CN110492125B - 一种板结构、双板装置及具有其的燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种板结构，通过所述板结构可构成双板装置，其中板结构通过其材料的选用，如选用金属材料或其它合适的材料，可形成为双极板，进而所述双极板可用于燃料电池中。本发明的双极板，冷却介质和反应气体流动方向呈垂直或交叉。反应气体流道整体上是直流道，每个流道底部含有间隔分布的连通部，连通部形成为凸起，这些凸起能够起到增加气体流动和扩散传质的目的，同时本发明所述方案也避免冷却介质和反应气体进口在空间上的竞争关系。

Description

一种板结构、双板装置及具有其的燃料电池

技术领域

本发明涉及一种板结构、双板装置，具体而言，涉及一种双极板及具有其的燃料电池。

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，由于双极板很薄，布置冷却系统存在较大的困难。针对目前的平面双极板构型，大致存在两种冷却水布置方式：第一种如图1所示，双极板400，其中的冷却水通道401与反应气体通道402分布在同侧，两种介质流动方向基本一致；第二种如图2所示，双极板400，其中的冷却水通道401与反应气体通道402分布在相邻的两侧，两种介质的流动方向基本呈交叉排布。以上两种排布方式各有优缺点，前者的反应气体和冷却水均具有直通型的流动通道，因此流通性好，反应气体和冷却水压降较小，但是进口位置布置困难，与反应气体进口位置布置存在竞争关系，易导致冷却水流动不均匀，且由于流动湍流程度较低，换热能力较小。第二种排布方式中冷却水的流经通道存在弯折，其通道壁面不规则、不平滑，因此冷却水流动阻力较大，但这增加了湍流度，具有较大的换热能力，同时冷却水进口位置布置相对容易，流动能够强制均匀，进而换热也较为均匀。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种板结构，通过所述板结构可构成双板装置，其中板结构通过其材料的选用，如选用金属材料或其它合适的材料，可形成为双极板，进而所述双极板可用于燃料电池中。

本发明的双极板，冷却介质优选为冷却水，和反应气体流动方向呈垂直或交叉。反应气体流道整体上是直流道，每个流道底部含有间隔分布的连通部，连通部形为凸起，这些凸起能够起到增加气体流动和扩散传质的目的，同时本发明所述方案也避免冷却水和反应气体进口在空间上的竞争关系。

具体地：

一种板结构，包括正面和反面，其特征在于：正面形成有多个第一凹槽和多个第一凸起，第一凹槽在板结构的纵向方向上从板结构的一端延伸到另一端，进而形成第一通道，第一凹槽与第一凸起间隔设置；

反面形成有多个第二凹槽和多个第二凸起，第二凹槽在板结构的纵向方向上从板结构的一端延伸到另一端，进而形成第二通道，第二凹槽与第二凸起间隔设置；

正面的第一凹槽的底面和侧面在反面形成第二凸起的顶面和侧面；

反面的第二凹槽的底面和侧面在正面形成第一凸起的顶面和侧面；

正面的第一凹槽的底面形成有向上凸起的多个连通部，所述连通部使得反面的多个第二凹槽处于相互连通的状态；

在板结构的横向上，板结构的横向两侧分别设有第一开口和第二开口，第一开口和第二开口均用于连通外界与第二凹槽。

优选地，第一凹槽的底面由平直部和突出部间隔构成，所述突出部形成所述连通部。

优选地，连通部的高度低于第一凹槽的深度。

优选地，正面的多个第一凸起的顶面大致位于同一平面上，反面的多个第二凸起的顶面大致位于同一平面上。

优选地，每个第一凹槽上设置的连通部的数量相同，每个第一凹槽上设置的连通部在板结构纵向上的位置相同。

优选地，部分第一凹槽上设置的连通部的数量不同。

优选地，部分第一凹槽上设置的连通部在板结构纵向上的位置不同。

另外本发明还提供一种双板装置，包括两个本发明所述的板结构，分别为第一板和第二板，所述双板装置通过将第一板和第二板通过相互压叠的方式的形成，压叠时，第一板的反面和第二板的反面面对面对应设置，从而使得第一板的第二凹槽与第二板的第二凹槽面对面形成的空间，与第一板的连通部和第二板的连通部面对面形成的空间共同形成为互相连通的空间。

优选地，所述双板装置形成为双极板。

另外本发明还提供一种燃料电池，包括本发明所述的双板装置，所述互相连通的空间形成为冷却介质流道；第一板正面的第一凹槽形成阳极流道，第二板正面的第一凹槽形成阴极流道。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的冷却水流道方案，可使气体反应流道成直流道的形式。能够避免采用常见的S型气体反应流道，流通阻力较小，同时使得冷却水进口布置较为容易(不与反应气体进口保持在同一侧)，且保证了冷却水流动过程足够的湍流度和流动均匀性。同时，气侧的凸起能够强化对流传质。

本发明能够解决燃料电池冷却水与反应气体通道布置的竞争性关系，强化冷却水的换热效果，且能够强制冷却水均匀流动；在反应气体侧，凸起扰流能够强化气体的对流传质作用。采用本发明双板装置的燃料电池具有较好的冷却能力和性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中的双极板的冷却水布置方式示意图一。

