CN113451601A - 一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆。其中，阴极开放式空冷燃料电池双极板包括氢极板和氧极板，所述氢极板上设有氢气流道，氧极板设有空气流道；所述空气流道包括多条弧形流道；各条弧形流道弯曲的弧度为5°。由阴极开放式空冷燃料电池双极板、膜电极组件重复层叠设置，并配合集流板、端板和紧固件组装而成所述电池电堆，其氧气流道弯曲一定的角度，使其可以干扰空气流动，进入GDL的空气浓度提高，提高空冷燃料电池的性能。

Description

一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆
技术领域
本发明主要涉及燃料电池，特别涉及一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆。
背景技术
燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学反应装置，具有能量转换效率高、零排放、无机械噪声等优点，在军事和民用领域备受青睐。质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用固体聚合物膜作为电解质，具有结构简单、工作温度低等优点，作为移动电源具有得天独厚的优势。质子交换膜燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，其具有工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失的特点，双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之，其功能是支撑膜电极组件、分配反应气体及冷却液、收集电流、传导热量和排出产物水等。流道是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应气体、冷却液及生成的产物提供进出通道，是燃料电池设计的关键因素。
每个PEMFC单电池由两个极板（一个氢极板/阳极板和一个氧极板2/阴极板）以及夹在两个极板之间的膜电极组件组成。PEMFC的氢极板上设有氢气流道，该流道是氢气流动和传输的场所，氢气经由其而传输至阳极催化剂。PEMFC的氧极板2上设有氧气流道，该流道是空气流动和传输的场所，氧气经由其而到达阴极催化剂。借助于所述氢气流道和氧气流道，氢气和氧气可以被源源不断地输送到燃料电池内从而使燃料电池可以连续地输出电能。
目前蛇形流道是最常见的双极板的流道形式，反应气体沿双极板的蛇形流道流通。蛇形流道的优点是能够迅速排除燃料电池生成的水，不会出现水堵塞流道的情况。目前大多数阴极开放式燃料电池的氧气流道都是直线型的流道设计，如何提高空气向阴极传输的速率、提高燃料电池的性能是阴极开放式燃料电池技术领域的技术瓶颈以及技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种阴极开放式空冷燃料电池双极板及其电池电堆，解决现有阴极开放式空冷燃料电池中空气向阴极传输的速率、燃料电池的性能难以提高的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种阴极开放式空冷燃料电池双极板，包括氢极板和氧极板，所述氢极板上设有氢气流道，氧极板设有空气流道；所述空气流道包括多条平行的弧形流道；各弧形流道弯曲的弧度为5°。
进一步地，所述氢气流道采用多条平行的蛇形流道；所述阴极开放式空冷燃料电池双极板的相对两端分别设有氢气进气口和氢气出气口；氢气流道的两端分别与氢气进气口和氢气出气口连通；氢气进气口和氢气出气口为贯穿双极板的开孔。
进一步地，氢气流道为四条平行的蛇形流道，从氢气进气口经多次折行到达氢气出气口；氢极板的蛇形流道截面为矩形，宽度为0.45mm，深度为0.3mm。
进一步地，氢极板上设有氢极板侧密封圈凹槽；氢极板侧密封圈嵌入所述凹槽内；氢极板侧密封圈凹槽及其内部嵌入的密封圈将氢气流道及氢气进气口和出气口包围在内，以防止氢气泄漏或氢氧互通；所述氢气进气口和氢气出气口分别设置于氢极板长度方向的两端；所述氢气流道沿氢极板长度方向蛇形延伸；所述凹槽围绕氢极板一圈，凹槽的深度为0.3mm，宽度为3mm。
进一步地，弧形流道两端延伸至氧极板的相对两侧；氧极板上的空气流道平行并列地排列为阵列；所述阴极开放式空冷燃料电池双极板为双面流道的一体结构，第一面形成氢极板，第二面形成氧极板。
