CN111146469A - 超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨‑金属复合双极板。本发明包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板和阳极单极板上设置有反应流场、阳极反应物进出口和阴极反应物进出口，阳极反应物进出口和阴极反应物进出口设置在双极板的四周，反应流场设置在双极板的中央，包括由凹凸沟槽形成的流场单元及凸台与凸起沟槽组成的点状沟槽分配流道，流场单元包括水平直型沟槽和垂直直型沟槽，点状沟槽分配流道的一端与流场单元，另一端分别与阳极反应物进出口或阴极反应物进出口连接。本发明双极板活性面积大于1000cm2，满足超大功率燃料电池电堆的要求及超大活性面积双极板的流体分布均匀和散热均匀的要求。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及到一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板。
背景技术
随着燃料电池技术的发展和在大型商用车、机车、轮船上的使用，其要求燃料电池的功率越来越大，现在所用的双极板的活性面积大都小于300cm2，由于燃料电池叠片的数量不能过多，过多会影响电池的一致性。而在大型商用车、机车、轮船上需要使用超过200kW，甚至需要达到20000kW的燃料电池电堆，这需要多个甚至几十上百个电堆组成发电模块来供电，采用这种多电堆模块方式供电，系统控制复杂、价格昂贵，现在所用的双极板活性面积小，无法满足超大功率电堆的要求。
燃料电池工作后，在电堆以及其系统中存在大量液态水及气态水，燃料电池中的液态水和气态水的分布和排出直接影响燃料电池的性能。燃料电池内部燃料气态流体和氧化剂气态流体的流动方式决定了液态水和气态水在燃料电池流场的分布以及液态水的排出，而每片电池的液态水的排水和气态水的锁水一致性决定了燃料电池电堆的一致性、寿命及性能。现有燃料电池内部存在水分布不均匀的问题，电池在排出液态水时，液态堵水堵塞流道出口，引起单片电池电压偏差过大或单片电池电压突然下降问题。
液冷燃料电池电堆，其双极板是由两块流场板贴合而成，目前现有的两块流场板流道是相对的平行的直流道，这种流场结构简单，容易加工，但由于流道是直流道，要求两块流场板流道的脊必须严格对齐，这就存在加工精度要求高，流道精度误差不能超过0.01mm，两块流场板贴合的误差不能超过0.02mm，这样才能使在电堆装配过程中不会因为相邻双极板流道的脊错位而对膜电极造成损伤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板。本发明质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板的活性面积大于1000cm2，满足超大功率燃料电池电堆的要求，同时采用独特流体进口、出口设计，满足超大活性面积双极板的流体分布均匀和散热均匀的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板和阳极单极板上设置有反应流场、阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口及阴极反应物出口，所述阳极反应物进口和阳极反应物出口设置在阳极单极板的四周，阴极反应物进口和阴极反应物出口设置在阴极单极板的四周，反应流场设置在阴极单极板和阳极单极板的中央，包括由凹凸沟槽形成的流场单元及凸台与凸起沟槽组成的点状沟槽分配流道，流场单元包括水平直型沟槽和垂直直型沟槽，所述点状沟槽分配流道的一端与水平直型沟槽或垂直直型沟槽连通，另一端分别与阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口或阴极反应物出口连接。
所述凸台向双极板正面凸起，相互不连接的凸台与凸起沟槽形成点状沟槽分配流道，点状沟槽分配流道中凸起的沟槽比水平直型沟槽及垂直直型沟槽凸起的沟槽要低，点状沟槽分配流道中凸台和凸起沟槽的总高度和水平直型沟槽及垂直直型沟槽的高度相同。
所述阴极反应物进口包括阴极板空气进口、阴极板水腔进口和阴极板氢气进口，阴极反应物出口包括阴极板空气出口、阴极板水腔出口和阴极板氢气出口；所述阳极反应物进口包括阴极板空气进口、阳极板水腔进口和阳极板氢气进口，阳极反应物出口包括阳极板空气出口、阳极板水腔出口和阳极板氢气出口。
所述点状沟槽分配流道中每个凸台的上表面面积为0.5-2mm2，相邻凸台之间间距为1.0-2mm。
