CN116666681B - 一种常压燃料电池电堆的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常压燃料电池电堆的双极板，电堆包括形成于双极板两侧的进气区域以及出气区域，双极板处形成有流场，流场的表面设有连续设置的板脊，板脊围成与出气区域连通的出气通道，以及板脊围成与进气区域连通的进气通道，进气通道与出气区域相邻的端部封闭设置，出气通道与相邻进气通道具有重合区域，以使进气通道内的气体能够流动至相邻出气通道处，进气通道与出气通道的重合区域不小于90％；流场处罩设有气体扩散层，位于进气通道的气体能够借由气体扩散层溢至相邻出气通道处，进气区域与出气区域的压降差不大于10Kpa。提高了气体分配与传递的均匀性，提高膜电极内部电流密度的均匀性，避免电堆性能和寿命的衰减。

Description

一种常压燃料电池电堆的双极板

技术领域

本发明属于燃料电池双极板技术领域，具体涉及一种常压燃料电池电堆的双极板。

背景技术

燃料电池双极板起到分配燃料和氧化剂、电流传导收集、排出水分以及冷却电堆等作用，双极板的开发是燃料电池研发的关键，其中，燃料电池电堆根据工作压力不同可以分为常压电堆和中高压电堆，相比中高压电堆，常压电堆工作压力低，具有结构简单、耐久性好等优势。但是，常压电堆由于通入气体压力过低，会影响气体分配的均匀性，进而导致膜电极电流密度均匀性，会降低燃料电池电堆性能，同时降低使用寿命。

因此在目前的研究中，双极板设计的重点是流场的设计，流场设计对燃料电池性能、寿命具有重要的作用，现有流场的形式主要是平行流场、蛇形流场及叉指流场三种基本流场。蛇形流道是最常见的双极板的流道形式，反应气体沿双极板的蛇形流道流通，然而对于面积较大的双极板，蛇形流道的长度过长，会导致电流密度分布不均匀的问题。而平行流场由于流速较慢，水不易排除，容易导致部分电极水淹的情况。除此之外，还存在很多复合型流场，例如将蛇形流场与叉指流场相结合，燃料电池电堆运行时对进气方式加以控制，以此来避免两种流场的缺点等；但采用复合流场虽然规避了一些燃料电池电堆内部的问题，但也需要在外围增加控制元件以及程序，使其他控制系统更复杂化。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种常压燃料电池电堆的双极板，通过改进流场设计，提高气体分配和传质的均匀性，进而提高膜电极内部电流密度的均匀性，避免造成电堆性能和寿命非正常衰减。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种常压燃料电池电堆的双极板，电堆包括形成于双极板两侧的进气区域以及出气区域，双极板处形成有流场，流场的表面设有连续设置的板脊，板脊围成与出气区域连通的出气通道，以及板脊围成与进气区域连通的进气通道，进气通道与出气区域相邻的端部封闭设置，出气通道与相邻进气通道具有重合区域，以使进气通道内的气体能够流动至相邻出气通道处，进气通道与出气通道的重合区域不小于90％；流场处罩设有气体扩散层，位于进气通道的气体能够借由气体扩散层溢至相邻出气通道处，其中，进气区域与出气区域的压降差不大于10Kpa。气体在进气通道以及气体扩散层的阻挡下会由进气通道溢至相邻的出气通道处，并由出气通道流向出气区域，气体通过在进气通道内流动，并能够由进气通道流动至相邻的出气通道处，从而提高了气体分配与传递的均匀性，进而提高膜电极内部电流密度的均匀性，避免造成电堆性能和寿命的衰减，而进气通道与出气通道的重合区域不小于90％，保证气体扩散并反应后，气体能够及时的流出，防止出现回流等其他现象。

进一步地，板脊包括形成进气通道的第一板脊以及连接相邻第一板脊的分流板脊，出气通道形成于相邻第一板脊之间。使得进气通道与出气通道之间间隔设置，且进气通道与出气通道之间由一个第一板脊实现分隔，从而简化形成进气通道与出气通道的部件，结构更加简单；通过设置分流板脊，分流板脊作为出气通道封闭的一端，不仅能够对经过的气体实现分流，且出气通道与进气通道间隔设置，因此经过分流板脊分流的气体同样能够进入进气通道内，确保进气通道内气体量的充足。

进一步地，流场处还设有与各进气通道连通的主流道以及位于相邻主流道之间的副流道，副流道沿其延伸方向的投影位于分流板脊处。副流道处的气体在流动时便会到达分流板脊处，从而实现气体的分流，且分流后的气体能够与进气通道内的气体一同朝向出气区域移动，最后实现由进气通道扩散至相邻的出气通道处，实现气体的均匀分布。

