CN113690458B - 一种质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池双极板，包括相对设置的阳极单板和阴极单板，阳极单板背离所述阴极单板的外侧形成阳极流场，阴极单板背离所述阳极单板的外侧形成阴极流场，阳极单板和阴极单板之间的界面形成冷却液流场，所述双极板上还设有：与阳极流场连通的阳极气体入口和阳极气体出口，与阴极流场连通的阴极气体入口和阴极气体出口，与冷却液流场连通的冷却液入口和冷却液出口，阳极气体入口和阳极气体出口分设于所述双极板长轴的两侧，阴极气体入口和阴极气体出口分设于所述双极板短轴的两侧，冷却液入口和冷却液出口也分设于所述双极板短轴的两侧，且，阴极气体入口和阴极气体出口对角设置，冷却液入口和冷却液出口对角设置。

Description

一种质子交换膜燃料电池双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池极板领域，特别涉及一种质子交换膜燃料电池双极板。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，相较于传统发电装置，燃料电池不含运动部件、工作可靠、维修少且工作时噪音低，工作过程不产生有害物质，因此是一种十分具有发展前途的能源动力装置。
燃料电池的制作过程中需要将多个单电池堆叠形成燃料电池堆，双极板是电堆的重要部件之一，起到支撑固定质子交换膜电极、分割燃料和氧化气体、收集、传导电流等重要作用，因此双极板的结构的优劣对燃料电极的性能的高低具有决定性的影响。
现有的质子交换膜燃料电池双极板的结构如公开号为CN110212213A的中国专利中公开的一种质子交换膜燃料电池双极板，该质子交换膜燃料电池双极板由阳极单板和阴极单板组合而成，阳极单板外侧设置有阳极流场，阴极单板外侧设置有阴极流场，所述阳极单板和所述阴极单板之间的空腔形成冷却剂流场；阳极入口和阳极出口设置在所述质子交换膜燃料电池双极板的左右两侧，阴极入口和阴极出口设置在所述质子交换膜燃料电池双极板的左右两侧；冷却剂入口和冷却剂出口在所述质子交换膜燃料电池双极板的上下两侧；以及所述阳极入口和所述阴极入口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的左右两侧。
又如公开号为CN210692683U的中国专利公开的质子交换膜燃料电池双极板、电池及电池堆，包括紧压于一体的阳极板和阴极板；阳极板和阴极板的板面上均开设有凹槽；阳极板和阴极板上均开设有燃料气体入口、燃料气体出口、氧化剂气体入口、氧化剂气体出口及排水口；其中，阳极板上的燃料气体入口和燃料气体出口均与阳极板上的凹槽连通；阴极板上的氧化剂气体入口和氧化剂气体出口均与阴极板上的凹槽连通，各凹槽内填充有多孔三维基底填充块。
上述质子交换膜燃料电池双极板的阳极入口、阳极出口、阴极入口、阴极出口均设于质子交换膜燃料电池的左右两侧，使得阳极气体和阴极气体的进气口的横截面积不够大，气体分配不够均匀、反应不够完全。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种质子交换膜燃料电池双极板，增大了阴极气体和阳极气体进气口的横截面积，使得气体分配更加均匀、反应更加完全。
一种质子交换膜燃料电池双极板，包括相对设置的阳极单板和阴极单板，所述阳极单板背离所述阴极单板的外侧形成阳极流场，所述阴极单板背离所述阳极单板的外侧形成阴极流场，所述阳极单板和阴极单板之间的界面处形成冷却液流场，所述质子交换膜燃料电池双极板上还设有：
与阳极流场连通的阳极气体入口和阳极气体出口，
与阴极流场连通的阴极气体入口和阴极气体出口，
与冷却液流场连通的冷却液入口和冷却液出口，
所述阳极气体入口和阳极气体出口分别设于质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的两侧，
所述阴极气体入口和阴极气体出口分别设于质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的两侧，
所述冷却液入口和冷却液出口也分别设于质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的两侧，并且，阴极气体入口和阴极气体出口对角设置，冷却液入口和冷却液出口对角设置。
具体的，将阳极气体入口设置于质子交换膜燃料电池双极板长轴两侧，扩大了阳极气体进气口的横截面积且使得阳极气体分配更加均匀；将阴极气体设置于质子交换膜燃料电池双极板短轴两侧，扩大了阴极气体进气口的横截面积且使得阴极气体分配更加均匀；且此种进气方式使得阴极气体和阳极气体接触更加充分，反应更加彻底。
冷却液入口与冷却液出口对角设置于质子交换膜燃料电池双极板短轴两侧，使得冷却液能够对流经双极板的各个区域，更好的对质子交换膜燃料电池双极板进行冷却。
优选的，所述阳极流场包括从阳极气体入口一侧到阳极气体出口一侧依次设置的阳极气体入口通道、阳极反应区、阳极气体出口通道，