所述凹凸沟槽是冲压形成的，双极板正、背面的凹凸沟槽相互对应，正面的凸起对应背面的凹槽，正面凸起的上表面处在一个平面上；正面的凹槽对应背面的凸起，背面的凸起也在一个平面上，正面的凹沟槽构成阴极和阳极腔的流道，背面的凹沟槽构成冷却水腔的流道。
所述阴极单极板由金属冲压而成，其水平直型沟槽位于反应流场的上部和下部，垂直直型沟槽位于反应流场的中间部分，水平直型沟槽与垂直直型沟槽的两边相连，除与水平直型沟槽相连的垂直直型沟槽外其他垂直直型沟槽的长度相同，与水平直型沟槽连接的垂直直型沟槽的长度大于其他垂直直型沟槽的长度。
所述阳极单极板由石墨模压而成，其垂直直型沟槽位于反应流场的左部和右部，水平直型沟槽位于反应流场的中间部分，垂直直型沟槽与水平直型沟槽的两边相连，除与垂直直型沟槽相连的水平直型沟槽外其他水平直型沟槽的长度相同，与垂直直型沟槽连接的水平直型沟槽的长度大于其他水平直型沟槽的长度，阳极单极板背面为平板，无流场。
所述阴极单极板和阳极单极板上还设置有密封结构，阳极反应物进出口和阴极反应物进出口完全相同，阳极单极板和阴极单极板相对搭接的部分构成连续串接的水流分配流道。
所述阴极单极板和阳极单极板的四角设置有定位防震缺口，缺口尺寸（10×10-25×25）mm 2。
所述反应流场中，流体经每个流场单元的路径长度完全相同。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明设计出活性面积大于1000cm2，满足超大功率燃料电池电堆的要求，同时采用独特流体进口、出口设计，满足超大活性面积双极板的流体分布均匀和散热均匀的要求；可及时地排出液态水，不会因为液态水积蓄而导致电堆水淹；可防止每片电池在氢气出口处的水积蓄影响气体流速而使单电池电压的偏差过大，影响整个电堆性能及寿命；可有效地锁住气态水，在电堆内部形成循环增湿，提高电池性能，去除外部增湿器；双极板中阳极侧流道与阴极侧流道在任何位置为交叉方式，这有利于电极中水在电极中均匀分布，提升电池的性能和寿命；双极板的四周为流体进口、出口的歧管口，流体在双极板流动更加均匀、其散热也更加均匀；双极板的外形尺寸、歧管口可以同比例放大，不影响整个双极板的流场布局。
附图说明
图1是本发明实施例1阴极单极板的结构示意图。
图2是本发明实施例1阳极单极板的结构示意图。
图3是本发明实施例1阴极单极板流场单元沟槽的结构示意图。
图4是本发明实施例1阳极单极板流场单元沟槽的结构示意图。
图5是本发明实施例1阴极板空气进口处空气分配流道的放大结构示意图。
图6是本发明实施例1氢气进口端歧管口结构示意图。
图7是本发明实施例1氢气出口端歧管口结构示意图。
附图标记说明：1-阴极板空气进口，2-阴极板水腔进口，3-阴极板氢气进口，4-阴极板空气出口，5-阴极板水腔出口，6-阴极板氢气出口，7-水平直型沟槽，8-垂直直型沟槽，9-凸台，10-密封结构；1’ -阳极板空气进口，2’ -阳极板水腔进口，3’ -阳极板氢气进口，4’-阳极板空气出口，5’-阳极板水腔出口，6’-阳极板氢气出口。
具体实施方式
一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，阴极为金属板，沟槽采用冲压形成工艺，正、背两面的流道凹凸沟槽相互对应，正面的凸起是背面的凹槽，正面的凸起的上表面处在一个平面上；正面的凹槽是背面的凸起，背面的凸起也在一个平面上，正面的凹沟槽分别构成了阴极腔的流道，背面的所有凹沟槽构成了冷却水腔的流道。在阴极极板的流场上部分，凸起的沟槽为水平直型沟槽，在在阴极极板的流场中部，凸起的沟槽为垂直直型沟槽，在阴极极板的流场下部分，凸起的沟槽为水平直型沟槽，在阴极极板的入口和出口，为凸台与凸起沟槽组成的点状沟槽分配流道，采用这种复合流道，凹槽背面点状凸起形成冷却水腔入口和出口分配区，可以减小冷却水的阻力，冷却水分布更加均匀。阴极极板的正面还有密封凹沟槽，密封凹沟槽底面的背面是冷却腔侧，密封凹沟槽底面的背面是凸起面，该凸起面的上表面在一个平面上，该平面与阴极腔流道凹槽背面凸起形成的平面不在一个平面上，密封凹沟槽底面的背面形成的平面比阴腔流道凹槽背面凸起形成的平面高，这个高度形成水腔的进口。
阴极极板内部反应流场和分配区同样是正方形结构，如图1所示。在氢气和空气的出口存在大量水汽，这些水汽中存在液态水，液态水积蓄在尾气歧管，堵塞尾气出口，因而出口歧管比尾气排出口低，从而保证积蓄在歧管通道的液态水不影响尾气的排出，同时也不会因为液态水的积蓄而影响电池的均一性。
