CN104900894A - 燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池。该燃料电池的金属极板，具有第一表面和第二表面，第一表面上具有冲压形成有并行的第一流道，第二表面上的第一流道的底部位置处冲压形成的并行的第二流道，在第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，且第二流道的深度小于第一流道的深度，相邻两个第一流道的底部的第二流道在第一流道的延伸方向上错开设置。应用本发明的技术方案可以解决现有技术中燃料电池的电池堆功率密度低及由于电池堆温度分布不均而造成电池局部衰减严重的问题。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备领域，具体而言，涉及一种燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种兼具环境友好、工作高效、使用寿命长等特点的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体(氢气)从电池的阳极侧进入电池内部，氢原子在阳极失去电子后变成质子，质子穿过电池内部的质子交换膜到达电池阴极，同时电子经由外部回路也到达电池的阴极，在电池的阴极侧，质子、电子与氧气结合生成水。
燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受热力学的卡诺循环工作原理的限制，其直接利用化学能进行发电的发电效率可高达45％。燃料电池是以电池堆为核心的发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，其具有热、电、水、气统筹管理的特点。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
在燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合形成多节电池堆，从而形成功率较高的发电装置。
图1为燃料电池堆结构示意图，该燃料电池堆由第一双极板1、第一膜电极3(MEA)、第二双极板2和第二膜电极4(MEA)依次叠放而成，其中，第一双极板1和第二双极板2的上表面为阳极，第一双极板1和第二双极板2的下表面为阴极，第一膜电极3和第二膜电极4的上表面为阴极，第一膜电极3和第二膜电极4的下表面为阳极。膜电极(第一膜电极3和第二膜电极4)为电化学反应的发生场所，膜电极由催化剂层(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。双极板(第一双极板1和第二双极板2)上刻有流道，以均匀分配反应气体。
在现有的设计中，燃料电池一般采用雕刻加工的石墨双极板(第一双极板1和第二双极板2)。图2为雕刻加工的石墨双极板的截面结构示意图图，第一双极板1由阳极板11，阴极板12组成，在阳极板11上雕刻阳极板流道13以供燃料氢气的流通，在阴极板12的一侧上雕刻第一阴极板流道14以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，在阴极板12的另一侧雕刻第二阴极板流道15以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池的膜电极截面结构，图中示出了第一膜电极3的阳极气体扩散层31，阳极催化剂层32，质子交换膜33，阴极催化剂层34，阴极气体扩散层35。图4为现有的燃料电池的电堆截面结构示意图。
