CN108899562A - 一种燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板。包括阳极流场板和阴极流场板，阳极流场板设置有阳极流场，阴极流场板设置有阴极流场，阳极流场板设置有阳极入口区、阳极扩散区、阳极流场反应区、阳极密封区和阳极出口区，阴极流场板设置有阴极入口区、阴极扩散区、阴极流场反应区、阴极密封区和阴极出口区，阳极入口区和阴极入口区都设置有阳极入口、阴极入口、冷却入口，阳极出口区和阴极出口区都设置有阳极出口、阴极出口、冷却出口，阳极流场反应区和阴极流场反应区均为波浪形。本发明的波浪形流场，综合了主流蛇形流场和平行流场的优点，解决电堆在低压、中压运行条件下的气体分布不均、堵水、压力损失过大等问题，使电堆运行更稳定，更高效。

Description

一种燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种燃料电池双极板。
背景技术
燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池使用燃料和氧气作为原料，没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。燃料电池非常适用于交通运输、固定式发电以及便携式领域。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。近年来，世界各国都在积极研究将燃料电池作为动力源，应用于汽车领域。
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
如图1所示，典型的水冷质子交换膜燃料电池由膜电极10、阴极流场板20、阳极流场板30组成，膜电极10一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10的机械支撑。流场板上的流道提供燃料、氧化剂、冷却水进入阳极、阴极、冷却参与反应的通道，同时也提供了带走燃料电池运行过程中生成水的通道。
为了保证燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极10各点性能一致，因此需要保持膜电极10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10各点散热条件不一致，会导致膜电极10各点实际性能有较大差异，严重时会导致膜电极10中部分会出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜。另一方面，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。同时燃料电池阴极流场、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。
因此，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，流场的主要类型有蛇形流场、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，例如专利号为CN03806839的发明专利，公布了一种燃料电池流场板，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
针对以上不足，本发明提供了一种燃料电池双极板，设计阴极流场和阳极流场为波浪形流场，综合了主流蛇形流场和平行流场的优点，解决电堆在低压、中压运行条件下的气体分布不均、堵水、压力损失过大等问题，使电堆运行更稳定，更高效。
本发明的技术方案为：
一种燃料电池双极板，包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板设置有阳极流场，所述阴极流场板设置有阴极流场，所述阳极流场板设置有阳极入口区、阳极扩散区、阳极流场反应区、阳极密封区和阳极出口区，所述阴极流场板设置有阴极入口区、阴极扩散区、阴极流场反应区、阴极密封区和阴极出口区，所述阳极入口区和阴极入口区都设置有阳极入口、阴极入口、冷却入口，所述阳极出口区和阴极出口区都设置有阳极出口、阴极出口、冷却出口，所述阳极流场反应区和阴极流场反应区均为波浪形。
