[发明专利]一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC）是一种直接将燃料中的化学能转化成电能而不经过燃烧的电化学发电装置，具有清洁、高效、节能、环保、结构简单、启动速度快、能量转换效率高、燃料来源广、燃料补给速度快、适用范围广等特性而得到了广泛关注。

燃料电池实质上是一种电、热、水三联产的开放性能量转换装置，工作方式上类似于内燃机，而工作原理上类似于化学电源。PEMFC电堆在产生电能的同时会排放出大量的热能，因此，必须通过合理的散热设计来维持正常工作温度，否则电堆内部温度过高导致电堆失效，甚至发生爆炸危险。PEMFC电堆的散热通常采用水冷法或空冷法。水冷法是通过冷却液体将电堆中产生的热量带出，进入电堆外部的冷却循环管路，通过外部换热将冷却液体进行冷却，冷却后的冷却液体再通过循环管路返回电堆；空冷法是通过将常温空气强制流经电堆将电堆中产生的热量带出。水冷法散热效果较好，因此可应用于交通、大型发电、固定式的热电联产等大功率耗电领域，但是其缺点是对系统的要求较高，需要匹配庞大的冷却系统，还需要额外的复杂且价格昂贵的空气供给系统，这些无疑加大了系统的成本，同时降低了系统的比功率，阻碍了燃料电池的商业化推广及应用。而对于空冷型PEMFC电堆，虽然其辅助系统相对简单，但是空冷法的散热效果不好，电堆内温度分布很不均匀，难以实现电堆的长时间稳定运行。另外，目前的空冷型PEMFC电堆的空气流场均采用普通的平行直流道，空气强制流入电堆后只能依靠气体扩散到达三相反应区参与反应，不利于提高电堆的比功率。

近几年来，成本和耐久性方面的技术进步使燃料电池处于产业化的边缘，燃料电池的冷启动问题因而变得更加突出，特别是对应用于汽车和野外基站的燃料电池而言，实现电池冰点下快速启动和尽可能地减轻或者消除低温对电池的破坏是一个急需解决的问题。在冰点以下的低温环境中，电池内部的液态水发生冻结将会对电池产生恶劣的影响，如启动困难、启动缓慢甚至启动失败，以及多次启动后可能造成内部结构出现损伤和破环，造成性能衰减等诸多问题。然而，质子交换膜燃料电池堆的低温冷启动是燃料电池系统实际应用必然会经历的过程。目前，为了解决燃料电池的冷启动，研究者们都倾向于在单电池与极板之间嵌入电加热原件，这种办法在解决了燃料电池的冷启动问题的同时，使电池的设计变得更加复杂。

此外，燃料电池运行过程中受到的各种振动冲击负荷导致的燃料电池端板变形、端板在电堆内部预紧力的作用下发生的形变等，会严重影响燃料电池电堆内部预紧力分布的均匀性，从而影响燃料电池的基本发电性能、稳定性及使用寿命。因此，高强度、轻质化的端板有利于提高燃料电池的性能与能量密度。

发明内容

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板结构、燃料电池电堆及其控制方法，使用集空冷与液体冷却为一体的双极板具有双重冷却功能，简化了辅助冷却系统，提高了电堆内温度分布的均匀性，同时易于实现低温条件下的快速冷启动；通过在双极板材料中引入石墨烯可提高双极板的导电性；阴极板流场的流道采用周期性的渐变式截面，可提升三相反应区表面的氧分压；多孔气体扩散层在气体流动方向上具有梯度化疏水能力，提高了燃料电池堆的稳定性；采用多孔网状结构的阴极加强层具有较高的强度、较强的导电性、优异的耐腐蚀性，提高了电堆的功率、稳定性及使用寿命。

本发明的第一个方面，提供了：

一种质子交换膜燃料电池双极板结构，是由阳极板和阴极板层叠而成；阳极板的正面设有氢气流场；阴极板的正面设有空气流道，空气流道是由多条空气流道沟槽所构成；阴极板的背面设有冷却液流道，冷却液流道是由多条冷却液流道沟槽所构成。

在一个实施例中，空气流道沟槽与冷却液流道沟槽之间不平行。

在一个实施例中，空气流道沟槽与冷却液流道沟槽在双极板所在平面的投影之间为相互垂直。

在一个实施例中，冷却液流道沟槽嵌入空气流道沟槽中；使得空气流道沟槽的横截面呈周期性的变化。

在一个实施例中，所述的氢气流场为平行流场或蛇形流场，流场的槽深为0.2～0.6mm，流场的槽宽为0.4～1.8mm，流场的脊宽为0.5～2.0mm。

在一个实施例中，空气流道沟槽30的槽深为1.5mm～3.5mm，槽宽为1.5～3.5mm，脊宽为1.5～3.5mm。