CN113540491B - 一种燃料电池双极板及电堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板，包括：板体，所述板体包括流场区与扰流区；其中，所述板体具有位于所述流场区的进口、出口以及连通所述进口与所述出口之间的流场；所述扰流区位于所述进口与所述流场及所述出口与所述流场之间，所述板体具有位于所述扰流区内的扰流部，所述扰流部用于将来自所述进口的流体分散至所述流场。本发明在进口与流场之间及出口与流场之间设置扰流区，利用流体本身的流动性，在流体经过扰流区进入流场的过程中，扰流区将其分散并重新分配均匀，使进入流场内的流体均匀性更好。

Description

一种燃料电池双极板及电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池双极板及电堆。

背景技术

燃料电池双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件之一，它有三种主要的功能：分隔燃料(氢气)和氧化剂(氧气)，并防止气体泄漏；设置流体通道与流场，实现整个电堆内部的水气传输；集中电化学反应产生的电流并实现串联结构。其中，电堆内部水气传输对电堆性能的影响至关重要，因此，在燃料电池双极板结构的创新设计中，既要考虑气体在膜电极活性反应区域内的均匀分布，又要考虑该区域生成液态水的有效排出。

传统燃料电池双极板的流体进出口通道，沿着垂直于双极板流场内流体流动的方向并行排列，会出现流体进出口无法居中布置的情况，从而导致流体分布的均匀性差。

发明内容

基于此，有必要针对燃料电池双极板内流体分布均匀性差的问题，提供一种有利于流体均匀分布的燃料电池双极板及电堆。

一种燃料电池双极板，包括：

板体，所述板体包括流场区与扰流区；

其中，所述板体具有位于所述流场区的进口、出口以及连通所述进口与所述出口之间的流场；

所述扰流区位于所述进口与所述流场及所述出口与所述流场之间，所述板体具有位于所述扰流区内的扰流部，所述扰流部用于将来自所述进口的流体分散至所述流场。

在其中一个实施例中，所述扰流部包括多个凸台，所述多个凸台间隔设置。

在其中一个实施例中，所述流场包括阳极子流场，所述进口包括阳极子进口，所述出口包括阳极子出口，所述阳极子流场连通所述阳极子进口与所述阳极子出口；

所述阳极子流场包括多条阳极流道及位于相邻两条所述阳极流道之间的阳极脊，所述阳极脊凸出于所述阳极流道设置，以使相邻两条所述阳极流道相互独立；

所述扰流区包括第一子扰流区，所述第一子扰流区位于所述阳极子进口与所述阳极子流场及所述阳极子出口与所述阳极子流场之间；

所述扰流部包括位于所述第一子扰流区的多个第一凸台组，每一所述第一凸台组包括所述凸台，每一所述第一凸台组位于对应一所述阳极脊的延长线上。

在其中一个实施例中，每一所述第一凸台组包括多个所述凸台，每一所述第一凸台组的多个所述凸台间隔设置。

在其中一个实施例中，所述流场包括阴极子流场，所述进口包括阴极子进口，所述出口包括阴极子出口，所述阴极子流场连通所述阴极子进口与所述阴极子出口；

所述阴极子流场包括多条阴极流道；

所述扰流区包括第二子扰流区，所述第二子扰流区位于所述阴极子进口与所述阴极子流场及所述阴极子出口与所述阴极子流场之间；

所述扰流部包括位于所述第二子扰流区的多个第二凸台组，每一所述第二凸台组包括所述凸台，相邻两个所述第二凸台组沿所述阴极流道的延长线方向交错且间隔设置。

在其中一个实施例中，每一所述第二凸台组包括多个所述凸台，每一所述第二凸台组的多个所述凸台沿垂直于所述阴极流道的方向间隔设置。

在其中一个实施例中，所述流场包括阳极子流场，所述阳极子流场被分隔为相互对称的第一部分与第二部分，所述第一部分与所述第二部分的对称轴平行于所述流体流动方向；

所述第一部分朝向所述进口的一侧边与所述第二部分朝向所述进口的一侧边之间具有夹角。

在其中一个实施例中，所述进口包括阳极子进口，所述阳极子流场连通所述阳极子进口，所述阳极子进口与所述阳极子流场连通；

所述阳极子进口靠近所述板体的边缘设置，所述第一部分和/或所述第二部分朝向所述阳极子进口的一侧边向背离所述流体流动的方向朝向所述对称轴倾斜设置。

在其中一个实施例中，所述出口包括阳极子出口，所述阳极子流场连通所述阳极子出口，所述阳极子出口靠近所述板体的边缘设置，所述第一部分和/或所述第二部分朝向所述阳极子出口的一侧边向背离所述流体流动的方向朝向所述对称轴倾斜设置。

