CN115207389A - 一种双极板及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开一种双极板及燃料电池。其中双极板沿第一方向依次设置有进口区、进口分流区、活性反应区、出口分流区和出口区，进口分流区和出口分流区的流道脊顶点高于活性反应区的流道脊顶点，增加了进口分流区和出口分流区的流道深度，进口分流区和出口分流区的流道横截面积增加，进而减少了气体的流阻，使反应气体能够经进口分流区均匀分布并进入活性反应区，然后经出口分流区均匀排出，解决了现有技术中双极板中反应气体分配不均匀的问题，提高了燃料电池的性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板及燃料电池。
背景技术
现有技术中，燃料电池的电堆主要由双极板和膜电极堆叠组成，双极板和膜电极串联组成大功率燃料电池电堆。双极板在燃料电池电堆中有着重要的作用，双极板主要有分配反应介质、传输电堆内部产生的液态水、传导电流、导出反应热等功能。因此，双极板的结构以及流场的设计对燃料电池性能、寿命具有重要的作用。
但是，由于双极板结构复杂，氢气和空气在流动过程中均会受到较大的阻力，当流阻大于预设流阻时，影响氢气和空气的均匀分配，进而导致燃料电池内部的反应效率不稳定，影响燃料电堆的性能和寿命。而目前常见的双极板结构中的流场设计都存在反应气体流阻过大，导致反应介质分配不均匀的问题，进而导致沿电堆堆叠方向的两端的双极板出现性能偏低的现象。
基于此，亟需一种双极板及燃料电池，以解决上述存在的问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明的目的在于提供一种双极板，减少双极板内气体流阻，解决了现有技术中双极板中反应气体分配不均匀的问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双极板，所述双极板沿第一方向依次设置有进口区、进口分流区、活性反应区、出口分流区和出口区，所述进口分流区和所述出口分流区的流道脊顶点高于所述活性反应区的流道脊顶点。
作为一种双极板的优选技术方案，所述进口分流区的流道脊顶点与所述活性反应区的流道脊顶点的高度差为A，A值的范围为0.01mm-0.2mm；所述出口分流区的流道脊顶点与所述活性反应区的流道脊顶点的高度差为C，C值的范围为0.01mm-0.2mm。
作为一种双极板的优选技术方案，所述双极板包括相互连接的氢气单极板和空气单极板，所述氢气单极板背离所述空气单极板一侧设置有氢气流道，所述空气单极板背离所述氢气单极板一侧设置有空气流道，所述氢气单极板和所述空气单极板之间形成冷却流道。
作为一种双极板的优选技术方案，所述进口分流区的流道的槽底高于所述活性反应区的流道的槽底；所述出口分流区的流道的槽底高于所述活性反应区的流道的槽底。
作为一种双极板的优选技术方案，所述空气流道从槽底到脊顶点的高度值为D，所述氢气流道从槽底到脊顶点的高度值为E，D/E的比值范围为1.1-3。
作为一种双极板的优选技术方案，所述氢气单极板和所述空气单极板通过焊接或胶接连接。
作为一种双极板的优选技术方案，所述活性反应区、所述进口分流区和所述出口分流区组合形成反应介质流场区域，所述反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点的高度小于所述反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点的高度。
作为一种双极板的优选技术方案，所述反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点高度与所述反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点高度差值为B，B值的范围为0.01-0.5mm。
作为一种双极板的优选技术方案，所述进口区包括空气腔进口、冷却腔进口和氢气腔进口，所述冷却腔进口的面积≥所述空气腔进口的面积≥所述氢气腔进口的面积。
作为一种双极板的优选技术方案，所述活性反应区、所述进口分流区和所述出口分流区组合形成反应介质流场区域，所述反应介质流场区域的周向设置有密封件。
根据本发明的另一个方面，本发明的目的在于提供一种燃料电池，提高了燃料电池的性能和使用寿命。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池，包括膜电极组件和以上任一方案所述的双极板，所述膜电极组件包括膜电极碳纸，所述膜电极碳纸覆盖活性反应区、部分进口分流区和部分出口分流区。
本发明的有益效果为：
根据本发明的双极板和燃料电池，进口分流区和出口分流区的流道脊顶点高于活性反应区的流道脊顶点，增加了进口分流区和出口分流区的流道深度，进口分流区和出口分流区的流道横截面积增加，进而减少了气体的流阻，使反应气体能够经进口分流区均匀分布并进入活性反应区，然后经出口分流区均匀排出，解决了现有技术中双极板中反应气体分配不均匀的问题，提高了燃料电池的性能和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的双极板的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的沿第一方向进口分流区和活性反应区的剖视图；
图3是本发明具体实施方式提供的沿第二方向氢气单极板与空气单极板的剖视图。
