CN116314915A - 一种具有快速排水功能的双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有快速排水功能的双极板及燃料电池，涉及燃料电池领域，包括双极板本体，所述双极板本体包括由连续且交错设置在基板上的第一背脊和第二背脊，其中第一背脊与第二背脊之间形成凹陷的引流槽；所述第一背脊内侧形成氢气流道，所述第二背脊内侧形成冷却液流道；所述第一背脊与第二背脊的脊部处于同一平面内；所述双极板本体还包括垂直于所述脊部所在的平面设置的引流板，引流板组之间留有间隙以形成气/水混合流道。本发明的双极板在具有氢气流道、冷却液流道、空气/氧气流道的同时，又通过独特地结构设计赋予空气/氧气流道以排水功能，防止燃料电池发生“水淹”问题，加快排水速度，并提高对氢气的增湿效果。

Description

一种具有快速排水功能的双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是一种具有快速排水功能的双极板及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，在原理上相当于水解电的“逆”装置，其单电池由阳极、阴极和膜电极组成。以氢为燃料的质子交换膜燃料电池为例，膜电池的阳极为氢燃料发生氧化的场所，膜电极的阴极为氧化剂还原的场所，两级都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递质子的介质，只允许质子通过，而氢失去的电子则从外部负载和导线通过。

如图2所示，质子膜氢燃料电池由集流板、扩散层、催化层和质子膜构成。双极板又名集流板，由具有槽通道结构的石墨或合金构成，用于气体分配、冷却液集流和电池密封；扩散层由碳布组成，起传播气体、水汽以及导电、散热的作用；催化层是由Pt/C形成的薄层，用于加速电化学反应；质子交换膜用于传导质子并隔离电子及反应气体，一般由氟磺酸膜、nafion膜、非氟聚合膜等构成。

从结构上来看，双极板是燃料电池的一种核心零部件，主要作用为支撑MEA、提供氢气、氧气和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量。形象的说，如果把燃料电池电堆看作人体，双极板就相当于人体的骨骼和血管。MEA主要由质子交换膜、催化层、扩散层等部件组成，常规厚度0.4～0.5mm，没有足够的自支撑刚度和强度。而与之相对双极板通常是由刚性材料制成，零件的抗压强度高于MEA，可以起到支撑MEA的作用。形象的说，双极板像电堆的“骨骼”，支撑着电堆的软组织“MEA”。

质子交换膜燃料电池在高功率密度下运行时会产生大量的余热和水，若不及时将余热和水排出，可能会造成局部超温和水淹现象，而质子膜功能受温度和湿度影响极大，当温湿度不符合标准时，质子膜功能会失效，从而影响质子交换膜燃料电池的性能及运行安全性；同时双极板的结构也直接决定了双极板部件面积利用率，从而直接影响燃料电池电堆的功率密度。

那么，如何提供一种具有快速排水功能的双极板以便于将反应水快速排出，避免“水淹”现象，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有快速排水功能的双极板及燃料电池，利用双极板的独特结构，在具有氢气流道、冷却液流道、空气/氧气流道的同时，又通过独特地结构设计赋予空气/氧气流道以排水功能，形成气/水混合流道（所述气/水混合流道指空气和/或氧气、电化学反应生成水的共同流道），防止燃料电池发生“水淹”问题；通过附加设计的增湿结构，二次利用电化学反应产生的水，对空气和氢气进行自增湿，保证质子膜的运行温湿度；在混合通道内设置排水的引流板，加快排水速度，同时在空气/氧气推动排水过程中，提高氧气/空气的增湿效果。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所提供的一种具有快速排水功能的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体包括由连续且交错设置在基板上的第一背脊和第二背脊，其中第一背脊与第二背脊之间形成凹陷的引流槽；