在其中一个实施例中，所述第一部分与所述第二部分的外廓形状均为平行四边形。

在其中一个实施例中，所述流场包括阳极子流场，所述进口包括阳极子进口，所述出口包括阳极子出口，所述阳极子流场连通所述阳极子进口与所述阳极子出口；

所述阳极子流场包括多条阳极流道及位于相邻两条所述阳极流道之间的阳极脊，所述阳极脊凸出于所述阳极流道设置，以使相邻两条所述阳极流道相互独立；

每一所述阳极流道的宽度由所述板体边缘向中心逐渐增大。

在其中一个实施例中，所述板体包括阳极板与阴极板；

所述流场包括阳极子流场与阴极子流场，所述阳极子流场设置于所述阳极板上，所述阴极子流场设置于所述阴极板上；

所述板体还具有冷却液流场，所述冷却液流场设置于所述阳极板上背离所述阳极子流场的另一面，和/或设置于所述阴极板上背离所述阴极子流场的另一面。

本发明还提供一种电堆，包括多个排列设置的上述燃料电池双极板。

在其中一个实施例中，所述流场具有阳极流道及阴极流道；

最外侧的所述燃料电池双极板中所述阳极流道与所述阴极流道的宽度大于内侧的所述燃料电池双极板中所述阳极流道与所述阴极流道的宽度。

上述燃料电池双极板及电堆，在进口与流场之间及出口与流场之间设置扰流区，利用流体本身的流动性，在流体经过扰流区进入流场的过程中，扰流区将其分散并重新分配均匀，使进入流场内的流体均匀性更好。

附图说明

图1为本申请一实施例中燃料电池双极板的整体结构示意图；

图2为图1所示燃料电池双极板中阳极板的正面示意图；

图3为图2中A处局部放大图；

图4为图1所示燃料电池双极板中阳极板的背面示意图；

图5为图1所示燃料电池双极板中阴极板的正面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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；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，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

图1示出了本发明一实施例中的燃料电池双极板的整体结构示意图。

参阅图1，本发明一实施例提供了一种燃料电池双极板100，包括板体，板体又包括流场区20与扰流区30。其中，板体具有位于流场区20的进口、出口以及连通进口与出口之间的流场。扰流区30位于进口与流场之间及出口与流场之间，板体还具有位于扰流区30的扰流部，扰流部用于将来自进口的流体分散至流场。

从进口进入流场内的流体首先经过扰流区30，在扰流部的作用下使流体均匀扩散至流场内。具体地，由于流体本身具有流动性，在流体经过扰流区30流入流场的过程中，扰流部在某些特定路径上对流体进行阻挡。流体绕开扰流部流动的同时，实现了对流体的分散及均匀分配。

在本具体实施例中，扰流部包括多个凸台，多个凸台间隔设置。通过多个凸台对进入流场的流体进行分散导流。

图2示出了本发明一实施例中的阳极板的正面示意图；图3示出了图2中A处的局部放大图；图5示出了本发明一实施例中阴极板的正面示意图。

结合图2、图3以及图5所示，进一步地，流场包括相互独立的阳极子流场231与阴极子流场232，阳极子流场231与阴极子流场232分别用于不同流体的流通。具体地，阳极子流场231内通入氧气，阴极子流场232内通入氢气。

其中，阳极子流场231包括多条阳极流道2311及位于相邻两条阳极流道2311之间的阳极脊2312，阳极脊2312凸出于阳极流道2311设置，以使相邻两条阳极流道2311相互独立。阴极子流场232包括多条阴极流道2321及位于相邻两条阴极流道2321之间的阴极脊2322，阴极脊2322凸出于阴极流道2321设置，以使相邻两条阴极流道2321相互独立。