现有石墨双极板为了构成阳极板流道13、第一阴极板流道14、第二阴极板流道15，同时需要保证双极板具有一定的机械强度，因而导致双极板的厚度较厚，在多节电池堆叠成燃料电池堆时，多层较厚的双极板叠放从而导致电池堆的总体积较大，降低了电池堆的功率密度。现有燃料电池也有通过超薄的金属板冲压成型形成的金属双极板，以提高电池堆的功率密度。然而，由于现有技术中的双极板的气体流道与冷却液流道凹凸相反，在保证气体流场均一(即气体流道冲压成型后气体流道分布均匀)的前提下，难以形成流场均一的冷却液流场，从而导致电池堆的温度分布不均，造成电池局部衰减严重。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池，以解决现有技术中燃料电池的电池堆功率密度低及由于电池堆温度分布不均而造成电池局部衰减严重的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池的金属极板，具有第一表面和第二表面，第一表面上具有冲压形成有并行的第一流道，第二表面上的第一流道的底部位置处冲压形成的并行的第二流道，在第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，且第二流道的深度小于第一流道的深度，相邻两个第一流道的底部的第二流道在第一流道的延伸方向上错开设置。
进一步地，第一流道包括顺次连通的进气流道、直流道与出气流道，每个进气流道与相应的多个直流道的第一端连通，多个直流道的第二端与相应的一个出气流道连通。
进一步地，每个进气流道与相应的三个直流道的第一端连通，三个直流道的第二端与相应的一个出气流道连通。
进一步地，第一表面上冲压形成第一凸部，相邻两个第一凸部形成第一流道，金属极板上冲压形成有密封凸起，密封凸起与第一凸部的凸起方向一致，第一凸部全部位于密封凸起所围成的区域内。
进一步地，金属极板上开设有第一定位孔和第二定位孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池的金属双极板，包括：阳极金属板，阳极金属板的第一表面具有多个燃料气体流道；阴极金属板，阴极金属板的第一表面具有多个氧化气体流道；阳极金属板与阴极金属板叠置，且阴极金属板的第二表面与阳极金属板的第二表面彼此相对，阴极金属板的第二表面与阳极金属板的第二表面之间形成冷却流场；阳极金属板和阴极金属板的至少之一为前述的金属极板，第一流道为燃料气体流道或氧化气体流道。
进一步地，阳极金属板与阴极金属板结构相同。
根据本发明的又一方面，提供了一种燃料电池，具有叠置的多节电池堆，各电池堆均包括金属双极板，金属双极板为前述的特定的金属双极板。
进一步地，燃料电池还包括多个膜电极，金属双极板夹设在相邻两个膜电极之间，阳极金属极板的密封凸起和第一凸部均与相邻两个膜电极的其中一个膜电极密封接触，阴极金属板的密封凸起和第一凸部均与另一个膜电极密封接触。
进一步地，密封凸起与相应的膜电极之间具有密封垫片。
应用本发明的技术方案，金属极板的第一表面具有第一流道(即阳极金属板上的燃料气体流道或阴极金属板上的氧化气体流道)，而两个结构相同的金属极板的第二表面彼此相对地扣合，并且在金属极板的第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，从而形成了冷却液流场。应用本发明的技术方案，经冷却液流场流动的冷却液具有更宽的冷却面积，能够更加迅速、均匀地将燃料电池内的能量转化过程中产生的热量，从而延长燃料电池的使用寿命。进一步地，由于使用金属极板作为燃料电池的内部零部件，使得燃料电池的电池堆的体积大大减小，从而较好地提高了燃料电池的功率密度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了现有技术的燃料电池的电池堆的结构示意图；
图2示出了现有技术的燃料电池堆的石墨双极板的剖视结构示意图；
图3示出了现有技术的燃料电池堆的膜电极的截面结构示意图；
图4示出了现有技术的燃料电池的电池堆的截面结构示意图；
图5示出了本发明的阳极金属板的第一表面的实施例的结构示意图；
图6示出了本发明的阴极金属板的第二表面的实施例的结构示意图；
图7示出了本发明的阴极金属板、膜电极与阳极金属板叠置后的实施例的结构示意图；
图8示出了本发明的金属双极板夹设在相邻两个膜电极之间的实施例的结构示意图；
图9示出了图5中第一凸部与第二图部的局部示意图；
图10示出了图9的虚线方框中的燃料气体流道内的压力变化图；
图11示出了本发明的阳极金属板的第二表面的冷却液流场示意图；
图12示出了本发明的阳极金属板与阴极金属板扣合后形成的完整的冷却液流场示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
