CN109473681B - 一种带有间断结构的燃料电池双极板 - Google Patents

一种带有间断结构的燃料电池双极板 Download PDF

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Abstract

一种带有间断结构的燃料电池双极板，双极板的阴极板和阳极板上分别设置有空气间断结构、氢气间断结构和冷却水间断结构；空气间断结构包括设在边缘流道沟上的凸台和设在隔离区上的凸台，氢气间断结构包括设在阳极板边缘流道沟上的凸台和设在隔离区上的凸台，冷却水间断结构包括设置在阴极板和阳极板的隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台，阴极板和阳极板的边缘流道脊上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台，以及阴极板和阳极板的隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台。优点是：不增加电池零部件，结构易于实现，能有效减少空气、氢气、冷却水的旁路流通，提高燃料电池的耐久性和稳定性。

Description

一种带有间断结构的燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池双极板,具体涉及双极板防旁路流通结构。
背景技术
燃料电池双极板的阴极流场和阳极流场分别将氢气和空气引导分配至活性区发生电化学反应，同时引导分配冷却水在电池内外循环，理想的状态是，进入电池里的氢气、空气、冷却水均只在双极板的活性区范围内流通。但是，双极极板上除了活性区以外，还有密封区和隔离区，密封区用以保证流体不泄露，隔离区用于隔离活性区和密封区，隔离区内不会进行电化学反应。现有技术的双极板，由于不同形式的流场构造和MEA上存在的厚度差异，使得氢气、空气或冷却水有一部分并不经过活性区，而是通过隔离区，直接流出电池，形成流体旁路流通。由于反应物未能进入活性区发生电化学反应，降低了反应气体的利用率，同时，造成流入活性区参加电化学反应的气体流量减小，反应物不足，还使得进入活性区的冷却水流量减小，降低了冷却水带出的热量，另一方面，这种不受控制的流通，导致流体压力降增大，需要额外增加外界的流体供应压力，会影响燃料电池的输出功率、耐久性和可靠性。
为解决上述技术问题，现有技术中，专利号为CN107732278A，名称为燃料电池堆组件的专利技术公开了：在阴阳极板的气体旁路通道上，冲压出嵌套的突起，使该处的MEA密封边框在嵌套的凸起特征处弯曲，从而使旁路流通区域的流体阻力大于活性区的流体阻力，达到减少氢气和空气的旁路流通的目的。其不足是：虽然能够改善反应物的旁路流通，但是，由于MEA密封边框在嵌套的突起处弯曲，则MEA密封边框在弯曲处的切向应力较大，极易导致MEA中间的膜损坏，使得电池失效；另一方面，该专利技术也没有给出防止冷却水旁路流通的措施。另外，专利号为CN107078317A，名称为燃料电池的专利技术公开了：在MEA两侧增加填充物质，减小空气侧和氢气侧流场的旁路流通的容积，从而减小氢气和空气的旁路流通。其不足是；虽然能够显著改善反应物的旁路流通，但是，增加的填充物质的厚度不易控制，如果厚度过大，极板与MEA之间的接触压力减小，会导致电池的内阻增大；另一方面，该专利也没有给出防止冷却水旁路流通的措施。
发明内容
本发明的目的是：在不增加电池零部件的前提下，用易于实现的结构，减少空气、氢气、冷却水的旁路流通，提高燃料电池的耐久性和稳定性，提升燃料电池的效率。
本发明的技术方案是：一种带有间断结构的燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板上按功能划分为阴极活性区、阴极隔离区和阴极密封区，阳极板按功能划分为阳极活性区、阳极隔离区和阳极密封区，活性区是电化学反应发生的流场区域，密封区是密封流场的区域，隔离区是将密封区与活性区隔开的区域，其特征在于：所述阴极板和阳极板上分别设置有空气间断结构、氢气间断结构和冷却水间断结构；所述空气间断结构包括设置在阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阴极隔离区的凸台，凸台的高度比流道的脊高0～0.5mm；所述氢气间断结构包括设置在阳极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阳极隔离区的凸台，凸台的高度比流道的脊高0～0.5mm；所述冷却水间断结构包括设置在阴极板隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台和阳极板隔离区上与阴极板隔离区上的凹槽对应处的阳极板隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台，阴极板活性区边缘流道脊上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台和阳极板隔离区上与阴极板活性区边缘流道脊上凹槽对应处的阳极板隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台，以及阴极板上隔离区上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台和阳极板活性区边缘流道脊上与阴极板上隔离区上的凹槽对应处的阳极板活性区边缘流道脊上的凹槽在冷却水腔内构成的凸台，阴极板上水腔面上的凸台顶面与阴极板上水腔面上的凸台顶面贴合，无缝隙。
本发明所述一种带有间断结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阴极隔离区上的凸台的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，所述阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阳极隔离区上的凸台的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，所述阴极板和阳极板上的凹槽的底面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，平面的高度与流道沟的底面平齐。
本发明所述一种带有间断结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阴极隔离区上的凸台为n个，1≤n≤100；所述阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台和设置在阳极隔离区上的凸台为n个，1≤n≤100；所述阴极板上水腔面上的凸台和阳极板上水腔面上的凸台均为n个，1≤n≤100。