所述阳极反应区具有从阳极气体入口通道一侧延伸到阳极气体出口通道一侧的多条阳极流道，所述阳极流道为蛇形弯曲结构。
具体的，阳极反应区由多条蛇形弯曲的阳极流道构成，蛇形弯曲结构的阳极流道可适当的增大阳极气体的流动压差，有利于质子交换膜燃料电池双极板运行是阳极排水。
优选的，使用时，所述质子交换膜燃料电池双极板沿短轴方向竖向设置，所述阴极气体入口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的上侧，阴极气体出口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的下侧，阴极气体由上往下流动。
具体的，质子交换膜燃料电池双极板沿短轴方向竖向设置，即质子交换膜燃料电池双极板的短轴与地面垂直，且阴极气体从质子交换膜燃料电池双极板的上侧进入，利用重力使得阴极气体从上往下流动，同时阴极气体入口、阴极气体出口设于质子交换膜燃料电池双极板的长轴上，缩短了引起其提流动的距离，进而改善了阴极流场内气体浓度不均的问题。
优选的，所述冷却液入口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的上侧，冷却液出口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的下侧，冷却液由上往下流动。
具体的，冷却液的流动方向与阴极气体的流动方向相同，且分配均匀，可有效减小电堆温度局部差异，提升电堆一致性，提升质子交换膜燃料电池核心发电部件膜电极寿命。
优选的，所述阴极流场包括从阴极气体入口一侧到阴极气体出口一侧依次设置的阴极气体入口通道、阴极气体入口分配区、阴极反应区、阴极气体出口分配区、阴极气体出口通道。
优选的，所述阴极气体入口和阴极气体出口均包括沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列的至少两个，各阴极气体入口之间具有连通各相邻阴极气体入口的阴极气体入口互通通道，各阴极气体出口之间具有连通各相邻阴极气体出口的阴极气体出口互通通道。
具体的，此种结构有利于多节质子交换膜燃料电池双极板装配下阴极气体的均匀分配。
优选的，所述阴极反应区具有从阴极气体入口通道一侧延伸到阴极气体出口通道一侧的多条阴极流道，所述阴极反应区具有朝向背离阳极单板一侧的凸块，各凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列成行，各行凸块再沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向排列；
每一行凸块中各凸块间隔排列，且相邻凸块之间的间隔小于凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度；
相邻两行凸块之间错位设置，使其中一行凸块对准另一行凸块的间隙；
同一行凸块中的间隙以及相邻两行凸块之间形成阴极流道。
优选的，所述凸块在沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向上中间高、前后低形成前后两面斜面，
相邻两行凸块之间间隙排列或者斜面的一部分重叠排列。
具体的，此种结构下，阴极流场为倾斜的流场，有利于增加碳纸侧流向分压；同时，此种结构阴极流场细密化增加支撑用于防止膜电极塌陷。
优选的，凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度为1～2mm，沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的宽度为0.5～1mm；凸块上斜面的倾斜角度为10°～30°。
优选的，所述冷却液入口和冷却液出口均包括沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列的至少两个，各冷却液入口之间具有连通各相邻冷却液入口的冷却液入口互通通道，各冷却液出口之间具有连通各相邻冷却液出口的冷却液出口互通通道。
具体的，此种结构有利于多节质子交换膜燃料电池双极板装配下冷却液的均匀分配。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)阳极气体从质子交换膜燃料电池双极板的短轴进入，阴极气体和冷却液从质子交换膜燃料电池双极板的长轴进入，同时阴极气体的进出口、冷却液的进出口均对角设置，且阳极流场采用蛇形流场，此种结构不仅扩大了阳极气体进气口的横截面积是阳极气体分配更加均匀，还有利于质子交换膜燃料电池运行时阳极排水。
(2)由倾斜、排列成行且错位设置的凸块构成的阴极流场，有利于增加碳纸侧流向分压，同时凸起形成细密化支撑可防止膜电极塌陷。
(3)阴极气体入口分配区的结构，使阴极气体在进入阴反应区之后分配的更加均匀；阴极气体出口分配区的结构，是的阴极反应区反应之后的产物能够迅速的排出。
