠粌H起到氧化劑的作用，還起到冷卻作用，空氣在極板 面是否分布均勻，直接影響組成電池堆的性能與穩(wěn)定性，因此極板面上空 氣均勻性，在空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池堆占有十分重要作用?，F(xiàn)有技術(shù)空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板，空氣流場主要有兩種 設(shè)計(jì)形式(1)陰極流場和散熱流場合為一體，空氣在同一個(gè)流場內(nèi)流動(dòng) 時(shí)又起氧化劑供給，又起散熱作用的。(2)陰極流場與散熱流場分成兩部 分，分別加工在一塊板的兩面。目前空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池各節(jié) 極板、以及同一塊極板不同位置，空氣流場流道深度和流場開孔率完全一致，例如中國專利CN1971992、 CN200969370所述極板。然而軸流風(fēng)機(jī)供 應(yīng)空氣，風(fēng)機(jī)葉面與非葉面風(fēng)力不相同，客觀上造成電堆對應(yīng)風(fēng)機(jī)不同位 置，兩側(cè)氣體壓力差不完全相同，從而導(dǎo)致電堆不同部位空氣流動(dòng)不均勻， 進(jìn)而造成散熱和氧化劑供應(yīng)不均勻，從而造成電池堆各個(gè)部位性能分布不 均勻，影響電堆整體性能。例如對應(yīng)風(fēng)機(jī)葉片區(qū)域壓力差大，空氣流量相 對較大，容易導(dǎo)致膜電極水分的吹干，不利于增濕；非風(fēng)機(jī)葉片對應(yīng)區(qū)域 壓力差小，空氣流量相對較小，不利于氧化劑供給和廢熱排出。為解決這一技術(shù)問題，中國專利CN1929178公開的空氣型燃料電池堆， 采用風(fēng)機(jī)與風(fēng)罩結(jié)合來使時(shí)空氣分布均勻，但增加風(fēng)罩勢必會(huì)增加系統(tǒng)的 體積與重量，不僅影響電池的便攜性，而且限止了電堆單位體枳能量密度 提高。實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種能確保極板各 區(qū)域空氣流動(dòng)均勻的空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板。實(shí)用新型目的實(shí)現(xiàn)，基本構(gòu)思是將極板流道流量設(shè)計(jì)成非均等結(jié)構(gòu)， 在軸流風(fēng)機(jī)供應(yīng)空氣流道兩側(cè)壓力差大的區(qū)域，減小流道的深度和/或流場 的開孔率；在空氣流道兩側(cè)壓力差小的區(qū)域，增加流道的深度和/或流場的 開孔率，從而均勻整個(gè)極板截面風(fēng)量。具體說，實(shí)用新型空氣冷卻型質(zhì)子 交換膜燃料電池極板，包括極板上內(nèi)凹平行直線形空氣流道，其特征在于 對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度與開孔率乘積，與其余部位流道深度與開孔率乘積比為0.95 0.2: 1。更好為軸流風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處流道深度與開孔率乘積，與其余部位流道深度與開孔率乘積比為0.8-0.5: 1。實(shí)用新型極板不同部位流量的改變，既可以通過改變流道深度實(shí)現(xiàn)， 又可以通過改變流場的開孔率實(shí)現(xiàn)，還可以同時(shí)改變流道的深度和流場的 開孔率實(shí)現(xiàn)。根據(jù)此設(shè)計(jì)原則，結(jié)合不同材質(zhì)極板制造工藝， 一種較好極板軸流風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處流場，流道深度為0.2 4mrn，流場開孔率35%~80%; 其余部位流場，流道深度為0.4~5mm，流場開孔率40%~85%。其中更好軸 流風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處流場，流道深度為0.4 2mm，流場開孔率45%~70%;其 余部位流場，流道深度為0.6~3mm，流場開孔率50% 75%。實(shí)用新型極板材料，與現(xiàn)有技術(shù)極板相同，例如可以是硬石墨、柔性 石墨、碳紙或金屬材料等。實(shí)用新型極板空氣流道設(shè)計(jì)，不僅適用包含陰極、陽極流場的雙極板; 還適用于包含陽極、陰極流場和散熱流場的復(fù)合型雙極板，陰極流場與散 熱流場分開情況下，空氣流道流量非均等設(shè)計(jì)構(gòu)思，分別適用于陰極流場 與散熱流場。