CN109904484A - 一种燃料电池双极板结构及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种燃料电池双极板结构及燃料电池，包括阳极板、阴极板和位于两极板之间的膜电极，所述阳极板、阴极板之间部分区域连接在一起，所述阳极板或/和阴极板的反应流场区域通过设置若干隔板，被划分为多个独立流动的小区域，每个独立的小区域有单独的燃料气体和空气的进出口。

Description

一种燃料电池双极板结构及燃料电池

技术领域

本公开涉及一种燃料电池双极板结构及燃料电池。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学反应装置，由于不受卡诺循环的限制，理论上其能量转换效率高于内燃机(最高可达80％以上，一般不低于50％)，并且具有零排放、无机械噪声等诸多优点，因此在军事和民用领域备受青睐。根据燃料电池中所用的电解质不同，可以将燃料电池分为五种类型：碱性燃料电池(AFC)，磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中PEMFC采用固体聚合物膜作为电解质，具有结构简单、工作温度低、能量转化效率高等优点，作为移动电源具有得天独厚的优势。

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。工作时相当于直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。

每个PEMFC单电池由两个极板(一个阳极板和一个阴极板)以及夹在两个极板之间的膜电极组成。所述膜电极由阳极催化剂、质子交换膜、阴极催化剂组装在一起构成。在阳极板和膜电极之间以及膜电极和阴极板之间通常还设置有气体扩散层(GDL)，该气体扩散层通常用透气的碳纸或碳布制成，有些文献将气体扩散层作为膜电极的一部分，而有些文献将气体扩散层作为PEMFC中的一种单独的部件。PEMFC的阳极板上设置有燃料流道，该燃料流道是燃料(氢气或甲醇等在常温常压下以气体或液体形态存在的含能化合物)流动和传输的场所，燃料经由之而传输至阳极催化剂。PEMFC的阴极板上设置有氧化剂流道，该氧化剂流道是氧化剂(通常为氧气或空气)流动和传输的场所，氧化剂经由之而到达阴极催化剂。借助于所述燃料流道和氧化剂流道，燃料和氧化剂可以被源源不断地输送到燃料电池内从而使燃料电池可以连续地输出电能。

但是，据发明人了解，现有的燃料电池多存在由于极板的反应面积过大导致气体分配不均匀的问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种燃料电池双极板结构及燃料电池，本公开通过改变冷却水、空气或/和氢气的进出口截面积，提高了工作效率和性能、延长使用寿命。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种燃料电池双极板结构，包括阳极板、阴极板和位于两极板之间的膜电极，所述阳极板、阴极板之间部分区域连接在一起，所述阳极板或/和阴极板的反应流场区域通过设置若干隔板，被划分为多个独立流动的小区域，每个独立的小区域有单独的燃料气体和空气的进出口。

这种分离式流场的设计既缩短了气体在极板内部流动过程，使得燃料气体和空气在内部流道更易于分配，同时还保证了整个反应流场区域的充分利用，而且减轻了内部气体流道的设计和加工难度，对于大面积的流场反应区域的处理有很好的优势，可以很好地提高整个燃料电池的功率密度。

作为进一步的限定，所述的阴极板与膜电极的一侧形成燃料气体腔，所述的燃料气体腔的两端分别是燃料气体的入口和燃料气体的出口；所述的阴极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述的空气腔的两端分别是空气的入口和空气的出口。

作为更进一步的限定，所述燃料气体入口的截面积等于燃料气体出口的截面积。

为了达到上述目的，作为一种可实施方案，可以改变燃料气体入口或出口的宽度。以达到改变截面积的目的。

这种设计能够保证当增加燃料气体的导入量，反应剩余的燃料气体会通过燃料气体出口循环使用，减小燃料电池气体进出口的压差，增加燃料气体腔内气体浓度的均匀性，增加燃料电池的性能，延长膜电极的寿命。

另外，所述空气入口的截面积大于或等于空气出口的截面积。

这种设计能够保证空气在双极板上反应过后，氧气被消耗一部分，气体的体积变小，而出口的截面积减小可以保证整个反应过程的气体浓度的均匀性；另外还可以增加空气流道的背压，从而降低压力源的压力损失，减少功率输出，提高整个系统的运行效率。

为了达到上述目的，作为一种可实施方案，可以改变空气入口或出口的宽度。以达到改变截面积的目的。

作为进一步的限定，所述阴极板与阳极板之间形成冷却水流道。

作为更进一步的限定，冷却水入口的截面积小于冷却水出口的截面积。

这样设计考虑到反应过程中的大部分热量是在流道的前半部分产生的，冷却水的入口的截面积减小，则相同的水泵功率下冷却水流速增加，散热能力增强，此外出口的截面积增大，可以降低冷却水流道的阻力。

