CN209374563U - 一种燃料电池金属双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池金属双极板，包括叠设在一起的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的相对的一侧面记为A面，另一面记为B面，阳极板的A面和阴极板的A面之间形成冷却剂流场；阳极板的B面设有氢流场，阴极板的B面设有氧流场；金属双极板上设有氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口，氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口的布置位置使得氢气和氧气均是上进下出，可以做到有序有效排水。

Description

一种燃料电池金属双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以室温快速启动的低噪音、高能量转换效率的零排放发电装置。质子交换膜燃料电池可用于移动电源、便携电源、航空动力电源、车用动力电源、固定式电站等，可以满足多领域的用电需要，是最接近于实际应用的燃料电池之一。

质子交换膜燃料电池主要有双极板和膜电极组件共同构成。双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到分隔氧化剂和还原剂、分布流体、收集电流、管理生成水和管理生成热的重要作用，维持电池处于良好的工作状态。在质子交换膜燃料电池中，传统的双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等。石墨双极板、复合双极板都存在一些限制其应用环境和提高性能的因素，如石墨双极板抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高；复合双极板虽然在机械强度方面有了长足进步，但由于其采用的材料及零部件较多，加工装配相对繁琐，其质量比功率、体积比功率也难于进一步提高，成本也难于进一步降低。相对而言，金属双极板可以加工非常轻薄，在质量比功率、体积比功率方面均有大幅提高，同时能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。而且采用冲压加工极板，适于大规模生产，可以严格控制其成本。

在液冷型燃料电池中，普遍采用水或其他冷却剂作为导热载体，将燃料电池工作过程中产生的热量通过循环带出来，再通过散热器传至周围环境中或者作为热电联供的优质热源加以利用。所以，在氢流场板和氧流场板中间是水流场(以下都以水为冷却剂进行表述)。以纯氧气或空气为氧化剂，在氧流场侧电化学反应生产水；同时由于存在浓差反扩散、压力迁移等因素影响，在氢流场侧也会存在很多水。由于燃料电池中阴极反应产生大量的水，通过反扩散以及压差扩散会使阳极燃料中含有水。适量的水存在有利于电池反应的进行，但是水若大量积累在阳极燃料气和阴极氧化剂的流道和膜电极中会造成水淹，造成气体扩散层内氢或氧传质速度降低，或者三相反应界面被完全覆盖，电池性能急剧降低。因此，一个好的流场结构既要保证燃料和氧化剂反应气体顺利传输，更要保证多余的水及时排除。气体的传输与传递的主要推动力是气体压差，而水的传输与传递的主要推动力是压差和重力差。

申请公布号CN106887596A的发明专利公开了一种有利于排水的燃料电池双极板，该双极板有意设计了导流槽、缓冲槽和排水口三部分，对于解决电池下部的排水问题有一定促进作用，过于强调导水问题，而忽略了所设计的流场结构会导致水气分布不均匀，导致内部电流密度不均匀等问题，况且该双极板只是在氧流场板进行了设计，并没有考虑到氢流场板存在的导水问题，没有彻底解决整个电池的排水问题。申请公布号CN108232229A的发明专利公开了一种高分配一致性金属双极板流场构型，该金属双极板由阳极板的B面和阴极板的A面接触焊接而成，燃烧气体在阳极板的A面开设的流体槽中流动，氧化剂在阴极板的A面开设的流体槽中流动，阳极板的B面和阴极板的B面接触形成的接触面中开设过水通道，冷却剂在过水通道中流动。在氢、氧流场结构中只是强调了反应物质的流动，忽略了排水问题，特别是氧化剂的流向是完全水平方向，大量电化学反应生成水只能靠气体压差和过量的气体的带出，存在很大隐患，同时消耗更大动力。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种燃料电池金属双极板，已解决现有金属双极板的气体流场结构不利于排水的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：燃料电池金属双极板，包括叠设在一起的阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板的相对的一侧面记为A面，另一面记为B面，阳极板的A面和阴极板的A面之间形成冷却剂流场；阳极板的B面设有氢流场，阴极板的B面设有氧流场；

金属双极板在使用时是垂直放置，所述的A面、B面是前后方向的两个面，金属双极板上设有氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口，氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口的布置位置使得氢气和氧气均是上进下出。

进一步地，金属双极板的左上设有氢气进口、右下设有氢气出口，及左下设有空气出口、右上设有空气进口，或者金属双极板的左上设有空气进口、右下设有空气出口，及左下设有氢气出口、右上设有氢气进口。

