CN113451602A - 一种阴极开放式燃料电池双极板及电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种阴极开放式燃料电池双极板及电池电堆。其中，所述双极板体为具有双面流道的圆环形状；所述双极板的第一面为阳极面，设有多通道的氢气流道；第二面流道为阴极面，设有以双极板圆环圆心为中心发散分布的空气流道。由一个或多个所述的双极板，与端板、集流板、膜电极组件组装成电池电堆，风机的空气风道嵌入到电堆内部当中，在电堆另一面的内圆环密封条件下，提高空气的进口压力，使得风从四周均匀进入双极板，改善双极板不同区域的散热效果，提高电堆散热能力，降低空冷电堆的体积，从而达到了改善电堆温度分布，提高电堆体积功率密度的目的。

Description

一种阴极开放式燃料电池双极板及电池电堆
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别提出一种阴极开放式燃料电池双极板及电池电堆。
背景技术
氢燃料电池是一种利用氢气与氧气反应将化学能转换为电能和热能的一种能量转换装置。该装置的发电效率高、无噪声、副产物只有水、无污染，近年来被广泛关注和应用。
阴极开放式燃料电池，是氢燃料电池的一种，都是由端板、集流板、双极板和MEA组件组成。但是与利用循环水带走反应产生的热量的水冷型氢燃料电池不同，阴极开放式燃料电池是利用风机在为燃料电池提供空气的同时将燃料电池内部的热量排出的，又称为空冷型燃料电池。因为整个燃料电池冷却系统和空气供给系统是融合在一起的，并没有空压机和冷却水泵等辅助部件整体结构比较简单。这样不仅降低了燃料电池的系统成本，还有效降低了燃料电池系统的辅助能耗。阴极开放式燃料电池的辅助能耗约占燃料电池系统输出功率的5%到10%。目前此类阴极开放式燃料电池主要适用于小型便携式电源、无人机和部分小型汽车设计中。
目前阴极开放式燃料电池双极板外形结构简单，多数只是在阴极面的空气流道进行设计调整，双极板的阴极流道通常设计成与气流通的平行流道，以便减少风机的流动阻力，从而来减少空气流道的阻力、改善空气流动的均一性和快速排除反应过程中产生的热量。中国专利CN211654949U《空冷燃料电池双极板》中，提供了一种引流槽通孔的空气流道，可以使得流道气体的压力增加，均一性增强。虽然这类从流道构型角度入手的方法对于电堆的性能有所帮助，但是效果提升并不明显，复杂的流道设计反而会增加应力缺陷的风险、提高双极板的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的阴极开放式燃料电池双极板及电池电堆，以解决现有技术的开放式阴极燃料双极板组装成电池电堆时，电堆性能较差，流道复杂，进气流量不均匀，散热差等问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种阴极开放式燃料电池双极板，所述双极板为具有双面流道的圆环形状；所述双极板的第一面为阳极面，设有多通道的氢气流道；第二面流道为阴极面，设有以双极板圆环圆心为中心发散分布的空气流道。
在一些实施例中，所述双极板为一体设计、一体成型的整体结构；所述双极板将阴极面和阳极面结合于同一块石墨板；一组或多组空气流道以圆环圆心为中心径向辐射地排列成圆周阵列；所述双极板用作空冷型燃料电池的双极板。
进一步地，所述双极板的环形区域设有两个贯穿的氢气通孔，用作氢气的进气口和出气孔；所述阳极面开设有密封槽，所述密封槽将两个氢气通孔以及氢气流道包围在内；所述阳极面氢气流道将两氢气通孔连通。
在一些实施例中，阳极面的密封槽为两个圆环形密封槽，将氢气流道包括在内；所述两个圆环形密封槽分别位于阳极面的内圆边缘和外圆边缘，对应为内环密封槽和外环密封槽；所述密封槽用于放置相适配的密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通；所述氢气流道自一个氢气通孔处背向出发，长度方向沿阳极面的环形周长方向在阳极面的环形区域多次折行到达另一个氢气通孔。
