CN111668507A - 一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池 - Google Patents

一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池制造技术领域，具体而言，涉及一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池。一种双极板流体进出口区，包括贴合设置的第一单极板及第二单极板。第一单极板与第二单极板之间，形成有第一腔室、中间腔室、流道腔以及第二腔室。第一腔室、中间腔室、流道腔及第二腔室依次连通。该双极板流体进出口区能够使得流体在进口区直接流入极板流场的分配区、在出口区从极板流场的分配区直接流出，不需要翻转，使得流体的流动路径更短，压损更小，并且提升了双极板有效面积的占比。

Description

一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池制造技术领域，具体而言，涉及一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化成电能的发电装置。由于其是电化学反应，无燃烧，不受“卡诺循环”限制，因此能量转换效率要高出普通热机很多。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点，在交通运输、固定式发电、便携式发电等领域具有十分广阔的市场前景。
双极板是燃料电池堆的关键部件，主要功能是分隔反应气体、传导反应气体和冷却液、收集并传导电流、支撑膜电极等。金属双极板因其机械性能、加工性能、导电性等都十分优异，且成本低、易于批量生产，已成为目前的一个开发热点。
双极板主要包括流体进出口区、分配区以及反应区。极板的流体进出口区的结构既要保证流体分布均匀，压力损失合理，又要保证极板与膜电极之间良好的密封性。针对不同的极板结构，极板流体进出口区也会有所不同，目前金属极板常用的流体进出口区的结构为“层跃式”，这种结构占用空间较大，不利于极板有效面积占比的提升。
发明内容
本发明的目的包括，提供了一种双极板流体进出口区、双极板和燃料电池，其能够使得流体直接流入流场分配区域，不需要翻转，克服“层跃式”结构的缺陷，使得流体的流动路径更短，压损更小，并提升双极板有效面积的占比。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种双极板流体进出口区，包括贴合设置的第一单极板及第二单极板；
第一单极板与第二单极板之间，形成有第一腔室、中间腔室、流道腔以及第二腔室；
第一腔室、中间腔室、流道腔及第二腔室依次连通。
在可选的实施方式中，第一单极板及第二单极板均包括依次设置的第一分部、第二分部、第三分部及第四分部；
第一单极板的第一分部、第二分部、第三分部及第四分部均向背离第二单极板的方向凸出；第二单极板的第一分部、第二分部、第三分部及第四分部均向背离第一单极板的方向凸出；
两个第一分部之间形成第一腔室，两个第二分部之间形成中间腔室，两个第三分部之间形成流道腔，两个第四分部之间形成第二腔室。
在可选的实施方式中，第一单极板包括朝靠近中间腔室方向凸设的多个第一凸台，第二单极板包括朝靠近中间腔室方向凸设的多个第二凸台；
多个第一凸台及多个第二凸台一一对应；多个第一凸台的基部及多个第二凸台的基部一一相互抵接。
在可选的实施方式中，第一单极板包括朝向流道腔方向凸出的多个第三凸台，第二单极板包括朝向流道腔方向凸出的多个第四凸台；
多个第三凸台与多个第四凸台一一对应，多个第三凸台的基部与多个第四凸台的基部一一相互抵接。
在可选的实施方式中，多个第三凸台及多个第四凸台依次间隔设置，将流道腔分隔为多个流道。
在可选的实施方式中，第一单极板的第三分部凸出高度小于第二分部及第四分部的凸出的高度；第二单极板的第三分部凸出高度小于第二分部及第四分部的凸出的高度。
在可选的实施方式中，第一单极板的第四分部的宽度小于第二单极板的第四分部的宽度。
在可选的实施方式中，第一单极板还包括开口，开口与第二腔室连通；
开口位于第四分部远离第三分部的一侧。
第二方面，本发明实施例提供一种双极板，包括至少两个上述的双极板流体进出口区；
其中一个双极板流体进出口区为流体进口区，另一个双极板流体进出口区为流体出口区；第一单极板还包括开口；
在流体进口区，流体依次流过第一腔室、中间腔室、流道腔、第二腔室和开口；
