CN106571472B - 一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，由金属薄板成形的具有不等高流道的阴极单板和阳极单板连接而成，并在连接后的双极板双侧的密封槽中装配密封件。阴极气体、阳极气体和冷却剂能够从各自的总管道通过一个直连通道出入对应的流场。阴极和阳极流场反应区的流道高度分别沿阴极气体和阳极气体流动方向逐渐减小。与现有技术相比，本发明能补偿由于气体消耗导致的气体浓度分布不均，提高燃料电池内电化学反应活性；并提高反应气体在流场出口区域的流速，促进电池高电流密度时气体流道内产生的液态水及时排出。

Description

一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将氢气中的化学能直接转变成电能的发电装置，其发电效率可达50％以上。质子交换膜燃料电池运行过程中的唯一产物是水，对环境十分友好，同时具有启动快、工作温度低、噪声小等特点，是未来汽车、无人机的理想动力源。质子交换膜燃料电池主要由双极板、膜电极组件和密封元件等组成。双极板作为燃料电池核心部件，占电池组质量和成本的较大部分。典型的双极板具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能。为了满足这些功能，理想的双极板应具有高热导率、高电导率、高机械强度、优异的耐腐蚀性、以及低成本和易加工等特点。目前，用于质子交换膜燃料电池的双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等三大类。其中金属双极板由于具有重量轻、适合批量快速冲压或液压成形、加工成本低等优势，逐步受到青睐。

由金属双极板分隔形成的阴极气体、阳极气体流场的结构直接影响到反应气体和冷却剂分布的均匀性。若反应气体分布的均匀性差将会出现局部气体供应不足的现象，导致电池性能降低；若冷却剂分布的均匀性差，将造成电池局部过热，甚至烧坏电堆。因此，反应气体和冷却剂流场的结构设计非常重要。

经过对现有技术文献的检索，发现了燃料电池双极板不同的设计方案。如中国专利授权公布号CN 10420037 B和中国专利授权公布号CN 101937998 B采用等截面的直的平行流道，特点是加工性好，但没有对反应气体消耗导致的气体分布不均匀进行补偿。中国专利申请公布号CN 104037426 A发明了一种树状渐缩结构流场的质子交换膜燃料电池双极板，其气体流场结构为圆形交指型流场，流场均为树状结构，流场内的各流道均为等比例渐缩结构。该发明的主要特点是促进了交指型流场的强制对流，提高了电池的化学反应效率。然而该发明的双极板三维曲面较难加工，流道末端宽度较小一定程度上增大了气体扩散阻力。再如中国专利申请公布号CN 103633337 A发明了一种强化反应气体分配的燃料电池金属双极板。该发明的金属双极板上层流场板由多孔金属薄板模压而成，从而能够提升极板凸起处的反应气体浓度。然而该发明的金属双极板由四块金属薄板组成，增加了双极板重量，燃料电池的质量功率密度难以进一步提高。综上所述，现有的发明没有考虑到由于反应气体消耗导致的浓度分布不均或是其改进方法不适合用于金属双极板的大批量快速制造。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种密封性好，能及时排出电池工作时流道内产生的液态水，可有效提高燃料电池内电化学反应活性的增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，所述的金属双极板组件包括相互贴合设置的阴极单板、阳极单板以及分别装配在阴极单板及阳极单板外侧的密封件。

所述的阴极单板和阳极单板是由不锈钢、钛合金等金属薄板经冲压或液压成形、冲孔并切边获得。

所述的阳极单板与阴极单板之间的空腔形成冷却剂流场，所述的阴极单板、阳极单板朝向外侧的一面分别形成阴极流场与阳极流场。

所述的阴极流场包括阴极入口总管道、与阴极入口总管道相连通并沿阴极气体流动方向依次设置的阴极入口直连通道、阴极入口分配区、阴极反应区流场、阴极出口分配区、阴极出口直连通道以及阴极出口总管道；

所述的阳极流场包括阳极入口总管道、与阳极入口总管道相连通并沿阳极气体流动方向依次设置的阳极入口直连通道、阳极入口分配区、阳极反应区流场、阳极出口分配区、阳极出口直连通道以及阳极出口总管道。

所述的阴极入口直连通道所在的位置对应的阳极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板上设有第一阴极桥墩状支撑结构，该第一阴极桥墩状支撑结构与阴极入口分配区之间开设有第一条形开口；

所述的阴极出口直连通道所在的位置对应的阳极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板上设有第二阴极桥墩状支撑结构，该第二阴极桥墩状支撑结构与阴极出口分配区之间开设有第二条形开口。

所述的阳极入口直连通道所在的位置对应的阴极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板上设有第一阳极桥墩状支撑结构，该第一阳极桥墩状支撑结构与阳极入口分配区之间开设有第三条形开口；

