CN107579261A - 用于燃料电池电堆的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的双极板，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道；其中该双极板的气体流道呈S形结构，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄。本发明提出的用于燃料电池电堆的双极板，可提高电堆性能，减小现有水冷堆的体积，提高电堆能量密度。

Description

用于燃料电池电堆的双极板

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池电堆，尤其涉及一种用于燃料电池电堆的双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种能将氢燃料与空气中氧气转化为电能及产物水的装置。既可以用车、船等交通工具的移动式电力系统，也可以用作分布式发电站和备用电源。

该装置采用氢气为燃料，以含有氧气的空气为氧化剂。氢气由双极板阳极分布扩散经阳极气体扩散层至阳极催化层发生氧化反应。阳极气体扩散层收集阳极催化层的电子，经导电体传递至阴极气体扩散层，再经阴极气体扩散层传递到阴极催化层，构成电流回路。氢气经氧化后失去电子变为质子，质子经质子交换膜传输到阴极与阴极催化层中的氧原子结合生成水，阴极生成的水再经阴极流场排出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于燃料电池电堆的双极板，可提高电堆性能，减小现有水冷堆的体积，提高电堆能量密度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于燃料电池电堆的双极板，以模压的复合板和石墨板或冲压的金属板构成，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，所述阴极流场板、阳极流场板接合组成，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道；

所述阴极流场通道采用S形结构设计，呈S形走向，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄；

所述阳极流场通道结构设计采用跟阴极流场通道结构设计相同的S形流场方案，或者采用叶形的设计方案；

所述阳极流场通道中的脊是连续的；或者，所述阳极流场通道中的脊是不连续结构，使得流场各流道之间气体交叉互通，不连续的间隔的长度与断续的脊长度相同；

所述双极板的流场流道变宽，但流道深度及脊的宽度和高度不发生改变；阴极流场、阳极流场和冷却液流场是三个独立封闭的流场，相互间不连通；

阴极反应气体入口孔在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阴极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阴极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

阳极反应气体入口孔可在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阳极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阳极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

双极板的阴极反应气入口孔和阳极反应气入口孔在双极板的同一侧或或双极板的对称位置；或者，阴极反应气入口孔位于阳极反应气入口孔在双极板上的九点或三点方向位置；

双极板的阴极气体入口孔和出口孔，以及阳极反应气体的入口孔和出口孔四周设置有密封垫圈防止反应气体泄漏或互窜；

在双极板的反应区的拐角部位设置冷却液的入口孔和出口孔；冷却液的入口孔和出口孔设计有密封措施方式防止冷却液泄漏；

所述双极板的冷却液入口孔和冷却液出口孔在双极板的同一侧或双极板的对称位置，或者，出口孔位于入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

一种用于燃料电池电堆的双极板，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道；其中该双极板的气体流道呈S形结构，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄。

作为本发明的一种优选方案，所述阳极流场通道结构设计采用跟阴极流场通道结构设计相同的S形流场方案，或者采用叶形的设计方案。

作为本发明的一种优选方案，所述阳极流场通道中的脊是连续的；或者，所述阳极流场通道中的脊是不连续结构，使得流场各流道之间气体交叉互通，不连续的间隔的长度与断续的脊长度相同。

作为本发明的一种优选方案，所述双极板的流场流道变宽，但流道深度及脊的宽度和高度不发生改变；阴极流场、阳极流场和冷却液流场是三个独立封闭的流场，相互间不连通。

作为本发明的一种优选方案，阴极反应气体入口孔在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阴极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阴极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

阳极反应气体入口孔可在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阳极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阳极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧。

作为本发明的一种优选方案，双极板的阴极反应气入口孔和阳极反应气入口孔在双极板的同一侧或或双极板的对称位置；或者，阴极反应气入口孔位于阳极反应气入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

作为本发明的一种优选方案，双极板的阴极气体入口孔和出口孔，以及阳极反应气体的入口孔和出口孔四周设置有密封垫圈防止反应气体泄漏或互窜；

在双极板的反应区的拐角部位设置冷却液的入口孔和出口孔；冷却液的入口孔和出口孔设计有密封措施方式防止冷却液泄漏。

作为本发明的一种优选方案，所述双极板的冷却液入口孔和冷却液出口孔在双极板的同一侧或双极板的对称位置，或者，出口孔位于入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

双极板流场起到电流导体、分布反应气、支撑膜电极以及引导产物水排出的作用。双极板需同时具备阳极反应气体流场通道、阴极反应气体流场通道、冷却液体流动通道，以及阳极反应气体入口和出口，阴极反应气体入口和出口，冷却液入口和出口。除此外还需具有密封槽防止反应气体泄漏。

