CN1866592A - 适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，该导流双极板为空气导流板与冷却流体板相背以及与氢气导流板组合一体的矩形导流双极板，该导流双极板包括空气进气主流孔、空气出气主流孔、氢气进气主流孔、氢气出气主流孔、冷却流体进口主流孔、冷却流体出口主流孔，各流体进、出主流孔设置在矩形导流双极板的两端，所述的空气导流板的空气进、出气主流孔之间设有多根空气流槽，所述的冷却流体板的冷却流体进、出口主流孔之间设有多根冷却流体流槽，所述的氢气导流板的氢气进、出气主流孔之间设有多根氢气流槽。与现有技术相比，本发明具有导流槽不易堵水、运行稳定等优点。

Description

适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：

阴极反应：

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流母板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可作手提式、移动式、固定式的发电装置。质子交换膜燃料电池发电系统必须包括燃料电池堆、燃料氢气供应、空气供应、冷却散热、自动控制及电能输出等各个部分。质子交换膜燃料电池运行的稳定与可靠性对作为车、船动力系统或可移式发电装置的应用是非常重要的。其中提高燃料电池堆的运行稳定与可靠性是关键。

目前，在质子交换膜燃料电池堆导流双极板的设计中，为了减小空气、氢气阻力，一般空气、氢气流槽的单根横截面尺寸都较大，而且空气、氢气流槽的根数较少；此外，为了增加氧化剂空气、燃料氢气向电极反应区快速扩散，空气、氢气导流板上的空气流槽往往设计成蛇形或弯弯曲曲形状，使流体通过形成紊流，有利于向电极内部反应区扩散，如图1所示。

上述燃料电池堆中空气、氢气导流极板的导流场设计存在以下技术缺陷：

由于空气、氢气流槽的根数较少且弯曲性很大，而空气、氢气流槽长度又较长，因此燃料电池生成的产物水很容易在电极阴极侧出现而将空气流槽堵塞，而且燃料电池生成的产物水也很容易通过反渗透在电极阳极侧出现，将氢气流槽堵塞。特别是燃料电池作为车、船动力系统或可移式发电装置应用时，由于动力系统的工况变化很大，燃料电池的输出功率也变化很大，这样燃料电池生成的水更容易将空气、氢气流槽堵塞。

另外，为了防止燃料电池生成的水堵塞导流槽，往往采用提高燃料电池运行的空气与氢气计量比，也就是加大空气、氢气流量，用过量的空气、氢气将产物水带出燃料电池，这种运行方法实际上是提高了燃料电池的运行压力，增加了运行成本，降低了安全性，而且有悖于将燃料电池设计成适合常压或低压运行(尤其是作为车、船发动机时)的发展趋势，同时也大大降低了燃料电池系统效率，因为过量的空气被浪费或过量的氢气被循环输送，必然造成输送空气或循环氢气的机械功耗增加，从而降低了燃料电池系统效率。

再次，当运行中燃料电池导流极板空气流槽或氢气流槽堵塞时，会表现出某个别堵塞电池电压很低甚至出现负值，导致燃料电池运行不稳定，严重时会将电极击穿，并使整个电池堆毁坏。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种导流槽不易堵塞、运行稳定的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，该导流双极板为空气导流板与冷却流体板相背以及与氢气导流板组合一体的矩形导流双极板，该导流双极板包括空气进气主流孔、空气出气主流孔、氢气进气主流孔、氢气出气主流孔、冷却流体进口主流孔、冷却流体出口主流孔，各流体进、出主流孔设置在矩形导流双极板的两端，所述的空气导流板的空气进、出气主流孔之间设有多根空气流槽，所述的冷却流体板的冷却流体进、出口主流孔之间设有多根冷却流体流槽，所述的氢气导流板的氢气进、出气主流孔之间设有多根氢气流槽。

所述的导流双极板的组合体为：空气导流板与冷却流体板相背，并与单独的氢气导流板用粘接材料胶合在一起，形成导流双极板，该导流双极板的正面是导空气流场，背面是导氢气流场，中间夹层是导冷却流体场。

所述的各流体主流孔之间、各流体主流孔与空气、氢气流槽或冷却流体流槽之间、空气、氢气导流板或冷却流体板的外围设有密封槽。

所述的多根空气或氢气流槽由空气或氢气进气主流孔分出，总体上呈弓形走向分布，再于空气或氢气出气主流孔汇集。

所述的空气、氢气流槽与空气进、氢气进主流孔，空气出、氢气出主流孔的连接部设有金属桥封，空气、氢气可从该金属桥封下面通过。

所述的从空气、氢气进气主流孔分出的多根空气、氢气流槽经过一段直形流场后又进行至少一分为二的细分，再经过整个弓形流场后又进行至少合二为一的合并，重新形成多根空气、氢气流槽，该多根空气、氢气流槽经过一段直形流场后于空气、氢气出气主流孔汇集。

