CN207624811U - 双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双极板及燃料电池，涉及燃料电池的技术领域，双极板包括阴极板和阳极板；阴极板上设置有多个空气流场沟脊；每两个相邻的空气流场沟脊之间形成空气流道；空气流场沟脊的宽度和高度均为100‑1000微米；空气流道的宽度为100‑1000微米；阳极板上设置有多个氢气流场沟脊；每两个氢气流场沟脊之间形成氢气流道；氢气流场沟脊的宽度和高度均为100‑1000微米；氢气流道宽度为100‑1000微米。该双极板的流道的超细密化设置能够令气体在流道的流通过程中分布更加均匀，在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，实现快速排水，避免电极水淹，因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

Description

双极板及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学氧化反应而发电的装置，市场前景十分广阔。燃料电池具体可分为质子交换膜燃料电池、高温固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池通常是由膜电极、气体扩散层、双极板等部件交替堆叠而成。双极板主要分为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。其中，金属薄板具有较高的强度以及良好的导电、导热性能，原材料价格便宜且适合大批量生产方式，是燃料电池产业化的第一选择。

燃料电池的排水技术在由传统的重力排水方式向压力排水方式转变，而这一转变对空压机性能提出了更高的技术要求。在采用压力排水替代传统重力排水策略中，需要大功率的空压机，通过增大流路压力损失梯度来实现燃料电池排水，防止电极水淹现象的产生。

因此，现有技术中的质子交换膜燃料电池金属薄板双极板的设计增加了实用化空压机的开发难度；另一方面空压机功率的提高会造成燃料电池系统有效功率的降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双极板及燃料电池，以改善现有技术中存在的质子交换膜燃料电池金属薄板双极板的设计增加了实用化空压机的开发难度；另一方面空压机功率的提高会造成燃料电池系统有效功率的降低的技术问题。

本实用新型提供的双极板，包括阴极板和阳极板；阴极板和阳极板间隔设置；阴极板远离阳极板的一面间隔设置有多个空气流场沟脊；每两个相邻的空气流场沟脊之间形成空气流道；空气流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米；空气流道的宽度为100-1000微米；阳极板远离阴极板的一面间隔设置有多个氢气流场沟脊；每两个氢气流场沟脊之间形成氢气流道；氢气流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米；氢气流道宽度为100-1000微米；阴极板和阳极板上，沿垂直于其延伸的方向贯穿有氧化剂入口、氧化剂出口、燃料气体入口以及燃料气体出口；氧化剂入口和氧化剂出口通过空气流道连通；燃料气体入口和燃料气体出口通过氢气流道连通。

进一步的，空气流场沟脊依次水平间隔设置；氢气流场沟脊依次水平间隔设置。

进一步的，空气流道为多个，多个空气流道依次间隔设置；阴极板上设置有第一空气导流流道和第二空气导流流道；氧化剂入口通过第一空气导流流道与空气流道连通，氧化剂出口通过第二空气导流流道与空气流道连通；氢气流道为多个，多个氢气流道依次间隔设置；阳极板上设置有第一氢气导流流道和第二氢气导流流道；燃料气体入口通过第一氢气导流流道与氢气流道连通，燃料气体出口通过第二氢气导流流道与氢气流道连通。

进一步的，第一空气导流流道、第二空气导流流道、第一氢气导流流道以及第二氢气导流流道均为多个；每个第一空气导流流道和第二空气导流流道对应的空气流道的数量相同；每个第一氢气导流流道和第二氢气导流流道对应的氢气流道的数量相同。

进一步的，空气流场沟脊包括多个第一沟脊和多个第二沟脊，多个第一沟脊和多个第二沟脊交错设置；多个第一沟脊靠近氧化剂入口的一端依次连接，多个第二沟脊靠近氧化剂出口的一端依次连接；多个第一沟脊和多个第二沟脊围设呈蛇形流道；氢气流场沟脊包括多个第三沟脊和多个第四沟脊，多个第三沟脊和多个第四沟脊依次间隔设置；多个第三沟脊靠近燃料气体入口的一端依次连接，多个第四沟脊靠近燃料气体出口的一端依次连接；多个第三沟脊和多个第四沟脊围设呈蛇形流道。