在一些实施例中，所述密封槽包括自密封槽边沿向阳极面的环形区域突出延伸形成的过渡区域；所述过渡区域不设置氢气流道，用于减缓密封圈挤压变形，提高密封效果；所述阳极面的氢气流道为蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道中的一种或多种的组合；所述阳极面氢气流道深度为0.1-0.5mm，流道宽度为0.4-0.6mm，流道脊宽为0.3-0.5mm。
进一步地，所述阴极面开设有密封槽，所述阴极面密封槽将两个氢气通孔包围，阴极面密封槽用于放置适配的密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通；所述阴极面的空气流道的深度为0.8-1.4mm，流道宽度为1.0-1.2mm，流道脊宽为1.0-2.0mm。
在一些实施例中，阴极面设有两个所述密封槽，两个密封槽为圆环形状，各位于一个氢气通孔外部；阴极面的密封槽处还设置有过渡区域，用于支撑双极板，防止因流道过多导致双极板的强度较低；过渡区域设置氢气通孔，未设置氧气流道；所述双极板的厚度为1.8-3.0mm；所述双极板包括两个或两个以上定位孔。
在一些实施例中，所述双极板是由石墨-树脂复合材料石墨板制成；所述石墨-树脂复合材料板由石墨材料与树脂材料复合而成；具体地：
所述石墨材料为柔性石墨、膨胀石墨或者鳞片石墨中的一种或多种的混合物；所述树脂材料为环氧树脂、聚酯树脂或者酚醛树脂中的一种或多种的混合物；将石墨材料和树脂材料搅拌混合后，在100MPa压力、80℃温度条件下热压成型，脱模后得到所述石墨-树脂复合材料的石墨板。
本发明还提供一种阴极开放式燃料电池电堆，所述电池电堆包括一个或多个如上所述的双极板，双极板的双面分别装配膜电极组件，再与端板、集流板、组装成电池电堆。
在一些实施例中，所述电池电堆整体为圆环形柱体；电池电堆圆环形柱体的环形由所述双极板的环形构造而成；所述膜电极组件为与双极板相适配的圆环形；电池电堆的圆环形柱体的一端安装风机；所述电池电堆的圆环形柱体的环形内部作为风机的空气风道嵌入在电堆内部；风机工作时，外部空气从双极板四周吸入空气流道内。
采用上述技术方案，本发明获得的技术效果是：
本发明的阴极开放式燃料电池圆环形双极板，能够将阴极、阳极两面融合在一块石墨板，易于电堆装配。另外，本发明的双极板组装成空冷型燃料电池电堆时，将风机的风道嵌入到了双极板的圆环内部，消除了外部风道，进气气体流量均匀，极板各区域散热均匀，散热较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例的阴极开放式燃料电池双极板的整体结构示意图。
图2是本发明实施例的阴极开放式燃料电池双极板的另一角度的整体结构示意图。
图3是本发明实施例的阴极开放式燃料电池双极板的阳极面流道的结构示意图。
图4是本发明实施例的阴极开放式燃料电池双极板的阴极面流道的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后等）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1-4，本发明的阴极开放式燃料电池双极板，为圆环形状，其正反两面均有通过精密加工产生的流道；其中，第一面为阳极板面，阳极板面上设置的流道为氢气流道01；第二面为阴极板面，阳极板面设置的流道为氧气流道（或空气流道）02。本发明阴极开放式燃料电池的圆环形双极板，将阴极、阳极两面融合在一块石墨板，易于电堆装配。