氧气与氢气分别在阳极流道2311与阴极流道2321内流通。多条阳极流道2311与多条阴极流道2321分别使氧气与氢气均匀分布于阳极子流场231与阴极子流场232内。在本具体实施例中，阳极流道2311与阴极流道2321均设置为直线型。在其他的一些实施例中，阳极流道2311与阴极流道2321也可以设置为折线型或波浪形等，在此不做限定。

扰流区30包括第一子扰流区31与第二子扰流区32，第一子扰流区31位于阳极子进口211与阳极子流场231及阳极子出口221与阳极子流场231之间，第二子扰流区32位于阴极子进口212与阴极子流场232及阴极子出口222与阴极子流场232之间。即第一子扰流区31用于引导氧气更均匀的流入阳极子流场231，第二子扰流区32用于引导氢气更均匀的流入阴极子流场232。

在本具体实施例中，扰流部包括位于第一子扰流区31的多个第一凸台组311，每一第一凸台组311包括凸台，且每一第一凸台组311位于对应一阳极脊2312的延长线上。其中，每一第一凸台组311包括多个第一凸台3111，多个第一凸台3111之间间隔设置。即每一第一凸台3111被构造为一扰流柱，对氧气进行分流，使氧气能够均匀的流入每一条阳极流道2311内。

扰流部还包括位于第二子扰流区32的多个第二凸台组321，每一第二凸台组321包括凸台，相邻两个第二凸台组321沿阴极流道的延长线方向交错且间隔设置。其中，第二凸台组321包括多个第二凸台3211，每一第二凸台组321中的每一第二凸台3211与其相邻两侧的第二凸台组321中相邻两个第二凸台3211之间的间隙对齐设置。即相邻两组第二凸台组321之间采用叉排结构设置，且每一个第二凸台3211被构造为一扰流柱，对氢气进行分流。氢气由阴极子进口212流入后，经过第二子扰流区32的扰流及分散，均匀流入每一条阴极流道2321内。

在本具体实施例中，阳极子流场231被分隔为相互对称的第一部分231a与第二部分231b，第一部分231a与第二部分231b的对称轴平行于流体流动方向。第一部分231a朝向进口的一侧边与第二部分231b朝向进口的一侧边之间具有夹角。具体的，第一部分231a与第二部分231b的外廓形状均为平行四边形。因此，经过扰流区30的引导后，平行四边形轮廓的阳极流道2311更有利于氧气朝向阳极子流场231中心区域均匀扩散，并且顺利从出口排出。

进一步地，每一条阳极流道2311的宽度由板体边缘向中心逐渐增大。因此更有利于氧气向阳极子流场231的中心区域均匀扩散，确保阳极子流场231内的氧气均匀分布。

进口包括阳极子进口211与阴极子进口212，出口包括阳极子出口221与阴极子出口222。其中，阳极子流场231连通阳极子进口211与阳极子出口221。阴极子流场232连通阴极子进口212与阴极子出口222。具体地，氧气通过阳极子进口211流入阳极子流场231，并通过阳极子出口221流出。氢气通过阴极子进口212流入阴极子流场232，并通过阴极子出口222流出。从而使氧气与氢气分别形成独立的流通路径，互不干扰。

阳极子进口211与阳极子出口221均靠近板体边缘设置。在本具体实施例中，阳极子进口211与阳极子出口221均包括两个，且均靠近板体边缘设置。平行四边形轮廓靠近阳极子进口211的一边，与阳极子进口211之间的间隙由板体边缘向中心逐渐增大。相对应的，靠近阳极子出口221的一边，与阳极子出口221之间的间隙由板体边缘向中心逐渐减小。此外，由于阳极流道2311的宽度由板体边缘向中心逐渐增大。因此，氧气从阳极子进211口流入后，在第一子扰流区31的引导下，向阳极子流场231中心均匀扩散，实现氧气的均匀分布。

