CN115411289B - 风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构 - Google Patents
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Abstract
公开了一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，双极板结构中，阳极板氢气流动方向与阴极空气流动方向垂直，即采用交叉流设计。沿垂直流动方向，在阴极板或阳极板上进行开槽结构设计，开槽轮廓与阳极板氢气流道或阴极板空气流道外轮廓相匹配，开槽深度可调。相比传统双极板，本发明中的开槽结构设计一方面大幅降低了双极板厚度，从而可以有效降低单电池厚度和电堆体积，而开槽设计也有效降低了双极板重量，进而可显著提升风冷电堆功率密度；另一方面，阳极或阴极流道嵌入阴极或阳极流道的结构设计提升了反应气体向催化层方向的对流传输，有利于提升燃料电池性能。
Description
技术领域
本发明属于风冷氢燃料电池技术领域，特别是一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧化物中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应动力装置，是实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标的重要技术路线之一，具有零污染、效率高、能量密度大、动态响应迅速等优势。除电能外，氢燃料电池工作过程中还会释放大量废热。为保证燃料电池在正常温度区间内工作，需设计冷却结构保证其散热需求。目前燃料电池冷却方式主要包括水冷和风冷两种，前者使用冷却水在设计好的燃料电池冷却流道内流动来满足燃料电池散热需求，后者则无需专门的冷却流道，仅依靠阴极空气流动带走燃料电池产生的废热。一般来说，水冷散热效果远远好于风冷，但系统结构复杂，一般适用于功率大于10kW的燃料电池，如：燃料电池汽车；相比之下，尽管风冷散热效果欠佳，但大大降低了系统复杂程度，在功率小于5kW的小型燃料电池中应用非常广泛，如：燃料电池无人机、水下潜航器等。
相比目前广为应用的锂离子电池，氢燃料电池在长续航场景下具有显著优势。例如：传统锂离子电池无人机续航时间一般仅为半小时左右，而采用氢燃料电池则可将续航时间提高到几个小时。不仅如此，燃料电池加氢时间远远小于锂电池充电时间。因此，采用风冷氢燃料电池代替锂离子电池作为无人机动力源在近几年受到了广泛关注。尽管如此，考虑到无人机轻量化需求，当前使用的风冷氢燃料电池仍然需要大幅降低体积和重量。
氢燃料电池主要包括双极板和膜电极两部分，膜电极又包括质子交换膜、催化层、微孔层和气体扩散层等部件，其中质子交换膜处于中间位置，两侧则分别为阳极侧和阴极侧，起到传导质子和隔绝气体与电子的作用。催化层则是燃料电池电化学反应发生的场所。由于单一燃料电池工作电压仅为0.6-0.8V，难以满足实际需求，因此往往将几十片单电池串联组成燃料电池堆进行供电。在风冷氢燃料电池堆中，双极板两面分别设计有阳极流场和阴极流场结构，分别为氢气和空气从外界向催化层参与电化学反应传输提供通道，除此之外，双极板还起到排出电化学反应生成水，传导电子和提供机械支撑等作用。一般而言，双极板体积和重量可占氢燃料电池堆的80％以上。因此，对双极板结构进行优化设计，从而降低双极板厚度是降低燃料电池堆体积和重量，提升电池功率密度的核心内容。
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氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构,在不影响燃料电池功率输出的前提下降低双极板厚度和重量，从而降低电堆体积和重量，提升电堆功率密度。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构包括，
阳极板，其在第一方向延伸，所述阳极板包括多个沿第一方向延伸的氢气流道；
阴极板，其在第一方向延伸，所述阴极板包括多个沿第二方向延伸的空气流道；
多个槽口，其沿第二方向排布于所述空气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述氢气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述氢气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离，或者，多个所述槽口沿第一方向排布于所述氢气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述空气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述空气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道阵列分布于阳极板，所述空气流道阵列分布于阴极板。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道和所述空气流道为直流道或蜿蜒流道。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道和所述空气流道的横截面为矩形、梯形。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，阳极板和阴极板的厚度均为0.15mm，空气流道的宽度和高度均为1.0mm，氢气流道宽度为1.0mm，高度为0.4mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，空气流道的槽口的开槽深度大于1mm，开槽深度0.4mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，空气流道的槽口的开槽深度为1.3mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述阳极板和阴极板为阵列的凹凸结构。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，双极板结构的材料包括金属或石墨。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：结构简单，易于加工，可显著降低双极板厚度和重量，进而大幅降低风冷氢燃料电池堆体积和重量。同时，该结构使得阳极板或阴极板流道嵌入阴极或阳极流道中，促进空气或氢气向催化层的对流传输，强化传质，提升燃料电池极限电流密度。而且，流道高度的降低也使相同进气流量下，进气速度增大，提高了风冷氢燃料电池堆散热能力。
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：
附图1为嵌入式超薄双极板结构爆炸图；
附图2为嵌入式超薄双极板结构示意图；
附图3为基于阴极板开槽的一种嵌入式超薄双极板结构示意图；
附图4为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池计算域示意图；
附图5为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池极化曲线示意图；
附图6为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池催化层中氧气浓度分布示意图；
附图7为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池催化层中温度分布示意图。
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7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7所示，氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构包括，
阳极板1,其在第一方向2延伸，所述阳极板1包括多个沿第一方向2延伸的氢气流道5，
阴极板3，其在第一方向2延伸，所述阴极板3包括多个沿第二方向4延伸的空气流道6，
