CN105870477B - 燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池双极板，包括水冷燃料电池使用的阴极流场板和阳极流场板，设置有阳极流场通道、冷却流场通道、阴极流场通道，所述阴极流场板和阳极流场板均采用直流道设计，并都依次设置入口区、入口扩散区、反应流场区、出口扩散区、出口区，所述反应流场区外侧设置有流场密封区，所述入口区和出口区的结构反向对称，所述入口扩散区和出口扩散区的结构反向对称，所述入口区设置有阴极入口、阳极入口、冷却入口，所述出口区设置有和入口区各入口反向对称的阴极出口、阳极出口、冷却出口，所述入口扩散区和出口扩散区都设置有用于缓冲的凸台。利用本发明制作的电堆运行稳定，布局合理，使膜电极各点的温度均匀一致。

Description

燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及一种电力装置，尤其是涉及一种燃料电池双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池的一般结构如图1所示，典型的水冷电堆由膜电极130、阴极流场板120、阳极流场板110组成，所述阳极流场板110设置有阳极流场通道111，外侧为冷却流场通道140，所述阴极流场板120设置有阴极流场通道121，膜电极130一般放在两块导电的流场板中间，流场板既作为电流集流板，也作为膜电极130的机械支撑，流场板上的流道又是燃料与氧化剂、冷却剂进入阳极、阴极、冷却表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成水的通道。
为了保证质子交换膜燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极各点性能一致，因此需要保持膜电极各点的气体分布均匀、温度分布均匀。如果气体分布不一致、膜电极各点散热条件不一致，会导致膜电极各点实际性能有较大差异，严重时会导致膜电极中部分会出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜。如果燃料电池运行中生成的多余的水不能及时排除，堵塞流道,会造成气体流动受阻，无法均匀分布。
电堆阴极流场、阳极流场、冷却流场的压降对风机、气泵、液泵的选型有很大影响。
流场设计应当考虑如下要求：
1、有较小的压降，降低对电堆外围设备的性能要求，如风机、气泵、液泵。
2、阴极流场、阳极流场布局合理，保证气体能均匀进入到电堆正、负极，在电堆电极中均匀分布。
3、阴极流场、阳极流场能迅速将电堆运行中产生的冷凝水排除。
4、冷却流场保证冷却液分布均匀，使膜电极各点的温度均匀一致。
目前极板流场的类型主要有蛇形流场、平行流场、交指流场等。
蛇形流场是较早提出的一种流道形式，它的突出优点是能迅速排除生成的液态水，但其缺点也很明显，对于面积比较大的流场，因其流道长度长、弯角多，而使得压降大、气体浓度分布差别大，弯角处易积水，从而导致系统效率低。
针对蛇形流场的这些问题，有很多改进专利，例如专利号CN03806839，其将流场分为主、副流场，虽然解决了气体浓度差的问题，但压降依然很大。
平行流场具有的压降低的特点，流道长度短，气体浓度差别小，但流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况。
交指流场将所有通过流场的气体趋向膜电极气体扩散层，增加气体与催化剂的接触，并有效避免液体水在气体扩散层内的集聚，但有压降过大从而造成零部件选择困难及能耗过高的缺点。
发明内容
本发明提供一种燃料电池双极板，解决了双极板中阴极流场、阳极流场和冷却流畅的布局问题，其技术方案如下所述：