进一步的，氧化剂入口的大小和氧化剂出口的大小大于燃料气体入口的大小和燃料气体出口的大小。

进一步的，空气流场沟脊和氢气流场沟脊通过丝网印刷工艺制成。

进一步的，阴极板和阳极板的边角处设置为圆角。

进一步的，双极板还包括固定螺栓；阴极板和阳极板上分别设置有与固定螺栓相配合的第一定位孔和第二定位孔。

进一步的，本实用新型还提供了一种燃料电池，燃料电池包括多个膜电极组件和多个双极板；每两个双极板之间设置有一个膜电极组件。

本实用新型提供的双极板，在使用过程中，从氧化剂入口通入空气，空气沿空气流道从氧化剂出口流出；从燃料气体入口通入氢气，氢气沿氢气流道从燃料气体出口流出。该双极板的空气流道、氢气流道、空气流场沟脊以及氢气流场沟脊的宽度均为100-1000微米，这种流道超细密化的设置能够令气体在空气流道或者氢气流道的流通过程中分布更加均匀，在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，能够快速将水排出燃料电池，因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的双极板的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的阴极板的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的阳极板的结构示意图；

图4为本实用新型另一实施例提供的阴极板的结构示意图；

图5为本实用新型另一实施例提供的阳极板的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的燃料电池单电池的结构示意图。

图标：1-阴极板；2-阳极板；3-空气流场沟脊；4-空气流道；5-氢气流场沟脊；6-氢气流道；7-氧化剂入口；8-氧化剂出口；9-燃料气体入口；10-燃料气体出口；11-第一空气导流流道；12-第二空气导流流道；13-第一氢气导流流道；14-第二氢气导流流道；15-第一沟脊；16-第二沟脊；17-第三沟脊；18-第四沟脊；19-第一定位孔；20-第二定位孔；21-膜电极组件；22-冷却水入口；23-冷却水出口；24-冷却水；211-碳纸；212-微孔层；213-催化层；214-质子交换膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1为本实用新型实施例提供的双极板的结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的阴极板的结构示意图；图3为本实用新型实施例提供的阳极板的结构示意图；图4为本实用新型另一实施例提供的阴极板的结构示意图；图5为本实用新型另一实施例提供的阳极板的结构示意图；如图1、图2、图3、图4以及图5所示，本实施例提供的双极板，包括阴极板1和阳极板2；阴极板1和阳极板2间隔设置；阴极板1远离阳极板2的一面间隔设置有多个空气流场沟脊3；每两个相邻的空气流场沟脊3之间形成空气流道4；空气流场沟脊3的宽度和高度均为100-1000微米；空气流道4的宽度为100-1000微米；阳极板2远离阴极板1的一面间隔设置有多个氢气流场沟脊5；每两个氢气流场沟脊5之间形成氢气流道6；氢气流场沟脊5的宽度和高度均为100-1000微米；氢气流道6宽度为100-1000微米；沿阴极板1和阳极板2的延伸方向贯穿有氧化剂入口7、氧化剂出口8、燃料气体入口9以及燃料气体出口10；氧化剂入口7和氧化剂出口8通过空气流道4连通；燃料气体入口9和燃料气体出口10通过氢气流道6连通。

其中，阴极板1和阳极板2上，沿垂直于其延伸的方向还贯穿有冷却水入口22和冷却水出口23。

进一步的，阴极板1和阳极板2之间设置有冷却水24。

进一步的，双极板可以为中心对称结构，或者镜面对称结构等等。

进一步的，空气流道4和氢气流道6沿垂直于其延伸方向的截面的形状可以为矩形。

进一步的，较佳地，空气流场沟脊3和氢气流场沟脊5的宽度和高度为100-300微米。

进一步的，较佳地，空气流道4和氢气流道6的宽度为100-300微米。

进一步的，阴极板1和阳极板2可采用50-500微米厚的不锈钢或者钛合金薄板。

进一步的，每个对应的入口和出口可对角线设置。

进一步的，在能够保证双极板性能的前提下，缩短空气流道4和氢气流道6的长度，即缩短气体的传输距离。这样能够在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，可以实现快速排水，避免水淹电极，因此能够配备更小功率的空压机。

