CN113258093B - 一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池 - Google Patents
一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池。该阴极单板中,阴极公共流道入口和阴极公共流道出口分别设于阴极单板的左右两侧;阳极公共流道入口与阴极公共流道出口设于同一侧、且阳极公共流道入口位于阴极公共流道出口的上方;阳极公共流道出口设于阴极活性区的下侧;或者,阳极公共流道出口设于阴极公共流道出口的正下方;阴极公共流道入口的宽度不小于阴极活性区宽度;冷却剂入口和冷却剂出口分别设于阴极单板的上下两侧;阴极单板上侧中,冷却剂入口或冷却剂出口的长度不小于阴极活性区的长度。本发明的导流极板无需设置气体分配区,且能够实现进气端气体分布均匀和冷却剂均匀分配。
Description
技术领域
本发明涉及一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学电池,又称为电化学发电器由于燃料电池是通过电化学反应将燃料化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,具有很高的实用性。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池的一种,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。导流极板在PEMFC中具有隔断反应介质、集流导电、支撑膜电极、导热及为反应气体提供通道,均匀分布反应气体以及排水等作用,被称为燃料电池电堆的“骨架”,合理的流场设计可以有效提高燃料电池的性能。
目前常见双极板中普遍将阴阳极公共流道口和冷却公共流道口都设在双极板的长度方向两侧;或者,将阴阳极公共流道口设在长度方向的两侧,将冷却流道口设在宽度方向两侧。例如专利文献CN106571472A、CN101572318A、CN109994752A等均为将阴极、阳极、冷却腔的公共流道设于双极板长度方向的两侧,该方案应用比较广泛,缺点是为了使得气体能够均匀进入活性区内,必须设置面积较大的气体分配区,而气体分配区不仅占用双极板的空间,降低双极板的功率密度,而且不合理的气体分配区设计还会造成流道中流量差异较大,反应不均匀、局部或者整体欠气甚至反极的现象。再例如,专利文献CN110212213A、CN210224176U等将冷却腔的公共流道设在双极板宽度方向的两侧,但该方案的阴、阳极公共流道仍然设在双极板长度方向的两侧,仍需要设置气体分配区,依然存在如前所述的例如进气端的气体分配不均匀等问题。另外,在双极板中结构设计中,冷却剂是否分配均匀也是必须要考虑的问题。
因此,现有技术中缺少一种在不设置气体分配区还能够保证气体均匀分配且冷却剂均匀分配的导流极板。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的导流极板难以同时实现无需设置气体分配区、反应气体均匀分配且冷却剂均匀分配等问题,而提供了一种阴极单板、阳极单板、导流极板及含其的燃料电池。本发明的导流极板无需设置气体分配区,且能够实现进气端气体分布均匀和冷却剂均匀分配。
本发明通过以下技术方案实现上述技术效果。
本发明提供了一种阴极单板,所述阴极单板具有中心的阴极活性区,以及位于所述阴极活性区周围的阴极公共流道入口、阴极公共流道出口、阳极公共流道入口、阳极公共流道出口、冷却剂入口和冷却剂出口;
其中,所述阴极公共流道入口和所述阴极公共流道出口分别设于所述阴极单板的左右两侧;
所述阳极公共流道入口与所述阴极公共流道出口设于同一侧、且所述阳极公共流道入口位于所述阴极公共流道出口的上方;
所述阳极公共流道出口设于所述阴极活性区的下侧;或者,所述阳极公共流道出口设于所述阴极公共流道出口的正下方;
所述阴极单板的流场结构为平行直流道结构或波纹形流道结构;
所述阴极公共流道入口的宽度不小于所述阴极活性区宽度;
