CN109921057A - 一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构。包括上下两块双极板和膜电极组合体，两块双极板上下之间设有膜电极组合体，膜电极组合体包括从上到下的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层热压而成；双极板沿燃料气体流向的截面成波浪形状，使得双极板形成多条以峰谷形态交替布置的条状峰部分和条状谷部分，双极板的条状峰部分沿气体流道方向间隔均布设置有多个向气体流道侵入的波纹状凸起，每相邻两个气体流道上的波纹状凸起相错位布置。本发明通过气体流道内交错排布的凸起增强了肋下扩散层内的气体对流，改善反应物分布的均匀性，具有更好的性能输出和稳定性，提高燃料电池的功率密度和寿命。

Description

一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及到了一种通过波纹交错排布加强排水性能的燃料电池双极板流道结构。

背景技术

燃料电池是一种使氢气与氧气通过电化学反应发电的装置，随着人们对清洁能源的迫切需求，从而获得了广泛的关注。而质子交换膜燃料电池又是目前较成熟的一种燃料电池技术。其使用可再生的能源——氢气、氧气，反应生成物为水，从而实现了零排放。

燃料电池的单电池主要由膜电极(扩散层、催化剂、质子交换膜热压而成)、双极板和密封材料三部分组成，其中双极板需要具有多种功能，主要包括：分隔反应气体；使得反应气体可以到达膜电极参与反应；收集并传导电流；支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热与排水功能。

而为了满足应用功率的需求，排出生成物水以防止其阻塞反应气体参与反应成为一种切实可行的手段。同时极板肋下区域的产物水因其与气体流道间没有直接接触而难以排出，所以通过对双极板结构进行改进从而排出极板肋下区域产物水成为了一种行之有效的提升燃料电池性能的方法。

中国发明专利(申请号201510926667.9)公开了一种有利于排水的燃料电池双极板，该燃料电池双极板通过增加导流槽的方式强化燃料电池排水性能。但该发明需要借助重力实现此目的，对燃料电池的空间摆放形式有严格的限制，同时该发明在增强排出肋下区域产物水方面并没有涉及。

中国发明专利(申请号201610623996.0)公开了一种燃料电池用气体流道形成板，该气体流道形成板通过毛细作用将极板肋下区域的液态水导入极板另一面，进而排出液态水。但这种方式需要在极板与膜电极相背一面加装隔板以分隔冷却液与反应气体，从而大大增加燃料电池的体积与重量，没能兼顾燃料电池功率密度。

综上所述，有必要提出一种既能促进排水尤其是促进极板肋下区域产物水排出又不会增加燃料电池体积与重量的双极板设计方案。

发明内容

为了解决和实现背景技术中存在的技术问题，本发明的目的在于在兼顾燃料电池功率密度的情况下提供一种效率高、加强排水性能的双极板结构。

本发明的目的可以采用以下技术方案实现：

本发明包括上下两块双极板和膜电极组合体，两块双极板上下之间设有膜电极组合体，膜电极组合体主要由从上到下的阴极扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极扩散层热压而成；上双极板和下双极板的结构相同，但上下对称布置；上双极板和阴极扩散层之间形成多条平行间距排布的阴极气体流道，下双极板和阳极扩散层之间形成多条平行间距排布的阳极气体流道；阴极气体流道两端分别作为阴极气体的入口和出口，阳极气体流道两端分别作为阳极气体的入口和出口，阴极气体流道内流经的阴极气体流动方向和阳极气体流道内流经的阳极气体流动方向相反，阴极气体和阳极气体通过膜电极组合体发生反应；双极板沿燃料气体流向的截面成波浪形状，使得双极板形成多条以峰谷形态交替布置的条状峰部分和条状谷部分，双极板的条状谷部分底面和与阴极扩散层贴合，贴合处为双极板肋下区域，在双极板的相邻两个条状谷部分之间形成气体流道，各个阴极气体流道平行等间距排布；双极板的条状峰部分沿气体流道方向间隔均布设置有多个向气体流道侵入的波纹状凸起，双极板的相邻两个条状峰部分之间以及各个波纹状凸起处共同构成冷却液流场；波纹状凸起在单一气体流道上以相同间距L分布，每相邻两个气体流道上的波纹状凸起相错位布置。

本发明在与膜电极相对一面具有的若干气体流道内等间隔排布的多个波纹状凸起，相邻气体流道内的波纹状突起交错排布，以迫使部分反应气体通过双极板肋下区域的扩散层流入相邻气体流道，从而促进该区域反应产物的排出。所述双极板肋下区域是指扩散层与双极板的直接接触区域。

在气体流道内流动的反应气体在遇到每个波纹状凸起时，会通过波纹状凸起的导向通过双极板肋下区域的膜电极组合体流向相邻的且在该双极板肋下区域处未设有波纹状凸起的气体流道中。

