CN108232229A - 一种高分配一致性金属双极板流场构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高分配一致性金属双极板流场构型，其特征是，由阳极板的B面和阴极板的B面接触而成，阳极板和阴极板均包括第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区，燃烧气体、氧化剂、冷却剂依次流经第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区；直流道区中的流体槽、过水通道均为直线形，燃烧气体的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，燃烧气体的进口和出口在阳极板的不同侧，冷却剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，冷却剂的进口和出口在阳极板的不同侧，燃烧气体的进口方向与冷却剂的进口方向相反，氧化剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽平行。能够有效解决气体流动阻力，燃料提高反应效率。

Description

一种高分配一致性金属双极板流场构型

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及一种燃料电池技术领域的双极板，具体是一种质子交换膜燃料电池金属双极板，具体地说，发明涉及金属双极板的阴阳极流场板的流场构型。

背景技术

能源是人类社会发展的重要物质基础，随着社会的几部和生活水平的提高，能源消耗急剧增加，环境污染问题日益严重。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cells，PEMFC)作为燃料电池的一种，从十九世纪60年代初就开始研究，并且在近十几年里取得了很大进展。受到越来越广泛的关注，特别是在汽车动力、移动电源及小型电站等方面有着广泛的应用前景。

以氢气为原料的质子交换膜燃料电池是一种将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的化学装置，具有低能耗、低污染、低排放等优势，而且它具备能量转化率高(40-60％)、环境友好、工作寿命长、操作温度低等优点。因此，在当今日益严重的能源匮乏与环境恶化的背景下，燃料电池逐渐成为世界各国重点发展的研究方向。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池。质子交换膜燃料电池是以质子交换膜为固体聚合物电解质，通常使用Pt/C作为电催化剂，氢气或者富含氢的净化重整气为燃料，氧气或者空气为氧化剂，将氢氧化合反应分为两个半电池反应，实现化学能向电能的转换。在阳极侧，燃料气氢气进入流场，经过多孔的气体扩散层(GDL)，到达催化层，在Pt催化剂的催化作用下，氢分子解离成质子和电子，电子通过外电路传递，质子通过质子交换膜传递到阴极侧；在阴极侧，通过质子交换膜传递过来的质子，与氧化剂氧气，加上外电路传递过来的电子在Pt催化剂的催化作用下，发生电化学反应，产物为水。

质子交换膜燃料电池主要有双极板与膜电极组件共同构成，双极板作为燃料电池核心部件之一，主要起到两个重要功能：首先，双极板内部的封闭流道为冷却水提供流动通道；其次，在两块双极板外部的凹槽处，与膜电极组件共同构成了反应空间，氢氧燃料再次空间发生反应，产生电能。

目前双极板的材料主要有石墨材料、复合材料和金属材料等，但前两种材料的可制造性、渗透性以及耐冲击振动的持久性不及金属，而且成型工艺复杂、制造成本高。加工时间比较长，不容易大批量生产。而金属双极板采用高速冲压而成，生产工艺简单，成型快，易于批量生产，而且不锈钢板成本低，因此金属双极板具有较高的优势。

中国专利申请CN1933222A公开了一种质子交换膜燃料电池用神经网络分形流道双极板，该发明专利提供了一种具有神经网络类型的流场板，该发明利用流场过渡区用于连通流场反应区与气体进出口，同时起到流体分配的作用，该双极板机构有效的对气体进行了引流，减少双极板入口处的气体压力。但是该发明所提供的流场结构造成气体阻力较大，流体通过过渡区时经过一分二再分四流道时易产生局部湍流，不利于气体流通。

中国专利申请CN102969513A公开了一种车用燃料电池的大面积金属双极板，该发明中提供了一种矩形的大面积的金属双极板，且该发明中的阴阳极板采用两块完全相同的单极板连接而成，该流场板采用折线形，气体从较少流道扩散到大区域流道，该发明降低了模具开发费用，但是该发明中采用的气体进出口面积较小，气体从小面积向大面积反应区传输时容易形成湍流，而且流场内部气体阻力较大，易对质子交换膜造成损坏，进而影响燃料电池运行的稳定性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种高分配一致性金属双极板流场构型，该双极板拟提供一种能够均匀分布反应气体和冷却水的结构，有效解决气体流动阻力，提高反应效率的燃料电池双极板。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种高分配一致性金属双极板流场构型，由阳极板的B面和阴极板的B面接触焊接而成，阳极板和阴极板均包括第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区，燃烧气体、氧化剂、冷却剂均依次流经第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区；所述燃烧气体在阳极板的A面开设的流体槽中流动，所述氧化剂在阴极板的A面开设的流体槽中流动，阳极板的B面和阴极板的B面接触形成的接触面中开设过水通道，所述冷却剂在过水通道中流动；

