CN110474065A - 燃料电池极板、双极板和氢燃料电池 - Google Patents

燃料电池极板、双极板和氢燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池极板、双极板和氢燃料电池。该燃料电池极板，用于接触并支撑膜电极，所述极板朝向所述膜电极的侧面上设有点状凸起，所述点状凸起使得所述极板与所述膜电极之间形成流通通道。在与膜电极接触的极板面上设置点状凸起，有效提高了膜电极的暴露面积，使得气体与膜电极接触面增大，传质速度加快，提高了膜电极的利用率。

Description

燃料电池极板、双极板和氢燃料电池
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池极板、双极板和氢燃料电池。
背景技术
质子交换膜燃料电池(以下简称燃料电池)，以氧化还原反应为基本工作原理，工作过程中会有大量的反应热释放出来。为了保证燃料电池能够在合适的温度下稳定工作，尤其是考虑到质子交换膜对温度的敏感性，需要通过冷却系统持续的将反应热排出。
对于金属双极板燃料电池而言，一般通过冲压形成流场板，其上包含凸起的流场脊背和凹陷的槽道，脊背与膜电极接触，起支撑作用，槽道用于流通反应气体，反应气体一边流动一边扩散至膜电极内部进行反应。在保证一定支撑的作用下，尽可能提高膜电极的暴露面积有助于提高膜电极利用率。
事实上，对于氢燃料电池而言，阳极氢气的扩散能力较强，阴极空气或氧气的扩散能力较差，为了尽可能的降低燃料电池的浓差极化，需要尽可能的提高阴极气体的传质能力，使得氧气能够更快、更多的接触膜电极并参与反应。燃料电池的产物水主要产生在阴极，也主要通过阴极流道排出电池，因此，尽可能的增加阴极流道的流通面积有助于提高电池的排水能力。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池极板、双极板和氢燃料电池，能够增加膜电极的暴露面积，利于提高气体与膜电极的传质速度。
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池极板，用于接触并支撑膜电极，所述极板朝向所述膜电极的侧面上设有点状凸起，所述点状凸起使得所述极板与所述膜电极之间形成流通通道。
优选地，所述点状凸起包括锥台状、圆柱状、棱柱状和椭圆柱状中一种或多种组合。
优选地，所述点状凸起设有多个，多个所述点状凸起设为均匀分布的多列，每列上所述点状凸起为均匀布置。
优选地，相邻两列上的所述点状凸起排布相同。
优选地，相邻两列上的所述点状凸起交错排布。
优选地，所述点状凸起设为椭圆柱状，所述点状凸起的长轴平行于所述流通通道的流体流动方向。
根据本发明的另一方面，提供了一种双极板，包括如上所述的燃料电池极板。
优选地，所述双极板包括固定连接的阴极板和阳极板，所述阴极板上设有点状凸起，所述阳极板设有开口朝向所述阴极板的第一沟槽，所述点状凸起与所述第一沟槽在双极板厚度方向上位置重叠。
根据本发明的再一方面，提供了一种氢燃料电池，包括如上所述的燃料电池极板或如上所述的双极板。
优选地，所述燃料电池还包括膜电极，所述膜电极贴覆在所述点状凸起上，所述膜电极与所述阴极板之间的流通通道设为阴极气体通道；所述第一沟槽设为冷却通道，所述阳极板设有第二沟槽，所述第二沟槽的开口朝向远离所述阴极板的方向，所述第二沟槽设为阳极气体通道；所述阴极气体通道中气体流向垂直于所述冷却通道或所述阳极气体通道中的流体流向。
本发明提供的一种燃料电池极板，用于接触并支撑膜电极，所述极板朝向所述膜电极的侧面上设有点状凸起，所述点状凸起使得所述极板与所述膜电极之间形成流通通道。在与膜电极接触的极板面上设置点状凸起，有效提高了膜电极的暴露面积，使得气体与膜电极接触面增大，传质速度加快，提高了膜电极的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的双极板的结构示意图；
图2为本发明实施例的极板上点状凸起的结构示意图；
图3为本发明实施例的极板上点状凸起的另一结构示意图；
图4为本发明实施例的氢燃料电池的结构示意图。
附图标记表示为：
1、阳极板；11、第一沟槽；12、阳极气体流道；2、膜电极；3、阴极板；31、点状凸起；4、双极板。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本发明的实施例，一种燃料电池极板，用于接触并支撑膜电极2，所述极板朝向所述膜电极2的侧面上设有点状凸起31，所述点状凸起31使得所述极板与所述膜电极2之间形成流通通道。
在朝向膜电极2的极板上设置点状凸起31，膜电极2与点状凸起31接触而得到支撑，相对于传统结构中极板上的脊背与膜电极2的接触面积，采用点状凸起31与膜电极2的接触，大大减小了膜电极2上的接触面，相对提高了膜电极2的暴露面积，增加了气体与膜电极2的接触面积，加快了气体在膜电极2上的传质速度，在用于燃料电池中膜电极2的利用率得到提高。
其中，点状凸起31包括锥台状、圆柱状、棱柱状和椭圆柱状中一种或多种组合。采用顶面为平面结构的点状凸起31，能稳定地支撑膜电极2；可采用其中一种形状的点状凸起31，如图1所示的锥台状、图2的椭圆柱状；或可采用其中几种组合使用，均能起到减少膜电极2的接触面，提高其暴露面积，利于增高膜电极2的利用率。