同样的，可以改变冷却水入口或出口的宽度。以达到改变截面积的目的。

作为进一步的限定，所述燃料气体形成的流道和空气形成的流道的流动方向相反。

这种设计可以便于阳极进口接近阴出入口，从而由于水的浓度梯度而使得通过膜实现水交换，从而得到润湿阳极侧气体的目的。进而保证催化作用产生的氢离子可以有足够的水分子携带通过交换膜，降低电池的欧姆极化，提高单电池的输出性能。

作为进一步的限定，所述冷却水流道通过隔板设置为多个独立的分离式小流场。

这种设计可以适用于冷却面积需求较大的情况，从而提高整个双极板的冷却能力，强化散热，保证电堆的工作温度在预设的范围内。

作为进一步的限定，所述的阴极板和阴极板的燃料气体出口与冷却水进口之间、燃料气体进口与冷却水出口之间均设置有定位孔。以辅助整个双极板的安装和定位，保证安装的整齐一致性。

一种燃料电池/电堆，包括多个叠加的上述的双极板结构以及共享通道，所述共享通道给所有双极板结构的各场均匀分配流体。

作为更进一步的限定，当多层双极板结构叠加在一起，每个双极板结构的冷却水的入口和冷却水的出口组成冷却水进出口的共享通道，每个双极板结构的燃料气体的入口和燃料气体的出口组成燃料气体进出口的共享通道，每个双极板结构的空气的入口和空气的出口组成空气进出口的共享通道。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开将膜电极设置于阴极板和阳极板之间，充分利用了膜电极催化剂，提高了燃料电池的发电效率。平衡了燃料气体出口处附近的膜电极受到的两侧压力，提高了膜电极的使用寿命、进而提高了燃料电池的使用寿命，也即降低了燃料电池的成本。

本公开通过燃料电池冷却水和空气进出口截面积的改变，可以降低空压机和水泵的功率损失，能够减少燃料电池堆得辅助系统的额外功率消耗。同时，因反应的大部分热量在燃料气体刚进入时产生，冷却水较小的进口截面是的冷却水入口的流速较大，有助于提高冷却系统的散热能力。

本公开通过分离式流场的设计，既缩短了气体在电堆内部流动过程，使得氢气和空气在内部流道更易于分配，同时还保证了整个反应流场区域的充分利用，而且减轻了内部气体流道的设计和加工难度，对于大面积的流场反应区域的处理有很好的优势，可以很好地体改整个电堆的功率密度。

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是本实施例的双极板的结构示意图；

图2是本实施例的阳极流场板的结构示意图；

图3是本实施例的阴极流场板空气流道一侧的结构示意图；

图4是本实施例的阴极流场板冷却水流道一侧的结构示意图。

其中，a阴极流场板，b膜电极，c阳极流场板；

101空气出口I,102氢气进口I,103冷却水进口,104氢气进口II,105空气出口II,106氢气出口I,107空气进口I,108冷却水出口,109空气进口II,110氢气出口II，111定位孔，112阴极密封圈，113隔板，114氢气流场，115冷却水流道壁面，116冷却水流场；

301空气出口I，302氢气进口I,303冷却水进口,304氢气进口II,305空气出口II,308空气流场，307阳极密封圈，309氢气出口I,310空气进口I,311冷却水出口,312空气进口II,313氢气出口II,314定位孔，315隔板。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

参考图1，本实施例的燃料电池双极板，由阴极流场板(a)、膜电极(b)和阳极流场板(c)组成，阳极流场板(c)和阴极流场板(a)之间的部分区域通过胶水粘结在一起，其中阳极板上设置有氢气的流场区域，氢气的流场区域的背面是光滑的平面；阴极板的厚度比阳极板要大一些，阴极板上设置有空气的流场区域，在空气流场区域的背面是用于带走反应产生的热量的冷却水流道，其中冷却水流道是由阳极板上的光滑平面和阴极板上的冷却水流道共同组成。

在本实施例中，双极板为矩形结构或近似矩形结构。

当然，在其他实施例中，考虑到应用对象等因素，可以将双极板的形状进行更改，这些均为本领域技术人员容易想到的，在此不再赘述，理应属于本公开的保护范围。

阴极板与膜电极的一侧形成燃料气体腔，所述的燃料气体腔的两端分别是燃料气体的入口和燃料气体的出口，当多层双极板叠加在一起，燃料气体的入口和燃料气体的出口组成燃料气体进出口的共享通道；所述的阴极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述的空气腔的两端分别是空气的入口和空气的出口，当多层双极板叠加在一起，空气的入口和空气的出口组成空气进出口的共享通道；阴极板的背面刻有冷却水流道，与所述的阳极板燃料气体侧背面通过胶水粘合在一起形成冷却水腔，所述的冷却水腔的两端分别是冷却水的入口和冷却水的出口，当多层双极板叠加在一起，冷却水的入口和冷却水的出口组成冷却水进出口的共享通道。

