CN115275246A - 风冷燃料电池双极板及其风冷燃料电池 - Google Patents

Abstract

公开了一种风冷燃料电池双极板及其风冷燃料电池，风冷燃料电池双极板中，气体流道与肋由入口端面向出口端面以直线，曲线或者折线延伸，相邻气体通道共用肋，所述气体通道呈现开口小，底面宽的倒梯形布置，所述肋从肋根到靠近膜电极侧的肋端渐宽，呈现正梯形布置。燃料电池双极板可以显著降低膜电极中水分的流失，继而提升风冷燃料电池性能。

Description

风冷燃料电池双极板及其风冷燃料电池

技术领域

本发明属于风冷燃料电池技术领域，特别是一种风冷燃料电池双极板及其风冷燃料电池。

背景技术

根据冷却形式不同，燃料电池可以分为液冷燃料电池与风冷燃料电池。

液冷燃料电池拥有大量附属系统，具有下述优点：

(1)在各种附属系统的加持下可以达到较好的性能；

(2)对环境变化具有更好的适应性，适用于重卡、客车或者物流运输车等。

虽然液冷燃料电池具有上述优点，但是缺点也较为明显:

(1)由于附属系统的添加，系统过于复杂与庞大；

(2)由于零部件较多且故障率高，并且由此导致的制造成本和维护成本较高。

在小型移动设备应用场景，如摩托车、无人机、园区通勤车与观光车，复杂与过大的系统都是无法接受的。

风冷燃料电池摒弃了复杂的附属系统，具有下属明显优点：

(1)系统简单，体积小，在成本控制上具有显著优势；

(2)相较于采用锂电池作为动力源，续航能力强。更适合作为小型移动设备与便携设备的动力源。

开放阴极风冷燃料电池的阴极暴露于环境中，没有专门的冷却流道与冷却系统，采用风扇作为动力源，进入阴极的空气同时充当氧化剂又充当冷却剂。

风冷燃料电池系统本身特性决定了其水热管理复杂，性能较差，且运行稳定性易受环境影响。双极板作为风冷燃料电池的核心组件，负责空气分配、导电、排水与散热功能，通过双极板的设计可以有效改善风冷燃料电池水热管理特性。液冷燃料电池功率较高，产水较多，在实际运行中，常发生阴极水淹导致传质受限，因此其双极板设计的目的主要集中在温度控制与水的快速排出。风冷燃料电池电堆功率低，其电化学产水较少，为了控制电堆运行温度，大量干空气流入使得质子交换膜更容易脱水，质子交换膜脱水问题降低了质子交换膜的电导率，继而降低风冷燃料电池性能。目前文献中对液冷燃料电池的流道设计较多，然而发明内容风冷燃料电池与液冷燃料电池对水热管理的需求不同，风冷燃料电池常面临膜电极脱水问题，存在着水热管理矛盾，液冷燃料电池的双极板设计无法指导风冷燃料电池双极板的设计。针对风冷燃料电池双极板的设计，为了提升风冷燃料电池水热管理特性，通过减小双极板阴极侧气体流道长度，增加扰流与强化传热结构，调整阴阳极气体流道布置形式均有所报导，但是各种设计需要尽量避免增加气体流道阻力，即增加寄生功率，此外还需要尽量避免增加风冷燃料电池自重，以免降低燃料电池堆质量功率密度。为了提升风冷燃料电池性能，及其对环境变化的适应性，风冷燃料电池双极板的仍需要良好的设计。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种风冷燃料电池双极板及其风冷燃料电池,在不改变固体肋体积，即不增加双极板重量的基础上，调整气体流道与肋的截面形状，使得气体通道呈现开口小，底面宽的倒梯形布置，肋从肋根向膜电极侧呈现正梯形布置，以提升风冷燃料电池膜电极的保水性能，继而提高风冷燃料电池性能。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种风冷燃料电池双极板中，层叠于膜电极的双极板包括，

连接侧，其叠压于风冷燃料电池的膜电极；

入口端面，其垂直于所述连接侧且位于所述双极板的一端；

出口端面，其垂直于所述连接侧且位于所述双极板的另一端，出口端面相对于所述入口端面；

多个气体通道，其自所述入口端面延伸到出口端面以吸收燃料电池产生的废热并排出电化学反应产生的水分，所述气体通道在垂直于所述入口端面延伸到出口端面方向上的截面为倒梯形结构，所述倒梯形结构具有朝向连接侧以连通膜电极的开口、远离所述连接侧且平行于所述开口的顶部以及分别连接开口和顶部的倒梯形腰线，所述开口的长度小于所述顶部的长度；