阳极板和阴极板位于直流道区的流体槽、过水通道均为直线形，燃烧气体的进口、氧化剂的进口、冷却剂的进口均开设在第一流体分布区，燃烧气体的出口、氧化剂的出口、冷却剂的出口均开设在第二流体分布区，其中，燃烧气体的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，燃烧气体的进口和出口在阳极板的不同侧，冷却剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，冷却剂的进口和出口在阳极板的不同侧，燃烧气体的进口方向与冷却剂的进口方向相反，氧化剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽平行。

本发明将燃烧气体、氧化剂、冷却剂的进口和出口分别设置在金属双极板不同位置，能够增加进口和出口的大小，实现了大面积进出气、侧面进出气，无需设置气体分配槽避免了气体分布不均的情况。本发明燃烧气体、氧化剂、冷却剂的进口和出口分别设置在金属双极板不同位置，能够有效改善气体分配情况，提高电池稳定性。

本发明的目的之二是提供一种质子交换膜燃料电池，包括上述金属双极板流场构型和质子交换膜。

本发明的目的之三是提供一种上述质子交换膜燃料电池在汽车、移动电源或发电站中的应用。

本发明的有益效果为：

双极板上的氧化剂进出气口单独占双极板两端，燃料气进气口增大，因此气体不需另行设置分配槽即可进入流道区，既避免了气体分布不均的情况，同时避免气体流通通道面积的改变，可以有效地改善了燃料电池内部各流体流动的分配情况，使得各流通通道阻力降相同，避免形成局部湍流，降低气体所需压力，减少对质子交换膜的损坏，提高燃料电池运行的稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明金属双极板的结构示意图；

图2为阳极板燃烧气体的流动示意图；

图3为本发明金属双极板冷却剂的流动构示意图；

图4为阴极板氧化剂的流动示意图；

图5为本发明金属双极板第二流体分布区的局部放大图；

其中，1.氧化剂的进口，2.冷却剂的进口，3.燃烧气体的进口，4.燃烧气体的出口，5.冷却剂的出口，6.氧化剂的出口，7.第一流体分布区，8.直流道区，9.第二流体分布区。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请所述的燃烧气体、氧化剂、冷却剂的进口方向和出口方向均与金属双极板平行。

本申请所述的阳极板和阴极板均为板状结构，由于阳极板和阴极板的两个面都设有通道或凹槽，为了区别，本申请将板状结构两个面进行区分，一个面定义为A面，另一个面定义为B面。

本发明的技术构思如下：

双极板是燃料电池主要部件之一，双极板上的流场区域是双极板最重要的部分，流场的设计的好坏极大的影响电池的性能，对于大面积质子交换膜燃料电池，流场设计的合理性是维持电池性能的主要因素，因此，设计气体分布更为合理的流场尤为重要。

本申请中提供了一种高分配一致性金属双极板流场构型，该双极板包括阴极板和阳极板，两块极板上分别分布有气体进出口和冷却水进出口，进出口设置在流体分布区，位于流体分布区之间设置相连通的直流场区，其中流体分布区采用了纵横交错的流道结构。

在本申请中，设置两个气体进气口、两个气体出气口和一个冷却水进口、一个冷却水出口，进出口为狭长矩形结构。

在本申请中，氧化剂气体流场为直流场，氧化剂通过进气口直接进入流体分布区，每条流道所受阻力降相等；燃料气体流场为Z形流场，燃料气从双极板侧面进气口进气，气体经过流体分布区的纵向流道可以均匀分布到每条直流道中，进而经过直流道到对向的流体分布区中，再经过出口附近的流体分布区的纵向流道汇入出气口排出。

在本发明中，流体分布区采用圆点分布的形式分布流体，流体分布区设置圆柱形凸起，气体通过凸起之间的空隙流通，冷却剂通过半圆形通道及圆柱形凸起流通，有效的将各个流体进行分布。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在气体进出口小、流场内部气体阻力较大易对质子交换膜造成损坏从而影响燃料电池运行稳定性的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高分配一致性金属双极板流场构型。

本申请的一种典型实施方式，提供了一种高分配一致性金属双极板流场构型，由阳极板的B面和阴极板的B面接触焊接而成，阳极板和阴极板均包括第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区，燃烧气体、氧化剂、冷却剂均依次流经第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区；所述燃烧气体在阳极板的A面开设的流体槽中流动，所述氧化剂在阴极板的A面开设的流体槽中流动，阳极板的B面和阴极板的B面接触形成的接触面中开设过水通道，所述冷却剂在过水通道中流动；

