CN101826620A - 燃料电池用双极板 - Google Patents

Abstract

燃料电池用双极板，包括板体和设于所述板体一侧的多个燃料流道，在所述板体的另一侧还设有多个第一流道，所述板体中设有多个第二流道和多个通孔，每个所述第一流道的靠近两端位置处至少通过两个所述通孔与至少一个所述第二流道连通。本发明通过将燃料电池电反应时所需的氧化剂流道与冷却空气流道分成两路设计，这种独特的设计可以在保证氧化剂供给量的情况下，使反应生产的水只能通过设定的通孔排出，有效地在第一流道为模电极保持水分，而不会像传统阴极开路风冷设计那样，快速干燥模电极，也不需要增加保湿或自增湿的设计。大幅度降低了对模电极的损害，提高了燃料电池模电极的寿命。

Description

燃料电池用双极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池的双极板。

背景技术

燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。

为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。

为完成上述功能，双极板的材料需要具有高电导率、足够的机械强度、良好的热导、气体透过率低、抗腐蚀且能在电池工作环境中化学稳定相当长的时间。此外，考虑到设计与易于加工制造的需要，双极板的材料还应该具备重量轻，体积小，成本低廉，甚至要求可回收利用等特征。

双极板不但需要提供反应物的流道，还需要排出反应后生成水与热量，避免因热量蓄积而造成燃料电池的不能工作和寿命的缩短。为此，较早的设计方案是分别独立设计氧化剂流道、燃料流道、闭路的冷却介质流道，通过冷却介质流道中高速气流对带走反应产生的热。但是这种独立的冷却流道需要增加包括鼓风机等在内的一套控制系统对其压力、反应速度进行控制，以确保燃料电池电化学反应时，不会出现过高或过低的温度。这种单独分开的设计结构复杂，其制造成本过高，阻碍了燃料电池的推广使用。

为此，当前广泛采用的改进方案是，省去冷却流道和对应的控制系统，通过增大反应物流道中的供氧流道的气体速度，在供氧流道中空气高速流动时，即提供燃料电池电化学反应所需的氧气，同时通过高速流动的空气对燃料电池进行冷却，其双极板断面结构如图1所示。图1中，双极板1两侧设有反应物流道，即氧化剂流道2和燃料流道3。其中氧化剂流道2提供氧化剂(氧气)的同时，也作为冷却介质(空气)的流道。

由于燃料电池中质子交换模需要含有一定的水分才能传质，特别是对于聚四氟乙烯的阳离子交换膜(Nafion)而言，需要保持一定的湿度才能达到较高的反应效率，燃料电池电化学反应所产生的水是充足的，但是这种开路的设计，使得氧化剂流道2中高速流动的空气在带走热量的同时，也使得反应产生的水被过量消耗，这严重影响了燃料电池的反应效率。

为此，进一步的改进方案是，在模电极上增加了由特殊材料制成的保湿层涂层，该保湿层材料成本高，亦难以推广应用。并且由于反应时，由于流道内介质(空气)速度快，导致该保温层材料容易被吹走，造成燃料电池输出功率的减小和使用寿命的缩短。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种燃料电池用双极板，以解决现有技术中存在的反应产生的水被过量消耗并损害模电极的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池用双极板，包括板体和设于所述板体一侧的多个燃料流道，在所述板体的另一侧还设有多个第一流道，所述板体中设有多个第二流道和多个通孔，每个所述第一流道的靠近两端位置处至少通过两个所述通孔与至少一个所述第二流道连通。

进一步地，所述板体包括第一板和第二板，所述第一流道设于所述第二板的一侧，所述通孔设于所述第二板上，所述第二流道形成于所述第一板的一侧和所述第二板的另一侧之间，所述燃料流道设于所述第一板的另一侧。

进一步地，所述第一板包括板壁，所述第一流道和第二流道通过所述板壁分隔，所述通孔设于所述板壁上。

进一步地，所述第二板包括板壁，所述第二流道与所述燃料流道通过所述第二板的板壁分隔。

进一步地，所述第一流道和所述第二流道的数量相同。

进一步地，所述第一流道和所述第二流道位于所述双极板的同一纵向方向上。

进一步地，所述第一流道和所述第二流道位于所述双极板的同一横向方向上。

进一步地，所述第一流道之间的侧壁位于所述第二流道之间的侧壁正下方。

进一步地，所述第二流道之间的侧壁位于所述燃料流道之间的侧壁正下方。

本发明通过将燃料电池电反应时所需的氧化剂流道与冷却空气流道分成两路设计，当即作为冷却介质又作为氧化剂的空气经过所述第二流道时，少量空气从靠近所述第一流道一端处的通孔进入，并从靠近另一端的通孔排出，进入所述第一流道的空气中的氧气参与燃料电池的电化学反应，产生的水和热量从所述第二流道中被排出。这种独特的设计可以在保证氧化剂供给量的情况下，使反应生产的水只能通过设定的通孔排出，有效地在第一流道为模电极保持水分，而不会像传统阴极开路风冷设计那样，快速干燥模电极，也不需要增加保湿或自增湿的设计。大幅度降低了对模电极的损害，提高了燃料电池模电极的寿命。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1是现有燃料电池的双极板的断面结构示意图；

