CN208674269U - 质子交换膜燃料电池双极板及质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种质子交换膜燃料电池双极板，包括分别设置在双极板相对的两端的流体出口和流体入口，及设置在所述流体出口和流体入口之间、使两者连通的流场，流场包括空气/氧气流场、燃料气流场和冷却介质流场，所述冷却介质流场设置在双极板的一侧面，空气/氧气流场或燃料气流场设置在冷却介质流场相对的另一侧面；流体出口包括至少一空气/氧气出口、燃料气出口和冷却介质出口，流体入口包括至少一空气/氧气入口、燃料气入口和冷却介质入口。本实用新型通过设置双极板流场结构中的空气/氧气侧出入口及其相配合的流场结构，可以保证空气/氧气侧较低的压力损失，从而降低了对燃料电池外界加压用风机等装置的性能要求降低，节约了能源。

Description

质子交换膜燃料电池双极板及质子交换膜燃料电池

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及质子交换膜燃料电池。

背景技术

目前，质子交换膜燃料电池双极板流场结构主要有蛇形流场和平行流场等。其中空气侧流场选用蛇形流场时可以较快的排出反应过程中生成的液态水，有效防止通道堵塞。但对于面积较大的双极板，如果采用蛇形流道又会导致流道过长，使得通道前后反应气体浓度分布差异较大，导致反应不均匀，同时流道过长引起的沿流道方向上压降较大，使得出口处压力小，不利于反应产物液态水的排出，进而出现水淹现象，影响电池的性能。平行流场的优点是通道数目多，长度短，各流道之间为并联关系，因此气体流动阻力小；但如果结构设计不合理又容易出现气流分配不均匀现象，使得靠近入口处的通道内气体流量大，远离入口侧气体流量小，导致反应不均匀，影响燃料电池的性能及稳定性，进而影响电堆的寿命。

因此急需一种质子交换膜燃料电池双极板，能够将各介质所在流道压降控制在一定范围内，使得流道压降不致过大，同时可以保证反应气体均匀分配，冷却介质侧良好的冷却效果良好，从而有效提高燃料电池性能稳定性，获得较高的功率密度。

发明内容

鉴于此，本实用新型提出了一种质子交换膜燃料电池双极板及质子交换膜燃料电池，旨在解决燃料电池反应气流分配不均、性能不稳定的问题。

一个方面，本实用新型提出了一种质子交换膜燃料电池双极板，包括：分别设置在双极板相对的两端的流体出口和流体入口，以及设置在所述流体出口和流体入口之间、使两者连通的流场，其中，所述流场包括空气/氧气流场、燃料气流场和冷却介质流场，所述冷却介质流场设置在所述双极板的一侧面，所述空气/氧气流场或燃料气流场设置在所述冷却介质流场相对的另一侧面；所述流体出口包括至少一空气/氧气出口、燃料气出口和冷却介质出口，所述流体入口包括至少一空气/氧气入口、燃料气入口和冷却介质入口；所述燃料气出口和冷却介质出口设置在双极板的同一侧边上，所述燃料气入口和冷却介质入口设置在、与所述燃料气出口和冷却介质出口相对的侧边上；所述空气/ 氧气出口设置在与所述燃料气出口和冷却介质出口所在的侧边至少呈90°夹角的双极板另一侧边，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口相对设置。

进一步地，所述空气/氧气入口设置一个，所述空气/氧气出口相对的设置一个，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口通过所述空气/氧气流场连通；所述空气/氧气入口和所述空气/氧气出口的宽度与所述空气/氧气流场的宽度相同。

进一步地，所述空气/氧气入口设置至少两个，所述空气/氧气出口相对的设置至少两个，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口通过所述空气/氧气流场连通。

进一步地，所述空气/氧气流场与所述空气/氧气入口之间设置有入口流体分配区，所述空气/氧气流场与所述空气/氧气出口之间设置有出口流体分配区。

进一步地，所述入口流体分配区和所述出口流体分配区的宽度与所述空气 /氧气流场的宽度相等。

进一步地，各所述空气/氧气入口的宽度之和小于所述空气/氧气流场的宽度；各所述空气/氧气出口的宽度之和小于所述空气/氧气流场的宽度。

进一步地，所述空气/氧气流场反应区的子流道为平行流场结构。

进一步地，所述平行流场结构包括直线型流道或者波浪线型流道

进一步地，所述燃料气流场和冷却介质流场为单或多回路蛇形流道结构。

另一方面，本实用新型还提出了一种质子交换膜燃料电池，包括上述的质子交换膜燃料电池双极板。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本发明通过设置双极板流场结构中的空气/氧气侧出入口及其相配合的流场结构，可以保证空气/氧气侧较低的压力损失，从而降低了对燃料电池外界加压用风机等装置的性能要求降低，节约了能源，同时空气/氧气侧较低的压力损失也平衡了氢气侧蛇形流道的压力损失，提高燃料电池性能稳定性。