所述第一背脊内侧形成氢气流道，所述第二背脊内侧形成冷却液流道；所述第一背脊与第二背脊的脊部处于同一平面内；

所述双极板本体还包括垂直于所述脊部所在的平面设置的引流板，所述引流板跨越引流槽固定于第一背脊和第二背脊的脊部，所述双极板本体沿着第一背脊或第二背脊的长度方向均匀排列有至少两个所述引流板以形成引流板组，所述双极板本体沿着第一背脊和第二背脊宽度方向上设置至少两组所述引流板组，并且引流板组之间留有间隙以形成气/水混合流道；

同一所述引流板组内相邻的引流板之间也留有间隙以形成气/水混合流道，且所述引流板具有将水向着与氢气流动方向相反的方向引流的斜面。

优选地，所述第一背脊和第二背脊均为梯形结构。

优选地，所述双极板本体还包括：

用于汇通氢气流道一侧端口的氢气导入腔以及氢气进口；

用于汇通氢气流道另一侧端口的氢气集流腔以及氢气出口；

用于汇通冷却液流道一侧端口的冷却液导入腔及冷却液进口；

用于汇通冷却液流道另一侧端口的冷却液集流腔以及冷却液出口。

优选地，所述氢气导入腔及氢气进口设置于所述双极板本体处于工作姿态时的下方，而冷却液导入腔以及冷却液进口设置于所述双极板本体处于工作姿态时的上方。

优选地，所述双极板本体的侧边处设有连通所述气/水混合流道的空气/氧气入口和空气/氧气出口。

优选地，所述双极板本体在气/水混合流道的底部倾斜设置带有挡水边的集水流道，并且所述集水流道的低处开设有集水口；

所述氢气导入腔底面以氢气进口为高处倾斜设置，所述集水口通过U型分水管接入氢气导入腔并临近所述氢气进口以润湿氢气，所述氢气导入腔底面的低处通过U型排水管连通一排水口。

优选地，所述U型分水管在氢气导入腔内的端口均匀设置有多个分水孔。

优选地，所述氢气进口、氢气出口、空气/氧气入口、空气/氧气出口、冷却液进口、冷却液出口及排水口均贯穿双极板本体设置以接入公用管路。

本发明还提供了一种燃料电池，包括上述的双极板本体，所述双极板本体边角处开设有螺栓孔，所述螺栓孔用于压紧多组所述双极板本体以装配成燃料电池，且多组所述双极板本体接触面设置有与所述双极板本体轮廓相符的密封圈。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明双极板中的氢气流道和冷却液流道分别用于流通氢气和冷却液，并且形成氢气流道和冷却液流道的第一背脊和第二背脊均为梯形，第一背脊和第二背脊的底边朝向膜电极，引流板组一方面垂直并固定于第一背脊和第二背脊的脊部，另一方面垂直朝向膜电极进行支撑，从而引流板组、第一背脊和第二背脊在形成必要的流道的同时，也为双极板本体的电化学反应区提供了足够的结构强度，以满足多组双极板本体压紧组合成电堆的压紧力条件。

本发明中第一背脊、第二背脊以及引流板组形成了氢气流道、冷却液流道及气/水混合流道（所述气/水混合流道指空气和/或氧气、电化学反应生成水的共同流道），使得双极板本体具有四通道功能，并且各个流道设计合理，相互配合。其中，尤其是空气能够沿着空气/氧气入口进入气/水混合流道的电化学反应区内参与反应，产生的反应水能给经引流板快速流出并最终进入氢气导入腔润湿氢气后通过排水口排出。

该设计极大地优化了现有的双极板结构，在保持现有双极板微小厚度的情况下，在具有氢气流道、冷却液流道、空气/氧气流道的同时，又通过独特地结构设计赋予空气/氧气流道以排水功能，同时空气参与电化学反应产生的水在进入氢气导入腔后，又可通过U型分水管对氢气进行自增湿，有利于保持质子膜的运行温度，并避免“水淹”问题，双极板还具有快速排水功能，水的迅速排出，也可以将产生的热量及时带走，有利于散热和避免局部超温。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种具有快速排水功能的双极板的结构示意图。