图2现有技术中的双极板的冷却水布置方式示意图二。

图3本发明的实施例一的双板装置的示意图。

图4本发明的连通部的截面示意图。

图5本发明的实施例二的双板装置的示意图。

图6本发明的实施例三的双板装置的其中的板结构示意图。

1-板结构，2-正面，21-第一凹槽，22-第一凸起，23-连通部，24-第一开口，25-第二开口；3-反面，31第二凹槽，32-第二凸起；4-双极板，41-冷却介质流道，42-阴极流道，43-阳极流道；

400-现有技术的双极板，401-冷却水通道，402-反应气体通道。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

下面结合附图3-6对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：

一种板结构1，包括正面2和反面3，正面2形成有多个第一凹槽21和多个第一凸起22，第一凹槽21在板结构1的纵向方向上从板结构1的一端延伸到另一端，进而形成第一通道，第一凹槽21与第一凸起22间隔设置；

反面3形成有多个第二凹槽31和多个第二凸起32，第二凹槽31在板结构1的纵向方向上从板结构1的一端延伸到另一端，进而形成第二通道，第二凹槽31与第二凸起32间隔设置；

正面2的第一凹槽21的底面和侧面在反面3形成第二凸起32的顶面和侧面；反面3的第二凹槽31的底面和侧面在正面2形成第一凸起

22的顶面和侧面；

正面2的第一凹槽21的底面形成有向上凸起的多个连通部23，所述连通部23使得反面3的多个第二凹槽31处于相互连通的状态；

在板结构1的横向上，板结构1的横向两侧分别设有第一开口24和第二开口25，第一开口24和第二开口25均用于连通外界与第二凹槽31。

优选地，第一凹槽21的底面由平直部和突出部间隔构成，所述突出部形成所述连通部23。

优选地，连通部23的高度低于第一凹槽21的深度。

优选地，正面2的多个第一凸起22的顶面大致位于同一平面上，反面3的多个第二凸起32的顶面大致位于同一平面上。

优选地，每个第一凹槽21上设置的连通部23的数量相同，每个第一凹槽21上设置的连通部23在板结构1的纵向位置相同。

优选地，部分第一凹槽21中设置的连通部23的数量不同。

优选地，部分第一凹槽21中设置的连通部23在板结构1的纵向位置不同。

另外本发明还提供一种双板装置，包括两个本发明所述的板结构1，分别为第一板和第二板，其通过将第一板的和第二板通过相互压叠的方式的形成，压叠时，第一板的反面3和第二板的反面3面对面对应设置，从而使得第一板的第二凹槽31与第二板的第二凹槽31面对面形成的空间，与第一板的连通部23和第二板的连通部23面对面形成的空间共同形成为互相连通的空间。

优选地，所述双板装置形成为双极板4。

另外本发明还提供一种一种燃料电池，包括本发明所述的双板装置，所述互相连通的空间形成为冷却介质流道41；第一板正面2的第一凹槽21形成阳极流道43，第二板正面2的第一凹槽21形成阴极流道42。

优选地，第一开口24为冷却介质进口，第二开口25为冷却介质出口。

优选地，冷却介质为冷却水。

优选地，阴极流道42，阳极流道43为反应气体流道。

下面参考图3-6对本发明的原理和过程作一描述：

实施例一：

如图3所示，提出一种板结构1，所述板结构1具有特定的结构，通过上述板结构1构成的装置，可以实现良好的散热，如通过两个上述板结构1，可以形成双板装置，通过对板结构1材料的选用，如选用金属材料，上述双板装置可以形成为双极板4，进而应用到燃料电池中。

本发明的双极板4可以实现燃料电池金属双极板4上反应气体和冷却水交叉流动。本发明中的阴极流道42、阳极流道43均采用直通型流道，两者平行流动，阴极流道42或阳极流道43的流道中间具有间隔分布的连通部23，连通部23形成为凸起状，其包括凸起部分，凸起部分具有一定的扰流作用和强化传质的作用，凸起部分的背面形成冷却介质流道41的通道，当两块板结构1焊接或粘贴在一起时，冷却水得以在中间流动。

如图3所示。本发明所述的双极板4中包括三种流道，阴极流道42、阳极流道43和冷却介质流道41。其中，阴极流道42、阳极流道43也称为阴阳极反应气体流道，其为简单的直通型流道，流道中包含间隔分布的连通部23，连通部23的截面可以是矩形、圆形、椭圆形、三角形、梯形或弧形等(如图4所示)，但从加工的便利性和双极板4强度的角度考虑，推荐采用一般的经过设计的弧形结构，这种结构具有较好的结构强度，此外，在反应气体流道内，一般弧形结构形成的凸起对反应气体能够起到更好的导流作用，从而反应气体流道具有较好的流动性能。由图3可知，两个板结构1中间形成的冷却介质流道41为直通型，冷却介质能够在其中沿着与反应气体相同的流动方向流动，每个冷却介质流道41上的冷却介质进口、出口并不要求必须对应或分布在一条直线上。