以本发明的圆环形双极板装配膜电极组件作为电池单元，一个或多个电池单元与集流板、端板装配成空冷型燃料电池电堆，整体为圆环形柱体，电堆一端安装风机。双极板的圆环结构将空冷型燃料电池的空气风道嵌入到电堆内部当中，在电堆一端安装风机，电堆内的双电极的阳极面内圆环密封条件下，可提高空气的进口压力，使得风从双极板四周均匀进入电堆内，从而改善双极板不同区域的散热效果，提高电堆散热能力，降低空冷电堆的体积，达到了改善电堆温度分布，提高电堆体积功率密度的目的。风机的风道嵌入到了双极板的圆环内部，消除了外部风道，进气气体流量均匀，极板各区域散热均匀，散热效率更佳。
本发明的空冷型燃料电池双极板，为具有双面流道的圆环形状，阴极板面和阳极板面均为圆环面。且为一体结构。较佳地，空冷型燃料电池双极板为一体设计、一体成型的整体结构。双极板的第一面阳极板面设有多通道的氢气流道01；第二面阴极板面设置的流道是以圆环圆心为中心发散分布的空气流道阵列。双极板的环形区域上设有两个贯穿的氢气通孔01，用作双极板氢气的进气口和出气孔。双极板圆环外侧边沿设有至少两个通孔，作为电堆装配时双极板的定位孔13。当只有两个定位孔时，两个定位孔呈对角分布，定位孔的位置设置以紧固定位时受力均匀，整个电池电堆组装后结构稳固，便于组装。
本发明空冷型燃料电池双极板，由石墨-树脂复合材料板，经过精密机械加工（CNC）工艺加工而成。其中，石墨为柔性石墨、膨胀石墨或者鳞片石墨中的一种或几种的混合；树脂材料为环氧树脂、聚酯树脂或者酚醛树脂中的一种或多种。将石墨材料和树脂材料高速搅拌混合后，在100MPa压力、80℃温度条件下热压成型，脱模后得到两面光滑的石墨-树脂复合材料石墨板。
本发明空冷型燃料电池双极板的第一面阳极面设有氢气流道01、两处密封槽过渡区域09/11和阳极面密封槽。阳极面密封槽将两个氢气通孔03/04、氢气流道01包围，用于放置硅胶密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通。双极板阳极面上设置两个阳极面密封槽，即内环密封槽05和外环密封槽07，两个密封槽为圆环形状，将氢气流道包括在内。作为一种实施例，两个密封槽05/07槽宽相同，槽深相同。
本发明空冷型燃料电池双极板的第一面阳极面的氢气流道01将双极板两端的氢气通孔03/04连通。氢气流道01的流道结构可以是蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道。在具体实施例中，阳极面氢气流道01深度为0.1-0.5mm，流道宽度为0.4-0.6mm，流道脊宽为0.3-0.5mm。较佳地，每条氢气流道01的横截面积相同，多条氢气流道01均匀分布。
空冷型燃料电池双极板的第二面阴极面开设有空气流道02和氢气密封槽06，氢气密封槽06用于放置氢气密封圈，以将氢气通孔在阴极面的一侧密封，防止氢气泄漏或氢氧互通。阴极面氢气密封槽06将氢气通孔03/04包围。本实施例中，两个氢气通孔03/04各由一氢气密封槽06内的密封圈在阴极面密封。阴极面有两个密封槽06，两个密封槽06为圆环形状，分别将两个氢气通孔（氢气进出口）包围在内。作为一种实施例，两个密封槽06的槽宽、槽深均与双极板阳极面密封槽05、07相同。阴极面的两处密封槽06处还设置有过渡区域08/10，用于支撑双极板，防止因流道过多导致双极板的抗弯强度、抗压强度较低，内部结构存在应力缺陷。过渡区域08/10设置氢气通孔，未设置氧气流道。
所述阴极面空气流道是以阴极面圆环的圆心为中心的直线流道，空气流道以阴极面圆环的圆心为中心径向辐射地分布；一组或多组空气流道径向辐射地排列形成圆周阵列。空气流道以圆环圆心为中心发散分布的直通流道，作为一种实施例，每个流道的横截面积相同，每个流道的长度相同。在一些具体实施例中，阴极面空气流道深度为0.8-1.4mm，流道宽度为1.0-1.2mm，流道脊宽为1.0-2.0mm。
