CN116682988A - 一种变径石墨双极板、氢燃料电池堆及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变径石墨双极板、氢燃料电池堆及其组装方法，该变径石墨双极板包括阳极板和阴极板，阳极板包括阳极板体，在阳极板体上设置有阳极流场分配区和阳极工作流场区，阳极流场分配区设置有阳极导流条组和柱状凸起组；阳极工作流场区设置有变径流道；阴极板包括阴极板体，在阴极板体上设置有阴极流场分配区和阴极工作流场区，阴极流场分配区设置有阴极导流条组和分配条组；阴极工作流场区也设置有变径流道；在阳极板体的两端和阴极板体的两端均设置有相适配的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口。本发明中阳极板和阴极板采用不同的流场分配区进行配合，可有效降低气体进出口压力，保证下游区域气体的分布均匀性，并能提高电池效率。

Description

一种变径石墨双极板、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，特别涉及一种变径石墨双极板、采用该变径石墨双极板的氢燃料电池堆，以及该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。随着燃料电池技术的发展，其应用领域也越来越广泛，在大型商用车、重卡、轮船等方面的潜力逐渐显现出来，这也意味着所需的燃料电池堆功率越来越大。大功率电堆有效面积大、组件多、技术较为复杂，在其开发过程中需要攻克的难点问题较多，特别双极板的结构设计是至关重要的，对最终电堆性能影响较大。当燃料电池在大电流高功率状态工作时，需要大量燃料气和氧化剂气体，同时排出大量生成水。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。现有氢燃料电池双极板流场分配区常采用均匀平行导流条加凸起的形式，流场工作区流道采用平行直流道，气液分布不均匀，传质效果改善不明显。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种变径石墨双极板，采用该变径石墨双极板的氢燃料电池堆，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：

一种变径石墨双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板包括阳极板体，在阳极板体上设置有阳极流场分配区和阳极工作流场区，阳极工作流场区设置于阳极板体的中部，阳极流场分配区设置于阳极工作流场区的两端；

所述阳极流场分配区设置有阳极导流条组，在阳极导流条组的末端部且接近阳极工作流场区的位置处设置有柱状凸起组；

所述阳极工作流场区设置有变径流道；

所述阴极板包括阴极板体，在阴极板体上设置有阴极流场分配区和阴极工作流场区，阴极工作流场区设置于阴极板体的中部，阴极流场分配区设置于阴极工作流场区的两端；

所述阴极流场分配区设置有阴极导流条组和分配条组；

所述阴极工作流场区也设置有变径流道；

在阳极板体的两端和阴极板体的两端均设置有相适配的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口。

优选的，所述阳极导流条组包括若干个呈直角布置的阳极导流条，阳极导流条包括间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条，间断直角阳极导流条是由若干个阳极导流条段体组成，间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条呈间隔排布。

优选的，所述间断直角阳极导流条包括第一阳极导流条段体和第二阳极导流条段体，第一阳极导流条段体和第二阳极导流条段体呈垂直布置；所述连续直角阳极导流条在弯折处为圆角过渡；

所述间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条的宽度相同，均为0.6-1.0mm。

优选的，所述间断直角阳极导流条和相邻的连续直角阳极导流条之间的间距，在接近阴极流场工作区的一侧设置为间距相同，在远离阴极流场工作区的另一侧设置为从一端至另一端间距逐渐增大。

优选的，所述柱状凸起组包含2-3个圆柱状凸起，圆柱状凸起的直径为1.0-1.2mm，圆柱状凸起的高度与阳极工作流场区设置的变径流道的脊高相同。

优选的，所述阳极工作流场区设置的变径流道的宽度为0.3-1.2mm，长度为7-11mm，沟深为0.3-0.5mm。

优选的，所述阴极导流条组包括若干个阴极导流条，阴极导流条包括第一阴极导流条段体和第二阴极导流条段体，第一阴极导流条段体和第二阴极导流条段体之间的夹角为钝角；第二阴极导流条段体的端部连接阴极工作流场区；

所述阴极导流条的宽度为0.6-1.0mm，相邻阴极导流条之间的间距为0.7-1.0mm。

优选的，所述分配条组包括若干个平行布置的分配条，分配条与第二阴极导流条段体呈平行布置；分配条由若干个间隔布置的分配条段体组成，组成每个分配条的所有分配条段体均处于一条直线上。

优选的，所述分配条的长度为4-12mm，宽度为0.3-0.8mm；分配条上相邻分配条段体之间的间距为0.5-1.0mm，相邻分配条之间的间距为0.7-1.0mm；

所述阴极导流条的高度、分配条的高度与阴极工作流场区的变径流道的脊高相等。

一种氢燃料电池堆，采用如上所述的变径石墨双极板；该电池堆还包括上端板、正极集流板、绑带、膜电极、密封圈、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板；

