CN115064720B - 一种用于燃料电池的三角形双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：包括膜电极组件，膜电极组件的两侧分别设有三角形双极板，三角形双极板包括阴极板和阳极板，阴极板与膜电极组件之间设有阴极流道，阴极流道分别与阴极板和膜电极组件之间连通，阳极板和膜电极组件之间设有阳极流道，阳极流道分别与阳极板和膜电极组件连通，阴极流道和阳极流道的形状为三角形，阴极流道内通入阴极反应气，阳极流道内通入阳极反应气。本发明的燃料电池两组膜电极组件之间通过三角形双极板相连接，三角形双极板同时具有导流、集流、支撑各组件的作用。

Description

一种用于燃料电池的三角形双极板
技术领域
本发明涉及电化学燃料电池领域，特别是涉及一种用于燃料电池的三角形双极板。
背景技术
常规燃料电池由双极板和膜电极组件组成，双极板由肋板和极板组成，双极板是影响燃料电池内部气-热-水分布的主要因素，研究双极板主要路线是开展双极板形状的研究，一是双极板上面肋板形状的研究，如左右和上下波浪形肋板、缺口形肋板、蛇形肋板、平行肋板等相关形状的研究，二是双极板流道内部结构的研究，如加入挡板的样式、数量和位置、三维阻塞块、仿生流道等。通过双极板形状的优化设计可增强燃料电池内部气-热-水均匀分布，从而提高燃料电池输出功率。而影响燃料电池大范围应用的主要阻碍一是燃料电池的加工成本，复杂的流道结构如挡板形、三维阻塞块、仿生流道等可以增强传质，提高燃料电池内部气-热-水均匀分布，固然可增强燃料电池输出性能，这无疑会大幅度增加了加工成本；二是电堆体积较大的问题，如平行流道、蛇形流道、波浪形流道等垂直型肋板结构易于加工，但存在着体积较大、传质效果较差、体积能量密度较差等缺陷，难以应用在对体积要求较为严格的乘用车上面。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃料电池的三角形双极板，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：包括膜电极组件，所述膜电极组件的两侧分别设有三角形双极板，所述三角形双极板包括阴极板和阳极板，所述阴极板与所述膜电极组件之间设有阴极流道，所述阴极流道分别与所述阴极板和所述膜电极组件之间连通，所述阳极板和所述膜电极组件之间设有阳极流道，所述阳极流道分别与所述阳极板和所述膜电极组件连通，所述阴极流道和所述阳极流道的形状为三角形，所述阴极流道内通入阴极反应气，所述阳极流道内通入阳极反应气。
优选的，所述膜电极组件包括膜，所述膜的两侧分别固接有阳电极和阴电极，所述阳电极位于靠近所述阳极流道的一侧且与所述阳极流道连通，所述阴电极位于靠近所述阴极流道的一侧且与所述阴极流道连通。
优选的，所述阳电极和所述阳极流道之间设有阳极扩散层，所述阴电极和所述阴极流道之间设有阴极扩散层。
优选的，所述三角形双极板的厚度为0.5sinθ。
优选的，所述三角形双极板顶角处的实体厚度h与垂直型双极板的极板厚度相同。
优选的，所述阴极流道和所述阳极流道为等腰三角形，所述等腰三角形的宽和高分别为1mm。
本发明公开了以下技术效果：(1)本发明通过对原垂直型肋板左右旋转一定的角度形成三角形流道，三角形肋板直接构成三角形双极板，三角形双极板同时具有集流、导流、支撑膜电极组件的作用，集垂直型肋板和极板功能与一体，减少燃料电池体积。
(2)本发明通过三角形双极板设计，优化了反应气的纵向分布，反应气量靠近膜电极方向逐渐增加，提高反应气利用率。
(3)本发明三角形双极板构型简单，提升性能显著，加工成本较低，易于大面积推广应用。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为三角形双极板结构原理图；
图2为多片单电池三角形双极板组成的燃料电池结构原理图；
图3为三角形双极板组成的燃料电池立体示意图；
图4为垂直型与三角形双极板组成的燃料电池体积功率密度曲线。
其中：1、阴极板；2、阳极板；3、阴极流道；4、阳极流道；5、膜；6、阳电极；7、阴电极；8、阳极扩散层；9、阴极扩散层。
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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4，本发明提供一种用于燃料电池的三角形双极板，包括膜电极组件，膜电极组件的两侧分别设有三角形双极板，三角形双极板包括阴极板1和阳极板2，阴极板1与膜电极组件之间设有阴极流道3，阴极流道3分别与阴极板1和膜电极组件之间连通，阳极板2和膜电极组件之间设有阳极流道4，阳极流道4分别与阳极板2和膜电极组件连通，阴极流道3和阳极流道4的形状为三角形，阴极流道3内通入阴极反应气，阳极流道4内通入阳极反应气。
本发明通过对原垂直型肋板左右旋转一定的角度形成三角形流道，三角形肋板直接构成三角形双极板，三角形双极板同时具有集流、导流、支撑膜电极组件的作用，集垂直型肋板和极板功能与一体，减少燃料电池体积。通过三角形双极板设计，优化了反应气的纵向分布，反应气量靠近膜电极方向逐渐增加，提高反应气利用率。本发明三角形双极板构型简单，提升性能显著，加工成本较低，易于大面积推广应用。
进一步优化方案膜电极组件包括膜5，膜5的两侧分别固接有阳电极6和阴电极7，阳电极6位于靠近阳极流道4的一侧且与阳极流道4连通，阴电极7位于靠近阴极流道3的一侧且与阴极流道3连通。
