CN111477906A - 适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆，包括：阳极板、阴极流场板和阴极基板；所述阴极基板设置于所述阳极板与所述阴极流场板之间；所述阴极流场板的一侧设置有多个向外突起的脊，所述脊上开设有多个开口，两两相邻的脊之间构成流道，所述阴极流场板另一侧与脊对应的位置向内凹陷，构成脊下空间；所述阴极基板设置于所述阴极流场板的脊下空间所在侧。本发明提出的透气双极板可有效提升膜电极阴极对应流道脊部处的氧气浓度，从而相比传统双极板，增强了阴极气体的传质，提高燃料电池平均电流密度，提高燃料电池发电性能。

Description

适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体地，涉及一种透气双极板、燃料电池电堆，尤其是一种适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的发电装置。由于氢燃料电池单节电池的电压很低，因此为满足一定功率及电压要求，在实际应用中往往需要将多节电池串联在一起形成燃料电池电堆。燃料电池电堆结构包括端板、集流板、双极板、膜电极、密封件等。每节单电池的性能都会影响到整个电堆的总体性能。

专利文献CN107946605A公开了一种双极板流道制造工艺及双极板流道，双极板是由两块极板组合而成的结构，在燃料电池电堆中，两个极板夹一个膜电极构成单电池，多个单电池串联成电堆。双极板具有以下功能：一是串联电池，二是隔离相邻电池中的气体，三是作为电堆的结构支撑，四是传递热量，五是提供一定结构的流道来保证性能。目前燃料电池金属双极板都是由一块阳极板与一块阴极板焊接而成，在燃料电池当中，极板流道的主要作用一是导电导热，二是输送反应气并排出产生的水。流道的脊与膜电极的碳纸接触，起到传导电子的作用；流道的沟输送反应气，反应气从流道的沟扩散到碳纸。为保证电池性能，极板流道的脊与碳纸的接触面要保证一定的接触面积与接触压力，否则会导致流道沟中的气体无法扩散到流道脊压在膜电极上的部分，会使燃料电池的电流密度分布不均匀，从而影响电池性能。对于目前燃料电池电堆中，因为现有的双极板流道结构，膜电极区域氧分压较低，气体扩散不均匀，从而影响电池性能的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆。

根据本发明提供的一种适用于燃料电池电堆的透气双极板，包括：阳极板11、阴极流场板12和阴极基板13；

所述阴极基板13设置于所述阳极板11与所述阴极流场板12之间；

所述阴极流场板12的一侧设置有多个向外突起的脊，所述脊包括顶面和侧面，所述顶面与膜电极接触，所述顶面和所述侧面开设有多个开口，两两相邻的脊之间构成流道14，所述阴极流场板12另一侧与脊对应的位置向内凹陷，构成脊下空间15；

所述阴极基板13设置于所述阴极流场板12的脊下空间15所在侧。

优选地，所述阳极板11和阴极基板13均包括位置相对应的：分流区8、流场区9、阳极歧管口2、阴极歧管口3、阳极分管口5和阴极分管口6；

所述阴极流场板12位于所述阴极基板13的流场区9内；

阳极反应气依次通过所述阳极歧管口2、阳极分管口5、分流区8后进入阳极板11的流场区9；

阴极反应气依次通过阴极歧管口3、阴极分管口6、分流区8后进入阴极基板13的流场区9的流道14和脊下空间15。

优选地，所述阴极基板13和所述阳极板11均包括位置相对应的：水歧管口4和水分管口7；

冷却介质依次通过水歧管口4、水分管口7、分流区8后进入阳极板11和阴极基板13之间的冷却介质流道。

优选地，所述阳极板11的流场区9设置有多个向外突起的第二脊，两两相邻的所述第二脊之间构成阳极气体流道。

优选地，所述阳极板11、所述阴极流场板12和所述阴极基板13固定连接在一起。

优选地，所述脊通过冲压成型得到，所述脊上的开口通过冲压成型得到。

优选地，所述脊上的开口包括圆形、椭圆形、多边形和腰型孔。

优选地，所述阴极流场板12的材质包括：不锈钢、纯钛或钛合金；

所述阴极流场板12与所述阴极基板13为相同材质或不同材质。

根据本发明提供的一种燃料电池电堆，包括适用于燃料电池电堆的透气双极板。

优选地，所述阳极板11与膜电极的阳极接触，所述阴极流场板12和所述阴极基板13与膜电极的阴极接触。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、三层结构的透气双极板有效的解决了目前常规双极板中存在的，阴极流道脊部对应的膜电极区域因为流道脊遮挡的原因导致的氧气浓度较低，从而导致燃料电池性能较低的问题。提高了阴极气体中氧气扩散到膜电极的效率，以此来提高燃料电池的发电效率。

2、通过阴极流场板增加了阴极流道脊部与膜电极的接触面积，从而降低了燃料电池的接触电阻，提高燃料电池的发电效率。

3、阴极流道板与阴极基板为分体结构，分别加工，有效降低双极板的加工难度，从而提高了燃料电池双极板的加工精度与加工效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明透气双极板的平面图；

图2为本发明透气双极板的分解图；

图3为本发明透气双极板的实施例1的开孔结构示意图；

图4为本发明透气双极板的变化例1的开孔结构示意图；

图5为本发明透气双极板的变化例2的开孔结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种适用于燃料电池电堆的透气双极板，透气双极板结构包括阳极歧管口2、阴极歧管口3、水歧管口4、阳极分管口5、阴极分管口6、水分管口7、分流区8、流场区9、密封区10。