一种燃料电池双极板，包括水冷燃料电池使用的阴极流场板和阳极流场板，所述阳极流场板包含阳极流场通道，所述阴极流场板包含阴极流场通道，所述阴极流场板和阳极流场板至少有一个流场板设置有冷却流场通道，所述阴极流场板和阳极流场板均采用直流道设计，并都依次设置入口区、入口扩散区、反应流场区、出口扩散区、出口区，所述反应流场区外侧设置有流场密封区，所述入口区和出口区的结构反向对称，所述入口扩散区和出口扩散区的结构反向对称，所述入口区设置有阴极入口、阳极入口、冷却入口，所述出口区设置有和入口区各入口反向对称的阴极出口、阳极出口、冷却出口，所述入口扩散区和出口扩散区都设置有用于缓冲的凸台。
所述双极板为矩形结构，所述入口区和出口区设置在矩形的两个平行边上，所述阳极入口、冷却入口设置在入口区所在平行边的两侧，所述阴极入口在入口区所在平行边的中间。
所述入口区和出口区的进出口采用异形设计，所述阴极入口、阴极出口采用至少为四边多边形的设计，所述冷却入口、冷却出口、阳极入口、阳极出口采用三角形或四边形设计。
所述阴极流场板的入口扩散区的面积占反应流场区面积的7％～16.5％，所述入口扩散区在宽度方向上平均分为3～8个扩散区域。
所述阴极流场板的入口扩散区分为长凸台区和小凸台区，所述长凸台区位于入口区一侧，设置有2～4个长凸台，将入口气流分为2～5个区域；
所述小凸台区位于阴极反应流场区一侧，包括2～4层小凸台，用于使气体均匀分布到各个流道内。
所述阴极流场板的阴极流场通道采用直流道，所述流道宽度为0.5～2mm，流道台阶宽度0.5～1.5mm，流道深度0.3～0.6mm；所述阳极流场板的阳极流场通道采用直流道，流道宽度为0.5～2mm，流道台阶宽度0.5～1.5mm，流道深度0.2～0.5mm；所述阳极流场板的冷却流场通道，流道宽度为0.5～2.5mm，台阶宽度为0.5～2.5mm，流道深度为0.3～0.6mm。
所述阳极流场板的入口扩散区分为长凸台区和小凸台区，所述长凸台区位于入口区一侧，在靠近阳极入口的区域，设计有长凸台，将进气分成两个或多个气流，分别流向靠近阳极入口区域和远离阳极入口区域；
所述小凸台区位于阳极流场反应流场区一侧，设计有多层短凸台，用于进一步打散气流，使其均匀分布到各个流道。
所述冷却流场通道设置在流场板的背面，包括冷却入口、冷却出口、冷却分流区、冷却流场区、所述冷却流场区外侧设置有冷却流场密封区，所述冷却分流区将冷却流场通道平均分为四个大流道，每个大流道内部又分成8～12个小流道。
所述长凸台的面积占该入口扩散区的比例为0.6～5.8％，所述长凸台的长度与宽度比例为4.5～10.2；所述小凸台区的面积占入口扩散区的比例为0.12％～10％，所述小凸台的宽度与高度比例为0.25～4。
所述大流道的宽度为冷却流场通道宽度的1/4，长度等于冷却流场通道的长度4/5；所述小流道的宽度等于大流道宽度的1/12～1/8，小流道的长度为等于大流道长度的4/5。
通过本发明制作的电堆，在同样电流密度下，能够显著提升电压，并且运行稳定，布局合理，使膜电极各点的温度均匀一致。
附图说明
图1是所述质子交换膜燃料电池的一般结构示意图；
图2是本发明中阴极流场板的整体示意图；
图3是本发明中阴极流场板的结构示意图；
图4是所述阴极流场板中阴极入口的结构图；
图5是所述阴极流场板扩散区的示意图；
图6是阴极流场板中平行流道与台阶的示意图；
图7是本发明中阳极流场板的整体示意图；
图8是本发明中阳极流场板的结构示意图；
图9是所述阳极流场板扩散区的示意图；
图10是本发明中所述冷却流场的整体示意图；
图11是本发明中所述冷却流场的结构示意图；
图12是本发明的电压提升的实验结果的示意图。
具体实施方式
本发明包括两种流场板的设计，分别是水冷质子交换膜燃料电池电堆阴极流场板、阳极流场板，其中包含阴极流场、阳极流场、冷却流场三种流场，通过流场板的结构设计解决电堆在低压运行条件下的气体均匀分布问题，堵水问题，压力损失过大问题，使电堆运行更稳定，效率更高。
流场板的进出口采用异形设计，其中阴极入口11、阴极出口21采用多边形(大于4边)设计，冷却入口12、冷却出口22、阳极入口13、阳极出口23采用三角形或四边形设计；且阴极入口11在中间，增大阴极进气通道面积，降低压力损失。
流场板是矩形，阴极、阳极、冷却的进口、出口，都设计在矩形的两个平行边上，提高流场板的有效使用率。