双极板的设计应该考虑采用优良电导体制成以降低电堆的内阻损耗，同时双极板材料应该具有耐腐蚀性、高弯曲强度和低气体渗透率。通常选用石墨材料制成石墨板，以及石墨材料和金属粉末支持复合板，或是使用不锈钢或钛板等金属材料制成金属双极板。

采用蛇形流道设计的双极板，该设计能迅速排出生成的液体水，不易出现堵塞流道的情况。但是流道过长造成气体压降过大，在流道后段反应气体容易供应不足。

采用网格流道设计的双极板，有助于反应气体传输，能减少浓差极化，但流道的阻力较高，流体流速比较低，在角落容易出现滞流发生水淹。

采用波浪形流道设计的双极板，流道宽度交替变化，气体在流动中产生速度和压力波动，有利气体内部扰动，但是波浪形流场加工难度大，增加了加工成本。

流场内需要一定的进出口压差来促进反应其它向扩散层、催化层的传输，以及促进排出电池内部多余的液态水，但压差过大会造成气体短路现象及动力损失；这需要流场结构设计能综合考虑。

本发明的有益效果在于：本发明提出的用于燃料电池电堆的双极板结构，该双极板能够实现增加能量密度，提高能量转化效率和电堆性能；有助于提供电堆的水热管理能力，促进电堆内部液态水的排出，并提高气体向气体扩散层纵向流动的能力。本发明有助于解决双极板流场内压差过大造成的排水困难和气体动力损失。与现有双极板结构设计相比，本结构有助于提高电堆性能，减小现有水冷堆的体积，提高电堆能量密度。

由于传统的燃料电池双极板存在气体分布不均，流场压降大或是加工难度大等问题，容易出现水淹堵塞气体扩散层通道等，以至极限电流小和难以长时间恒流放电等。

相比之下，本发明内容中的双极板具有S型的通道结构，其中进气口流道横截面积大于出气口流道横截面积，克服压降大和积水的缺点。可以将反应气体均匀的分散到通道的空间，有助于提供燃料电池电堆效率和提供功率密度。此外采用圆形或椭圆形的设计适用于不同应用条件下对电堆形态结构的要求。

附图说明

图1为燃料电池双极板的阴极流场结构图。

图2为燃料电池双极板的阳极流场结构图。

图3为燃料电池双极板的截面结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的双极板，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，所述阴极流场板、阳极流场板接合组成，采用激光焊接或热融合工艺将阴极流场板和阳极流场板边缘结合处进行接合。在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道。

阴极气体进气口3经S形气体流道流动到阴极气体出气口4，气体流道截面积由宽到窄变化。

阴极冷却液入口2与阴极冷却液出口5从双极板内部连通，冷却液由双极板内部进行流动。

阳极气体进气口1和阳极气体出气口6由阳极流场进行连接，阳极气体流动方向与阴极气体流动方向相同。

如图2所示，阳极气体进气口7经S形气体流道流动到阳极气体出气口12，气体流道截面积由宽到窄变化。

阴极气体进气口9和阴极气体出气口10由阴极流场进行连接。阴极气体进气口9对应阴极气体进气口3，阴极气体出气口10对应阴极气体出气口4.

阳极冷却液入口8与阳极冷却液出口11从双极板内部连通，冷却液由双极板内部进行流动。阳极冷却液入口8对应阴极冷却液入口2，阳极冷却液出口11对应阴极冷却液出口5.

图1中，双极板流场最外侧、阴极气体进气口3、阴极气体出气口4，阳极气体进气口1、阳极气体出气口6、阴极冷却液入口2和阴极冷却液出口5四周都设置有密封垫圈槽。

图2中，双极板流场最外侧、阳极气体进气口7、阳极气体出气口12、阴极气体进气口9、阴极气体进气口10、阳极冷却液入口8、阳极冷却液出口11四周都设置有密封垫圈槽。

图3中，阴极流场板13、阳极流场板15采用激光焊接或热融合工艺对边缘结合处14进行无缝焊接。

实施例二

请参阅图1，本发明揭示了一种用于燃料电池电堆的双极板，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，所述阴极流场板、阳极流场板接合组成，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道。

所述阴极流场通道采用S形结构设计，呈S形走向，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄。

所述阳极流场通道结构设计采用跟阴极流场通道结构设计相同的S形流场方案，或者采用叶形的设计方案。

所述阳极流场通道中的脊是连续的；或者，所述阳极流场通道中的脊是不连续结构，使得流场各流道之间气体交叉互通，不连续的间隔的长度与断续的脊长度相同。

所述双极板的流场流道变宽，但流道深度及脊的宽度和高度不发生改变；阴极流场、阳极流场和冷却液流场是三个独立封闭的流场，相互间不连通。

阴极反应气体入口孔在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阴极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阴极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧。

