一种具有内增湿结构的燃料电池双极板及电堆的制作方法

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及到一种具有内增湿结构的燃料电池双极板及电堆。

背景技术：

质子交换膜燃料电池普遍采用固体聚合物电解质膜，质子在膜中以水合的形式从阳极传递到阴极，水就是质子传导的载体。故质子交换膜中水含量的多少，直接影响膜的质子传导率，进而对燃料电池的性能产生极大的影响。

质子交换膜燃料电池增湿技术主要包括外增湿和自增湿两种方式。市场上成熟的燃料电池发电系统通常采用电堆外置辅助增湿系统来对电堆的反应气进行增湿，从而保证反应电堆中的质子交换膜(pem)有充足的水分。例如在阴极侧增加膜管增湿器，利用湿度较高的气体与进气间的浓度差，扩散渗透达到进气增湿的目的。但膜管增湿器增加了燃料电池系统的复杂性和空间结构，尤其是高功率发电系统进气量大，就需要配置大体积的膜管增湿器。此外，膜管增湿器还存在因冷凝液态水而不能适应低温环境的缺点。燃料电池自增湿技术的研究主要集中在流场结构和膜电极的设计，依靠流场的特殊设计以及对气体扩散层、催化剂、质子交换膜的材料改性、匹配优化，实现电堆的自增湿和保水能力。通过改性的内增湿技术若匹配不好，将导致燃料电池膜电极和流场内部出现积水现象，阻碍正常反应，即电堆“水淹”的现象，使设备性能下降。且此方式的增湿能力有限，尤其高电流密度时，自增湿的量并不能满足质子传导的需求。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种具有内增湿结构的燃料电池双极板及电堆。本发明通过在极板下端增设一排空气增湿口，并配合前后端板、前后取电板等零部件的相关结构，在电堆内形成自增湿循环，能够解决外部增湿器不适宜在低温环境下使用的问题，既可以满足电堆高电流密度下正常工作需求，又能够降低电堆结构、系统控制和加工的复杂程度。

为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：一种具有内增湿结构的燃料电池双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板设置有阳极流道，所述阴极板设置有阴极流道，两个极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却液流道，所述阳极板和阴极板的氢气出入口设置在极板的左右两侧，极板空气入口和极板空气出口设置在极板的上下两端或左右两端，所述阳极板和阴极板的下端设置有若干极板空气增湿口。

一种具有内增湿结构的燃料电池电堆，包括前端板、后端板、前取电板、后取电板及所述的双极板，所述前端板上设置有前端板空气入口和前端板空气出口，所述前取电板上设置有前取电板空气增湿口和前取电板空气出口；

所述前端板空气入口与前取电板空气增湿口、极板空气增湿口相连通，所述前端板空气出口与前取电板空气出口、极板空气出口相连通；

所述后取电板上设置有后取电板空气增湿口和后取电板空气入口，所述后取电板空气增湿口与极板空气增湿口相连通；所述后取电板空气入口与极板空气入口相连通；

所述后端板内侧设置有连通后取电板空气增湿口和后取电板空气入口的空气改向槽；

所述前端板或后端板上至少设有一个端板增湿口，用于将增湿用水注入或排出。

所述前端板上设置有前端板空气增湿口，所述前端板空气增湿口在高度方向与极板空气增湿口对应。

所述前端板上设置有后端板空气增湿口，所述后端板空气增湿口在高度方向与极板空气增湿口对应。

所述前端板上设置有空气分配槽，所述空气分配槽的设置位置与极板空气增湿口对应，介于前端板空气入口、前端板空气增湿口和前取电板空气增湿口之间，用于将进入端板的空气和增湿用水进行混合与分配。

所述空气改向槽与串联的极板空气增湿口及极板空气入口垂直设置。

所述端板增湿口与一个或多个增湿控制器相连接，所述增湿控制器能够根据极板空气增湿口中蓄水池的液位或电堆实际运行情况，判断是否将增湿用水导入或排出电堆。

所述蓄水池是电堆中多个极板串联后在极板空气增湿口处形成的通道。

所述增湿用水的导入通过水路增压设备或气路负压设备实现，所述水路增压设备或气路负压设备与增湿控制器相连接。

所述导入电堆的增湿用水来自前端板空气出口排出的多余的反应生成水，或来自于整个电堆之外。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过在极板下部增加若干空气增湿口，并配合前后端板、前后取电板等零部件的相关结构，使空气可在电堆内部进行增湿。这种方案的优点有：

