质子交换膜燃料电池阴极侧结构及其电池空气供应系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及质子交换膜燃料电池阴极侧结构及其电池空气供应系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池电堆是质子交换膜燃料电池堆叠通过双极板串联的发电装置。质子交换膜燃料电池发电是通过阴极氧发生电化学还原反应、阳极氢发生电化学氧化反应进行的。电池结构包括双极板、膜电极和密封件，双极板是由阴极板、阳极板构成，双极板具有阴极腔、阳极腔，一般还有冷却腔，阴极腔通入空气或氧气，通入空气就叫空气质子交换膜燃料电池，通入氧气一般称作纯氢纯氧质子交换膜燃料电池；阳极腔通入氢气，阴阳极板之间的冷却腔通入水和其他冷却剂。双极板上有通入反应气和冷却剂的公用管道、电池反应的流场区和密封三腔流体的密封结构。质子交换膜燃料电池电池具有相应的电池集流板、绝缘板和紧固端板，总称电池辅件，电池辅件端板上有电池相应的三腔流体进出口歧管。

空气质子交换膜燃料电池发电时，空气进口氧浓度高于出口氧浓度，在电池反应区域，空气氧浓度沿流场进出口递减；在空气或纯氢纯氧质子交换膜燃料电池反应区域，阴极产生水，若操作条件不当，电池容易引起膜干或水淹事故。

大功率空气质子交换膜电池极板面积大，电池反应区域大，空气进出口距离更长，进出口空气氧浓度差更大，电池区域反应更不均匀，更易造成电池内环境湿度和水分布不均匀。而且，纯氢纯氧质子交换膜燃料电池由于阴极侧气体流量小排水困难，容易产生水淹事故，从而容易引发电池性能、可靠性和寿命问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池阴极侧结构及其电池空气供应系统，针对大功率电池因氧浓度分布以及水管理不当问题提出解决方案。

为此，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池阴极侧结构，包括：极板、阴极密封圈和阴极流场区；阴极流场区包括多个反应区域，反应区域之间由流场脊分开，密封条封闭流场脊，每个反应区包括独立的进出口歧管。

进一步地，阴极流场的流场图样结构为蛇形、螺旋形、平行沟槽、交指中的任一种。

进一步地，所述的质子交换膜燃料电池阴极侧结构，每个反应区独立的进出口歧管通过外接管道可串接也可并接，进出口歧管本身还可以通过外接管道补充气体或旁通气体。

本发明还提供了一种包括上述质子交换膜燃料电池阴极侧结构的质子交换膜燃料电池。

本发明还提供了一种上述质子交换膜燃料电池的空气供应系统，包括：空压机、中冷器、与反应区域数量相同的引射器、与反应区域数量相同的疏水器和排气阀；每个反应区域对应一个引射器、一个疏水器和一个排气阀；其中，空压机与中冷器连接；每个引射器包括一次流体管、二次流体管和出口管，电池各反应区域进出口歧管通过外接管道以串联方式连接，电池的第一反应区域出口歧管连接与该第一反应区域对应的疏水器、排气阀和引射器二次流体管，空压机产生的新鲜空气经中冷器接入与该第一反应区域对应的引射器一次流体管，该第一反应区域对应的引射器出口管接入下一个反应区域进口歧管；以此类推；最后一个反应区域出口歧管连接该最后一个反应区域对应的疏水器、排气阀和引射器二次流体管，空压机产生的新鲜空气经中冷器接入该最后一个反应区域对应的引射器一次流体管，该最后一个反应区域对应的引射器出口管接入第一个区域进口歧管。

电池各反应区进出口歧管还可以通过外接管道并联方式连接，在连接管上还可以并接旁通管，补充供气或排气功能。

进一步地，控制各反应区域排气阀流量，以增加电池反应区空气氧浓度。

进一步地，控制各反应区域疏水器和排气量，以控制电池反应区空气湿度和温度。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

阴极侧流场设计分区域，各区域发电反应独立。在区域内，流场进出口通道相对于单一区域极板通道加宽，降低了流场进出口通道气流阻力，流场之间流体分配更加均匀；流场长度缩短，降低了流场阻力，流体压力降减小；发电区域流体流量分配、压力分布均匀，反应区域内电化学反应相对均匀。

引射器将上一区域内尾气引入，尾气一般具有温度和湿气，尾气中还有残余氧气，与新鲜空气混合，混合的空气进入电池，这样就可通过控制尾气排量缩小电池进出口空气氧浓度差，从而调节整体电池氧浓度；另外，尾气具有一定温度，与新鲜空气混合，调节电池进气温度，从而提高电池性能。