所述的阳极出口直连通道所在的位置对应的阴极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板上设有第二阳极桥墩状支撑结构，该第二阳极桥墩状支撑结构与阳极出口分配区之间开设有第四条形开口。

本发明在实际使用时，阴极气体和阳极气体的流动方向相反。所述的阴极反应区流场的流道高度沿阴极气体的流动方向逐渐减小，所述的阳极反应区流场的流道高度沿阳极气体的流动方向逐渐减小。流场入口分配区各处高度保持一致，流场出口分配区各处高度亦保持一致。

所述的阴极反应区流场的流道高度最大区域与阳极反应区流场的流道高度最小区域贴合，所述的阳极反应区流场的流道高度最大区域与阴极反应区流场的流道高度最小区域贴合，保证冷却剂流场的流道高度一致，且阴极单板和阳极单板贴合连接后总厚度在各处一致。

所述的阴极反应区流场与阳极反应区流场的流道截面为矩形或梯形，流道侧壁与底部的夹角为α，其中，90°≤α＜150°。阴极反应区流场和阳极反应区流场的流道宽度在各处保持一致。阴极反应区流场和阳极反应区流场的流道为直流道或具有一定周期的波浪形流道。

所述的冷却剂流场中冷却剂的流动方向与阳极流场中阳极气体的流动方向相同，冷却剂流场包括冷却剂入口总管道、与冷却剂入口总管道相连通并沿冷却剂流动方向依次设置的冷却剂入口直连通道、冷却剂入口分配区、冷却剂反应区流场、冷却剂出口分配区、冷却剂出口直连通道以及冷却剂出口总管道。

所述的冷却剂入口直连通道所在的位置对应的阴极单板、阳极单板上分别设有第一冷却剂桥墩状支撑结构，该两第一冷却剂桥墩状支撑结构的底部相对设置；

所述的冷却剂出口直连通道所在的位置对应的阴极单板、阳极单板上分别设有第二冷却剂桥墩状支撑结构，该两第二冷却剂桥墩状支撑结构的底部相对设置。

所述的第一冷却剂桥墩状支撑结构和第二冷却剂桥墩状支撑结构高度为阴极桥墩状支撑结构或阳极桥墩状支撑结构高度的1/3-2/3。

所述的阴极反应区流场、阳极反应区流场的外缘分别设有与密封件相适配的密封槽，该密封槽的深度沿气流方向逐渐减小，与相邻的反应气体流道高度相同。

作为优选的技术方案，阴极反应区流场、阳极反应区流场任意位置处的密封件的厚度与该处密封槽的深度差值为定值(一般为0.1mm至0.3mm)，从而保证双极板组件密封路径上厚度各处一致。冷却剂直连通道外侧的密封件的厚度低于相邻的反应气体直连通道外侧的密封件的厚度。两者的厚度差值等于这两个区域密封槽底平面的投影距离。

所述的密封件为硅橡胶、氟橡胶等材料。密封件在反应气体和冷却剂直连通道外侧的宽度大于其他区域的宽度，防止发生窜气现象，增强密封可靠性。密封件的截面形状包括为矩形、梯形、半圆形和带有一个或多个凸起的矩形或梯形。

所述的密封件有两种实现方式。第一种方式是使用点胶、注塑工艺制造密封件并将密封件装配于密封槽中，该密封件带有能够与冷却剂和反应气体直连通道区域桥墩状支撑结构相配合的凸起。第二种方式是首先使用填充剂将冷却剂和反应气体直连通道区域的桥墩状支撑结构填平，然后在密封槽中装配不带上述凸起的密封件。

本发明在燃料电池电堆中在装配时，具有唯一确定方向。即每个金属双极板组件按照同一方向顺次堆叠，每两片金属双极板之间放置带有边框的膜电极组件(MEA)。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)通过采用反应气体和冷却剂直连通道的设计，能够在不额外附加支撑片、支撑板等零件的情况下实现反应气体和冷却剂直接出入，降低了反应气体在总管道和流场连接区域的压力损失；

2)金属双极板组件由流道不等高的阴极单板和阳极单板两块冲压或液压成形的金属薄板连接而成，并在连接后的双极板双侧的密封槽中装配截面高度不等的密封件，结构设计新颖，可有效防止气体和冷却液的泄露；

3)通过反应气体流道高度渐变的设计，补偿反应气体消耗导致的浓度降低，提高了燃料电池内反应气体浓度分布的均匀性；

4)反应气体流道高度渐变的设计同时提高了反应气体在流场末端的流速，促进电池工作时流道内产生的液态水及时排出。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图；

