CN114420949A - 一种直接甲醇燃料电池金属双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池金属双极板，本发明属于燃料电池制备技术领域，本公开包括依次设置的阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板，阳极密封板设置第一卡槽，阴极密封板设置第二卡槽，阳极流道板设置在第一卡槽内，阴极流道板设置在第二卡槽内，第一卡槽设置燃料进口通道和燃料出口通道，第二卡槽设置空气进口通道和空气出口通道，阳极密封板和中间板对应空气进口通道、空气出口通道的位置分别设置开口，阴极密封板和中间板对应燃料进口通道、燃料出口通道的位置分别设置开口，所述开口设置卡槽的外侧。使甲醇燃料电池中的空气和甲醇能够完全分隔，分配到阴极和阳极，有利于提高电池的整体性能，有利于避免局部热量积聚。
Description
技术领域
本发明属于醇类燃料电池技术领域，具体涉及一种直接甲醇燃料电池金属双极板。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
直接甲醇燃料电池(DMFC)可适用于低温应用(低于100℃)，与使用氢气的质子交换膜燃料电池PEMFC不同，DMFC使用液态甲醇，从而消除了使用过程中氢气存储问题。发展高效DMFC存在如下挑战包括：(1)甲醇通过质子交换膜的渗透，甲醇和氧气没有被完全隔离，降低燃料电池堆的整体性能；(2)DMFC中发生的电化学反应是放热的，在反应过程中会产生热量，导致热量积聚；(3)阳极产生二氧化碳，会抑制甲醇在流场中的运动，导致活性面积减少，从而降低了燃料电池堆的整体性能。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种直接甲醇燃料电池金属双极板。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种直接甲醇燃料电池金属双极板，包括依次设置的阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板，阳极密封板设置第一卡槽，阴极密封板设置第二卡槽，阳极流道板设置在第一卡槽内，阴极流道板设置在第二卡槽内，第一卡槽设置燃料进口通道和燃料出口通道，第二卡槽设置空气进口通道和空气出口通道，阳极密封板和中间板对应空气进口通道、空气出口通道的位置分别设置开口，阴极密封板和中间板对应燃料进口通道、燃料出口通道的位置分别设置开口，所述开口设置卡槽的外侧。
本发明提出的直接甲醇燃料电池金属双极板是用于液态甲醇溶液作为原料的电池中，所述阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板组合形成被分隔的阳极结构和阴极结构，使阳极和阴极基本完全隔离，解决甲醇通过质子交换膜渗透的问题，解决空气和液体甲醇溶液分隔的问题，解决局部热量积聚的问题，解决二氧化碳影响甲醇流动的问题。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
本发明的直接甲醇燃料电池金属双极板形成相对独立的阳极结构和阴极结构，隔离甲醇和氧气的反应，防止渗透，使甲醇和氧气分别送入到阳极和阴极，有利于提高电池的电化学性能；
直接甲醇燃料电池金属双极板的结构形成的流场设计，能够使空气和甲醇分别被均匀的分配到阳极和阴极表面，使空气和甲醇实现多次转向流动，提高反应的效率和均匀性，有利于提高电池的电化学性能；
直接甲醇燃料电池金属双极板的结构，使空气和甲醇充分有效地去除化学反应产生的热量，避免局部热量积聚；
直接甲醇燃料电池金属双极板的结构，能够充分的使甲醇反应产生的二氧化碳进行导流出去，避免抑制甲醇在流场中的运动，提高活性面积，提高燃料电池的整体性能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1实施例1燃料电池金属双极板结构；
图2实施例1燃料电池金属双极板阴极结构；
图3实施例1燃料电池金属双极板阳极结构；
图4实施例2燃料电池金属双极板结构；
图5实施例2燃料电池金属双极板阴极结构；
图6实施例2燃料电池金属双极板阳极结构。