如图4所示，其中公开了连通部23的可选的截面形状，其中示意出了弧形截面，矩形截面，梯形截面，三角形截面，平弧形截面，波浪形截面。当然本领域技术人员可以根据实际的需要选用其它合适的截面形状。

实施例二：

如图5所示，其与图3的基本结构相同，不同之处是：其第一开口24、第二开口25的位置与图3不同。第一开口24位于横向两侧其中一侧的一端，第二开口25位于横向两侧的其中另一侧的另一端。其中第一开口24为冷却介质进口，第二开口25为冷却介质出口，虽然增加了冷却介质的流动阻力，但在一定程度上也能够使得冷却更加均匀。

实施例三：

如图6所示，其与图3的基本结构相同，不同之处是：连通部23的位置与图3不同；图6中每个第一凹槽21内的连通部23的数量和位置不同，当然也可设计成仅是数量不同或仅是位置不同。可以得到如图6所示的结构，连通部23位置的调整实际上是调整双极板4冷却介质分布，本发明可针对燃料电池反应过程中一些无法克服的因素(例如反应气体进出口位置)导致的温度分布不均匀进行局部冷却微调，即在热负荷严重的地方引入冷却介质，而在热负荷不严重的地方关闭冷却介质流道41。

有益效果：

本发明的板结构1，通过所述板结构1可构成双板装置，其中板结构1通过其材料的选用，如选用金属材料或其它合适的材料，可形成为双极板4，进而所述双极板4可用于燃料电池中。本发明反应气体流道整体上是直流道，每个流道底部含有间隔分布的连通部23，连通部23形成为凸起，这些凸起能够起到增加气体流动和扩散传质的目的，同时本发明也避免冷却介质和反应气体进、出口在空间上的竞争关系。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种板结构(1)，包括正面(2)和反面(3)，其特征在于：正面(2)形成有多个第一凹槽(21)和多个第一凸起(22)，第一凹槽(21)在板结构(1)的纵向方向上从板结构(1)的一端延伸到另一端，进而形成第一通道，第一凹槽(21)与第一凸起(22)间隔设置；

反面(3)形成有多个第二凹槽(31)和多个第二凸起(32)，第二凹槽(31)在板结构(1)的纵向方向上从板结构(1)的一端延伸到另一端，进而形成第二通道，第二凹槽(31)与第二凸起(32)间隔设置；

正面(2)的第一凹槽(21)的底面和侧面在反面(3)形成第二凸起(32)的顶面和侧面；反面(3)的第二凹槽(31)的底面和侧面在正面(2)形成第一凸起(22)的顶面和侧面；

正面(2)的第一凹槽(21)的底面形成有向上凸起的多个连通部(23)，所述连通部(23)使得反面(3)的多个第二凹槽(31)处于相互连通的状态；

在板结构(1)的横向上，板结构(1)的横向两侧分别设有第一开口(24)和第二开口(25)，第一开口(24)和第二开口(25)均用于连通外界与第二凹槽(31)。

2.据权利要求1所述的板结构(1)，其特征在于：第一凹槽(21)的底面由平直部和突出部间隔构成，所述突出部形成所述连通部(23)。

3.根据权利要求1，2任一所述的板结构(1)，其特征在于：连通部(23)的高度低于第一凹槽(21)的深度。

4.根据权利要求1，2任一所述的板结构(1)，其特征在于：正面(2)的多个第一凸起(22)的顶面大致位于同一平面上，反面(3)的多个第二凸起(32)的顶面大致位于同一平面上。

5.根据权利要求1，2任一所述的板结构(1)，其特征在于：每个第一凹槽(21)上设置的连通部(23)的数量相同，每个第一凹槽(21)上设置的连通部(23)在板结构(1)纵向上的位置相同。

6.根据权利要求1，2任一所述的板结构(1)，其特征在于：部分第一凹槽(21)上设置的连通部(23)的数量不同。

7.根据权利要求1，2任一所述的板结构(1)，其特征在于：部分第一凹槽(21)上设置的连通部(23)在板结构(1)纵向上的位置不同。

8.一种双板装置，其特征在于：包括两个权利要求1-7任一所述的板结构(1)，分别为第一板和第二板，所述双板装置通过将第一板和第二板通过相互压叠的方式的形成，压叠时，第一板的反面(3)和第二板的反面(3)面对面对应设置，从而使得第一板的第二凹槽(31)与第二板的第二凹槽(31)面对面形成的空间，与第一板的连通部(23)和第二板的连通部(23)面对面形成的空间共同形成为互相连通的空间。

9.根据权利要求8所述的双板装置，其特征在于：所述双板装置形成为双极板(4)。

10.一种燃料电池，其特征在于：包括权利要求9所述的双板装置，所述互相连通的空间形成为冷却介质流道(41)；第一板正面(2)的第一凹槽(21)形成阳极流道(43)，第二板正面(2)的第一凹槽(21)形成阴极流道(42)。

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