實(shí)用新型極板，其空氣流道采用流量非均等設(shè)計(jì)，對應(yīng)風(fēng)機(jī)葉片部位風(fēng)量大風(fēng)壓強(qiáng)，減小流道的深度和/或流場的開孔率；風(fēng)機(jī)非葉片部位風(fēng)量 小風(fēng)壓弱，加大流道揮度和/或流場的開孔率，使兩者流道深度與開孔率乘積比為0.95~0.2: 1，更優(yōu)為0.8-0.5: 1，達(dá)到使整個(gè)極板空氣流量均勻，從而確?？諝庠陔姸巡煌课涣髁烤鶆?，使組成電堆性能均勻?？朔丝?氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，由于軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)截面風(fēng)量、風(fēng)壓不均 勻，造成電堆不同部位空氣流量不均勻帶來的氧化劑供應(yīng)和排熱不均勻， 進(jìn)而影響電堆性能的不足。此外，通過極板空氣流場流道深度和/或流場開孔率不均等設(shè)計(jì)均勻空氣流量，方法、工藝簡單，可操作性強(qiáng)，還可以保 持在不增加原有電池堆體積情況下改善電堆性能，并且有利于組裝電堆的 結(jié)構(gòu)緊湊，以及單位體積能量密度的提高。例如采用加設(shè)風(fēng)罩均勻空氣流 量結(jié)構(gòu)，電堆系統(tǒng)功率密度只有200瓦/升，實(shí)用新型極板組裝電堆功率密度可以達(dá)到300瓦/升。以下結(jié)合二個(gè)具體實(shí)施例和比較例，示例性說明及幫助進(jìn)一步理解實(shí) 用新型，但實(shí)施例具體細(xì)節(jié)僅是為了說明實(shí)用新型，并不代表實(shí)用新型構(gòu) 思下全部技術(shù)方案，因此不應(yīng)理解為對實(shí)用新型總的技術(shù)方案的限定，一 些在技術(shù)人員看來，不偏離實(shí)用新型構(gòu)思的非實(shí)質(zhì)性改動(dòng)，例如具有相同 或相似技術(shù)效果技術(shù)特征的簡單改變或替換，均屬實(shí)用新型護(hù)范圍。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)雙極板側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合雙極板空氣板側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖3為實(shí)用新型雙極板側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖4為實(shí)用新型復(fù)合雙極板空氣板側(cè)視結(jié)構(gòu)圖。圖5為實(shí)施例1與比較例1的風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處與其余部位電性能測試 對比圖。圖6為實(shí)施例2與比較例2的風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處與其余部位電性能測試 對比圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:參見圖3，采用12V外置直流軸流風(fēng)機(jī)常壓供氣的空氣冷卻 型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，極板采用厚度為5mm的硬石墨雙極板1，陰極 面軸流風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處空氣流場(極板兩端區(qū)域)兩側(cè)壓差16~20Pa，連通 極板兩側(cè)的平行空氣流道3.1，深lmm，寬lmm，脊寬lmm;其余部位(風(fēng) 機(jī)非葉面，極板中部區(qū)域)空氣流道兩側(cè)壓差8 10Pa，連通極板兩側(cè)平行空 氣流道3.2，深1.6mm，寬1.25mm，脊寬lmm。陽極面采用流道深lmm， 寬lmm，脊寬lmm的平行流場。比較例1:參見圖1，同實(shí)施例1，其中空氣流場所有流道采用均等設(shè) 計(jì)，所有位置空氣流道3深lmm，寬lmm，脊寬lmm。實(shí)施例2:參見圖4，采用24V直流軸流風(fēng)機(jī)供氣的空氣冷卻型質(zhì)子交 換膜燃料電池堆，極板采用包含陰極流場、陽極流場和散熱流場的復(fù)合雙 極板。復(fù)合雙極板由一塊lmm厚柔性石墨板、 一塊2.5mm厚硬石墨板2構(gòu)成。柔性石墨板表面加工有氫氣流場，采用流道深0.4mm，寬0.8mm，脊 寬0.8mm的平行流場。