【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及氫燃料電池電堆設計技術，特別是風冷燃料電池電堆極板，尤其是一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池陰極板、雙極板及電池，可用于輕型車載動力、低空飛行器及船舶的應用。
技術介紹
1、對于低功率(1-10kw)燃料電池，例如電動車、叉車、航空飛行器、備用電源等應用場景，需要簡化燃料電池系統以最大限度地降低成本。合理的冷卻機制是維持燃料電池系統的運轉必要條件，電堆發電過程中所產生的廢熱通常以排出到環境中。大多數燃料電池系統使用液體冷卻方案，其主要部件為水冷電堆。然而，液體冷卻方案的實施需要有散熱器、冷卻液泵、離子吸附器和含有冷卻流道的、復雜的極板設計，這增加了燃料電池系統整體的成本。
2、另一種冷卻電堆的方法是利用環境空氣，通過風扇或鼓風機進行直接冷卻，其主要部件為空冷電堆。為了減少空氣壓降和提高散熱效率，空冷電堆燃料電池極板的設計要點是較短的冷卻流道和陰極流道，即極板的寬度與長度相比要窄得多。在空氣直接冷卻的方案中，用于冷卻的空氣流也同時提供氧氣用于燃料電池陰極反應。僅用一款風扇或鼓風機同時提供冷卻和供氧功能，可以進一步節省燃料電池系統的成本和重量。
3、現有的風冷電堆的設計通過一個共用的流道同時提供冷卻空氣和陰極空氣。然而，質子交換膜(pem)燃料電池正常運行的前提是維持良好的質子導電率，以獲得良好的電池電壓性能。達成高導電率的要點是保持質子膜的濕度。
4、為了保持質子膜的濕度，大多數燃料電池系統使用外部加濕器來提供陰極空氣的加濕。加濕器的原理是將含產物水的陰極排氣流與陰極入口氣流進行
5、對于上述的影響和問題，例如現有技術1(us?h2241,ballard)所提供的電池設計方案包括采用陰極氣體擴散層，而不是單獨的陰極流道，因此電池將具有較低的相對濕度。但是，氣體擴散層將進一步限制電池電壓性能。現有技術2(us7479334b2,honda)通過調節一個阻塞機制，以調節通過風冷電堆的氣流，以實現啟動時的快速加熱，包括實現陰極和冷卻流道之間的氣流分配，但阻塞機制經實際測試并不符合實際的應用需求，且每個單電池含3組雙極板。
6、另外，現有技術也存在將陰極和冷卻空氣分開的結構設計。但是該設計都是獨立的，第二路空氣僅僅是供氧。燃料電池系統結構過于復雜。
技術實現思路
1、本專利技術第一目的是提供一種風冷燃料電池陰極板，第二目的是提供一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，第三目的是提供一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，解決風冷燃料電池中陰極和冷卻空氣組合分配、優化問題。
2、技術方案：一種風冷燃料電池陰極板，所述陰極板設有獨立的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道，且所述陰極反應氣體流道通過冷卻氣體流道上開設的端孔引流空氣，且包括回流至冷卻氣體流道中為其加濕，進入陰極反應氣體流道內的空氣量占該陰極板接收空氣總量的5～10％，并通過反應產生的水保持膜電極的濕度。
3、進一步地，所述的陰極板包括陰極反應面和冷卻面，陰極反應面分布有陰極反應氣體流道，冷卻面分布有冷卻氣體流道，所述的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道平行設置，且所述的陰極反應氣氣體流道和冷卻氣體流道包括流經陰極板最長邊。
4、上述的風冷燃料電池陰極板中，所述陰極板是基于陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道的相對尺寸實現相對氣流的分配比，還包括通過改變連接冷卻和陰極氣體流道的端口直徑、以及改變端口的位置，以達到陰極反應氣流和冷卻氣流的優化分配。
5、一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，所述的雙極板包括陽極板和上述的風冷燃料電池陰極板；所述陽極板的端部設有用于陽極氣流進出的集管口，集管口的背部設有h2隧道，所述h2隧道用于將陽極氣流均勻的分散到若干個陽極反應氣體流道中；
6、所述的風冷燃料電池極板通過密封件實現陽極板和陰極板的組合密封，包括設置于陽極板外圍和集管口周圍處的密封圈，也包括設置于陰極板反應面外圍和集管口周圍處的密封圈，還包括設置于陰極板冷卻面上密封膠槽，陰極板冷卻面通過密封膠槽與陽極板冷卻面上的密封條密封，并最終與陽極集管的接口密封；
7、所述陰極板的陰極反應面的外圍設有密封膠，該密封膠位于陰極冷卻空氣氣流端口背面，所述的陰極空氣氣流端口分布一有若干個對應陰極反應氣體流道的小孔，空氣進入冷卻氣體流道后，從密封件的下方引流到陰極空氣氣流端口內，然后由小孔進入每條陰極反應氣體流道，并從另一端口處小孔流出，回到冷卻氣體流道中，由此實現陰極氣體流道和膜電極的加濕。
8、進一步的，所述風冷燃料電池雙極板的密封件包括通過點膠或印刷的方式固定在陽極板或陰極板上，且在封裝成電堆后，所述的密封件包括用于相鄰極板和膜電極之間的支撐。
9、更近一步地，所述的陽極板的反應面采用蛇形流道設計。
10、一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，包括上述風冷燃料電池陰極板或上述風冷燃料電池雙極板。組成所述電池的電堆中，陰極氣體反應流道中的空氣計量比為2～3，其余流經冷卻氣體流道中，陰極反應氣體流道包括通過端孔回流至冷卻氣體流道中為電堆加濕，維持電堆50-70℃的出口溫度，陰極反應氣體流道中的相對濕度為60-100％。
11、該電堆中，若干陽極板通過集管口獲取氫氣源，進入的氫氣用于各陽極板之間的氫氣分配，所述的集管口包括設置密封膠實現密封連接；
12、陰極板冷卻面通過陰極板最長邊上的進氣口吸收由風扇或鼓風機送入的空氣，陰極反應面通過其背部上冷卻氣體流道上開設的端口獲取空氣，且陰極反應面上的陰極反應氣體流道通過對立端的端口回流至冷卻氣體流道中。
