CN107834086A - 燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池双极板，反应流场设计采用了漩涡式流道设计，每条反应流道从双极板一端的阳极反应物进口或阴极反应物进口处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的一端或另一端的阳极反应物出口或阴极反应物出口，多条反应流道构成漩涡式反应流场，当有流体燃料通过时，流体将会向相邻的反应流道进行扩散，同时温度向相邻的反应流道进行传导，从而使燃料电池双极板反应流场的流体浓度、温度保持均匀。应用本发明制作的燃料电池电堆，使流体、温度在双极板反应流场的分布更均匀，在同样电流密度下，能够显著提升燃料电池的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是涉及一种流体、温度分布均匀，且整体性能稳定的燃料电池双极板。
背景技术
燃料电池主要由阳极双极板、阴极双极板以及夹在两双极板之间的膜电极组成。所述膜电极由催化剂层、扩散层、质子交换膜组成，阳极反应物通过流场流道输入口进入反应流场区，阳极反应物再经过扩散层到达催化剂层，阳极反应物经过催化变成离子，离子再通过质子交换膜传导到阴极双极板流场反应区形成电流。单片阳极双极板、单片阴极双极板与单片膜电极组成单元电池，多片单元电池叠加组成大功率燃料电池电堆，为负载提供所需电能。
燃料电池双极板的流场设计直接影响燃料电池阳极、阴极反应物的流体、温度分布，从而影响燃料电池效率。通常在流场设计中需满足如下要求：
1、有较小的压降，降低对燃料电池电堆外围设备的性能要求，如气泵、液泵；
2、燃料电池双极板阳极反应物流道、燃料电池双极板阴极反应物流道布局合理；
3、燃料电池膜电极在反应流场区的各点流体、温度分布
均匀；
4、燃料电池阳极双极板流道、燃料电池阴极双极板流道能迅速将运行过程中产生的水排除。
目前，燃料电池双极板流道的类型主要有蛇形流道、平行流道等：
蛇形流道，它的优点是能迅速排除生成的液态水；其缺点是：对于面积比较大的反应区域，因其流道长度较长，导致流体、温度在反应流场区的分布不均匀，从而导致燃料电池系统效率低。
平行流道，具有压降低的特点，流道长度短，流体浓度均匀，但流道中流体流动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。
通过以上分析可知，几种现有技术分别有一定的优势和劣势，但通常是在牺牲了一种或几种技术要求的前提下，满足另一种技术设计要求的，这样就限制了其只能在特定条件或环境下进行应用。因此必须设计一种既能保证流体、温度分布均匀又能使反应流场压降不大的燃料电池双极板。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种燃料电池双极板，具有流体、温度分布均匀，且整体性能稳定的优点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种燃料电池双极板，包括反应流场、阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口、阴极反应物出口，所述反应流场设于所述双极板的正面中部，所述阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口、阴极反应物出口两两一组设于所述双极板的长度方向的两端处，所述反应流场包括平行排布的多条反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，每条反应流道的输入口与所述阳极反应物进口或所述阴极反应物进口连通，每条反应流道的输出口与所述阳极反应物出口或所述阴极反应物出口连通；每条反应流道从双极板一端的阳极反应物进口或阴极反应物进口处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的一端或另一端的阳极反应物出口或阴极反应物出口，多条反应流道构成漩涡式反应流场。
进一步的，所述燃料电池双极板的阳极反应物进口与所述反应流道的输入口之间通过背面的过渡槽相连。
进一步的，所述燃料电池双极板的背面设有相互平行的多条沟槽，所述多条沟槽构成栅格状散热区。
进一步的，所述燃料电池双极板的正面设有环形密封槽，所述密封槽将所述反应流场、所述阳极反应物进口、所述阳极反应物出口、所述阴极反应物进口、所述阴极反应物出口包围在内。
进一步的，所述燃料电池双极板表面形成有石墨浸渍层或者金属镀层。
进一步的，所述燃料电池双极板适用的反应物为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气、空气、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇及它们的水溶液。
本发明的有益效果是：
本发明的燃料电池双极板反应流场设计采用了漩涡式流道设计，即每条反应流道从双极板一端的阳极反应物进口或阴极反应物进口处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的一端或另一端的阳极反应物出口或阴极反应物出口，多条反应流道构成漩涡式反应流场，这样，当有流体燃料通过时，流体将会向相邻的反应流道进行扩散，同时温度向相邻的反应流道进行传导，如果相邻反应流道的流体燃料浓度差与温度差相对较大，更有利于流体燃料向相邻反应流道进行扩散与温度传导，从而使燃料电池双极板反应流场的流体浓度、温度保持均匀。较佳的，阳极反应物进口与反应流道的输入口之间通过背面的过渡槽相连，有利于降低进入流场的流速。较佳的，双极板的背面设有相互平行的多条沟槽，多条沟槽构成栅格状散热区，以实现良好的散热功能。
附图说明
图1为本发明燃料电池双极板正面结构示意图；
图2为本发明燃料电池双极板反面结构示意图；
图3为本发明燃料电池双极板正向视图；
图4为本发明燃料电池双极板的侧视图；
图5为本发明燃料电池双极板剖视图；
图6为本发明燃料电池双极板局部放大图；
