CN112002919A - 一种燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，所述双极板的一侧宽度方向设置有三个氧化剂进口通道，所述双极板的另一侧宽度方向相对应的设置有三个氧化剂出口通道，所述双极板的一侧长度方向依次设置有还原剂进口通道和冷却剂进口通道，所述双极板的另一侧长度方向依次设置有冷却剂出口通道和还原剂出口通道。本申请的优点在于：还原剂进出口的不对称设计，使得流场内气体自带背压，三个氧化剂进出口的结构可使气体分配均匀、压降小，冷却剂入口靠近反应气体的出口位置，有利于降低反应气体进、出口的温度差，使电堆温度分布均匀，利用本申请制作的电堆运行稳定，性能得以提高。

Description

一种燃料电池双极板

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种特殊结构的燃料电池双极板。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构 简单、低排放、低噪音等优点，可广泛应用于车用动力、移动电源及通信基站备用电源等领 域，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术，从节约能源和保护生 态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

燃料电池主要由膜电极和双极板构成。膜电极(MEA)是燃料电池的核心，双极板是燃料电 池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配、支撑膜电极以及水管理、热管 理的作用，并占据电池堆重量和成本的绝大部分。

目前，燃料电池双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。石墨双极板 导电良好、耐腐蚀性能强，技术比较成熟，许多示范应用的燃料电池汽车大都采用此种双极 板。复合材料双极板以碳粉和树脂为主要原料、经过模压等方式制备而成，可以改善石墨双 极板的性能，但其加工工艺十分复杂，且存在导电性和气体渗透的问题，长期稳定性尚待探 索。金属双极板可以采用直接冲压薄板形成，易于大批量生产，但是冲压成型过程中由于金 属薄片的塑性变形产生残余应力，极易出现翘曲现象，严重影响电堆的一致性，并且流场内 部气体分配不均匀，降低了质子传导和排水能力，影响电池性能。

流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应剂及生成物提供进出通道，是燃料电 池设计的关键因素；因此设计合理的双极板及其流场既可以降低双极板的质量和厚度，提高 燃料电池电堆的质量比功率和体积比功率，还可以均匀分配电池所需的氧化剂和还原剂，保 证电流密度均匀分配，同时将电池生成的水和尾气顺利排出，提高燃料电池的性能。

目前双极板流场的类型主要有蛇形流场、平行流场和交指流场。蛇形流场的突出优点是 能迅速排出生成的液态水，但在大面积流场中，因其流道长度长、弯角多，而使得压降大、 气体浓度分布差别大，弯角处易积水，从而导致系统效率低；平行流场具有压降低的特点， 流道长度短，气体浓度差别小，但流道中气体的流动和反应情况的微小差别会对电池的整体 性能造成扰动，容易出现性能不稳定的情况，交指流场的设计促进了反应气体在扩散层中的 强制对流，但因压降不足导致液态水在进气流道末端与出气流道始端滞留的现象。

在现有技术中，专利号CN03806839针对蛇形流场的问题进行了改进，将流场分为主、副 流场，虽然解决了气体浓度差的问题，但压降依然很大；申请号为201010561291.3的专利公 开了一种质子交换膜燃料电池双极板分配头，分配头由导流区和分配栅栏两部分组成，导流 区底平板上按规律布设多排导流岛，分配栅栏位于导流区和极板流道区结合处，分配栅栏是 一排均布的导流岛，其不足之处是分配头只限于气体流场，没有改变冷却剂分配流场；专利 CN101133506A公开了一种两端带有分配头，中间是波浪形流场的金属双极板，其不足之处是： 难以保证气体在各个流道的均匀分配，同时也难以实现电堆组装时的精确定位。

发明内容

为解决上述问题，本申请提出一种具有特殊结构的燃料电池双极板，针对常规流场结构 的不足，结合传统蛇形流场和平行流场结构的特点，提供了一种有利于反应气体和冷却剂流 体分配的双极板，提高了燃料电池的使用性能。其技术方案如下：

一种具有特殊结构的燃料电池双极板，包括阳极单极板和阴极单极板，氧化剂进口通道、 氧化剂出口通道、还原剂进口通道、还原剂出口通道、冷却剂进口通道、冷却剂出口通道、 氧化剂进口分配区、氧化剂出口汇流区、还原剂进口分配区、还原剂出口汇流区、冷却剂进 口分配区、冷却剂出口汇流区、氧化剂流场区、还原剂流场区、冷却剂流场区、粘接密封区。