1、不借助外部增湿器，在电堆内形成增湿循环，即可满足电堆高电流密度下正常工作需求，又能够降低电堆结构、系统控制和加工复杂程度，节约成本。

2、内部增湿结构能够解决外部增湿器不适宜在低温环境下使用的问题。

3、可以借助电堆自身反应生成的水对后续反应使用的空气进行增湿，而并非像传统电堆那样，使用时将反应产生的水从电堆空气出口直接排出，能够实现水在电堆系统内部的循环利用，减少浪费。

附图说明

图1是本发明实施例1电堆的结构示意图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

图2是本发明实施例1阳极板的结构示意图。其中，省略了中间流道部分的结构。视图方向对应图1中从左向右看。

图3是本发明实施例2电堆的结构示意图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

图4是本发明实施例2阳极板的结构示意图。其中，省略了中间流道部分的结构。视图方向对应图3中从左向右看。

图5是本发明实施例3阳极板的结构示意图。其中，省略了中间流道部分的结构。

图6是本发明实例3中前端板的靠近极板一侧的结构示意图。该视图的方向与图5视图的方向是相反的。

图7是本发明实例3中后端板的靠近极板一侧的结构示意图。该视图的方向与图5视图的方向是相同的。

图8是本发明实例3中电堆的主视图。其中，省略了外附件等结构。该视图的方向与图5视图的方向是相同的。

图9是图8中电堆a-a方向的剖视图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

图10是图8中电堆b-b方向的剖视图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

图11是图8中电堆c-c方向的剖视图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

图12是图8中电堆d-d方向的剖视图。其中，省略了部分外附件和膜电极组件等。此外，电堆内部结构均用剖面表示，外部管路、控制器等均用实体表示。

附图标记说明：1-阳极板；2-阴极板；3-前端板；4-后端板；5-前取电板；6-后取电板；7-增湿控制器；8-水路增压设备；9-气路负压设备；101-氢气入口；102-氢气出口；103-极板空气入口；104-极板空气出口；105-冷却液入口；106-冷却液出口；107-活性区域；108-极板空气增湿口；301-前端板空气入口；302-前端板空气出口；303-前端板空气增湿口；304-空气分配槽；401-后端板空气增湿口；402-空气改向槽；501-前取电板空气增湿口；502-前取电板空气出口；601-后取电板空气增湿口；602-后取电板空气入口。

其中：水(包括增湿用水、反应生成水、冷却液)空气氢气向纸里流动向纸外流动○。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1

如图2所示，一种具有内增湿结构的燃料电池阳极板1，而与其一同组成双极板的阴极板2在结构上与其类似。其中，所述阳极板1设置有阳极流道，所述阴极板2设置有阴极流道，两个极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却液流道。

所述阳极板1和阴极板2的左侧从上至下设置依次有氢气入口101和三个冷却液入口105，右侧从上至下设置依次有三个冷却液出口106和氢气出口102，所述阳极板1和阴极板2的上端设置有五个极板空气出口104，下端设置有六个空气入口103和七个极板空气增湿口108，双极板中空气从下而上流动，氢气从左至右流动，这种正交的流动相较于传统平行的直流道流动，使极板的受力、与气体扩散层的接触情况、水的分布情况都得到了一定程度的改善，提升了电堆的整体性能和可靠性。

如图1所示，一种具有内增湿结构的燃料电池电堆，包括前端板3、后端板4、前取电板5、后取电板6及双极板的阳极板1和阴极板2。

所述前端板3上设置有前端板空气入口301和前端板空气出口302；所述前取电板5上设置有前取电板空气增湿口501和前取电板空气出口502，所述前取电板空气增湿口501与极板空气增湿口108完全连通，所述前端板空气入口301只与前取电板空气增湿口501的上半部分连通；所述前端板空气出口302与前取电板空气出口502、极板空气出口104完全连通；

所述后取电板6上设置有后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602，所述后取电板空气增湿口601与极板空气增湿口108完全连通；所述后取电板空气入口602与极板空气入口103完全连通。

所述后端板4内侧下方设置有连通后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602的空气改向槽402，所述空气改向槽402与串联的极板空气增湿口108及极板空气入口103垂直设置；