所述阳极流场反应区和阴极流场反应区的流场宽度为0.5-2mm，流场台阶宽度为0.5-1.5mm，流场深度为0.1-0.5mm，波浪形振幅为0.5-5mm，波浪形周期长度为5-50mm。
所述阳极入口区、阳极扩散区、阳极流场反应区和阳极出口区共用一道阳极密封圈密封，所述阴极入口区、阴极扩散区、阴极流场反应区和阴极出口区共用一道阴极密封圈密封。
所述阳极流场板包含阳极冷却流场，所述阴极流场板包含阴极冷却流场。
所述阳极冷却流场和阴极冷却流场镜向对称，且均为蛇形流场，冷却流场中部区域，通过3层圆环分割、连通各条独立的蛇形流道。
所述阳极冷却流场和阴极冷却流场的流场数量为6-24个，流场宽度为0.5-2.5mm，流场台阶宽度为0.5-2.5mm，流场深度为0.3-1mm。
所述双极板为矩形结构，所述阳极入口区和阳极出口区设置在阳极流场板的两个平行边上，其结构反向对称；所述阳极扩散区包括阳极入口扩散区和阳极出口扩散区，其结构反向对称；所述阴极入口区和阴极出口区设置在阴极流场板的两个平行边上，其结构反向对称；所述阴极扩散区包括阴极入口扩散区和阴极出口扩散区，其结构反向对称；所述阳极入口、阴极入口设置在阳极入口区/阴极入口区所在平行边的两侧，所述冷却入口设置在阳极入口和阴极入口中间；所述阳极出口、阴极出口设置在阳极出口区/阴极出口区所在平行边的两侧，所述冷却出口设置在阳极出口和阴极出口中间。
所述阳极扩散区的面积占阳极流场反应区面积的7％-15％，阴极扩散区的面积占阴极流场反应区面积的7％-15％。
所述阳极入口扩散区在靠近阳极入口的区域、阳极出口扩散区在靠近阳极出口的区域，各设有n个L形长凸台，n≥2，将进出口气流分成n+1个流道；所述阳极扩散区靠近阳极流场反应区的区域，在宽度方向上均分为n+1个子区域，每个子区域一端连通各个流道末端，子区域内设置有若干垂直于流道的I形长凸台，每个子区域内的I形长凸台的长度相同；所述阴极入口扩散区在靠近阴极入口的区域、阴极出口扩散区在靠近阴极出口的区域，各设有n个L形长凸台，n≥2，将进出口气流分成n+1个流道；所述阴极扩散区靠近阴极流场反应区的区域，在宽度方向上均分为n+1个子区域，每个子区域一端连通各个流道末端，子区域内设置有若干垂直于流道的I形长凸台，每个子区域内的I形长凸台的长度相同。
所述n为介于2-8之间的自然数，所述L形长凸台的面积占相应扩散区面积的1％-15％，L形长凸台的长宽比为5-80：1；所述I形长凸台的长度为1-15mm，I形长凸台的面积占相应扩散区面积的2.5％-35％。
本发明的技术方案具有以下优点：
1、阴极流场、阳极流场均采用波浪形流场，综合了蛇形流场和平行流场的特点，具有蛇形流场排水能力强，以及平行流场压力损失小、气体分布均匀等优点，同时解决了蛇形流场压力损失大、弯角积水、气体分布不均的问题，以及平行流场排水能力弱的问题。
2、阳极流场板/阴极流场板的进出口区、扩散区与反应区域共用同一道密封圈，满足各自的密封性要求，可以缩小密封圈占据流场板的面积，提高流场板中参与化学反应的流场面积，从而提高流场板的利用率，提升流场板体积功率密度。
3、阴极流场板和阳极流场板均包含冷却流场，并且冷却流场镜向对称，扩大了冷却空腔的面积，提升了散热能力。冷却流场中部区域，通过3层圆环分割、连通各条蛇形流道，增大散热面积，形成紊流，提高中部区域散热能力。
附图说明
图1为现有技术燃料电池的侧面剖视图；
图2为本发明的阳极流场板正视图；
图3为本发明的阳极流场板结构图；
图4为图3的A部分放大视图；
图5为本发明的阳极流场板横截面立体放大图；
图6为本发明的阴极流场板正视图；
图7为本发明的阴极流场板结构图；
图8为图7的B部分放大视图；
图9为本发明的阴极流场板横截面立体放大图；
图10为本发明的阳极流场板冷却流道正视图；
图11为本发明的阴极流场板冷却流道正视图；
图12为本发明与现有技术的双极板反应区域活性面积对比图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
本发明的燃料电池双极板，包括阳极流场板20和阴极流场板30，阳极流场板20设置有阳极流场，阴极流场板30设置有阴极流场，双极板为矩形结构。参考图2，阳极流场板20设置有阳极入口区21、阳极扩散区22、阳极流场反应区23、阳极密封区24和阳极出口区25。参考图6，阴极流场板30设置有阴极入口区31、阴极扩散区32、阴极流场反应区33、阴极密封区34和阴极出口区35。