所述双极板的一侧宽度方向设置有三个氧化剂进口通道，所述双极板的另一侧宽度方向 相对应的设置有三个氧化剂出口通道，所述氧化剂进口通道和氧化剂出口通道为轴对称结构。

优选地，所述氧化剂进口通道和氧化剂出口通道为完全相同的键槽型结构。

所述双极板的一侧长度方向依次设置有还原剂进口通道和冷却剂进口通道，所述双极板 的另一侧长度方向依次设置有冷却剂出口通道和还原剂出口通道，所述冷却剂进口通道和冷 却剂出口通道为中心对称结构，所述还原剂进口通道和还原剂出口通道为不对称结构，还原 剂进口通道面积是还原剂出口通道面积的1.2～1.8倍。

优选地，所述冷却剂进口通道和冷却剂出口通道为完全相同的键槽型结构。

优选地，所述还原剂进口通道和冷却剂出口通道为键槽型结构，所述还原剂进口通道面 积是还原剂出口通道面积的1.5倍。

所述冷却剂进口通道靠近还原剂出口通道和氧化剂出口通道。

所述氧化剂进口分配区和氧化剂出口汇流区位于阴极单极板的外表面，为轴对称结构， 包括各自与进口或出口连通的长条形贯穿孔，位于靠近两侧边缘的贯穿孔面积是其他贯穿孔 面积的1.5～2.5倍。

优选地，所述与进口或出口连通的贯穿孔的数量都为8个，外形为键槽型，位于靠近两侧 边缘的贯穿孔面积是其他贯穿孔面积的2倍。

所述还原剂进口分配区和还原剂出口汇流区位于阳极单极板的外表面，为中心对称结构， 包括各自与进口或出口连通的长条形贯穿孔和分配汇流通道，所述分配汇流通道具有多分少 汇的结构，气体量多的区域分布到多条流道内，气体量少的区域汇流到一条流道内。

所述临近还原剂进口分配区长条形贯穿孔的区域1条流道分配为2条流道，远离还原剂进 口分配区长条形贯穿孔的区域6条流道汇流为1条流道。

优选地，所述与进口或出口连通的贯穿孔的数量都为2个，外形为键槽型。

所述冷却剂进口分配区和冷却剂出口汇流区位于阳极单极板的内表面，为中心对称结构， 所述冷却剂流场区中每条流道内的冷却剂流经路线长度相等。

所述氧化剂流场区位于阴极单极板的外表面，采用平行流道结构，所述流道宽度0.4～ 2mm，流道深度0.4～1.5mm，台阶宽度0.4～2mm。

优选地，所述平行流道宽度0.8mm，流道深度0.6mm，台阶宽度0.6mm。

所述还原剂流场区位于阳极单极板的外表面，采用蛇形流道结构，所述流道宽度0.4～ 2mm，流道深度0.4～2mm，台阶宽度0.4～2mm。

优选地，所述蛇形流道宽度0.8mm，流道深度0.6mm，台阶宽度0.8mm。

所述冷却剂流场区位于阳极单极板的外表面，采用平行流道结构，所述流道宽度0.4～ 2mm，流道深度0.4～2mm，台阶宽度0.4～2mm。

优选地，所述平行流道宽度0.6mm，流道深度0.6mm，台阶宽度0.6mm。

所述双极板由阳极单极板和阴极单极板在对应的粘接密封区放置胶黏剂粘接而成，所述 粘接密封区位于阳极单极板的内表面，外侧边缘处相应位置设有溢胶槽。

优选地，溢胶槽的形状为矩形。

所述阳极单极板厚度在1～3mm，所述阴极单极板厚度在1～2mm。

优选地，所述阳极单极板厚度为2mm，所述阴极单极板厚度为1.2mm。

本申请具有以下优点：还原剂进、出口的不对称设计，使得流场内气体自带背压，三个 氧化剂进、出口的结构可使气体分配均匀、压降小，冷却剂入口靠近反应气体的出口位置， 且冷却剂流场中每一条流道的长度相等，有利于降低反应气体进、出口的温度差，使电堆温 度分布均匀，利用本申请制作的电堆运行稳定，性能得以提高。