所述的双极板的相邻两个条状峰部分之间形成填充有冷却液的冷却流道，相邻冷却流道之间通过波纹状凸起的设置相连通。

所述的膜电极组合体置于两块双极板中间共同组成了一块燃料电池单电池，还包括框架，框架固定对接在上下双极板和膜电极组合体的两端，两端的框架内部开设有用于导入和导出反应气体的气体入口通道和气体出口通道。框架置于膜电极组合体外围，用于填补燃料电池外围空间空缺，起到密封以及支撑的作用。

所述的框架的一端开设有阴极反应气体出口通道和阳极反应气体入口通道，框架的另一端开设有阴极反应气体入口通道和阳极反应气体出口通道；所有阴极气体流道的入口经框架内的阴极反应气体入口通道连通一起到阴极反应气体气源，所有阴极气体流道的出口经框架内的阴极反应气体出口通道连通一起流出；所有阳极气体流道的入口经框架内的阳极反应气体入口通道连通一起到阳极反应气体气源，所有阳极气体流道的出口经框架内的阳极反应气体出口通道连通一起流出。

所述的波纹状凸起侵入气体流道的深度为气体流道自身深度的1/3～1/2，从而使得在波纹状凸起存在的区域，反应气体会通过双极板肋下实现相邻气体流道间的气体交流。

在阴极气体流道内沿气体流道方向流动的反应气体在遇到波纹状凸起时，部分通过双极板肋下流向相邻的在该处没有波纹状凸起的阴极气体流道。

所述的阴极扩散层和阳极扩散层均采用多孔碳纸。

所述的双极板结构采用机械加工或冲压成型方法获得。

所述的反应气体包括氢气、空气和氧气。

本发明的有益效果如下：

(1)促进了极板肋下区域的气体对流，强化了该区域的传质过程，同时促进了该区域反应产物的排出，从而增加了该区域的有效反应位点。

本发明采用以上结构设计，通过气体流道内交错排布的凸起增强了肋下扩散层内的气体对流，促进该区域反应产物的排出以抑制局部地区的水淹，改善反应物分布的均匀性。

(2)与现有平行流道燃料电池双极板相比，本发明设计的燃料电池双极板，不需要附加结构件，不会增加燃料电池重量，使得燃料电池具有更好的性能输出和稳定性，有利于提高燃料电池的功率密度和寿命。

附图说明

图1是本发明的燃料电池双极板与阴极扩散层组合体的立体剖视图；

图2(A)、图2(B)是波纹交错排布的燃料电池双极板的一个实施方式，且分别为燃料电池单电池沿图1中2A、2B线的剖视图；

图2(C)为图2(A)中Y部的局部放大图，表示膜电极组合体的具体组合方式；

图2(D)为图2(A)、图2(B)与图2(C)所表示的燃料电池单电池的立体示意图；

图3是图1中X部放大表示的立体剖视图；

图4(A)是沿图3中4A线的局部剖视图；

图4(B)是沿图3中4B线的局部剖视图；

图5是说明该实施方式作用的说明图。

图中：1、双极板，2、阴极扩散层，3、阴极反应气体入口通道，4、阴极气体流道，5、冷却液流场，6、阴极反应气体出口通道，7、阴极催化剂层，8、阳极扩散层，9、阳极反应气体入口通道，10、阳极气体流道，11、阳极反应气体出口通道，12、阳极催化剂层，13、质子交换膜，14、膜电极组合体，15、框架，16、波纹状凸起，17、双极板肋下区域，18、冷却液入口，19、冷却液出口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施方式做进一步说明。

如图1所示，具体实施包括上下两块双极板1和膜电极组合体14，两块双极板1上下之间设有膜电极组合体14，如图2(A)所示，膜电极组合体14主要由从上到下的阴极扩散层2、阴极催化剂层7、质子交换膜13、阳极催化剂层12和阳极扩散层8热压而成。

如图2(A)、图2(B)所示，上双极板1和下双极板1的结构相同，但上下对称布置；上双极板1和阴极扩散层2之间形成多条平行间距排布的阴极气体流道4，下双极板1和阳极扩散层8之间形成多条平行间距排布的阳极气体流道10；阴极气体流道4两端分别作为阴极气体的入口和出口，阳极气体流道10两端分别作为阳极气体的入口和出口，阴极气体流道4内流经的阴极气体流动方向和阳极气体流道10内流经的阳极气体流动方向相反，阴极气体和阳极气体通过膜电极组合体14发生反应。