参考图3，阳极流场板20的阳极入口区21和阳极出口区25设置在矩形的两个平行边上，其结构反向对称。阳极扩散区22包括阳极入口扩散区221和阳极出口扩散区222，其结构反向对称。在阳极入口区21设置有阳极入口211、阴极入口212、冷却入口213，阳极出口区25设置有阳极出口251、阴极出口252、冷却出口253。阳极入口211、阴极入口212设置在阳极入口区21所在平行边的两侧，冷却入口213设置在阳极入口211和阴极入口212中间。阳极出口251、阴极出口252设置在阳极出口区25所在平行边的两侧，冷却出口253设置在阳极出口251和阴极出口252中间。
参考图7，阴极流场板30的阴极入口区31和阴极出口区35设置在矩形的两个平行边上，其结构反向对称。阴极扩散区32包括阴极入口扩散区321和阴极出口扩散区322，其结构反向对称。在阴极入口区31设置有阳极入口211、阴极入口212、冷却入口213，阴极出口区35设置有阳极出口251、阴极出口252、冷却出口253。阳极入口211、阴极入口212设置在阴极入口区31所在平行边的两侧，冷却入口213设置在阳极入口211和阴极入口212中间。阳极出口251、阴极出口252设置在阴极出口区35所在平行边的两侧，冷却出口253设置在阳极出口251和阴极出口252中间。
参考图5和图9，阳极流场反应区23和阴极流场反应区33均为波浪形，流场宽度为0.5-2mm，流场台阶宽度为0.5-1.5mm，流场深度为0.1-0.5mm，波浪形振幅为0.5-5mm，波浪形周期长度为5-50mm。波浪形流场综合了蛇形流场和平行流场的特点，具有蛇形流场排水能力强，以及平行流场压力损失小、气体分布均匀等优点，同时解决了蛇形流场压力损失大、弯角积水、气体分布不均的问题，以及平行流场排水能力弱的问题。
参考图3，阳极流场板20的阳极入口区21、阳极扩散区22、阳极流场反应区23和阳极出口区25均共用一道阳极密封圈241密封。参考图7，阴极流场板30的阴极入口区31、阴极扩散区32、阴极流场反应区33和阴极出口区35均共用一道阴极密封圈341密封。此种设计缩小了密封圈占据流场板的面积，提高流场板中参与化学反应的流场面积，从而提高流场板的使用率，提升流场板体积功率密度。
参考图4，阳极流场板20上，阳极扩散区22的面积占阳极流场反应区23面积的7％-15％。阳极入口扩散区221在靠近阳极入口211的区域、阳极出口扩散区222在靠近阳极出口251的区域(阳极出口扩散区222未示出)，设有2-8个L形长凸台223，将进出口气流分成3-9个流道226。阳极扩散区22靠近阳极流场反应区23的区域，在宽度方向上均分为与流道226数量相同的子区域224，每个子区域224一端连通各个流道226末端，各个子区域设置有垂直于流道226的若干I形长凸台225，每个子区域224的I形长凸台225的长度相同。
靠近阳极入口211和阳极出口251的L形长凸台223将进出气流初步打散，使气体较为均匀地分布在各个流道226内。与流道226末端相通的子区域224内设置垂直于流道226的I形长凸台225，对每个流道226内的气流进行二次扩散和导流，进一步提高气体分布均匀性。
参考图8，阴极流场板30上，相应地，阴极扩散区32的面积占阴极流场反应区33面积的7％-15％。阴极入口扩散区321在靠近阴极入口212的区域、阴极出口扩散区322在靠近阴极出口252的区域(阴极出口扩散区322未示出)，设有2-8个L形长凸台223，将进出口气流分成3-9个流道226。阴极扩散区32靠近阴极流场反应区33的区域，在宽度方向上均分为与流道226数量相同的子区域224，每个子区域224一端连通各个流道226末端，各个子区域设置垂直于流道226的I形长凸台225，每个子区域224的I形长凸台225的长度相同。
靠近阴极入口212和阴极出口252的L形长凸台223将进出气流初步打散，使气体较为均匀地分布在各个流道226内。与流道226末端相通的子区域224内设置有垂直于流道226的若干I形长凸台225，对每个流道226内的气流进行二次扩散和导流，进一步提高气体分布均匀性。
优选地，L形长凸台223的面积占相应扩散区面积的1％-15％，L形长凸台223的长宽比为5-80：1；I形长凸台225的长度为1-15mm，I形长凸台225的面积占相应扩散区面积的2.5％-35％。
