[0001] 本发明涉及氢燃料电池电堆设计技术，特别是风冷燃料电池电堆极板，尤其是一种组合阴极和冷却气流的风冷燃料电池阴极板、双极板及电池，可用于轻型车载动力、低空飞行器及船舶的应用。

[0002] 对于低功率(1‑10kW)燃料电池，例如电动车、叉车、航空飞行器、备用电源等应用场景，需要简化燃料电池系统以最大限度地降低成本。合理的冷却机制是维持燃料电池系统的运转必要条件，电堆发电过程中所产生的废热通常以排出到环境中。大多数燃料电池系统使用液体冷却方案，其主要部件为水冷电堆。然而，液体冷却方案的实施需要有散热器、冷却液泵、离子吸附器和含有冷却流道的、复杂的极板设计，这增加了燃料电池系统整体的成本。

[0003] 另一种冷却电堆的方法是利用环境空气，通过风扇或鼓风机进行直接冷却，其主要部件为空冷电堆。为了减少空气压降和提高散热效率，空冷电堆燃料电池极板的设计要点是较短的冷却流道和阴极流道，即极板的宽度与长度相比要窄得多。在空气直接冷却的方案中，用于冷却的空气流也同时提供氧气用于燃料电池阴极反应。仅用一款风扇或鼓风机同时提供冷却和供氧功能，可以进一步节省燃料电池系统的成本和重量。

[0004] 现有的风冷电堆的设计通过一个共用的流道同时提供冷却空气和阴极空气。然而，质子交换膜(PEM)燃料电池正常运行的前提是维持良好的质子导电率，以获得良好的电池电压性能。达成高导电率的要点是保持质子膜的湿度。

[0005] 为了保持质子膜的湿度，大多数燃料电池系统使用外部加湿器来提供阴极空气的加湿。加湿器的原理是将含产物水的阴极排气流与阴极入口气流进行水气交换。但加湿器导致系统集成的复杂化和成本的提高，所以进一步的期望是消除这种外部加湿器，并依靠燃料电池反应产生的产物水来加湿质子膜并维持离子电导率，这是自加湿的原理。然而，在全功率下用于冷却电堆所需的气流的空气计量比约为40，即提供反应所需氧含量的40倍的流量。这种流量对自产的水量来说太大了，以至于质子膜无法维持正常的湿度，无法达到可被接受的质子膜的电导率。

[0006] 对于上述的影响和问题，例如现有技术1(US H2241,Ballard)所提供的电池设计方案包括采用阴极气体扩散层，而不是单独的阴极流道，因此电池将具有较低的相对湿度。但是，气体扩散层将进一步限制电池电压性能。现有技术2(US7479334B2,Honda)通过调节一个阻塞机制，以调节通过风冷电堆的气流，以实现启动时的快速加热，包括实现阴极和冷却流道之间的气流分配，但阻塞机制经实际测试并不符合实际的应用需求，且每个单电池含3组双极板。

[0007] 另外，现有技术也存在将阴极和冷却空气分开的结构设计。但是该设计都是独立的，第二路空气仅仅是供氧。燃料电池系统结构过于复杂。

[0029] 为了详细的说明本发明所提供的技术方案，下面结合说明书附图做进一步的介绍。该部分为实现本领域技术人员更好的理解本发明所述技术方案，得知其显著的特征和实质性的进步为目的，不作为本发明的限制。

[0030] 本发明主要是针对空冷燃料电池的极板设计，通过将气流合理分配到不同的阴极和冷却剂通道，实现了在低功率燃料电池电堆中的冷却，并同时维持阴极通道内足够高的湿度，以达到燃料电池电堆的优良性能。

[0031] 具体来说，结合实际的应用，风冷燃料电池堆，使用一款鼓风机或风扇为阴极和冷却提供空气气流，并且阴极具有与冷却通道分开的通道。但是现有技术简单的独立或组合对于电池性能、散热冷却都具有极大的损害，对此，本发明有如下重点考虑：

[0032] (a)阴极与冷却通道的相对尺寸决定了阴极和冷却之间的相对气流分配比。此外，通过改变冷却通道的端口直径，以及改变端口的位置，以达到阴极和冷却气流的优化分配。