多个槽口7，其沿第二方向4排布于所述空气流道6的两侧，所述槽口7尺寸适配于所述氢气流道5的轮廓，使得所述阴极板3沿第一方向2嵌入所述阳极板1，所述槽口7被所述氢气流道5闭合使得氢气流道5中的氢气和空气流道6中的空气相互隔离，或者，多个所述槽口7沿第一方向2排布于所述氢气流道5的两侧，所述槽口7尺寸适配于所述空气流道6的轮廓，使得所述阴极板3沿第一方向2嵌入所述阳极板1，所述槽口7被所述空气流道6闭合使得氢气流道5中的氢气和空气流道6中的空气相互隔离。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，所述第一方向2垂直于所述第二方向4。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，所述氢气流道5阵列分布于阳极板1，所述空气流道6阵列分布于阴极板3。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，所述氢气流道5和所述空气流道6为直流道或蜿蜒流道。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，所述氢气流道5和所述空气流道6的横截面为矩形或梯形。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，阳极板1和阴极板3的厚度均为0.15mm，空气流道6的宽度和高度均为1.0mm，氢气流道5宽度为1.0mm，高度为0.4mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，空气流道6的槽口7的开槽深度大于1mm，开槽深度0.4mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，空气流道6的槽口7的开槽深度为1.3mm。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，所述阳极板1和阴极板3为阵列的凹凸结构。
所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构的优选实施例中，双极板结构的材料包括金属或石墨。
在一个实施例中,所述的双极板设有密封垫片8，密封垫片8选用模具成型的硅橡胶、聚四氟乙烯等材料，密封垫片的导气通道与双极板上的对应开口共同组成氢气歧管。
在一个实施例中,阴极板3或阳极板1的开槽轮廓与阳极板1氢气流道5或阴极板3空气流道6外轮廓相匹配，或开槽轮廓形状依加工条件而定且略大于流道轮廓使组装后双极板流道截面包含于开槽截面内。
在一个实施例中,风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构爆炸图如图1所示，包括阴极板3和阳极板1，其中阴极板3中空气流动方向和阳极板1中氢气流动方向互相垂直，即交叉流设计。在阴极板3或阳极板1表面开设槽口7，槽宽与阳极板1氢气流道5或阴极空气流道6外轮廓相匹配，然后将阴极板3与阳极板1贴合，并采用激光焊接或其他粘合技术将阴极板3与阳极板1进行合并，制成双极板，如图2所示。最大开槽深度为阳极板1和阴极板3厚度之中的较小值，通过调节开槽深度，可调节双极板厚度。显然，开槽深度越深，双极板厚度越薄，对应电堆体积和重量也就越小。
在一个实施例中,风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构包括阴极板3、阳极板1和密封垫片8。阴极板3与阳极板1均为折弯板，具有生产效率高、易实现机械化和自动化、适合大批量生产的特点。极板材料可选用不锈钢、钛合金、铝合金等金属材料，或可实现折弯结构设计的柔性石墨及其他满足极板设计需求的复合材料。阴极密封垫片与阳极密封垫片由模具成型的硅橡胶或聚四氟乙烯制成，用于氢气的密封及流动分配。阴极板3开有与阳极板1氢气流道5外轮廓相匹配的槽口7，使得阴极板3与阳极板1焊接合并为双极板时有效降低双极板厚度，组装好的双极板结构如附图2所示。
为验证本发明的嵌入式超薄双极板结构对燃料电池性能的影响，选择一具体实例进行三维数值模拟分析。为简化计算，本具体实例中，阴阳极流道截面均为矩形截面，如附图3所示。本实例中，阴阳极金属板板材厚度均为0.15mm，阴极流道宽度和高度均为1.0mm，阳极流道宽度为1.0mm，高度为0.4mm。阴极板3开槽宽度为1.3mm，槽深0.4mm。附图4所示为针对本具体实例中的双极板进行数值模拟计算时的三维计算域，不开槽时的双极板结构即为传统双极板结构，将其作为对照组。除双极板外，其他燃料电池部件的结构和物性参数均保持一致。两块燃料电池处于同一运行工况：环境温度25℃,1个大气压，阴阳极进气计量比分别为2和80，阴阳极进气湿度均为40％。
附图5为两种嵌入式超薄双极板和传统双极板结构对应燃料电池极化曲线，可以看出，在高电流密度区域，采用本发明设计的嵌入式超薄双极板结构可以显著提升燃料电池性能，这主要是由于嵌入阴极空气流道6中的阳极流道增强了空气向催化层的对流传输，进而提升了催化层氧气浓度，这一结论可由附图6中催化层氧气浓度分布云图佐证。不仅如此，超薄双极板结构降低了阴极进气口面积，相同进气流量下，空气进气流速增大，增强了电池散热能力，如附图7所示。
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 (9)
1.一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，其包括，
阳极板，其在第一方向延伸，所述阳极板包括多个沿第一方向延伸的氢气流道；
阴极板，其在第一方向延伸，所述阴极板包括多个沿第二方向延伸的空气流道；
多个槽口，其沿第二方向排布于所述空气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述氢气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述氢气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离，或者，多个所述槽口沿第一方向排布于所述氢气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述空气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述空气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离，所述第一方向垂直于所述第二方向，槽口的最大开槽深度为阳极板和阴极板厚度之中的较小值，通过调节开槽深度以调节双极板厚度。
2.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，所述氢气流道阵列分布于阳极板，所述空气流道阵列分布于阴极板。
3.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，所述氢气流道和所述空气流道为直流道或蜿蜒流道。
4.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，所述氢气流道和所述空气流道的横截面为矩形或梯形。
5.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，阳极板和阴极板的厚度均为0.15 mm，空气流道的宽度和高度均为1.0 mm，氢气流道宽度为1.0mm，高度为0.4 mm。
6.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，空气流道的槽口的开槽深度大于1mm，开槽深度0.4mm。
7.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，空气流道的槽口的开槽深度为1.3mm。
8.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，所述阳极板和阴极板为阵列的凹凸结构。
9.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，双极板结构的材料包括金属或石墨。
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