如图2所示，本发明的透气双极板主要分为3部分，分别为阳极板11、阴极流场板12、阴极基板13。本发明的阳极板含有的结构包括阳极歧管口2、阴极歧管口3、水歧管口4、阳极分管口5、阴极分管口6、水分管口7、分流区8、流场区9、密封区10。阳极板的加工方式为冲压成型。

本发明的阴极基板13结构包括阳极歧管口2、阴极歧管口3、水歧管口4、阳极分管口5、阴极分管口6、水分管口7、分流区8、密封区10。阴极基板13的流场区9同目前现有阴极板流场区不同，其主要作用为阻隔阴极反应气与水腔冷却水。阴极基板13的流场区9并不具备与膜电极的气体扩散层接触的脊结构。阴极基板13的加工方式为冲压成型。阴极基板13的加工材料包括但不限于不锈钢、纯钛、钛合金等。阴极基板的作用除了包含现有常规双极板的作用外，还起到分隔阴极流场板脊部下方区域内的反应气和冷却水腔的冷却液的作用。

阴极流场板12主要包括流场区9，其主要结构特征为流道沟与脊。阴极流场板的流道脊进行了冲压处理。阴极流场板12的沟脊比例可根据实际需要进行调整。阴极流场板12的冲压位置为阴极流场板流道脊部与气体扩散层接触面。阴极流场板12的加工方式可以为直接通过冲压形成沟槽结构，并且同时流道脊部冲压开口，使得流道脊部形成可供气体通过的开口结构16。阴极流场板12的加工材料包括但不限于不锈钢、纯钛、钛合金等，且阴极流场板12和阴极基板13的加工材料可以为同种材料或者不同种材料。阴极流场板12的沟脊比例可根据需要进行调整。阴极流场板12与阴极基板13连接方式包括但不限于焊接、胶连、机械限位或直接压力接触等。阴极基板13与阳极板的连接方式包括但不限于焊接、胶连等。

如图3所示，在本发明的透气双极板在使用过程中，由阳极板11、阴极流场板12、阴极基板13组成的透气双极板与燃料电池膜电极堆叠形成燃料电池电堆。阳极板11与膜电极的阳极接触，阴极流场板12、阴极基板13与膜电极的阴极接触。阳极反应气依次通过阳极歧管口2、阳极分管口5、分流区8后进入流场区9参与反应。阴极反应气依次通过阴极歧管口3、阴极分管口6、分流区8后到达阴极基板13的分流区8与阴极流场板12的交界处，如图3，阴极反应气流经阴极流场板12时会同时进入阴极流场板12沟形成的流道14和脊下与阴极基板共同构成的脊下区间15。流道14中的气体直接扩散到膜电极中参与反应，脊下区间15的阴极气体可以通过阴极流场板12上的开口结构16扩散到膜电极中参与反应。阴极流场板主要起到传导气体、排出生成水以及导电的作用。阴极基板主要起到密封阴极气体、均匀分配阴极气体、与阳极板共同构成冷却流场以及导电的作用。

本发明提出的一种适用于燃料电池电堆的透气双极板适用于质子交换膜燃料电池电堆。

变化例1

如图4，一种用于燃料电池电堆的透气双极板结构。在实施例1的基础上，所开孔的形状可以为三角形、四边形等多边形形状。

变化例2

如图5，一种用于燃料电池电堆的透气双极板结构。在实施例1的基础上，所开孔的形状可以为腰圆形或其它各种非规则形状。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，包括：阳极板(11)、阴极流场板(12)和阴极基板(13)；

所述阴极基板(13)设置于所述阳极板(11)与所述阴极流场板(12)之间；

所述阴极流场板(12)的一侧设置有多个向外突起的脊，所述脊包括顶面和侧面，所述顶面与膜电极接触，所述顶面和所述侧面开设有多个开口，两两相邻的脊之间构成流道(14)，所述阴极流场板(12)另一侧与脊对应的位置向内凹陷，构成脊下空间(15)；

所述阴极基板(13)设置于所述阴极流场板(12)的脊下空间(15)所在侧。

2.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述阳极板(11)和阴极基板(13)均包括位置相对应的：分流区(8)、流场区(9)、阳极歧管口(2)、阴极歧管口(3)、阳极分管口(5)和阴极分管口(6)；

所述阴极流场板(12)位于所述阴极基板(13)的流场区(9)内；

阳极反应气依次通过所述阳极歧管口(2)、阳极分管口(5)、分流区(8)后进入阳极板(11)的流场区(9)；

阴极反应气依次通过阴极歧管口(3)、阴极分管口(6)、分流区(8)后进入阴极基板(13)的流场区(9)的流道(14)和脊下空间(15)。

3.根据权利要求2所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述阴极基板(13)和所述阳极板(11)均包括位置相对应的：水歧管口(4)和水分管口(7)；

冷却介质依次通过水歧管口(4)、水分管口(7)、分流区(8)后进入阳极板(11)和阴极基板(13)之间的冷却介质流道。

4.根据权利要求2所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述阳极板(11)的流场区(9)一侧设置有多个向外突起的第二脊，两两相邻的所述第二脊之间构成阳极气体流道。

5.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述阳极板(11)、所述阴极流场板(12)和所述阴极基板(13)固定连接在一起。

6.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述脊通过冲压成型得到，所述脊上的开口通过冲压成型得到。

7.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述脊上的开口包括圆形、椭圆形、多边形和腰型孔。

8.根据权利要求1所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板，其特征在于，所述阴极流场板(12)的材质包括：不锈钢、纯钛或钛合金；

所述阴极流场板(12)与所述阴极基板(13)为相同材质或不同材质。

9.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的适用于燃料电池电堆的透气双极板。

10.根据权利要求9所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述阳极板(11)与膜电极的阳极接触，所述阴极流场板(12)和所述阴极基板(13)与膜电极的阴极接触。

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