本发明阴极流场板、阳极流场板均采用直流道，降低阴极和阳极的压力损失，更利于排水。
所述阴极流场板和阳极流场板均采用直流道设计，并都依次设置入口区、入口扩散区、反应流场区、出口扩散区、出口区，所述反应流场区外侧设置有流场密封区，所述入口区和出口区的结构反向对称，所述入口扩散区和出口扩散区的结构反向对称，所述入口区设置有阴极入口、阳极入口、冷却入口，所述出口区设置有和入口区各入口反向对称的阴极出口、阳极出口、冷却出口，所述入口扩散区和出口扩散区都设置有用于缓冲的凸台。
如图2、图3所示，所述阴极流场板包括阴极入口11、阳极入口13、阴极出口21、阳极出口23、冷却入口12、冷却出口22、密封区10、入口扩散区14、出口扩散区15、反应流场区16，在反应流场区16外部设置有流场密封区17。其中阴极入口11、阴极出口21在中间，冷却、阳极的进出口在两边对称分布。
所述阴极流场板的入口扩散区14的面积占反应流场区面积的7％～16.5％，同样，出口扩散区15和入口扩散区14的面积相同。所述长凸台的面积占该入口扩散区的比例为0.6～5.8％，所述长凸台的长度与宽度比例为4.5～10.2；所述小凸台区的面积占入口扩散区的比例为0.12％～10％，所述小凸台的宽度与高度比例为0.25～4。
阴极入口11、阴极出口21采用多边形设计，如图4所示，增加阴极入口11下方过孔116的长度。
如图5所示，入口扩散区14平均分为5个区域，入口扩散区14靠近阴极入口11的位置，为长凸台区112，设计有2个长凸台，将入口气流分为3个区域。
入口扩散区14靠近反应流场区16的区域，为小凸台区113，设计2层小凸台，小凸台尺寸：宽度1mm，高度0.5mm，使气体均匀分布到各个流道内。
如图6所示，阴极流场板采用直流道，其中流道114的宽度：1.5mm，流道台阶115宽度1.5mm，流道114的深度0.5mm。
如图7和图8所示，所述阳极流场板设计有阳极流场和冷却流场。所述阳极流场板包括阴极入口11、阳极入口13、阴极出口21、阳极出口23、冷却入口12、冷却出口22、密封区10、入口扩散区24、出口扩散区25、反应流场区26，在反应流场区26外部设置有流场密封区27。其中阴极入口11、阴极出口21在中间，冷却、阳极的进出口在两边对称分布。
所述阳极入口13、阳极出口23、冷却入口12、冷却出口22均为三角形结构，且对称分布，三角形结构可以提高扩散区的面积，利于气体分布。
阳极流场采用直流道，流道宽度：1.5mm，流道台阶宽度1.5mm，流道深度0.5mm。
如图9所示，在靠近阳极入口13的区域，设计有长凸台212，将进气气流213分成两个气流，分别流向靠近阳极入口13区域和远离阳极入口13区域，图中气流214流向远离阳极入口13区域。
在靠近阳极流场反应流场区26，设计有短凸台211，进一步打散气流，使其均匀分布到各个流道215。
如图10和图11所示，所述冷却流场设计在阳极流场板的背面，由冷却入口12、冷却出口22、冷却入口分流区34、冷却出口分流区35、冷却流场区36、冷却流场密封区37组成。
冷却流场的分流区将流场平均分为四个大流道，每个流道内部又分成8个小流道。所述大流道的宽度为冷却流场通道宽度的1/4，长度等于冷却流场通道的长度4/5；所述小流道的宽度等于大流道宽度的1/12～1/8，小流道的长度为等于大流道长度的4/5。
冷却流场可通过修改每个流道的宽度或深度，保证冷却介质的均匀分布；流道宽度：2.5mm，台阶宽度2.5mm，流道深度：0.3mm。
按照上述设计，制作组装5片电堆，进行测试，IV曲线如图12所示：
测试条件：温度：60～65℃
阴极压力：常压
阳极压力：20kPa
电堆测试结果，对比氢璞II代电堆(专利号201410543495.2)，性能上有了明显的提升。
在以上发明的基础上，也可以进行其他形式的改进，例如在阴极流场板的基础上进行修改，阴极流场板的背面设计冷却流场，其余不变。
也可以在阴极流场板的基础上进行修改，阴极流场板的背面设计冷却流场，而阳极流场板只设计阳极流场。
通过本发明制作的电堆，在同样电流密度下，能够显著提升电压，并且运行稳定，布局合理，使膜电极各点的温度均匀一致。