阴极子进口212与阴极子出口222靠近板体中心设置。在本具体实施例中，所有阴极流道2321的宽度保持一致，第二子扰流区32设置于阴极流道2321的两端。氢气从阴极子进口212流入后，经过第二子扰流区32的引导及分散，均匀流入阴极子流场232。

请再次参看图1，板体包括阳极板11与阴极板12，阳极子流场231设置于阳极板11上，阴极子流场232设置于阴极板12上。阳极板11与阴极板12分别实现氧气与氢气两种不同流体的流通及反应。

图4示出了本发明一实施例中阳极板的背面示意图。

此外，板体还具有冷却液流场13，冷却液流场13设置于阳极板11上背离阳极子流场231的另一面，和/或设置于阴极板12上背离阴极子流场232的另一面。如图4所示，冷却液流场13包括多条冷却液流道131及位于相邻两条冷却液流道131之间的冷却液脊132，冷却液脊132凸出于冷却液流道131设置，以使相邻两条冷却液流道131相互独立。

在本具体实施例中，冷却液流场13设置于阳极板11上。冷却液流场13用于冷却液的流通与分布。所有冷却液流道131的宽度均保持一致，具体地，冷却液流道131设置为直线型。可以理解地，在其他的一些实施例中，冷却液流道131也可以设置为折线型或者波浪形，在此不做限定。

在本具体实施例中，板体还包括阳极通道14、阴极通道15以及冷却液通道16，阳极通道14与阳极子进口211及阳极子出口221连通，阴极通道15与阴极子进口212及阴极子出口222连通，冷却液通道16与冷却液流道131连通。即阳极通道14通过阳极子进口211及阳极子出口221与阳极子流场231连通，阴极通道15通过阴极子进口212及阴极子出口222与阴极子流场232连通，冷却液通道16使冷却液流入冷却液流道131中，并且使冷却液均匀分布于冷却液流道131内。

此外，阳极板11与阴极板12上还设置有密封胶道111，阳极板11与阴极板12通过密封胶道111紧密贴合。具体的，由于阳极子流场231位于阳极板11正面，冷却液流场13位于阳极板11背面，阴极子流场232位于阴极板12正面。通过密封胶道111将阳极板11背面与阴极板12背面粘接贴合，使阳极通道14与阳极子流场231连通，阴极通道15与阴极子流场232连通，冷却液通道16与冷却液流场13连通。从而分隔形成三个互不影响的流体区域。

基于与上述燃料电池双极板100相同的构思，本发明还提供一种电堆(图中未示出)，该电堆包括多个排列设置的上述燃料电池双极板100。

具体使用时，将燃料电池双极板100与膜电极交替设置。其中，最外侧的燃料电池双极板100中阳极流道2311与阴极流道2321的宽度大于内侧的燃料电池双极板100中阳极流道2311与阴极流道2321的宽度。因此可以降低最外侧的燃料电池双极板100中流场的流体阻力，从而保证流体在电堆内部的均匀分布。

本发明具体使用时，通过密封胶道111将阳极板11背面与阴极板12背面粘接贴合。使阳极通道14与阳极子流场231连通，阴极通道15与阴极子流场232连通，冷却液通道16与冷却液流场13连通。从而分隔形成三个互不影响的流体区域。其中，氧气由阳极通道14流入阳极子流场231，氢气由阴极通道15流入阴极子流场232，冷却液由冷却液通道16流入冷却液流场13。

氧气流入阳极子流场231内，首先经过第一子扰流区31的分流及引导，结合平行四边形轮廓的阳极子流场231，使氧气朝向阳极子流场231中心区域均匀扩散。氢气流入阴极子流场232内，首先经过第二子扰流区32进行分流，使氢气能够更均匀的分布于阴极流道2321内。

上述实施例中的燃料电池双极板100及电堆，至少具有以下优点：

1)在流场两端设置扰流区30，使得进入流场的流体能够得到分流，从而均匀流入流场内，并且由出口顺利排出，使流场内流体的均匀性更好；

2)阳极子流场231设置平行四边形轮廓的第一部分231a与第二部分231b，且第一部分231a与第二部分231b内的阳极流道2311的宽度由板体边缘向中心逐渐增大，使流入阳极子流场231的氧气能够更顺利的朝向阳极子流场231中心区域均匀扩散；

