CN111276711B - 空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法 - Google Patents

空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法。本发明燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件通过上下两层流道结构设计，第二通孔将归为一组的两列相邻第一通孔之间连通，空气在从两层重叠的第一通孔进入到单层的第二通孔中，空气会有部分压力损失与强化传质，更高的压力损失意味着更高的风扇供气功率，而强化传质将会有效提高电堆功率。并且，这种交错的流道结构使得空冷堆内部的水分不易被空气气流带走，解决了空冷堆空气直流道技术中电堆运行经常出现的缺水问题。本发明燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件结构简单，制造成本低，且空气传质效率高。

Description

空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法。
背景技术
燃料电池的结构包括用作发电的燃料电池单元、用作燃料电池电流输出的导流板等，燃料电池单元由膜电极组件（MEA）和将膜电极组件装夹固定的双极板、密封胶线组成，膜电极组件包括电解质层和将电解质层夹在之间的碳纸或者碳布扩散层，双极板多为金属表面镀层板，或者石墨及石墨复合材料板，密封胶线为弹性密封材料。
在空冷燃料电池中，阴极板上的流场是开放的，流经该流场的空气一部分用于发电反应，另一部分用于带走反应过程中产生的热量；最佳的空气供给设备是风扇，因风扇耗电功率小、噪音低。
比如，授权公告号为CN208873821U的实用新型公开了一种空冷型燃料电池双极板，包括阳极板板体和阴极板板体，所述阳极板板体上具有多个冲压形成的并行设置的第一流道，所述阴极板板体上具有多个冲压形成的并行设置的第二流道，所述第一流道和所述第二流道位于由所述阳极板板体和所述阴极板板体对接后形成的双极板的不同侧，所述第二流道与所述第一流道交叉布置，所述第二流道呈阶梯状，所述阴极板板体上开设有多个额外反应孔，增加膜电极与空气直接接触的反应面积，且使空气在反应孔附近产生湍流，提升燃料电池的性能寿命和高温环境温度适应性。
为了提高燃料电池的发电效率，公开号为CN109616683A的发明专利申请中提出了一种冲压成型的微孔新型流场，可以通过产生垂直于流道面的流动分量来提高气体在膜电极扩散层中的扩散，具体结构为：一种燃料电池用气体流道形成板，其介于膜电极接合体与隔板之间进行设置并构成燃料电池的单格电池的分隔件，具有：多个凸部，以在第1方向和与该第1方向交叉的第2方向上分别排列的方式配置，所述凸部向所述膜电极接合体突出；气体流道部，由包含介于所述多个凸部中的相邻的所述凸部之间的部分的、所述气体流道形成板中的与所述膜电极接合体对应的一侧的部分构成；水流道部，由包含所述凸部的内部的、所述气体流道形成板中的与所述隔板对应的一侧的部分构成；以及开口部，形成于所述凸部的侧壁并将该凸部的内外连通，在一个所述凸部中仅在一个地方设置有所述开口部。然而，该技术方案中实现垂直于流道面的流动分量的是采用金属微孔网冲压成型的结构，这种结构成型精度要求高、防腐处理要求高，且成型后的网状流道面存在翘曲现象，增加了燃料电池装配难度。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种制备和装配难度低且空气传质效率高的空气流道组件、燃料电池空冷堆双极板及制备方法。
一种燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件，所述空气流道组件设置于膜电极组件与气体分隔板之间、用于形成空气流道，所述空气流道组件包括两层空气流道形成层，每一层空气流道形成层上设有多列从空气流道组件的进气侧到排气侧设置的第一通孔，每一列第一通孔包括间隔设置的多个，两层空气流道形成层中的第一通孔对应重叠设置；
其中一层空气流道形成层中每两列相邻的第一通孔与另一层空气流道形成层中对应的两列第一通孔归为一组，每一层空气流道形成层中位于同一组中的两列第一通孔之间、位于其中一列上游的第一通孔与另一列下游的第一通孔之间通过一个第二通孔贯通，且两层空气流道形成层中的第二通孔交叉设置。
本申请中空气流道组件可以是在一整块材料的两面分别加工形成一层空气流道形成层，但这样加工难度较大。所以，优选的，所述空气流道组件包括两块叠放的空气流道形成板，每块空气流道形成板作为一层空气流道形成层。在单层结构的空气流道形成板上加工形成第一通孔、第二通孔这些结构会方便很多。
优选的，每一层空气流道形成层的厚度为0.5~2mm，两层空气流道形成层的厚度比例为1∶1/2~2。
