CN111326763A - 一种类蜂巢形流场的金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体地说是一种类蜂巢形流场的金属双极板，包括阴极板和阳极板，在阴极板外侧和阳极板外侧均设有多个呈六边形的凸起部，且阴极板上的凸起部和阳极板上的凸起部均呈蜂巢形排列并一一对应，阴极板上相邻凸起部之间以及阳极板上相邻凸起部之间均设有凹型部，且阴极板上的凹型部与阳极板上的凹型部一一对应并形成微通道，在所述阴极板和阳极板上均设有氧化剂入口、氧化剂出口、还原剂入口、还原剂出口、冷却液入口和冷却液出口。本发明采用类蜂巢型流场作为双极板的流体流场，为各个流体提供了利于分散的流通通道，减小了气体流动阻力，从而整体上降低了气体压力，降低运行成本，提高电池稳定性。

Description

一种类蜂巢形流场的金属双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体地说是一种类蜂巢形流场的金属双极板。

背景技术

随着能源逐渐匮乏以及环境日益恶化，能源和环境问题已经成为当代社会的两大热门话题，解决好这两大问题是人类生存和发展的基础。以阳光经济、风能经济、氢能经济、生物质能经济等为理想形态、并以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式——低碳经济已经成为各国经济发展所追求的目标。我国是世界第一大产氢国，又是世界最大的储氢材料产品国，因此我国在发展氢能经济方面有着得天独厚的优势。

在新能源中，燃料电池具有绿色、高效的特点，能够满足可持续发展要求。与普通电池相比，燃料电池的活性物质储存在电池之外，在不断地供给燃料和氧化剂的条件下电池能够一直发电，并具有无限容量，因此燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置。以氢气为原料的质子交换膜燃料电池是一种将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的化学装置，具有节能、零排放、无污染、效率高等优点，是利用氢能的最为主要的发生装置，它与氧气的反应产物为水、电能和热能，产物完全无污染，是最为洁净的新型能源。

质子交换膜燃料电池包括主要包括膜电极组、密封垫片、端板和双极板，其中密封垫片起密封和间隔气体作用，端板起支撑作用，双极板用于传输反应气体，所述膜电极组包括聚合物膜、电极和气体扩散层，每个电极基本上都有一层催化剂粒子，这些粒子通常是铂金沉积在碳载体大颗粒的表面，而气体扩散层是由多孔导电材料构成，能够使反应物灵活扩散出膜电极组，并提供电极与外部双极板的电接点来收集所产生的电流。

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，一般其主要包括流场板、冷却板和增湿板，是电池组中体积最大和质量最重的组成部件。双极板具有的作用包括：1、分配电池放电所需的燃料与氧化剂；2、排除电堆内各个单电池电化学反应的生成水；3、在电堆中分离各个单电池，收集每节单电池电流；4、传导每节单电池工作时产生的热量；5、防止气体和冷却液渗漏；6、机械支撑等。因此，双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短。

目前双极板主要采用石墨板、金属材料和碳复合材料制成，其中石墨板机械强度差、脆性较大、加工成本高，同时由于透气性需要一定的厚度，因此缺乏竞争力，而碳复合材料加工工艺复杂，不易于大批量生产，金属材料作为双极板具有加工成本低、导电导热性能好、机械强度高等优点，可以采用直接冲压薄板形成，易于大批量生产，降低电池成本，因此金属材料逐渐成为燃料电池双极板的主要材料。

金属双极板中包括阴极流场、阳极流场和冷却剂流场，流场通过冲压形成，并对流体分配起到至关重要的作用，因此双极板流场设计是金属双极板设计的主要难点之一。

中国专利CN104795573A中公开了一种燃料电池技术领域的质子交换膜燃料电池双极板多道蛇形流场结构，该发明中提供了一种多道蛇形流场，并且该发明中省去了冷却液流场，极大地简化了金属双极板的结构，有效避免了排水困难问题。但是该发明中采用的流场为折线形，气体流动阻力较大，使得气体压力较大，容易对质子交换膜造成损坏，进而影响燃料电池运行的稳定性。