100、阳极金属板； 200、阴极金属板；
101、第一凸部； 102、第二凸部；
001、进气流道； 002、直流道；
003、出气流道； 103、密封凸起；
104、第一定位孔； 105、第二定位孔；
300、膜电极； 400、密封垫片；
100-1、阳极金属板冷却液流场； 200-1、阴极金属板冷却液流场。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图5和图6所示，本实施例提供了一种燃料电池的金属极板。该金属极板具有第一表面和第二表面，第一表面上具有冲压形成有并行的第一流道，第二表面上的第一流道的底部位置处冲压形成的并行的第二流道，在第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，且第二流道的深度小于第一流道的深度，相邻两个第一流道的底部的第二流道在第一流道的延伸方向上错开设置。
在本实施例中，本实施例还提供了一种燃料电池的金属双极板。该金属双极板包括阳极金属板100，阳极金属板100的第一表面具有多个燃料气体流道；阴极金属板200，阴极金属板200的第一表面具有多个氧化气体流道；阳极金属板100与阴极金属板200叠置，且阴极金属板200的第二表面与阳极金属板100的第二表面彼此相对，阴极金属板200的第二表面与阳极金属板100的第二表面之间形成冷却流场；阳极金属板100和阴极金属板200的至少之一为前述的金属极板，第一流道为燃料气体流道或氧化气体流道。
优选地，阳极金属板100与阴极金属板200的结构完全相同，因而可以通过一种模具进行冲压加工而成，从儿童提高了阳极金属板100与阴极金属板200的一致性，保证了燃料电池的性能的一致性，并保证了燃料电池的使用寿命，同时降低了金属极板的制造成本。
在本实施例中的燃料电池所应用的燃料气体优选为氢气，氧化气体优选为空气。应用本发明的技术方案，金属极板的第一表面具有第一流道(即阳极金属板上的燃料气体流道或阴极金属板上的氧化气体流道)，而两个结构相同的金属极板的第二表面彼此相对地扣合，并且在金属极板的第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，从而形成了冷却液流场。应用本发明的技术方案，经冷却液流场流动的冷却液具有更宽的冷却面积，能够更加迅速、均匀地将燃料电池内的能量转化过程中产生的热量，从而延长燃料电池的使用寿命。进一步地，由于使用金属极板作为燃料电池的内部零部件，使得燃料电池的电池堆的体积大大减小，从而较好地提高了燃料电池的功率密度。
在本实施例中，第一流道包括顺次连通的进气流道001、直流道002与出气流道003，每个进气流道001与相应的多个直流道002的第一端连通，多个直流道002的第二端与相应的一个出气流道003连通。即阳极金属板100上的燃料气体流道包括顺次连通的燃料气体进气流道(进气流道001)、燃料气体直流道(直流道002)与燃料气体出气流道(出气流道003)，每个燃料气体进气流道与相应的多个燃料气体直流道的第一端连通，多个燃料气体直流道的第二端与相应的燃料气体出气流道连通；阴极金属板200上的氧化气体流道包括顺次连通的氧化气体进气流道(进气流道001)、氧化气体直流道(直流道002)与氧化气体出气流道(出气流道003)，每个氧化气体进气流道与相应的多个氧化气体直流道的第一端连通，多个氧化气体直流道的第二端与相应的氧化气体出气流道连通，各氧化气体进气流道与各燃料气体进气流道、各氧化气体直流道与各燃料气体直流道以及各氧化气体出气流道与各燃料气体出气流道均一一对应地设置。在本实施例中，各第一流道包括顺次连通的一个进气流道001、三个直流道002与一个出气流道003。这样可以是进入燃料电池内的燃料气能够更加均匀地扩散，从而更高效率地进行化学能向电能的转换，提高化学反应的速率，增强燃料电池的功能能力。
如图5和图6所示，本实施例的金属双极板中每个进气流道001与相应的三个直流道002的第一端连通，三个直流道002的第二端与相应的一个出气流道003连通。