膜电极、密封圈和双极板组装成一个单电池组，多个单电池组上下叠放形成电池组；

在电池组的上方设置有正极集流板，在正极集流板的上方设置有上端板，在电池组的下方设置有负极集流板，在负极集流板的下方设置有绝缘板，在绝缘板的下方设置有下端板，在绝缘板和下端板之间设置有支撑板；

在上端板和下端板上均设置有与绑带相配合的卡槽。

本发明还提供一种氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：

(1)将膜电极、密封圈和双极板组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组；

(2)将上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板、下端板从上至下依次叠放排布组装，将电池组上双极板的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带紧固成一体，绑带嵌入上端板和下端板外表面的卡槽中，组装形成电池堆。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明变径石墨双极板的阳极板和阴极板采用不同的流场分配区进行配合，其中阳极流场分配区采用阳极导流条组和柱状凸起组配合的方式，阴极流场分配区采用阴极导流条组和分配条组配合的方式，可有效降低气体进出口压力，保证下游区域气体的分布均匀性，并能提高电池效率。

2、本发明变距石墨双极板的阳极板和阴极板的工作流场区均设置有变径流道，可强化反应传质效果，同时增大气体流速，提高排水性能。

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为本发明变径石墨双极板中阳极板的结构原理示意图；

图2为本发明阳极板中阳极流场分配区的局部结构示意图；

图3为本发明变径石墨双极板中阴极板的结构原理示意图；

图4为本发明阴极板中阴极流场分配区的局部结构示意图；

图5为本发明变径石墨双极板的阳极板或阴极板中变径流道局部立体结构示意图；

图6为本发明变径石墨双极板的阳极板或阴极板中变径流道局部平面示意图；

图7为本发明氢燃料电池堆的结构示意图。

具体实施方式

结合附图，一种变径石墨双极板，包括阳极板1和阴极板2，如图1、图2所示，所述阳极板1包括阳极板体，在阳极板体上设置有阳极流场分配区101和阳极工作流场区102，阳极工作流场区102设置于阳极板体的中部，阳极流场分配区101设置于阳极工作流场区102的两端，并与阳极工作流场区102连通。所述阳极流场分配区101设置有阳极导流条组3，在阳极导流条组3的末端部且接近阳极工作流场区102的位置处设置有柱状凸起组4。所述阳极工作流场区102设置有阳极变径流道103。阳极流场分配区101使来自进口处的气体均匀的分散至阳极工作流场区102，减小气体拥挤，减少涡流，提高燃料电池性能；另外设置均匀的柱状凸起组，对膜电极起支撑作用的同时配合导流条组将气体进行均流分散。阳极工作流场区102设置变径流道，强化反应传质效果，同时增大气体流速，提高排水性能。如图3、图4所示，所述阴极板2包括阴极板体，在阴极板体上设置有阴极流场分配区201和阴极工作流场区202，阴极工作流场区202设置于阴极板体的中部，阴极流场分配区201设置于阴极工作流场区202的两端，并与阴极工作流场区202连通。气体经流场分配区均流分散，均匀流入工作流场区。所述阴极流场分配区201设置有阴极导流条组5和分配条组6。所述阴极工作流场区202设置有阴极变径流道203。阴极流场分配区201内设置倾斜的导流条组和分配条组，降低阴极进出口压力，保证下游区域气体分布均匀性。在阳极板体的两端和阴极板体的两端均设置有相适配的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口，如图1所示，在阳极板的左侧设置有阳极进口7、冷却液出口8和阴极出口9，在阳极板的右侧设置有阴极进口10、冷却液进口11和阳极出口12。同时，本发明变距石墨双极板的阳极板和阴极板的工作流场区均设置有变径流道，可强化反应传质效果，同时增大气体流速，提高排水性能。

本发明变径石墨双极板的阳极板1和阴极板2采用不同的流场分配区进行配合，其中阳极流场分配区101采用阳极导流条组3和柱状凸起组4配合的方式，阴极流场分配区201采用阴极导流条组5和分配条组6配合的方式，可有效降低气体进出口压力，保证下游区域气体的分布均匀性，并能提高电池效率。

作为对本发明的进一步设计，所述阳极导流条组3包括若干个呈直角布置的阳极导流条，阳极导流条包括间断直角阳极导流条301和连续直角阳极导流条302，间断直角阳极导流条301是由若干个阳极导流条段体组成，间断直角阳极导流条301和连续直角阳极导流条302呈间隔排布。本发明中阳极导流条采用间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条的间隔配合形式，可将气体进行均流分散，保证整体气体分布均匀性。