附图说明

附图1为本申请所述双极板阳极侧的结构示意图；

附图2为本申请所述双极板阴极侧的结构示意图；

附图3为本申请所述阳极单极板外表面的结构示意图；

附图4为本申请所述阳极单极板内表面的结构示意图；

附图5为本申请所述阴极单极板外表面的结构示意图。

附图6为本申请所述阴极单极板内表面的结构示意图。

附图7A为本申请所述阳极单极板还原剂进口分配区放大示意图。

附图7B为本申请所述阳极单极板还原剂出口汇流区放大示意图。

附图8A为本申请所述阴极单极板氧化剂进口分配区放大示意图。

附图8B为本申请所述阴极单极板氧化剂出口汇流区放大示意图。

附图9A为本申请所述冷却剂进口分配区放大示意图。

附图9B为本申请所述冷却剂出口汇流区放大示意图。

附图10为本申请所述双极板粘接密封区结构示意图。

附图11为本申请所述双极板与常规流场结构双极板组装电堆的性能曲线对比图。

附图标记如下：

CA-阳极单极板；CA1-还原剂进口通道；CA2-还原剂出口通道；CC-阴极单极板；CC1- 氧化剂进口通道；CC2-氧化剂出口通道；W1-冷却剂进口通道；W2-冷却剂出口通道；

CA3-还原剂进口分配区；CA4-还原剂出口汇流区；CA5-还原剂流场区；

W3-冷却剂进口分配区；W4-冷却剂出口汇流区；W5-冷却剂流场区；

CC3-氧化剂进口分配区；CC4-氧化剂出口汇流区；CC5-氧化剂流场区；

S-粘接密封区；S1-溢胶槽；

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步详细描述。

在本实施例中，采用高纯石墨板，利用数控加工中心，分别加工阳极单极板和阴极单极 板，参见附图1-6，阳极单极板的料厚为2mm，阴极单极板的料厚为1.5mm，加工包括氧化剂进 口通道、氧化剂出口通道、还原剂进口通道、还原剂出口通道、冷却剂进口通道、冷却剂出 口通道、氧化剂进口分配区、氧化剂出口汇流区、还原剂进口分配区、还原剂出口汇流区、 冷却剂进口分配区、冷却剂出口汇流区、氧化剂流场区、还原剂流场区、冷却剂流场区、粘 接密封区。

极板一侧宽度方向包括三个氧化剂进口通道，另一侧宽度方向相对应的包括三个氧化剂 出口通道，所述氧化剂进口通道和氧化剂出口通道为沿双极板的短边轴对称分布，且采用完 全相同的键槽型结构。

极板的一侧长度方向依次设置有还原剂进口通道和冷却剂进口通道，另一侧长度方向依 次设置有冷却剂出口通道和还原剂出口通道，冷却剂进口通道和冷却剂出口通道为中心对称 结构，采用完全相同的键槽型结构；还原剂进口通道和还原剂出口通道为不对称结构，采用 键槽型结构，且还原剂进口通道面积是还原剂出口通道面积的1.5倍，可保证还原剂的充分供 给，且电堆流场内自带背压，使还原剂充分反应，提高电池效率。

冷却剂进口通道的位置靠近还原剂出口通道和氧化剂出口通道，可降低反应气体进、出 口的温度差，使电堆温度分布均匀；

在本实施例中，双极板的外形幅宽为160mm×300mm，还原剂进口与冷却剂进口的距离为 150mm，还原剂出口与冷却剂出口的距离为160mm。

参见附图7A、7B、8A、8B、9A、9B，氧化剂进口分配区和氧化剂出口汇流区位于阴极单 极板的外表面，为轴对称结构，包括8个键槽型的长条形贯穿孔，位于靠近两侧边缘的贯穿孔 面积是其他贯穿孔面积的2倍，主要是因为边缘接触面积比较小，足量的氧化剂才可以实现正 常的效率。在使用同样截面积贯穿孔的情况下，电池整体将无法达到理论上的计算功率。

