CN111477902B - 质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种质子交换膜燃料电池双极板,所述双极板的内部形成冷却液通道,所述双极板的表面形成若干个横向延伸的横向凸起,所述横向凸起的内部形成连接通道,所述连接通道与所述冷却液通道相连通。上述质子交换膜燃料电池双极板,通过设置横向凸起并形成与冷却液通道相连通的横向设置的连接通道,有利于冷却液的分布;特别是双极板竖向设置时,横向凸起位于双极板的上端,可减小双极板的上端的流阻,可避免双极板的冷却液出口的上端没有冷却液流过的问题。

Description

质子交换膜燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以氢气为燃料、氧气或空气为氧化剂,将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。双极板在质子交换膜燃料电池中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热、以及通过在双极板上加工气体通道或与流场板结合,为反应气体提供通道,均匀分布反应气体以及排水等作用。此外,还可以通过耦合的两个双极板中形成的间隙中的冷却剂,控制电池的温度。
金属双极板相比石墨双极板,具有导电性好、散热性好,强度高、容易薄片化、易于使用模具批量加工来降低制造成本等优点,而且可以减小电堆的体积,提高电堆的体积功率密度。金属双极板是目前燃料电池双极板发展的主流趋势,但是金属双极板的制造工艺难度较大。特别是,在双极板竖直放置时,由于冷却液的流阻较大,会出现双极板的冷却液出口的上端没有冷却液流过的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的双极板的冷却液出口的上端没有冷却液流过的问题,提供一种质子交换膜燃料电池双极板。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题:
本发明提供一种质子交换膜燃料电池双极板,所述双极板的内部形成冷却液通道,所述双极板的表面形成若干个横向延伸的横向凸起,所述横向凸起的内部形成连接通道,所述连接通道与所述冷却液通道相连通。
较佳地,所述双极板竖向设置,所述横向凸起位于所述双极板的上端。
较佳地,所述双极板包括流道区,所述流道区的表面形成流道槽,所述横向凸起设置于所述流道区。
较佳地,所述横向凸起的高度位于所述流道槽的底面、流道脊之间。
较佳地,所述横向凸起相对所述流道槽的底面的高度为0.2~0.3mm。
较佳地,所述双极板的表面形成连续不间断的向外凸出的成型凸条,所述成型凸条环绕所述双极板的边缘设置。
较佳地,所述双极板包括阳极单级板和阴极单极板,所述阳极单级板的背面、所述阴极单极板的背面相对设置,所述阳极单级板的背面、所述阴极单极板的背面之间通过焊接相连接。
较佳地,所述阳极单级板的表面形成氢气流道,所述阴极单极板的表面形成空气流道,所述焊接处位于所述氢气流道在所述阳极单级板的背面的投影、所述空气流道在所述阴极单极板的背面的投影相重合的区域。
较佳地,所述双极板的表面形成向外凸出的密封凸条,所述密封凸条的顶面用于固定与其它双极板相接触的橡胶垫。
较佳地,所述双极板包括流道区和两个气流分配区,所述流道区的表面形成流道槽,所述气流分配区的表面形成若干导流凸起,两个气流分配区分别设置于所述流道区的流道槽的入口和出口。
在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于:
上述质子交换膜燃料电池双极板,通过设置横向凸起并形成与冷却液通道相连通的横向设置的连接通道,有利于冷却液的分布;特别是双极板竖向设置时,横向凸起位于双极板的上端,可减小双极板的上端的流阻,可避免双极板的冷却液出口的上端没有冷却液流过的问题。
附图说明
图1为本发明质子交换膜燃料电池双极板的结构示意图。
图2为图1所示的质子交换膜燃料电池双极板的A区域的局部放大图。
图3为图1所示的质子交换膜燃料电池双极板的B区域的局部放大图。
图4为图1所示的质子交换膜燃料电池双极板的焊接处、焊线的分布示意图。
图5为图1所示的质子交换膜燃料电池双极板的C区域的局部放大图。
图6为图5所示的质子交换膜燃料电池双极板的密封凸条、橡胶垫的结构示意图。
附图标记说明
流道区1,氢气进口2,氢气出口3,空气进口4,空气出口5,冷却液入口6,冷却液出口7,横向凸起8,成型凸条9,氢气流道10,空气流道20,焊接处30,气流分配区40,导流凸起401,焊线50,密封凸条60,橡胶垫70,定位孔80,巡检插针接口90,底胶100