阳极板和阴极板位于直流道区的流体槽、过水通道均为直线形，燃烧气体的进口、氧化剂的进口、冷却剂的进口均开设在第一流体分布区，燃烧气体的出口、氧化剂的出口、冷却剂的出口均开设在第二流体分布区，其中，燃烧气体的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，燃烧气体的进口和出口在阳极板的不同侧，冷却剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，冷却剂的进口和出口在阳极板的不同侧，燃烧气体的进口方向与冷却剂的进口方向相反，氧化剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽平行。

本申请将燃烧气体、氧化剂、冷却剂的进口和出口分别设置在金属双极板不同位置，能够增加进口和出口的大小，实现了大面积进出气、侧面进出气，无需设置气体分配槽避免了气体分布不均的情况。本申请燃烧气体、氧化剂、冷却剂的进口和出口分别设置在金属双极板不同位置，能够有效改善气体分配情况，提高电池稳定性。

为了使燃烧气体和氧化剂的流场分布更均匀，本申请优选的，阳极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阳极板的A面的柱形凸起，阴极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阴极板的A面的柱形凸起。

为了加强冷却剂的冷却效果，本申请进一步优选的，所述柱形凸起为能够使冷却剂从过水通道流入凸起内部的中空结构。

优选的，所述流体分布区采用的是纵横交错的流道结构。

优选的，所述燃烧气体的进出口、氧化剂的进出口、冷却剂的进出口均为狭长矩形结构。所述狭长结构为矩形的长边长度远大于宽边长度，例如：长边长度为宽边长度3～8倍。

优选的，所述燃烧气体的进出口、氧化剂的进出口均设置冲孔。

在一个优选的实施方式中，所述金属双极板整体尺寸为105×402mm，采用0.1～0.15mm不锈钢板冲压而成。

在另一个优选的实施方式中，所述氧化剂进出气口分布于双极板两端，宽度为10-15mm，长度为70-80mm。

在另一个优选的实施方式中，所述燃气进出气口分别位于双极板两端两侧，呈中心对称，宽度为10-15mm，长度为45-50mm。

在另一个优选的实施方式中，所述冷却水进出气口分别位于双极板两端两侧，与燃气进出口相对，呈中心对称，宽度为10-15mm，长度为45-50mm。

在另一个优选的实施方式中，所述连通气体进出口的导流槽分为气体分布区和直流道区，气体由进气口进入后，经过气体分布区，进而进入直流道区，通过末端气体分布区后进入出气口。

在另一个优选的实施方式中，所述直流场区尺寸为80×340mm。

在另一个优选的实施方式中，所述流体分布区整体尺寸为46×80mm，分布区内部设有纵向流道，流道槽深为0.15～0.2mm，槽宽为2～2.5mm，脊宽为4～5mm，纵向流道数目为8～10条。

在另一个优选的实施方式中，所述流体分布区设置圆柱形凸起，凸起之间采用截面为半圆形通道连接，圆柱形凸起直径为5～10mm，高度为0.35～0.55mm。气体通过凸起之间的空隙流通，冷却剂通过半圆形通道及圆柱形凸起流通。

在另一个优选的实施方式中，所述直流道区采用平行的直流道，流道槽深为0.35～0.55mm，槽宽为0.9～1.1mm，脊宽为1.0～1.1mm，流道数目为35～40条。

在另一个优选的实施方式中，所述双极板上设有密封胶槽，密封胶槽截面为矩形，阴阳极板上的密封胶槽旋转镜像相同。

为了增强阴阳极板的结合强度，优选的，阳极板与阴极板采用激光胶结焊接工艺连接固定。

在另一个优选的实施方式中，所述阴阳双极板复合后形成的空腔为冷却水流场，其流通通道采用阴阳极流场中间空腔形成的流道。

本申请的另一种实施方式，提供了一种质子交换膜燃料电池，包括上述金属双极板和质子交换膜。

本申请的第三种实施方式，提供了一种上述质子交换膜燃料电池在汽车、移动电源或发电站中的应用。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例1

一种高分配一致性金属双极板流场构型，如图1所示，由阳极板的B面和阴极板的B面接触焊接而成，阳极板和阴极板均包括第一流体分布区7、直流道区8及第二流体分布区9，燃烧气体、氧化剂、冷却剂均依次流经第一流体分布区7、直流道区8及第二流体分布区9；所述燃烧气体在阳极板的A面开设的流体槽中流动，所述氧化剂在阴极板的A面开设的流体槽中流动，阳极板的B面和阴极板的B面接触形成的接触面中开设过水通道，所述冷却剂在过水通道中流动。

