CN110620239A - 一种燃料电池单层双极板及电堆和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池单层双极板及电堆和系统，该双极板为一单层板，包括反应区和散热区，所述的反应区为单层板正面设置阳极流场，背面设置阴极流场构成，所述的散热区为自所述反应区至少一端延伸的散热板。与现有技术相比，本发明的导流板打破了传统双层双极板的结构，采用高导热导电的单张板作为双极板，利用板的高导热性能，将散热区与反应区分开，避免了两层板结合固有的接触电阻，降低了电损耗，降低了组装方向上的体积，降低了成本，提高了发电效率。

Description

一种燃料电池单层双极板及电堆和系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体地说是提出了一种新的一种燃料电池单层双极板。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
传统的双极板是由两块金属板焊接而成，或者两块石墨板粘结而成，其中一块板为阳极板，正面设有阳极流道，另一块板为阴极板，正面设有阴极流道，阳极板和阴极板的背面连接在一起，连接在一起的一面设有冷却流体槽，构成三进三出的双极板。
这种传统双极板结构存在散热慢、易堵塞、电阻大等缺陷，而研发人员的改进一直集中在如何设计流道或材质或工艺，以期待改善燃料电池的性能。但是无论如何改进，这种由两块板结合构成的双层双极板结构无法摆脱双层板接触带来的接触电阻，导致的电损耗，而且，燃料电池堆由多个双极板夹设MEA组成，体积大，效率不高。
发明内容
本发明的目的就是为了从根本上克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、体积小、效率高的燃料电池单层双极板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池单层双极板，其特征在于：该双极板为一单层板，包括反应区和散热区，所述的反应区为单层板正面设置阳极流场，背面设置阴极流场构成，所述的散热区为自所述反应区至少一端延伸的散热板。
所述的双极板上设有二进二出孔：氧化剂进出孔和燃料孔。
所述的散热区位于所述反应区的一侧、或两侧、或三侧，或四侧；所述的散热板为高导热导电板，利用材料的高导热特性，将反应区与散热区分开来独立设置。
所述的单层板的材料可以为各种金属材料或复合材料或石墨材料，单层板包括金属板、石墨板或镀有高导热导电金属的复合板；所述的金属板包括不锈钢板、铜板、钛板、镍板或铝板。
所述的金属板表面还涂有高导热或/和高导电的防腐涂层，其中反应区和散热区的涂层材料相同或不同。
所述的散热板为板片状，或翅片状。
所述的散热板的厚度小于或等于反应区单层板厚度。
所述的散热板为平板或波纹板，散热板上设有沟槽或弧面，增加散热效果。
所述的散热区设置风扇进行风冷，或者散热区置于水中进行液冷。
一种燃料电池堆，其特征在于：由多块所述单层双极板夹设MEA膜叠加而成。
一种燃料电池系统，包括氧化剂供应系统和燃料供应系统，其特征在于：将所述电堆置于通风系统中，或置于水(循环水)中，然后连接氧化剂供应系统和燃料供应系统。本发明电堆结构能置于通风箱中，或将散热器置于通风箱中，或置于水中，既可以通过氧化剂冷却，也可以通过液冷却。
与现有技术相比，本发明优点在于：本发明利用材料的高导热特性，在散热过程中，极板的导热特性远大于传热特性，本发明利用这一特性将散热区域和反应区域分开，相较于传统设计，本发明散热区域是“外置”和“独立”设计的，及散热区与反应区分开，避免了两个区域在设计中面积大小的直接关联和相互限制。从根本上改变了现有技术中两种板焊接或粘结在一起组成的双层双极板结构，在一张单层板的两个面分别作为双极板的阳极板面和阴极板面，彻底摒弃了中间夹层设置冷却通道，流经冷却介质的做法，而是一单层板的某一个边或几个边延伸出去作为散热区，这种设计具有以下好处：
A.彻底解决了两张板粘结在一起带来的固有接触电阻，降低了电损耗，提高了发电效率。
B.由于将原来需要两张板叠加才能实现的功能，通过一张板实现了，因此在组装方向上的高度降低了，也降低了成本。
C.从原理上讲，导热导电性能好的板在中间导热或旁边导热，效果上一样的，例如Cu板的导热系数为337千卡/米.小时.度，Cu板作为双极板，反应器温度升高能迅速将该温度传递了散热区，散热区的热量带走了，相当于在反应区的热量同时带走的，因此，也就不需要在反应区设置散热通道。而传统的双层双极板的结构设计就是为了近距离带走反应区产生的热量，防止局部过热造成损伤，本发明利用高导热高导电的材料作为双极板，将反应区与散热器分开，在散热上能起到与传统双层双极板相同的效果，但是能大大提高发电效率，打破了传统双极板结构局限，破除了近距离导热的偏见，对双极板来说是一个革命性的改变。
附图说明
图1为本发明导流板的第一种结构示意图；
图中A为反应区、B为散热区；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明导流板组装的电堆结构示意图；
图4为电堆液冷的结构示意图；
图5为本发明导流板的第二种结构示意图；
图6为图5中导流板与MEA组装的结构示意图；
图7为本发明导流板的第三种结构与MEA组装的示意图；
图8为图7中导流板组装的电堆结构示意图；
图9为图8中电堆风冷的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明做进一步说明。
本发明打破传统燃料电池双层双极板的结构，在一张单层板上实现反应和散热效果。
实施例1
如图1所示，一种燃料电池单层双极板，该双极板为一单层板，包括反应区A和散热区B，所述的反应区A为单层板，上设有二进二出孔：氧化剂进出孔1和燃料孔2，正面设置阳极流场，背面设置阴极流场3构成，所述的散热区B为自所述反应区A两端和两侧四个边均向外延伸的散热板4。该散热板4的厚度小于反应区双极板5的厚度，且散热板4位波纹板，散热板4上还设有多条沟槽，有利益提高散热效果。
所述的单层板的材质为高导热导电不锈钢板。
如图3所示，将上述单层双极板与MEA组装成燃料电池电堆，中间为反应区与MEA叠加形成的电池本体6，两侧为多个散热板4组成的散热区7，如图4所示，将电堆置于水箱8中，水箱8上设置进水管9和出水管10，并在水箱8外部设置水泵和外部散热系统，使循环水散热后循环进入水箱对燃料电池堆的散热区进行冷却。
实施例2
如图5所示，散热区B为反应区A上下两侧延伸出去的高导热导电板，中间反应区A正面设置阳极流场，背面设置阴极流场3，且板上仅有氧化剂进出孔1和燃料孔2，不设冷却流体进出孔。单层双极板的材质为镀有高导热导电金属的复合板。
实施例3
如图6所示，散热区B的散热板4的厚度与反应区A双极板5的厚度相同，反应区A正面设置阳极流场11，背面设置阴极流场3，两张双极板中间夹设一张MEA膜电极，MEA膜电极包括中间的质子交换膜12和其两侧的催化层和扩散层13。散热区B位于发电区A两端。单层双极板的材质为石墨板。其余同实施例1。
实施例4
如图7所示，散热区B设置在反应区A的一侧，两张双极板中间夹设一张MEA膜电极，叠加组成电堆，如图8所示，上面为电池本体6，下面为散热区7，将散热区7置于冷却风道中，如图9所示，冷却风从进口14进入散热区，将热量从冷却风出口15排出。单层双极板的材质为表面涂有高导热高导电的防腐涂层的金属Al。其余同实施例3。
实施例5
单层双极板的材质为表面涂有高导热高导电的防腐涂层的金属Cu。其余同实施例1。