第一表面上冲压形成第一凸部101，相邻两个第一凸部101形成第一流道，金属极板上冲压形成有密封凸起103，密封凸起103与第一凸部101的凸起方向一致，第一凸部101全部位于密封凸起103所围成的区域内。通过密封凸起103与膜电极300之间的密封抵接，从而实现各流场(燃料气体流场、冷却液流场和氧化气体流场)内流动物质不会产生泄露。
在本实施例中，金属极板上开设有第一定位孔104与第二定位孔105。当阳极金属板100与阴极金属板200叠置时，阳极金属板100上的第一定位孔与阴极金属板200上的第一定位孔对准，阳极金属板100上的第二定位孔与阴极金属板上的第二定位孔对准。阳极金属板100的第一侧边上开设有第一流道口A1与第二流道口A3，第一流道口A1与第二流道口A3关于第一定位孔104的中心对称；与第一侧边相对的第二侧边上开设有第三流道口A2与第四流道口A4，第三流道口A2与第四流道口A4关于第二定位孔105的中心对称。当阳极金属板100与阴极金属板200叠置在一起，即此时阴极金属板200上的第二流道口A3与阳极金属板100上的第一流道口A1重合形成燃料气体进口；阴极金属板200上的第四流道口A4与阳极金属板100上的第三流道口A2重合形成燃料气体出口。同样地，阴极金属板200上的第一流道口A1与阳极金属板100上的第二流道口A3重合形成氧化气体进口；阴极金属板200上的第三流道口A2与阳极金属板100上的第四流道口A4重合形成氧化气体出口。同样地，阳极金属板100的第五流道口A5与阴极金属板200的第六流道口A6重合形成冷却液流道进口；阳极金属板100的第六流道口A6与阴极金属板200的第五流道口A5重合形成冷却液流道出口。冷却液流道进口与冷却液流道出口分别位于与金属双极板的不同于第一侧边、第二侧边的另外的相对两侧边上。
通过第一定位孔104与第二定位孔105之间的对准定位，可以迅速将阳极金属板100和阴极金属板200准确地叠置安装。进一步地，工作人员通过穿设在定位孔内的紧固连接件将阳极金属板100与阴极金属板200固定连接。
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种燃料电池。该燃料电池具有叠置的多节电池堆，各电池堆均包括金属双极板，金属双极板为前述的金属双极板。
如图7和图8所示，燃料电池还包括多个膜电极300，金属双极板夹设在相邻两个膜电极300之间，阳极金属板100的密封凸起103和第一凸部101均与相邻两个膜电极300的其中一个膜电极300密封接触，阴极金属板200的密封凸起103和第一凸部101均与另一个膜电极300密封接触。阳极金属板100上的第一凸部101与密封凸起103均与膜电极300密封抵接，从而形成多个并列设置的第一流道(即阳极金属板100上的燃料气体流道或阴极金属板200上的氧化气体流道)。
为了更好地对金属双极板与膜电极300之间进行密封，因而密封凸起103与相应的膜电极300之间具有密封垫片400。进一步地，密封凸起103的高度与第一凸部101的高度可以相等，也可以是密封凸起103的高度比第一凸部101的高度小整数倍的密封垫片400的厚度，这样可以较好地利用密封垫片400与密封凸起103、膜电极300之间的接触对燃料电池的内部进行密封，避免燃料电池内的燃料气体和氧化气体泄漏，从而影响燃料电池的正常工作，甚至引起燃料电池报废。
结合参见图5、图6和图9所示，第二流道由第二凸部102形成，第二凸部102的凸起高度为第一凸部101的凸起高度的30％-70％。结合参见图9和图10所示，当燃料气体通过燃料气体流道的过程中，由于第一流道(即燃料气体流道)的底部冲压形成有第二凸部102，使得燃料气体流道的横截面的大小呈周期性变化，因此燃料气体每经过一个第二凸部102随之呈周期性的升降变化(金属双极板的第一流道的直流道002中流动的燃料气体或氧化气体的压力的变化与图10示出的图9中虚线方框的直流道002以同样的周期性变化，相邻的直流道002内的气压变化曲线与图9所示的选线框内的相差相应的相位差)。通过对相邻两个第一流道底部的第二凸部102的起伏相位差，提高平行相邻的第一流道之间的燃料气体的压差，增加气体扩散质效率，同时使得金属极板第二表面的冷却液流场中冷却液更加均匀，调高了冷却能力，保证燃料电池额温度分布均一，从而解决燃料电池局部衰减严重的问题。
