CN117039033A - 一种高效氢燃料电池双极板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效氢燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板；所述阴极板一侧将氢气进气通道输送进来的氢气，均匀分配布散到阴极板的反应区，使氢气透过膜电极与空气中的氧气发生反应产生电能，同时所述阴极板另一侧的冷却水经由阴极冷却水进口，均布于阴极板的反应区背面，带离反应产生的热量；所述阳极板一侧将空气进气通道输送进来的空气，均匀分配布散到阳极板的反应区，使透过膜电极的氢气与空气中的氧气反应产生电能，同时阳极板另一侧的冷却水经由阳极冷却水进口，均布于阳极板的反应区背面。本双极板保证气体从分配区均匀分散流到反应区内，使反应区内的氢气与空气充分、均匀的反应，提高氢燃料电池发电效率，提高电堆体积功率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种高效氢燃料电池双极板。
背景技术
氢燃料电池是一种把清洁能源氢气所具有的化学能直接转化为电能的典型电化学装置。氢燃料电池的关键部件是电极、质子交换膜与双极板。其中双极板具有分隔氧化剂和还原剂、收集电流、引导反应气体均匀分布、导热、排水等重要作用，而其性能很大程度取决于流场结构。一般的流场结构形式是通过在金属板、石墨碳板或复合材料表面加工一片沟槽，即形成流场，流场的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。现有氢燃料电池双极板的排水、传质、散热性能不佳，不利于空气与膜电极充分接触，且体积功率低下，气体短路堵塞的情况时有发生。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高效氢燃料电池双极板，通过全新设计的氢气、空气流道以及冷却水流道改善双极板排水、传质、散热性能，提高氢燃料电池体积功率。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种高效氢燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板；所述阴极板一侧将氢气进气通道输送进来的氢气，经由氢气进气口，以及氢气分配区，均匀分配布散到阴极板的反应区，使氢气透过膜电极与空气中的氧气发生反应产生电能，同时所述阴极板另一侧的冷却水经由阴极冷却水进口，以及阴极冷却水分配区，均布于阴极板的反应区背面，带离反应产生的热量，变热的冷却水经由阴极冷却水出口排出；所述阳极板一侧将空气进气通道输送进来的空气，经由空气进气口，以及空气分配区，均匀分配布散到阳极板的反应区，使透过膜电极的氢气与空气中的氧气反应产生电能，同时阳极板另一侧的冷却水经由阳极冷却水进口，以及阳极冷却水分配区，均布于阳极板的反应区背面，带离反应产生的热量，变热的冷却水经由阳极冷却水出口排出。
进一步的，所述阴极板外周为阴极第一支撑脊，阴极板内设有阴极第二支撑脊；所述阴极第一支撑脊与阴极第二支撑脊之间为阴极板密封槽，在阴极板密封槽上设有阴极冷却水进口、阴极冷却水出口、空气回气通道和空气进气通道，所述空气回气通道和空气进气通道为圆形通道；阴极第二支撑脊内设有阴极板的反应区、氢气进气口、氢气分配区和氢气出气口。
进一步的，所述阴极板的反应区包括多个阴极板流道脊和多个阴极板流道槽，氢气分配区分散进来的氢气通过阴极板流道脊后，将层流状态转换成湍流状态进入到阴极板流道槽中，所述阴极板流道槽用于缓冲氢气，使氢气充分接触膜电极。
进一步的，所述阴极板流道槽高度低于阴极板流道脊，所述阴极板流道脊高度略低于阴极第二支撑脊，相邻阴极板流道脊之间为阴极板流道槽，其组成连续多个“∧”型。
进一步的，所述氢气进气口、氢气分配区位于阴极第二支撑脊底部，所述氢气进气口用于输入氢气，在氢气分配区设有多个不同角度的阴极柱台，所述阴极柱台高度低于阴极板流道脊，且高于阴极板流道槽；所述氢气出气口位于阴极第二支撑脊顶部，用于将反应后的剩余氢气收集回流排出电堆。