Claims (10)

1.一种燃料电池单层双极板，其特征在于：该双极板为一单层板，包括反应区和散热区，所述的反应区为单层板正面设置阳极流场，背面设置阴极流场构成，所述的散热区为自所述反应区至少一端延伸的散热板。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的双极板上设有二进二出孔：氧化剂进出孔和燃料孔。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的散热区位于所述反应区的一侧、或两侧、或三侧，或四侧；所述的散热板为高导热导电板。
4.如权利要求3所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的单层板的材料可以为各种金属材料或复合材料或石墨材料，单层板包括金属板、石墨板或镀有高导热导电金属的复合板；所述的金属板包括不锈钢板、铜板、钛板、镍板或铝板。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的金属板表面还涂有高导热或/和高导电的防腐涂层，其中反应区和散热区的涂层材料相同或不同。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的散热板为板片状，或翅片状；所述的散热板为平板或波纹板，散热板上设有沟槽或弧面。
7.如权利要求1所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的散热板的厚度小于或等于反应区单层板厚度。
8.如权利要求1所述的一种燃料电池单层双极板，其特征在于：所述的散热区设置风扇进行风冷，或者散热区置于水中进行液冷。
9.一种燃料电池堆，其特征在于：由多块权利要求1所述单层双极板夹设MEA膜叠加而成。
10.一种燃料电池系统，包括氧化剂供应系统和燃料供应系统，其特征在于：将权利要求9所述电堆置于通风系统中，或置于水中，然后连接氧化剂供应系统和燃料供应系统。
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