本发明空冷型燃料电池双极板的制备方法的一种具体实例如下：
使用5kg粒径分布为80um的膨胀石墨粉与0.8kg环氧树脂sinwe-528在25℃下以1500r/min速度搅拌混合3h,然后真空去泡2h后，使用热压机将处理后的粉料在80MPa的压力下，以80℃的温度热压成型，脱模后得到两面光滑的石墨-树脂复合材料石墨板。
将石墨板按照下述尺寸经过精密机械加工（CNC）工艺加工双面流道、氢气通孔及定位孔，最终得到本发明圆环形的阴极开放式燃料电池双极板。双极板的厚度可以是1.8-3.0mm。
在一具体实例中，如图1-2所示，本发明阴极开放式燃料电池双极板的内环直径为90mm，外环直径为144mm，圆环的厚度为2mm。
如图1、3所示，位置01所示为阳极板的氢气流道，流道为蛇形多流道设计，氢气流道01从一个氢气通孔03处背向出发，最终连通对角处的另一个氢气通孔04。在一具体例子中：氢气流道的深度为0.3mm、宽度为0.45mm，氢气流道内壁与底部夹角为90°。
如图1、3所示，03/04为阳极板的两处氢气通孔，直径可以为3mm，所述氢气通孔为燃料电池氢气进出口。13为双极板的固定位置的通孔即定位孔，图中所示实例中，两定位孔13可对称设置于双极板边缘，定位孔13的直径为3mm。
如图1、3所示，07/05为阳极板的两处密封槽，用于放置硅胶密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通。本实施例中，阳极面密封槽07/05为环形，位于环形阳极板的内环和外环边沿，包围阳极板环形面内的氢气流道01和氢气通孔03/04，对应为外环密封槽07和内环密封槽05。在具体例子中：密封槽05/07的深度为0.3mm，宽度为3mm，与对应边缘处距离为2mm。
如图1、3所示，09/11所示为阳极板的两处密封槽过渡区域，与分别与密封槽05/07连通，过渡区域不设置氢气流道1，用于减缓密封圈挤压变形，提高密封效果。在具体例子中：过渡区域09为长12mm，宽6mm，深0.3mm的矩形；过渡区域11为长6mm，宽4mm，深0.3mm的矩形。过渡区域09/11为分别与对应的密封槽05/07连通，过渡区域09与内环密封槽05连通，为内环密封槽05边沿向阳极圆环形区域突出的延伸区域；过渡区域11与外环密封槽07连通，为外环密封槽07内边沿向阳极圆环形区域突出的延伸区域。本实施例中，密封槽05/07分别设置于氢气通孔3两侧。
如图2、4所示，位置02所示为阴极板的氧气流道，氧气流道02是以阴极板圆环圆心为中心发散分布的直通流道阵列。阴极板环形区域，氧气流道阵列中氧气流道02均匀分布。在具体例子中：氧气流道02的长度为270mm，宽度为1.3mm，深度为1.1mm的长矩形，脊宽1.4mm。
如图2、4所示，06为阴极面的氢气密封槽，用于放置硅胶密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通。在具体例子中：阴极面的氢气密封槽06的深度为0.3mm，宽度为3mm，离通孔处距离为2mm。
如图2、4所示，08/10为阴极板的两处密封槽06的过渡区域，用于支撑双极板，防止因流道过多导致双极板的抗弯强度、抗压强度较低，内部结构存在应力缺陷。过渡区域08/10设置氢气通孔，未设置氧气流道。在具体例子中：08/010的内弧长为8mm，外弧长为14mm。
本发明空冷型燃料电池双极板为两面均有精密加工产生的流道的圆环形状。该圆环结构可以将空冷电堆中的空气风道嵌入到电堆内部，在电堆的双电极阳极面的内圆环密封条件下，提高空气的进口压力，使得风从四周均匀进入双极板，改善双极板不同区域的散热效果，提高电堆散热能力，降低空冷电堆的体积，从而达到了改善电堆温度分布，提高电堆体积功率密度的目的。

Claims (10)