在流体出口区，流体依次流过开口、第二腔室、流道腔、中间腔室和第一腔室。
第三方面，本发明实施例提供一种燃料电池，包括至少具备一个上述的双极板流体进出口区的双极板。
本发明实施例的有益效果包括：
该双极板流体进出口区包括贴合设置的第一单极板及第二单极板。其中，第一单极板与第二单极板之间，形成有第一腔室、中间腔室、流道腔以及第二腔室；第一腔室、中间腔室、流道腔及第二腔室依次连通，在流体进口区流体依次流经第一腔室、中间腔室、流道腔及第二腔室，在流体出口区流体依次流经第二腔室、流道腔、中间腔室及第一腔室。
这样的设置方式，能够使得流体在流体进口区直接流入流场分配区、在流体出口区直接从流场分配区流出，不需要翻转，使得流体的流动路径更短，压损更小，并且提升了双极板有效面积的占比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中双极板流体进出口区的结构示意图；
图2为本发明实施例中双极板流体进出口区第一视角的剖视图；
图3为本发明实施例中双极板流体进出口区第一视角的分解示意图；
图4为本发明实施例中双极板流体进出口区第二视角的分解示意图；
图5为本发明实施例中双极板流体进出口区第二视角的剖视图。
图标：200-双极板流体进出口区；210-第一单极板；220-第二单极板；201-第一腔室；202-中间腔室；203-流道腔；204-第二腔室；231-第一分部；232-第二分部；233-第三分部；234-第四分部；211-第一凸台；221-第二凸台；212-第三凸台；222-第四凸台；236-流道；237-开口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化成电能的发电装置。由于其是电化学反应，无燃烧，不受“卡诺循环”限制，因此能量转换效率要高出普通的热机很多。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点，在交通运输、固定式发电、便携式发电等领域具有十分广阔的市场前景。
双极板是燃料电池堆的关键部件，主要功能是分隔反应气体、传导反应气体和冷却液、收集并传导电流、支撑膜电极等。双极板因其机械性能、加工性能、导电性等都十分优异，易于批量生产，成本低，已成为目前的一个开发热点。
双极板主要包括流体进出口区、分配区以及反应区。极板的流体进、出口区的结构既要保证流体分布均匀，压力损失合理，又要保证极板与膜电极之间良好的密封性。针对不同的结构，极板流体进出的方式也会有所不同，目前金属极板常用的流体进出口区结构为“层跃式”，这种方式占用的空间较大，不利于极板有效面积占比的提升。
为解决上述问题，请参考图1及图2，图1及图2示出了本发明实施例中双极板流体进出口区的结构；本实施例提供了一种双极板流体进出口区200，双极板流体进出口区200包括贴合设置的第一单极板210及第二单极板220；
第一单极板210与第二单极板220之间，形成有第一腔室201、中间腔室202、流道腔203以及第二腔室204；
第一腔室201一般是双极板的共用腔室，第一腔室201、中间腔室202、流道腔203及第二腔室204依次连通。当作为进口时，图2中箭头B所示为流体的流入方向。
该双极板流体进出口区200的工作原理是：
该双极板流体进出口区200包括贴合设置的第一单极板210及第二单极板220。其中，第一单极板210与第二单极板220之间，形成有第一腔室201、中间腔室202、流道腔203以及第二腔室204；第一腔室201、中间腔室202、流道腔203及第二腔室204依次连通，且流体进入时依次流经第一腔室201、中间腔室202、流道腔203及第二腔室204，流体流出时依次流经第二腔室204、流道腔203、中间腔室202及第一腔室201。
这样的设置方式，能够使得流体直接流入流场分配区域，或从流场分配区域直接流出，不需要翻转，使得流体的流动路径更短，压损更小，并且提升了双极板有效面积的占比。
进一步地，请参照图1-图4，图3及图4示出了本发明实施例中第一单极板210及第二单极板220的结构；在本实施例中，在设置第一单极板210及第二单极板220时，第一单极板210及第二单极板220均包括依次设置的第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234。