其中，1a、阴极流道板，2a、阴极密封板，3a、中间板，4a、阳极密封板，5a、阳极流道板，6a燃料进口通道，7a、燃料出口通道，8a、空气进口通道，9a、空气出口通道；
1b、阴极流道板，2b、阴极密封板，3b、中间板，4b、阳极密封板，5b、阳极流道板，6b、燃料进口通道，7b、燃料出口通道，8b、空气进口通道，9b、空气出口通道。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种直接甲醇燃料电池金属双极板，包括依次设置的阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板，阳极密封板设置第一卡槽，阴极密封板设置第二卡槽，阳极流道板设置在第一卡槽内，阴极流道板设置在第二卡槽内，第一卡槽设置燃料进口通道和燃料出口通道，第二卡槽设置空气进口通道和空气出口通道，阳极密封板和中间板对应空气进口通道、空气出口通道的位置分别设置开口，阴极密封板和中间板对应燃料进口通道、燃料出口通道的位置分别设置开口，所述开口设置卡槽的外侧。
阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板组合形成被分隔的阳极结构和阴极结构，阳极密封板与中间板之间为阳极结构，中间板与阴极密封板之间为阴极结构。
DMFC工作过程中涉及的电化学反应如下：
阳极反应：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
阴极反应：3/2O2+6H++6e-→3H2O (2)
总反应：CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O (3)
第一、通过DMFC的电化学反应过程，可以看到阳极和阴极分别是甲醇和氧气的反应，所以应该将液态甲醇和氧气分别均匀地分配到阳极和阴极反应表面。本发明中，如图1、图4、图5或图6空气进口通道、空气出口通道分别设置在阳极密封板的板面上而不是在卡槽内，燃料进口通道、燃料出口通道分别设置在阴极密封板的板面上而不是在卡槽内，空气通过阳极密封板和中间板上的开口进入到阴极结构的内部，通过空气进口通道、阴极流道板、空气出口通道流出。因为开口设置在卡槽的外侧，所以空气不会进入到阳极结构的内部。同理，液态甲醇通过阴极密封板和中间板上的开口进入到阳极结构的内部，通过燃料进口通道、阳极流道板、燃料出口通道流出。因为开口设置在卡槽的外侧，所以燃料不会进入到阴极结构的内部。所以能够解决燃料和空气分隔的问题。
第二、DMFC中发生的电化学反应是放热的，在反应过程中会产生热量。双极板应有效地去除化学反应产生的热量，避免局部热量积聚。本发明中，甲醇和空气经过流道板后带走热量，同时液体甲醇溶液和散热流体共用阳极流道板，散热流体起到吸收热量的作用。
第三，在阳极甲醇反应产生二氧化碳，阳极密封板卡槽能够使甲醇燃料沿着流道板的流道折回的流动，发生多次的转向，增加了甲醇燃料溶液的流速和扰动性，有利于二氧化碳的清理和排出。
在本发明的一些实施方式中，阳极流道板与第一卡槽的槽底面贴合设置，阴极流道板与第二卡槽的槽底面贴合设置，中间板的一个侧面分别贴合阳极流道板和阳极密封板的板面，中间板的另一个侧面贴合阴极流道板和阴极密封板的板面。流道板与卡槽的底面贴合，所以空气和甲醇在密封板的约束下，可以使空气或甲醇燃料充分的从流道板的设置流道的表面流过，使空气或甲醇燃料能够沿着流道板的流道折回的流动，发生多次的转向，有利于空气和甲醇燃料充分发生反应。
在本发明的一些实施方式中，燃料进口通道和燃料出口通道分别设置在第一卡槽的相对的两端，燃料进口通道和燃料出口通道斜向相对。
在本发明的一些实施方式中，空气进口通道、空气出口通道分别设置在第二卡槽的相对的两端，空气进口通道、空气出口通斜向相对。
空气或燃料的进口和出口通道的设置，斜向相对，可以有利于空气或燃料发生从流道板的一端发生多次转向之后到达另一端，有利于反应的充分进行。
在本发明的一些实施方式中，阳极流道板为方型结构，阳极流道板的两个相对侧边分别紧挨第一卡槽的第一侧面，另外两个相对的侧边分别与第一卡槽的第二侧面具有间隙，两个第二侧面分别为设置燃料进口通道、燃料出口通道的侧面。