1.一种阴极开放式燃料电池双极板，其特征在于，所述双极板为具有双面流道的圆环形状；所述双极板的第一面为阳极面，设有多通道的氢气流道；第二面流道为阴极面，设有以双极板圆环圆心为中心发散分布的空气流道。
2.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板为一体设计、一体成型的整体结构；
所述双极板将阴极面和阳极面结合于同一块石墨板；
一组或多组空气流道以圆环圆心为中心径向辐射地排列成圆周阵列；
所述双极板用作空冷型燃料电池的双极板。
3.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板的环形区域设有两个贯穿的氢气通孔，用作氢气的进气口和出气孔；所述阳极面开设有密封槽，所述密封槽将两个氢气通孔以及氢气流道包围在内；
所述阳极面氢气流道将两氢气通孔连通。
4.如权利要求3所述的双极板，其特征在于，阳极面的密封槽为两个圆环形密封槽，将氢气流道包括在内；所述两个圆环形密封槽分别位于阳极面的内圆边缘和外圆边缘，对应为内环密封槽和外环密封槽；所述密封槽用于放置相适配的密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通；
所述氢气流道自一个氢气通孔处背向出发，长度方向沿阳极面的环形周长方向在阳极面的环形区域多次折行到达另一个氢气通孔。
5.如权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述密封槽包括自密封槽边沿向阳极面的环形区域突出延伸形成的过渡区域；所述过渡区域不设置氢气流道，用于减缓密封圈挤压变形，提高密封效果；
所述阳极面的氢气流道为蛇形多流道、混合蛇形流道、直通流道或者十字交叉流道中的一种或多种的组合；
所述阳极面氢气流道深度为0.1-0.5mm，流道宽度为0.4-0.6mm，流道脊宽为0.3-0.5mm。
6.如权利要求3所述的双极板，其特征在于，
所述阴极面开设有密封槽，所述阴极面密封槽将两个氢气通孔包围，阴极面密封槽用于放置适配的密封圈，防止氢气泄漏或氢氧互通；
所述阴极面的空气流道的深度为0.8-1.4mm，流道宽度为1.0-1.2mm，流道脊宽为1.0-2.0mm。
7.如权利要求6所述的双极板，其特征在于，
阴极面设有两个所述密封槽，两个密封槽为圆环形状，各位于一个氢气通孔外部；
阴极面的密封槽处还设置有过渡区域，用于支撑双极板，防止因流道过多导致双极板的强度较低；过渡区域设置氢气通孔，未设置氧气流道；
所述双极板的厚度为1.8-3.0mm；
所述双极板包括两个或两个以上定位孔。
8.如权利要求1-7任一项所述的双极板，其特征在于，
所述双极板是由石墨-树脂复合材料石墨板制成；
所述石墨-树脂复合材料板由石墨材料与树脂材料复合而成；具体地：
所述石墨材料为柔性石墨、膨胀石墨或者鳞片石墨中的一种或多种的混合物；所述树脂材料为环氧树脂、聚酯树脂或者酚醛树脂中的一种或多种的混合物；将石墨材料和树脂材料搅拌混合后，在100MPa压力、80℃温度条件下热压成型，脱模后得到所述石墨-树脂复合材料的石墨板。
9.一种阴极开放式燃料电池电堆，其特征在于，所述电池电堆包括一个或多个如权利要求1-8任一项所述的双极板，双极板的双面分别装配膜电极组件，再与端板、集流板、组装成电池电堆。
10.如权利要求9所述的电池电堆，其特征在于，
所述电池电堆整体为圆环形柱体；
电池电堆圆环形柱体的环形由所述双极板的环形构造而成；
所述膜电极组件为与双极板相适配的圆环形；
电池电堆的圆环形柱体的一端安装风机；所述电池电堆的圆环形柱体的环形内部作为风机的空气风道嵌入在电堆内部；风机工作时，外部空气从双极板四周吸入空气流道内。
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