进一步地，双极板包括形成副流道的第一限位板和第二限位板，第一限位板的长度大于第二限位板的长度；第一限位板与分流板脊之间形成与相邻进气通道倾斜设置的第一分流通道，第二限位板与分流板脊之间形成与相邻进气通道垂直设置的第二分流通道。第一分流通道倾斜设置，因此便于对气体进行导向，同时第一分流通道为与其相连通的进气通道倾斜设置，因此气体在由第一分流通道进入相连通的进气通道后，能够保证第一分流通道进入的气体的流向与相连通处的进气通道内的气体流向相一致，不会出现气流混乱及涡流等不利于气体流动的现象；而对于第二分流通道而言，其与相邻的进气通道垂直设置，此由第二分流通道分流至对应进气通道的气体也会沿垂直于进气通道的方向移动，因此进气通道两侧的第一分流通道以及第二分流通道的气体在进入进气通道时，由于气体的流动方向不同，因此两股气体在进入后并不会发生碰撞，从而避免在交汇处产生涡流或其他的气体回流等现象，避免气体在进气通道流动时出现气流波动。

进一步地，第一分流通道内气体流动的方向与相邻进气通道内气体流动的方向之间的夹角为锐角。确保汇入的气体流向与进气通道内原有气体的流向一致，不会出现气流混乱及涡流等不利于气体流动的现象。

进一步地，副流道的末端与进气区域之间的长度小于50mm。以保证进气区域内的气体在进入副流道时，能够实现快速分流。

进一步地，各分流板脊位于两个进气通道之间，分流板脊具有朝向进气通道倾斜的分流段以及与进气通道延伸方向垂直的导向段，各进气通道均对应有一个分流段。

进一步地，进气通道的深度为H，进气通道的宽度为L，H:L为1:2~1:3。使得进气通道的深度小于进气通道的宽度的50%，便于保证气体在进气通道上的充分分散，更大概率的增加与气体扩散层的充分接触。

进一步地，双极板还包括设置于进气通道的挡板，挡板位于进气通道与出气区域相邻的端部。通过设置挡板，从而实现对进气通道的封堵，实现进气通道的封闭设置，且结构简单，便于加工与成型，降低成本。

进一步地，进气通道和出气通道均设有多个，且各出气通道的两侧均设有进气通道。通过设置多个进气通道，则能够均匀分布在流场处，同样能够提高气体分布的均匀性，同时进气通道与出气通道的投影在沿与进气通道延伸方向相垂直的方向上具有重合部分，因此进气通道与出气通道在流场处间隔设置，且进气区域处的气体并不会直接流向出气通道，因此使得气体能够集中在各进气通道处，从而增强气体的流动性，且各出气通道的两侧均设有进气通道，因此各出气通道均有两个进气通道实现气体的输送，同样能够确保气体在出气通道处的均匀分布，从而实现气体分配的均匀性。

附图说明

图1用以说明本发明中双极板的一种示意性实施方式的俯视示意图；

图2用以说明本发明中双极板的一种示意性实施方式的正视示意图；

图3用以说明本发明中第一板脊和分流板脊的一种示意性实施方式的连接示意图。

附图标记：

1、进气区域，2、出气区域，31、第一板脊，32、分流板脊，321、分流段，322、导向段，33、进气通道，34、出气通道，4、主流道，5、副流道，51、第一限位板，52、第二限位板，53、第一分流通道，54、第二分流通道，6、挡板，7、气体扩散层。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下、前、后等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态，即产品的行进方向为参考的，而不应该认为是具有限定性的。

另外，还需要说明的是，本发明实施例中所提到的“相对运动”等动态用语，不仅是位置上的变动，还包括转动、滚动等位置上没有发生相对变化，但状态却发生改变的运动。

最后，需要说明的是，当组件被称为“位于”或“设置于”另一个组件，它可以在另一个组件上或可能同时存在居中组件。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。

如图1至图3所示的一种常压燃料电池电堆的双极板，其中，根据工作压力的不同，燃料电池电堆可分为常压电堆和中高压电堆，相较于中高压电堆，常压电堆工作压力低，且结构简单、耐久性好，在本申请中，电堆包括形成于双极板两侧的进气区域1以及出气区域2，双极板处形成有流场，流场的表面设有连续设置的板脊，板脊围成与出气区域2连通的出气通道34，以及板脊围成与进气区域1连通的进气通道33，位于进气区域1内的气体沿进气通道33进入，并沿着进气通道33流动至出气通道34处，最后气体由出气通道34处流向出气区域2。