在本发明的一些实施方式中，阴极流道板为方型结构，阴极流道板的两个相对侧边分别紧挨第二卡槽的第一侧面，另外两个相对的侧边分别与第二卡槽的第二侧面具有间隙，两个第二侧面分别为设置空气进口通道、空气出口通道的侧面。
如图2、图3、图5或图6可以看到，流道板(这里所述的流道板分别指阳极流道板和阴极流道板)的两个相对的侧边紧挨卡槽的侧面，实现密封，有利于约束空气或甲醇沿着流道板进行折回的流动。设置间隙的位置有利于空气或甲醇燃料的折回流动。
在本发明的一些实施方式中，第一卡槽的侧面设置若干凸起，若干凸起分别设置在空气进口通道和空气出口通道所在的侧面，若干凸起错开设置，凸起抵住阳极流道板的侧边。
在本发明的一些实施方式中，第二卡槽的侧面设置若干凸起，若干凸起分别设置在燃料进口通道和燃料出口通道所在的侧面，若干凸起错开设置，凸起抵住阴极流道板的侧边。
如图2、图3、图4、图5或图6可以看到，卡槽(这里为第一卡槽和第二卡槽)的侧面设置凸起抵住流道板，能够进一步约束空气或甲醇的沿着流道板一端到另一端的多次转向的流动。
在本发明的一些实施方式中，阳极流道板和阴极流道板上分别设置直线型流道，阳极流道板和阴极流道板的直线型流道在中间板的两侧呈交叉设置。所述流道板，提供直线型流道，中间板两侧的流道交叉设置，有利于阳极结构和阴极结构的进料位置不冲突，阳极和阴极实现相对的密封。
在本发明的一些实施方式中，阳极流道板、阴极流道板的厚度分别为0.5-1mm，阳极密封板为阳极流道板厚度的1.1-1.2倍，阴极密封板为阴极流道板厚度的1.1-1.2倍。
在本发明的一些实施方式中，阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板分别为金属板(不锈钢或钛合金等耐腐材质)。石墨目前被广泛用作双极板材料。但是，它的机械性能较差，增加了加工成本，也增加了板厚。为了应对双极板的成本、重量和体积问题的严峻挑战，采用重量轻、成本低且易于加工成薄板的金属作为双极板材料，金属材料具有更高的导电性、更好的机械性能。
实施例1
如图1所示，燃料电池金属双极板包括如下部件：阴极流道板1a，阴极密封板2a，中间板3a，阴极密封板2a和阳极流道板5a。阴极流道板和阳极流道板由金属薄板制成，厚度为1mm到0.05mm，材质为不锈钢或者钛合金等耐腐蚀材料。制造燃料电池金属双极板时，带材的选择一般有两种，一种是预先做过涂层处理的带材，一种是未经涂层处理的带材。使用预涂层处理钢带，通常不需要在极板成型后进行涂层处理，可以更快更便宜地生产双极板，但其涂层稳定性经过加工和焊接处理后容易出现问题。双极板焊接完成后会被进行涂层处理，来提高双极板的耐腐蚀性能。目前，常用的涂层处理方式为使用PVD方法。流道板1a和5a可以采用冲压、液压、辊压成型等方式生产，中间板3a可由冲压或者激光切割成型方式生产。流道板1a和5a的厚度在0.5mm到1.0mm之间，密封板的厚度是流道板厚度的1.1到1.2倍。
图2所示为燃料电池金属双极板的阴极组装图。其中1a为阴极流道板，2a为阴极密封板。空气从空气进口通道8a进入阴极流道板1a，空气因受到密封板的约束；在阴极流道板内发生多次转向以后，从空气出口通道9a流出双极板。
图3所示为燃料电池金属双极板的阳极组装图。其中5a为阴极流道板，4a为阴极密封板。甲醇溶液从燃料进口通道6a进入阳极流道板5a，甲醇溶液因受到密封板的约束；在阳极流道板内发生多次转向以后，从燃料出口通道7a流出双极板。甲醇溶液的浓度一般为2～10％。燃料电池运行中产生的热量也被甲醇溶液带出燃料电池的电堆。
实施例2
如图4所示，燃料电池金属双极板实例之二，包括如下部件：阴极流道板1b，阴极密封板2b，中间板3b，阴极密封板2b和阳极流道板5b。阴极流道板2b和阳极流道板5b由金属薄板制成，厚度为1mm到0.05mm，材质为不锈钢或者钛合金等耐腐蚀材料。制造燃料电池金属双极板时，带材的选择一般有两种，一种是预先做过涂层处理的带材，一种是未经涂层处理的带材。使用预涂层处理钢带，通常不需要在极板成型后进行涂层处理，可以更快更便宜地生产双极板，但其涂层稳定性经过加工和焊接处理后容易出现问题。双极板焊接完成后会被进行涂层处理，来提高双极板的耐腐蚀性能。目前，常用的涂层处理方式为使用PVD方法。流道板1b和5b可以采用冲压、液压、辊压成型等方式生产，中间板3a可由冲压或者激光切割成型方式生产。流道板1b和5b的厚度在0.5mm到1.0mm之间，密封板的厚度是流道板厚度的1.1到1.2倍。