阴极单极板中部凹凸沟槽构成的流道由中间部分的垂直直型沟槽流场流道、上下部是水平直型沟槽流场流道，进口与出口是点状沟槽分配流道和与点状沟槽分配流道连通的进出口通道组成，点状沟槽分配流道的一端与反应流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道或者水流进出口通道连通，上下部水平直型沟槽流场流道两端的分配流道是点状沟槽流道，中间是垂直直型沟槽流场流道，所述点状沟槽流道是由向阴极单极板正面凸起的相互不连接的凸台形成的，凸台在凸起沟槽中，凸起的沟槽比反应流场区域凸起沟槽要低，凸台和凸起沟槽一起的高度和中间部分的垂直直型沟槽、上下部水平直型沟槽一样，每个凸台的上表面面积在0.5-2mm2，相邻凸台之间间距在1.0-2.0mm。
阳极单极板经石墨模压而成，由中部凹凸沟槽构成的流道、四周开设的公用氢气通道进口与出口、公用空气通道进口与出口以及公用水流通道进口与出口组成，阳极单极板反应流场结构为正方形，阳极单极板中部凹凸沟槽构成的流道由中间部分的水平直型沟槽流场流道、左右部垂直直型沟槽流场流道，进口与出口由点状沟槽分配流道和与点状沟槽分配流道连通的进出口通道组成，点状沟槽分配流道的一端与反应流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道或者水流进出口通道连通，左右部垂直直型沟槽流场流道两端是点状沟槽分配流道，中间是水平直型沟槽流场流道，点状沟槽流道是由向阳极单极板正面凸起的相互不连接的凸台形成的，凸台在凸起沟槽中，点状沟槽分配流道中凸起的沟槽比反应流场区域凸起沟槽要低，凸台和凸起沟槽一起的高度和中间部分的垂直直型沟槽流场流道、上下部是平行直型沟槽一样。每个凸台的上表面面积在0.5-2mm2，相邻凸台之间间距为1.0-2mm。阳极单极板和阴极单极板相对搭接的部分构成连续串接的水流分配流道。
本发明质子交换膜燃料电池石墨-金属双极板，各类流体的流程如下：阴极气体空气从阴极进口端歧管口进入阴极气体进口通道，经过阴极空气进口通道进入点状分配流道，然后进入平行流场流道，再进入垂直流场流道、平行流场流道，最后经过阴极出口点状分配流道进入阴极空气出口通道，后经阴极空气出口端歧管口流出。阳极气体氢气从阳极进口端歧管口进入阳极氢气进口通道，经过阳极氢气进口通道进入点状分配流道，然后进入垂直流场流道，再进入平行流场流道、垂直流场流道，最后经过阳极出口点状分配流道进入阳极氢气出口通道，后经阳极氢气出口端歧管口流出。冷却水从水腔进口端歧管口进入水腔通道，经过水腔主分配通道，再进入凹坑搭接的水腔分配流道，水通过凹坑搭接的水腔分配流道流入阴阳极板背面相对的凹槽中，再经水腔出口主分配流道进入水腔出口通道，后经水腔出口端歧管口流出。
下面结合具体实施例和附图详细叙述本发明的技术方案。
实施例 1
一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，阴极单极板外型尺寸为450×450mm，四角设置有定位防震缺口，缺口尺寸15×15mm，流场部分有效面积为 330×330mm，其余为密封结构10和歧管口。阴极气体进出口、阳极气体进出口的歧管口完全相同，极板材料为0.1mm不锈钢薄板，采用冷冲压工艺冲压阴阳极板，粘接成型为双极板，双极板厚度为1.2mm，流场深度为 0.5mm，宽度为0.6mm，密封结构10的凹槽宽5mm，歧管口距离密封结构10的凹槽1.5mm，阴极流体歧管口尺寸为47×110mm，阳极流体歧管口与阴极流体歧管口尺寸相同，冷却水流体歧管口尺寸为47×212mm，如图1-7 所示。
阴极单极板的流场单元由水平直型沟槽和垂直直型沟槽组成，水平直型沟槽与垂直直型沟槽的两边相连，在所有的流场单元中，除与水平直型沟槽相连的垂直直型沟槽外其他垂直直型沟槽的长度相同，为116mm，与水平直型沟槽相连的垂直沟槽224mm，在极板流场中，流体经每个流场单元的路径长度完全相同，最右边流场单元的上平行沟槽为3mm，下平行沟槽为220mm，最左边流场单元的上平行沟槽为220mm，下平行沟槽为3mm，每个流场单元的垂直凸出沟槽宽度为5.5mm，流场单元之间的间距为0.5mm，相邻流场单元的上平行凸沟槽、下平行凸沟槽长度相差4mm，阴极单极板由金属冲压而成，其背面构成水腔，如图1、2所示。
阴极单极板点状沟槽分配流道中凸台为直径0.5mm的圆形凸台，凸台高0.2mm，沟槽凸出0.3mm，点状沟槽分配流道整体为直角三角形，圆形凸台在沟槽内的间距2mm，三角形点状沟槽分配流道的直角边边长为46×92mm，面积2116mm2，如图5所示。