图2是现有技术中质子膜氢燃料电池的工作原理示意图。

图3是本发明从氢气流道一面的正视图。

图4是本发明从空气入口一面的正视图。

图5是图4中A-A向的截面结构示意图。

图6是本发明中双极板本体的流道整体分布示意图。

图7是分水孔的分布结构示意图。

图8是本发明中双极板本体的氢气、空气及冷却液流动路径示意图。

图9是本发明中电化学反应区的流道分布示意图之一。

图10是本发明中电化学反应区的流道分布示意图之二。

图中：

100、氢气流道，101、第一背脊，102、第二背脊，103、脊部；

110、氢气导入腔，111、挡水凸起，120、氢气进口，130、氢气集流腔，140、氢气出口；

200、冷却液流道，210、冷却液导入腔，220、冷却液进口，230、冷却液集流腔，240、冷却液出口；

300、气/水混合流道，301、引流槽，310、空气/氧气入口，320、空气/氧气出口，330、挡水边，340、集水流道；341、集水口；

400、引流板组，401、引流板，402、斜面，

500、U型分水管，510、分水孔；

600、U型排水管；

700、排水口；

800、螺栓孔；

900、密封圈。

实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

基于图2所示的现有质子膜氢燃料电池的工作原理，双极板中的阳极单板通入氢气，并通过扩散层进入催化剂层，在催化剂作用下，氢失去电子分解成正电的质子(H⁺）和带负电的电子（e^-），质子穿过质子交换膜，分解过程中释放热量，电子则沿外电路通过负载流向阴极；而阴极单板通入空气或氧气，在催化剂作用下与质子结合而生成反应水。

如图2中所示，N个双极板层叠排列,并且相邻的双极板之间有序地夹着气体扩散层/催化剂层/质子交换膜/催化剂层/气体扩散层，并通过密封圈对相邻的双极板形成有效密封，再通过螺栓或者绑带将双极板以适当的压力压紧，就组成了燃料电池（电堆）。

现有技术中的质子交换膜燃料电池在高功率密度下运行时会产生大量的余热和水，若不及时将余热和水排出，可能会造成局部超温和水淹现象，而质子膜功能受温度和湿度影响极大，当温湿度不符合标准时，质子膜功能会失效，从而影响质子交换膜燃料电池的性能及运行安全性，也不符合大功率燃料电池的需要。

为了避免上述现有技术中的“局部超温”和“水淹”问题，如图1、图3及图4所示，本发明提供了一种具有快速排水功能的双极板，包括双极板本体，所述双极板本体包括由连续且交错设置在基板上的第一背脊101和第二背脊102，其中第一背脊101与第二背脊102之间形成凹陷的引流槽301；

结合图9及图10所示，所述第一背脊101内侧形成氢气流道100，所述第二背脊102内侧形成冷却液流道200；所述第一背脊101与第二背脊102的脊部103处于同一平面内；

所述双极板本体还包括垂直于所述脊部103所在的平面设置的引流板401，所述引流板401跨越引流槽301固定于第一背脊101和第二背脊102的脊部103，所述双极板本体沿着第一背脊101或第二背脊102的长度方向均匀排列有至少两个所述引流板401以形成引流板组400，所述双极板本体沿着第一背脊101和第二背脊102宽度方向上设置至少两组所述引流板组400，并且引流板组之间留有间隙以形成气/水混合流道300（所述气/水混合流道300指空气和/或氧气、电化学反应生成水的共同流道）；

同一所述引流板组400内相邻的引流板401之间也留有间隙以形成气/水混合流道300，且所述引流板401具有将水向着与氢气流动方向相反的方向引流的斜面402。

本发明通过独特设计的双极板结构，第一背脊101和第二背脊102分别形成专门用于流动氢气的氢气流道100和流动冷却液的冷却液流道200，并且由于第一背脊101和第二背脊102均为梯形结构，氢气流道100和冷却液流道200也具有呈梯形的截面构造，氢气流道100的梯形底边靠近膜电极，有利于增大氢气流道100与膜电极的接触面积，增强氢气的扩散和深入；而冷却液流道200用于流通冷却介质，其梯形底边靠近膜电极，有利于增强散热，避免膜电极的局部超温。