图2为图1中A-A的剖面结构示意图；

图3为本发明的阴极反应区流场、阳极反应区流场装配结构示意图；

图4为本发明中阴极出口直连通道(隐去密封件)的结构示意图；

图5为本发明在燃料电池电堆中的装配结构示意图；

图中标记说明：

1—阴极单板、2—密封件、3—阳极单板、4—膜电极组件、5—电堆端板、101—阴极入口总管道、101’—阴极出口总管道、102—阴极入口直连通道、102’—阴极出口直连通道、103—阴极入口分配区、103’—阴极出口分配区、104—阴极反应区流场、105—第二阴极桥墩状支撑结构、106—第一冷却剂桥墩状支撑结构、107—密封槽、121—第一阴极桥墩状支撑结构、122—第二冷却剂桥墩状支撑结构、201—冷却剂入口总管道、201’—冷却剂出口总管道、202—冷却剂入口直连通道、203—冷却剂反应区流场、301—阳极入口总管道、301’—阳极出口总管道、302’—阳极出口直连通道、303—阳极反应区流场、321—第二阳极桥墩状支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1-5所示，一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件包括相互贴合设置的阴极单板1、阳极单板3以及分别装配在阴极单板1及阳极单板3外侧的密封件2，阳极单板3与阴极单板1之间的空腔形成冷却剂流场，阴极单板1、阳极单板3朝向外侧的一面分别形成阴极流场与阳极流场。阴极单板1和阳极单板3是由厚度为0.1mm的不锈钢薄板经冲压成形、冲孔并切边获得。阴极单板1和阳极单板3完全一致，可采用同一模具制造。两块单板装配贴合后进行激光焊接，形成双极板。

其中，阴极流场包括阴极入口总管道101、与阴极入口总管道101相连通并沿阴极气体流动方向依次设置的阴极入口直连通道102、阴极入口分配区103、阴极反应区流场104、阴极出口分配区103’、阴极出口直连通道102’以及阴极出口总管道101’；阳极流场包括阳极入口总管道301、与阳极入口总管道301相连通并沿阳极气体流动方向依次设置的阳极入口直连通道、阳极入口分配区、阳极反应区流场303、阳极出口分配区、阳极出口直连通道302’以及阳极出口总管道301’。

阴极入口直连通道102所在的位置对应的阳极单板3区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板1上设有第一阴极桥墩状支撑结构121，该第一阴极桥墩状支撑结构121与阴极入口分配区103之间开设有第一条形开口；阴极出口直连通道102’所在的位置对应的阳极单板3区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板1上设有10个深度为0.3mm的第二阴极桥墩状支撑结构105，该第二阴极桥墩状支撑结构105与阴极出口分配区103’之间开设有第二条形开口。

阳极入口直连通道所在的位置对应的阴极单板1区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板3上设有第一阳极桥墩状支撑结构，该第一阳极桥墩状支撑结构与阳极入口分配区之间开设有第三条形开口；阳极出口直连通道302’所在的位置对应的阴极单板1区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板3上设有第二阳极桥墩状支撑结构321，该第二阳极桥墩状支撑结构321与阳极出口分配区之间开设有第四条形开口。

阴极反应区流场104的流道高度沿阴极气体的流动方向逐渐减小，阳极反应区流场303的流道高度沿阳极气体的流动方向逐渐减小。阴极反应区流场104的流道高度最大区域与阳极反应区流场303的流道高度最小区域贴合，阳极反应区流场303的流道高度最大区域与阴极反应区流场104的流道高度最小区域贴合，保证冷却剂流场的流道高度一致。

冷却剂流场中冷却剂的流动方向与阳极流场中阳极气体的流动方向相同，冷却剂流场包括冷却剂入口总管道201、与冷却剂入口总管道201相连通并沿冷却剂流动方向依次设置的冷却剂入口直连通道202、冷却剂入口分配区、冷却剂反应区流场203、冷却剂出口分配区、冷却剂出口直连通道以及冷却剂出口总管道201’。

冷却剂入口直连通道202所在的位置对应的阴极单板1、阳极单板3上分别设有第一冷却剂桥墩状支撑结构，该两第一冷却剂桥墩状支撑结构的底部相对设置，冷却剂由两第一冷却剂桥墩状支撑结构周围的空腔流经冷却剂入口直连通道；冷却剂出口直连通道所在的位置对应的阴极单板1上设有5个深度为0.15mm的第二冷却剂桥墩状支撑结构122、对应的阳极单板3上设有5个深度为0.3mm的第二冷却剂桥墩状支撑结构122，两第二冷却剂桥墩状支撑结构122的底部相对设置，冷却剂由两第二冷却剂桥墩状支撑结构122周围的空腔流经冷却剂出口直连通道。