双极板的阳极流场板与燃料电池的膜电极构成氢气流道腔，所述的阴极流场板与燃料电池的膜电极构成氧气流道腔，而阴极流场板与阳极流场板之间形成冷却水流道腔。参考图2，阳极流场板上设置阳极左端区、阳极流场区、阳极密封区、阳极右端区、定位孔。参考图3，阴极流场板上设置阴极左端区、阴极流场区、阴极密封区、阴极右端区、定位孔。

参考图2，阳极流场板上的阳极左端区和阳极右端区设置在阳极流场板的矩形边较短的两个平行的边上，且整齐地分列于阳极流场板的左右两侧。阳极右端区设置有空气出口I(301)、氢气进口I(302)、冷却水进口(303)、氢气进口II(304)、空气出口II(305)；在阳极左端区设置有氢气出口I(309)、空气进口I(310)、冷却水出口(311)、空气进口II(312)、氢气出口II(313)，其截面形状均为矩形但是截面的面积大小并不相同，且每个矩形上有四个较小的倒圆角用以过渡。

参考图3，阴极流场板上的阴极左端区和阴极右端区设置在阴极流场板的矩形边较短的两个平行的边上，且整齐地分列于阴极流场板的左右两侧。阴极右端区设置有空气出口I(101)、氢气进口I(102)、冷却水进口(103)、氢气进口II(104)、空气出口II(105)；在阴极左端区设置有氢气出口I(106)、空气进口I(107)、冷却水出口(108)、空气进口II(109)、氢气出口II(110)，其截面形状均为矩形但是截面的面积大小并不相同，且每个矩形上有四个较小的倒圆角用以过渡，其冷却水、氢气和空气的进出口通道和阳极板形状和结构均相同。

同样的，在其他实施例中，各出入口的截面形状并不局限于矩形，可以修改为其他形状。

在本实施例中，空气出口I(101)和空气出口II(105)分别设置在阴极右端区所在平行边的两侧，冷却水进口位于阴极右端区的正中间，在冷却水出口与空气出口I和空气出口II之间分别为氢气进口I和氢气进口II，整个阴极右端区从上到下依次地布置为:空气出口I(101)、氢气进口I(102)、冷却水进口(103)、氢气进口II(104)、空气出口II(105)。

氢气出口I(102)和氢气出口II(104)分别设置在阴极左端区所在平行边的两侧，冷却水出口位于阴极左端区的正中间，在冷却水出口与氢气出口I和氢气出口II之间分别为空气进口I和空气进口II，整个阴极左端区从上到下依次地布置为:氢气出口I(106)、空气进口I(107)、冷却水出口(108)、空气进口II(109)、氢气出口II(110)。

这种氢气与空气的逆流设计是为了便于阳入口接近阴极出口，从而由于水的浓度梯度而使得通过膜实现水交换，因为大量反应产生的水在阴极出口聚集，而与之对应的氢气入口处水分子浓度较低，水由于两处的浓度差作用而穿过质子交换膜从而使得氢气润湿，保证催化作用产生的氢离子可以有足够的水分子携带通过交换膜，降低电池的欧姆极化，提高单电池的输出性能。

空气入口的截面积大于出口的截面积，这样做的原因是空气在双极板上反应过后，氧气被消耗一部分，气体的体积变小，而出口的截面积减小可以保证整个反应过程的气体浓度的均匀性；另外还可以增加空气流道的背压，从而降低用以提供压力和流量的空压机的压力损失，减少功率输出，提高整个系统的运行效率。

氢气入口的截面积大于氢气出口的截面积，当增加氢气气体的导入量，反应剩余的氢气会通过氢气出口循环使用，减小燃料电池气体进出口的压差，增加燃料气体腔内气体浓度的均匀性，增加燃料电池的性能，延长膜电极的寿命。

冷却水入口的截面积小于出口的截面积，这样做的原因是，一方面电堆反应过程中的大部分热量是在流道的前半部分产生的，冷却水的入口的截面积减小，则相同的水泵功率下冷却水流速增加，散热能力增强，此外出口的截面积增大，可以降低冷却水流道的阻力。