同时，本发明中第一背脊101、第二背脊102以及引流板组400配合具有较好的结构强度，便于通过密封件压紧膜电极并组装电堆，能够承受适当的压力以起到良好的密封效果，避免介质产生泄漏问题。

在优选的实施例中，所述引流板401由两块对称设置的斜板一体成型或连接而成，且引流板401按需要可以在数量、排布方式（对正、错开、垂直于第一和第二背脊旋转倾斜、相对于第一和第二背脊产生夹角倾斜等形式）、排列间距进行不同的设置，有利于氧气/空气均匀输运；并且引流板401的斜面402保证任意位置产生的水都可以利用斜面402排出；引流板401之间的空隙空间形成流道利于水集中排出；引流板401有保证扩散层固定的厚度，与合适的引流板数量、排布方式和间距共同保证扩散层固定；引流板401与引流槽301可以同时配合进行排水；特别的，当引流板401相对于第一背脊101和第二背脊102产生夹角倾斜时，会更有利于水从引流槽301排出。

结合图1所示的实施例中，所述引流板401是每横向4个、纵向11个对正布置。

为了提高双极板内介质的流动性，所述双极板本体还包括：用于汇通氢气流道100一侧端口的氢气导入腔110以及氢气进口120；用于汇通氢气流道100另一侧端口的氢气集流腔130以及氢气出口140；用于汇通冷却液流道200一侧端口的冷却液导入腔210及冷却液进口220；用于汇通冷却液流道200另一侧端口的冷却液集流腔230以及冷却液出口240。

值得注意的是，在较佳的实施例中，所述氢气导入腔110及氢气进口120设置于所述双极板本体处于工作姿态时的下方，而冷却液导入腔210以及冷却液进口220设置于所述双极板本体处于工作姿态时的上方。

利用氢气低密度、易扩散特性，使氢气自然由下至上地流经电化学反应区，保证氢气充分反应，并使未反应完全的氢气汇流入氢气集流腔130，而冷却液导入腔210以及冷却液进口220设置于所述四通道燃料电池双极板处于工作姿态时的上方，从而冷却液可以自上而下地流经电化学反应区，完成冷却过程。并且，冷却液进口220面积大于冷却液出口240面积，有利于控制冷却液在冷却流道200内的流量和流速，保证冷却液在冷却流道200内的充分换热时间，确保最佳的散热效果。

基于同样的原理，设置所述氢气进口120面积大于氢气出口140的面积，有利于控制氢气的流量和流速，保证氢气充分扩散。

结合图3所示，冷却液进口220和冷却液出口230分别设置在集流板的最顶端和最低端，保证了最大的双极板冷却面积。

为了便于向电化学反应区供给空气/氧气，所述双极板本体的侧边处设有连通所述气/水混合流道300的空气/氧气入口310和空气/氧气出口320。并且设置所述空气/氧气入口310面积大于空气/氧气出口320的面积，这样设置能够增大空气进气量，以加快空气的窜流速度。相应地，空气/氧气入口310从集流板两侧布置，有利于增大空气/氧气进入量，且空气/氧气入口310面积大于出口320面积，有利于控制空气流量和流度，保证空气/氧气充分反应。

为了具体地解决反应水的排放问题，同时转而利用反应水保障膜电极的温湿度条件，所述双极板本体在气/水混合流道300的底部倾斜设置带有挡水边330的集水流道340，并且所述集水流道340的低处开设有集水口341；

所述氢气导入腔110底面以氢气进口120为高处倾斜设置，并且在氢气导入腔110内靠近氢气进口120处设有挡水凸起111，以防止水进入氢气进口120的公用管路中，所述集水口341通过U型分水管500接入氢气导入腔110并临近所述氢气进口120以润湿氢气，所述氢气导入腔110底面的低处通过U型排水管600连通一排水口700。通过这一设计，能够利用反应水对氢气进行自增湿，在氢气扩散至膜电极的过程中，氢气流带走的水分润湿膜电极以助于控制膜电极的温湿度。