阴极反应区流场104与阳极反应区流场303的流道均为截面为矩形的直流道，流道宽度为1.0mm，流道间距为1.0mm。

本实施例中，密封件2为硅橡胶。密封槽107在各个位置的深度与相邻的反应气体流道高度相同。阴极反应区流场104和阳极反应区流场303的外缘的密封槽107深度分别沿阴极气体、阳极气体的流动方向由0.6mm逐渐减小为0.3mm，任意位置处的密封件2厚度均比该位置的密封槽107深度大0.1mm，保证双极板组件总体高度各处一致。冷却剂入口直连通道202和冷却剂出口直连通道外侧的密封件2在靠近阴极一侧的厚度为0.25mm，在靠近阳极一侧的厚度为0.4mm，低于相邻的气体直连通道外侧的密封件2的厚度。

密封件2在反应气体和冷却剂直连通道外侧的宽度为2.0mm，在其他区域的宽度为1.5mm，密封件2的截面形状为梯形。

密封件2有两种实现方式。第一种方式是使用点胶、注塑工艺制造密封件并将密封件2装配于密封槽107中，该密封件2带有能够与冷却剂和反应气体直连通道区域桥墩状支撑结构相配合的凸起。第二种方式是首先使用填充剂将冷却剂和反应气体直连通道区域的桥墩状支撑结构填平，然后在密封槽107中装配不带上述凸起的密封件2。

应用本发明装配的燃料电池电堆包括一对相对设置的电堆端板5、按同一方向顺次堆叠设置在两电堆端板5之间的金属双极板组件以及布设在相邻两金属双极板组件之间的膜电极组件4。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，其特征在于，包括相互贴合设置的阴极单板、阳极单板以及分别装配在阴极单板及阳极单板外侧的密封件，所述的阳极单板与阴极单板之间的空腔形成冷却剂流场，所述的阴极单板、阳极单板朝向外侧的一面分别形成阴极流场与阳极流场；

所述的阴极流场包括阴极入口总管道、与阴极入口总管道相连通并沿阴极气体流动方向依次设置的阴极入口直连通道、阴极入口分配区、阴极反应区流场、阴极出口分配区、阴极出口直连通道以及阴极出口总管道；

所述的阳极流场包括阳极入口总管道、与阳极入口总管道相连通并沿阳极气体流动方向依次设置的阳极入口直连通道、阳极入口分配区、阳极反应区流场、阳极出口分配区、阳极出口直连通道以及阳极出口总管道；

所述的阴极入口直连通道所在的位置对应的阳极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板上设有第一阴极桥墩状支撑结构，该第一阴极桥墩状支撑结构与阴极入口分配区之间开设有第一条形开口；

所述的阴极出口直连通道所在的位置对应的阳极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阴极单板上设有第二阴极桥墩状支撑结构，该第二阴极桥墩状支撑结构与阴极出口分配区之间开设有第二条形开口；

所述的阳极入口直连通道所在的位置对应的阴极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板上设有第一阳极桥墩状支撑结构，该第一阳极桥墩状支撑结构与阳极入口分配区之间开设有第三条形开口；

所述的阳极出口直连通道所在的位置对应的阴极单板区域为平整面，与该平整面相对应的阳极单板上设有第二阳极桥墩状支撑结构，该第二阳极桥墩状支撑结构与阳极出口分配区之间开设有第四条形开口；

所述的阴极反应区流场的流道高度沿阴极气体的流动方向逐渐减小，所述的阳极反应区流场的流道高度沿阳极气体的流动方向逐渐减小；

所述的阴极反应区流场的流道高度最大区域与阳极反应区流场的流道高度最小区域贴合，所述的阳极反应区流场的流道高度最大区域与阴极反应区流场的流道高度最小区域贴合，双极板厚度各处一致，并保证冷却剂流场的流道高度各处一致。

2.根据权利要求1所述的一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，其特征在于，所述的冷却剂流场包括冷却剂入口总管道、与冷却剂入口总管道相连通并沿冷却剂流动方向依次设置的冷却剂入口直连通道、冷却剂入口分配区、冷却剂反应区流场、冷却剂出口分配区、冷却剂出口直连通道以及冷却剂出口总管道。

3.根据权利要求2所述的一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，其特征在于，所述的冷却剂入口直连通道所在的位置对应的阴极单板、阳极单板上分别设有第一冷却剂桥墩状支撑结构，该两第一冷却剂桥墩状支撑结构的底部相对设置；

所述的冷却剂出口直连通道所在的位置对应的阴极单板、阳极单板上分别设有第二冷却剂桥墩状支撑结构，该两第二冷却剂桥墩状支撑结构的底部相对设置。

4.根据权利要求1所述的一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件，其特征在于，所述的阴极反应区流场、阳极反应区流场的外缘分别设有与密封件相适配的密封槽，该密封槽的深度沿气流方向逐渐减小，密封件的厚度也相应减小。