更进一步的，所述阳极板外周为阳极第一支撑脊，阳极板内设有阳极第二支撑脊；所述阳极第一支撑脊与阳极第二支撑脊之间为阳极板密封槽，在阳极板密封槽上设有阳极冷却水进口、阳极冷却水出口、氢气回气通道和氢气回气通道，所述氢气回气通道和氢气回气通道为圆形通道；阳极第一支撑脊内设有阳极板的反应区、空气进气口、空气分配区和空气出气口。
更进一步的，所述阳极板的反应区包括多个阳极板流道脊和多个阳极板流道槽，空气分配区分散进来的空气通过阳极板流道脊后，将层流状态转换成湍流状态进入到阳极板流道槽中，所述阳极板流道槽用于缓冲空气，使空气充分接触膜电极。
更进一步的，所述阳极板流道槽高度低于阳极板流道脊，所述阳极板流道脊高度略低于阳极第二支撑脊，相邻阳极板流道脊之间为阳极板流道槽，其组成连续多个“∧”型。
更进一步的，所述空气进气口、空气分配区位于阳极第二支撑脊顶部，所述空气进气口用于输入空气，在空气分配区设有多个不同角度的阳极柱台，所述阳极柱台高度低于阳极板流道脊，且高于阳极板流道槽；所述空气出气口位于阳极第二支撑脊底部，用于将反应后的剩余空气收集回流排出电堆。
更进一步的，向阴极板密封槽、阳极板密封槽内加注密封胶，然后将阴极板、阳极板扣紧压实后形成一个密封的电极板，此时阳极板的“∧”型结构正置，阴极板的“∧”型结构倒置；空气与氢气反应后产生的水位于阳极板侧。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：
1)、本高效氢燃料电池双极板，采用“∧”型流道，既可起到支撑作用，同时也可保证气体从分配区均匀分散流到反应区内，该形式的流道充分保证反应区内的氢气与空气充分、均匀的反应，提高氢燃料电池发电效率，缩小电堆的尺寸，提高电堆体积功率。
2)、本高效氢燃料电池双极板，氢气以及空气进回通道采用圆形通道，降低气体在电堆内流动阻力，同时“∧”型流道的设计，进一步降低了气体在电堆内的压力降，减少动力损失，可降低系统匹配的空压机压缩比。
3)、本高效氢燃料电池双极板，阳极板的“∧”型流道，倒置设计，便于反应产生的液态水向两侧分别汇流，迅速排出电堆，尽可能提高中心高效区域反应效率，并且可进一步降低流动阻力，有利于提高电堆性能，避免气体短路堵塞的情况发生。
附图说明
图1为阴极板正面示意图；
图2为阴极板背面示意图；
图3为阴极板流道截面示意图；
图4为阳极板正面示意图；
图5为阳极板背面示意图；
图6为图4中阳极板A处局部放大图；
图中序号说明：1、氢气进气口；2、氢气分配区；3、阴极板流道脊；4、阴极板流道槽；5、阴极第二支撑脊；6、阴极第一支撑脊；7、阴极板密封槽；8、空气进气通道；9、阴极冷却水进口；10、氢气出气口；11、阴极板的反应区；12、空气回气通道；13、阴极冷却水出口；14、阴极冷却水分配区；15、空气出气口；16、空气分配区；17、阳极板流道槽；18、阳极板流道脊；19、阳极第二支撑脊；20、阳极板密封槽；21、氢气回气通道；22、阳极冷却水出口；23、空气进气口；24、阳极板的反应区；25、氢气进气通道；26、阳极冷却水进口。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本实施例提供一种高效氢燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板；
如图1-3所示，所述阴极板一侧将氢气进气通道输送进来的氢气，经由氢气进气口，以及氢气分配区，均匀分配布散到阴极单板中，利于氢气透过膜电极与空气中的氧气高效反应，产生电能，同时另一侧的冷却水经由冷却水进口，以及阴极冷却水分配区，均布于通道背面，快速带离反应产生的热量，做好水热管理，变热的冷却水经由冷却水出口排出。
所述阴极板的反应区包括阴极板流道脊和阴极板流道槽，氢气分配区分散进来的氢气通过所述阴极板流道脊将层流状态转换成湍流状态进入到阴极板流道槽中，利于氢气与膜电极充分接触、反应，提升氢气扩散能力；其阴极板流道脊的高度略低于阴极第二支撑脊，且高于阴极板流道槽，组成连续多个“∧”型结构，阴极板流道脊跨度可以为10-12mm，脊高可以为0.24-0.32mm。其阴极板流道槽为主反应区，设计宽度大，增加膜电极与反应气体的接触面积，阴极板流道槽宽度的增大，亦可有效降低接触电阻，其位于两个相邻的阴极板流道脊之间，高度低于阴极板流道脊，用于缓冲氢气，使氢气充分接触膜电极进行反应。