所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别设于所述阴极单板的上下两侧;所述阴极单板上侧中,所述冷却剂入口或所述冷却剂出口的长度不小于所述阴极活性区的长度;
所述阴极公共流道入口、所述冷却剂入口和所述冷却剂出口的长度和宽度分别以所述阴极活性区的长度和宽度方向计。
本发明还提供了一种阳极单板,所述阳极单板具有中心的阳极活性区,以及位于所述阳极活性区周围的阴极公共流道入口、阴极公共流道出口、阳极公共流道入口、阳极公共流道出口、冷却剂入口和冷却剂出口;
其中,所述阴极公共流道入口和所述阴极公共流道出口分别设于所述阳极单板的左右两侧;
所述阳极公共流道入口与所述阴极公共流道出口设于同一侧、且所述阳极公共流道入口位于所述阴极公共流道出口的上方;
所述阳极单板的流场结构为蛇形流道结构,所述阳极公共流道入口与所述蛇形流道结构衔接,所述阳极公共流道入口的宽度不小于所述蛇形流道结构的入口的宽度;
所述阳极公共流道出口设于所述阳极活性区的下侧;或者,所述阳极公共流道出口设于所述阴极公共流道出口的正下方;
所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别设于所述阳极单板的上下两侧。
本发明还提供了一种导流极板,其包括如前所述的阴极单板和如前所述的阳极单板;
所述阴极单板和所述阳极单板相对设置,所述阴极单板和所述阳极单板之间的空腔形成冷却剂流场。
本发明中,较佳地,所述阴极公共流道入口的宽度与所述阴极活性区宽度的比值为(1~1.1):1。
本发明中,较佳地,所述阳极公共流道入口的宽度与所述蛇形流道结构的入口的宽度的比值为(1~1.1):1。
本发明中,较佳地,所述蛇形流道结构中,最后一段的流道的方向为竖直向下。
本发明中,较佳地,所述阴极活性区占所述阴极单板的面积百分比为54~59%,例如为54.6%。
本发明中,较佳地,所述阳极活性区占所述阳极单板的面积百分比为54~59%,例如为54.6%。
本发明中,较佳地,所述冷却剂入口或所述冷却剂出口的长度与所述阴极活性区的长度的比值为(1~1.1):1。
本发明中,较佳地,所述冷却剂入口设于所述导流极板的下侧,所述冷却剂出口设于所述导流极板的上侧。
其中,较佳地,所述阴极活性区、所述阴极公共流道入口、所述阴极公共流道出口、所述阳极公共流道入口、所述阳极公共流道出口、所述冷却剂入口和所述冷却剂出口中的一种或多种为长方形。
其中,较佳地,所述导流极板无需分配区。更佳地,所述导流极板无需设置入口分配区。更佳地,所述导流极板无需设置出口分配区。进一步更佳地,所述导流极板无需阴极入口分配区、阴极出口分配区、阳极入口分配区、阳极出口分配区、冷却剂入口分配区或冷却剂出口分配区。本领域技术人员在理解本发明的技术方案后知晓,各个分配区是指各个进出口与所述活性区之间的区域。
本发明中,较佳地,所述导流极板的材质为金属或石墨。
本发明还提供了一种膜组件,其包括如前所述的导流极板。
本发明中,较佳地,所述膜组件包括依次设置的如前所述的阴极单板、第一气体扩散层、第一催化层、质子交换膜、第二催化层、第二气体扩散层和如前所述的阳极单板。
本发明还提供了一种燃料电池,其包括如前所述的导流极板。
本发明中,较佳地,所述燃料电池为固态氧化物燃料电池或质子交换膜燃料电池。
本发明中,较佳地,所述燃料电池包括如前所述的膜组件。
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。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于:
本发明中,通过对导流极板进行合理的气体进出口布局,在无需设置气体分配区的情况下,仍能够实现进气端气体分布均匀和冷却剂均匀分配,增加活性区相对于导流极板的面积占比。
本发明一优选实施方式中,多蛇形流道结构近阳极公共流道出口处的流道竖直向下,利用重力更利于阳极排水,有效解决阳极水淹的问题,减小电堆阳极计量比,提升效率。
附图说明
图1为实施例1的阴极单板结构正面示意图。
图2为实施例1的阳极单板结构正面示意图。
图3为实施例2的阴极单板结构正面示意图。