图中标记如下：
1、进口区；11、空气腔进口；12、冷却腔进口；13、氢气腔进口；2、进口分流区；3、活性反应区；4、出口分流区；5、出口区；51、空气腔出口；52、冷却腔出口；53、氢气腔出口；6、氢气单极板；7、空气单极板；8、氢气流道；9、空气流道；10、冷却流道；20、密封件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
现有技术中，常见的双极板结构及流场设计都存在反应气体流阻过大，导致反应介质分配不均匀的问题。
为解决上述问题，如图1和图2所示，本实施例提供一种燃料电池，该燃料电池包括双极板，双极板沿第一方向依次设置有进口区1、进口分流区2、活性反应区3、出口分流区4和出口区5，进口分流区2和出口分流区4的流道脊顶点高于活性反应区3的流道脊顶点，增加了进口分流区2和出口分流区4的流道深度，进口分流区2和出口分流区4的流道横截面积增加，进而减少了气体的流阻，使反应气体能够经进口分流区2均匀分布并进入活性反应区3，然后经出口分流区4均匀排出，解决了现有技术中双极板中反应气体分配不均匀的问题，提高了燃料电池的性能和使用寿命。
需要说明的是，双极板上主要由三个部分组成：第一部分为反应介质传输公共通道，第二部分为反应介质流场区域，第三部分为密封区域，进口分流区2、活性反应区3、出口分流区4组成反应介质流场区域，进口区1和出口区5组成反应介质传输公共通道。反应介质流场区域的周向设置有密封件20。密封件20可以为密封圈，实现反应介质流场区域的密封，形成密封区域。
本实施例中，进口分流区2的流道脊顶点与活性反应区3的流道脊顶点的高度差为A，A值的范围为0.01mm-0.2mm；出口分流区4的流道脊顶点与活性反应区3的流道脊顶点的高度差为C，C值的范围为0.01mm-0.2mm。
进一步地，双极板包括相互连接的氢气单极板6和空气单极板7，其中，氢气单极板6和空气单极板7通过焊接或胶接等连接方式，氢气单极板6背离空气单极板7一侧设置有氢气流道8，空气单极板7背离氢气单极板6一侧设置有空气流道9，氢气单极板6和空气单极板7之间形成冷却流道10。需要说明的是，上述的流道脊高度包括氢气流道8的脊和空气流道9的脊。
更进一步地，进口分流区2的流道的槽底高于活性反应区3的流道的槽底；出口分流区4的流道的槽底高于活性反应区3的流道的槽底。冷却流道10设置在空气流道9和氢气流道8之间，当进口分流区2和出口分流区4相对于活性反应区3的空气流道9和氢气流道8的槽底提高后，进而增加了进口分流区2和出口分流区4之间的冷却流道10的横截面积，减少了冷却液的流阻，使冷却液能够经进口分流区2均匀分布并进入活性反应区3，然后经出口分流区4均匀排出，提高了双级板的冷却效率，提高了燃料电池的性能和使用寿命。
现有技术中，空气侧流量一般是氢气流量的三倍，所以空气侧流阻大，分配均一性差，导致燃料电池一致性出现偏差。再者，燃料电池电堆内部发生电化学反应，在空气侧，氧气得到电子和质子，反应产生水，并且产生的水随着燃料电池功率的增加而增加，当燃料电池大功率工作时，极易出现水淹的现象，影响燃料电堆的性能和寿命；
为解决上述问题，如图3所示，空气流道9从槽底到脊顶点的高度值为D，氢气流道8从槽底到脊顶点的高度值为E，D/E的比值范围为1.1-3，增加了空气流道9的深度和横截面积，进而增加空气流道9内气体流阻，提高反应气体分配均一性，保证燃料电池的一致性。而且，提高了反应后产生的水的流通性，防止出现水淹现象，提高燃料电堆的性能和寿命。本实施例中，氢气侧流道深度为0.1mm-0.4mm，空气侧流道深度为0.3mm-0.6mm。
为了充分的带走燃料电池产生的热量，冷却介质的流量需超过200L/min，而燃料电池常用的冷却介质为去离子水、乙二醇溶液，冷却介质的粘滞阻力要远远大于气体，所以会导致燃料电池的冷却介质阻力过大，影响电堆温度均一性的问题。
为解决上述问题，一方面，氢气单极板6和空气单极板7的流道脊共同形成冷却流道10，由于进口分流区2和出口分流区4的流道的槽底的高度均大于活性反应区3的流道的槽底的高度，所以能够增加进口分流区2和出口分流区4内冷却流道10的横截面积，进而减小冷却介质的流阻，提高冷却介质的流通性和均匀性。另一方面，进口区1包括空气腔进口11、冷却腔进口12和氢气腔进口13，冷却腔进口12的面积≥空气腔进口11的面积≥氢气腔进口13的面积，提高冷却介质的流通速度，提高冷却效果。冷却腔进口12的面积、空气腔进口11的面积和氢气腔进口13的面积根据燃料电池反应需求进行设计，分配进口区1的各功能的进口面积。进一步地，出口区5包括空气腔出口51、冷却腔出口52和氢气腔出口53，与进口区1各个功能进口相对应。
现有技术中，在膜电极碳纸与边框的交界处，由于此处包含边框膜厚度、质子交换膜厚度、碳纸厚度，导致此处的厚度比其他地方高，此处产生的压力过大，导致膜电极边框破裂的问题。
为解决上述问题，如图1和图3所示，活性反应区3、进口分流区2和出口分流区4组合形成反应介质流场区域，反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点的高度小于反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点的高度，减少了活性反应区3沿第二方向的两边的厚度。由于膜电极边框与活性反应区3沿第二方向的两边进行堆叠，通过减少活性反应区3靠近膜电极边框的厚度，与膜电极边框的厚度进行互补，相对于现有技术，降低了堆叠处的厚度，防止造成压力过大导致的开裂，提高了燃料电池的可靠性。本实施例中，第二方向与第一方向相互垂直，第一方向为X向，第二方向为Y向。