所述氢气进气口、氢气分配区位于阴极第二支撑脊底部内，所述氢气进气口向阴极板输入氢气，氢气分配区将氢气进气口进入的氢气均匀分配到反应区，具体为：通过不同角度的阴极柱台，将氢气分散，引流，柱台高度低于流道脊，高于流道槽；氢气出气口将反应后的剩余氢气收集回流排出电堆。空气进气通道将待参与反应的空气输送到阳极板，空气回气通道将反应后的剩余空气收集回流排出电堆。
阴极冷却水进口位于阴极板顶部，用于将低温冷却水引入阴极冷却水分配区；阴极冷却水分配区将冷却水均匀分配至冷却水流道中，提高冷却效率；阴极冷却水出口位于阴极板底部，用于将高温的冷却水收集回流，排出电堆。
所述阴极板外周为阴极第一支撑脊，阴极板内设有阴极第二支撑脊；当双极板整体堆砌压紧时，起到机械支撑作用，支撑脊是阴极板最厚的位置，机械强度最大，可有效提供支撑力，防止电堆压紧时发生崩溃。同时内外两道的支撑脊之间形成阴极板密封槽，其将氢气、空气、冷却水以及外部环境通过密封槽隔离密封。
如图4-6所示，所述阳极板一侧将空气进气通道输送进来的空气，经由空气进气口，以及空气分配区，均匀分配布散到阳极单板中，利于透过膜电极的氢气与空气中的氧气高效反应，产生电能，同时另一侧的冷却水经由冷却水进口，以及阳极冷却水分配区，均布于通道背面，快速带离反应产生的热量，做好水热管理，变热的冷却水经由冷却水出口排出。
所述阳极板的反应区包括阳极板流道脊和阳极板流道槽，空气分配区分散进来的空气通过所述阳极板流道脊将层流状态转换成湍流状态进入到阳极板流道槽中，利于空气与膜电极充分接触，反应，提升空气扩散能力；其阳极板流道脊的高度略低于阳极第二支撑脊，且高于阳极板流道槽，组成连续多个“∧”型结构，阳极板流道脊跨度可以为10-12mm，脊高可以为0.24-0.32mm。其阳极板流道槽为主反应区，设计宽度大，增加膜电极与反应气体的接触面积，阳极板流道槽宽度的增大，亦可有效降低接触电阻，其位于两个相邻的阳极板流道脊之间，高度低于阳极板流道脊，用于缓冲空气，使空气充分接触膜电极，与氢气进行反应。
所述空气进气口向阳极板输入空气，空气分配区将空气进气口进入的空气均匀分配到反应区，具体为：通过不同角度的阳极柱台，将空气分散、引流，阳极柱台高度低于流道脊，高于流道槽。空气出气口将反应后的剩余空气收集回流排出电堆。氢气进气通道将待参与反应的氢气输送到阴极板，氢气回气通道，将反应后的剩余氢气以及反应水收集回流排出电堆。
所述阳极冷却水进口位于阳极板底部，用于将低温冷却水引入阳极冷却水分配区，阳极冷却水分配区将冷却水均匀分配至冷却水流道中，提高冷却效率；阳极冷却水出口位于阳极板顶部，用于将高温的冷却水收集回流，排出电堆。
所述阳极板外周为阳极第一支撑脊，阳极板内设有阳极第二支撑脊；当双极板整体堆砌压紧时，起到机械支撑作用，支撑脊是阳极板最厚的位置，机械强度最大，可有效提供支撑力，防止电堆压紧时发生崩溃。同时内外两道的支撑脊之间形成阳极板密封槽，其将氢气、空气、冷却水以及外部环境通过密封槽隔离密封
一个阳极板和一个阴极板相向扣合，形成一个电极板，阴极板的氢气进气口位于下端，“∧”型流道倒置，阳极板的空气进气口位于上端，“∧”型流道正置，空气与氢气反应后产生的水位于阳极板侧，倒”∧”型流道，可快速收集，排出反应水，防止水淹现象发生。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高效氢燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板；其特征在于，所述阴极板一侧将氢气进气通道输送进来的氢气，经由氢气进气口，以及氢气分配区，均匀分配布散到阴极板的反应区，使氢气透过膜电极与空气中的氧气发生反应产生电能，同时所述阴极板另一侧的冷却水经由阴极冷却水进口，以及阴极冷却水分配区，均布于阴极板的反应区背面，带离反应产生的热量，变热的冷却水经由阴极冷却水出口排出；所述阳极板一侧将空气进气通道输送进来的空气，经由空气进气口，以及空气分配区，均匀分配布散到阳极板的反应区，使透过膜电极的氢气与空气中的氧气反应产生电能，同时阳极板另一侧的冷却水经由阳极冷却水进口，以及阳极冷却水分配区，均布于阳极板的反应区背面，带离反应产生的热量，变热的冷却水经由阳极冷却水出口排出。
