CN115472857A - 一种高功率氢燃料电池金属双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率氢燃料电池金属双极板，所述双极板包括阳极单板和阴极单板，阳极单板和阴极单板通过焊接合并在一起，所述阳极单板上阳极气体公共通道与阳极反应区之间设有阳极变角度气体分配区，阴极单板上阴极气体公共通道与阴极反应区之间设有阴极变角度气体分配区，阳极单板与阴极单板反应区气体流道波峰与波谷相对分布，中间形成立体交叉网状冷却液流道。本发明提供了一种能为反应区均匀分配气体的变角度分配区双极板流场结构，极大提高了气体流量分布均匀性，充分利用反应气体，有效提升燃料电池电堆发电效率。

Description

一种高功率氢燃料电池金属双极板
技术领域
本发明专利涉及氢燃料电池技术领域，尤其是一种新型氢燃料电池金属双极板。
背景技术
双极板作为燃料电池电堆的重要部件之一，担当着燃料电池膜电极组件（MEA）支撑作用，同时起到流场气体分配、收集电子、传导热量及隔离燃料气体，氧化剂气体与冷却液等重要作用。在燃料电池中，双极板需要将燃料气体和氧化剂气体引导分配至活性区发生电化学反应，反应物先由公共通道流入分配区结构，分配区结构分配流体后，将流体传导输送至活性反应区流动场发生电化学反应。为保证膜电极电流密度分布一致，膜电极表面气体均匀分配至关重要，气体分布不一致，导致电化学反应不均匀，膜电极产热存在差异，严重时会出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜导致燃料电池堆损坏。为保证燃料电池能高效稳定运行，需要保持膜电极各点温度分布均匀，局部温度过高会导致膜电极脱水，质子传递效率降低，影响其燃料电池性能。而局部温度过低容易生成液态水，若不能及时排除，积攒过多液态水会堵塞流道，进而导致气体流道受阻，反应区分配不均匀，影响其燃料电池寿命。双极板结构直接影响了燃料电池电堆内部的电化学反应效率和水管理能力，因此迫切需要双极板流场设计优化，保持较高操作电流的同时，燃料气体和氧化剂气体扩散性能好，具有较大换热面积，温度均一性较高，以适应高功率氢燃料电池电堆操作的需求。
例如中国专利公开号CN 110212213 A，公开了一种质子交换膜燃料电池金属双极板，实现了冷却剂与阴阳极气体的垂直交叉流动，但阴阳极气体分配区导流凸起结构均为平行均匀分布，受气体流动阻力与活性反应区压力影响，可能会导致活性反应区各个气体通道分配不均匀，从而影响燃料电池电堆发电效率。
如何有效解决上述问题，提供一种优质的高功率氢燃料电池金属双极板，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种高功率氢燃料电池金属双极板，技术方案如下：
一种高功率氢燃料电池金属双极板，所述双极板包括阳极单板和阴极单板，位于所述双极板的一端为阳极入口公共通道，阴极出口公共通道；位于所述双极板的令一端为阴极入口公共通道，阳极出口公共通道；位于所述双极板的上下侧分别为冷却剂入口公共通道和冷却剂出口公共通道；
所述阳极单板和阴极单板分别设有阳极入口公共通道、阴极入口公共通道、阳极出口公共通道、阴极出口公共通道、冷却剂入口公共通道、冷却剂出口公共通道、密封槽、定位孔、阳极气体变角度分配区、阳极反应区、阴极气体变角度分配区、阴极反应区、阳极气体直入通道、阳极气体直出通道、阴极气体直入通道、阴极气体直出通道、冷却剂过渡通道；
其中，所述阳极单板正面设置有阳极流场，阴极单板正面设置有阴极流场，阳极单板背面和阴极单板背面焊接合并在一起，中间形成立体交叉网状冷却液流场。
优选的，所述阳极单板上阳极气体公共通道与阳极反应区之间设有阳极变角度气体分配区，阴极单板上阴极气体公共通道与阴极反应区之间设有阴极变角度气体分配区。
优选的，阳极变角度气体分配区与阴极变角度气体分配区由槽口型长条凸起和圆形凸起导流结构组成，槽口型长条凸起角度随反应区流道数均匀分配呈不规律变化。
优选的，阳极单板和阴极单板的反应区流道为“s”型，周期为10-15mm，振幅2-4mm。
