[发明专利]一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构

说明书

本发明公开了一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，包括阳极多孔层、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极多孔层、阴极挡板、冷却多孔层、阳极挡板，所述阳极多孔层或阴极多孔层或冷却多孔材料由多孔材料嵌入固体边框形成，所述阴极挡板将所述阴极多孔层和所述冷却多孔层分隔。本发明还提出一种燃料电池串并联电堆结构。本发明通过对结构、孔隙率、渗透率合理设计，有效降低多孔流场流动阻力，提高流体分布均匀性，从而增加电极反应面积有效利用率，提高燃料电池性能，采用共用阳极多孔层或共用冷却多孔层的设计，将燃料电池单体并联，形成Ns×Np节串并联电堆结构，从而减小电堆体积，提升电堆功率密度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种无双极板的多孔流场燃料电池单体及串并联电堆结构。

背景技术

燃料电池将燃料化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点，是理想的可移动电源，在汽车、无人机、船舶、电子产品等领域具有广泛的应用前景。燃料电池的流场的作用是将反应物分配至整个燃料电池活性区域，因此，流场及双极板的设计应满足均匀分配反应物，以及良好的冷却散热性能、导电性、排水性、结构稳定性等。为了同时满足这些要求，除了常见的蛇形结构、平行结构、交叉结构、针式结构等流场设计，还有多孔结构的流场及扩散层设计。

专利号为US005798187A的发明专利“Fuel cell with metal screen flowfield”采用了一种方形编织的金属网格作为反应物流场结构。金属网格流场的优点是气体在整个电极表面分布均匀，电极面积有效利用率高，而且制备简单，成本低。该结构的缺点是流场内流动阻力分配不均匀，会导致气体走短路，而且当液态水积累时，不易将水排出，将导致电池无法稳定运行。

公布号为CN110797548A的发明专利“无阴极气体扩散层的泡沫燃料电池”以多孔泡沫金属上喷涂微孔层代替沟脊流道、气体扩散层和微孔层，可以提高燃料电池性能、降低燃料电池成本。该结构的流阻较大，不易将水排出，不利于燃料电池稳定运行。

公开号为CN101414690A的发明专利“燃料电池电堆结构”采用将两个燃料电池模块并联的电池堆结构，主要包括第一阴极端板、第一燃料电池模块、阳极流道板、第二燃料电池模块、第二阴极端板，由上至下堆栈而成。具有组装简单、结构紧凑等优点。

公开号为CN101540412A的发明专利“一种集成式燃料电池电堆模块间的内置式串并联方法”包括至少两组或以上燃料电池堆模块、前端板或中央集流板、及电流母板和后端板，利用前端板或中央集流板将燃料电池模块对应的集流模板串联或并联。具有结构简单、节省空间等优点。

现有的燃料电池流场设计，主要存在以下几点问题：1、沟脊流场内由于脊的存在增加了反应气体进入膜电极内脊下区域的传质阻力，导致膜电极内反应气体浓度分布不均匀，从而降低电池性能；2、多孔流场气体可能走短路，反应物分配不均匀，而且流动阻力增大不利于不利于将反应产生的液滴排出，很有可能导致阴极“水淹”，同样降低电池性能，甚至对电极造成破坏；3、冷却一致性不好，导致电池内部温差较大，局部的“热点”现象会严重影响电池寿命。此外，在电堆结构设计方面，燃料电池模块的串并联需要利用端板结构连接，体积较大，结构复杂。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，利用多孔材料作为反应物和冷却剂的流场，通过对结构、孔隙率、渗透率合理设计，有效降低多孔流场流动阻力，提高流体分布均匀性，从而增加电极反应面积有效利用率，提高燃料电池性能。

同时，提出一种燃料电池串并联电堆结构，采用共用阳极或共用冷却流场的设计，将Ns×Np节燃料电池串联或并联，从而减小电堆体积，提升电堆功率密度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种无双极板的多孔流场燃料电池单体，包括阳极多孔层、阳极气体扩散层、膜电极、阴极气体扩散层、阴极多孔层、阴极挡板、冷却多孔层和阳极挡板；