其中，第一单极板210的第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234均有向背离第二单极板220方向的凸出；第二单极板220的第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234均有向背离第一单极板210方向的凸出。
并且在设置第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234时，第一单极板210上的第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234与第二单极板220上的第一分部231、第二分部232、第三分部233及第四分部234一一对应设置，以使得两个第一分部231之间形成第一腔室201，两个第二分部232之间形成中间腔室202，两个第三分部233之间形成流道腔203，两个第四分部234之间形成第二腔室204。
进一步地，在本实施例中，第一单极板210还包括朝靠近中间腔室202方向凸设的多个第一凸台211，第二单极板220还包括朝靠近中间腔室202方向凸设的多个第二凸台221。
且多个第一凸台211及多个第二凸台221一一对应，多个第一凸台211的基部和多个第二凸台221的基部相互抵接，起到支撑双极板流体进出口区200的作用，以提高双极板流体进出口区200的强度。
需要说明的是，在设置第一凸台211及第二凸台221时，第一凸台211可以设置在第一单极板210的第二分部232区域，而第二凸台221则设置于第二单极板220的第二分部232区域，以使得第一凸台211与第二凸台221对称设置。
进一步地，在本实施例中，第一单极板210包括朝向流道腔203方向凸出的多个第三凸台212，第二单极板220包括朝向流道腔203方向凸出的多个第四凸台222。且多个第三凸台212与多个第四凸台222一一对应，多个第三凸台212的基部与多个第四凸台222的基部相互抵接。
在设置多个第三凸台212及多个第四凸台222时，多个第三凸台212及多个第四凸台222依次间隔设置，且由于多个第三凸台212及多个第四凸台222均朝向流道腔203方向凸出，故多个第三凸台212及多个第四凸台222一一对应，将流道腔203分隔为多个延伸的流道236，多个流道236的两端均分别与中间腔室202及第二腔室204连通。
请参照图1-图5，在设置多个第三凸台212及多个第四凸台222时，多个第三凸台212及多个第四凸台222依次间隔设置，且由于多个第三凸台212及多个第四凸台222均朝向流道腔203方向凸出，故多个第三凸台212及多个第四凸台222一一对应抵接后便可将流道腔203分隔为多个沿预设方向延伸的流道236，多个流道236的两端均分别与中间腔室202及第二腔室204连通。
进一步地，在本实施例中，第一单极板210的第三分部233凸出高度小于第二分部232及第四分部234的凸出的高度；第二单极板220的第三分部233凸出高度小于第二分部232及第四分部234的凸出的高度。
需要说明的是，在本实施例中，第一单极板210的第四分部234的宽度小于第二单极板220的第四分部234的宽度。第一单极板210还包括开口237，开口237与第二腔室204连通，开口237也与双极板的导流区连通。开口237位于第四分部234远离第三分部233的一侧。
综上，该双极板流体进出口区200有利于提升极板有效面积的占比，并节省成本；且第一单极板210的第三分部233上及第二单极板220的第三分部233上可以作为密封槽来安置密封组件，这样的设置方式能够提高密封效果，且双极板流体进出口区200两侧的密封圈位置一致，进而能够使得双极板流体进出口区200的受力更加均匀，解决了边框受剪切力的问题。
基于上述的双极板流体进出口区200，本发明实施例还提供一种双极板，双极板包括至少两个上述的双极板流体进出口区200。其中一个双极板流体进出口区200为流体进口区，另一个所述双极板流体进出口区200为流体出口区；第一单极板210还包括开口237。
在流体进口区，流体依次流过第一腔室201、中间腔室202、流道腔203、第二腔室204和开口237；在流体出口区，流体依次流过开口237、第二腔室204、流道腔203、中间腔室202和第一腔室201。
基于上述的内容，本发明实施例提供一种燃料电池，包括至少使用一个上述的双极板流体进出口区200结构的双极板。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双极板流体进出口区，其特征在于：