图7为本发明燃料电池双极板中反应流道流向示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。实施例附图的结构中各组成部分未按正常比例缩放，故不代表实施例中各结构的实际相对大小。其中所说的结构或面的上面或上侧，包含中间还有其他层的情况。
本发明燃料电池双极板可用作阳极双极板，也可用作阴极双极板；本实施例以阳极双极板加以说明，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，图5为图3标识A-A方向上的截面视图，图6为图5标识B的局部放大图，一种燃料电池双极板，包括反应流场6、阳极反应物进口2、阳极反应物出口8，反应流场6设于双极板的正面中部，阳极反应物进口2、阳极反应物出口8两个一组设于所述双极板的长度方向的两端处，反应流场6包括平行排布的多条反应流道14，相邻两条反应流道之间通过板脊13隔开，每条反应流道输入口1与阳极反应物进口2连通，每条反应流道输出口7与阳极反应物出口8连通；如图4所示，每条反应流道从双极板一端的输入口1处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的另一端输出口7，多条反应流道构成漩涡式反应流场，以利于流体、温度在反应流场分布均匀。
优选的，参见图1和图2，燃料电池双极板的阳极反应物进口2与输入口1之间通过背面的过渡槽11相连，从而降低阳极反应物通过阳极流道输入口1进入反应流场6的流速，以减少对膜电极的冲击。燃料电池双极板的阳极反应物出口8与输出口7之间通过背面的过渡槽12相连，从而降低反应流道的压降。
优选的，参见图2，燃料电池双极板的背面设有相互平行的多条沟槽15，多条沟槽构成栅格状散热区，以利于将燃料电池在运行过程中产生的热量散发出去。
优选的，参见图1，燃料电池双极板的正面设有环形密封槽5，密封槽将反应流场6、阳极反应物进口2、阳极反应物出口8包围在内，以防止阳极反应物泄漏到反应流场外部。
优选的，燃料电池双极板表面形成有石墨浸渍层或者金属镀层，以防止反应物在反应时通过石墨细孔渗漏及腐蚀金属。
优选的，燃料电池双极板适用的反应物为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气、空气、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇及它们的水溶液。
本发明燃料电池双极板其上还形成有对正孔3、9，以在组装成燃料电池时，起到各燃料电池双极板之间的对正作用；燃料电池双极板其上还形成有阴极反应物进口4、阴极反应物出口10，其作为过渡孔，以在组装成燃料电池时，给阴极双极板反应流场提供燃料。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括反应流场、阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口、阴极反应物出口，所述反应流场设于所述双极板的正面中部，所述阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口、阴极反应物出口两两一组设于所述双极板的长度方向的两端处，所述反应流场包括平行排布的多条反应流道，相邻两条反应流道之间通过板脊隔开，每条反应流道的输入口与所述阳极反应物进口或所述阴极反应物进口连通，每条反应流道的输出口与所述阳极反应物出口或所述阴极反应物出口连通；每条反应流道从双极板一端的阳极反应物进口或阴极反应物进口处沿长度方向延伸，至双极板另一端后向宽度方向转向再延伸，再向长度方向转向再延伸，如此历经多次转向后，沿长度方向延伸至双极板的一端或另一端的阳极反应物出口或阴极反应物出口，多条反应流道构成漩涡式反应流场。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述阳极反应物进口与所述反应流道的输入口之间通过背面的过渡槽相连。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板的背面设有相互平行的多条沟槽，所述多条沟槽构成栅格状散热区。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板正面设有环形的密封槽，所述密封槽将所述反应流场、所述阳极反应物进口、所述阳极反应物出口、所述阴极反应物进口、所述阴极反应物出口包围在内。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板表面形成有石墨浸渍层或者金属镀层。
6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：其适用的反应物为纯氢气、富氢气体、甲烷、天然气、纯氧气、空气、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇及它们的水溶液。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20190920 Address after: Room 208, Building 11 B, Limin Road, Changlu Street, Jiangbei New District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210000 Applicant after: NANJING HEITAI CATALYST Co.,Ltd. Address before: Room 206B, room 206B, No. 555, Dongchuan Road, Minhang District, Shanghai Applicant before: HEITAI (SHANGHAI) MATERIALS TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20180323 |