优选的，所述阳极反应区和阴极反应区流道底部、流道脊部、流道周期与振幅相同，且二者波峰与波谷相对分布。
优选的，阳极入口公共通道与阳极变角度分配区间设有阳极气体直入通道，阳极出口公共通道与阳极变角度分配区间设有阳极气体直出通道。
优选的，阴极入口公共通道与阴极变角度分配区间设有阴极气体直入通道，阴极出口公共通道与阴极变角度分配区间设有阴极气体直出通道。
优选的，所述阳极单板背面和阴极单板背面焊接合并形成的立体交叉网状冷却剂流道与冷却剂入口公共通道和冷却剂出口公共通道间设有冷却剂过渡通道。
优选的，所述阳极单板与阴极单板上的定位孔均为四个，且中心对称，所述阳极入口公共通道和阳极出口公共通道均为1个，且大小一致并成中心对称，所述阴极入口公共通道和阴极出口公共通道均为2个，且大小一致并成中心对称，所述冷却剂入口公共通道和冷却剂出口公共通道均为4个，且大小一致并成中面对称。
本发明专利与现有技术相比，其突出的有益效果在于：
1、本发明专利提供的燃料电池金属双极板，阳极单板与阴极单板均设有变角度气体分配区，分配区内变角度槽口型长条凸起导流结构内分布圆形凸起结构，圆形凸起结构不仅起支撑强度作用，同时也可保证气体从变角度槽口型长条凸起导流分配流道内均匀分散流出，此分配区流场结构能均匀分配燃料气体与氧化剂气体，可有效保证双极板内电化学反应均匀，提高燃料电池发电效率。
2、本发明专利提供的燃料电池金属双极板，阳极单板和阴极单板的公共通道与变角度气体分配区中间为气体直入/直出通道，公用管道气体可直接进入极板内流场区，降低公用管道和通道阻力降，气体输送造成的阻力降可有效用于板内发电区域，减小空压机功耗，从而提升燃料电堆效率。
3、本发明专利提供的燃料电池金属双极板，阳极单板与阴极单板反应区气体流道波峰与波谷相对分布，中间形成立体交叉网状冷却剂流道，增大有效换热面积，流体均匀分布流动，可实现有效的散热和热量分配，从而实现更好的热管理。
4、本发明专利提供的燃料电池金属双极板，阳极气体流场与阴极气体流场逆向流动，逆向流动中湿度分布更加均匀，可获得更好的水化膜，增加质子的电导率，从而增加燃料电池的性能。
5、本发明专利提供的燃料电池金属双极板采用模压成型，该方式加工方便，可实现批量化生产。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明所述的一种高功率氢燃料电池金属阳极单板结构示意图。
图2为本发明所述的一种高功率氢燃料电池金属阴极单板结构示意图。
图3为阳极单板变角度气体分配区结构示意图。
图4为阴极单板变角度气体分配区结构示意图。
图5为金属双极板阳极气体、阴极气体与冷却剂流体流动方式示意图。
附图标记如下：1-阳极单板；2-阴极单板；3-阳极入口公共通道；4-阴极入口公共通道；5-阳极出口公共通道；6-阴极出口公共通道；7-冷却剂入口公共通道；8-冷却剂出口公共通道；9-密封槽；10-定位孔；11-阳极气体变角度分配区；12-阳极反应区；13-阴极气体变角度分配区；14-阴极反应区；15-阳极气体直入通道；16-阳极气体直出通道；17-阴极气体直入通道；18-阴极气体直出通道；19-冷却剂过渡通道。
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；
实施例1：
采用图3和图4变角度气体分配区双极板，槽口型长条凸起和圆形凸起导流结构共同组成，槽口型长条凸起角度随反应区流道数均匀分配呈不规律变化。通过仿真理论计算，未设置变角度分配的平行气体分配区双极板阳极流道分配均匀性指数（Uniformityindex）为0.772，阴极流道分配均匀性指数（Uniformity index）为0.775，而采用变角度分配区阳极流道分配均匀性指数（Uniformity index）为0.787，阴极流道分配均匀性指数（Uniformity index）为0.792。采用此方案后，提高了反应区各流道气体分配的均匀性。
实施例2：