在本申请中，进气通道33与出气区域2相邻的端部封闭设置，出气通道34与相邻进气通道33具有重合区域，以使进气通道33内的气体能够流动至相邻出气通道34处，进气通道与出气通道的重合区域不小于90％；同时流场处罩设有气体扩散层7，位于进气通道33的气体能够借由气体扩散层7溢至相邻出气通道34处，当气体在进气通道33内流动时，由于进气通道33与出气区域2相邻的端部封闭设置，因此气体在进气区域1经过进气通道33流向出气区域2时，气体会被进气通道33阻拦，且进气通道33与出气通道34具有重合部分，双极板处罩设有气体扩散层7，由于进气通道33与出气区域2相邻的端部封闭设置，因此气体在进气通道33以及封堵部分的阻挡下，会通过罩设进气通道33的气体扩散层7进入质子交换膜表面进行反应，剩余气体则会溢至相邻的出气通道34处，并由出气通道34流向出气区域2，气体通过在进气通道33内流动，并能够由进气通道33流动至相邻的出气通道34处，从而提高了气体分配与传递的均匀性，进而提高膜电极内部电流密度的均匀性，避免造成电堆性能和寿命的衰减，而进气通道与出气通道的重合区域不小于90％，保证气体扩散并反应后，气体能够及时的流出，防止出现回流等其他现象。

可以理解的，本申请中所指的重合区域，即为气体在进气通道内由进气区域流向出气区域时，此时气体的流动方向即为第一方向，与第一方向相垂直的方向即为第二方向，而重合区域即为在第二方向上，出气通道与进气通道所重合的部分，即出气通道在第二方向上的投影位于相邻的进气通道处，从而确保进气通道内的气体在溢出时能够流向相邻的出气通道处。

需要说明的是，本申请中燃料电池电堆为常压电堆，当气体在进气通道33内流动并溢至相邻出气通道34，再由出气通道34流向出气区域2的过程中，进气区域1与出气区域2的压降差不大于10Kpa，即在气体流动的过程中，气体的流速不可避免的会降低，但在实际应用时，压降并不会超过10Kpa，上述的动力损失是在可控范围内，因此在通过进气通道33与出气通道34实现气体均匀分布的同时，也不会影响气体由进气区域1流向出气区域2。

作为本申请中的一个实施方式，双极板还包括设置于进气通道33的挡板6，挡板6位于进气通道33与出气区域2相邻的端部；通过设置挡板6，从而实现对进气通道33的封堵，实现进气通道33的封闭设置，且结构简单，便于加工与成型，降低成本。

在本申请中，气体由进气区域1流向出气区域2，而为了增强气体分布的均匀性，进气通道33和出气通道34均设有多个，各进气通道33均能够接收由进气区域1内流入的气体，而通过设置多个进气通道33，则能够均匀分布在流场处，同样能够提高气体分布的均匀性，同时出气通道34与相邻进气通道33具有重合区域，且重合区域的面积不小于90％，因此进气通道33与出气通道34在流场处间隔设置，且进气区域1处的气体并不会直接流向出气通道34，因此使得气体能够集中在各进气通道33处，从而增强气体的流动性，且各出气通道34的两侧均设有进气通道33，因此各出气通道34均有两个进气通道33实现气体的输送，同样能够确保气体在出气通道34处的均匀分布，从而实现气体分配的均匀性。

如图1所示，板脊包括形成进气通道33的第一板脊31以及连接相邻第一板脊31的分流板脊32，出气通道34形成于相邻第一板脊31之间；第一板脊31既能够围成进气通道33，同时也能围成出气通道34，其中，围成进气通道33的两个第一板脊31为第一板脊组，出气通道34便为两个第一板脊组中相邻的两个第一板脊组成，使得进气通道33与出气通道34之间间隔设置，且进气通道33与出气通道34之间由一个第一板脊31实现分隔，从而简化形成进气通道33与出气通道34的部件，结构更加简单；而分流板脊32用于连接相邻的第一板脊31，且与分流板脊32相邻的第一板脊31同样分属于两组第一板脊组中，分流板脊32在设置时位于进气通道33与进气区域1相邻的端部，因此能够阻挡进气区域1处的气体直接流向出气通道34内，同时通过设置分流板脊32，分流板脊32作为出气通道34封闭的一端，不仅能够对经过的气体实现分流，且出气通道34与进气通道33间隔设置，因此经过分流板脊32分流的气体同样能够进气通道33内，确保进气通道33内气体量的充足。