进一步的，在双极板的制备过程中可对空气流道4和氢气流道6进行光滑处理，即疏水处理。当燃料电池在80℃运行条件下，生成的水通常以水蒸气的形式呈现，这样能够利用较大的压力损失梯度将生成的水蒸气快速排出燃料电池，有效防止阴极电极水淹。

本实施例提供的双极板，在使用过程中，从氧化剂入口7通入空气，空气沿空气流道4从氧化剂出口8流出；从燃料气体入口9通入氢气，氢气沿氢气流道6从燃料气体出口10流出。该双极板的空气流道4、氢气流道6、空气流场沟脊3以及氢气流场沟脊5的宽度均为100-1000微米，这种流道超细密化的设置能够令气体在空气流道4或者氢气流道6的流通过程中分布更加均匀，在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，可以实现快速排水，避免水淹电极，因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

如图2、图3、图4以及图5所示，在上述实施例的基础上，进一步的，空气流场沟脊3依次水平间隔设置；氢气流场沟脊5依次水平间隔设置。

其中，阴极板1和阳极板2可以呈矩形，空气流场沟脊3和氢气流场沟脊5均与阴极板1和阳极板2的一边平行。

本实施例中，水平间隔设置能够减少氢气和空气在流通的过程中遇到的阻力，减少压力的损失。

如图2和图3所示，在上述实施例的基础上，进一步的，空气流道4为多个，多个空气流道4依次间隔设置；阴极板1上设置有第一空气导流流道11和第二空气导流流道12；氧化剂入口7通过第一空气导流流道11与空气流道4连通，氧化剂出口8通过第二空气导流流道12与空气流道4连通；氢气流道6为多个，多个氢气流道6依次间隔设置；阳极板2上设置有第一氢气导流流道13和第二氢气导流流道14；燃料气体入口9通过第一氢气导流流道13与氢气流道6连通，燃料气体出口10通过第二氢气导流流道14与氢气流道6连通。

其中，第一空气导流流道11和第二空气导流流道12可分别由至少两个第一空气导流沟脊和至少两个第二空气导流沟脊围设而成；第一氢气导流流道13和第二氢气导流流道14可分别由至少两个第一氢气导流沟脊和至少两个第二氢气导流沟脊围设而成。

进一步的，位于最外侧的两个第一空气导流沟脊分别与位于上下两端的空气流道4靠近氧化剂入口7的一端连接；位于最外侧的两个第二空气导流沟脊分别与位于上下两端的空气流道4靠近氧化剂出口8的一端连接。位于最外侧的两个第一氢气导流沟脊分别与位于上下两端的氢气流道6靠近燃料气体入口9的一端连接；位于最外侧的两个第二氢气导流沟脊分别与位于上下两端的氢气流道6靠近燃料气体出口10的一端连接。

本实施例中，在使用过程中，空气从氧化剂入口7通入，经过第一空气导流流道11进入空气流道4，然后沿第二空气导流流道12从氧化剂出口8流出。氢气从燃料气体入口9通入，经过第一氢气导流流道13进入氢气流道6，然后沿第二氢气导流流道14从燃料气体出口10流出。第一空气导流流道11、第二空气导流流道12、第一氢气导流流道13以及第二氢气导流流道14的设置能够令空气和氢气流通畅通。另外，由于空气从多个空气流道4流通，氢气从多个氢气流道6流通，这样不仅能够加快气体流通的速度，减少流通过程中遇到的阻力，还能够令气体分布更加均匀。

如图2和图3所示，在上述实施例的基础上，进一步的，第一空气导流流道11、第二空气导流流道12、第一氢气导流流道13以及第二氢气导流流道14均为多个；每个第一空气导流流道11和第二空气导流流道12对应的空气流道4的数量相同；每个第一氢气导流流道13和第二氢气导流流道14对应的氢气流道6的数量相同。