阳极板和阴极板位于直流道区8的流体槽、过水通道均为直线形，燃烧气体的进口3、氧化剂的进口1、冷却剂的进口2均开设在第一流体分布区7，燃烧气体的出口4、氧化剂的出口6、冷却剂的出口5均开设在第二流体分布区9，其中，燃烧气体的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，燃烧气体的进口3和燃烧气体的出口4在阳极板的不同侧，冷却剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，冷却剂的进口2和冷却剂的出口5在阳极板的不同侧，燃烧气体的进口方向与冷却剂的进口方向相反，氧化剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽平行。

其中，采用0.15mm厚的不锈钢板高速冲压分别得到阴极板和阳极板，阴极板和阳极板采用胶结焊接工艺连接在一起形成双极板。燃烧气体进出气口、氧化剂出进气口以及冷却剂进出口的几何形状为矩形，其中氧化剂进出口尺寸为80*10mm，燃烧气体进出口尺寸为46*10mm，冷却剂进出口尺寸为：46*10mm。直流场区采用0.9mm槽宽、0.35mm槽深、1.1mm脊宽的直流道，流道数目为40条。在流体分布区冲压出纵向流道，纵向流道槽宽2mm、槽深为0.2mm、脊宽为4mm，设置纵向流道数目为8条。

在阴极板氧化剂气体进出口位置设置冲孔，氧化剂气体通过冲孔进入阴极流场区，并通过冲孔进入气体出口。在阳极板上燃料气进出口位置设置冲孔，使得燃料气可以通过冲孔进入燃料气流场。燃料气体为氢气，氧化剂为氧气，冷却剂为水。

实施例2

本实施例与实施例1相同，不同之处在于：不锈钢板的厚度为0.2mm，阳极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阳极板的A面的圆柱形凸起，阴极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阴极板的A面的圆柱形凸起；圆柱形凸起为能够使冷却剂从过水通道流入凸起内部的中空结构。其中，圆柱形凸起的直径为5mm，高度为0.4mm，连接圆柱形凸起的过水通道的径截面半径为2mm，如图5所示。能够有效的提高流体分布情况，减少各流体阻力。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分配一致性金属双极板流场构型，其特征是，由阳极板的B面和阴极板的B面接触焊接而成，阳极板和阴极板均包括第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区，燃烧气体、氧化剂、冷却剂均依次流经第一流体分布区、直流道区及第二流体分布区；所述燃烧气体在阳极板的A面开设的流体槽中流动，所述氧化剂在阴极板的A面开设的流体槽中流动，阳极板的B面和阴极板的B面接触形成的接触面中开设过水通道，所述冷却剂在过水通道中流动；

阳极板和阴极板位于直流道区的流体槽、过水通道均为直线形，燃烧气体的进口、氧化剂的进口、冷却剂的进口均开设在第一流体分布区，燃烧气体的出口、氧化剂的出口、冷却剂的出口均开设在第二流体分布区，其中，燃烧气体的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，燃烧气体的进口和出口在阳极板的不同侧，冷却剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽垂直，冷却剂的进口和出口在阳极板的不同侧，燃烧气体的进口方向与冷却剂的进口方向相反，氧化剂的进口方向和出口方向均与直流道区的流体槽平行。

2.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，阳极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阳极板的A面的柱形凸起，阴极板的A面位于第一流体分布区和第二流体分布区的流体槽内设有若干垂直于阴极板的A面的柱形凸起。

3.如权利要求2所述的金属双极板流场构型，其特征是，所述柱形凸起为能够使冷却剂从过水通道流入凸起内部的中空结构。

4.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，所述流体分布区采用的是纵横交错的流道结构。

5.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，所述燃烧气体的进出口、氧化剂的进出口、冷却剂的进出口均为狭长矩形结构。

6.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，所述燃烧气体的进出口、氧化剂的进出口均设置冲孔。

7.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，双极板上设有密封胶槽，密封胶槽截面为矩形，阴阳极板上的密封胶槽旋转镜像相同。

8.如权利要求1所述的金属双极板流场构型，其特征是，阳极板与阴极板采用激光胶结焊接工艺连接固定。

9.一种质子交换膜燃料电池，其特征是，包括权利要求1～8任一所述的金属双极板流场构型和质子交换膜。

10.一种权利要求9所述的质子交换膜燃料电池在汽车、移动电源或发电站中的应用。