在本实施例中，空气出、入口，燃料气体出、入口的截面积以及冷却水出、入口的改变采用改变出入口宽度的方式。

当然，在其他实施例中，可以通过改变各出入口的高度或形状等其他方式来进行。

参考图2和图3，所述的阴极板和阴极板的空气流场和氢气流场均采用组合式流场的设计，用以加强气体分配的均匀性，提高整个反应过程能量输出的稳定性。所谓的组合式流场即通过隔板(113、315)将原本较大的反应流场区域划分为两块独立流动的、反应面积较小的反应流场区域(C1、C2和A1、A2)；相对于原有的双极板在左右两端设置氢气和空气的单通道进入口，改变为在两端设置两个氢气和空气的进出口，两个独立的流场分别进行氢气和空气的流动，互不干涉；而冷却水流场(116)由于对流体的均匀性分配的要求不是很高，所以就不做两个单独流域设计的处理，这样也有利于产品的加工。

这种分离式流场的设计既缩短了气体在电堆内部流动过程，使得氢气和空气在内部流道更易于分配，同时还保证了整个反应流场区域的充分利用，而且减轻了内部气体流道的设计和加工难度，对于大面积的流场反应区域的处理有很好的优势，可以很好地提高整个电堆的功率密度。

此外对于整个流场进行分离式设计出的独立小流场，除了所述的两个独立小流场外，在本实施例或其他实施例中，还可以进行进一步地增加，可以扩展到N个(N≥2)；而对于冷却水流场(B)的结构设计，因为所述的冷却面积相对不大，我们采用单进出口的冷却水流道的设计，但是当冷却面积需求较大时，也可以将冷却流场设置成N个独立的分离式小流场(N≥2)，从而提高整个双极板的冷却能力，强化散热，保证电堆的工作温度在预设的范围内。

参考图2，阳极流场板上的阳极左端区、阳极流场区、阳极密封区、阳极右端区、定位孔均共用一道阳极密封圈(307)密封。参考图3，阴极流场板上的阴极左端区、阴极流场区、阴极右端区、定位孔均共用一道阴极密封圈(112)密封。此种设计减小了密封圈在整个流场板上的占比，增加了阴极板和阴极板上参与化学反应的流场面积，提升整个流场板体积功率密度。

此外在阴极板和阴极板的氢气出口与冷却水进口之间、氢气进口与冷却水出口之间均设置有定位孔(111、314)，用以整个双极板的安装和定位，保证安装的整齐一致性。

当然，在其他实施例中，定位孔的位置可以进行更改。在此不再赘述。

采用上述结构的燃料电池，其燃料气体入口的截面积大于燃料气体出口的截面积，空气入口的截面积大于空气出口的截面积，冷却水入口的截面积小于冷却水出口的截面积，这样可以在相同面积的双极板的条件下增加空气和燃料的进气量，同时空气流道的出口的截面积增大有助于增大反应空气的背压，减少空压机的功率损耗，冷却水的压降减小，降低水泵的功率损失，减少系统的额外功率损耗，同时增加燃料气体的导入量，使其导入量大于其反应当量，增加燃料气体腔内气体浓度的均匀性，增加燃料电池的性能，延长膜电极的寿命。

在上述实施例中，采用氢气作为燃料气体，但是在其他实施例中，可以使用其他燃料，在此不再赘述。

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。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板结构，其特征是：包括阳极板、阴极板和位于两极板之间的膜电极，所述阳极板、阴极板之间部分区域连接在一起，所述阳极板或/和阴极板的反应流场区域通过设置若干隔板，被划分为多个独立流动的小区域，每个独立的小区域有单独的燃料气体和空气的进出口。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述的阴极板与膜电极的一侧形成燃料气体腔，所述的燃料气体腔的两端分别是燃料气体的入口和燃料气体的出口；所述的阴极板与膜电极的另一侧形成空气腔，所述的空气腔的两端分别是空气的入口和空气的出口。

3.如权利要求2所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述燃料气体入口的截面积等于燃料气体出口的截面积。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述空气入口的截面积大于或等于空气出口的截面积。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述阴极板与阳极板之间形成冷却水流道。

6.如权利要求5所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：冷却水流道的冷却水入口的截面积小于冷却水出口的截面积。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述燃料气体形成的流道和空气形成的流道的流动方向相反。

8.如权利要求5所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述冷却水流道通过隔板设置为多个独立的分离式小流场。

9.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板结构，其特征是：所述的阴极板和阴极板的燃料气体出口与冷却水进口之间、燃料气体进口与冷却水出口之间均设置有定位孔。

10.一种燃料电池/电堆，其特征是：包括多个叠加的如权利要求1-9中任一项所述的双极板结构以及共享通道，所述共享通道给所有双极板结构的各场均匀分配流体；

优选的，当多层双极板结构叠加在一起，每个双极板结构的冷却水的入口和冷却水的出口组成冷却水进出口的共享通道，每个双极板结构的燃料气体的入口和燃料气体的出口组成燃料气体进出口的共享通道，每个双极板结构的空气的入口和空气的出口组成空气进出口的共享通道。