所述的由冷却流体进口主流孔分出的多根冷却流体流槽在走过一段直形流场之后，一半冷却流体流槽90度拐弯并进行至少一分为二的细分，另一半冷却流体流槽从相反的方向90度拐弯并进行至少一分为二的细分，两部分冷却流体流槽走过弓形流场后，再分别进行至少合二为一的合并，重新形成多根冷却流体流槽向冷却流体出口主流孔汇集。

所述的冷却流体内夹板上的对角处各设一电压检测槽。

所述的空气、氢气导流板的对角处各设一定位孔。

所述的空气、氢气以及冷却流体流槽的槽深×槽宽＝0.2～1.0×0.2～2mm，槽的根数为10～80根。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用多根主空气、氢气流槽将空气、氢气导流板上的空气、氢气进主流孔与空气、氢气出主流孔连接起来，而每根空气、氢气主流槽经过一段流场后又各分出至少二根支空气、氢气流槽，至少二根支空气、氢气流槽经过整个流场后又合并为主空气、氢气流槽。空气、氢气从进口到出口的整个流场上的总体流向呈弓型，而不是像现有图1技术中反复来回弯曲，不但是流动的路线长，而且流动阻力大；每根主流槽又各分出至少二根支流槽，大大降低了流动阻力；而空气、氢气可以由多根主流槽进入空气、氢气导流场，也可以由多根主流槽出空气、氢气导流场，不易堵水。

所以采用上述本发明技术，空气、氢气进出口之间的压力差很小，利于燃料电池的常压或低压运行。

另外，冷却流体导流场也采用上述技术，使冷却流体流阻小，并且使冷却流体进出温差小，燃料电池运行温度均匀。

而且，由于氢气、空气、冷却流体进口分出的多根主流槽在走过一段直形流场后，每根主流槽都进行至少一分为二根以上的细分，细分的所有支流槽在走过大部分导流场后，分别进行至少合二为一根的支流槽的合并，重新形成多根主流槽向出口主流孔汇集。上述本发明技术可以保证在导流双极板的各个氢气、空气、冷却流体进出流体孔的面积尽量小，从而减少了这些流体孔占据整个导流双极板的有效反应面积，从而增加了燃料电池的体积重量比功率。

附图说明

图1为现有导流极板的结构示意图；

图2为本发明导流双极板正面空气导流板的结构示意图；

图3为本发明另一种导流双极板正面空气导流板的结构示意图；

图4为本发明导流双极板中间冷却流体夹板的结构示意图；

图5为本发明导流双极板反面氢气导流板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2、图4、图5所示，适合常压燃料电池的组合体式导流双极板，尺寸为150×200×1.5mm，该导流双极板为空气导流板1与冷却流体板2相背以及与氢气导流板16组合一体的矩形导流双极板，该导流双极板包括空气进气主流孔3、空气出气主流孔4、氢气进气主流孔5、氢气出气主流孔6、冷却流体进口主流孔7、冷却流体出口主流孔8，各流体进、出主流孔设置在矩形导流双极板的两端，所述的空气导流板1的空气进、出气主流孔之间设有多根空气流槽9，所述的冷却流体板2的冷却流体进、出口主流孔之间设有多根冷却流体流槽10，所述的氢气导流板16的氢气进、出气主流孔之间设有多根氢气流槽17。

所述的导流双极板的组合体为：空气导流板1与冷却流体板2相背，并与单独的氢气导流板16用粘接材料胶合在一起，形成导流双极板，该导流双极板的正面是导空气流场，背面是导氢气流场，中间夹层是导冷却流体场。

所述的各流体主流孔之间、各流体主流孔与空气、氢气流槽或冷却流体流槽之间、空气、氢气导流板或冷却流体板的外围设有密封槽11。

所述的多根空气或氢气流槽9、17由空气或氢气进气主流孔分出，总体上呈弓形走向分布，再于空气或氢气出气主流孔汇集。

所述的空气、氢气流槽与空气进、氢气进主流孔，空气出、氢气出主流孔的连接部设有金属桥封12，空气、氢气可从该金属桥封12下面通过。

所述的由冷却流体进口主流孔分出的多根冷却流体流槽10在走过一段直形流场之后，一半冷却流体流槽90度拐弯并进行至少一分为二的细分(形成支流槽)，另一半冷却流体流槽从相反的方向90度拐弯并进行至少一分为二的细分，两部分冷却流体流槽走过弓形流场后，再分别进行至少合二为一的合并，重新形成多根冷却流体流槽向冷却流体出口主流孔汇集。

所述的冷却流体内夹板2上的对角处各设一电压检测槽13。

所述的空气、氢气导流板的对角处各设一定位孔14。

所述的空气、氢气流槽的槽深×槽宽＝0.5×0.8mm，流槽根数为13根，所述的冷却流体流槽的槽深×槽宽＝0.5×0.8mm，主流槽根数为10根，支流槽的总根数为20根。

