CN105047959A - 一种过桥式燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过桥式燃料电池金属双极板，包括氧板和氢板，在氧板和氢板的各进出口与相应气体流道或冷却液流道连接处均设有截面为“凹”型的密封圈槽，建立气体路径和冷却液路径“立交桥”式通道；氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口处密封圈槽之间的空腔内均设有气液分隔板，气液分隔板与密封圈槽密封相连将空腔隔离出一个封闭腔体；封闭腔体设有腔体前气孔和腔体后气孔，用于连通气体进出口和相应的气体流道。本发明通过结构改进让气体从密封圈槽底部通过，保证了密封圈槽各处受力均匀，又能保证气体顺畅流动，从设计上杜绝了电堆内部漏气的隐患，解决传统设计由于密封圈受力不均造成的漏气隐患问题。

Description

一种过桥式燃料电池金属双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种过桥式燃料电池金属双极板。

背景技术

燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极等组成。

双极板是燃料电池的支架部分，主要起支撑、分布导流气体并隔离气体和集流导电的作用，目前做双极板的材料主要有两大类：一类是石墨做的双极板，一类是金属双极板。由于金属双极板具有质量轻、板材薄、易加工和规模生产等优点，越来越被用于燃料电池产业。金属双极板的加工工艺不同于传统的石墨双极板的加工工艺，金属双极板主要以板材冲压为主，所以金属双极板对燃料电池的气体流场的设计要求较高，气体流场的设计不但需要设计气体的均匀分布，而且要解决气体进出口密封性，密封不好会导致电堆内外漏气，造成电堆的性能下降和安全隐患；传统的金属双极板都没有很好的解决这个问题，在进气口处使用缺口式密封圈，这样就造成在缺口处受力不均，随着电堆的使用密封圈机械性能下降，燃料气（空气或氧气）透过密封圈进入另一极的流道，这样电堆性能会下降和安全造成隐患，更严重时会导致电堆“烧堆”的现象出现。

公布号为CN103700865A公布了“一种用于燃料电池的金属双极板”，包括叠放的阳极单极板和阴极单极板，阳极单极板和阴极单极板上均对应设置有还原剂进出口主流道、氧化剂进出口主流道和冷却液进出口主流道，绕各个主流道设置环形密封带，两个单极板焊接贴合后形成过桥结构的还原剂导流通道、氧化剂导流通道和冷却液导流通道，导流通道与密封带处于上层单极板的上下表面。所述密封带高于过桥结构的还原剂导流通道、氧化剂导流通道和冷却液导流通道的凸起上平面以及还原剂流道的上平面。该发明采用下方导流的密封带设计，反应物进出的流动通道与密封带区域得到分离，优化了双极板的密封问题，但是该结构采用密封带结构进行密封，密封不能持续性稳固，且不能保证气体顺畅流动。

公布号为CN101796677A公布了“对PEM燃料电池的密封垫和双极板的改进”，其中，所述双极板具有阳极侧或阴极侧或两者，该阳极侧具有用于输送给出质子的燃料的第一流动通道，该阴极侧具有用于输送接受质子的流体的第二流动通道；密封件，平行于双极板设置在该双极板上，以用于将该双极板靠着相邻的电解膜进行密封；其特征在于，所述密封件具有提供了横穿该密封件的流体通道的波纹，以用于横穿该密封件和沿着所述双极板输送给出质子的燃料或接受质子的流体。通过设置具有流体通道的密封件将双极板与电解膜进行密封，但是该结构没有解决双极板本身的密封问题和气体分布流畅分布的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种过桥式燃料电池金属双极板，解决传统设计由于密封圈受力不均造成的漏气隐患问题，提高电堆的使用寿命，杜绝电堆内漏，减少安全隐患。

技术方案：本发明所述过桥式燃料电池金属双极板，包括氢板和氧板，所述氧板和氢板上均冲压有氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口、冷却液进口、冷却液出口以及分布在所述氧板和氢板上下表面的气体流道和冷却液流道；所述氧板和氢板以冷却液流道相向层叠设置，各进出口一一对应且彼此连通；所述氢板和氧板的各进出口与相应气体流道或冷却液流道连接处均设有截面为“凹”型的密封圈槽，用于建立气体路径和冷却液路径“立交桥”式通道，所述氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口处密封圈槽之间的空腔内均设有气液分隔板，气液分隔板与密封圈槽密封相连将空腔隔离出一个封闭腔体；封闭腔体与所述氧板的氧化剂气体进口、氧板的氧化剂气体出口、氢板的燃料气进口、氢板的燃料气出口相邻的腔壁上设有腔体前气孔，封闭腔体与所述氧板上的气体流道、氢板上的气体流道相邻的腔壁上设有腔体后气孔，用于连通所述氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口与所述氧板上的气体流道，所述氧板和氢板的燃料气进口、燃料气出口与所述氢板上的气体流道。在氧板和氢板的各进出口四周设置截面为“凹”型的密封圈槽，建立气体路径和冷却液路径“立交桥”式通道，氧板和氢板密封圈槽之间的空腔连通冷却液进口、冷却液出口和冷却液流道，同时将氧化剂气体入口流道、氧化剂气体出口流道、燃料气入口流道、燃料气出口流道封闭，使气体进出口与相应的气体流道隔断；通过设置气液分离板在空腔内形成封闭腔体，并在封闭腔体上设置腔体前气孔和腔体后气孔，用于连通气体进出口和相应的气体流道，让气体从密封圈槽底部通过，保证了密封圈槽各处受力均匀，又能保证气体顺畅流动，从设计上杜绝了电堆内部漏气的隐患，解决传统设计由于密封圈受力不均造成的漏气隐患问题。