本实施例中，在使用过程中，空气从氧化剂入口7通入，并从多条第一空气导流流道11进入至空气流道4，然后经过多条第二空气导流流道12从氧化剂出口8流出；氢气从燃料气体入口9通入，并从多条第一氢气导流流道13进入至氢气流道6，然后经过多条第二氢气导流流道14从燃料气体出口10流出。这种设置能够令空气和氢气分别在空气流道4和氢气流道6中分布的更加均匀。

如图4和图5所示，在上述实施例的基础上，进一步的，空气流场沟脊3包括多个第一沟脊15和多个第二沟脊16，多个第一沟脊15和多个第二沟脊16交错设置；多个第一沟脊15靠近氧化剂入口7的一端依次连接，多个第二沟脊16靠近氧化剂出口8的一端依次连接；多个第一沟脊15和多个第二沟脊16围设呈蛇形流道；氢气流场沟脊5包括多个第三沟脊17和多个第四沟脊18，多个第三沟脊17和多个第四沟脊18依次间隔设置；多个第三沟脊17靠近燃料气体入口9的一端依次连接，多个第四沟脊18靠近燃料气体出口10的一端依次连接；多个第三沟脊17和多个第四沟脊18围设呈蛇形流道。

本实施例中，在使用过程中，空气从氧化剂入口7通入后从蛇形的空气流道4的一端进入，从蛇形的空气流道4的另一端流出；氢气从燃料气体入口9通入口从蛇形的氢气流道6的一端进入，从蛇形的氢气流道6的另一端流出。蛇形流道的设置能够提高阴极板1和阳极板2上的有效面积的利用率。

如图2、图3、图4以及图5所示，在上述实施例的基础上，进一步的，氧化剂入口7的大小和氧化剂出口8的大小大于燃料气体入口9的大小和燃料气体出口10的大小。

本实施例中，由于从氧化剂入口7通入的气体为空气，并不是纯氧气，而从燃料气体入口9通入的是氢气，这种设置是为了有足够的氧气量与氢气反应。

在上述实施例的基础上，进一步的，空气流场沟脊3和氢气流场沟脊5通过丝网印刷工艺制成。

其中，在制作空气流场沟脊3和氢气流场沟脊5的过程中，首先将导电剂、表面活性剂、去离子水按照一定的比例混合，将混合物用搅拌器充分搅拌，待导电剂成模糊状、表面活性剂分散均匀后，添加适量的聚四氟乙烯分散液，继续搅拌从而获得丝网印刷时所需要的浆料。

进一步的，准备好空气流道4和氢气流道6的网版，以及合适粘度的浆料，对阴极板1和阳极板2严格按照印刷工艺进行丝网印刷，经过三段式烘干塔进行干燥处理。印刷完成的阴极板1和阳极板2通过导电胶粘接形成双极板。

本实施例中，丝网印刷的工艺与现有技术相比，能够降低模具开模费用，并且不会受制于金属材料自身特性、精细加工技术及冲压成形过程存在的厚度极限的问题。

如图2、图3、图4以及图5所示，在上述实施例的基础上，进一步的，阴极板1和阳极板2的边角处设置为圆角。

本实施例中，在安装燃料电池的过程中，圆角的设置能够防止划伤工作人员或者其他结构件。

如图2、图3、图4以及图5所示，在上述实施例的基础上，进一步的，双极板还包括固定螺栓；阴极板1和阳极板2上分别设置有与固定螺栓相配合的第一定位孔19和第二定位孔20。

其中，第一定位孔19和第二定位孔20可以为多个，这样能够令阴极板1和阳极板2连接更加稳定，当多个双极板组成燃料电池时，可以令燃料电池更加稳固。

本实施例中，在安装过程中，工作人员将固定螺栓依次穿设过第一定位孔19与第二定位孔20，从而令阴极板1和阳极板2固定连接。固定螺栓、第一定位孔19以及第二定位孔20能够起到限位的作用。

