CN116646549A - 一种石墨双极板、氢燃料电池堆及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石墨双极板、氢燃料电池堆及其组装方法，该石墨双极板包括板体，在板体的中部设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，流场分配区与工作流场区相连通；在板体的一端部依次设置有阳极气体进口、冷却液出口和阴极气体出口，在板体的另一端部依次设置有阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口；在流场分配区设置有用于将气体均匀分散的导流条组；在工作流场区设置有变径流道。本发明通过在双极板气流场分配区，设置合理排布的导流条组，可将气体进行均流分散，保证整体气体分布均匀性；同时配合将双极板工作流场区的流道设置为变径式流道，可增强反应传质效果，提高排水性能。

Description

一种石墨双极板、氢燃料电池堆及其组装方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种石墨双极板，采用该石墨双极板的新型氢燃料电池堆，以及该新型氢燃料电池堆的组装方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池依靠电化学反应，将化学能直接转变为电能。燃料电池发电过程具有常温启动快、能量转换效率高、绿色环保、安全等特点，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。燃料电池电堆是燃料电池的核心装置，主要由膜电极组件、双极板、密封件等组装而成。其中双极板是燃料电池核心组件之一，是电堆中的“骨架”，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。更重要的是双极板的结构设计决定气流场分布，而气体分配的均匀性对燃料电池性能起着关键作用，如果电化学反应所需燃料气和氧化剂气体不能及时送入膜电极，生成水不能及时排出膜电极，燃料电池就会发生传质极化现象，影响燃料电池性能。

目前，双极板流道形状很多采用直形流道，传质效果不佳，高电流密度下大量液态水无法及时排出，导致燃料电池性能下降。双极板分配区采用的导流条布置结构等，对整体气流场分布均匀性改善较小。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种石墨双极板，采用该石墨双极板的新型氢燃料电池堆，以及氢燃料电池堆的组装方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种石墨双极板，包括板体，在板体的中部设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，流场分配区与工作流场区相连通；

在板体的一端部依次设置有阳极气体进口、冷却液出口和阴极气体出口，在板体的另一端部依次设置有阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口；

在流场分配区设置有用于将气体均匀分散的导流条组；

在工作流场区设置有变径流道。

优选的，所述导流条组包括若干个平行排布的导流条，导流条包括第一导流段和第二导流段，第一导流段和第二导流段均为直线段，且第一导流段和第二导流段均由若干个间隔排布的导流条基本段体组成。

优选的，所述流场分配区的外边界设置有首尾连接的第一侧边、第二侧边和第三侧边，第一侧边位于靠近阳极气体进口或阳极气体出口位置处，第二侧边位于第一侧边和第三侧边之间；

所述第一导流段的伸展方向朝向第一侧边，第一导流段与第二侧边的夹角为10-30°，第二导流段与第三侧边呈平行布置。

优选的，从接近工作流场区到远离工作流场区，相邻导流条之间的间距依次增大。

优选的，处于中间区域的第一导流段所包含的导流条基本段体数目多于处于两侧区域的第一导流段所包含的导流条基本段体数目；从接近工作流场区到远离工作流场区，第二导流段所包含的导流条基本段体数目逐渐增多。

优选的，所述导流条基本段体的两端为圆角结构；导流条基本段体的长度为1-5mm，宽度为0.5-1mm；导流条基本段体的高度与工作流场区的脊高相同，为0.5-1.2mm。

优选的，所述工作流场区的变径流道的宽度为0.3-1.2mm，变径流道的沟深为0.3-0.5mm。

一种新型氢燃料电池堆，其采用如上所述的双极板，双极板与膜电极和密封垫片组成一个单电池组，若干个单电池组上下依次叠放布置，形成电池组；

在电池组的上方设置有上集电板，在上集电板的上方设置有上端板；在电池组的下方从上至下依次设置有下集电板、绝缘板、浮动端板和下端板；

上端板和下端板通过若干个竖向布置的螺杆连接，螺杆布置在电池组的外侧。

优选的，当单电池组叠放形成电池组后，双极板的板体上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道；

在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道的内部均设置有用于改变通道内流道截面积的插槽；

所述插槽呈条形布置，插槽的一侧敞口，且敞口朝向双极板的板体中心；插槽的截面内径从一端至另一端逐渐缩小。

优选的，该新型氢燃料电池堆还包括保护外壳，保护外壳套在电池组的外侧，在保护外壳的内侧还设置有保护棉。

本发明还提供一种新型氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：

(1)将膜电极、密封垫片和双极板组装成单电池组，然后将若干个单电池组上下叠放形成电池组；在组装形成电池组后，双极板上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道；