进一步完善上述技术方案，所述氧板氧化剂气体进口、氧板氧化剂气体出口、氢板燃料气进口、氢板燃料气出口处密封圈槽的底面相对于所述氧板和氢板的接触面具有高度差，高度差的范围在0.1~0.6mm。所述封闭腔体的高度范围为0.2~0.5mm，宽度与所述密封圈槽相当。通过对密封圈槽、封闭腔体进行优选值的设计，实现对气体流量和冷却液流量进行调节，能够很好地控制电堆温度，使之处于最佳工作状态。

所述氧板氧化剂气体进口、氧板氧化剂气体出口、氢板燃料气进口、氢板燃料气出口处密封圈槽的气液分隔板分别与氧化剂气体入口流道、氧化剂气体出口流道、燃料气入口流道、燃料气出口流道的尺寸和形状相匹配。这样设置之后，使得设置在气体进出口和相应气体流道之间的气液分隔板结构更稳固，由此形成的封闭腔体气密性良好。

所述密封圈槽与所述气液分隔板通过密封粘接或焊接处理进行密封相连。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点：

1、本发明设置密封圈槽并增加气液分隔板，通过腔体前气孔和腔体后气孔将气体进出口与相应的气体流道连通，让气体从密封圈槽底部通过，保证了密封圈槽各处受力均匀，又能保证气体顺畅流动，从设计上杜绝了电堆内部漏气的隐患，解决传统设计由于密封圈受力不均造成的漏气隐患问题，提高了电堆的使用寿命和安全性，减少安全隐患；

2、通过两层板满足氧化剂气体、燃料气、冷却液所需流道，两层板结构替代三层板结构，不但节约成本，而且使电堆结构简单化，轻便化，更便于双极板的规模化生产与加工；

3、氢板和氧板上的冷却液流道呈对流式设计，优化金属双极板的气体流道设计，可以使金属双极板流场设计更加多样化；

4、本发明的各进出口及气体流道、液体流道通过一次性冲压成型，便于加工，适用于规模化生产；

5、氧板和氢板上均设有多条流道，提高了双极板的面积利用率，节约成本。

附图说明

图1为本发明氢板和氧板分解结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为图3沿B-B的剖面图；

图5为图4的局部放大图；

图6为图3沿C-C的剖面图；

图7为图6的局部放大图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明。

实施例1：如附图1所示的过桥式燃料电池金属双极板，包括两块金属板，分别作为氧板14和氢板15。氧板14和氢板15在两侧分别冲压有三个进出口，包括位于氧板14和氢板15一侧的氧化剂气体进口141、151，冷却液进口145、155，燃料气出口142、152，位于氧板14和氢板15另一侧的燃料气进口143、153，氧化剂气体出口144、154，冷却液出口146、156；氧化剂气体进口141、151与氧化剂气体出口144、154处于对角位置，冷却液进口145、155与冷却液出口146、156处于平行位置，燃料气进口143、153与燃料气出口142、152处于对角位置。每个进出口处均设有截面为“凹”型的密封圈槽，且氧板氧化剂进口141、氧板氧化剂出口144、氢板燃料气进口153、氢板燃料气出口152处密封圈槽的底面相对于氧板14和氢板15的接触面具有高度差。

将氧板14和氢板15背向层叠相连，氧板14与氢板15的各进出口一一对应，对应的进出口之间相互连通，形成如图2和图3所示的金属双极板16。在金属双极板16一侧形成氧化剂气体进口161、冷却液进口165、燃料气出口162，在金属双极板16另一侧形成燃料气进口163、冷却液出口166、氧化剂气体出口164，每个进出口处均有密封圈槽7。从氧化剂气体进口161进入的氧化剂气体经氧化剂气体入口流道流入到氧板外侧面走向呈S型的氧板剂气体流道，再经氧化剂气体出口流道从氧化剂气体出口164流出；从燃料气进口163进入的燃料气经燃料气进口流道流入到氢板外侧面走向呈S型的燃料气流道，再经燃料气出口162流道从燃料气出口流出；冷却液从冷却液进口165流入，经冷却液入口流道进入氧板和氢板之间的冷却液流道，再经燃料气出口流道从冷却液出口166流出。

如图4至图7所示，氧板氧化剂气体进口141、氢板氧化剂气体进口151密封圈槽之间的空腔将氧化剂气体入口流道密封，氧板氧化剂气体出口144、氢板氧化剂气体出口154密封圈槽之间的空腔将氧化剂气体出口流道密封，氧板燃料气进口143、氢板燃料气进口153密封圈槽之间的空腔将燃料气入口流道密封，氧板燃料气出口142、氢板燃料气出口152密封圈槽之间的空腔将燃料气出口流道密封；氧板14和氢板15各进出口处密封圈槽之间形成空腔与液体进口、液体出口以及液体流道均连通。