进一步地，所述空气流道沿氧极板的宽度方向设置，贯通氧极板的宽度；所述氢气流道沿氢极板的长度方向设置；所述弧形流道两端为一段加工型直段；所述双极板为条形或方形；多条空气流道均匀地排列；所述弧形流道的深度为1.3mm。
进一步地，氧极板上设有氧极板侧密封圈凹槽，氧极板侧密封圈凹槽将氢气进气口和氢气出气口包围在内，氧极板侧密封圈嵌入所述凹槽内，以防止氢气泄漏或氢氧互通。
进一步地，所述氧极板侧密封圈凹槽有两个，两个密封圈凹槽各包括有设置于氢气进气口或氢气出气口外部的环形凹槽；所述氧极板侧密封圈凹槽的深度为0.3mm，宽度为3mm；氧极板侧密封圈凹槽以及嵌入其内的密封圈为P形，包括环绕于氢气进气口或氢气出气口的环形部分以及位于氧极板两端边沿的条形部分。
本发明还提供一种阴极开放式空冷燃料电池电堆，由电池双极板、膜电极组件重复层叠设置，并配合集流板、端板和紧固件组装而成；所述电池双极板为上述阴极开放式空冷燃料电池双极板。
进一步地，所述膜电极组件的形状与所述阴极开放式空冷燃料电池双极板相适配；所述膜电极组件上对应设置两个氢气通道，与双板板上设置的氢气进气口和氢气出气口分别对应且连通；膜电极组件的两侧面分别设置有催化剂层以及气体扩散层，膜电极组件的两侧面与氢极板和氧极板之间分别还设置氢电极侧密封圈或氧电极侧密封圈，压紧配合而密封对应电极侧；所述阴极开放式空冷燃料电池电堆中层叠顺序按氢极侧密封圈、双极板、氧极侧密封圈、膜电极组件的顺序重复，氢气进气口和氢气出气口以及两个氢气通道各层分别对齐连通；所述双极板上设置有定位孔；通过双极板的定位孔以及紧固件将各层紧固在一起形成电堆。
本发明的有益效果是：
本发明通过将氧极板上的氧气流道弯曲一定角度以减少接触电阻，增加空气向阴极传输的速率，从而提高燃料电池的性能。
上述技术特征，以及本发明技术方案的其他特征、目的和优点将结合本发明的各种实施例及附图进行描述。然而，所揭露的说明性实施例仅仅是示例，并不用于限定本发明的范围。
附图说明
图1是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池双极板的立体图。
图2是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池双极板的主视图。
图3是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池双极板的后视图。
图4是图1中区域A的放大图。
图5是图3的局部放大图。
图6是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池双极板的一条氧气流道的示意图。
图7是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池电堆单元的示意图，其中图7(a)为立体图，图7(b)为截断的侧示图。
图8是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池对比实验的极化曲线与功率密度曲线。
图9是本发明实施例的阴极开放式空冷燃料电池对比实验阻抗曲线。
具体实施方式
参照图所提供的附图及下述某些实施例的描述并非将发明限制在这些实施例中，而是提供给本领域任何一个普通技术人员来制造和使用本发明。
参照图1-6，本发明涉及一种阴极开放式燃料电池双极板100，包括氢极板（阳极板）1和氧极板（阴极板）2。双极板的两端分别为进气端和出气端。进气端设有氢气进气口3、出气端设有氢气出气口4。氢气进气口3和氢气出气口4为贯穿双极板的开孔。
作为一种实施例，双极板为长方形，对应地，氢极板1和氧极板2为长方形平板，分别位于正反两面。氢极板1和氧极板2可以一体成型为一体结构的双极板，也可以是两片极板装配而成双极板。
氢极板1上设有氢气流道10和密封圈凹槽11。氢极板1的氢气进气口3和出口4分别位于双极板的左右两边，本实施例中为长度方向的两端，并且和氢气流道的入口和出口相连接。
本实施例中，氢气流道10采用蛇形流道，既有利于流道下方多孔电极液态水的排出，也有利于流场板岸部下方点击内的液态水的排出。
优选地，氢极板1的氢气流道10为四条（不限于四条）平行的蛇形流道，从入口3通过蛇形流道多次折行到达出口4位置。
本实施例中，氢气流道10的四条蛇形流道沿氢极板1长度方向设置，两端贯通氢气进气口3和氢气出气口4。
作为一种实施例，氢极板1的蛇形流道截面为矩形，宽为0.45mm，深为0.3mm。