如图1、图2(A)、图2(B)、图2(D)所示，双极板1沿燃料气体流向的截面成波浪形状，双极板1以波浪形状的截面拉伸制成，使得双极板1形成多条以峰谷形态交替布置的条状峰部分和条状谷部分，峰相对于膜电极组合体14而言为远离膜电极组合体14的方向，谷相对于膜电极组合体14而言为靠近膜电极组合体14的方向，双极板1的条状谷部分底面和与阴极扩散层2贴合，贴合处为双极板肋下区域17，在双极板1的相邻两个条状谷部分之间形成气体流道4/10，各个阴极气体流道4平行等间距排布。

膜电极组合体14置于两块双极板1中间共同组成了一块燃料电池单电池，还包括框架15，框架15固定对接在上下双极板1和膜电极组合体14的两端，具体实施中上下双极板1端部和框架15固定连接，两端的框架15内部开设有用于导入和导出反应气体的气体入口通道和气体出口通道，以及用于导入和导出冷却液的冷却液入口18、冷却液出口19。同一端的气体入口通道和气体出口通道分别连接阳极气体流道10和阴极气体流道4。

框架15的一端开设有阴极反应气体出口通道6和阳极反应气体入口通道9，框架15的另一端开设有阴极反应气体入口通道3和阳极反应气体出口通道11；所有阴极气体流道4的入口经框架15内的阴极反应气体入口通道3连通一起到阴极反应气体气源，所有阴极气体流道4的出口经框架15内的阴极反应气体出口通道6连通一起流出；所有阳极气体流道10的入口经框架15内的阳极反应气体入口通道9连通一起到阳极反应气体气源，所有阳极气体流道10的出口经框架15内的阳极反应气体出口通道11连通一起流出。

如图1所示，双极板1的条状峰部分沿气体流道4/10方向间隔均布设置有多个向气体流道4/10侵入的波纹状凸起16，双极板1的相邻两个条状峰部分之间以及各个波纹状凸起16处共同构成冷却液流场5；且波纹状凸起16在单一气体流道上以相同间距L分布，每相邻两个气体流道上的波纹状凸起16沿气体流道方向相错位布置，使得相邻两个气体流道上的各个波纹状凸起16布置不同，两者沿垂直于气体流道方向错开交错。

如图3、图4(A)以及图4(B)所示，波纹状凸起16侵入气体流道的深度为气体流道自身深度的1/3～1/2，且在相邻流道间波纹状凸起16所占区域横向不重叠，从而使得在波纹状凸起16存在的区域，反应气体会通过双极板肋下实现相邻气体流道间的气体交流。

如图4(A)、图4(B)、图5所示，在气体流道4/10内沿气体流道方向流动的反应气体在遇到每个波纹状凸起16时，会通过波纹状凸起16的导向通过双极板肋下区域17的扩散层2/8流向相邻的且未在与该区域处于同一横向位置处设置波纹状凸起16的气体流道4/10中，从而促进了双极板肋下区域的气体对流，加强了该区域的传质过程，促进反应产物的排出，增加了有效反应位点，增加了燃料电池的反应效果，提高了功率密度和电流密度。

如图5所示，为反应气体在阴极流场内的流向示意图，在阴极气体流道4内沿气体流道方向流动的反应气体在遇到波纹状凸起16时，部分通过双极板肋下17流向相邻的在该处没有波纹状凸起16的阴极气体流道4。

如图1所示，冷却液流场5为两块双极板与气体流道相反一面相对放置形成的腔体，冷却流体在腔体内部流动。双极板1的相邻两个条状峰部分之间形成填充有冷却液的冷却流道，相邻冷却流道之间通过波纹状凸起16的设置相连通，加强冷却流道间的流通，构成的冷却液流场5的冷却效果更好，增加了燃料电池的反应效果。

上述附图主要以阴极为例，但本发明在燃料电池阳极情况与上述对阴极的描述相同。

本发明的具体工作原理如下：

本发明在阴阳极工作原理均相同，反应气体由反应气体入口通道进入气体流道，流动过程中因波纹状凸起侵入气体流道而形成朝向气体扩散层的俯冲气流，到达膜电极组合体处后参与电化学反应。

具体实施的阳极反应气体采用氢气，阴极反应气体采用空气或氧气。

如图3、图4(A)以及图4(B)所示，由于所示波纹状凸起16所处流道的相邻流道在该位置没有波纹状凸起16，所以受迫俯冲到达气体扩散层的反应气体可以通过双极板肋下17进入相邻流道。

在上述流道该波纹状凸起16末端，相邻流道的反应气体流动时将同样遇到所属流道上的波纹状凸起16，于是同样受迫俯冲到达气体扩散层并通过双极板肋下17进入此时已经没有波纹状凸起16阻碍流动的本流道。