进一步地，所述阴极板上的氧流场为凸台式Z型垄沟流场，或波纹线Z型垄沟流场。

进一步地，所述阳极板上的氢流场为凸台式平行垄沟流场。

进一步地，所述阳极板上的氢流场和阴极板上的氧流场，两者的处于水平方向的垄沟错位布置。

进一步地，金属双极板的左上设有氢气进口、右下设有氢气出口，金属双极板的上侧设有空气进口、下侧设有空气出口。

进一步地，所述空气进口和空气出口的长度与金属双极板的电化学反应区域的长度一致。

进一步地，所述阴极板上的氧流场为凸台式平行垄沟流场。

进一步地，阳极板或阴极板的薄金属板厚度为0.05-0.2mm，薄金属板的材质为镍板、铝板、不锈钢板或钛板。

进一步地，金属双极板上设有连通所述冷却剂流场的冷却剂进口和冷却剂出口，冷却剂进口和冷却剂出口分别位于金属双极板的左右两侧，且冷却剂进口的位置低于冷却剂出口的位置。

本实用新型的有益效果：

氢气和空气的进口都在双极板的靠上位置、而出口都在双极板的靠下，上进下出，可以做到有序有效排水，保证电池内部有较高的一致性。

进一步地，双极板的阳极板、阴极板均是采用薄金属板制成，制造、装配简单，适于大规模生产，降低成本。板材超轻超薄，大幅度降低了双极板的质量和厚度，大幅度提高电堆的质量比功率和体积比功率。

附图说明

图1是本实用新型燃料电池金属双极板与膜电极组件的叠设状态示意图；

图2是本实用新型实施例1中的气体及冷却水的流向示意图；

图3是本实用新型实施例1中阳极板B面的氢气流向示意图；

图4是本实用新型实施例1中引极板B面的空气流向示意图；

图5是本实用新型实施例3中引极板B面的空气流向示意图。

图中各标记对应的名称：1、第一膜电极组件，2、阳极板，3、阴极板，4、第二膜电极组件，5、冷却剂进口，6、氢气进口，7、空气进口，8、冷却剂出口，9、氢气出口，10、空气出口，21、氢流场，31、氧流场。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的实施例1：

如图1-图4所示，燃料电池金属双极板，包括叠设在一起的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的相对的一侧面记为A面，另一面记为B面。阳极板和阴极板焊接形成长方形的双极板，焊接工艺优选激光焊接。制备阳极板和阴极板的薄金属板厚度为0.05-0.2mm，优选厚度为0.05-0.1mm。制备阳极板和阴极板的薄金属板优选不锈钢板、钛板，当然也可采用其他材质，如镍板、铝板等。轻量化耐腐蚀高电导的双极板可以提高电池性能、重量比功率和寿命。

阳极板的A面和阴极板的A面之间形成冷却剂流场；金属双极板上设有连通所述冷却剂流场的冷却剂进口5和冷却剂出口8，冷却剂进口和冷却剂出口分别位于金属双极板的左右两侧，且冷却剂进口5的位置低于冷却剂出口8的位置。本实施例中冷却剂采用冷却水，用水冷却。冷却剂进口和冷却剂出口均为矩形口。

阳极板2的B面设有氢流场21，阴极板3的B面设有氧流场31。

金属双极板在使用时是垂直放置，此时，上述的A面、B面是前后方向的两个面。金属双极板上设有氢气进口6、氢气出口9及空气出口10、空气进口7，氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口的布置位置使得氢气和氧气均是上进下出。

具体地，金属双极板的左上设有氢气进口6、右下设有氢气出口9，及左下设有空气出口10、右上设有空气进口7。氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口也是矩形口，氢气进口位于冷却剂进口的上方，氢气出口位于冷却剂出口的下方。

阴极板上的氧流场为凸台式Z型垄沟流场，阳极板上的氢流场为凸台式平行垄沟流场。氢流场的各垄沟沿水平方向延伸，上下方向平行设置。凸台式流场与膜电极组件可以良好接触，并保证形成气体通道；阳极板与阴极板形成良好的电子导电，并利于焊接，保持高的气密性。

本实施例中的双极板，在与膜电极组件组装成电堆时，双极板和膜电极都是顺次重复叠放。电堆工作时，双极板垂直放置。氢气从高处的氢气进口6流入，经过阳极板2的B面和一个膜电极组件(记为第一膜电极组件1)合围的氢流场通道，从低处的氢气出口9流出，氢气流向如图3箭头所示。由于存在浓差反扩散、压力迁移等因素影响，存在的很多水在压力差作用下随气体在流场流道内有序流动，最后再加上重力作用有序排出。

空气(或氧气)从高处的空气进口7流入，经过阴极板3的B面和另一个膜电极组件(第二膜电极组件4)合围的氧流场通道，从低处的空气出口10流出。电化学反应生成的水，可以在重力、压力差作用下随气流按照流场流道方向排出。具体地，先是顺重力方向流进，再按水平方向流动，最后顺重力方向流出，如图4中箭头所指方向。