参考图10，阳极流场板20包含阳极冷却流场26，参考图11，阴极流场板30包含阴极冷却流场36，阳极冷却流场26和阴极冷却流场36呈镜向对称，且均为蛇形流场，冷却流场中部区域，通过3层圆环分割、连通各条独立的蛇形流道，增大散热面积，形成紊流，提升中部区域的散热能力。
优选地，流场数量为6-24个，冷却流场宽度为0.5-2.5mm，流场台阶宽度为0.5-2.5mm，流场深度为0.3-1mm。可通过修改每个流道的深度或宽度，保证冷却介质的均匀分布。
以下为本发明燃料电池双极板的实施例：
参考图4，阳极入口扩散区221在靠近阳极入口211的区域，设有5个L形长凸台223，将进出气流分成6个流道226。阳极入口扩散区221在靠近阳极流场反应区23的区域，在宽度方向上均分为6个子区域224，子区域224内设置有若干I形长凸台225，I形长凸台225的宽度为1mm，长度由左至右依次为：14.5mm、11.5mm、8.5mm、6mm、3mm和1.5mm。阳极出口扩散区222的设置与阳极入口扩散区221反向对称，图中未示出。
参考图8，阴极入口扩散区321在靠近阴极入口212，设有5个L形长凸台223，将进出气流分成6个流道226。阴极入口扩散区321在靠近阴极流场反应区33的区域，在宽度方向上均分为6个子区域224，子区域224内设置有若干I形长凸台225，I形长凸台225的宽度为1mm，长度由左至右依次为：14.5mm、11.5mm、8.5mm、6mm、3mm和1.5mm。阴极出口252的区域，阴极出口扩散区322与阴极入口扩散区321反向对称，图中未示出。
参考图5，阳极流场反应区23的流场宽度1.5mm，流场台阶宽度1.5mm，流场深度0.5mm，波浪形振幅2mm，波浪形周期长度40mm。
参考图9，阴极流场反应区33的流场宽度1.5mm，流场台阶宽度1.5mm，流场深度0.5mm，波浪形振幅3mm，波浪形周期长度20mm。
参考图10和图11，阳极冷却流场26和阴极冷却流场36的流场数量为12个，流场宽度2.5mm，台阶宽度2.5mm，流场深度0.5mm。冷却流场中部区域，通过3层圆环分割、连通各条蛇形流道，增大散热面积，形成紊流，提高中部区域散热能力。
图12为本实施例与现有技术中外形尺寸相同的双极板反应区域活性面积对比图，最内层黑色区域A1为现有技术的双极板活性面积，黑色区域A1+深灰色区域A2为本实施例的双极板活性面积，黑色区域A1+深灰色区域A2+浅灰色区域A3为双极板外形尺寸，可以看到，相比于现有技术的双极板，本实施例的双极板反应区域活性面积增大12.5％。本实施例的燃料电池双极板组装的电堆，在同等电压、电流密度下，电流提升12.5％，电堆功率提升11.1％。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，包括阳极流场板(20)和阴极流场板(30)，所述阳极流场板(20)设置有阳极流场，所述阴极流场板(30)设置有阴极流场，所述阳极流场板(20)设置有阳极入口区(21)、阳极扩散区(22)、阳极流场反应区(23)、阳极密封区(24)和阳极出口区(25)，所述阴极流场板(30)设置有阴极入口区(31)、阴极扩散区(32)、阴极流场反应区(33)、阴极密封区(34)和阴极出口区(35)，所述阳极入口区(21)和阴极入口区(31)都设置有阳极入口(211)、阴极入口(212)、冷却入口(213)，所述阳极出口区(25)和阴极出口区(35)都设置有阳极出口(251)、阴极出口(252)、冷却出口(253)，其特征在于，所述阳极流场反应区(23)和阴极流场反应区(33)均为波浪形。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场反应区(23)和阴极流场反应区(33)的流场宽度为0.5-2mm，流场台阶宽度为0.5-1.5mm，流场深度为0.1-0.5mm，波浪形振幅为0.5-5mm，波浪形周期长度为5-50mm。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极入口区(21)、阳极扩散区(22)、阳极流场反应区(23)和阳极出口区(25)共用一道阳极密封圈(241)密封，所述阴极入口区(31)、阴极扩散区(32)、阴极流场反应区(33)和阴极出口区(35)共用一道阴极密封圈(341)密封。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场板(20)包含阳极冷却流场(26)，所述阴极流场板(30)包含阴极冷却流场(36)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极冷却流场(26)和阴极冷却流场(36)镜向对称，且均为蛇形流场，冷却流场中部区域，通过3层圆环分割、连通各条独立的蛇形流道。