中国专利CN10795573A公开了一种燃料电池用金属双极板，该发明中提供了由两块厚度相同的金属板冲压形成的氢氧极板，通过分别设置支架及极板构成双极板，支架上设置有公共通道开口，流场利用石墨片冲压得到，该发明将金属与石墨结合起来组成金属双极板，省略了复杂的模具的制作，降低了制作成本。但是该发明部件较多，制作工序较为复杂，而且流体分配不均匀，容易产生局部湍流，不利于气体的流通。

发明内容

本发明的目的在于提供一种类蜂巢形流场结构，采用类蜂巢型流场作为双极板的流体流场，为各个流体提供了利于分散的流通通道，减小了气体流动阻力，从而整体上降低了气体压力，降低运行成本，提高电池稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种类蜂巢形流场的金属双极板，包括阴极板和阳极板，在阴极板外侧和阳极板外侧均设有多个呈六边形的凸起部，且阴极板上的凸起部和阳极板上的凸起部均呈蜂巢形排列并一一对应，阴极板上相邻凸起部之间以及阳极板上相邻凸起部之间均设有凹型部，且阴极板上的凹型部与阳极板上的凹型部一一对应并形成微通道，在所述阴极板和阳极板上均设有氧化剂入口、氧化剂出口、还原剂入口、还原剂出口、冷却液入口和冷却液出口。

所述阴极板上的凸起部与阳极板上的对应凸起部之间形成一个单元空间，且每个单元空间的相邻边均通过一个微通道连接。

所述阴极板和阳极板长度方向一端均设有氧化剂入口，另一端均设有氧化剂出口，且所述阴极板和阳极板设有氧化剂入口的一端C侧设有冷却液入口、D侧设有还原剂出口，所述阴极板和阳极板设有氧化剂出口的一端C侧设有还原剂入口、D侧设有冷却液出口。

所述氧化剂入口和氧化剂出口长度相同，所述冷却液入口、冷却液出口、还原剂入口和还原剂出口长度均为所述氧化剂入口长度的一半。

所述阴极板和阳极板上均设有连接用的定位孔。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明采用类蜂巢型流场作为双极板的流体流场，为各个流体提供了利于分散的流通通道，使得氢气和氧化剂流体充分接触，减小了气体流动阻力，从而整体上降低了气体压力，降低运行成本。

2、本发明采用类蜂巢流场构型可以减少流体涡流湍动的形成，降低了气体流动对膜电极的损害，进而提高电池的运行寿命。

3、本发明在电池水热管理上采用类蜂巢型流场构成的水流场可以高效的传递热量，有效带走电池运行过程中产生的热量，保证电池的正常运行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中的A处放大图，

图3为图2中的B-B剖视图。

其中，1为冷却液入口，2为氧化剂入口，3为还原剂出口，4为还原剂入口，5为氧化剂出口，6为冷却液出口，7为凸起部，8为凹型部，9为阴极板，10为阳极板,11为定位孔，12为微通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～3所示，本发明包括对称扣合在一起阴极板9和阳极板10，在阴极板9外侧和阳极板10外侧均设有多个呈六边形的凸起部7，且阴极板9上的凸起部7和阳极板10上的凸起部7均呈蜂巢形排列并一一对应，阴极板9上相邻凸起部7之间以及阳极板10上相邻凸起部7之间均设有凹型部8，且阴极板9上的凹型部8与阳极板10上的凹型部8一一对应并形成微通道12。如图3所示，阴极板9上的凸起部7与阳极板10上的对应凸起部7之间形成一个单元空间，且每个单元空间的相邻边均通过一个微通道12连接。

所述阴极板9外侧和阳极板10外侧为膜电极组，此为本领域公知技术，如图3所示，氧化剂在阴极板9和膜电极组之间的空隙流动，且阴极板9外侧的各个凸起部7之间形成蜂巢状的氧化剂网络通道，还原剂在阳极板10与膜电极组之间的空隙流动，且阳极板10外侧的各个凸起部7之间形成蜂巢状的还原剂网络通道，冷却液在阴极板9和阳极板10之间流动，且冷却液沿着各个微通道12扩散流动至整板。