冷却水从冷却剂进口5流入，经过阳极板和阴极板之间的冷却剂流场，从冷却剂出口8流出，冷却水流向如图2中双箭头所示。冷却水低进高出，使冷却剂在阳极板和阴极板之间形成的冷却剂流场中处于全充满状态，并利于冷却剂的流动。

阳极板上的氢流场和阴极板上的氧流场，两者的处于水平方向的垄沟错位布置，不要完全重复叠合在一起，这样设置不仅提高了支撑强度，而且增加两块极板的接触面积，降低接触电阻，提高导电性。

本实施例中，阳极板和阴极板中的各进口、出口为冲压过程中一次性冲出的通孔，加工工艺简单，减少了工艺过程，降低了制备成本。

本实用新型的金属双极板具有如下优点：

(1)、氢气和空气的进口都在双极板的上方、而出口都在双极板的下方，可以做到有序有效排水。

(2)、结构简单，易于加工制造，适于大规模生产，大幅度降低成本。

(3)、组装电堆工序和要求相对简单，提高了电堆一致性，同时降低了欧姆阻抗，利于提高电池性能。

(4)、板材超轻超薄，大幅度降低了双极板的质量和厚度，大幅度提高电堆的质量比功率和体积比功率，可以适用于车用、船用、固定电站、应急电源等多种场合。

本实用新型的实施例2：

与实施例1的区别仅在于，氢气和空气的进、出口的设置位置发生了改变。具体地，本实施例中，金属双极板的左上设有空气进口、右下设有空气出口，及左下设有氢气出口、右上设有氢气进口。

本实用新型的实施例3：

如图5所示，与实施例1的区别在于，空气的进、出口的设置位置发生了改变。具体地，本实施例中，金属双极板的左上设有氢气进口、右下设有氢气出口，金属双极板的上侧设有空气进口、下侧设有空气出口。空气进口和空气出口的长度与金属双极板的电化学反应区域的长度一致，也即对进口、出口的宽度进行拓宽，增加流量。同时，改变氧流场设计，氧流场为顺重力方向的凸台式平行垄沟流场，该流场的各垄沟是竖直方向延伸的。

其他实施例中，凸台式Z型垄沟流场也可由波纹线Z型垄沟流场代替。也即流场的截面形状稍有不同，可以是瓦楞板式，也可是波纹板式。

上述各实施例中，两极板采用焊接工艺连接在一起，焊接工艺比粘结工艺具有更稳定的特点，不会随使用的环境条件发生太大变化，耐久性更好，特别是使用激光焊接可以实现流水化作业，提高效率。其他实施例中，阳极板和阴极板之间的焊接也可采用激光焊、电子束焊、电阻焊、扩散焊、超声波焊或高频焊等焊接方法。

Claims (10)

1.燃料电池金属双极板，其特征在于：包括叠设在一起的阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板的相对的一侧面记为A面，另一面记为B面，阳极板的A面和阴极板的A面之间形成冷却剂流场；阳极板的B面设有氢流场，阴极板的B面设有氧流场；

金属双极板在使用时是垂直放置，所述的A面、B面是前后方向的两个面，金属双极板上设有氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口，氢气进口、氢气出口及空气出口、空气进口的布置位置使得氢气和氧气均是上进下出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：金属双极板的左上设有氢气进口、右下设有氢气出口，及左下设有空气出口、右上设有空气进口，或者金属双极板的左上设有空气进口、右下设有空气出口，及左下设有氢气出口、右上设有氢气进口。

3.根据权利要求2所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：所述阴极板上的氧流场为凸台式Z型垄沟流场，或波纹线Z型垄沟流场。

4.根据权利要求3所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：所述阳极板上的氢流场为凸台式平行垄沟流场。

5.根据权利要求4所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：所述阳极板上的氢流场和阴极板上的氧流场，两者的处于水平方向的垄沟错位布置。

6.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：金属双极板的左上设有氢气进口、右下设有氢气出口，金属双极板的上侧设有空气进口、下侧设有空气出口。

7.根据权利要求6所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：所述空气进口和空气出口的长度与金属双极板的电化学反应区域的长度一致。

8.根据权利要求6所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：所述阴极板上的氧流场为凸台式平行垄沟流场。

9.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：阳极板或阴极板的薄金属板厚度为0.05-0.2mm，薄金属板的材质为镍板、铝板、不锈钢板或钛板。

10.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于：金属双极板上设有连通所述冷却剂流场的冷却剂进口和冷却剂出口，冷却剂进口和冷却剂出口分别位于金属双极板的左右两侧，且冷却剂进口的位置低于冷却剂出口的位置。