阳极单极板由石墨经模压而成，其流场单元由水平直型沟槽和垂直直型沟槽组成，垂直直型沟槽组成与水平直型沟槽的两边相连，在所有的流场单元中，除与垂直直型沟槽相连的水平直型沟槽外其他水平直型沟槽的长度相同，为116mm，与垂直直型沟槽相连的水平直型沟槽为224mm，在极板流场中，流体经每个流场单元的路径长度完全相同，最上边流场单元的左垂直沟槽为3mm，右垂直沟槽为220mm，最下边流场单元的左垂直沟槽为220mm，右垂直沟槽为3mm，每个流场单元水平直型沟槽的宽度为5.5mm，流场单元之间的间距为0.5mm，相邻流场单元的左垂直凸沟槽、右垂直凸沟槽长度相差4mm，阳极单极板的点状沟槽分配流道与阴极单极板相同，阳极单极板的背面为平板，无流场，如图3、4所示。
双极板结构设计的评价主要是双极板有效使用面积、气腔流体阻力和分配均匀性、水腔流体阻力和分配均匀性，电池性能。
实施例 1 中双极板结构性能测试指标如下：
双极板有效使用面积：330×330/450×450×100%=53.8%。
进口压力为0.1MPa，干燥空气流量为20L/min，流速5m/s时，阴极腔阻力降为10KPa，阳极腔阻力降为10KPa。各流道气流阻力降最大偏差为10%（计算方法为各流道压力降中最大值与最小值之差占压力降算术平均值的百分比下同）。进口水压头为1.5m水柱，单片双极板水腔流量为200mL/min，流速1m/s。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，包括阴极单极板和阳极单极板，阴极单极板和阳极单极板上设置有反应流场、阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口及阴极反应物出口，其特征在于，所述阳极反应物进口和阳极反应物出口设置在阳极单极板的四周，阴极反应物进口和阴极反应物出口设置在阴极单极板的四周，反应流场设置在阴极单极板和阳极单极板的中央，包括由凹凸沟槽形成的流场单元及凸台（9）与凸起沟槽组成的点状沟槽分配流道，流场单元包括水平直型沟槽（7）和垂直直型沟槽（8），所述点状沟槽分配流道的一端与水平直型沟槽（7）或垂直直型沟槽（8）连通，另一端分别与阳极反应物进口、阳极反应物出口、阴极反应物进口或阴极反应物出口连接。
2.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述凸台（9）向双极板正面凸起，相互不连接的凸台（9）与凸起沟槽形成点状沟槽分配流道，点状沟槽分配流道中凸起的沟槽比水平直型沟槽（7）及垂直直型沟槽（8）凸起的沟槽要低，点状沟槽分配流道中凸台（9）和凸起沟槽的总高度和水平直型沟槽（7）及垂直直型沟槽（8）的高度相同。
3.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述阴极反应物进口包括阴极板空气进口（1）、阴极板水腔进口（2）和阴极板氢气进口（3），阴极反应物出口包括阴极板空气出口（4）、阴极板水腔出口（5）和阴极板氢气出口（6）；所述阳极反应物进口包括阴极板空气进口（1’）、阳极板水腔进口（2’）和阳极板氢气进口（3’），阳极反应物出口包括阳极板空气出口（4’）、阳极板水腔出口（5’）和阳极板氢气出口（6’）。
4.根据权利要求1或2所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述点状沟槽分配流道中每个凸台（9）的上表面面积为 0.5-2mm2 ，相邻凸台（9）之间间距为 1.0-2mm。
5.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述凹凸沟槽是冲压形成的，双极板正、背面的凹凸沟槽相互对应，正面的凸起对应背面的凹槽，正面凸起的上表面处在一个平面上；正面的凹槽对应背面的凸起，背面的凸起也在一个平面上，正面的凹沟槽构成阴极和阳极腔的流道，背面的凹沟槽构成冷却水腔的流道。
6.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述阴极单极板由金属冲压而成，其水平直型沟槽（7）位于反应流场的上部和下部，垂直直型沟槽（8）位于反应流场的中间部分，水平直型沟槽（7）与垂直直型沟槽（8）的两边相连，除与水平直型沟槽（7）相连的垂直直型沟槽（8）外其他垂直直型沟槽（8）的长度相同，与水平直型沟槽（7）连接的垂直直型沟槽（8）的长度大于其他垂直直型沟槽（8）的长度。
7.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述阳极单极板由石墨模压而成，其垂直直型沟槽（8）位于反应流场的左部和右部，水平直型沟槽（7）位于反应流场的中间部分，垂直直型沟槽（8）与水平直型沟槽（7）的两边相连，除与垂直直型沟槽（8）相连的水平直型沟槽（7）外其他水平直型沟槽（7）的长度相同，与垂直直型沟槽（8）连接的水平直型沟槽（7）的长度大于其他水平直型沟槽（7）的长度，阳极单极板背面为平板，无流场。