(4)阴极气体入口互通通道的结构利于多节质子交换膜燃料电池双极板装配下阴极气体的均匀分配。
(5)冷却液入口互通通道的结构有利于多节质子交换膜燃料电池双极板装配下冷却液的均匀分配。
附图说明
图1为本发明提供的质子交换膜燃料电池双极板的阳极单板示意图；
图2为本发明提供的质子交换膜燃料电池双极板的阴极单板示意图；
图3为图2中A的放大图；
图4为本发明提供的质子交换膜燃料电池双极板的阳极气体、阴极气体、冷却液的流动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1-4所示，质子交换膜燃料电池双极板的长轴两侧分设有阳极气体入口110、阳极气体出口120，且阳极单板100上设有与阳极气体入口110、阳极气体出口120连通的阳极反应区，阳极反应区由多个相互平行且紧密排列的阳极流道140构成，阳极流道140为蛇形弯曲结构，阳极流道140两端分设有阳极气体入口通道130、阳极气体出口通道150，阳极气体入口通道130与阳极气体入口110连通，阳极气体出口通道150与阳极气体出口120连通，阳极气体入口110的数量少于阳极气体入口通道130，阳极气体出口120数量少于阳极气体出口通道150。
质子交换膜燃料电池双极板短轴两侧分设有阴极气体入口210、阴极气体出口220，阴极气体入口210和阴极气体出口220均包括沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列的至少两个，且阴极单板200上设有与阴极气体入口210、阴极气体出口220连通的阴极反应区；阴极气体从阴极气体入口210进入到阴极单板200后从阴极气体入口互通通道280进入到阴极气体入口通道230，然后从阴极气体入口通道230流入阴极气体入口分配区240，在阴极气体入口分配区240将阴极气体均匀分配后进入阴极反应区，在阴极反应区反应后流入阴极气体出口分配区250，在阴极气体出口分配区250均匀分配之后进入到阴极气体出口通道260，随后从阴极气体出口通道260流至阴极气体出口互通通道290，最后阴极气体从阴极气体出口220流出。
阴极反应区具有朝向背离阳极单板100一侧的凸块271，各凸块271沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列成行，凸块271沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度为1～2mm，各行凸块271再沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向排列，凸块271沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的宽度为0.5～1mm，凸块上斜面的倾斜角度为10°～30°；每一行凸块271中各凸块271间隔排列，且相邻凸块271之间的间隔小于凸块271沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度；相邻两行凸块271之间错位设置，使其中一行凸块271对准另一行凸块271的间隙；同一行凸块271中的间隙以及相邻两行凸块271之间形成阴极流道270；且凸块271在沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向上中间高、前后低形成前后两面斜面，相邻两行凸块271之间间隙排列或者斜面的一部分重叠排列。
质子交换膜燃料电池双极板短轴两侧分设有冷却液入口310、冷却液出口320，冷却液经冷却液入口310流入冷却液入口互通通道330，经冷却液入口互通通道330后流经整个质子交换膜燃料电池双极板后仅冷却液出口互通通道340后从冷却液出口320流出。
冷却液流场由阳极单板100与阴极单板200间空腔形成，冷却液流场两侧贴合结构，一侧为条状流场，一侧为倾斜单元流场，条状流场有利于冷却液的横向流动，倾斜单元流场有利于冷却液的多向扩散，使冷却液在空腔内部均匀分布，均衡双极板整体温度，有利于双极板散热。
此外，与阴极气体入口分配区240、阴极气体出口分配区250相接合的阳极单板100区域为条状凸起结构，相互接合空腔形成冷却液入/出口分配区，且该条状凸起区域与阳极气体反应区被阳极单板100密封条隔离，形成特殊的分配区域，在形成冷却液进/出口分配区的同时不影响阳极气体反应区域，且不影响阳极气体的密封与分配。
同时冷却液入口310与阴极气体入口210设于短轴的同一侧，冷却液出口320与阴极气体出口220设于相对的另一侧，且冷却液入口310与冷却液出口320对角设置，阴极气体入口210与阴极气体出口220对角设置。