进一步优化方案阳电极6和阳极流道4之间设有阳极扩散层8，阴电极7和阴极流道3之间设有阴极扩散层9。
给定膜电极组件厚度，对于垂直型肋板分别向左右旋转一定的角度，相邻肋板分别相交于上下两个重合区域。以垂直型肋板构成流道的宽、高、肋板厚、极板厚、膜电极组件厚度分别为1mm、1mm、0.5mm、0.5mm、0.8mm为参照，现为方便对比三角形双极板提升燃料电池性能效果，三角形双极板与膜电极组件接触面积与垂直肋板型双极板相同，两组膜电极组件之间的距离为定值，因此以下参数可分别确定：
支撑膜电极的肋板个数m与对比垂直型肋板相同；
垂直型肋板旋转的角度θ为arctan2；
双极板的厚度r为0.5sinθ；
三角形顶角处的实体厚度h与垂直型双极板的极板厚度相同；
通道三角形为等腰三角形，宽高尺寸同为1mm。
通过参数可知，三角形双极板构成的气体流道宽高尺寸大小与垂直型流道相同，进气面积是垂直型流道燃料电池的一半。
以相同单电池层数组成的电堆体积来看，分析垂直型肋板构成的燃料电池与三角形双极板构成的燃料电池体积比如下：
单电池多流道垂直肋板型燃料电池与三角形双极板型燃料电池体积比为1:1；
两层单电池多流道垂直型燃料电池与三角形流道燃料电池体积比为1.03:1；
三层单电池多流道垂直型燃料电池与三角形流道燃料电池体积比为1.16:1；
n层单电池多流道垂直型燃料电池与三角形流道燃料电池体积比为(3.3n+0.5)/(2.3n+1.5)
因此随着单电池层数上升，体积比逐渐接近1.44，其中20层为1.4，30层为1.41。
根据燃料电池气-热-水分布特征建立数值分析模型，通过数值模型分析20层单电池组成的电堆在电压输出一定的情况下，体积功率密度变化提升幅度从低负载输出到高负载输出逐渐增加，0.3V电压输出时，体积功率密度变化提升幅度为10％，继续增大负载，性能提升幅度继续上升。
垂直型肋板左右旋转一定角度时，肋板与膜电极组件接触面积保持不变，因此旋转的角度越大，三角形肋板厚度越小，肋板长度越长，两膜电极组件之间的肋板条数越少，反应气与膜电极组件接触面积提升。常规燃料电池膜电极组件之间除了肋板的存在，另外存在一层极板，本发明通过三角形流道设计，集肋板与极板功能于一体，提高空间利用效率，增加燃料电池的体积能量密度。本实施例中为对比体积功率密度提升效果，选择与垂直型燃料电池相同的肋板条数以及相同的膜电极组件接触面积，以此可以确定三角形双极板型燃料电池内部的进气流道的宽高、肋板的条数、肋板的厚度、肋板的长度、肋板与膜电极组件的接触面积、肋板旋转的角度、三角形顶角处的实体厚度等设计参数。
三角形肋板单电池体积与垂直型肋板单电池体积相同，体积减少效应没有显现，随着组装单电池数量n增多，体积减少效应逐渐上升，且可以用(3.3n+0.5)/(2.3n+1.5)表示，接近1.44。
本实施例中以20层单电池组装的燃料电池为研究对象，进气压力3atm，阴阳极进气相对湿度为100％，因两燃料电池单流道进气口面积不同，为减少进气流道面积不同造成的性能差异，选择相同的平均进气速度，输出电压初始为1V，以0.1V为递减步长，得到两种肋板构成的燃料电池输出功率密度曲线，三角形肋板燃料电池性能提升效果随着负载的增加逐渐凸显，以0.3V电压输出时，燃料电池性能提升10％，且随着负载的持续加大，性能提升更加明显。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：包括膜电极组件，所述膜电极组件的两侧分别设有三角形双极板，所述三角形双极板包括阴极板(1)和阳极板(2)，所述阴极板(1)与所述膜电极组件之间设有阴极流道(3)，所述阴极流道(3)分别与所述阴极板(1)和所述膜电极组件之间连通，所述阳极板(2)和所述膜电极组件之间设有阳极流道(4)，所述阳极流道(4)分别与所述阳极板(2)和所述膜电极组件连通，所述阴极流道(3)和所述阳极流道(4)的形状为三角形，所述阴极流道(3)内通入阴极反应气，所述阳极流道(4)内通入阳极反应气；
通过对原垂直型肋板左右旋转一定的角度，相邻肋板分别相交于上下两个重合区域形成三角形流道，旋转后的原垂直型肋板直接构成三角形双极板；
垂直型肋板旋转的角度θ为arctan2。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：所述膜电极组件包括膜(5)，所述膜(5)的两侧分别固接有阳电极(6)和阴电极(7)，所述阳电极(6)位于靠近所述阳极流道(4)的一侧且与所述阳极流道(4)连通，所述阴电极(7)位于靠近所述阴极流道(3)的一侧且与所述阴极流道(3)连通。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：所述阳电极(6)和所述阳极流道(4)之间设有阳极扩散层(8)，所述阴电极(7)和所述阴极流道(3)之间设有阴极扩散层(9)。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：所述三角形双极板的厚度为0.5sinθ。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：所述三角形双极板顶角处的实体厚度h与垂直型双极板的极板厚度相同。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的三角形双极板，其特征在于：所述阴极流道(3)和所述阳极流道(4)为等腰三角形，所述等腰三角形的底和高分别为1mm。
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