在这种结构中，阴极流道板和阳极流道板呈交叉形状分布在中间板的两侧，并通过胶粘或者焊接方式固定在中间板上，双极板的整体结构比较平整，刚性高。
图5所示为燃料电池金属双极板的阴极组装图。其中1b为阴极流道板，2b为阴极密封板。空气从空气进口通道8b进入阴极流道板1b，空气因受到密封板的约束；在阴极流道板内发生多次转向以后，从空气出口通道9b流出双极板。
图6所示为燃料电池金属双极板的阳极组装图。其中5b为阴极流道板，4b为阴极密封板。甲醇溶液从燃料进口通道6b进入阳极流道板5b，甲醇溶液因受到密封板的约束；在阳极流道板内发生多次转向以后，从燃料出口通道7b流出双极板。甲醇溶液的浓度一般为2～10％。燃料电池运行中产生的热量也被甲醇溶液带出燃料电池的电堆。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：包括依次设置的阳极密封板、阳极流道板、中间板、阴极流道板、阴极密封板，阳极密封板设置第一卡槽，阴极密封板设置第二卡槽，阳极流道板设置在第一卡槽内，阴极流道板设置在第二卡槽内，第一卡槽设置燃料进口通道和燃料出口通道，第二卡槽设置空气进口通道和空气出口通道，阳极密封板和中间板对应空气进口通道、空气出口通道的位置分别设置开口，阴极密封板和中间板对应燃料进口通道、燃料出口通道的位置分别设置开口，所述开口设置卡槽的外侧。
2.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：阳极流道板与第一卡槽的槽底面贴合设置，阴极流道板与第二卡槽的槽底面贴合设置，中间板的一个侧面分别贴合阳极流道板和阳极密封板的板面，中间板的另一个侧面贴合阴极流道板和阴极密封板的板面。
3.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：燃料进口通道和燃料出口通道分别设置在第一卡槽的相对的两端，燃料进口通道和燃料出口通道斜向相对。
4.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：空气进口通道、空气出口通道分别设置在第二卡槽的相对的两端，空气进口通道、空气出口通斜向相对。
5.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：阳极流道板为方型结构，阳极流道板的两个相对侧边分别紧挨第一卡槽的第一侧面，另外两个相对的侧边分别与第一卡槽的第二侧面具有间隙，两个第二侧面分别为设置燃料进口通道、燃料出口通道的侧面。
6.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：阴极流道板为方型结构，阴极流道板的两个相对侧边分别紧挨第二卡槽的第一侧面，另外两个相对的侧边分别与第二卡槽的第二侧面具有间隙，两个第二侧面分别为设置空气进口通道、空气出口通道的侧面。
7.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：第一卡槽的侧面设置若干凸起，若干凸起分别设置在空气进口通道和空气出口通道所在的侧面，若干凸起错开设置，凸起抵住阳极流道板的侧边。
8.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：第二卡槽的侧面设置若干凸起，若干凸起分别设置在燃料进口通道和燃料出口通道所在的侧面，若干凸起错开设置，凸起抵住阴极流道板的侧边。
9.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：阳极流道板和阴极流道板上分别设置直线型流道，阳极流道板和阴极流道板的直线型流道在中间板的两侧呈交叉设置。
10.如权利要求1所述的直接甲醇燃料电池金属双极板，其特征在于：阳极流道板、阴极流道板的厚度分别为0.5-1mm，阳极密封板为阳极流道板厚度的1.1-1.2倍，阴极密封板为阴极流道板厚度的1.1-1.2倍。
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