点状凸起31设有多个，多个点状凸起31设为均匀分布的多列，每列上点状凸起31为均匀布置。基于极板的常规结构为方形，将多个点状凸起31设为均匀分布的排列结构，方便制作，同时减少流体阻力及扰流效果。
对于相邻两列上的点状凸起31排布情况，可设为两种，如图2所示的相邻两列上的点状凸起31排列相同，或如图3所示，相邻两列上的点状凸起31间隔排布，即在列的垂直方向上是交错排布，这种减少了点状凸起31的数量和疏密程度，进一步提高膜电极2的暴露面积。
点状凸起31设为椭圆柱状，点状凸起31的长轴平行流通通道中流体流动方向，这样就减少了流体在流通通道内的流体阻力。
根据本发明的另一实施例，一种双极板4，包括如上所述的燃料电池极板。
本发明实施例的双极板4，如图1所示，包括固定连接的阴极板3和阳极板1，阴极板3上设有点状凸起31，阳极板1上设有第一沟槽11，第一沟槽11的开口朝向阴极板3；点状凸起31与第一沟槽11在双极板4厚度方向上位置重叠。
向第一沟槽11内通入冷却水，能对双极板4进行降温处理。
根据本发明的再一实施例，一种氢燃料电池，包括如上所述的燃料电池极板或如上所述的双极板4。
如图4所示的氢燃料电池的示意图，氢燃料电池还包括膜电极2，膜电极2贴覆在所述点状凸起31上，膜电极2与阴极板3之间的流通通道设为阴极气体通道；第一沟槽11设为冷却通道，阳极板1设有第二沟槽，第二沟槽的开口朝向远离阴极板3的方向，第二沟槽设为阳极气体通道12；阴极气体通道中气体流向垂直于冷却通道或阳极气体通道12中的流体流向。
如图4所示，在膜电极2上方设有另一阳极板1，该阳极板1与膜电极2，以及双极板4上的阴极板3共同组成一个单电池结构。双极板4的上下面分别流通阴阳极反应气体，双极板4中间的流道流通冷却水。
在实际的燃料电池设计中，需要进入的空气量较大，且反应生成水也主要从阴极侧排出，因此，增大阴极侧的进口空间和流动空间有助于提高阴极侧反应气体的传质扩散，也有利于反应生成水的及时排出。冷却水的总进口与阳极氢气的总进口可同时设置在一侧，阴极空气进口可设置在相邻侧，如图4所示的箭头指向。
在氢燃料电池的阴极板3上的离散的点状凸起31，一方面起到扰流的作用，另一方面起到支撑膜电极2的作用，有效提高了膜电极2的暴露面积，提高了燃料电池阴极膜电极2的利用率；装配燃料电池后，阴极流场点状结构与膜电极2另一侧的阳极板1的流道脊背准确对应，起到良好地支撑作用；阴极流场设置为离散结构，使得阴极进口布置更加自由，如图4所示的设在阳极及冷却水进口的相邻侧，且离散结构的强扰动大大增强气体的传质和反应生成水的排出。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池极板，用于接触并支撑膜电极(2)，其特征在于，所述极板朝向所述膜电极(2)的侧面上设有点状凸起(31)，所述点状凸起(31)使得所述极板与所述膜电极(2)之间形成流通通道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板，其特征在于，所述点状凸起(31)包括锥台状、圆柱状、棱柱状和椭圆柱状中一种或多种组合。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池极板，其特征在于，所述点状凸起(31)设有多个，多个所述点状凸起(31)设为均匀分布的多列，每列上所述点状凸起(31)为均匀布置。
4.根据权利要求3所述的燃料电池极板，其特征在于，相邻两列上的所述点状凸起(31)排布相同。
5.根据权利要求3所述的燃料电池极板，其特征在于，相邻两列上的所述点状凸起(31)交错排布。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池极板，其特征在于，所述点状凸起(31)设为椭圆柱状，所述点状凸起(31)的长轴平行于所述流通通道的流体流动方向。
7.一种双极板，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的燃料电池极板。
8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，所述双极板(4)包括固定连接的阴极板(3)和阳极板(1)，所述阴极板(3)上设有点状凸起(31)，所述阳极板(1)设有开口朝向所述阴极板(3)的第一沟槽(11)，所述点状凸起(31)与所述第一沟槽(11)在双极板(4)厚度方向上位置重叠。
9.一种氢燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的燃料电池极板或如权利要求7-8任一所述的双极板(4)。
10.根据权利要求9所述的氢燃料电池，其特征在于，所述燃料电池还包括膜电极(2)，所述膜电极(2)贴覆在所述点状凸起(31)上，所述膜电极(2)与所述阴极板(3)之间的流通通道设为阴极气体通道；所述第一沟槽(11)设为冷却通道，所述阳极板(1)设有第二沟槽，所述第二沟槽的开口朝向远离所述阴极板(3)的方向，所述第二沟槽设为阳极气体通道(12)；所述阴极气体通道中气体流向垂直于所述冷却通道或所述阳极气体通道(12)中的流体流向。
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