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
图1所示为本发明质子交换膜燃料电池双极板的一实施例。图1中G方向为重力方向,图1所示的双极板竖向放置。双极板由阴极单极板和阳极单极板组合构成,在阳极单级板上设有氢气流道,在阴极单极板上设有空气流道,流道槽(氢气流道或空气流道)所在的区域为流道区1。双极板还设有氢气进口2、氢气出口3、空气进口4和空气出口5,氢气进口2、空气出口5位于流道区1的下方,氢气出口3、空气进口4位于流道区1的上方。氢气从氢气进口2进入氢气流道,向上流至氢气出口3后流出;而空气从空气进口4进入空气流道,向下流至空气出口5后流出。
双极板的阴极单极板、阳极单极板之间还形成冷却液通道,双极板还设有冷却液入口6、冷却液出口7,冷却液入口6位于流道区1的右侧(从正视图1的方向看),冷却液出口7位于流道区1的左侧(从正视图1的方向看),冷却液从冷却液入口6进入冷却液通道,向左流至冷却液出口7后流出。
如图1所示,双极板还包括两个气流分配区40,气流分配区40的表面形成若干导流凸起401,两个气流分配区40分别设置于流道区1的流道槽的入口和出口。位于流道区1上方的气流分配区40,位于氢气出口3、空气进口4和流道区1之间;位于流道区1下方的气流分配区40,位于氢气进口2、空气出口5和流道区1之间。
气流分配区40的作用,是使气体到达流道区1的各个流道槽的流量尽可能一致。气流分配区40采用折扇型引流的导流凸起401,可有效地减小流阻,使流量分配更均匀。经测算,在固定的进气口流量下,气体到达流道区1时,其流量的最大最小偏差值在8%以内,说明气流分配区40的设计能够较好地解决气体的分配问题。
阴极单极板、阳极单极板优选由金属薄板制成的,阴极单极板、阳极单极板的材料为不锈钢,厚度为0.1mm;阳极单级板上的氢气流道,流道形状为S型,宽度为0.5~0.9mm,深度为0.2~0.5mm;阴极单极板上的空气流道,流道形状为S型,宽度为0.6~1.1mm,深度为0.2~0.6mm。氢气流道、空气流道均为S型流道,其周期相同,均为8~10mm;振幅不同,空气流道的振幅为2.2~2.5mm,氢气流道的振幅为1.6~2.2mm。
如图1、图2所示,本实施例的双极板的表面形成若干个横向延伸的横向凸起8,横向凸起8的内部形成连接通道,连接通道与冷却液通道相连通。该横向凸起8形成的连接通道有利于冷却液的分布;特别是双极板竖向设置时,横向凸起8位于双极板的上端,可避免双极板的冷却液出口7的上端没有冷却液流过的问题,该横向凸起8可减小双极板的上端的流阻。
其中,横向凸起8优选设置于流道区1。当横向凸起8设置于流道区1时,该横向凸起8的高度位于流道槽的底面、流道脊之间。横向凸起相对流道槽的底面的高度优选为0.2~0.3mm。
金属双极板是目前燃料电池双极板发展的主流趋势,但是金属双极板的制造工艺难度较大。双极板的结构非常复杂,流道精细,但金属材料具有一定的延展性,冲压成型之后很难保证双极板的平整度及流道的一致性,冲压之后会导致双极板四周翘曲,平整度比较差。而若干片平整度较差的双极板叠加装堆之后,会使电堆产生很大的内应力,从而加速密封胶及其他部件的使用寿命的衰退,大大降低电堆的寿命。若想提高电堆寿命,保证双极板制造过程中的内应力释放,提高双极板平整度是非常有必要的,而双极板前期的合理设计,对于保证双极板平整度、电堆的寿命以及提高电堆的功率密度时至关重要的。
如图2所示,本实施例的双极板的表面形成连续不间断的向外凸出的成型凸条9,成型凸条9环绕双极板的边缘设置。其中,成型凸条9的宽度优选为1~2mm,高度为0.2~0.3mm。成型凸条9,使双极板的边缘的强度增加,可释放冲压过程中的内应力,保证双极板的平整度,可有效解决双极板在制备冲压过程中造成的不平整问题,使电堆装配时避免了较大的内应力,增加电堆的使用寿命。
阳极单级板的背面、阴极单极板的背面相对设置,阳极单级板的背面、阴极单极板的背面之间传统的接触方式为直接接触或者用胶直接粘贴,但是这些接触方式都存在较大的接触电阻。而在本实施例中,阳极单级板的背面、阴极单极板的背面之间通过焊接相连接。使用焊接方式使阳极单级板的背面、阴极单极板的背面在焊接处成为一个整体,可以消除接触电阻,提高导电效率,阳极单级板、阴极单极板之间的焊点的个数可以为10-20个。
如图3所示,氢气流道10(实线所示的流道)的波峰对应空气流道20(虚线所示的流道)的波谷,在氢气流道10、空气流道20的投影重合处设有若干个焊点,形成焊接处30。即,焊接处30位于氢气流道10在阳极单级板的背面的投影、空气流道20在阴极单极板的背面的投影相重合的区域。