进一步地，在上述双极板空气/氧气侧流场结构中，反应区采用平行流场结构，压降低，因此在一定范围内流道可设计的更加细密化，细密化的流道结构有利于空气/氧气侧反应生成液态水的排出及反应气体的扩散，从而提高电堆性能。

进一步地，通过设置与空气/氧气侧流场结构相配合的燃料气和冷却介质侧流场，且均采用蛇形流道，既可保证燃料气较高的利用率及高气体分配均匀度，同时充足的换热面积也能保证良好的换热效果，提高燃料电池效率及性能稳定性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的单空气/氧气出入口双极板及流场结构图；

图2为本实用新型实施例提供的双空气/氧气出入口双极板及流场结构图；

图3为本实用新型实施例提供的燃料气流场结构图；

图4为本实用新型实施例提供的第一冷却介质侧流场结构图；

图5为本实用新型实施例提供的第二冷却介质侧流场结构图；

图6为本实用新型实施例提供的空气或氧气侧平行流场区域子流道结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参阅图1和图2所示，本实施例提供了一种质子交换膜燃料电池双极板，包括：分别设置在双极板7相对的两侧边的流体出口和流体入口，以及设置在流体出口和流体入口之间、使两者连通的流场，其中，流场包括空气/氧气流场、燃料气流场和冷却介质流场，冷却介质流场设置在双极板7的一侧面，空气/氧气流场或燃料气流场设置在所述冷却介质流场相对的另一侧面；流体出口包括至少一空气/氧气出口2、燃料气出口4和冷却介质出口5，流体入口包括至少一空气/氧气入口1、燃料气入口3和冷却介质入口6；燃料气出口4和冷却介质出口5设置在双极板7的同一侧边上，燃料气入口3和冷却介质入口与所述燃料气出口4和冷却介质出口5相对设置；空气/氧气出口2设置在与所述燃料气出口4和冷却介质出口5所在的侧边至少呈90°夹角的双极板7 另一侧边，空气/氧气入口1与所述空气/氧气出口2相对设置。

结合图3-5所示，双极板7可以为多边形结构，双极板7为四边形结构时，燃料气入口3和冷却介质入口6设置在双极板7的一侧边上，空气/氧气入口1 设置在与燃料气入口3和冷却介质入口6相邻的另一侧边上，各出口分别与入口相对设置在其他侧边上。优选双极板7为八边形结构，如此可以尽量降低双极板7的体积和质量，提高燃料电池功率密度。空气/氧气入口1设置在与燃料气入口3和冷却介质入口6呈90°夹角的一侧边上，即燃料气入口3和冷却介质入口6设置在、与空气/氧气入口1相隔一侧边的双极板7的另一侧边上。空气/氧气出口2与空气/氧气入口1相对设置，即同样设置在与燃料气入口3 和冷却介质入口6呈90°夹角的另一侧边上。燃料气出口4和冷却介质出口5 设置在与燃料气入口3和冷却介质入口6相对的、双极板7的侧边上。燃料气入口3和燃料气出口4可以相对设置，也可以对角设置，冷却介质入口6和冷却介质出口5可以相对设置，也可以对角设置。通过将双极板7设置为八边形结构，极大的减小了双极板7的体积，节省了双极板7的制造成本，同时还增加了双极板7的表面，从而提高了双极板7的散热效率。

具体而言，空气/氧气入口1还可以设置在与燃料气入口3和冷却介质入口6呈大于90°夹角的一侧边上，空气/氧气出口2与空气/氧气入口1相对设置，即当双极板7为八边形结构时，燃料气入口3和冷却介质入口6设置在、与空气/氧气入口1相邻的侧边上，此时燃料气入口3和冷却介质入口6所在侧边与空气/氧气入口1所在侧边的夹角大于90°。

可以理解的是，通过设置双极板流场结构中的空气/氧气侧出入口及其相配合的流场结构，可以保证空气/氧气侧较低的压力损失，从而降低了对燃料电池外界加压用风机等装置的性能要求降低，节约了能源，同时空气/氧气侧较低的压力损失也平衡了氢气侧蛇形流道的压力损失，提高燃料电池性能稳定性。