所述后端板4外侧下方设置有后端板空气增湿口401，所述后端板空气增湿口401的位置与后取电板空气增湿口601下半部分相对应。

进一步的，前后端板、取电板上还设置有氢气与冷却液进出的通孔，但由于其并非本专利所主要描述的内容，故在实例中没有提及并在附图中画出。

该实例中，后端板空气增湿口401与一个增湿控制器7相连接，其后有一路再经过水路增压设备8、蓄水箱、气液分离器等设备、管路(图中未画出)与前端板空气出口302相连。增湿控制器7功能上就是一个阀门，既可以是电控的，也可以是手动的，其作用是根据极板空气增湿口108中蓄水池的液位判断是否要将前端板空气出口302中分离出的水导回，还可以在电堆冷启动时，将之前在极板空气增湿口108中积攒的水排出，以便电堆快速加热启动。

所述蓄水池是电堆中多个极板串联后在极板空气增湿口108处形成的通道。

所述水路增压设备8是用于对增湿用水进行加压，以克服极板空气增湿口108通道中进堆空气的高压，保证增湿过程的正常进行。

该实例所述电堆中，空气从前端板3下方的前端板空气入口301进入电堆，并依次流经前取电板空气增湿口501、每块极板的下方的极板空气增湿口108、后取电板空气增湿口601，再从后端板4内侧的空气改向槽402中转向进入后取电板空气入口602、极板空气入口103，进而依次进入每块阴极板2的流道参加反应，最后依次从极板上部空气出口104、前取电板空气出口502和前端板3上部前端板空气出口302排出。

由于燃料电池反应会生成水，同时刚进入活性区域107的反应气体需要加湿以防止质子交换膜过干。因此本实施例中，通过后端板4外侧下方设置的后端板空气增湿口401将前端板空气出口302排出的多余的反应生成水流经管路及相关结构重新收集导回电堆。由于前端板空气入口301和后端板空气增湿口401之间存在高度差，从而可将上述导回电堆的水积蓄在极板下层空气增湿口108的下半部，形成蓄水池，所有进入电堆的空气都要经过水池的上方，从而实现了增湿的目的。

由于借助极板空气增湿口108中蓄水池的内部增湿，以及活性区域107中空气侧反应产生了水，从而使空气侧整体水含量较高，与氢气侧形成了水浓度梯度，再借助较薄的新型质子交换膜，可使多余的水从空气侧反向渗透到氢气侧，从而实现无外置增湿器的氢气侧自增湿。

实施例2

如图4所示，一种具有内增湿结构的燃料电池阳极板1，而与其一同组成双极板的阴极板2在结构上与其类似。其中，所述阳极板1设置有阳极流道，所述阴极板2设置有阴极流道，两个极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却液流道，所述阳极板1和阴极板2的左侧从上至下设置依次有三个冷却液入口105和氢气出口102，右侧从上至下设置依次有氢气入口101和三个冷却液出口106，所述阳极板1和阴极板2的上端设置有五个极板空气入口103，下端设置有六个极板空气出口104和七个极板空气增湿口108，双极板中空气从上而下流动，氢气从右至左流动，这种正交的流动相较于传统平行的直流道流动，使极板的受力，与气体扩散层(gdl)的接触情况，水的分布情况都得到了一定程度的改善，提升了电堆的整体性能和可靠性。

如图3所示，一种具有内增湿结构的燃料电池电堆，包括前端板3、后端板4、前取电板5、后取电板6及图4所对应的双极板的阳极板1和阴极板2。

所述前端板3上设置有前端板空气入口301和前端板空气出口302；所述前取电板5上设置有前取电板空气增湿口501和前取电板空气出口502，所述前端板空气入口301通过前取电板空气增湿口501与极板空气增湿口108的连通，所述前端板空气出口302与前取电板空气出口502、极板空气出口104连通；

所述后取电板6上设置有后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602，所述后取电板空气增湿口601与极板空气增湿口108相连；所述后取电板空气入口602与极板空气入口103相连。

所述后端板4内侧设置有连通后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602的空气改向槽402，所述空气改向槽402与串联的极板空气增湿口108及极板空气入口103垂直设置；