疏水器和排气阀可将液态水分离，避免电池发生水淹，而在单一的空气进出口电池内，无法实现分水，只能通过增大气量提高气体流速排水，这样就提高了空气耗量。本发明控制尾气排放量，且回收了含有氧气的尾气，可减小新鲜空气耗量，从而降低燃料电池发电装置内生功耗，提高发电装置效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种质子交换膜燃料电池阴极侧结构；

图2为本发明实施例中一种质子交换膜燃料电池结构示意图；

图3为本发明实施例中一种质子交换膜燃料电池的空气供气系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中的一种双极板阴极侧结构包括：极板1、阴极密封圈2和阴极流场区3。其中，极板1为矩形，氢气和冷却剂进出口公用管道分布在极板短边侧；空气进出口公用管道分布在极板长边侧，特别地，电池放置，极板长边处在上边的公用管道为电池进气口，极板长边处在下边的公用管道为出口。阴极流场的流场图样结构可根据电池膜电极特性设计，可选择蛇形、螺旋形、平行沟槽、交指等。

上述实施例中，燃料电池阴极流场分区域，减小了单区域反应面积，可缩短流场长度，扩大流场进口，降低流场进口通道阻力降，有利于减小供气系统负荷，有利于电池反应均匀性。

本发明实施例中质子交换膜燃料电池阴极在流场区设计多区域反应区，具体地，阴极流场区3由流场脊4和沟组成，阴极流场区3分为3个区域，分别由流场脊4分开，密封条封闭流场脊4。质子交换膜燃料电池阴极在每个反应区设计独立的进出口公用管道；如图2所示，1为电池示意图，5为电池端板，101、102；103、104；105、106分别是电池空气进出口公用管道，201、202；203、204；205、206是电池端板对应的歧管。电池多歧管结构设计，有利于供气系统串并联连接，改进电池供气控制；本例采用引射器，回收低氧浓度空气，降低反应区域氧浓度差以及可控湿度、温度。多歧管结构也为其他应用，比如引入高浓度氧气等提供接口。

如图3所示，本发明实施例中的一种电池空气供气系统，包括：空压机6、中冷器7、引射器8、疏水器和排气阀9。其中，空压机6与中冷器7连接，电池端板对应的多个歧管分别经过引射器8连接至中冷器7；本实施例中电池包括三个区域，电池端板对应的电池歧管为3组，每个区域1组，相应地，引射器8设置3个，每个区域一个，每个引射器包括一次引流管、二次引流管和出口管，一次引流管接入新鲜空气，二次引流管接入空气出口气体，引射器出口管接入电池歧管。疏水器和排气阀9也设置3组，每个区域一组，每个疏水器一端连接电池的出口歧管，另一端连接引射器。

质子交换膜燃料电池电池空气供应系统引入引射器，用引射器连接各反应区进出口管道，如电池的第一个区域出口歧管连接疏水器、排气阀和引射器二次流体管，新鲜空气接入引射器一次流体管，引射器出口管接入下一个区域进口歧管，于此类推，最后一区域出口歧管连接疏水器、排气阀和引射器二次流体管，新鲜空气接入引射器一次流体管，引射器出口管接入第一个区域进口歧管。

本发明所述的电池操作效果是这样实现的：

操作时，流场区分区通气，小区域反应均匀度相对容易控制；控制各区域排气阀流量，可调节电池反应区域空气氧浓度；控制疏水器和排气量，可控制电池反应区域空气湿度和温度。

阴极侧流场设计分区域，各区域发电反应独立。在区域内，流场进出口通道加宽，降低了流场进出口通道气流阻力，流场之间流体分配更加均匀；流场长度缩短，降低了流场阻力，流体压力降减小；发电区域流体流量分配、压力分布均匀，反应区域内电化学反应相对均匀；

引射器将上一区域内尾气引入，尾气一般具有温度和湿气，尾气中还有残余氧气，与新鲜空气混合，混合的空气进入电池，这样就可通过控制尾气排量缩小电池进出口空气氧浓度差，从而调节整体电池氧浓度；另外，尾气具有一定温度，与新鲜空气混合，调节电池进气温度，从而提高电池性能。

疏水器和排气阀可将液态水分离，避免电池发生水淹，而在单一的空气进出口电池内，无法实现分水，只能通过增大气量提高气体流速排水，这样就提高了空气耗量。本发明控制尾气排放量，且回收了含有氧气的尾气，可减小新鲜空气耗量，从而降低燃料电池发电装置内生功耗，提高发电装置效率。

本发明适用于大功率质子交换膜燃料电池，特别是纯氢纯氧或高原工况，纯氢纯氧燃料电池可通过本发明方法改造成氢空燃料电池，即通过引射器，向燃料电池中补充氮气并氮气循环达到纯氢纯氧燃料电池工况使用要求；高原工况可通过旁通补充高氧浓度反应气达到高原低氧浓度空气应用工况。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。