上述焊接处30在双极板上的整体分布图如图4所示,除了流道区1的焊接以外,在气流分配区40、环绕流道区1的区域也形成若干焊线50,这些焊接处30、焊线50除了固定阳极单级板、阴极单极板以外,还起到形成冷却液通道及使阴极单极板、阳极单极板之间密封的作用。
如图5至图6所示,双极板的表面形成向外凸出的密封凸条60,密封凸条60的顶面用于固定与其它双极板相接触的橡胶垫70。该密封方式为软硬结合的密封方式,密封凸条60的顶面涂有底胶100,底胶100用于固定橡胶垫70。通过使用橡胶垫70,可以提高双极板与其他双极板之间的密封性。特别当双极板为金属双极板时,利用金属固有的材料属性,在压紧后利用金属的回弹产生一定的预紧力,可有效地提高密封的可靠性。其中,阳极单级板的密封凸条60的高度相对流道槽的底面的深度为0.3~0.6mm,密封凸条60的高度相对流道脊的高度为0.1mm,橡胶垫70的厚度为0.3~0.8mm;阴极单极板的密封凸条60的高度为0.3~0.7mm,密封凸条60的高度相对流道脊的高度为0.1mm,橡胶垫70的厚度为0.3~0.5mm。
如图1所示,双极板的两对角设有定位孔80,定位孔80用于安装时的定位。其中,定位孔80的直径优选为8~8.5mm。
如图1所示,双极板的边缘设有两个巡检插针接口90,两个巡检插针接口90的方向呈一定角度,其目的是可以在相邻单电池之间使用不同的接口,避免产生干涉。双极板周边的成型凸条9跨过巡检插针接口90,使巡检插针接口90分为两段,巡检插针接口90的下段比上段的宽度尺寸小1~2mm,其目的是使插针插进巡检插针接口90后增加摩擦力,不容易掉落。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式做出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板,所述双极板的内部形成冷却液通道,其特征在于:所述双极板的表面形成若干个横向延伸的横向凸起,所述横向凸起的内部形成连接通道,所述连接通道与所述冷却液通道相连通;所述双极板竖向设置,所述横向凸起位于所述双极板的上端;
其中,所述双极板的阴极单极板、阳极单极板之间形成冷却液通道,所述双极板还设有冷却液入口、冷却液出口和流道区,所述冷却液入口位于所述流道区的右侧,所述冷却液出口位于所述流道区的左侧,冷却液从所述冷却液入口进入所述冷却液通道,向左流至所述冷却液出口后流出。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述双极板包括流道区,所述流道区的表面形成流道槽,所述横向凸起设置于所述流道区。
3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述横向凸起的高度位于所述流道槽的底面、流道脊之间。
4.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述横向凸起相对所述流道槽的底面的高度为0.2~0.3mm。
5.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述双极板的表面形成连续不间断的向外凸出的成型凸条,所述成型凸条环绕所述双极板的边缘设置。
6.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述双极板包括阳极单级板和阴极单极板,所述阳极单级板的背面、所述阴极单极板的背面相对设置,所述阳极单级板的背面、所述阴极单极板的背面之间通过焊接相连接。
7.如权利要求6所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述阳极单级板的表面形成氢气流道,所述阴极单极板的表面形成空气流道,所述焊接处位于所述氢气流道在所述阳极单级板的背面的投影、所述空气流道在所述阴极单极板的背面的投影相重合的区域。
8.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述双极板的表面形成向外凸出的密封凸条,所述密封凸条的顶面用于固定与其它双极板相接触的橡胶垫。
9.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板,其特征在于:所述双极板包括流道区和两个气流分配区,所述流道区的表面形成流道槽,所述气流分配区的表面形成若干导流凸起,两个气流分配区分别设置于所述流道区的流道槽的入口和出口。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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