更进一步的，所述间断直角阳极导流条301包括第一阳极导流条段体3011和第二阳极导流条段体3012，第一阳极导流条段体3011和第二阳极导流条段体3012呈垂直布置。所述连续直角阳极导流条302在弯折处为圆角过渡。所述间断直角阳极导流条301和连续直角阳极导流条302的宽度相同，均为0.6-1.0mm。所述间断直角阳极导流条301和相邻的连续直角阳极导流条302之间的间距，在接近阴极流场工作区的一侧设置为间距相同，具体可为0.8-1.1mm范围内。在远离阴极流场工作区的另一侧设置为从一端至另一端间距逐渐增大，具体可为0.6-1.2mm范围内。

上述柱状凸起组4包含2-3个圆柱状凸起，圆柱状凸起成排布置在阳极导流条末端的延长线上。圆柱状凸起的直径为1.0-1.2mm，圆柱状凸起的高度与阳极工作流场区设置的阳极变径流道的脊高相同。

上述阳极工作流场区设置的阳极变径流道103的宽度为0.3-1.2mm，长度为7-11mm，沟深为0.3-0.5mm。阳极变径流道103和阴极变径流道203的结构相同，均为截面变化的流道结构，如图5、图6所示，以阳极变径流道为例，在相邻两个阳极变径流道103之间设置有脊1031。

本发明通过上述结构及尺寸的选择，可进一步提升对气体均流分散的能力。

作为对本发明的进一步设计，所述阴极导流条组5包括若干个阴极导流条501，阴极导流条501包括第一阴极导流条段体5011和第二阴极导流条段体5012，第一阴极导流条段体5011和第二阴极导流条段体5012之间的夹角为钝角。具体地，如图4所示，第一阴极导流条段体5011竖向布置，第二阴极导流条段体5012呈斜向下布置，与水平线之间的夹角为2-15°。第二阴极导流条段体5012的端部连接阴极工作流场区202。所述阴极导流条501的宽度为0.6-1.0mm，相邻阴极导流条之间的间距为0.7-1.0mm。所述分配条组6包括若干个平行布置的分配条，分配条与第二阴极导流条段体呈平行布置。分配条由若干个间隔布置的分配条段体601组成，组成每个分配条的所有分配条段体均处于一条直线上。分配条采用插空排布与对齐排布相结合的形式。

本发明在阴极流场分配区201的阴极导流条采用倾斜钝角导流条和分配条相结合的形式，可有效降低阴极进出口压力，保证下游区域气体的分布均匀性，并能提高电池效率。

更进一步的，所述分配条的长度为4-12mm，宽度为0.3-0.8mm。分配条上相邻分配条段体之间的间距即沿着分配条方向为0.5-1.0mm，相邻分配条之间的间距即垂直分配条方向为0.7-1.0mm。所述阴极导流条的高度、分配条的高度与阴极工作流场区的变径流道的脊高相等。通过上述分配条长度、宽度等参数的选择，可进一步提升对气体均流分散的能力。

上述阳极板1和阴极板2中，流场分配区中的导流条对应与工作流场区的变径流道连接，在连接处也采用圆角导角方式设计，避免湍流。

上述变径石墨双极板是指工作流场区设置有流道内径变化即变径流道的双极板。

本发明还提供一种氢燃料电池堆，采用如上所述的变径石墨双极板，如图7所示，还包括上端板13、正极集流板14、绑带15、膜电极16、密封圈17、双极板22、负极集流板18、绝缘板19、支撑板20和下端板21。膜电极16、密封圈17和双极板22组成一个单电池组，多个单电池组叠放形成电池组。依次按照上端板13、正极集流板14、多个单电池组、负极集流板18、绝缘板19、支撑板20、下端板21组装，然后用绑带15紧固成一体。

上端板13具有绝缘的作用，上端板13左右两端分别设置三个通孔1301，与双极板上气液进出口相匹配。在上端板和下端板外侧设置有卡槽1302，用于卡紧绑带15，固定电堆组件。正极集流板14和负极集流板18位于单电池组两侧，起到输入和输出电流、输出电压的作用。正极集流板和负极集流板两侧均设置有折弯结构1401，以方便通过螺栓对应固定于上端板和下端板上。

上述密封圈17位于膜电极和双极板之间，起到密封的作用。所述密封圈可采用硅橡胶、氟橡胶等材料加工制成，密封效果好。

上述绝缘板19位于负极集流板18和支撑板20之间，起到绝缘隔离的作用。上述支撑板20起到支撑电堆组件的作用，支撑板20上还可进一步设置圆环卡槽用于放置垫圈，缓冲压力，减轻对下端板21的压损。