3)第一凸台3111与第二凸台3211均被构造为扰流柱，在实现对流体分流引导的基础上，结构设计简单，加工成本与加工难度较低，有利于提高生产效率与良品率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括：

板体，所述板体包括流场区与扰流区；

其中，所述板体具有位于所述流场区的进口、出口以及连通所述进口与所述出口之间的流场；

所述板体具有位于所述扰流区内的扰流部，所述扰流部用于将来自所述进口的流体分散至所述流场；

所述流场包括阳极子流场，所述阳极子流场包括多条阳极流道及位于相邻两条所述阳极流道之间的阳极脊，所述阳极脊凸出于所述阳极流道设置，以使相邻两条所述阳极流道相互独立；

每一所述阳极流道的宽度由所述板体边缘向中心逐渐增大；

所述阳极子流场被分隔为相互对称的第一部分与第二部分，所述第一部分与所述第二部分的外廓形状均为平行四边形，所述第一部分与所述第二部分的对称轴平行于所述流体流动方向；所述第一部分朝向所述进口的一侧边与所述第二部分朝向所述进口的一侧边之间具有夹角；

所述进口包括阳极子进口，所述阳极子流场连通所述阳极子进口；所述阳极子进口靠近所述板体的边缘设置，所述第一部分和/或所述第二部分朝向所述阳极子进口的一侧边向背离所述流体流动的方向朝向所述对称轴倾斜设置；

所述出口包括阳极子出口，所述阳极子流场连通所述阳极子出口，所述阳极子出口靠近所述板体的边缘设置，所述第一部分和/或所述第二部分朝向所述阳极子出口的一侧边向背离所述流体流动的方向朝向所述对称轴倾斜设置；

所述扰流区包括第一子扰流区，所述第一子扰流区位于所述阳极子进口与所述阳极子流场及所述阳极子出口与所述阳极子流场之间；所述扰流部包括位于所述第一子扰流区的多个第一凸台组，每一所述第一凸台组包括多个凸台，且多个所述凸台间隔设置，每一所述第一凸台组位于对应一所述阳极脊的延长线上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流场包括阴极子流场，所述进口包括阴极子进口，所述出口包括阴极子出口，所述阴极子流场连通所述阴极子进口与所述阴极子出口；

所述阴极子流场包括多条阴极流道；

所述扰流区包括第二子扰流区，所述第二子扰流区位于所述阴极子进口与所述阴极子流场及所述阴极子出口与所述阴极子流场之间；

所述扰流部包括位于所述第二子扰流区的多个第二凸台组，每一所述第二凸台组包括所述凸台，相邻两个所述第二凸台组沿所述阴极流道的延长线方向交错且间隔设置。

3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，每一所述第二凸台组包括多个所述凸台，每一所述第二凸台组的多个所述凸台沿垂直于所述阴极流道的方向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，每一所述第二凸台组中的每一所述凸台与其相邻两侧的所述第二凸台组中相邻两个所述凸台之间的间隙对齐设置。

5.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，各所述阳极流道设置为直线型流道，和/或各所述阴极流道设置为直线型流道。

6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，每一所述凸台被构造为扰流柱。

7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极子进口及所述阳极子出口均靠近所述板体边缘设置。

8.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述板体包括阳极板与阴极板；

所述流场包括阳极子流场与阴极子流场，所述阳极子流场设置于所述阳极板上，所述阴极子流场设置于所述阴极板上；

所述板体还具有冷却液流场，所述冷却液流场设置于所述阳极板上背离所述阳极子流场的另一面，和/或设置于所述阴极板上背离所述阴极子流场的另一面。

9.一种电堆，其特征在于，包括多个排列设置的上述权利要求1-8中任一项所述的燃料电池双极板。

10.根据权利要求9所述的电堆，其特征在于，所述流场具有阳极流道及阴极流道；

最外侧的所述燃料电池双极板中所述阳极流道与所述阴极流道的宽度大于内侧的所述燃料电池双极板中所述阳极流道与所述阴极流道的宽度。

Images