本发明的阴极板9和阳极板10采用金属板制成，且凸起部7和凹型部8通过一次冲压形成蜂巢流场，本实施例中，每个六边形凸起部7的高度为0.3～0.5mm，边长为0.5～1.5mm，不同六边形单元之间形成蜂巢分形网络通道，具备最短的总流道长度，可以有效的减小流体网络系统的阻力，使得流体传输网络结构更加合理，并且本发明保证一定孔隙率，降低双极板内阻，本实施例中，所述蜂巢流场的孔隙率为40％～60％。

如图1所示，所述阴极板9和阳极板10长度方向一端均设有氧化剂入口2，另一端均设有氧化剂出口5，且所述阴极板9和阳极板10设有氧化剂入口2的一端C侧设有冷却液入口1、D侧设有还原剂出口3，所述阴极板9和阳极板10设有氧化剂出口5的一端C侧设有还原剂入口4、D侧设有冷却液出口6。

所述氧化剂入口2和氧化剂出口5长度相同，所述冷却液入口1、冷却液出口6、还原剂入口4和还原剂出口3长度均为所述氧化剂入口2长度的一半。

如图1所示，阴极板9和阳极板10上的各个角端均设有连接用的定位孔11，本实施例中，所述定位孔11直径为3.0～8.0mm，所述定位孔11使得阴极板9和阳极板10有效匹配固连，同时有利于电池堆的组装.

本发明的工作原理为：

本发明在阴极板9外侧和阳极板10外侧均设有多个呈六边形的凸起部7，且相邻凸起部7之间设有凹型部8，从而形成蜂巢状流场，氧化剂在阴极板9和膜电极组之间的蜂巢状网络通道内流动，还原剂在阳极板10与膜电极组之间的蜂巢状网络通道内流动，冷却液在阴极板9和阳极板10之间流动，且冷却液沿着各个微通道12扩散流动至整板。本发明流场采用正六边形拓扑得到蜂巢结构，在占据相同面积的前提下，正六边形结构和蜂巢单元有着最小的网络周长，同时蜂巢分形通道网络有最短的总流道长度，可以有效的减小流体网络系统的阻力，使得流体传输网络结构更加合理。

Claims (5)

1.一种类蜂巢形流场的金属双极板，其特征在于：包括阴极板(9)和阳极板(10)，在阴极板(9)外侧和阳极板(10)外侧均设有多个呈六边形的凸起部(7)，且阴极板(9)上的凸起部(7)和阳极板(10)上的凸起部(7)均呈蜂巢形排列并一一对应，阴极板(9)上相邻凸起部(7)之间以及阳极板(10)上相邻凸起部(7)之间均设有凹型部(8)，且阴极板(9)上的凹型部(8)与阳极板(10)上的凹型部(8)一一对应并形成微通道(12)，在所述阴极板(9)和阳极板(10)上均设有氧化剂入口(2)、氧化剂出口(5)、还原剂入口(4)、还原剂出口(3)、冷却液入口(1)和冷却液出口(6)。

2.根据权利要求2所述的类蜂巢形流场的金属双极板，其特征在于：所述阴极板(9)上的凸起部(7)与阳极板(10)上的对应凸起部(7)之间形成一个单元空间，且每个单元空间的相邻边均通过一个微通道(12)连接。

3.根据权利要求1所述的类蜂巢形流场的金属双极板，其特征在于：所述阴极板(9)和阳极板(10)长度方向一端均设有氧化剂入口(2)，另一端均设有氧化剂出口(5)，且所述阴极板(9)和阳极板(10)设有氧化剂入口(2)的一端C侧设有冷却液入口(1)、D侧设有还原剂出口(3)，所述阴极板(9)和阳极板(10)设有氧化剂出口(5)的一端C侧设有还原剂入口(4)、D侧设有冷却液出口(6)。

4.根据权利要求2所述的类蜂巢形流场的金属双极板，其特征在于：所述氧化剂入口(2)和氧化剂出口(5)长度相同，所述冷却液入口(1)、冷却液出口(6)、还原剂入口(4)和还原剂出口(3)长度均为所述氧化剂入口(2)长度的一半。

5.根据权利要求1所述的类蜂巢形流场的金属双极板，其特征在于：所述阴极板(9)和阳极板(10)上均设有连接用的定位孔(11)。

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