本实施例中，反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点高度与反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点高度差值为B，B值的范围为0.01mm-0.5mm。
进一步地，本实施例中双极板产生2A/cm2电流密度，在2A/cm2电流密度下，空气流阻小于40kPa，氢气流阻小于10kPa，极差小于20mV，燃料电池的一致性得到了大幅的提升。且在2A/cm2电流密度下，冷却介质流阻小于50kPa，提升了燃料电池温度均一性。
现有技术中，膜电极碳纸仅覆盖活性反应区3，组装时，膜电极碳纸安装精度高，安装难度大。
为解决上述问题，本实施例中，燃料电池还包括膜电极组件，膜电极组件包括膜电极碳纸和膜电极边框。其中膜电极碳纸覆盖活性反应区3、部分进口分流区2和部分出口分流区4。一方面，在安装膜电极组件时，膜电极碳纸可轻微错位，增加了膜电极碳纸允许的安装误差；另一方面，膜电极碳纸在进口分流区2和出口分流区4依然参与反应，提高了燃料电池的反应面积，提高反应效率，进而提高了燃料电池性能。
本实施例中，燃料电池的双极板可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。石墨双极板具有导电性强、性能稳定、寿命长等优点，金属双极板具有厚度薄、热容小等优点，而复合双极板兼具有石墨双极板和金属双极板两者的优点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (11)
1.一种双极板，所述双极板沿第一方向依次设置有进口区(1)、进口分流区(2)、活性反应区(3)、出口分流区(4)和出口区(5)，其特征在于，所述进口分流区(2)和所述出口分流区(4)的流道脊顶点高于所述活性反应区(3)的流道脊顶点。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述进口分流区(2)的流道脊顶点与所述活性反应区(3)的流道脊顶点的高度差为A，A值的范围为0.01mm-0.2mm；所述出口分流区(4)的流道脊顶点与所述活性反应区(3)的流道脊顶点的高度差为C，C值的范围为0.01mm-0.2mm。
3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板包括相互连接的氢气单极板(6)和空气单极板(7)，所述氢气单极板(6)背离所述空气单极板(7)一侧设置有氢气流道(8)，所述空气单极板(7)背离所述氢气单极板(6)一侧设置有空气流道(9)，所述氢气单极板(6)和所述空气单极板(7)之间形成冷却流道(10)。
4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述进口分流区(2)的流道的槽底高于所述活性反应区(3)的流道的槽底；所述出口分流区(4)的流道的槽底高于所述活性反应区(3)的流道的槽底。
5.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述空气流道(9)从槽底到脊顶点的高度值为D，所述氢气流道(8)从槽底到脊顶点的高度值为E，D/E的比值范围为1.1-3。
6.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述氢气单极板(6)和所述空气单极板(7)通过焊接或胶接连接。
7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述活性反应区(3)、所述进口分流区(2)和所述出口分流区(4)组合形成反应介质流场区域，所述反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点的高度小于所述反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点的高度。
8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，所述反应介质流场区域沿第二方向的两边的流道脊的顶点高度与所述反应介质流场区域的中间的流道脊的顶点高度差值为B，B值的范围为0.01mm-0.5mm。
9.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述进口区(1)包括空气腔进口(11)、冷却腔进口(12)和氢气腔进口(13)，所述冷却腔进口(12)的面积≥所述空气腔进口(11)的面积≥所述氢气腔进口(13)的面积。
10.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述活性反应区(3)、所述进口分流区(2)和所述出口分流区(4)组合形成反应介质流场区域，所述反应介质流场区域的周向设置有密封件(20)。
11.一种燃料电池，其特征在于，包括膜电极组件和如权利要求1-10任一项所述的双极板，所述膜电极组件包括膜电极碳纸，所述膜电极碳纸覆盖活性反应区(3)、部分进口分流区(2)和部分出口分流区(4)。
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