所述双极板流体进出口区(200)包括贴合设置的第一单极板(210)及第二单极板(220)；
所述第一单极板(210)与所述第二单极板(220)之间，形成有第一腔室(201)、中间腔室(202)、流道腔(203)以及第二腔室(204)；
所述第一腔室(201)、所述中间腔室(202)、所述流道腔(203)及所述第二腔室(204)依次连通。
2.根据权利要求1所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)及所述第二单极板(220)均包括依次设置的第一分部(231)、第二分部(232)、第三分部(233)及第四分部(234)；
所述第一单极板(210)的所述第一分部(231)、所述第二分部(232)、所述第三分部(233)及所述第四分部(234)均向背离所述第二单极板(220)的方向凸出；所述第二单极板(220)的所述第一分部(231)、所述第二分部(232)、所述第三分部(233)及所述第四分部(234)均向背离所述第一单极板(210)的方向凸出；
两个所述第一分部(231)之间形成所述第一腔室(201)，两个所述第二分部(232)之间形成所述中间腔室(202)，两个所述第三分部(233)之间形成所述流道腔(203)，两个所述第四分部(234)之间形成所述第二腔室(204)。
3.根据权利要求2所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)包括朝靠近所述中间腔室(202)方向凸设的多个第一凸台(211)，所述第二单极板(220)包括朝靠近所述中间腔室(202)方向凸设的多个第二凸台(221)；
所述多个第一凸台(211)及所述多个第二凸台(221)一一对应；所述多个第一凸台(211)的基部及所述多个第二凸台(221)的基部一一相互抵接。
4.根据权利要求2所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)包括朝向所述流道腔(203)方向凸出的多个第三凸台(212)，所述第二单极板(220)包括朝向所述流道腔(203)方向凸出的多个第四凸台(222)；
多个所述第三凸台(212)与多个所述第四凸台(222)一一对应，多个所述第三凸台(212)的基部与多个所述第四凸台(222)的基部一一相互抵接。
5.根据权利要求4所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
多个所述第三凸台(212)及多个所述第四凸台(222)依次间隔设置，将所述流道腔(203)分隔为多个流道(236)。
6.根据权利要求2所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)的所述第三分部(233)凸出高度小于所述第二分部(232)及所述第四分部(234)的凸出的高度；所述第二单极板(220)的所述第三分部(233)凸出高度小于所述第二分部(232)及所述第四分部(234)的凸出的高度。
7.根据权利要求2所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)的所述第四分部(234)的宽度小于所述第二单极板(220)的所述第四分部(234)的宽度。
8.根据权利要求7所述的双极板流体进出口区，其特征在于：
所述第一单极板(210)还包括开口(237)，所述开口(237)与所述第二腔室(204)连通；
所述开口(237)位于所述第四分部(234)远离所述第三分部(233)的一侧。
9.一种双极板，其特征在于：
所述双极板包括至少两个如权利要求1-8中任意一项所述的双极板流体进出口区(200)；
其中一个所述双极板流体进出口区(200)为流体进口区，另一个所述双极板流体进出口区(200)为流体出口区；所述第一单极板(210)还包括开口(237)；
在流体进口区，流体依次流过所述第一腔室(201)、所述中间腔室(202)、所述流道腔(203)、所述第二腔室(204)和所述开口(237)；
在流体出口区，流体依次流过所述开口(237)、所述第二腔室(204)、所述流道腔(203)、所述中间腔室(202)和所述第一腔室(201)。
10.一种燃料电池，其特征在于：
所述燃料电池包括至少具备一个如权利要求1-8中任意一项所述的双极板流体进出口区(200)的双极板。
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