结合参见图11和图12所示，图11为阳极金属板冷却液流场100-1的示意图。图11中的“线”表示阳极金属板冷却液流场100-1中的流道，冷却在这些流道中流动并带走燃料电池所产生的热量。图12为阳极金属板100与阴极金属板200叠置(扣合)后，有阳极金属板冷却液流场100-1与阴极金属板冷却液流场200-1组合形成的完整的燃料电池内金属双极板的冷却液流场。如图12所示，空心箭头表示冷却液的流动方向，冷却液从一侧的冷却液进口进入冷却液流场中，并在流经冷却液流场的过程中将燃料电池因将化学能转变为电能时产生的热量带走，从而实现对燃料电池的冷却，升温后的冷却液由冷却液出口流出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池的金属极板，其特征在于，具有第一表面和第二表面，所述第一表面上具有冲压形成的并行的第一流道，所述第二表面上的第一流道的底部位置处冲压形成有并行的第二流道，其特征在于，在所述第二表面上，相邻两个所述第一流道之间具有冷却流场流道，所述冷却流场流道与所述第一流道的延伸方向一致，所述第二流道与所述第一流道交叉设置，所述第二流道连通相邻两个所述冷却流场流道，且所述第二流道的深度小于所述第一流道的深度，相邻两个所述第一流道的底部的所述第二流道在所述第一流道的延伸方向上错开设置。
2.根据权利要求1所述的金属极板，其特征在于，所述第一流道包括顺次连通的进气流道(001)、直流道(002)与出气流道(003)，每个所述进气流道(001)与相应的多个所述直流道(002)的第一端连通，所述多个直流道(002)的第二端与相应的一个所述出气流道(003)连通。
3.根据权利要求2所述的金属极板，其特征在于，每个所述进气流道(001)与相应的三个所述直流道(002)的第一端连通，所述三个直流道(002)的第二端与相应的一个所述出气流道(003)连通。
4.根据权利要求1所述的金属极板，其特征在于，所述第一表面上冲压形成第一凸部(101)，相邻两个所述第一凸部(101)形成所述第一流道，所述金属极板上冲压形成有密封凸起(103)，所述密封凸起(103)与所述第一凸部(101)的凸起方向一致，所述第一凸部(101)全部位于所述密封凸起(103)所围成的区域内。
5.根据权利要求1所述的金属极板，其特征在于，所述金属极板上开设有第一定位孔(104)和第二定位孔(105)。
6.一种燃料电池的金属双极板，其特征在于，包括：
阳极金属板(100)，所述阳极金属板(100)的第一表面具有多个燃料气体流道；
阴极金属板(200)，所述阴极金属板(200)的第一表面具有多个氧化气体流道；
所述阳极金属板(100)与所述阴极金属板(200)叠置，且所述阴极金属板(200)的第二表面与所述阳极金属板(100)的第二表面彼此相对，所述阴极金属板(200)的第二表面与所述阳极金属板(100)的第二表面之间形成冷却流场；
所述阳极金属板(100)和所述阴极金属板(200)的至少之一为权利要求1至5中任一项所述的金属极板，所述第一流道为所述燃料气体流道或所述氧化气体流道。
7.根据权利要求6所述的金属双极板，其特征在于，所述阳极金属板(100)与所述阴极金属板(200)结构相同。
8.一种燃料电池，具有叠置的多节电池堆，各所述电池堆均包括金属双极板，其特征在于，所述金属双极板为权利要求6或7所述的金属双极板。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括多个膜电极(300)，所述金属双极板夹设在相邻两个所述膜电极(300)之间，所述阳极金属板(100)的所述密封凸起(103)和所述第一凸部(101)均与所述相邻两个膜电极(300)的其中一个所述膜电极(300)密封接触，所述阴极金属板(200)的所述密封凸起(103)和所述第一凸部(101)均与另一个所述膜电极(300)密封接触。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述密封凸起(103)与相应的所述膜电极(300)之间具有密封垫片(400)。
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