(2)在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道中插入有插槽；

(3)将上端板、上集电板、电池组、下集电板、绝缘板、浮动端板和下端板从上至下依次叠放布置，将电池组上的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道对应与上端板的水气连接端口连通；然后将上端板和下端板通过若干个竖向布置的螺杆连接，螺杆布置在电池组的外侧，再通过螺杆端部的锁紧使上端板与下端板之间压紧；

(4)再在电池组的外侧套上用于防护的外壳，组装形成氢燃料电池堆。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明通过在双极板气流场分配区，设置合理排布的导流条组，可将气体进行均流分散，保证整体气体分布均匀性。

2、本发明配合将双极板工作流场区的流道设置为变径式流道，可增强反应传质效果，提高排水性能。

3、本发明通过在电池组的各气液通道内部增加插槽，可改变气液通道内流道的截面积，进而改善电池组内部气体分布不均匀的情况，保证气体充分利用，提高电池性能，并可加速电池内部反应水的排出。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明石墨双极板中阳极板或阴极板一侧的结构原理示意图；

图2为图1中气流场分配区部分的局部结构示意图；

图3为本发明石墨双极板中工作流场区的局部结构示意图，图中示出变径流道的立体结构；

图4为本发明工作流场区中变径流道的平面示意图；

图5为本发明石墨双极板的立体分解结构示意图；

图6为本发明氢燃料电池堆的结构原理示意图，图中示出分解结构；

图7为本发明中插槽一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种石墨双极板，包括阳极板1和阴极板2，阳极板1和阴极板2均包括板体，在板体的中部设置有工作流场区3，在工作流场区3的两端设置有流场分配区4，流场分配区4与工作流场区3相连通。在板体的一端部依次设置有阳极气体进口5、冷却液出口6和阴极气体出口7，在板体的另一端部依次设置有阴极气体进口8、冷却液进口9和阳极气体出口10。在流场分配区4设置有用于将气体均匀分散的导流条组。如图3、图4所示，在工作流场区3设置有变径流道301，相邻变径流道301之间为脊302。

本发明通过在双极板气流场分配区设置导流条组，可将气体进行均流分散，保证整体气体分布均匀性。本发明还将双极板工作流场区的流道设置为变径式流道，可增强反应传质效果，提高排水性能。

作为对本发明的进一步设计，所述导流条组包括若干个平行排布的导流条，导流条包括第一导流段401和第二导流段402，第一导流段401和第二导流段402均为直线段，且第一导流段401和第二导流段402均由若干个间隔排布的导流条基本段体403组成。

所述流场分配区的外边界设置有首尾连接的第一侧边404、第二侧边405和第三侧边406，第一侧边404位于靠近阳极气体进口或阳极气体出口位置处，第二侧边405位于第一侧边404和第三侧边406之间。所述第一导流段的伸展方向朝向第一侧边404，第一导流段与第二侧边的夹角为10-30°，第二导流段402与第三侧边406呈平行布置。

进一步的，从接近工作流场区3到远离工作流场区，相邻导流条之间的间距依次增大，以有利于降低压降，均衡气体流速分布。处于中间区域的第一导流段401所包含的导流条基本段体403数目多于处于两侧区域的第一导流段所包含的导流条基本段体数目。从接近工作流场区3到远离工作流场区，第二导流段所包含的导流条基本段体数目逐渐增多。该设置方式可以提高下游流场内流体分配的均匀性，增大气体利用率。