本发明的间断结构能阻断空气和氢气，防止空气和氢气进入活性区边缘以外的流道内流通，防止冷却水进入隔离区内流通。
本发明的优点是：
不增加电池零部件，结构易于实现，能有效减少空气、氢气、冷却水的旁路流通，提高燃料电池的耐久性和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一的阴极板示意图。
图2为本发明实施例一的阳极示意板。
图3为本发明实施例一的双极板与膜电极叠合示意图。
图4为图3的A-A剖视图
图5为图3的B-B剖视图
图6为本发明实施例二阴极板示意图。
图7为本发明实施例二阳极板示意图。
图8为本发明实施例二双极板与膜电极叠合示意图。
图中：1、阴极板，100、双极板，101、阴极活性区，102、阴极隔离区，103、阴极密封区，104、阴极活性区流场，105、阴极流道的沟，106、阴极流道的脊，107、阴极隔离区上的凸台，108、阴极边缘流道脊上的凹槽，109、阴极隔离区上的凹槽，2、阳极板，201、阳极活性区，202、阳极隔离区，203、阳极密封区，204、阳极活性区流场，205、阳极流场的沟，206、阳极流道的脊，207、阳极隔离区上的凸台，208、阳极流道脊上的凹槽，209、阳极隔离区上的凹槽，301、阴极流场边缘流道沟上的凸台，302、阳极流场边缘流道沟上的凸台，303冷却水间断结构，4、膜电极。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种带有间断结构的燃料电池双极板，包括阴极板1和阳极板2，阴极板1上按功能划分为阴极活性区101、阴极隔离区102和阴极密封区103，阳极板2按功能划分为阳极活性区201、阳极隔离区202和阳极密封区203，活性区是电化学反应发生的流场区域，密封区是密封流场的区域，隔离区是将密封区与活性区隔开的区域，阴极板1和阳极板2上分别设置有空气间断结构、氢气间断结构和冷却水间断结构；空气间断结构包括设置在阴极板阴极流场边缘流道沟上的凸台301和设置在阴极隔离区的凸台107，凸台的高度比阴极流道的脊106高0～0.5mm；氢气间断结构包括设置在阳极板阳极流场边缘流道沟上的凸台302和设置在阳极隔离区上的凸台207，凸台的高度比阳极流道的脊206高0～0.5mm；冷却水间断结构包括设置在阴极板阴极隔离区上的凹槽109在冷却水腔内构成的凸台和阳极板阳极隔离区上与阴极板阴极隔离区上的凹槽109对应处的阳极板阳极隔离区上的凹槽209在冷却水腔内构成的凸台，阴极板活性区阴极边缘流道脊上的凹槽108在冷却水腔内构成的凸台和阳极板隔离区上与阴极板活性区阴极边缘流道脊上凹槽108对应处的阳极板阳极隔离区上的凹槽209在冷却水腔内构成的凸台，以及阴极板上阴极隔离区上的凹槽109在冷却水腔内构成的凸台和阳极板活性区阳极边缘流道脊上与阴极板上阴极隔离区上的凹槽109对应处的阳极板活性区阳极边缘流道脊上的凹槽208在冷却水腔内构成的凸台，阴极板上水腔面上的凸台顶面与阴极板上水腔面上的凸台顶面贴合，无缝隙。
阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台301和设置在阴极隔离区上的凸台107的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台302和设置在阳极隔离区上的凸台207的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，阴极板和阳极板上的凹槽的底面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，平面的高度与流道沟的底面平齐。
阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台301和设置在阴极隔离区上的凸台107为n个，1≤n≤100；阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台302和设置在阳极隔离区上的凸台207为n个，1≤n≤100；所述阴极板上水腔面上的凸台和阳极板上水腔面上的凸台均为n个，1≤n≤100。
实施例一
如图1～图5所示，双极板100包括阴极板1和阳极板2，阴极板1与阳极板2之间的空间形成冷却水流场，阴极板1和阳极板2的另一面与膜电极4之间分别形成阴极流场和阳极流场；阴极板1和阳极板2活性区每根流道的中心线对齐，流道为平直流道，隔离区比活性区流道的脊高0.04mm。冷却水间断结构303包括设置在阴极隔离区上的凹槽109和阳极板隔离区上与阴极隔离区上的凹槽109对应处的阳极隔离区上的凹槽209分别在冷却水腔内构成的凸台，阴极隔离区上的凹槽109设四个，阳极隔离区上的凹槽209设四个，阴极隔离区上的凹槽109与阳极隔离区上的凹槽209的底面为平面，平面的宽为10mm，长度为5mm，平面的高度与流道沟的底面平齐，构成阴极板上水腔面上的凸台顶面与阳极板上水腔面上的凸台顶面贴合，无缝隙。
实施例二：
实施例二与实施例一的构造相同，仅活性区流道为波纹方向不一致的波纹流道。如图6～图8所示，双极板100包括阴极板1和阳极板2，阴极板1与阳极板2之间的空间形成冷却水流场，阴极板1和阳极板2的另一面与膜电极4相贴；阴极板1和阳极板2的流道为波纹流道，活性区每根流道的中心线不对齐；阴极板1的阴极隔离区上的凸台107设四个，阴极隔离区上的凸台107比阴极流道的脊高0.04mm，其长度为2mm，宽度为4mm；阴极板1的阴极流场边缘流道沟上的凸台301设八个，阴极流场边缘流道沟上的凸台301的高度比阴极流道的脊高0mm，其长度为2mm，宽度为1mm，阳极板2的阳极隔离区上的凸台207设四个，阳极隔离区上的凸台207比阳极流道的脊206高0.04mm，其长度为2mm，宽度为4mm；阳极板2的阳极流场边缘流道沟上的凸台302设八个，阳极流场边缘流道沟上的凸台302的高度比阳极流道的脊206高0mm，其长度为2mm，宽度为1mm；冷却水间断结构303包括设置在阴极板边缘流道脊上的凹槽108在冷却水腔内构成的凸台和阳极板隔离区上与阴极边缘流道脊上凹槽108对应处的阳极板隔离区上的凹槽209在冷却水腔内构成的凸台，以及阴极板上隔离区上的凹槽109在冷却水腔内构成的凸台和阳极边缘流道脊上与阴极隔离区上的凹槽109对应处的阳极边缘流道脊上的凹槽208在冷却水腔内构成的凸台，阴极板边缘流道脊上的凹槽108设八个，阳极板隔离区上的凹槽209设七个，阴极板上隔离区上的凹槽109设七个，阳极边缘流道脊上的凹槽208设八个，阴极板边缘流道脊上的凹槽108和阳极板隔离区上的凹槽208的底面为平面，其高度与流道沟的底面平齐，长度为2mm，宽度为1mm，阴极隔离区上的凹槽109和阳极板隔离区上的凹槽209的底面为平面，其高度与流道沟的底面平齐，长度为2mm，宽度为6mm，阴极板水腔面上的凸台和阳极板水腔面上的凸台的凹槽与流道的沟底高度一致，构成阴极板上水腔面上的凸台顶面与阴极板上水腔面上的凸台顶面贴合，无缝隙。