氧板氧化剂气体进口141、氧板氧化剂气体出口144、氢板燃料气进口153、氢板燃料气出口152处的密封圈槽的底面相对氧板14和氢板15的接触面具有高度差形成空腔，高度差为0.5mm。在氧板14和氢板15进出口之间的密封圈槽空腔内对应氧化剂气体入口流道、氧化剂气体出口流道、燃料气入口流道、燃料气出口流道均设有与之尺寸和形状相应的气液分隔板，每个气液分隔板分别与氧板氧化剂气体进口141、氧板氧化剂气体出口144、氢板燃料气进口153、氢板燃料气出口152处密封圈槽密封相连将空腔隔离出一个高度为0.3mm、宽度与密封圈槽相当的封闭腔体，封闭腔体与气体进出口相邻的腔壁上设有腔体前气孔，封闭腔体上与气体流道相邻的腔壁上设有腔体后气孔，用于连通氧板氧化剂气体进口141、氧板氧化剂气体出口144和氧板氧化剂流道，氢板燃料气进口154、氢板燃料气出口151和氢板燃料气流道。

如图6所示，将两个金属双极板16之间设置膜电极17。

以氧化剂气体进口处进行具体说明：氧板14的密封圈槽用于填放氧板密封圈148、氢板的密封圈槽用于填放氢板密封圈158，氧板氧化剂气体进口141处密封圈槽147与气液分离板94焊接密封在氧板和氢板的氧化剂气体进口密封圈槽之间的空腔内隔离出一个封闭腔体940、空腔内剩余空间为冷却液腔体751，氧化剂气体从腔体前气孔941进入封闭腔体940内、然后从腔体后气孔942流出，分别进入氧板上三条走向呈S型的氧化剂气体流道进行均匀分布，再经氧板氧化剂气体出口144处密封圈槽与氧化剂气体出口气液分离板形成的氧化剂气体出口封闭腔体的氧化剂气体出口腔体后气孔进入氧化剂气体出口封闭空腔内、然后从氧化剂气体出口腔体前气孔流至氧化剂气体出口164后流出。

封闭腔体的高度小于密封圈槽空腔，不影响密封圈槽空腔内冷却液的流动。腔体前气孔、腔体后气孔的大小、数目和形状取决于金属双极板气体流场的参数，针对设有金属双极板上三条氧化剂气体流道和三条燃料气流道，每个封闭腔体上对应设有三对腔体前气孔和腔体后气孔用于分开连通。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种过桥式燃料电池金属双极板，包括氧板和氢板，所述氧板和氢板上均冲压有氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口、冷却液进口、冷却液出口以及分布在所述氧板和氢板上下表面的气体流道和冷却液流道；所述氧板和氢板以冷却液流道相向层叠设置，各进出口一一对应且彼此连通；其特征在于：所述氢板和氧板的各进出口与相应气体流道或冷却液流道连接处均设有截面为“凹”型的密封圈槽，用于建立气体路径和冷却液路径“立交桥”式通道，所述氧板和氢板的密封圈槽之间构成的空腔与所述冷却液进口或冷液体出口以及冷却液体流道连通；所述氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口、燃料气进口、燃料气出口处密封圈槽之间的空腔内均设有气液分隔板，气液分隔板与密封圈槽密封相连将空腔隔离出一个封闭腔体；封闭腔体与氧板氧化剂气体进口、氧板氧化剂气体出口、氢板燃料气进口、氢板燃料气出口相邻的腔壁上设有腔体前气孔，封闭腔体与所述氧板上的气体流道、氢板上的气体流道相邻的腔壁上设有腔体后气孔，用于连通所述氧板和氢板的氧化剂气体进口、氧化剂气体出口与所述氧板上的气体流道，所述氧板和氢板的燃料气进口、燃料气出口与所述氢板上的气体流道。

2.根据权利要求1所述的过桥式燃料电池金属双极板，其特征在于：所述氧板氧化剂气体进口、氧板氧化剂气体出口、氢板燃料气进口、氢板燃料气出口处密封圈槽的底面相对于所述氧板和氢板的接触面具有高度差，高度差的范围在0.1~0.6mm。

3.根据权利要求2所述的过桥式燃料电池金属双极板，其特征在于：所述封闭腔体的高度范围为0.2~0.5mm，宽度与所述密封圈槽相当。

4.根据权利要求1所述的过桥式燃料电池金属双极板，其特征在于：所述氧板氧化剂气体进口、氧板氧化剂气体出口、氢板燃料气进口、氢板燃料气出口处密封圈槽的气液分隔板分别与氧化剂气体入口流道、氧化剂气体出口流道、燃料气入口流道、燃料气出口流道的尺寸和形状相匹配。

5.根据权利要求1所述的过桥式燃料电池金属双极板，其特征在于：所述密封圈槽与所述气液分隔板通过密封粘接或焊接处理进行密封相连。