氢极板1的外围设有密封圈凹槽11，用于放置氢极板侧密封圈（未图示），以密封圈住氢气，保证阴极的气体不会与阳极的气体混合。密封圈凹槽11环绕氢极板1的边沿、包围四条蛇形流道的外部而设置的环形凹槽。氢极板侧密封圈与凹槽11相适配，嵌入凹槽11内，可以高出凹槽11边沿一定高度，并由外侧的膜电极组件6（形成电堆时）压紧，从而密封氢极板。氢极板侧密封圈可通过点胶的方式设置于凹槽11内，也可以加工成型为密封圈后附着在凹槽11内。
优选地，所述的密封圈凹槽11围绕氢极板1一圈，凹槽11的深度为0.3mm，宽度为3mm。
氧极板2设有空气流道（或称氧气流道）20以及密封圈凹槽21。氧气流道20弯曲一定的角度，使其可以干扰空气流动，让进入GDL的空气浓度提高，提高空冷燃料电池的性能。本实施例中，空气流道20，为一组平行的流道，沿氧极板2的宽度方向平行设置，两端贯穿氧极板2的宽度。
较佳地，空气流道20前后贯穿双极板的一侧，为弧形，深度为1.3mm，弯曲的弧度为5°（参照图6）。所述的氧气流道为弧形流道贯通双极板的氧极板的两侧，例如与长方形双极板的宽度一致。其中，为了便于加工，空气流道20两端为一小段直道。
进一步地，氧极板2对应氢气进气口3和出口4的位置设有密封圈凹槽21，氧极侧密封圈（未图示）与凹槽21相适配，嵌入凹槽21内部，可以高出凹槽边沿。氧极侧密封圈用于密封双极板的进气端和出气端。本实施例中，密封圈凹槽21/氧极侧密封圈包括设置于氢气进气口3和氢气出气口4边沿的环形部分以及位于氧极板两端宽度方向的边沿的条形部分，整体大致呈P形，不限于此形状。氧极侧密封圈由外侧膜电极组件（组装成电堆时）压紧，从而密封双极板的进气端和出气端，防止氢气泄漏或氢气与氢气互通。至少是氧极板2对应氢气进气口的位置设有密封圈凹槽21。
作为一种实施例，密封圈凹槽21的深度为0.3mm，宽度为3mm。
优选地，所述的双极板两侧还设有安装固定用的定位孔5。
参照图7，将上述实施例的阴极开放式空冷燃料电池双极板100与相应形状的膜电极组件6重复层叠设置，并配合集流板7、绝缘端板8和紧固螺栓组件9即可组装为电堆1000，从而获得阴极开放式空冷燃料电池电堆。膜电极组件6的形状与氢电极1和氧电极2相适配，两端对应设置氢气通道，与氢气进气口3和氢气出气口4分别对应。膜电极组件6的两侧分别设置有催化剂层以及气体扩散层，还设置有与氢电极侧密封圈或氧电极侧的密封圈对应的密封槽或密封边框，相互配合而密封对应电极侧。膜电极组件6采用现有技术的结构和方法来获得，在此不做赘述。层叠顺序可以按氢极（阳极）侧密封圈、双极板100、氧极（阴极）侧密封圈、膜电极组件的顺序重复。氢气进气口3和氢气出气口4各层对齐贯通，通过双极板的定位孔5以及紧固件如螺栓等将各层紧固在一起形成电堆。
采用上述实施例的阴极开放式燃料电池双极板100，其氧极板2的空气流道20的采用不同弧度，按上述实施例中的方式形成电堆后进行实验验证。在实验过程中，风扇（未图示）输出功率是固定的，即进入流道的空气的动能是固定的。实验证明：当空气流道20的角度从0°增加到5°时，空气流道的空气阻力将增加，从而导致更大的空气压降，这使气流变得不稳定并且扰乱流道中的空气。尽管由于增加的压降较小，进入空气流道的空气较少，但5°的弯流会干扰气流并使其向上移动，从而使GDL中的氧气浓度相对较大，并且进一步提高电池性能。然而，当弯曲角度进一步增加到10°时，压降进一步增加，并且电阻也增加。空气的动能无法克服流动通道的阻力，导致进入流动通道的空气减少，这将导致进入GDL的氧气浓度和电池性能下降。
参照图8-9所示的三种双极板结构进行对比实验结果，氧气流道/空气流道20为平行流道，三种极板结构中空气流道20的弯曲分别为0°、5°和10°，其他结构与上述实施例相同，对电堆进行实验，结果显示：
在空气流道20的弯曲分别为0°、5°和10°时，而5°的电势最高，功率密度最大，电荷传递电阻最小，所以空气流道20为5°弧形时组装的阴极开放式燃料电池双极板，得到最佳的电池性能。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可传输数据的连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