采用该变角度气体分配区双极板的燃料电池电堆，电堆功率为150KW，双极板材料为316L，模压成型后激光焊接在一起，厚度为0.1mm，s型流道周期为14mm，振幅为3mm。采用该方案后与未设置变角度分配的平行导流结构双极板电堆相比效率提高了1.5%。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种高功率氢燃料电池金属双极板，包括阳极单板（1）和阴极单板（2），其特征在于:
位于所述双极板的一端为阳极入口公共通道（3）、阴极出口公共通道（6）；
位于所述双极板的另一端为阴极入口公共通道（4）、阳极出口公共通道（5）；
位于所述双极板的上下侧分别为冷却剂入口公共通道（7）和冷却剂出口公共通道（8）；
所述阳极单板（1）和阴极单板（2）分别设有阳极入口公共通道（3）、阴极入口公共通道（4）、阳极出口公共通道（5）、阴极出口公共通道（6）、冷却剂入口公共通道（7）、冷却剂出口公共通道（8）、密封槽（9）、定位孔（10）、阳极气体变角度分配区（11）、阳极反应区（12）、阴极气体变角度分配区（13）、阴极反应区（14）、阳极气体直入通道（15）、阳极气体直出通道（16）、阴极气体直入通道（17）、阴极气体直出通道（18）、冷却剂过渡通道（19）；
所述阳极单板（1）正面设置有阳极流场，阴极单板（2）正面设置有阴极流场，阳极单板（1）背面和阴极单板（2）背面焊接合并在一起，中间形成立体交叉网状冷却液流场。
2.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极单板（1）上阳极气体公共通道与阳极反应区（12）之间设有阳极变角度气体分配区，阴极单板（2）上阴极气体公共通道与阴极反应区（14）之间设有阴极变角度气体分配区。
3.根据权利要求2所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，阳极变角度气体分配区与阴极变角度气体分配区由槽口型长条凸起和圆形凸起导流结构组成，槽口型长条凸起角度随反应区流道数均匀分配呈不规律变化。
4.根据权利要求3所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，阳极单板（1）和阴极单板（2）的反应区流道为“s”型，周期为10-15mm，振幅2-4mm。
5.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极反应区（12）和阴极反应区（14）流道底部、流道脊部、流道周期与振幅相同，且二者波峰与波谷相对分布。
6.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，阳极入口公共通道（3）与阳极变角度分配区间设有阳极气体直入通道（15），阳极出口公共通道（5）与阳极变角度分配区间设有阳极气体直出通道（16）。
7.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，阴极入口公共通道（4）与阴极变角度分配区间设有阴极气体直入通道（17），阴极出口公共通道（6）与阴极变角度分配区间设有阴极气体直出通道（18）。
8.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极单板（1）背面和阴极单板（2）背面焊接合并形成的立体交叉网状冷却剂流道与冷却剂入口公共通道（7）和冷却剂出口公共通道（8）间设有冷却剂过渡通道（19）。
9.根据权利要求1所述的一种高功率氢燃料电池金属双极板，其特征在于，所述阳极单板（1）与阴极单板（2）上的定位孔（10）均为四个，且中心对称，所述阳极入口公共通道（3）和阳极出口公共通道（5）均为1个，且大小一致并成中心对称，所述阴极入口公共通道（4）和阴极出口公共通道（6）均为2个，且大小一致并成中心对称，所述冷却剂入口公共通道（7）和冷却剂出口公共通道（8）均为4个，且大小一致并成中面对称。
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