具体而言，空气/氧气入口1可以设置一个，空气/氧气出口2相对的设置一个，空气/氧气入口1与空气/氧气出口2直接通过空气/氧气流场连通。空气/氧气入口1和空气/氧气出口2的宽度与空气/氧气流场的宽度相同。在设置单个空气/氧气出入口时，空气/氧气出入口宽度与反应区流场宽度相等，即 W1＝W2。

具体而言，空气/氧气入口1还可以设置至少两个，空气/氧气出口2相对的设置至少两个，空气/氧气入口1与空气/氧气出口2通过空气/氧气流场连通；空气/氧气流场与空气/氧气入口1之间设置有入口流体分配区8，空气/ 氧气流场与空气/氧气出口2之间设置有出口流体分配区9，通过设置入口流体分配区8和出口流体分配区9对气体进行分配，能够保证各空气/氧气入口1 和空气/氧气出口2均能使气体均匀的通过，从而提高气体流通效率。

具体而言，入口流体分配区8和出口流体分配区9的宽度与空气/氧气流场的宽度相等。各空气/氧气入口1的宽度之和和空气/氧气出口2的宽度之和，小于空气/氧气流场的宽度。在设置多个空气/氧气出入口时，空气/氧气侧流场反应区前后增加了入口流体分配区8及出口流体分配区9，且出入口流体分配区8宽度与反应区流场宽度相等，即W2＝W3。各空气/氧气出入口尺寸相等，各出入口相对于反应区对称分布，且相邻出入口之间的距离等于最外侧出入口与反应区边界之间距离之和。以双出入口为例，即d2＝d3，且d1＝d2+d3。

可以理解的是，通过设置双极板流场结构中的空气/氧气侧出入口及其相配合的流场结构，可以保证空气/氧气侧较低的压力损失，从而降低了对燃料电池外界加压用风机等装置的性能要求降低，节约了能源，同时空气/氧气侧较低的压力损失也平衡了氢气侧蛇形流道的压力损失，提高燃料电池性能稳定性。

具体而言，空气/氧气流场和冷却介质流场分别设置在双极板7的相对的两侧面上，或者燃料气流场和冷却介质流场相对的设置在双极板7的两侧面上，可以理解的是，空气/氧气流场燃料气流场并不同时出现在同一双极板7上。燃料气流场和冷却介质流场可以设置为单或多回路蛇形流道结构。

具体而言，上述双极板7一侧为反应气体流道，另一侧为冷却介质流道。反应气体流道包括燃料气流道、空气/氧气流道。双极板7表面设有燃料气出入口、空气/氧气出入口及冷却介质出入口。其中燃料气入口3、冷却介质出口5及冷却介质入口6、燃料气出口4分别设置在双极板7的左右两侧。空气/氧气入口1分别设置在双极板7上下两侧。燃料气和冷却介质流场结构采用蛇形流道，空气/氧气反应区流场选用平行流场。该组合流场结构中空气侧流场可将流体压降控制在一定范围内，保证气流分配均匀，实现流道细密化，同时又能平衡燃料气体侧压降，提高燃料电池性能；燃料气侧采用蛇形流道结构，保证高气流分配均匀度，有效提高燃料气体利用率；冷却介质侧采用蛇形流场结构，具备充足的换热面积保证良好的换热效果，提高燃料电池性能及稳定性。

具体而言，上述双极板7流场结中，分别包括单个出入口和相应的流场分布情况，以及多个出入口时及相应的流场分布情况。双极板7结构中设置单个空气/氧气出入口时，此时空气/氧气流场由入口、反应区及出口组成。为保证反应区各个子流道气体分配均匀，需保证出入口宽度与反应区宽度相等。当双极板7结构中设置有多个空气/氧气出入口时，此时空气/氧气流场包括入口、入口流体分配区8、反应区、出口流体分配区9及出口。各出入口尺寸相同，相对于反应区对称分布，同时相邻出入口之间的距离等于最外侧出入口距反应区边界距离之和，且出入口流体分配区8宽度等于反应区宽度，如此保证了空气/氧气侧流体在反应区各个子流道内均匀分配。反应区子流道设置为平行流场结构，平行流场结构可以很好的降低空气/氧气侧气体压降，因此在压降允许范围内相比蛇形流场平行流场区子流道可设置的更细密化。细密化的流道减小了流道肋之间的跨度，因此在电堆组装过程中，细密化的流道对膜电极可以起到很好的机械支撑效果；同时细密化流道也有利于反应产物液态水的扩散排出，从而使得反应气体更容易扩散传输到催化层中进行反应。