阳极反应气体入口孔可在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阳极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阳极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧。

双极板的阴极反应气入口孔和阳极反应气入口孔在双极板的同一侧或或双极板的对称位置；或者，阴极反应气入口孔位于阳极反应气入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

双极板的阴极气体入口孔和出口孔，以及阳极反应气体的入口孔和出口孔四周设置有密封垫圈防止反应气体泄漏或互窜。

在双极板的反应区的拐角部位设置冷却液的入口孔和出口孔；冷却液的入口孔和出口孔设计有密封措施方式防止冷却液泄漏。

所述双极板的冷却液入口孔和冷却液出口孔在双极板的同一侧或双极板的对称位置，或者，出口孔位于入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

综上所述，本发明提出的用于燃料电池电堆的双极板结构，该双极板能够实现增加能量密度，提高能量转化效率和电堆性能；有助于提供电堆的水热管理能力，促进电堆内部液态水的排出，并提高气体向气体扩散层纵向流动的能力。本发明有助于解决双极板流场内压差过大造成的排水困难和气体动力损失。与现有双极板结构设计相比，本结构有助于提高电堆性能，减小现有水冷堆的体积，提高电堆能量密度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，所述阴极流场板、阳极流场板接合组成，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道；

所述阴极流场通道采用S形结构设计，呈S形走向，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄；

所述阳极流场通道结构设计采用跟阴极流场通道结构设计相同的S形流场方案，或者采用叶形的设计方案；

所述阳极流场通道中的脊是连续的；或者，所述阳极流场通道中的脊是不连续结构，使得流场各流道之间气体交叉互通，不连续的间隔的长度与断续的脊长度相同；

所述双极板的流场流道变宽，但流道深度及脊的宽度和高度不发生改变；阴极流场、阳极流场和冷却液流场是三个独立封闭的流场，相互间不连通；

阴极反应气体入口孔在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阴极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阴极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

阳极反应气体入口孔可在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阳极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阳极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

双极板的阴极反应气入口孔和阳极反应气入口孔在双极板的同一侧或或双极板的对称位置；或者，阴极反应气入口孔位于阳极反应气入口孔在双极板上的九点或三点方向位置；

双极板的阴极气体入口孔和出口孔，以及阳极反应气体的入口孔和出口孔四周设置有密封垫圈防止反应气体泄漏或互窜；

在双极板的反应区的拐角部位设置冷却液的入口孔和出口孔；冷却液的入口孔和出口孔设计有密封措施方式防止冷却液泄漏；

所述双极板的冷却液入口孔和冷却液出口孔在双极板的同一侧或双极板的对称位置，或者，出口孔位于入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。

2.一种用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述双极板包括：阴极流场板、阳极流场板，在阴极流场板、阳极流场板之间留有冷却液通道；其中该双极板的气体流道呈S形结构，反应气体经进气口到达流场中央部位的流场流道由窄变宽，流场中央部位到出气口的流场流道由宽变窄。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

所述阳极流场通道结构设计采用跟阴极流场通道结构设计相同的S形流场方案，或者采用叶形的设计方案。

4.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

所述阳极流场通道中的脊是连续的；或者，所述阳极流场通道中的脊是不连续结构，使得流场各流道之间气体交叉互通，不连续的间隔的长度与断续的脊长度相同。

5.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

所述双极板的流场流道变宽，但流道深度及脊的宽度和高度不发生改变；阴极流场、阳极流场和冷却液流场是三个独立封闭的流场，相互间不连通。

6.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

阴极反应气体入口孔在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阴极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阴极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；

阳极反应气体入口孔可在双极板的纵向方向上，位于反应区外的双极板边缘部分；阳极反应气体入口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧；阳极的反应气体的出口孔在阴极流场板和阳极流场板的同一侧。

7.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

双极板的阴极反应气入口孔和阳极反应气入口孔在双极板的同一侧或或双极板的对称位置；或者，阴极反应气入口孔位于阳极反应气入口孔在双极板上的九点或三点方向位置；

双极板的阴极气体入口孔和出口孔，以及阳极反应气体的入口孔和出口孔四周设置有密封垫圈防止反应气体泄漏或互窜。

8.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

在双极板的反应区的拐角部位设置冷却液的入口孔和出口孔；冷却液的入口孔和出口孔设计有密封措施方式防止冷却液泄漏。

9.根据权利要求2所述的用于燃料电池电堆的双极板，其特征在于：

所述双极板的冷却液入口孔和冷却液出口孔在双极板的同一侧或双极板的对称位置，或者，出口孔位于入口孔在双极板上的九点或三点方向位置。