可以理解的，由于进气通道33由第一板脊31围成，同时进气通道33处还设置有挡板6，因此挡板6在连接时同样固定在相邻的第一板脊31之间，从而实现进气通道33的封闭设置。

在本申请中，流场处还设有与各进气通道33连通的主流道4以及位于相邻主流道4之间的副流道5，副流道5沿其延伸方向的投影位于分流板脊32处；可以理解的，进气通道33具有多个，相应的主流道4也具有多个，且各进气通道33均对应有一个主流道4，通过设置主流道4，能够与进气通道33相对应，使得气体在由进气区域1进入进气通道33的状态下，气体的流动方向能够与对应的进气通道33的延伸方向相对应，从而确保气体在进入进气通道33后流动更加稳定，降低气体的损耗，而副流道5沿其延伸方向的投影位于分流板脊32处，因此副流道5处的气体在流动时便会到达分流板脊32处，从而实现气体的分流，且分流后的气体能够与进气通道33内的气体一同朝向出气区域2移动，最实现由进气通道33扩散至相邻的出气通道34处，实现气体的均匀分布。

可以理解的，通过设置主流道4以及副流道5，便能够对流动的气体的路径实现限制，以使进气区域1内的气体只沿主流道4以及副流道5流动，从而便于气体由主流道4汇集至进气通道33处，同时沿副流道5流动的气体也能够在流动至分流板脊32处，并在分流板脊32处实现分流汇入相邻的进气通道33内，从而使气体在由进气区域1流动至出气区域2时，气体的流动方向相对一致。

在本申请中，双极板包括形成副流道5的第一限位板51和第二限位板52，第一限位板51的长度大于第二限位板52的长度；第一限位板51与分流板脊32之间形成与相邻进气通道33倾斜设置的第一分流通道53，第二限位板52与分流板脊32之间形成与相邻进气通道33垂直设置的第二分流通道54；第一分流通道53倾斜设置，因此便于对气体进行导向，同时第一分流通道53为与其相连通的进气通道33倾斜设置，因此气体在由第一分流通道53进入相连通的进气通道33后，能够保证第一分流通道53进入的气体的流向与相连通处的进气通道33内的气体流向相一致，不会出现气流混乱及涡流等不利于气体流动的现象。

而对于第二分流通道54而言，其与相邻的进气通道33垂直设置，由于副流道5两侧均设置有主流道4，且主流道4均对应有一个进气通道33，因此对于由副流道5流入的气体，气体会分别流向两侧的进气通道33处，对于两侧均设有副流道5的进气通道33而言，相应的分流至上述进气通道33的气体也会分别来自第一分流通道53以及第二分流通道54，因此使第二分流通道54与相邻的进气通道33垂直设置，因此由第二分流通道54分流至对应进气通道33的气体也会沿垂直于进气通道33的方向移动，因此进气通道33两侧的第一分流通道53以及第二分流通道54的气体在进入进气通道33时，由于气体的流动方向不同，因此两股气体在进入后并不会发生碰撞，从而避免在交汇处产生涡流或其他的气体回流等现象，避免气体在进气通道33流动时出现气流波动，同时若进气通道33两侧的第一分流通道53和第二分流通道54均为倾斜设置，当两股气体交汇时流速不同，也容易导致第一分流通道53或第二分流通道54处的气体出现流出混乱，而将第二分流通道54与相邻的进气通道33垂直设置，则能够避免出现上述问题。

优选的，副流道5的末端与进气区域1之间的长度小于50mm；以保证进气区域1内的气体在进入副流道5时，能够实现快速分流，其中，副流道5由第一限位板51和第二限位板52组成，且第一限位板51的长度大于第二限位板52的长度，同时，气体在副流道5内流动时便会出现分流，因此为了便于实现快速分流，副流道5的末端即为第二限位板52的末端，两者之间的长度便为第二限位板52的末端与进气区域1之间的最短距离。

可以理解的，由于进气通道33与出气通道34在流场处间隔设置，因此分别与进气通道33以及出气通道34对应的主流道4以及副流道5在设置时，同样为间隔设置，因此副流道5由第一限位板51和第二限位板52之间形成，相应的，主流道4则由第二限位板52与另一相邻的第二限位板52组成，例如，第二限位板52与位于左侧的第一限位板51形成副流道5，则上述第二限位板52则会与右侧的第一限位板51形成主流道4；而对于两侧的主流道4而言，则相应的由第一限位板51与或是第二限位板52与板脊之间围成。