图4为实施例4的阳极单板结构正面示意图。
图5为对比例1的流道入口处的流量差值对比图。
附图标记说明
阴极单板1
阴极活性区2
阴极公共流道入口3
阴极公共流道出口4
阳极公共流道入口5
阳极公共流道出口6
阳极单板7
阳极活性区8
冷却剂入口9
冷却剂出口10
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的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,按照常规方法和条件,或按照商品说明书选择。
实施例1
如图1所示为实施例1的阴极单板1,阴极单板1具有中心的阴极活性区2,以及位于阴极活性区2周围的阴极公共流道入口3、阴极公共流道出口4、阳极公共流道入口5、阳极公共流道出口6、冷却剂入口9和冷却剂出口10;其中,阴极公共流道入口3和阴极公共流道出口4分别设于阴极单板1的左右两侧;阳极公共流道入口5与阴极公共流道出口4设于同一侧、且阳极公共流道入口5位于阴极公共流道出口4的上方;阳极公共流道出口6设于阴极活性区2的下侧;阴极单板1的流场结构为平行直流道结构;阴极公共流道入口3的宽度不小于阴极活性区2宽度(如图1所示,L1不小于D1);冷却剂入口9设于导流极板的下侧,冷却剂出口10设于导流极板的上侧。阴极单板1上侧中,冷却剂出口10的长度不小于阴极活性区2的长度(如图1所示,L3不小于D3);阴极公共流道入口3、冷却剂出口10的长度和宽度分别以阴极活性区2的长度和宽度方向计。
如图2所示为实施例1的阳极单板7,阳极单板7具有中心的阳极活性区8,以及位于阳极活性区8周围的阴极公共流道入口3、阴极公共流道出口4、阳极公共流道入口5、阳极公共流道出口6、冷却剂入口9和冷却剂出口10;其中,阴极公共流道入口3和阴极公共流道出口4分别设于阳极单板7的左右两侧;阳极公共流道入口5与阴极公共流道出口4设于同一侧、且阳极公共流道入口5位于阴极公共流道出口4的上方;阳极单板7的流场结构为蛇形流道结构,阳极公共流道入口5与蛇形流道结构衔接,阳极公共流道入口5的宽度不小于蛇形流道结构的入口的宽度(如图2所示,L2不小于D2);阳极公共流道出口6设于阳极活性区8的下侧;冷却剂入口9设于导流极板的下侧,冷却剂出口10设于导流极板的上侧。
实施例1的导流极板中,包括如前所述的阴极单板1和如前所述的阳极单板7;阴极单板1和阳极单板7相对设置,阴极单板1和阳极单板7之间的空腔形成冷却剂流场。
阴极公共流道入口3的宽度与阴极活性区2宽度的比值为1:1。
阳极公共流道入口5的宽度与蛇形流道结构的入口的宽度的比值为1:1。
蛇形流道结构中,最后一段的流道的方向为竖直向下。
阴极活性区2占阴极单板1的面积百分比为54.6%。
阳极活性区8占阳极单板7的面积百分比为54.6%。
冷却剂出口10的长度与阴极活性区2的长度的比值为1:1。
阴极活性区2、阴极公共流道入口3、阴极公共流道出口4、阳极公共流道入口5、阳极公共流道出口6、冷却剂入口9和冷却剂出口10为长方形。
实施例2
如图3所示,除了阴极单板1的流场结构为波纹形流道结构外,其余技术方案均与实施例1相同。
实施例3
除了冷却剂入口设于导流极板的上侧,冷却剂出口设于导流极板的下侧外,其余技术方案均与实施例1相同。
实施例4
如图4所示,除了阳极公共流道出口6设于阴极公共流道出口4的正下方外,其余技术方案均与实施例1相同。
效果实施例1
将实施例1的导流极板进行流道仿真分析,在工况为2000mA/cm2、温度为70℃、湿度为100RH%的湿氢气、入口压力为70kPa,计量比1.4的条件下,利用CFD仿真软件对流场的分配进行仿真分析,结果显示,实施例1的阴极单板1中每根流道的流量差值不超过5%。
而传统工艺中的导流极板,如专利CN110212213A中导流极板的结构(对比例1),如图5所示,在与实施例1相同的分析条件下,其流道入口处最大流量与最小流量相差约21%。
效果实施例2
将实施例1的导流极板在工况为2000mA/cm2和计量比1.4的条件下运行,结果显示阳极均未发生水淹现象。
Claims (10)