8.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述阴极单极板和阳极单极板上还设置有密封结构（10），阳极反应物进出口和阴极反应物进出口完全相同，阳极单极板和阴极单极板相对搭接的部分构成连续串接的水流分配流道。
9.根据权利要求1所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述阴极单极板和阳极单极板的四角设置有定位防震缺口，缺口尺寸（10×10-25×25）mm2。
10.根据权利要求6或7所述的超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板，其特征在于，所述反应流场中，流体经每个流场单元的路径长度完全相同。
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111769315A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种燃料电池流体歧管结构 |
| CN111799483A (zh) * | 2020-06-17 | 2020-10-20 | 南方科技大学 | 复合双极板及电化学氢气压缩装置 |
| CN112382772A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-02-19 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池的阴极板、双极板及燃料电池 |
| CN112666462A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-16 | 上海电气集团股份有限公司 | 评估质子交换膜燃料电池pemfc性能的方法及装置 |
| CN113381038A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-09-10 | 东风汽车集团股份有限公司 | “z”型流场区域分配的金属双极板 |
| CN114400347A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-04-26 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种用于燃料电池的双极板以及燃料电池 |
| CN113463107B (zh) * | 2021-06-01 | 2022-05-13 | 武汉理工大学 | 一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板 |
| CN114883593A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-09 | 深圳市氢蓝时代动力科技有限公司 | 燃料电池双极板流场结构和燃料电池 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060086983A (ko) * | 2006-06-09 | 2006-08-01 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 바이폴라 플레이트 |
| CN101572318A (zh) * | 2009-06-16 | 2009-11-04 | 新源动力股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池金属双极板 |
| JP2016146313A (ja) * | 2015-02-02 | 2016-08-12 | 株式会社フジクラ | バイポーラプレート及びダイレクトメタノール型燃料電池 |
| CN110048140A (zh) * | 2018-01-17 | 2019-07-23 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 燃料电池车及其燃料电池、双极板、单极板 |
| CN110212213A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-09-06 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池双极板 |