在本发明中，设置所述U型分水管500，一方面能够将氢气导入腔110与集水流道340隔断，同时U型排水管600也能够将氢气导入腔110与排水口700隔断，防止氢气外溢。

在较佳的实施例中，所述U型分水管500在氢气导入腔110内的端口均匀设置有多个分水孔510（如图设置为12个）,更有利于氢气流将反应水雾化。

本发明中，电池反应产生的水除了通过集水流道340和U型分水管500对氢气进行增湿并经排水口700排出，还可以通过空气推动经空气/氧气出口320排出。

在较佳的实施例中，所述氢气进口120、氢气出口140、空气/氧气入口310、空气/氧气出口320、冷却液进口220、冷却液出口240及排水口700均贯穿双极板本体设置以接入公用管路。

本发明还提供了一种燃料电池，包括上述的双极板本体，所述双极板本体边角处开设有螺栓孔800，所述螺栓孔800用于压紧多组所述双极板本体以装配成燃料电池，且多组所述双极板本体接触面设置有与所述双极板本体轮廓相符的密封圈900，以便于多组双极板经过叠合压紧后装配成燃料电池，密封圈900在适当的压紧力作用下能够对介质起到较好的密封作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有快速排水功能的双极板，包括双极板本体，其特征在于，所述双极板本体包括由连续且交错设置在基板上的第一背脊和第二背脊，其中第一背脊与第二背脊之间形成凹陷的引流槽；

所述第一背脊内侧形成氢气流道，所述第二背脊内侧形成冷却液流道；所述第一背脊与第二背脊的脊部处于同一平面内；

所述双极板本体还包括垂直于所述脊部所在的平面设置的引流板，所述引流板跨越引流槽固定于第一背脊和第二背脊的脊部，所述双极板本体沿着第一背脊或第二背脊的长度方向均匀排列有至少两个所述引流板以形成引流板组，所述双极板本体沿着第一背脊和第二背脊宽度方向上设置至少两组所述引流板组，并且引流板组之间留有间隙以形成气/水混合流道；

同一所述引流板组内相邻的引流板之间也留有间隙以形成气/水混合流道，且所述引流板具有将水向着与氢气流动方向相反的方向引流的斜面。

2.根据权利要求1所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述第一背脊和第二背脊均为梯形结构。

3.根据权利要求1所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述双极板本体还包括：

用于汇通氢气流道一侧端口的氢气导入腔以及氢气进口；

用于汇通氢气流道另一侧端口的氢气集流腔以及氢气出口；

用于汇通冷却液流道一侧端口的冷却液导入腔及冷却液进口；

用于汇通冷却液流道另一侧端口的冷却液集流腔以及冷却液出口。

4.根据权利要求3所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述氢气导入腔及氢气进口设置于所述双极板本体处于工作姿态时的下方，而冷却液导入腔以及冷却液进口设置于所述双极板本体处于工作姿态时的上方。

5.根据权利要求1所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述双极板本体的侧边处设有连通所述气/水混合流道的空气/氧气入口和空气/氧气出口。

6.根据权利要求4所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述双极板本体在气/水混合流道的底部倾斜设置带有挡水边的集水流道，并且所述集水流道的低处开设有集水口；

所述氢气导入腔底面以氢气进口为高处倾斜设置，所述集水口通过U型分水管接入氢气导入腔并临近所述氢气进口以润湿氢气，所述氢气导入腔底面的低处通过U型排水管连通一排水口。

7.根据权利要求6所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述U型分水管在氢气导入腔内的端口均匀设置有多个分水孔。

8.根据权利要求6所述的具有快速排水功能的双极板，其特征在于，所述氢气进口、氢气出口、空气/氧气入口、空气/氧气出口、冷却液进口、冷却液出口及排水口均贯穿双极板本体设置以接入公用管路。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的双极板本体，其中，所述双极板本体边角处开设有螺栓孔，所述螺栓孔用于压紧多组所述双极板本体以装配成燃料电池，且多组所述双极板本体接触面设置有与所述双极板本体轮廓相符的密封圈。

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