多个肋，其自所述入口端面延伸到出口端面，所述肋和气体通道交替排列，所述肋在垂直于所述入口端面延伸到出口端面方向上的截面为梯形结构，所述梯形结构具有朝向连接侧以紧贴膜电极的肋端、远离所述连接侧且平行于所述肋端的肋根以及分别连接肋端和肋根的梯形腰线，所述肋端的长度大于所述肋根的长度。

所述的风冷燃料电池双极板中，气体通道的倒梯形腰线和相邻的肋的梯形腰线重合。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述开口的长度相同于所述肋根的长度。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述顶部的长度相同于所述肋端的长度。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述开口和肋端构成所述连接侧且紧贴所述膜电极。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述顶部和肋根在同一水平面上。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述梯形结构和倒梯形结构为全等梯形。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述梯形结构和倒梯形结构为尺寸相同的等腰梯形。

所述的风冷燃料电池双极板中，通过调控倒梯形腰线或梯形腰线的斜率以调节所述开口大小以及肋端对膜电极的覆盖率。

所述的风冷燃料电池双极板中，所述气体通道以曲线或者折线从入口端面延展至出口端面。

风冷燃料电池包括所述的风冷燃料电池双极板。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过在阴极流场板调整气体通道与肋截面实现了多重功能，一、调整气体通道与肋截面时不增加双极板本身所占体积，在应用于摩托车、无人机、园区通勤车与观光车等小型移动设备与便携设备时，可以保证不增加风冷燃料电池堆自重；二、膜电极开放于空气的区域减小，肋对膜电极的覆盖率提高，增加了膜电极的覆盖面积，削弱了膜电极的脱水问题，提高膜电极的含水率，继而提升燃料电池性能，综合上述有益影响，解决了风冷燃料电池面临的脱水导致的性能衰减，以及风冷燃料电池在多变环境中运行不稳定问题。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明双极板结构示意图；

图2是本发明双极板横截面示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，在一个实施例中，如图1至图2所示，一种风冷燃料电池双极板中，层叠于膜电极的双极板1包括，

连接侧6，其叠压于风冷燃料电池的膜电极，

入口端面2，其垂直于所述连接侧6且位于所述双极板1的一端，

出口端面3，其垂直于所述连接侧6且位于所述双极板1的另一端，出口端面3相对于所述入口端面2，

多个气体通道4，其自所述入口端面2延伸到出口端面3以吸收燃料电池产生的废热并排出电化学反应产生的水分，所述气体通道4在垂直于所述入口端面2延伸到出口端面3方向上的截面为倒梯形结构，所述倒梯形结构具有朝向连接侧6以连通膜电极的开口、远离所述连接侧6且平行于所述开口的顶部以及分别连接开口和顶部的倒梯形腰线，所述开口的长度小于所述顶部的长度，

多个肋5，其自所述入口端面2延伸到出口端面3，所述肋5和气体通道4交替排列，所述肋5在垂直于所述入口端面2延伸到出口端面3方向上的截面为梯形结构，所述梯形结构具有朝向连接侧6以紧贴膜电极的肋端、远离所述连接侧6且平行于所述肋端的肋根以及分别连接肋端和肋根的梯形腰线，所述肋端的长度大于所述肋根的长度。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，气体通道4的倒梯形腰线和相邻的肋5的梯形腰线重合。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述开口的长度相同于所述肋根的长度。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述顶部的长度相同于所述肋端的长度。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述开口和肋端构成所述连接侧6且紧贴所述膜电极。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述顶部和肋根在同一水平面上。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述梯形结构和倒梯形结构为全等梯形。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述梯形结构和倒梯形结构为尺寸相同的等腰梯形。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，通过调控倒梯形腰线或梯形腰线的斜率以调节所述开口大小以及肋端对膜电极的覆盖率。

所述的风冷燃料电池双极板的优选实施例中，所述气体通道4以曲线或者折线从入口端面2延展至出口端面3。

风冷燃料电池双极板中，气体流道与肋5由入口端面2向出口端面3以直线，曲线或者折线延伸，相邻气体通道4共用肋5，所述气体通道4呈现开口小，底面宽的倒梯形布置，所述肋5从肋根到靠近膜电极侧渐宽，呈现正梯形布置。具有该特征的燃料电池双极板可以显著降低膜电极中水分的流失，继而提升风冷燃料电池性能。

在一个实施例中，双极板1上设置有若干气体通道4，气体通道4以直线、曲线或者折线从入口端面2向出口端面3延展，用于引导氧化剂与冷却剂，若干肋5，与气体通道4并行从入口端面2向出口端面3延伸，用于导电、导热、支撑组件以及分隔气体通道4。