1.一种阴极单板,其特征在于,所述阴极单板具有中心的阴极活性区,以及位于所述阴极活性区周围的阴极公共流道入口、阴极公共流道出口、阳极公共流道入口、阳极公共流道出口、冷却剂入口和冷却剂出口;
其中,所述阴极公共流道入口和所述阴极公共流道出口分别设于所述阴极单板的左右两侧;
所述阳极公共流道入口与所述阴极公共流道出口设于同一侧、且所述阳极公共流道入口位于所述阴极公共流道出口的上方;
所述阳极公共流道出口设于所述阴极活性区的下侧;或者,所述阳极公共流道出口设于所述阴极公共流道出口的正下方;
所述阴极单板的流场结构为平行直流道结构或波纹形流道结构;
所述阴极公共流道入口的宽度不小于所述阴极活性区宽度;
所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别设于所述阴极单板的上下两侧;所述阴极单板上侧中,所述冷却剂入口或所述冷却剂出口的长度不小于所述阴极活性区的长度;
所述阴极公共流道入口、所述冷却剂入口和所述冷却剂出口的长度和宽度分别以所述阴极活性区的长度和宽度方向计。
2.一种阳极单板,其特征在于,所述阳极单板具有中心的阳极活性区,以及位于所述阳极活性区周围的阴极公共流道入口、阴极公共流道出口、阳极公共流道入口、阳极公共流道出口、冷却剂入口和冷却剂出口;
其中,所述阴极公共流道入口和所述阴极公共流道出口分别设于所述阳极单板的左右两侧;
所述阳极公共流道入口与所述阴极公共流道出口设于同一侧、且所述阳极公共流道入口位于所述阴极公共流道出口的上方;
所述阳极单板的流场结构为蛇形流道结构,所述阳极公共流道入口与所述蛇形流道结构衔接,所述阳极公共流道入口的宽度不小于所述蛇形流道结构的入口的宽度;
所述阳极公共流道出口设于所述阳极活性区的下侧;或者,所述阳极公共流道出口设于所述阴极公共流道出口的正下方;
所述冷却剂入口和所述冷却剂出口分别设于所述阳极单板的上下两侧。
3.一种导流极板,其特征在于,其包括如权利要求1所述的阴极单板和如权利要求2所述的阳极单板;
所述阴极单板和所述阳极单板相对设置,所述阴极单板和所述阳极单板之间的空腔形成冷却剂流场。
4.如权利要求3所述的导流极板,其特征在于,所述阴极公共流道入口的宽度与所述阴极活性区宽度的比值为(1~1.1):1;
和/或,所述阳极公共流道入口的宽度与所述蛇形流道结构的入口的宽度的比值为(1~1.1):1;
和/或,所述蛇形流道结构中,最后一段的流道的方向为竖直向下;
和/或,所述阴极活性区占所述阴极单板的面积百分比为54~59%;
和/或,所述阳极活性区占所述阳极单板的面积百分比为54~59%;
和/或,所述冷却剂入口或所述冷却剂出口的长度与所述阴极活性区的长度的比值为(1~1.1):1;
和/或,所述冷却剂入口设于所述导流极板的下侧,所述冷却剂出口设于所述导流极板的上侧。
5.如权利要求3或4所述的导流极板,其特征在于,所述阴极活性区、所述阴极公共流道入口、所述阴极公共流道出口、所述阳极公共流道入口、所述阳极公共流道出口、所述冷却剂入口和所述冷却剂出口中的一种或多种为长方形;
和/或,所述导流极板无需设置分配区;
和/或,所述导流极板的材质为金属或石墨。
6.如权利要求5所述的导流极板,其特征在于,所述导流极板无需设置入口分配区;
和/或,所述导流极板无需设置出口分配区;
和/或,所述导流极板无需设置阴极入口分配区、阴极出口分配区、阳极入口分配区、阳极出口分配区、冷却剂入口分配区或冷却剂出口分配区。
7.一种膜组件,其特征在于,其包括如权利要求3~6任一项中所述的导流极板。
8.如权利要求7所述的膜组件,其特征在于,所述膜组件包括依次设置的如权利要求1所述的阴极单板、第一气体扩散层、第一催化层、质子交换膜、第二催化层、第二气体扩散层和如权利要求2所述的阳极单板。
9.一种燃料电池,其特征在于,其包括如权利要求3~6任一项中所述的导流极板。
10.如权利要求9所述的燃料电池,其特征在于,所述燃料电池包括如权利要求7或8所述的膜组件;
和/或,所述燃料电池为固态氧化物燃料电池或质子交换膜燃料电池。
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