在本申请中，由第一分流通道53流向进气通道33的气体能够与进气通道33原有气体的流动方向一致，因此副流道5处的气体在经过分流板脊32分流时，大多数气体沿着第一分流通道53流向进气通道处，剩余部分则沿着第二分流通道54流向另一进气通道处，同时第一分流通道53和第二分流通道54均为连通设置，因此第二分流通道54不仅能够起到分流作用，同时更重要的，第二分流通道54还起到连通作用，以并联与之相连通的进气通道33，这样可以防止在进气通道33对应的主流道4入口因为水淹等其他问题堵塞的时候，该进气通道33不会出现缺气现象而造成膜电极损伤。

优选的，第一分流通道53内气体流动的方向与相邻进气通道33内气体流动的方向之间的夹角为锐角；即由第一分流通道53处汇入进气通道33的气体流向同样为朝向出气区域2的方向，从而确保汇入的气体流向与进气通道33内原有气体的流向一致，不会出现气流混乱及涡流等不利于气体流动的现象。

作为本申请中的一个实施方式，各分流板脊32位于两个进气通道33之间，分流板脊32具有朝向进气通道33倾斜的分流段321以及与进气通道33延伸方向垂直的导向段322，各进气通道33均对应有一个分流段321；其中，分流段321倾斜设置，因此气体在沿分流段321流动时，同样会改变气体的流向，且分流段321的朝向进气通道33倾斜，因此气体在分流段321处流动时，能够保证沿分流段321流动的气体流向与汇入的进气通道33的气体流向一致，不会出现气流混乱及涡流等不利于气体流动的现象，同时在本申请中，副流道5由第一限位板51和第二限位板52组成，因此相应的，第一限位板51与分流板脊32之间形成的第一分流通道53即为第一限位板51与分流段321之间形成；而对于导向段322而言，第二限位板52与分流板脊32之间形成的第二分流通道54即为第二限位板52与导向段322之间形成。

在本申请中，进气通道33的深度为H，进气通道33的宽度为L，H:L为1:2~1:3；使得进气通道33的深度小于进气通道33的宽度的50%，便于保证气体在进气通道33上的充分分散，更大概率的增加与气体扩散层7的充分接触。

作为本申请中的一个实施方式，进气通道33的宽度小于2mm，相应的，进气通道33的深度则应小于1mm。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述电堆包括形成于所述双极板两侧的进气区域以及出气区域，所述双极板处形成有流场，所述流场的表面设有连续设置的板脊，所述板脊围成与所述出气区域连通的出气通道，以及所述板脊围成与所述进气区域连通的进气通道，所述进气通道与所述出气区域相邻的端部封闭设置，所述出气通道与相邻所述进气通道具有重合区域，以使所述进气通道内的气体能够流动至相邻所述出气通道处，所述进气通道与所述出气通道的重合区域不小于90％，所述板脊包括形成所述进气通道的第一板脊以及连接相邻所述第一板脊的分流板脊，所述出气通道形成于相邻所述第一板脊之间；

所述流场处罩设有气体扩散层，位于所述进气通道的气体能够借由所述气体扩散层溢至相邻所述出气通道处，其中，所述进气区域与所述出气区域的压降差不大于10Kpa。

2.根据权利要求1所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述流场处还设有与各所述进气通道连通的主流道以及位于相邻所述主流道之间的副流道，所述副流道沿其延伸方向的投影位于所述分流板脊处。

3.根据权利要求2所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述双极板包括形成所述副流道的第一限位板和第二限位板，所述第一限位板的长度大于所述第二限位板的长度；

所述第一限位板与所述分流板脊之间形成与相邻所述进气通道倾斜设置的第一分流通道，所述第二限位板与所述分流板脊之间形成与相邻所述进气通道垂直设置的第二分流通道。

4.根据权利要求3所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述第一分流通道内气体流动的方向与相邻所述进气通道内气体流动的方向之间的夹角为锐角。

5.根据权利要求2所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述副流道的末端与所述进气区域之间的长度小于50mm。

6.根据权利要求1所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，各所述分流板脊位于两个所述进气通道之间，所述分流板脊具有朝向所述进气通道倾斜的分流段以及与所述进气通道延伸方向垂直的导向段，各所述进气通道均对应有一个所述分流段。

7.根据权利要求1所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述进气通道的深度为H，所述进气通道的宽度为L，H:L为1:2~1:3。

8.根据权利要求1所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述双极板还包括设置于所述进气通道的挡板，所述挡板位于所述进气通道与所述出气区域相邻的端部。

9.根据权利要求1所述的一种常压燃料电池电堆的双极板，其特征在于，所述进气通道和所述出气通道均设有多个，且各所述出气通道的两侧均设有所述进气通道。