所述后端板4外侧下方设置有后端板空气增湿口401，所述后端板空气增湿口401的位置与后取电板空气增湿口601下部相对应。虽然图4中绘制的后端板空气增湿口401大小为极板空气增湿口108的一半，但本专利并没有对空气增湿口402大小的进行限制。只要后端板空气增湿口401比极板空气增湿口108小，能避免注入电堆的空气直接从后端板空气增湿口401冲出即可。

进一步的，前后端板、取电板上还设置有氢气与冷却液进出的通孔，但由于其并非本专利所主要描述的内容，故没有在实例中提及并在附图中画出。

实施例2中，电堆外配置有两个增湿控制器7。具体的，后端板空气增湿口401与一个增湿控制器7相连接，其作用是在电堆冷启动时，将之前在极板空气增湿口108中积攒的水排出，以便电堆快速加热启动。相对的，前端板空气入口301先通过一个气路负压设备9与另一个增湿控制器7相连，之后再通过蓄水箱、气液分离器等设备、管路(图中未画出)与前端板空气出口302相连，其作用是根据极板空气增湿口108中蓄水池的液位判断是否要将前端板空气出口302中分离出的水导回，增湿控制器7功能上就是一个阀门，既可以是电控的，也可以是手动的。

所述蓄水池是电堆中多个极板串联后在极板空气增湿口108处形成的通道。

所述气路负压设备9是借助其内部结构，可使进堆前的高压空气在零件内的局部产生负压，从而将低压的增湿用水吸入并混合，以保证后续在蓄水池中增湿的正常进行。可用的气路负压设备9包括但不限于引射器、气动输送器等。

本实施例所述电堆中，空气从前端板空气入口301进入电堆，并依次流经前取电板空气增湿口501、每块极板的下方的极板空气增湿口108、后取电板空气增湿口601，再从后端板4内侧的空气改向槽402中转向进入后取电板空气入口602、极板上方空气入口103，进而依次进入每块阴极板2的流道参加反应，最后依次从极板空气出口104、前取电板空气出口502和前端板3的前端板空气出口302排出。

由于燃料电池反应会生成水，同时刚进入活性区域107的反应气体需要加湿以防止质子交换膜过干。因此在实例2中，可借助前端板3外侧下方设置的前端板空气入口301将前端板空气出口302排出的多余的反应生成水经过管路及相关结构重新收集导回电堆。通过前后增湿控制器7的开闭，可将上述导回电堆的水控制在极板下层空气增湿口108中，形成蓄水池，所有进入电堆的空气都要经过水池的上方，从而实现了增湿的目的。

实施例3

如图5所示，一种具有内增湿结构的燃料电池阳极板1，而与其一同组成双极板的阴极板2在结构上与其类似。其中，所述阳极板1设置有阳极流道，所述阴极板2设置有阴极流道，两个极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却液流场。

所述阳极板1和阴极板2的左侧设置有氢气入口101、两个极板空气出口104和上下冷却液出口106，右侧设置有两个极板空气入口103、氢气出口102和上下冷却液入口105，极板下部设置有一排极板空气增湿口108。

双极板中空气从右向左流动，氢气从左至右流动，并将活性区域107中的流道设置成波浪形、斜形或其他合理的形状，以保证极板受力均匀，令极板与gdl的接触及pem中水的分布保持较好的状态，确保电堆的整体性能和可靠性。

如图9所示，一种具有内增湿结构的燃料电池电堆，包括前端板3、后端板4、前取电板5、后取电板6及图5所对应的双极板的阳极板1和阴极板2。

如图6所示，从前端板3的内侧看，其上设置有前端板空气入口301、前端板空气增湿口303和前端板空气出口302，以及氢气和冷却液的进出口。此外，在前端板下部设置有空气分配槽304，其位置与双极板下部的极板空气增湿口108相对。

此处，与实例1和实例2不同的，本实施例中的空气、氢气、冷却液的进出口均采用阶梯孔的形式，即前端板外侧开螺纹孔与外部接头，如管接头、快插接头相连，内侧则开方孔与极板上的通孔相对应。实例1和实例2采用的则是外接法兰接头的形式。本专利并未对接头和端板对应接口的形式作明确约束，上述实例仅是其中部分可行的方案。

进一步的，图6中所示前端板空气入口301位于前端板空气增湿口303的上方。本专利并未对当前端板同时设置前端板空气入口301和前端板空气增湿口303时，两者相对位置的限制。例如，也可以将前端板空气入口301和前端板空气增湿口303水平布置，令其分别与极板上不同的极板空气增湿口108相对。

