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：
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--
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。本发明极板，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/或流场的幵孔率；风机非叶片部位风量小 风压弱，加大流道深度和/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，本发明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本 发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全 部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定， 一些在技术 人员看来，不偏离本发明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，均属本发明护范围。
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为发明双极板侧视结构图。图4为发明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h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 iOPa，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 i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1mm，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，在本发明构思启示下，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1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%。
全文摘要
本发明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，本发明可以达到300瓦/升。
文档编号H01M8/10GK101540402SQ20081002008
公开日2009年9月23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