还原剂进口分配区和还原剂出口汇流区位于阳极单极板的外表面，为中心对称结构，包 括2个键槽型的长条形贯穿孔和分配汇流通道，所述分配汇流通道具有多分少汇的结构，气体 量多的区域分布到多条流道内，气体量少的区域汇流到一条流道内，具体为临近还原剂进口 分配区长条形贯穿孔的区域1条流道分配为2条流道，远离还原剂进口分配区长条形贯穿孔的 区域6条流道汇流为1条流道，此结构保证还原剂均匀分布到流场区的每条流道内。

冷却剂进口分配区和冷却剂出口汇流区位于阳极单极板的内表面，为中心对称结构，且 每条流道内的冷却剂流经路线长度相等。

氧化剂流场区位于阴极单极板的外表面，采用平行流道结构，所述流道宽度0.8mm，流道 深度0.6mm，台阶宽度0.6mm。

还原剂流场区位于阳极单极板的外表面，采用蛇形流道结构，所述流道宽度0.8mm，流道 深度0.6mm，台阶宽度0.8mm。

冷却剂流场区位于阳极单极板的外表面，采用平行流道结构，所述流道宽度0.6mm，流道 深度0.6mm，台阶宽度0.6mm。

参见附图10，在阳极单极板内表面的相应位置加工出粘接密封区，并在外侧边缘处设置 有多个矩形溢胶槽。

加工完成后，使用自动点胶机将胶黏剂均匀涂覆在阳极单极板的粘接密封区，并利用定 位装置将阳极单极板内表面与阴极单极板内表面进行粘接，待胶黏剂固化后，即为所需的双 极板，可以进行测漏检测以保证粘接区域的密封性。

利用上述设计加工的双极板，制作并组装5片电堆，与常规结构双极板组装的5片电堆进 行性能对比测试，IV曲线如附图11所示，测试温度：60～70℃，阳极压力：50kPa，阴极压力： 常压，电堆测试结果：与常规结构的双极板相比，本申请组装的电堆，在性能上有了明显的 提升。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都 应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板包括阳极单极板和阴极单极板，其上设置有氧化剂进口通道、氧化剂出口通道、还原剂进口通道、还原剂出口通道、冷却剂进口通道、冷却剂出口通道、氧化剂进口分配区、氧化剂出口汇流区、还原剂进口分配区、还原剂出口汇流区、冷却剂进口分配区、冷却剂出口汇流区、氧化剂流场区、还原剂流场区、冷却剂流场区、粘接密封区。

2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板的一侧宽度方向设置有氧化剂进口通道，所述双极板的另一侧宽度方向相对应的设置有氧化剂出口通道。

3.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述双极板的一侧长度方向设置有还原剂进口通道和冷却剂进口通道，所述双极板的另一侧长度方向设置有冷却剂出口通道和还原剂出口通道。

4.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述氧化剂进口通道和氧化剂出口通道为轴对称结构。

5.如权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述冷却剂进口通道和冷却剂出口通道为中心对称结构，所述还原剂进口通道和还原剂出口通道为不对称结构，还原剂进口通道面积是还原剂出口通道面积的1.2～1.8倍。

6.如权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述冷却剂进口通道靠近还原剂出口通道和氧化剂出口通道。

7.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述氧化剂进口通道、氧化剂出口通道、还原剂进口通道、还原剂出口通道、冷却剂进口通道、冷却剂出口通道均为中心对称的四边形结构。

8.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述氧化剂进口分配区和氧化剂出口汇流区位于阴极单极板的外表面，为轴对称结构，包括各自与进口或出口连通的长条形贯穿孔，位于靠近两侧边缘的贯穿孔面积是其他贯穿孔面积的1.5～2.5倍。

9.如权利要求1所述燃料电池的双极板，其特征在于：所述还原剂进口分配区和还原剂出口汇流区位于所述阳极单极板的外表面，所述还原剂进口分配区和还原剂出口汇流区均为中心对称结构，包括各自与进口或出口连通的长条形贯穿孔和分配汇流通道，所述分配汇流通道具有多分少汇的结构，气体量多的区域分布到多条流道内，气体量少的区域汇流到一条流道内，临近还原剂进口分配区长条形贯穿孔的区域1条流道分配为2条流道，远离还原剂进口分配区长条形贯穿孔的区域6条流道汇流为1条流道。

10.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于：所述冷却剂进口分配区和冷却剂出口汇流区位于所述阳极单极板的内表面，为中心对称结构，所述冷却剂流场区中每条流道内的冷却剂流经路线长度相等。

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