如图9、图10所示，所述前取电板5上设置有前取电板空气增湿口501和前取电板空气出口502。

所述前端板空气入口301、前端板空气增湿口303通过内侧空气分配槽304与前取电板空气增湿口501、极板空气增湿口108连通，所述前端板空气出口302与前取电板空气出口502、极板空气出口104连通；

如图11，图12所示，所述后取电板6上设置有后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602，所述后取电板空气增湿口601与极板空气增湿口108相连；所述后取电板空气入口602与极板空气入口103相连。

如图7所示，所述后端板4内侧设置有连通后取电板空气增湿口601和后取电板空气入口602的空气改向槽402，所述空气改向槽402与串联的极板空气增湿口108及极板空气入口103垂直设置。在空气改向槽402中，可以设置若干条筋状凸起，以提升后端板的机械强度，抑或优化槽中空气的流动与分布。

如图7所示，所述后端板4外侧下方设置有空气增湿口401，所述后端板空气增湿口401的位置与极板空气增湿口108相对应。本专利并未对后端板空气增湿口401的形状与大小进行限制。其既可以与极板下方所有极板空气增湿口108所对应的整个面积相同，也可以如图7所示，仅是一个比单个极板空气增湿口108还小的孔。

进一步的，本专利也未对后端板空气增湿口401高度是否要比极板空气增湿口108低，即是否下沉进行限制。如图7所示，实例3中后端板空气增湿口401采用了下沉的方案，但实例1和实例2中并没有。

本实施例中，电堆外配置有两个增湿控制器7，后端板空气增湿口401与一个增湿控制器7相连接，其作用是在电堆冷启动时，将之前在极板空气增湿口108中积攒的水排出，以便电堆快速加热启动。相对的，前端板空气增湿口303先通过一个水路增压设备8与另一个增湿控制器7相连，之后再通过蓄水箱、气液分离器等设备、管路(图中未画出)与前端板空气出口302相连。其作用是根据极板空气增湿口108中蓄水池的液位判断是否要将前端板空气出口302中分离出的水导回。增湿控制器7功能上就是一个阀门，既可以是电控的，也可以是手动的。

所述蓄水池是电堆中多个极板串联后在极板空气增湿口108处形成的通道。

所述水路增压设备8是用于对增湿用水进行加压，以克服极板空气增湿口108通道中进堆空气的高压，保证增湿过程的正常进行。

结合图8、图9、图10、图11和图12，可以看出该实例所述电堆中，空气从前端板空气入口301进入电堆，同时增湿用水从前端板3下方的前端板空气增湿口303进入电堆，空气和增湿用水在前端板3内侧下方的空气分配槽304中混合，并依次流经前取电板空气增湿口501、每块极板的下方的极板空气增湿口108、后取电板空气增湿口601，再从后端板4内侧的空气改向槽202中转向，继而进入后取电板空气入口602、极板上方空气入口103，接着依次进入每块阴极板2的流道参加反应，最后依次从极板空气出口104、前取电板空气出口502和前端板3的前端板空气出口302排出。

由于燃料电池反应会生成水，同时刚进入活性区域107的反应气体需要加湿以防止质子交换膜过干。因此在实例3中，可借助前端板3外侧下方设置的空气增湿口303将前端板空气出口302排出的多余的反应生成水经过管路及相关结构重新收集导回电堆。通过前后增湿控制器7的开闭，可将上述导回电堆的水控制在极板下层空气增湿口108中，形成蓄水池，所有进入电堆的空气都要经过水池的上方，从而实现了增湿的目的。

实施例1、2和3中阳极板1和阴极板2由于为各自对应的反应气体提供通往活性区域107的通道，故其流道部分存在一定差异，但由于这部分内容并非本专利的重点，因此并未详细画出，仅通过箭头解释极板中气体的流动情况。除此以外两种极板在外形尺寸(不包括厚度)和反应气体进出口、冷却液进出口的位置、大小均一致。

需要说明的是本发明对电堆各元件的材质没有限制，不限于石墨板电堆、金属板电堆和复合板电堆。对应双极板的加工方式也有多种，例如石墨板可以使用包括但不限于精雕、线切割、水切割等方式加工；金属板可以使用冲压、激光等方式；复合板可以使用模压或者注射成型等加工手段。