这里列举的例子和附图所示，仅作为示范说明但并不作为限定，本发明可实现的具体实施例。由此可利用或派生其他实施例，以便于在不脱离本发明揭露的范围内可进行结构和逻辑替换及改变。仅为方便起见，本发明保护主题的这些实施例单独地或共同指作“本发明”，但如果不止一个发明被披露时，并不主观地限定本申请的范围为任何单一发明或发明概念。因此，尽管在此揭露了具体实施例，但仍然可以由获得相同目的的任何方案替代所示的具体实施例。本说明书意图涵盖各种实施例的任何和所有的适应性或变换方式。上述实施例的组合，以及其他未特别说明的实施例，本领域技术人员基于上述说明书的描述是显而易见的。

Claims (10)

1.一种阴极开放式空冷燃料电池双极板，包括氢极板和氧极板，所述氢极板上设有氢气流道，氧极板设有空气流道；其特征在于，所述空气流道包括多条平行的弧形流道；各弧形流道弯曲的弧度为5°。
2.如权利要求1所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
所述氢气流道采用多条平行的蛇形流道；
所述阴极开放式空冷燃料电池双极板的相对两端分别设有氢气进气口和氢气出气口；
氢气流道的两端分别与氢气进气口和氢气出气口连通；
氢气进气口和氢气出气口为贯穿双极板的开孔。
3.如权利要求2所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
氢气流道为四条平行的蛇形流道，从氢气进气口经多次折行到达氢气出气口；
氢极板的蛇形流道截面为矩形，宽度为0.45mm，深度为0.3mm。
4.如权利要求2所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
氢极板上设有氢极板侧密封圈凹槽；氢极板侧密封圈嵌入所述凹槽内；氢极板侧密封圈凹槽及其内部嵌入的密封圈将氢气流道及氢气进气口和出气口包围在内，以防止氢气泄漏或氢氧互通；
所述氢气进气口和氢气出气口分别设置于氢极板长度方向的两端；
所述氢气流道沿氢极板长度方向蛇形延伸；
所述凹槽围绕氢极板一圈，凹槽的深度为0.3mm，宽度为3mm。
5.如权利要求1~4任一项所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
弧形流道两端延伸至氧极板的相对两侧；
氧极板上的空气流道平行并列地排列为阵列；
所述阴极开放式空冷燃料电池双极板为双面流道的一体结构，第一面形成氢极板，第二面形成氧极板。
6.如权利要求5所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
所述空气流道沿氧极板的宽度方向设置，贯通氧极板的宽度；
所述氢气流道沿氢极板的长度方向设置；
所述弧形流道两端为一段加工型直段；
所述双极板为条形或方形；
多条空气流道均匀地排列；
所述弧形流道的深度为1.3mm。
7.如权利要求5所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
氧极板上设有氧极板侧密封圈凹槽，氧极板侧密封圈凹槽将氢气进气口和氢气出气口包围在内，氧极板侧密封圈嵌入所述凹槽内，以防止氢气泄漏或氢氧互通。
8.如权利要求6所述的阴极开放式空冷燃料电池双极板，其特征在于，
所述氧极板侧密封圈凹槽有两个，两个密封圈凹槽各包括有设置于氢气进气口或氢气出气口外部的环形凹槽；
所述氧极板侧密封圈凹槽的深度为0.3mm，宽度为3mm；
氧极板侧密封圈凹槽以及嵌入其内的密封圈为P形，包括环绕于氢气进气口或氢气出气口的环形部分以及位于氧极板两端边沿的条形部分。
9.一种阴极开放式空冷燃料电池电堆，由电池双极板、膜电极组件重复层叠设置，并配合集流板、端板和紧固件组装而成；其特征在于，所述电池双极板为权利要求1~8任一项所述阴极开放式空冷燃料电池双极板。
10.如权利要求9所述的阴极开放式空冷燃料电池电堆，其特征在于，
所述膜电极组件的形状与所述阴极开放式空冷燃料电池双极板相适配；所述膜电极组件上对应设置两个氢气通道，与双板板上设置的氢气进气口和氢气出气口分别对应且连通；
膜电极组件的两侧面分别设置有催化剂层以及气体扩散层，膜电极组件的两侧面与氢极板和氧极板之间分别还设置氢电极侧密封圈或氧电极侧密封圈，压紧配合而密封对应电极侧；
所述阴极开放式空冷燃料电池电堆中层叠顺序按氢极侧密封圈、双极板、氧极侧密封圈、膜电极组件的顺序重复，氢气进气口和氢气出气口以及两个氢气通道各层分别对齐连通；
所述双极板上设置有定位孔；通过双极板的定位孔以及紧固件将各层紧固在一起形成电堆。
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