13、有益效果：為了確保足夠的濕度水平，本專利技術重點在于通過極板設計調整了陰極通道中的空氣計量比，這不僅滿足了質子交換膜濕度要求，相比現有技術還減少了成本。同樣通過極板設計，調整了冷卻通道的空氣計量比，以確保電堆在適宜的溫度范圍內運行，同時避免了復雜的冷卻系統。本專利技術結合冷卻、陰極氣體反應的集成綜合設計，實現了在低功率燃料電池系統中采用空氣冷卻的同時，消除了外部加濕器的需要。本專利技術所提供的方案在實際測試中表現出色，為燃料電池系統的經濟性和可行性提供了可靠的基礎。
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1.一種風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述陰極板設有獨立的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道，且所述陰極反應氣體流道通過冷卻氣體流道上開設的端孔引流空氣，且包括回流至冷卻氣體流道中為其加濕，進入陰極反應氣體流道內的空氣量占該陰極板接收空氣總量的5～10％，并通過反應產生的水保持膜電極的濕度。
2.根據權利要求1所述的風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述的陰極板包括陰極反應面和冷卻面，陰極反應面分布有陰極反應氣體流道，冷卻面分布有冷卻氣體流道，所述的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道平行設置，且所述的陰極反應氣氣體流道和冷卻氣體流道包括流經陰極板最長邊。
3.根據權利要求1所述的風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述陰極板是基于陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道的相對尺寸實現相對氣流的分配比，還包括通過改變連接冷卻和陰極氣體流道的端口直徑、以及改變端口的位置，以達到陰極反應氣流和冷卻氣流的優化分配。
4.一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，其特征在于，所述的雙極板包括陽極板和如權利要求1所述的陰極板；
5.根據權利要求4所述的組合陰極和冷
6.根據權利要求4所述的組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，其特征在于，所述的陽極板的反應面采用蛇形流道設計。
7.一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，其特征在于，包括如權利要求1-3任一項所述的風冷燃料電池陰極板。
8.一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，其特征在于，包括如權利要求4-6所述的組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板。
9.根據權利要求8所述的組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，其特征在于，組成所述電池的電堆中，陰極氣體反應流道中的空氣計量比為2～3，其余流經冷卻氣體流道中，陰極反應氣體流道包括通過端孔回流至冷卻氣體流道中為電堆加濕，維持電堆50-70℃的出口溫度，陰極反應氣體流道中的相對濕度為60-100％。
10.根據權利要求9所述的組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池，其特征在于，該電堆中，若干陽極板通過集管口獲取氫氣源，進入的氫氣用于各陽極板之間的氫氣分配，所述的集管口包括設置密封膠實現密封連接；
...【技術特征摘要】
1.一種風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述陰極板設有獨立的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道，且所述陰極反應氣體流道通過冷卻氣體流道上開設的端孔引流空氣，且包括回流至冷卻氣體流道中為其加濕，進入陰極反應氣體流道內的空氣量占該陰極板接收空氣總量的5～10％，并通過反應產生的水保持膜電極的濕度。
2.根據權利要求1所述的風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述的陰極板包括陰極反應面和冷卻面，陰極反應面分布有陰極反應氣體流道，冷卻面分布有冷卻氣體流道，所述的陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道平行設置，且所述的陰極反應氣氣體流道和冷卻氣體流道包括流經陰極板最長邊。
3.根據權利要求1所述的風冷燃料電池陰極板，其特征在于，所述陰極板是基于陰極反應氣體流道和冷卻氣體流道的相對尺寸實現相對氣流的分配比，還包括通過改變連接冷卻和陰極氣體流道的端口直徑、以及改變端口的位置，以達到陰極反應氣流和冷卻氣流的優化分配。
4.一種組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，其特征在于，所述的雙極板包括陽極板和如權利要求1所述的陰極板；
5.根據權利要求4所述的組合陰極和冷卻氣流的風冷燃料電池雙極板，其特征在于，所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：史蒂文·戈培爾，陳真，
申請(專利權)人：江蘇耀揚新能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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