图6为本实用新型实施例提供的燃料电池单电池的结构示意图；如图6所示，在上述实施例的基础上，进一步的，本实用新型实施例还提供了一种燃料电池，燃料电池包括多个膜电极组件21和多个双极板；每两个双极板之间设置有一个膜电极组件21。

其中，膜电极组件21由外向内依次设置有碳纸211、微孔层212、催化层213以及质子交换膜214。空气流道4和氢气流道6超细密化的结构改善了双极板和气体扩散层之间的接触，减小了单元燃料电池的阻抗，改善了催化层213的面积利用效率。

本实施例中，燃料电池具有多个膜电极组件21和多个上述的双极板，其产生的效果与双极板的效果相同，不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种双极板，其特征在于，包括：阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板间隔设置；

所述阴极板远离所述阳极板的一面间隔设置有多个空气流场沟脊；每两个相邻的所述空气流场沟脊之间形成空气流道；所述空气流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米；所述空气流道的宽度为100-1000微米；

所述阳极板远离所述阴极板的一面间隔设置有多个氢气流场沟脊；每两个所述氢气流场沟脊之间形成氢气流道；所述氢气流场沟脊的宽度和高度均为100-1000微米；所述氢气流道宽度为100-1000微米；

所述阴极板和所述阳极板上，沿垂直于其延伸的方向贯穿有氧化剂入口、氧化剂出口、燃料气体入口以及燃料气体出口；所述氧化剂入口和所述氧化剂出口通过所述空气流道连通；所述燃料气体入口和所述燃料气体出口通过所述氢气流道连通。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述空气流场沟脊依次水平间隔设置；所述氢气流场沟脊依次水平间隔设置。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述空气流道为多个，多个所述空气流道依次间隔设置；所述阴极板上设置有第一空气导流流道和第二空气导流流道；所述氧化剂入口通过所述第一空气导流流道与所述空气流道连通，所述氧化剂出口通过所述第二空气导流流道与所述空气流道连通；

所述氢气流道为多个，多个所述氢气流道依次间隔设置；所述阳极板上设置有第一氢气导流流道和第二氢气导流流道；所述燃料气体入口通过所述第一氢气导流流道与所述氢气流道连通，所述燃料气体出口通过所述第二氢气导流流道与所述氢气流道连通。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述第一空气导流流道、所述第二空气导流流道、所述第一氢气导流流道以及所述第二氢气导流流道均为多个；

每个所述第一空气导流流道和所述第二空气导流流道对应的所述空气流道的数量相同；

每个所述第一氢气导流流道和所述第二氢气导流流道对应的所述氢气流道的数量相同。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述空气流场沟脊包括多个第一沟脊和多个第二沟脊，多个所述第一沟脊和多个所述第二沟脊交错设置；多个所述第一沟脊靠近所述氧化剂入口的一端依次连接，多个所述第二沟脊靠近所述氧化剂出口的一端依次连接；多个所述第一沟脊和多个所述第二沟脊围设呈蛇形流道；

所述氢气流场沟脊包括多个第三沟脊和多个第四沟脊，多个所述第三沟脊和多个所述第四沟脊依次间隔设置；多个所述第三沟脊靠近所述燃料气体入口的一端依次连接，多个所述第四沟脊靠近所述燃料气体出口的一端依次连接；多个所述第三沟脊和多个所述第四沟脊围设呈蛇形流道。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述氧化剂入口的大小和所述氧化剂出口的大小大于所述燃料气体入口的大小和燃料气体出口的大小。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述空气流场沟脊和所述氢气流场沟脊通过丝网印刷工艺制成。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述阴极板和所述阳极板的边角处设置为圆角。

9.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，还包括固定螺栓；

所述阴极板和所述阳极板上分别设置有与所述固定螺栓相配合的第一定位孔和第二定位孔。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括多个膜电极组件和多个如权利要求1-9任一项所述的双极板；

每两个所述双极板之间设置有一个所述膜电极组件。