上述导流条基本段体403的两端为圆角结构，以适于将气体进行均流分散，保证整体气体分布均匀性。导流条基本段体403的长度为1-5mm，宽度为0.5-1mm。导流条基本段体403的高度与工作流场区的脊高相同，为0.5-1.2mm。导流条组采用上述结构布置，可使来自进口处的气体均匀的分散至工作流场区，减小气体拥挤，减少涡流，提高燃料电池性能。

更进一步的，所述工作流场区的变径流道的宽度为0.3-1.2mm，变径流道的沟深为0.3-0.5mm。变径流道的设置可强化反应气体从双极板向膜电极内的扩散，同时增大气体局部流速，增强反应传质效果，显著提高排水性能。

图5示出石墨双极板的立体结构，其中阴极板2的两侧面均设置有如上所述的工作流场区3和流场分配区4，阳极板1仅背面设置有如上所述的工作流场区和流场分配区，图中未示出。

如图6所示，本发明还提供一种新型氢燃料电池堆，采用如上所述的双极板11，双极板11与膜电极12和密封垫片13组成一个单电池组。若干个单电池组上下依次叠放布置，形成电池组14。在电池组14的上方设置有上集电板15，在上集电板15的上方设置有上端板16。在电池组14的下方从上至下依次设置有下集电板17、绝缘板18、浮动端板19和下端板20。上端板16和下端板20通过若干个竖向布置的螺杆21连接，螺杆21布置在电池组14的外侧周圈，对电池组14起到限位作用。上述各部件上下依次组装，并通过螺杆21和端头处螺栓24或螺母等紧固为一体。

作为对本发明的进一步设计，当单电池组叠放形成电池组后，双极板的板体上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道。在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道的内部均设置有用于改变通道内流道截面积的插槽22。所述插槽22呈条形布置，插槽的一侧敞口，且敞口侧朝向双极板的板体中心，即朝向电池堆的中心。插槽22的截面内径从顶端至底端逐渐缩小，如图6、图7所示。插槽22插入对应的阳极气体进口通道等中，插槽22的外壁与通道的内壁贴合，方便固定，插槽22的外径从插槽顶端至插槽底端保持一致，但插槽22的壁厚从顶端至底端逐渐增加，相应地插槽22的截面内径或者说气体或液体流道截面从顶端至底端逐渐缩小，从而达到通道内气体或液体流速等的调节效果。

本发明通过在电池组的各气液通道内部增加插槽22，可改变气液通道内流道的截面积，进而改善电池组内部气体分布不均匀的情况，保证气体充分利用，提高电池性能，并可加速电池内部反应水的排出。

更进一步的，该新型氢燃料电池堆还包括保护外壳23，保护外壳套在电池组的外侧，在保护外壳的内侧还设置有保护棉。外壳23可对电池组等起到保护作用，减少磕碰损失。

上述上端板16左右两端分别设置三个通孔，以与双极板上气液进出口相匹配，上端板16具有绝缘的作用。上述上集电板15和下集电板17位于单电池组两侧，起到输入和输出电流、输出电压的作用。

上述密封垫片13位于膜电极12和双极板11之间，起到密封的作用。所述密封垫片13材质采用硅橡胶、氟橡胶。上述绝缘板18位于下集电板17和浮动端板19之间，起到绝缘隔离的作用。浮动端板19起到支撑电池组等电堆组件的作用。浮动端板19与下端板20之间设置有垫圈，以缓冲压力，减轻对下端板20的压损。在浮动端板19上还可设置圆环卡槽，以用于放置垫圈，防止垫圈窜位。

本发明还提供有一种氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：

(1)将膜电极12、密封垫片13和双极板11组装成单电池组，然后将若干个单电池组上下叠放形成电池组。在组装形成电池组后，双极板上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道。

(2)在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道中插入有插槽22，以改变通道内流道截面积。

(3)将上端板16、上集电板15、电池组、下集电板17、绝缘板18、浮动端板19和下端板20从上至下依次叠放布置，将电池组上的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道对应与上端板16的水气连接端口连通。然后将上端板16和下端板20通过若干个竖向布置的螺杆21连接，螺杆布置在电池组的外侧，再通过螺杆21端部的锁紧使上端板与下端板之间压紧。