| CN211404636U (zh) * | 2020-01-17 | 2020-09-01 | 无锡威孚高科技集团股份有限公司 | 超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板 |
-
2020
- 2020-01-17 CN CN202010052276.XA patent/CN111146469A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060086983A (ko) * | 2006-06-09 | 2006-08-01 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 바이폴라 플레이트 |
| CN101572318A (zh) * | 2009-06-16 | 2009-11-04 | 新源动力股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池金属双极板 |
| JP2016146313A (ja) * | 2015-02-02 | 2016-08-12 | 株式会社フジクラ | バイポーラプレート及びダイレクトメタノール型燃料電池 |
| CN110048140A (zh) * | 2018-01-17 | 2019-07-23 | 郑州宇通客车股份有限公司 | 燃料电池车及其燃料电池、双极板、单极板 |
| CN110212213A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-09-06 | 上海捷氢科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池双极板 |
| CN211404636U (zh) * | 2020-01-17 | 2020-09-01 | 无锡威孚高科技集团股份有限公司 | 超大功率质子交换膜燃料电池用石墨-金属复合双极板 |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111799483A (zh) * | 2020-06-17 | 2020-10-20 | 南方科技大学 | 复合双极板及电化学氢气压缩装置 |
| CN111769315A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种燃料电池流体歧管结构 |
| CN112382772A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-02-19 | 广东国鸿氢能科技有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池的阴极板、双极板及燃料电池 |
| CN112666462A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-16 | 上海电气集团股份有限公司 | 评估质子交换膜燃料电池pemfc性能的方法及装置 |
| CN113381038A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-09-10 | 东风汽车集团股份有限公司 | “z”型流场区域分配的金属双极板 |
| CN113381038B (zh) * | 2021-05-27 | 2022-11-29 | 东风汽车集团股份有限公司 | “z”型流场区域分配的金属双极板 |
| CN113463107B (zh) * | 2021-06-01 | 2022-05-13 | 武汉理工大学 | 一种质子交换膜水电解槽结构及阳极极板 |
| CN114400347A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-04-26 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种用于燃料电池的双极板以及燃料电池 |
| CN114400347B (zh) * | 2021-10-08 | 2024-04-16 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种用于燃料电池的双极板以及燃料电池 |
| CN114883593A (zh) * | 2022-07-12 | 2022-08-09 | 深圳市氢蓝时代动力科技有限公司 | 燃料电池双极板流场结构和燃料电池 |
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