Claims (9)

1.一种燃料电池双极板，包括水冷燃料电池使用的阴极流场板和阳极流场板，所述阳极流场板设置有阳极流场通道，所述阴极流场板设置有阴极流场通道，所述阴极流场板和阳极流场板至少有一个流场板设置有冷却流场通道，其特征在于：所述阴极流场板和阳极流场板均采用直流道设计，并都依次设置入口区、入口扩散区、反应流场区、出口扩散区、出口区，所述反应流场区外侧设置有流场密封区，所述入口区和出口区的结构反向对称，所述入口扩散区和出口扩散区的结构反向对称，所述入口区设置有阴极入口、阳极入口、冷却入口，所述出口区设置有和入口区各入口反向对称的阴极出口、阳极出口、冷却出口，所述入口扩散区和出口扩散区都设置有用于缓冲的凸台，所述双极板为矩形结构，所述入口区和出口区设置在矩形的两个平行边上，所述阳极入口、冷却入口设置在入口区所在平行边的两侧，所述阴极入口在入口区所在平行边的中间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述入口区和出口区的进出口采用异形设计，所述阴极入口、阴极出口采用至少为四边多边形的设计，所述冷却入口、冷却出口、阳极入口、阳极出口采用三角形或四边形设计。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极流场板的入口扩散区的面积占反应流场区面积的7％～16.5％，所述入口扩散区在宽度方向上平均分为3～8个扩散区域。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极流场板的入口扩散区分为长凸台区和小凸台区，所述长凸台区位于入口区一侧，设置有2～4个长凸台，将入口气流分为2～5个区域；
所述小凸台区位于阴极反应流场区一侧，包括2～4层小凸台，用于使气体均匀分布到各个流道内。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极流场板的阴极流场通道采用直流道，所述流道宽度为0.5～2mm，流道台阶宽度0.5～1.5mm，流道深度0.3～0.6mm；所述阳极流场板的阳极流场通道采用直流道，流道宽度为0.5～2mm，流道台阶宽度0.5～1.5mm，流道深度0.2～0.5mm；所述阳极流场板的冷却流场通道，流道宽度为0.5～2.5mm，台阶宽度为0.5～2.5mm，流道深度为0.3～0.6mm。
6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极流场板的入口扩散区分为长凸台区和小凸台区，所述长凸台区位于入口区一侧，在靠近阳极入口的区域，设计有长凸台，将进气分成多个气流，分别流向靠近阳极入口区域和远离阳极入口区域；
所述小凸台区位于阳极流场反应流场区一侧，设计有多层短凸台，用于进一步打散气流，使其均匀分布到各个流道。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述冷却流场通道设置在流场板的背面，包括冷却入口、冷却出口、冷却分流区、冷却流场区、所述冷却流场区外侧设置有冷却流场密封区，所述冷却分流区将冷却流场通道平均分为四个大流道，每个大流道内部又分成8～12个小流道。
8.根据权利要求4所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述长凸台的面积占该入口扩散区的比例为0.6～5.8％，所述长凸台的长度与宽度比例为4.5～10.2；所述小凸台区的面积占入口扩散区的比例为0.12％～10％，所述小凸台的宽度与高度比例为0.25～4。
9.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述大流道的宽度为冷却流场通道宽度的1/4，长度等于冷却流场通道的长度4/5；所述小流道的宽度等于大流道宽度的1/12～1/8，小流道的长度为等于大流道长度的4/5。
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