[发明专利]质子交换膜燃料电池的气体流道结构

说明书

技术领域

本发明涉及的是质子交换膜燃料电池，具体来说涉及的是质子交换膜燃料电池的气体流道和流场设计。

背景技术

质子交换膜燃料电池电堆是由多个基本电池单元叠加而成的。而每一个基本电池单元，则是由两块平行的气体导流板和夹在它们中间的一片膜电极集合体所组成。为向各基本电池单元供燃料气和助燃气，以及排出反应后的水和过量的气体，还设置有进气通道和排气通道。如图1所示，现有的技术是对燃料电池的燃料气体(例如氢气)设有一气体立井通道X1贯穿电堆的所有基本电池单元，每一基本电池单元的气体导流板1的进气口Y1连通该气体立井通道X1。同样地，对于助燃气体(空气或氧气)，每一基本电池单元的气体导流板的进气口也是全部连通到同一个助燃气体的立井通道。同样的，所有基本电池单元的燃料气体导流板和助燃气体导流板的出气口都分别连接到同一个燃料气体的出气立井通道和助燃气体的出气立井通道，并排出到电堆外部。

上述气体流道的设计方式，对各基本电池单元组来讲，是一种并联进气和并联排气的方式。但是，随着基本电池单元数目的增加，各单元气体供给和排放的不均匀性明显增加，特别是在燃料电池工作过程中，各单元气体导流板的气体流道上会产生大量的水份(包括生成水和湿化气体时所带来的水份)，这些水份会被流动的气体带走大部分，但仍有少部分残留在流道内，时间一长，残留在流道里的水份会越来越多，而由于各单元的个体差异性，水份残留越多的单元气体阻力就越大，阻力增大又使气体流量减少，随气体带走的水份就越少，形成恶性循环，该单元性能会严重下降。

在这一过程里，由于各基本电池单元的气体都是来自于同一个进气的气体立井通道并且排放到同一个排气的立井通道，气体总是会从阻力小的基本电池单元通过，而不会走阻力大的基本电池单元，一旦形成这种状况又很难改善阻力大的单元的流道情况，使其恢复正常。因此电堆的整体性能就会逐渐降低。

发明内容

针对目前质子交换膜电池电堆各基本电池单元都是全部并联进气和并联出气造成的上述问题，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池气体流道结构，以改善由上述原因造成的气体分配不均匀问题。

本发明采用如下技术方案：一种质子交换膜燃料电池的气体流道结构，包括若干个叠加在一起构成电堆的基本电池单元，所有基本电池单元被分成至少两组，每组电池单元采用独立的进气立井通道用于仅向该组中各基本电池单元供气，同样每组电池单元还采用独立的排气立井通道仅用于该组中各基本电池单元的排气。

由于构成一个质子交换膜燃料电池电堆的基本电池单元被分成至少两组，分别采用独立的进气立井通道和排气立井通道用于该组的进气和排气，所以每一组可以独立控制供气，相对于把电堆中所有基本电池单元并联的方式来说，可改善气体分配不均匀问题。当每组电池单元仅包含一个基本电池单元时，可实现对每一个基本电池单元的独立进气和排气控制，因此可以有效解决并联方式带来的不均匀性问题，即使这种差异仍然存在，也可以通过调节各自气路的进、排气控制系统，可以有效地改善指定的任一基本电池单元的气路状况，排出积水，使其恢复到最佳状态。但由于各立井通道要去到每一个基本电池单元组，即各进气立井通道的数量和各排气立井通道的数量与被分成的电池单元的组数是一致的，因此当一个电堆采用的基本电池单元较多时其基本电池单元的结构较复杂，外部控制部件和连接设备会较多，增加了成本。实用上为了减少外部硬件控制和连接设备的大量增加，可以采用折中方法，由多于一个的基本电池单元使用同一组气体进出的立井通道，但使用同一立井通道的基本电池单元数目不应该超过5个，即每组电池单元以由2-5个基本电池单元叠加而成为宜。

所述的进气立井通道包括燃料气体进气立井通道和助燃气体进气立井通道，所述的排气立井通道包括燃料气体排气立井通道和助燃气体排气立井通道。这有利于对每组电池单元的燃料气和助燃气分别进行控制。

所述的燃料气体进气立井通道、助燃气体进气立井通道、燃料气体排气立井通道和助燃气体排气立井通道均贯穿从电堆的一端(或两端)到达其所作用的电池组所必须通过的每一个基本电池单元，形成在电池电堆的一端(或两端)安装进排气管的结构。

本发明通过将构成一个电堆的所有基本电池单元分成多组，以采用独立的进气立井通道和排气立井通道以分别独立控制每组的进气和排气，因此可以改善电堆气体的不均匀问题。

附图说明

图1为现有质子交换膜燃料电池的气体流道布置方式示意图。