具体使用时，质子交换膜燃料电池双极板沿短轴方向竖向设置，即质子交换膜燃料电池双极板的短轴与放置面垂直，且阴极气体入口210、冷却液入口310位于上侧，阴极气体出口220、冷却液出口320位于质子交换膜燃料电池双极板下侧，阴极气体由上往下流动、冷却液由上往下流动。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板，包括相对设置的阳极单板和阴极单板，所述阳极单板背离所述阴极单板的外侧形成阳极流场，所述阴极单板背离所述阳极单板的外侧形成阴极流场，所述阳极单板和阴极单板之间的界面处形成冷却液流场，所述质子交换膜燃料电池双极板上还设有：
与阳极流场连通的阳极气体入口和阳极气体出口，
与阴极流场连通的阴极气体入口和阴极气体出口，
与冷却液流场连通的冷却液入口和冷却液出口，
其特征在于，
所述阳极气体入口和阳极气体出口分别设于质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的两侧，
所述阴极气体入口和阴极气体出口分别设于质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的两侧，
所述冷却液入口和冷却液出口也分别设于质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的两侧，并且，阴极气体入口和阴极气体出口对角设置，冷却液入口和冷却液出口对角设置；
所述阴极流场包括从阴极气体入口一侧到阴极气体出口一侧依次设置的阴极气体入口通道、阴极气体入口分配区、阴极反应区、阴极气体出口分配区、阴极气体出口通道；
所述阴极反应区具有从阴极气体入口通道一侧延伸到阴极气体出口通道一侧的多条阴极流道，所述阴极反应区具有朝向背离阳极单板一侧的凸块，各凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列成行，各行凸块再沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向排列；每一行凸块中各凸块间隔排列，且相邻凸块之间的间隔小于凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度；相邻两行凸块之间错位设置，使其中一行凸块对准另一行凸块的间隙；同一行凸块中的间隙以及相邻两行凸块之间形成阴极流道；
所述凸块在沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向上中间高、前后低形成前后两面斜面，相邻两行凸块之间间隙排列或者斜面的一部分重叠排列。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极流场包括从阳极气体入口一侧到阳极气体出口一侧依次设置的阳极气体入口通道、阳极反应区、阳极气体出口通道，
所述阳极反应区具有从阳极气体入口通道一侧延伸到阳极气体出口通道一侧的多条阳极流道，所述阳极流道为蛇形弯曲结构。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，使用时，所述质子交换膜燃料电池双极板沿短轴方向竖向设置，所述阴极气体入口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的上侧，阴极气体出口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的下侧，阴极气体由上往下流动。
4.如权利要求3所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述冷却液入口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的上侧，冷却液出口位于所述质子交换膜燃料电池双极板的下侧，冷却液由上往下流动。
5.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极气体入口和阴极气体出口均包括沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列的至少两个，各阴极气体入口之间具有连通各相邻阴极气体入口的阴极气体入口互通通道，各阴极气体出口之间具有连通各相邻阴极气体出口的阴极气体出口互通通道。
6.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，凸块沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向的长度为1～2mm，沿质子交换膜燃料电池双极板短轴方向的宽度为0.5～1mm；凸块上斜面的倾斜角度为10°～30°。
7.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述冷却液入口和冷却液出口均包括沿质子交换膜燃料电池双极板长轴方向排列的至少两个，各冷却液入口之间具有连通各相邻冷却液入口的冷却液入口互通通道，各冷却液出口之间具有连通各相邻冷却液出口的冷却液出口互通通道。
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