受迫流动下的气流的上述行为将排出在膜电极组合体14上伴随发电而产生的水，改善该区域多孔介质对反应气体的传质特性，同时暴露出更多此前被产物水阻塞的反应位点，从而提升该区域参与发电的反应气体的量，提升该区域的局部电流密度，进而提升单电池的电流密度。本发明具体实施后，采用波纹错排设计的双极板应用于燃料电池时，其在工作电压范围内的最大电流密度相较于没有波纹状凸起的双极板设计提升约12％，相较于没有波纹状凸起平行排布的双极板设计提升约6％。

此外由于本发明在实现目的时没有增加附加结构件，所以在应用于燃料电池电堆时，将能够提高电堆的功率密度。同时由于其促进产物水的排出，将大大提升电堆的稳定性与寿命。

Claims (9)

1.一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：包括上下两块双极板(1)和膜电极组合体(14)，两块双极板(1)上下之间设有膜电极组合体(14)，膜电极组合体(14)主要由从上到下的阴极扩散层(2)、阴极催化剂层(7)、质子交换膜(13)、阳极催化剂层(12)和阳极扩散层(8)热压而成；上双极板(1)和下双极板(1)的结构相同，但上下对称布置；上双极板(1)和阴极扩散层(2)之间形成多条平行间距排布的阴极气体流道(4)，下双极板(1)和阳极扩散层(8)之间形成多条平行间距排布的阳极气体流道(10)；阴极气体流道(4)两端分别作为阴极气体的入口和出口，阳极气体流道(10)两端分别作为阳极气体的入口和出口，阴极气体流道(4)内流经的阴极气体流动方向和阳极气体流道(10)内流经的阳极气体流动方向相反，阴极气体和阳极气体通过膜电极组合体(14)发生反应；双极板(1)沿燃料气体流向的截面成波浪形状，使得双极板(1)形成多条以峰谷形态交替布置的条状峰部分和条状谷部分，双极板(1)的条状谷部分底面和与阴极扩散层(2)贴合，贴合处为双极板肋下区域(17)，在双极板(1)的相邻两个条状谷部分之间形成气体流道(4/10)，各个阴极气体流道(4)平行等间距排布；双极板(1)的条状峰部分沿气体流道(4/10)方向间隔均布设置有多个向气体流道(4/10)侵入的波纹状凸起(16)，双极板(1)的相邻两个条状峰部分之间以及各个波纹状凸起(16)处共同构成冷却液流场(5)；波纹状凸起(16)在单一气体流道上以相同间距L分布，每相邻两个气体流道上的波纹状凸起(16)相错位布置。

2.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：在气体流道(4/10)内流动的反应气体在遇到每个波纹状凸起(16)时，会通过波纹状凸起(16)的导向通过双极板肋下区域(17)的膜电极组合体(14)流向相邻的且在该双极板肋下区域(17)处未设有波纹状凸起(16)的气体流道(4/10)中。

3.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的双极板(1)的相邻两个条状峰部分之间形成填充有冷却液的冷却流道，相邻冷却流道之间通过波纹状凸起(16)的设置相连通。

4.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的膜电极组合体(14)置于两块双极板(1)中间共同组成了一块燃料电池单电池，还包括框架(15)，框架(15)固定对接在上下双极板(1)和膜电极组合体(14)的两端，两端的框架(15)内部开设有用于导入和导出反应气体的气体入口通道和气体出口通道。

5.根据权利要求4所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的框架(15)的一端开设有阴极反应气体出口通道(6)和阳极反应气体入口通道(9)，框架(15)的另一端开设有阴极反应气体入口通道(3)和阳极反应气体出口通道(11)；所有阴极气体流道(4)的入口经框架(15)内的阴极反应气体入口通道(3)连通一起到阴极反应气体气源，所有阴极气体流道(4)的出口经框架(15)内的阴极反应气体出口通道(6)连通一起流出；所有阳极气体流道(10)的入口经框架(15)内的阳极反应气体入口通道(9)连通一起到阳极反应气体气源，所有阳极气体流道(10)的出口经框架(15)内的阳极反应气体出口通道(11)连通一起流出。

6.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的波纹状凸起(16)侵入气体流道的深度为气体流道自身深度的1/3～1/2，从而使得在波纹状凸起(16)存在的区域，反应气体会通过双极板肋下实现相邻气体流道间的气体交流。

7.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：在阴极气体流道(4)内沿气体流道方向流动的反应气体在遇到波纹状凸起(16)时，部分通过双极板肋下(17)流向相邻的在该处没有波纹状凸起(16)的阴极气体流道(4)。

8.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的阴极扩散层(2)和阳极扩散层(8)均采用多孔碳纸。

9.根据权利要求1所述的一种波纹交错排布的燃料电池双极板结构，其特征在于：所述的双极板结构采用机械加工或冲压成型方法获得。