优选的，两层空气流道形成层中的第一通孔一一对应设置，两层中对应的两个第一通孔部分重叠或完全重叠。一一对应设置是指两层空气流道形成层中的第一通孔在数量上相同，位置上也是重叠的；如果两层空气流道形成层中的第一通孔长短、宽度、形状都相同，则完全重叠，如果有所不同，则部分重叠。当然，如果两层空气流道形成层中的第一通孔虽然长短、宽度、形状都相同，但在对应位置上稍微有些偏离，无法完全重叠，也可以算做部分重叠。
更优选的，每个第一通孔的长度为3~15mm，宽度为1~3mm；两列第一通孔之间的间距为0.5~2mm，同一列的相邻两个第一通孔之间的间距为3~10mm。
进一步优选的，所述第二通孔的宽度与第一通孔的宽度一致或者宽于第一通孔的宽度以减小气体在这个位置的压力损失。
本发明还提供了一种燃料电池空冷堆双极板，包括中间的气体分隔板，以及分别设于气体分隔板两侧的空气流道组件和氢气流道组件，所述空气流道组件使用所述的空气流道组件。
优选的，空气流道组件中进气侧与排气侧所在方向与氢气流道组件中进气侧与排气侧所在方向相互垂直。
本发明还提供了所述燃料电池空冷堆双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备作为单层空气流道形成层的空气流道形成板，两块空气流道形成板叠放，经压紧自粘或用胶粘方式连接成空气流道组件；
（2）制备带有氢气流道的氢气流道组件；
（3）制备气体分隔板；
（4）将空气流道组件和氢气流道组件分别用胶水粘接在气体分隔板的两侧，再将密封胶线粘接在气体分隔板上，获得所述燃料电池空冷堆双极板。
优选的，所述空气流道组件与氢气流道组件的制备材料为膨胀石墨（柔性石墨）、人造等静压石墨、镀防腐导电涂层的316L不锈钢或镀导电涂层的钛板；所述气体分隔板的制备材料为镀防腐导电涂层的316L不锈钢。
比如，空气流道组件的制备材料为膨胀石墨时，先经辊压机压制到目标厚度，然后使用模切将整料切成单块的空气流道形成板大小，将两块空气流道形成板叠放后放入相应的工装中经压紧成型为空气流道组件，由于膨胀石墨具有一定的自粘性，可直接粘接，如果是使用其他不具有自粘性的材料，则需要在两层界面上涂覆胶水来粘接。如果是金属材质制备空气流道组件，则需要通过冲压将多余的料去除。
氢气流道组件的制备材料为膨胀石墨时，经辊压机压制到目标厚度，使用带单面辊模（辊模上加工有压制流场的纹路）的双辊进行辊压成型，制成单层氢气流道板。也可使用模压成型，雕刻成型等工艺，材料包括但不限于柔性石墨、人造等静压石墨、316不锈钢等金属材料。氢气流道的宽度取0.5~1mm，深度取0.2~0.5mm。
气体分隔板采用金属板，线切割、激光切割或者冲裁等工艺将金属板切割成所需形状，若无预涂层，则需要进行涂层后处理，涂层材料包括但不限于银、碳、金属氮化物。涂层技术包括但不限于电镀、CVD、PVD。
本发明燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件通过上下两层流道结构设计，第二通孔将归为一组的两列相邻第一通孔之间连通，空气在从两层重叠的第一通孔进入到单层的第二通孔中，空气会有部分压力损失与强化传质，更高的压力损失意味着更高的风扇供气功率，而强化传质将会有效提高电堆功率。并且，这种交错的流道结构使得空冷堆内部的水分不易被空气气流带走，解决了空冷堆空气直流道技术中电堆运行经常出现的缺水问题。
本发明燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件结构简单，制造成本低，且空气传质效率高。
附图说明
图1为空气流道组件的爆炸结构示意图。
图2为空气流道组件的平面结构示意图。
图3为图2中A局部放大图。
图4为燃料电池空冷堆双极板的立体结构示意图。
图5为燃料电池空冷堆双极板中空气流道组件所在侧平面结构示意图。
图6为图5中沿B-B方向的剖视图。
图7为图6中C局部放大图。
图8为燃料电池空冷堆双极板中氢气流道组件所在侧平面结构示意图。
图9为实验组空气流道压损仿真图。
图10为对照组空气流道压损仿真图。
附图标记：空气流道组件1，空气流道形成板11，第一通孔12，第二通孔13，氢气流道组件2，氢气流道21，气体分隔板3，空气侧密封胶线4，氢气进气公用通道5，氢气侧密封胶线6。
具体实施方式
实施例1
如图1~3所示，一种燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件1，空气流道组件1在装配成燃料电池电堆时设置于膜电极组件与气体分隔板3之间、用于形成空气流道，空气流道组件1包括两层空气流道形成层，每一层空气流道形成层上设有多列从空气流道组件1的进气侧到排气侧设置的第一通孔12，每一列第一通孔12包括间隔设置的多个，两层空气流道形成层中的第一通孔12对应重叠设置。