2.根据权利要求1所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板外周为阴极第一支撑脊，阴极板内设有阴极第二支撑脊；所述阴极第一支撑脊与阴极第二支撑脊之间为阴极板密封槽，在阴极板密封槽上设有阴极冷却水进口、阴极冷却水出口、空气回气通道和空气进气通道，所述空气回气通道和空气进气通道为圆形通道；阴极第二支撑脊内设有阴极板的反应区、氢气进气口、氢气分配区和氢气出气口。
3.根据权利要求2所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板的反应区包括多个阴极板流道脊和多个阴极板流道槽，氢气分配区分散进来的氢气通过阴极板流道脊后，将层流状态转换成湍流状态进入到阴极板流道槽中，所述阴极板流道槽用于缓冲氢气，使氢气充分接触膜电极。
4.根据权利要求3所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板流道槽高度低于阴极板流道脊，所述阴极板流道脊高度略低于阴极第二支撑脊，相邻阴极板流道脊之间为阴极板流道槽，其组成连续多个“∧”型。
5.根据权利要求2所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述氢气进气口、氢气分配区位于阴极第二支撑脊底部，所述氢气进气口用于输入氢气，在氢气分配区设有多个不同角度的阴极柱台，所述阴极柱台高度低于阴极板流道脊，且高于阴极板流道槽；所述氢气出气口位于阴极第二支撑脊顶部，用于将反应后的剩余氢气收集回流排出电堆。
6.根据权利要求2所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板外周为阳极第一支撑脊，阳极板内设有阳极第二支撑脊；所述阳极第一支撑脊与阳极第二支撑脊之间为阳极板密封槽，在阳极板密封槽上设有阳极冷却水进口、阳极冷却水出口、氢气回气通道和氢气回气通道，所述氢气回气通道和氢气回气通道为圆形通道；阳极第一支撑脊内设有阳极板的反应区、空气进气口、空气分配区和空气出气口。
7.根据权利要求6所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板的反应区包括多个阳极板流道脊和多个阳极板流道槽，空气分配区分散进来的空气通过阳极板流道脊后，将层流状态转换成湍流状态进入到阳极板流道槽中，所述阳极板流道槽用于缓冲空气，使空气充分接触膜电极。
8.根据权利要求7所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板流道槽高度低于阳极板流道脊，所述阳极板流道脊高度略低于阳极第二支撑脊，相邻阳极板流道脊之间为阳极板流道槽，其组成连续多个“∧”型。
9.根据权利要求6所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，所述空气进气口、空气分配区位于阳极第二支撑脊顶部，所述空气进气口用于输入空气，在空气分配区设有多个不同角度的阳极柱台，所述阳极柱台高度低于阳极板流道脊，且高于阳极板流道槽；所述空气出气口位于阳极第二支撑脊底部，用于将反应后的剩余空气收集回流排出电堆。
10.根据权利要求6所述一种高效氢燃料电池双极板，其特征在于，向阴极板密封槽、阳极板密封槽内加注密封胶，然后将阴极板、阳极板扣紧压实后形成一个密封的电极板，此时阴极板的“∧”型结构倒置，阳极板的“∧”型结构正置；空气与氢气反应后产生的水位于阳极板侧。
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