6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极冷却流场(26)和阴极冷却流场(36)的流场数量为6-24个，流场宽度为0.5-2.5mm，流场台阶宽度为0.5-2.5mm，流场深度为0.3-1mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板为矩形结构，所述阳极入口区(21)和阳极出口区(25)设置在阳极流场板(20)的两个平行边上，其结构反向对称；所述阳极扩散区(22)包括阳极入口扩散区(221)和阳极出口扩散区(222)，其结构反向对称；所述阴极入口区(31)和阴极出口区(35)设置在阴极流场板(30)的两个平行边上，其结构反向对称；所述阴极扩散区(32)包括阴极入口扩散区(321)和阴极出口扩散区(322)，其结构反向对称；所述阳极入口(211)、阴极入口(212)设置在阳极入口区(21)/阴极入口区(31)所在平行边的两侧，所述冷却入口(213)设置在阳极入口(211)和阴极入口(212)中间；所述阳极出口(251)、阴极出口(252)设置在阳极出口区(25)/阴极出口区(35)所在平行边的两侧，所述冷却出口(253)设置在阳极出口(251)和阴极出口(252)中间。
8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极扩散区(22)的面积占阳极流场反应区(23)面积的7％-15％，阴极扩散区(32)的面积占阴极流场反应区(33)面积的7％-15％。
9.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极入口扩散区(221)在靠近阳极入口(211)的区域、阳极出口扩散区(222)在靠近阳极出口(251)的区域，各设有n个L形长凸台(223)，n≥2，将进出口气流分成n+1个流道(226)；所述阳极扩散区(22)靠近阳极流场反应区(23)的区域，在宽度方向上均分为n+1个子区域(224)，每个子区域(224)一端连通各个流道(226)末端，子区域(224)内设置有若干垂直于流道(226)的I形长凸台(225)，每个子区域内(224)的I形长凸台(225)的长度相同；所述阴极入口扩散区(321)在靠近阴极入口(212)的区域、阴极出口扩散区(322)在靠近阴极出口(252)的区域，各设有n个L形长凸台(223)，n≥2，将进出口气流分成n+1个流道(226)；所述阴极扩散区(32)靠近阴极流场反应区(33)的区域，在宽度方向上均分为n+1个子区域(224)，每个子区域(224)一端连通各个流道(226)末端，子区域内设置有若干垂直于流道(226)的I形长凸台(225)，每个子区域内(224)的I形长凸台(225)的长度相同。
10.根据权利要求9所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述n为介于2-8之间的自然数，所述L形长凸台(223)的面积占相应扩散区面积的1％-15％，L形长凸台(223)的长宽比为5-80：1；所述I形长凸台(225)的长度为1-15mm，I形长凸台(225)的面积占相应扩散区面积的2.5％-35％。
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Denomination of invention: A fuel cell bipolar plate

Effective date of registration: 20230614

Granted publication date: 20210810

Pledgee: Bank of Shanghai Co.,Ltd. Beijing Branch

Pledgor: BEIJING NOWOGEN TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2023980044065