如图1所示，空气流道组件1包括两块叠放的空气流道形成板11，每块空气流道形成板11作为一层空气流道形成层，两块空气流道形成板11相互叠加后组成空气流道组件1。
其中一层空气流道形成层中每两列相邻的第一通孔12与另一层空气流道形成层中对应的两列第一通孔12归为一组，每一层空气流道形成层中位于同一组中的两列第一通孔12之间、位于其中一列上游的第一通孔12与另一列下游的第一通孔12之间通过一个第二通孔13贯通，且两层空气流道形成层中的第二通孔13交叉设置。此处上游是指靠近进气侧一端，下游是指靠近排气侧一端，空气从进气侧进入空气流道，从排气侧排出剩余空气。
两层空气流道形成层中的第一通孔12一一对应设置，两层中对应的两个第一通孔12部分重叠或完全重叠。一一对应设置是指两层空气流道形成层中的第一通孔12在数量上相同，位置上也是重叠的；如果两层空气流道形成层中的第一通孔12长短、宽度、形状都相同，则完全重叠，如果有所不同，则部分重叠。当然，如果两层空气流道形成层中的第一通孔12虽然长短、宽度、形状都相同，但在对应位置上稍微有些偏离，无法完全重叠，也可以算做部分重叠。
每一层空气流道形成层的厚度为0.5~2mm，两层空气流道形成层的厚度比例为1∶1/2~2。每个第一通孔12的长度为3~15mm，宽度为1~3mm；两列第一通孔12之间的间距为0.5~2mm，同一列的相邻两个第一通孔12之间的间距为3~10mm。此处所说的间距是指从一个第一通孔12边界处到另一第一通孔12边界处的最短距离，并未将第一通孔12的自身尺寸计算在内。第二通孔13的宽度与第一通孔12的宽度一致，或者宽于第一通孔的宽度以减小气体在这个位置的压力损失。通过调整一列第一通孔12的数量，可以相应调整呈现交叉结构的第二通孔13的数量，从而可以调节压力损失的影响。
实施例2
如图4~8所示为一种包括了图1~3所示空气流道组件1的燃料电池空冷堆双极板，包括中间的气体分隔板3，以及分别设于气体分隔板3两侧的空气流道组件1和氢气流道组件2。氢气流道组件2中的氢气流道21可以是常规的直线型结构，氢气流道的宽度可以取0.5~1mm，深度可以取0.2~0.5mm。空气流道组件1中进气侧与排气侧所在方向与氢气流道组件2中进气侧与排气侧所在方向相互垂直，比如从图5中看，空气从图中上下方向进出，而氢气从图中左右方向进出。本申请燃料电池空冷堆双极板还包括空气侧密封胶线4和氢气侧密封胶线6。氢气流道组件2的两端分别设有氢气进气公用通道5，用于氢气进气以及反应后剩余气体排出。
实施例3
燃料电池空冷堆双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备作为单层空气流道形成层的空气流道形成板，两块空气流道形成板叠放，经压紧自粘或用胶粘方式连接成空气流道组件；
（2）制备带有氢气流道的氢气流道组件；
（3）制备气体分隔板；
（4）将空气流道组件和氢气流道组件分别用胶水粘接在气体分隔板的两侧，再将密封胶线粘接在气体分隔板上，获得所述燃料电池空冷堆双极板。
空气流道组件1与氢气流道组件2的制备材料为膨胀石墨（柔性石墨）、人造等静压石墨、镀防腐导电涂层的316L不锈钢或镀导电涂层的钛板；气体分隔板3的制备材料为镀防腐导电涂层的316L不锈钢。
空气流道组件的制备材料为膨胀石墨时，先经辊压机压制到目标厚度，然后使用模切将整料切成单块的空气流道形成板大小，将两块空气流道形成板叠放后放入相应的工装中经压紧成型为空气流道组件，由于膨胀石墨具有一定的自粘性，可直接粘接，如果是使用其他不具有自粘性的材料，则需要在两层界面上涂覆胶水来粘接。如果是金属材质制备空气流道组件，则需要通过冲压将多余的料去除。
氢气流道组件的制备材料为膨胀石墨时，经辊压机压制到目标厚度，使用带单面辊模（辊模上加工有压制流场的纹路）的双辊进行辊压成型，制成单层氢气流道板。也可使用模压成型，雕刻成型等工艺，材料包括但不限于柔性石墨、人造等静压石墨、316不锈钢等金属材料。
气体分隔板采用金属板，线切割、激光切割或者冲裁等工艺将金属板切割成所需形状，若无预涂层，则需要进行涂层后处理，涂层材料包括但不限于银、碳、金属氮化物。涂层技术包括但不限于电镀、CVD、PVD。
实施例4
使用本申请结构的空气流道，提取两个相关流道的内部腔体模型，绘制网格，设置流体为空气，入口边界条件为7m/s，出口压力条件为0pa，进行稳态运算；同样绘制与流道腔体最大截面一致、流道正视图外轮廓一致的对照组，对照组为两个贯通的双交错流道，操作步骤与本申请一致，同样设置入口边界条件7m/s，出口压力条件0pa，进行稳态运算。
如图9所示，为本申请的空气流道压力损失图，入口为两个2.5mm×2mm的进气面积，出口与入口相同，进气速度为7m/s，图示压力损失约为1.15kpa。图10为对照组，进出口条件与实验组一致，对照组为单层结构的流道，但单层结构的厚度与实验组两层的厚度相同，压力损失约为400pa。经对照实验可以看出压力损失有所增加，说明实验组结构具有更高的压力损失。