Claims (3)

1.一种带有间断结构的燃料电池双极板，包括阴极板(1)和阳极板(2)，阴极板(1)上按功能划分为阴极活性区(101)、阴极隔离区(102)和阴极密封区(103)，阳极板(2)按功能划分为阳极活性区(201)、阳极隔离区(202)和阳极密封区(203)，活性区是电化学反应发生的流场区域，密封区是密封流场的区域，隔离区是将密封区与活性区隔开的区域，其特征在于：所述阴极板(1)和阳极板(2)上分别设置有空气间断结构、氢气间断结构和冷却水间断结构；所述空气间断结构包括设置在阴极板阴极流场边缘流道沟上的凸台(301)和设置在阴极隔离区的凸台(107)，凸台的高度比阴极流道的脊(106)高0～0.5mm；所述氢气间断结构包括设置在阳极板阳极流场边缘流道沟上的凸台(302)和设置在阳极隔离区上的凸台(207)，凸台的高度比阳极流道的脊(206)高0～0.5mm；所述冷却水间断结构包括设置在阴极板阴极隔离区上的凹槽(109)在冷却水腔内构成的凸台和阳极板阳极隔离区上与阴极板阴极隔离区上的凹槽(109)对应处的阳极板阳极隔离区上的凹槽(209)在冷却水腔内构成的凸台，阴极板活性区阴极边缘流道脊上的凹槽(108)在冷却水腔内构成的凸台和阳极板隔离区上与阴极板活性区阴极边缘流道脊上的凹槽(108)对应处的阳极板阳极隔离区上的凹槽(209)在冷却水腔内构成的凸台，以及阴极板上阴极隔离区上的凹槽(109)在冷却水腔内构成的凸台和阳极板活性区阳极边缘流道脊上与阴极板上阴极隔离区上的凹槽(109)对应处的阳极板活性区阳极边缘流道脊上的凹槽(208)在冷却水腔内构成的凸台，阴极板上水腔面上的凸台顶面与阴极板上水腔面上的凸台顶面贴合，无缝隙。
2.如权利要求1所述一种带有间断结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台(301)和设置在阴极隔离区上的凸台(107)的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，所述阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台(302)和设置在阳极隔离区上的凸台(207)的顶面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，所述阴极板和阳极板上的凹槽的底面为平面，平面的宽为0.1～100mm，长度为0.1～400mm，平面的高度与流道沟的底面平齐。
3.如权利要求2所述一种带有间断结构的燃料电池双极板，其特征在于：所述阴极板阴极活性区流场边缘流道沟上的凸台(301)和设置在阴极隔离区上的凸台(107)为n个，1≤n≤100；所述阳极板阳极活性区流场边缘流道沟上的凸台(302)和设置在阳极隔离区上的凸台(207)为n个，1≤n≤100所述阴极板上水腔面上的凸台和阳极板上水腔面上的凸台均为n个，1≤n≤100。
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