上述绑带15可采用激光焊接，振动时绑带15不易松动，减少了电堆安装工序和体积，使电堆内部力分布更均匀。

本发明还提供一种氢燃料电池堆的组装方法，包括以下步骤：

(1)将膜电极16、密封圈17和双极板22组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组。

(2)将上端板13、正极集流板14、电池组、负极集流板18、绝缘板19、支撑板20、下端板21从上至下依次叠放排布组装，将电池组上双极板的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带15紧固成一体，绑带15嵌入上端板和下端板外表面的卡槽中，组装形成电池堆。

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)

1.一种变径石墨双极板，其特征在于：包括阳极板和阴极板，所述阳极板包括阳极板体，在阳极板体上设置有阳极流场分配区和阳极工作流场区，阳极工作流场区设置于阳极板体的中部，阳极流场分配区设置于阳极工作流场区的两端；

所述阳极流场分配区设置有阳极导流条组，在阳极导流条组的末端部且接近阳极工作流场区的位置处设置有柱状凸起组；

所述阳极工作流场区设置有变径流道；

所述阴极板包括阴极板体，在阴极板体上设置有阴极流场分配区和阴极工作流场区，阴极工作流场区设置于阴极板体的中部，阴极流场分配区设置于阴极工作流场区的两端；

所述阴极流场分配区设置有阴极导流条组和分配条组；

所述阴极工作流场区也设置有变径流道；

在阳极板体的两端和阴极板体的两端均设置有相适配的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口。

2.根据权利要求1所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述阳极导流条组包括若干个呈直角布置的阳极导流条，阳极导流条包括间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条，间断直角阳极导流条是由若干个阳极导流条段体组成，间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条呈间隔排布。

3.根据权利要求2所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述间断直角阳极导流条包括第一阳极导流条段体和第二阳极导流条段体，第一阳极导流条段体和第二阳极导流条段体呈垂直布置；所述连续直角阳极导流条在弯折处为圆角过渡；

所述间断直角阳极导流条和连续直角阳极导流条的宽度相同，均为0.6-1.0mm。

4.根据权利要求2所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述间断直角阳极导流条和相邻的连续直角阳极导流条之间的间距，在接近阴极流场工作区的一侧设置为间距相同，在远离阴极流场工作区的另一侧设置为从一端至另一端间距逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述柱状凸起组包含2-3个圆柱状凸起，圆柱状凸起的直径为1.0-1.2mm，圆柱状凸起的高度与阳极工作流场区设置的变径流道的脊高相同；所述阳极工作流场区设置的变径流道的宽度为0.3-1.2mm，沟深为0.3-0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述阴极导流条组包括若干个阴极导流条，阴极导流条包括第一阴极导流条段体和第二阴极导流条段体，第一阴极导流条段体和第二阴极导流条段体之间的夹角为钝角；第二阴极导流条段体的端部连接阴极工作流场区；

所述阴极导流条的宽度为0.6-1.0mm，相邻阴极导流条之间的间距为0.7-1.0mm。

7.根据权利要求6所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述分配条组包括若干个平行布置的分配条，分配条与第二阴极导流条段体呈平行布置；分配条由若干个间隔布置的分配条段体组成，组成每个分配条的所有分配条段体均处于一条直线上。

8.根据权利要求7所述的一种变径石墨双极板，其特征在于：所述分配条的宽度为0.3-0.8mm；分配条上相邻分配条段体之间的间距为0.5-1.0mm，相邻分配条之间的间距为0.7-1.0mm；

所述阴极导流条的高度、分配条的高度与阴极工作流场区的变径流道的脊高相等。

9.一种氢燃料电池堆，其特征在于：采用如权利要求1-8中任一权利要求所述的变径石墨双极板；该电池堆还包括上端板、正极集流板、绑带、膜电极、密封圈、负极集流板、绝缘板、支撑板和下端板；

膜电极、密封圈和双极板组装成一个单电池组，多个单电池组上下叠放形成电池组；

在电池组的上方设置有正极集流板，在正极集流板的上方设置有上端板，在电池组的下方设置有负极集流板，在负极集流板的下方设置有绝缘板，在绝缘板的下方设置有下端板，在绝缘板和下端板之间设置有支撑板；

在上端板和下端板上均设置有与绑带相配合的卡槽。

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、密封圈和双极板组装形成单电池组，然后将多个单电池组上下叠放组装形成电池组；

(2)将上端板、正极集流板、电池组、负极集流板、绝缘板、支撑板、下端板从上至下依次叠放排布组装，将电池组上双极板的阴极进出口、阳极进出口和冷却水进出口对应与上端板的水气连接端口连通，然后通过绑带紧固成一体，绑带嵌入上端板和下端板外表面的卡槽中，组装形成电池堆。