[发明专利]空气直接冷却的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的模压金属双极板，用于直接空气冷却的电堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池的由电池单体层叠组成，而该电池单体由带有流场的阴阳极板中间夹有膜电极组件(MEA)组成，并有冷却结构。对于大功率的氢质子膜燃料电池，在阳极板和阴极板设计方面，一般是将两种极板设计为背对结构，中间形成冷却剂流场，组成双极板结构，然后与MEA和密封线等构件交替叠合，组成多节电池的电堆。中间的冷却流场一般是使用水或空气作为冷却媒体。

在传统的空气直接冷却的电堆中，一般是在石墨双极板之间刻出或压出空气冷却通道，但因石墨强度低、石墨的皮厚比较大，难以降低单电池的厚度。而对于使用薄金属板的设计，一般冷却流场的方向与工作气体(本文指氧化剂和燃料)流场的方向垂直，又难以设计出一面是工作气体流场，一面是空气冷却剂流场的模压薄金属双极板；而在空气冷却剂流场方向与工作气体流场方向相同时，由于工作气体的分配槽垂直于流场，又阻碍了冷却剂空气的进出，往往又需要加大单电池的厚度。当然也有在薄金属双极板之间插入单独的冷却板，或在薄金属双极板的冷却剂流场一侧接翅片，做散热和导电用途，这样更增加了材料的使用量、加工工作量，以及单电池的厚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气直接冷却的质子交换膜燃料电池单元及其组装结构，旨在使用模压的方法将薄金属板加工成一次成型便可获得既有工作气体流场又有空气冷却流场的双极板，并且在不提高单电池厚度的前提下，保证冷却空气在单电池的边缘具有足够的进出口空间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种空气直接冷却的燃料电池，包括由氢流场板、氧流场板和一块膜电极组件MEA构成的一个燃料电池单元，其特征在于：所述的氢流场板和氧流场板乃系由模压的金属薄板形成，其上带有孔洞和凹槽，凹槽的背面有相应的凸起，所述的孔洞与膜电极组件MEA上的相应孔洞构成工作气体的公用通道，凹槽则构成与公用通道口连接的分配槽，分配槽上连接与其垂直的流场沟，流场沟的横断面呈瓦楞状，两个电池单元通过流场沟的背面相互接触并形成电池单元之间的冷却空气通道腔，通道腔端口的边缘上涂有隔热层；而在每片金属极板与MEA之间、工作气体通道四周以及对外部的边缘均设置胶线槽，槽内填充密封胶线和/或密封粘合剂。

所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的冷却空气通道的方向与所述的金属极板上形成的工作气体的分配槽的方向垂直，冷却空气的进口应设在有分配槽且与其相邻分配槽相互错开的一端；与其相对应的另一端则为冷却空气的出口端。

所述的空气直接冷却的燃料电池，其特征在于所述的两个电池单元的接触部位是平面、凸凹镶嵌结构和/或在其接触面上使用钎料封焊。

与现有技术相比较，本发明的优点是：使用模压的薄金属板，一次成型具有工作气体流场和空气冷却流场的双极板，将燃料电池对外界的散热系统和单电池元件整合为一体，降低燃料电池总的金属使用量和体积，特别是去掉冷却循环水系统可以大幅度减轻总系统的重量和体积。而且，由于不使用容易结冰的水作为导热载体，也有利于燃料电池设备在冬天的低温环境的储存和使用。因此，本发明降低燃料电池的零件数量，降低重量和体积，可以提高系统的单位体积功率密度和单位重量功率密度，提高燃料电池系统启动速度。

附图说明

图1是本发明的氢流场板平面示意图；

图2是本发明的氧流场板平面示意图；

图3是使用的膜电极组件MEA的平面结构示意图；

图4是电池单元的俯视示意图；

图5是图4中A-A剖视示意图；

图6是电池单元叠加后的边缘保温涂层和冷却气体通道示意图。

在图中：1为氢流场板，11为氢气的公用通道，12为氢气分配槽，13为密封槽位置，14为氢流场沟，15为氢流场脊，16为极板边缘；2为氧流场板，21为氧气的公用通道，22为氧气分配槽，23为密封槽位置，24为氧流场沟，25为氧流场脊，26为极板边缘；3为膜组件MEA，32为绝缘边框，33为电极；123为俯视的单电池，40为隔热涂层区域；41为隔热涂层，50为冷却空气通道。

具体实施方式