[0033] (b)极板的宽度比长度窄，即长宽比较大，为空气穿过极板的阴极和冷却通道提供更短的流动路径，以最大限度地减少空气压降。

[0034] 本发明所提供的风冷燃料电池的极板具有平行的阴极和冷却通道，与一个共用空气供应源(鼓风机或风扇)连接，其中阴极通道只接收总空气流量的一部分(5‑10％)，因为与冷却通道相比，它们的尺寸更小，因而流动阻力更高。该极板具有较大的长宽比，即阴极和冷却液流动方向较短，以最大限度地减少压降，从而最大限度地减少鼓风机的功率消耗。这些阴极通道具有进出阴极通道的端口，并允许在极板的周边进行密封支撑，而无需额外的桥架支撑。

[0035] 图1和图2展示了本发明中阳极板反应面和阳极板背面的结构，以及用于阳极密封的密封圈2，阳极板上的集管口1用于阳极气流(H2)的进出供应。阳极流场为常规蛇形流道设计。

[0036] 阳极板周边和集管口1周围设计有微密封条，以保证阳极极板与周围环境的密封。氢气流的H2隧道3设计在阳极板的背面。

[0037] 进一步指出，本发明所述的风冷燃料电池阴极板采用分流设计，可将输入的空气流分流至阴极反应通道和冷却通道，同时满足了阴极反应和冷却需求，在简化系统的前提下达成了风冷燃料电池电堆的优良性能。采用风扇或鼓风机作为空气源为电堆注入空气。进一步的结合图3所示的阴极板反应面，空气是通过极板最长边4流入，该边对应可设置为流道冷却气体流道7的一条路径，需要说明的是，结合图4所示，阴极板的一面为阴极反应面，对应的是阴极气体反应流道，单片极板的该面上，呈现存在诸多的凹槽用于气体的流通，另一面为冷却面，该冷却面也分布有凹槽，该凹槽为冷却空气流道，进而，整个阴极板上正反面呈现的是凹凸分布，且凸出的脊背平行排布。阴极板反应面上的阴极反应气体流道通过小孔6连通至背部的冷却气体流道，将冷却气体流道中的空气部分引流至阴极反应气体流道中，结合图5所示的冷却面放大图可知，沿着最长边分布的冷却气体流道7存在直线排布的小孔6。

[0038] 对于阴极板、阳极板的组合实现极板需要的密封结构中，阴极板上的密封件8用点胶方法分配在阴极板上。电堆将被放置在一款外壳中，阴极和冷却空气将流过阴极板的长边。需要指出的是，冷却流道的背脊设计为既高又薄。冷却面阴极板含密封胶槽(呈D型)以与阳极板的背面密封，并最终与阳极集管的接口密封。空气直接进入冷却通道，从密封件之下导入。阴极部分的空气气流通过端口小孔进入每条阴极通道，并从出口的端口小孔流出。

[0039] 对于风冷燃料电池的电堆，结合图6‑图8所示。包括鼓风机或风扇，其固定在电堆阴极板的进气端，电堆由若干双极板组成，双极板组合阳极板和阴极板，不同模电压端实现了电堆阳极和阴极，如图6‑8所示设有鼓风机的一侧为阴极最长边的堆叠集合面。

[0040] 结合具体的应用，本发明所述的电池中，阴极反应气流流道的空气计量比为2‑3，而其余流经冷却通道的空气(相当于38的空气计量比)能够维持电堆50‑70℃的出口温度。在50‑70℃和阴极空气计量比2‑3下，阴极气流的相对湿度为60‑100％，满足燃料电池电堆的运行要求。

[0041] 需要指出的是，对于燃料电池中的空气计量比(也可称之为氢气和氧气反应的摩尔比)，按照理论值是1倍的氧气对应2倍的氢气得到2倍的水，氧气和氢气的空气计量比为2:1，即可记载为该比值为2，但是现有技术中，无法满足理论值的设计，考虑到空气在阴极的反应(氧气的反应不充分)及热量等影响，该比值远大于这个数字，几乎在5‑6左右在空冷电堆应用上已经为较好的情况，而本发明可实现空气计量比在2‑3之间，接近理论值，该结构也源自保证了电池正常工作及高效的散热，保证了湿度，并且由图可知，阴极反应气体流道中的空气还由下端回流至冷却气体流道中的应用。

[0042] 总体而言，本发明所提供的技术方案一是降低了燃料电池系统成本，无需液体冷却系统、加湿器或空气压缩机。二是独立的阴极流道(计量比为2‑3)，使得燃料电池的产物水湿润质子膜，并达成可接受的相对湿度。