实施例2

如图3、图4、图5所示，适合常压燃料电池的组合体式导流双极板，尺寸为150×200×1.5mm，该导流双极板为空气导流板1与冷却流体板2相背以及与氢气导流板16组合一体的矩形导流双极板，该导流双极板包括空气进气主流孔3、空气出气主流孔4、氢气进气主流孔5、氢气出气主流孔6、冷却流体进口主流孔7、冷却流体出口主流孔8，各流体进、出主流孔设置在矩形导流双极板的两端，所述的空气导流板1的空气进、出气主流孔之间设有多根空气流槽9，所述的冷却流体板2的冷却流体进、出口主流孔之间设有多根冷却流体流槽10，所述的氢气导流板16的氢气进、出气主流孔之间设有多根氢气流槽17。

所述的从空气、氢气进气主流孔分出的多根空气、氢气流槽9、17经过一段直形流场后又进行至少一分为二的细分(形成支流槽15、18)，再经过整个弓形流场后又进行至少合二为一的合并，重新形成多根空气、氢气流槽9、17，该多根空气、氢气流槽经过一段直形流场后于空气、氢气出气主流孔汇集。

所述的空气、氢气流槽的槽深×槽宽＝0.5×0.8mm，主流槽根数为13根，支流槽的总根数为26根，所述的冷却流体流槽的槽深×槽宽＝0.5×0.8mm，主流槽根数为10根，支流槽的总根数为20根。

其余结构与实施例1相同。

实施例3

实施例1中的燃料电池堆中所采用的是一种适合常压空气运行的燃料电池空气导流极板，尺寸为150×200×1.5mm，本实施例3是一种适合低压空气运行的燃料电池空气导流极板，尺寸为150×200×1.5mm，其他设计均与实施例1中的相同，所不同的是：空气流槽深×槽宽＝0.3×0.8mm，主流槽同支流槽的根数为20根，空气从该导流极板进口进入所遇到的流动阻力比实施例1中大，所以空气运行压力大约是0.5个大气压(相对压力)，其他冷却流体导流场与氢气导流场结构与实施例1相同。

实施例4

实施例1中的燃料电池堆中所采用的是一种适合常压氢气运行的燃料电池氢气导流极板，尺寸为150×200×1.5mm，本实施例4是一种适合低压氢气运行的燃料电池氢气导流极板，尺寸为150×200×1.5mm，其他设计均与实施例1中相同，所不同的是：氢气流槽深×槽宽＝0.2×0.8mm，主流槽的根数为12根，支流槽的根数为24根；氢气从该导流极板进口进入所遇到的流动阻力比实施例1中大，所以氢气运行压力大约是0.5个大气压(相对压力)，其他冷却流体导流场、空气导流场结构与实施例1相同。

Claims (10)

1.适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，该导流双极板为空气导流板与冷却流体板相背以及与氢气导流板组合一体的矩形导流双极板，该导流双极板包括空气进气主流孔、空气出气主流孔、氢气进气主流孔、氢气出气主流孔、冷却流体进口主流孔、冷却流体出口主流孔，各流体进、出主流孔设置在矩形导流双极板的两端，所述的空气导流板的空气进、出气主流孔之间设有多根空气流槽，所述的冷却流体板的冷却流体进、出口主流孔之间设有多根冷却流体流槽，所述的氢气导流板的氢气进、出气主流孔之间设有多根氢气流槽。

2.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的导流双极板的组合体为：空气导流板与冷却流体板相背，并与单独的氢气导流板用粘接材料胶合在一起，形成导流双极板，该导流双极板的正面是导空气流场，背面是导氢气流场，中间夹层是导冷却流体场。

3.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的各流体主流孔之间、各流体主流孔与空气、氢气流槽或冷却流体流槽之间、空气、氢气导流板或冷却流体板的外围设有密封槽。

4.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的多根空气或氢气流槽由空气或氢气进气主流孔分出，总体上呈弓形走向分布，再于空气或氢气出气主流孔汇集。

5.根据权利要求1或2或4所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的空气、氢气流槽与空气进、氢气进主流孔，空气出、氢气出主流孔的连接部设有金属桥封，空气、氢气可从该金属桥封下面通过。

6.根据权利要求1或4所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的从空气、氢气进气主流孔分出的多根空气、氢气流槽经过一段直形流场后又进行至少一分为二的细分，再经过整个弓形流场后又进行至少合二为一的合并，重新形成多根空气、氢气流槽，该多根空气、氢气流槽经过一段直形流场后于空气、氢气出气主流孔汇集。

7.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的由冷却流体进口主流孔分出的多根冷却流体流槽在走过一段直形流场之后，一半冷却流体流槽90度拐弯并进行至少一分为二的细分，另一半冷却流体流槽从相反的方向90度拐弯并进行至少一分为二的细分，两部分冷却流体流槽走过弓形流场后，再分别进行至少合二为一的合并，重新形成多根冷却流体流槽向冷却流体出口主流孔汇集。

8.根据权利要求1或7所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的冷却流体内夹板上的对角处各设一电压检测槽。

9.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的空气、氢气导流板的对角处各设一定位孔。

10.根据权利要求1所述的适合常压或低压燃料电池的组合体式导流双极板，其特征在于，所述的空气、氢气以及冷却流体流槽的槽深×槽宽＝0.2～1.0×0.2～2mm，槽的根数为10～80根。

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