硬石墨板兩面分別加工有陰極流場4和散熱流場5， 軸流風(fēng)機(jī)葉面對應(yīng)處空氣流道兩側(cè)壓差26~28Pa，陰極流場流道4.1深 0.8mm，寬lmm，脊寬lmm，散熱流場流道5.1深0.8mm，寬lmm，脊寬 lmm;其余部位(風(fēng)機(jī)非葉面)空氣流道兩側(cè)壓差13 14Pa，陰極流場流道4.2 深lmm，寬1.5mm,脊寬0.8mm，散熱流場流道5.2深度lmm，寬度1.5mm， 脊寬lmm。比較例2:參見圖2，同實(shí)施例2，其中空氣流場所有流道采用均等設(shè) 計(jì)，所有位置陰極流道4深lmm，寬1.5mm，脊寬0.8mm，散熱流場流道 5深度lmm， 寬度1.5mm， 脊寬lmm。由圖5、 6，表明兩種不同結(jié)構(gòu)極板，采用上述對應(yīng)風(fēng)機(jī)不同部位，非 均等空氣流場結(jié)構(gòu)，具有基本相同趨勢，均可有效改善電堆性能的均勻性。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在實(shí)用新型構(gòu)思啟示下，能夠從本專利公 開內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想得到的一些變形，或現(xiàn)有技術(shù)中常用公知技術(shù)的替 代，例如槽形變化，極板材料不同等等，均具有基本相同功能和效果，不 再一一舉例細(xì)說，均屬于本專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1、空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板，包括極板上內(nèi)凹平行直線形空氣流道，其特征在于對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度與開孔率乘積，與其余部位流道深度與開孔率乘積比為0.95～0.2∶1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板，其特征在 于對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度與開孔率乘積，與其余部位流道深度與開 孔率乘積比為0.8-0.5: 1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板，其特 征在于對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度為0.2 4mm，開孔率35%~80%，其余 部位流道深度為0.4~5mm，開孔率為40% 85%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板，其特征在 于對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度為0.4 2mm，開孔率45% 70%，其余部位 流道深度為0.6~3mm，開孔率為50%~75%。
專利摘要本實(shí)用新型是對空氣冷卻型質(zhì)子交換膜燃料電池極板空氣流場改進(jìn)，其特征是對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)葉面區(qū)域流道深度與開孔率乘積，與其余部位流道深度與開孔率乘積比為0.95～0.2∶1。空氣流道采用流量非均等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以確?？諝庠陔姸巡煌课涣髁烤鶆?，從而使組成電堆性能均勻?？朔丝諝饫鋮s型質(zhì)子交換膜燃料電池堆，由于軸流風(fēng)機(jī)吹風(fēng)截面風(fēng)量、風(fēng)壓不均勻，造成電堆不同部位空氣流量不均勻帶來的氧化劑供應(yīng)和排熱不均勻，進(jìn)而影響電堆性能的不足。此外，采用流道深度和/或流場開孔率不均等設(shè)計(jì)，工藝簡單，可操作性強(qiáng)，可以保持原有電池堆體積不增加改善電堆性能，有利于組裝電堆結(jié)構(gòu)緊湊，以及單位體積能量密度提高。例如采用加設(shè)風(fēng)罩均勻空氣流量結(jié)構(gòu)，電堆系統(tǒng)功率密度只有200瓦/升，本實(shí)用新型可以達(dá)到300瓦/升。
文檔編號(hào)H01M4/86GK201167109SQ20082003337
公開日2008年12月17日 申請日期2008年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月22日
發(fā)明者侯向理, 劉常福, 徐洪峰 申請人:江蘇新源動(dòng)力有限公司