Claims (10)

1.一种燃料电池空冷堆双极板用的空气流道组件，所述空气流道组件设置于膜电极组件与气体分隔板之间、用于形成空气流道，其特征在于，所述空气流道组件包括两层空气流道形成层，每一层空气流道形成层上设有多列从空气流道组件的进气侧到排气侧设置的第一通孔，每一列第一通孔包括间隔设置的多个，两层空气流道形成层中的第一通孔对应重叠设置；
其中一层空气流道形成层中每两列相邻的第一通孔与另一层空气流道形成层中对应的两列第一通孔归为一组，每一层空气流道形成层中位于同一组中的两列第一通孔之间、位于其中一列上游的第一通孔与另一列下游的第一通孔之间通过一个第二通孔贯通，且两层空气流道形成层中的第二通孔交叉设置。
2.如权利要求1所述的空气流道组件，其特征在于，所述空气流道组件包括两块叠放的空气流道形成板，每块空气流道形成板作为一层空气流道形成层。
3.如权利要求1所述的空气流道组件，其特征在于，每一层空气流道形成层的厚度为0.5~2mm，两层空气流道形成层的厚度比例为1∶1/2~2。
4.如权利要求1所述的空气流道组件，其特征在于，两层空气流道形成层中的第一通孔一一对应设置，两层中对应的两个第一通孔部分重叠或完全重叠。
5.如权利要求4所述的空气流道组件，其特征在于，每个第一通孔的长度为3~15mm，宽度为1~3mm；两列第一通孔之间的间距为0.5~2mm，同一列的相邻两个第一通孔之间的间距为3~10mm。
6.如权利要求5所述的空气流道组件，其特征在于，所述第二通孔的宽度与第一通孔的宽度一致或者宽于第一通孔的宽度。
7.一种燃料电池空冷堆双极板，其特征在于，包括中间的气体分隔板，以及分别设于气体分隔板两侧的空气流道组件和氢气流道组件，所述空气流道组件使用如权利要求1~6任一所述的空气流道组件。
8.如权利要求7所述的燃料电池空冷堆双极板，其特征在于，空气流道组件中进气侧与排气侧所在方向与氢气流道组件中进气侧与排气侧所在方向相互垂直。
9.一种如权利要求7所述的燃料电池空冷堆双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备作为单层空气流道形成层的空气流道形成板，两块空气流道形成板叠放，经压紧自粘或用胶粘方式连接成空气流道组件；
（2）制备带有氢气流道的氢气流道组件；
（3）制备气体分隔板；
（4）将空气流道组件和氢气流道组件分别用胶水粘接在气体分隔板的两侧，再将密封胶线粘接在气体分隔板上，获得所述燃料电池空冷堆双极板。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述空气流道组件与氢气流道组件的制备材料为膨胀石墨、人造等静压石墨、镀防腐导电涂层的316L不锈钢或镀导电涂层的钛板；所述气体分隔板的制备材料为镀防腐导电涂层的316L不锈钢。
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Application publication date: 20200612

Assignee: Zhejiang Tianneng Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: TIANNENG BATTERY GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022330000396

Denomination of invention: Air channel assembly, fuel cell air-cooled stack bipolar plate and preparation method

Granted publication date: 20200929

License type: Common License

Record date: 20220810

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