(4)再在电池组的外侧套上用于防护的外壳23，组装形成氢燃料电池堆。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种石墨双极板，包括板体，其特征在于：在板体的中部设置有工作流场区，在工作流场区的两端设置有流场分配区，流场分配区与工作流场区相连通；

在板体的一端部依次设置有阳极气体进口、冷却液出口和阴极气体出口，在板体的另一端部依次设置有阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口；

在流场分配区设置有用于将气体均匀分散的导流条组；

在工作流场区设置有变径流道。

2.根据权利要求1所述的一种石墨双极板，其特征在于：所述导流条组包括若干个平行排布的导流条，导流条包括第一导流段和第二导流段，第一导流段和第二导流段均为直线段，且第一导流段和第二导流段均由若干个间隔排布的导流条基本段体组成。

3.根据权利要求2所述的一种石墨双极板，其特征在于：所述流场分配区的外边界设置有首尾连接的第一侧边、第二侧边和第三侧边，第一侧边位于靠近阳极气体进口或阳极气体出口位置处，第二侧边位于第一侧边和第三侧边之间；

所述第一导流段的伸展方向朝向第一侧边，第一导流段与第二侧边的夹角为10-30°，第二导流段与第三侧边呈平行布置。

4.根据权利要求2所述的一种石墨双极板，其特征在于：从接近工作流场区到远离工作流场区，相邻导流条之间的间距依次增大；处于中间区域的第一导流段所包含的导流条基本段体数目多于处于两侧区域的第一导流段所包含的导流条基本段体数目；从接近工作流场区到远离工作流场区，第二导流段所包含的导流条基本段体数目逐渐增多。

5.根据权利要求2所述的一种石墨双极板，其特征在于：所述导流条基本段体的两端为圆角结构；导流条基本段体的长度为1-5mm，宽度为0.5-1mm；导流条基本段体的高度与工作流场区的脊高相同，为0.5-1.2mm。

6.根据权利要求2所述的一种石墨双极板，其特征在于：所述工作流场区的变径流道的宽度为0.3-1.2mm，变径流道的沟深为0.3-0.5mm。

7.一种氢燃料电池堆，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一权利要求所述的双极板，双极板与膜电极和密封垫片组成一个单电池组，若干个单电池组上下依次叠放布置，形成电池组；

在电池组的上方设置有上集电板，在上集电板的上方设置有上端板；在电池组的下方从上至下依次设置有下集电板、绝缘板、浮动端板和下端板；

上端板和下端板通过若干个竖向布置的螺杆连接，螺杆布置在电池组的外侧。

8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池堆，其特征在于：当单电池组叠放形成电池组后，双极板的板体上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道；

在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道的内部均设置有用于改变通道内流道截面积的插槽；

所述插槽呈条形布置，插槽的一侧敞口，且敞口朝向双极板的板体中心；插槽的截面内径从一端至另一端逐渐缩小。

9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池堆，其特征在于：该新型氢燃料电池堆还包括保护外壳，保护外壳套在电池组的外侧，在保护外壳的内侧还设置有保护棉。

10.一种氢燃料电池堆的组装方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将膜电极、密封垫片和双极板组装成单电池组，然后将若干个单电池组上下叠放形成电池组；在组装形成电池组后，双极板上的阳极气体进口、冷却液出口、阴极气体出口、阴极气体进口、冷却液进口和阳极气体出口对应连通，形成上下贯通的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道；

(2)在阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道中插入有插槽；

(3)将上端板、上集电板、电池组、下集电板、绝缘板、浮动端板和下端板从上至下依次叠放布置，将电池组上的阳极气体进口通道、冷却液出口通道、阴极气体出口通道、阴极气体进口通道、冷却液进口通道和阳极气体出口通道对应与上端板的水气连接端口连通；然后将上端板和下端板通过若干个竖向布置的螺杆连接，螺杆布置在电池组的外侧，再通过螺杆端部的锁紧使上端板与下端板之间压紧；

(4)再在电池组的外侧套上用于防护的外壳，组装形成氢燃料电池堆。