图2是本发明燃料电池用双极板实施例的断面结构示意图；

图3是本发明燃料电池用双极板实施例的A-A剖视图；

图4是本发明燃料电池用双极板实施例的中第一板的结构示意图；

图5是本发明燃料电池用双极板实施例的中第二板的结构示意图；

图6是本发明燃料电池用双极板实施例与模电极组件组成燃料电池单元的示意图。

具体实施方式

如图2、图3所示，一种燃料电池用双极板，包括板体10和设于所述板体10一侧的多个燃料流道13，其特征在于：在所述板体10的另一侧还设有多个第一流道11，所述板体10中设有多个第二流道12和多个通孔19，每个所述第一流道11的靠近两端或两端位置处通过至少两个通孔19与至少一所述第二流道12连通。其中双极板与双极板及双极板与模电极组件之间连通的通道可采用现有技术实现，在此省略对该部分的详细描述。

通过调节通孔19的大小，可以调节氧化剂的供给量。例如，根据燃料电池的功率设计及双极板的导热性能等参数，可以计算出双极板中冷却所需的空气量与对应所需氧化剂部分的空气量(化学当量，Stoichiometric)，根据测量的第一流道11和第二流道12之间的空气流速和通孔19孔径的关系，调节第二流道12中氧化剂的供给量。这种方式可以非常灵活地调节反应所需的冷却介质需求量和流速，以及反应所需的氧化剂的供给量。

其中，所述燃料流道13用于提供燃料电池电化学反应时所需的燃料(例如氢气)。所述第二流道12用于提供冷却介质并第一流道11的少量氧化剂。

所述第一流道11主要功能在于，提供适量的电化学反应所需氧化剂，使反应生产的水只能通过设定的通孔19排出，有效地在所述第一流道内为模电极保持水分，而不会像传统阴极开路风冷设计那样，快速干燥模电极，也不需要增加保湿或自增湿的设计。提高了燃料电池的寿命。

在此需要说明的是，所述第一流道11与所述第二流道12的数量可以根据双极板设计性能设定，并且其形状也可以有多种，如直线型、弯曲形等，只要能够实现所述第一流道11和第二流道12各自的功能即可。

进一步地，所述板体10包括如图4所示的第一板20和图5所示的第二板30，所述第一流道11设于所述第二板30的一侧，所述通孔19设于所述第二板30上，所述第二流道12形成于所述第一板20的一侧和所述第二板30的另一侧之间，所述燃料流道13设于所述第一板20的另一侧。

其中，所述第一流道11和所述第二流道12的数量相同。

进一步地，所述第一流道11和所述第二流道12位于所述双极板的同一纵向或横向方向上。通过所述第一板20的板壁14分隔。并通过所述侧壁14上的对应的通孔19连通。所述第二板30体的所述第二流道12与所述燃料流道13通过所述第二板30的板壁15分隔。

进一步地，所述第一流道11之间的侧壁16位于所述第二流道12之间的侧壁17正下方。所述第二流道12之间的侧壁17位于所述燃料流道12之间的侧壁18正下方。这样可以增加双极板的板体10垂直方向上的抗压强度。并方便加工制作及组装。

图6为两块双极板与模电极组件20组成燃料电池单元的结构示意图。

本发明通过将燃料电池电反应时所需的氧化剂流道与冷却空气流道分成两路设计，当即作为冷却介质又作为氧化剂的空气经过所述第二流道12时，少量空气从靠近一端处的通孔19进入所述第一流道11，并从靠近另一端的通孔19排出，进入所述第一流道11的空气中的氧气参与燃料电池的电化学反应，产生的水和热量从所述第二流道12中被排出。这种独特的设计可以在保证氧化剂供给量的情况下，大幅降低参与反应时的空气流动速度，保证反应所需的湿度条件，并且不存在过量的空气与燃料电池模电极相接触，大幅度降低了对模电极的损害，提高了燃料电池模电极的寿命。与现有技术相比，具有制造成本低的优点，易于推广使用。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池用双极板，包括板体(10)和设于所述板体(10)一侧的多个燃料流道(13)，其特征在于：在所述板体(10)的另一侧还设有多个第一流道(11)，所述板体(10)中设有多个第二流道(12)和多个通孔(19)，每个所述第一流道(11)的靠近两端或两端位置处至少通过两个所述通孔(19)与至少一个所述第二流道(12)连通。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述板体(10)包括第一板(20)和第二板(30)，所述第一流道(11)设于所述第二板(30)的一侧，所述通孔(19)设于所述第二板(30)上，所述第二流道(12)形成于所述第一板(20)的一侧和所述第二板(30)的另一侧之间，所述燃料流道(13)设于所述第一板(20)的另一侧。

3.根据权利要求2所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第一板(20)包括板壁(14)，所述第一流道(11)和第二流道(12)通过所述板壁(14)分隔，所述通孔(19)设于所述板壁(14)上。

4.根据权利要求3所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第二板(30)包括板壁(15)，所述第二流道(12)与所述燃料流道(13)通过所述第二板(30)的板壁(15)分隔。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第一流道(11)和所述第二流道(12)的数量相同。

6.根据权利要求5所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第一流道(11)和所述第二流道(12)位于所述双极板的同一纵向方向上。

7.根据权利要求5所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第一流道(11)和所述第二流道(12)位于所述双极板的同一横向方向上。

8.根据权利要求6或7所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第一流道(11)之间的侧壁(16)位于所述第二流道(12)之间的侧壁(17)正下方。

9.根据权利要求8所述的燃料电池用双极板，其特征在于：

所述第二流道(12)之间的侧壁(17)位于所述燃料流道(12)之间的侧壁(18)正下方。

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