具体而言，上述双极板7流场中燃料气侧采用单/多回路蛇形流道，可保证燃料气较高的利用率和高气体分配均匀度，从而提高燃料电池的发电效率。空气或氧气侧流场反应区采用平行流场，可保证较低的压力损失，降低风机能耗，同时又可以平衡氢气侧压力损失，保证燃料电池性能稳定性。为提高空气利用率，反应区平行流场子流道还可设置成波浪线型流道结构。冷却介质流场也选用单/多回路蛇形流道结构，如此既可保证充足的换热面积，同时也能起到良好的换热效果。对于冷却介质流场，为减小冷却介质在流通过程中的压降，蛇形流道拐角处可做圆弧处理，以减小局部阻力损失，降低冷却水泵能耗。

结合图6所示，具体而言，空气/氧气流场反应区的子流道为平行流场结构。空气/氧气侧反应区采用平行流道，可以在一定压降范围内实现流道的细密化，从而显著提升燃料电池的性能。平行流场结构包括直线型流道或者波浪线型流道。

具体而言，上述双极板7包括阳极双极板和阴极双极板。阳极双极板即燃料气流道所在双极板。阳极双极板一侧为燃料气流道，另一侧为冷却介质流道。阴极双极板即空气/氧气流场所在双极板，阴极双极板一侧为空气/氧气流道，另一侧为冷却介质流道。燃料气入口3及冷却介质出口5位于双极板左侧，冷却介质入口6及燃料气出口4位于双极板的右侧，空气或氧气出入口则分别设置在双极板的上下两侧。燃料气和空气/氧气形成交叉流。燃料气由燃料气入口3进入，流经多路蛇形流道反应后剩余的燃料气由燃料气出口4排出。空气或氧气由空气或氧气入口流入，而后进入平行流场区域，反应后生成的产物水被剩余的空气或氧气带出。冷却介质由冷却介质入口6流入，进入冷却换热流道后，吸收反应过程中产生的热量后，由出口流出，如此保证燃料电池运行在恒定温度下。

具体而言，在燃料电池工作时，阳极板上的燃料气流道流过氢气，阴极板上的空气或氧气流道流过空气或氧气。氢气在膜电极催化剂的作用下发生氧化反应，产生氢离子和电子，氢离子通过膜电极到达阴极，阴极空气中的氧气在催化剂作用下发生还原反应，产生氧负离子，氧负离子与氢离子结合生成水，生成的水随未反应的空气排出。氢气侧产生的电子通过外电路到达阴极空气侧。即当电子依次通过阳极板和外电路流向阴极时就产生了电流。

基于上述实施方式的另一种可能的实施方式中，本实施方式提供了一种质子交换膜燃料电池，电池包括上述双极板7。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，包括：分别设置在双极板相对的两端的流体出口和流体入口，以及设置在所述流体出口和流体入口之间、使两者连通的流场，其中，

所述流场包括空气/氧气流场、燃料气流场和冷却介质流场，所述冷却介质流场设置在所述双极板的一侧面，所述空气/氧气流场或燃料气流场设置在所述冷却介质流场相对的另一侧面；

所述流体出口包括至少一空气/氧气出口、燃料气出口和冷却介质出口，所述流体入口包括至少一空气/氧气入口、燃料气入口和冷却介质入口；

所述燃料气出口和冷却介质出口设置在双极板的同一侧边上，所述燃料气入口和冷却介质入口设置在、与所述燃料气出口和冷却介质出口相对的侧边上；所述空气/氧气出口设置在与所述燃料气出口和冷却介质出口所在的侧边至少呈90°夹角的双极板另一侧边，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口相对设置。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述空气/氧气入口设置一个，所述空气/氧气出口相对的设置一个，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口通过所述空气/氧气流场连通；

所述空气/氧气入口和所述空气/氧气出口的宽度与所述空气/氧气流场的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述空气/氧气入口设置至少两个，所述空气/氧气出口相对的设置至少两个，所述空气/氧气入口与所述空气/氧气出口通过所述空气/氧气流场连通。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述空气/氧气流场与所述空气/氧气入口之间设置有入口流体分配区，所述空气/氧气流场与所述空气/氧气出口之间设置有出口流体分配区。

5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述入口流体分配区和所述出口流体分配区的宽度与所述空气/氧气流场的宽度相等。

6.根据权利要求3-5任一项所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，各所述空气/氧气入口的宽度之和小于所述空气/氧气流场的宽度；

各所述空气/氧气出口的宽度之和小于所述空气/氧气流场的宽度。

7.根据权利要求1-5任一项所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述空气/氧气流场反应区的子流道为平行流场结构。

8.根据权利要求7所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述平行流场结构包括直线型流道或者波浪线型流道。

9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，所述燃料气流场和冷却介质流场为单或多回路蛇形流道结构。

10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的质子交换膜燃料电池双极板。