所述风冷燃料电池双极板中，所述气体通道4呈现朝向膜电极侧开口小，通道底部宽的倒梯形设置，所述气体通道4的开口大小可以通过调节倒梯形腰线斜率调整，所述风冷燃料电池双极板中，所述肋5贴近膜电极侧较宽，肋根处较窄，呈现正梯形布置，覆盖膜电极的面积区域可以通过调节梯形腰线斜率调整。

在一个实施例中，风冷燃料电池包括所述的风冷燃料电池双极板,风冷燃料电池中，阴极的双极板1上设置有若干气体通道4，气体通道4以直线、曲线或者折线从双极板入口端面2延展至出口端面3，所述气体通道4与相邻的肋5在双极板1上交替出现，空气由双极板1的入口端面2流向出口端面3，吸收燃料电池产生的废热，并排出电化学反应产生的水分，图2所示的为双极板的横截面示意图，双极板1的连接侧叠压在膜电极上，气体通道4与肋5紧贴膜电极，气体通道4呈现朝向膜连接侧6开口小，通道底部宽的倒梯形设置，肋5贴近膜电极的肋端侧较宽，肋根处较窄，呈现正梯形布置，覆盖膜电极的面积区域可以通过调节梯形腰线斜率调整。通过调控梯形气体通道4与梯形的肋5的腰线斜率，就可以调节气体通道4向膜电极的开口大小，以及肋5对膜电极的覆盖率，进而调控风冷燃料电池的保水性能，以及调控风冷燃料电池性能。

通过数值计算，证明了具有倒梯形截面的气体通道4与正梯形截面肋5的风冷燃料电池双极板可以显著提高燃料电池的性能。本次计算的基础结构为矩形截面双极板1结构，命名为Case-1，均有本发明的双极板1结构，命名为Case-2，计算时工作电压为0.6V，阴极氧气过量系数为30，阳极氢气过量系数为1.4，阳极氢气无加湿，阴极空气相对湿度为30％。

计算结果如表1所示，

表1：

从表1可以看出本发明所提出风冷燃料电池双极板设计阴极催化层中的膜态水平均含量比基础结构提升了27.0％，并且催化层中相对湿度也显著高于基础结构中的相对湿度，验证了本发明风冷燃料电池双极板设计具有显著的保水特性，由于保水效果较好，电流密度相对基础结构提升了19.2％。该数值计算表明了本发明提出的风冷燃料电池双极板，设置具有倒梯形截面的气体通道4与正梯形截面的肋5可以有效提高电池性能。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种风冷燃料电池双极板，其特征在于，层叠于膜电极的双极板包括，

连接侧，其叠压于风冷燃料电池的膜电极；

入口端面，其垂直于所述连接侧且位于所述双极板的一端；

出口端面，其垂直于所述连接侧且位于所述双极板的另一端，出口端面相对于所述入口端面；

多个气体通道，其自所述入口端面延伸到出口端面以吸收燃料电池产生的废热并排出电化学反应产生的水分，所述气体通道在垂直于所述入口端面延伸到出口端面方向上的截面为倒梯形结构，所述倒梯形结构具有朝向连接侧以连通膜电极的开口、远离所述连接侧且平行于所述开口的顶部以及分别连接开口和顶部的倒梯形腰线，所述开口的长度小于所述顶部的长度；

多个肋，其自所述入口端面延伸到出口端面，所述肋和气体通道交替排列，所述肋在垂直于所述入口端面延伸到出口端面方向上的截面为梯形结构，所述梯形结构具有朝向连接侧以紧贴膜电极的肋端、远离所述连接侧且平行于所述肋端的肋根以及分别连接肋端和肋根的梯形腰线，所述肋端的长度大于所述肋根的长度。

2.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，优选的，气体通道的倒梯形腰线和相邻的肋的梯形腰线重合。

3.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述开口的长度相同于所述肋根的长度。

4.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述顶部的长度相同于所述肋端的长度。

5.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述开口和肋端构成所述连接侧且紧贴所述膜电极。

6.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述顶部和肋根在同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述梯形结构和倒梯形结构为全等梯形。

8.根据权利要求7所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，所述梯形结构和倒梯形结构为尺寸相同的等腰梯形。

9.根据权利要求1所述的风冷燃料电池双极板，其特征在于，通过调控倒梯形腰线或梯形腰线的斜率以调节所述开口大小以及肋端对膜电极的覆盖率。

10.一种风冷燃料电池，其包括根据权利要求1-9中任一项所述的风冷燃料电池双极板。

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