CN209607841U - 金属极板、金属双极板、燃料电池、动力总成和交通工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种金属极板、金属双极板、燃料电池、动力总成和交通工具，该金属极板上设有圆形的气体流场，气体流场包括多个分流道。多个分流道呈放射状布置，每个分流道自靠近气体流场边缘的一端至靠近气体流场的中部的一端，分流道的宽度逐渐减小。该金属双极板能够提高反应均匀性，同时使反应生成水及时排出。

Description

金属极板、金属双极板、燃料电池、动力总成和交通工具

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体地说，是涉及一种金属极板、金属双极板、燃料电池以及具有该燃料电池的动力总成和交通工具。

背景技术

质子交换膜燃料电池因其具有能量转化率高、无污染、启动快等优点而具有可观的市场应用前景。与热机相比，燃料电池的化学能直接转化成电能，不需要初步转化成热能。因此，转化不受卡诺循环的限制，理论上可以实现90％转化的高效率。

双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件，流场是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应物和生成物提供进出通道，流道结构决定反应物与生成物在流场内的流动状态，要保证质子交换膜燃料电池正常运行，必须使电极各处均能获得充足的反应物，并及时将生成的水排出，因此流场机构对质子交换膜燃料电池的性能有很大的影响。

另外，现有的冷却水通道都是从一侧进入，另一侧排出，这样，存在的问题就是，当冷却水到达反应最剧烈、温升最大的的中部位置时，已经是高温的水，甚至高温的水蒸气，降温效果就会减弱。

实用新型内容

本实用新型的第一目的是提供一种能够提高反应均匀性，同时使反应生成水及时排出的金属极板。

本实用新型的第二目的是提供一种具有上述金属极板的金属双极板。

本实用新型的第三目的是提供一种具有上述金属双极板的燃料电池。

本实用新型的第四目的是提供一种具有上述燃料电池的动力总成。

本实用新型的第五目的是提供一种具有上述动力总成的交通工具。

为实现上述第一目的，本实用新型提供一种金属极板，金属极板上设有圆形的气体流场，气体流场包括多个分流道。多个分流道呈放射状布置，每个分流道自靠近气体流场边缘的一端至靠近气体流场的中部的一端，分流道的宽度逐渐减小。

一个优选的方案是，金属极板上设置有多个第一底壁和多个自第一底壁向外突出的第一间隔凸起，第一底壁与第一间隔凸起沿着气体流场的周向间隔布置，第一底壁和两个第一间隔凸起围成分流道；分流道的宽度为两个第一间隔凸起在气体流场的周向上的距离。

进一步的方案是，金属极板上与气体流场相对设置的一侧开设有冷却水流道，金属极板上还设置有多第二底壁和多个自第二底壁向外突出的第二间隔凸起，第二底壁和两个第二间隔凸起围成冷却水流道。

再进一步的方案是，第一间隔凸起与第二间隔凸起沿着气体流场的周向间隔布置。

一个优选的方案是，金属极板上与气体流场相对设置的一侧开设有冷却水流道，金属极板上还设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口和冷却水出口均与冷却水流道连通，冷却水入口设置在气体流场的中部，冷却水出口设置在气体流场的外围。

进一步的方案是，金属极板上开设有冷却水流道的一侧设置有支撑凸起，支撑凸起位于气体流场的中部。

更进一步的方案是，支撑凸起的数量为多个，多个支撑凸起沿着气体流场的周向布置。

再进一步的方案是，冷却水入口位于多个支撑凸起所围成的空间内，相邻两个支撑凸起之间具有流水间隙。

一个优选的方案是，分流道的形状为一字形。

一个优选的方案是，分流道的形状为弧形。

进一步的方案是，分流道的形状为单曲率弯曲的弧形。

进一步的方案是，分流道的形状为多曲率弯曲的弧形。

一个优选的方案是，金属极板上还设有进气口和出气口，气体流场还包括进气主流道和出气主流道，进气口和出气口分别位于气体流场相对设置的两侧，分流道包括进气分流道和出气分流道，进气口、进气主流道和进气分流道依次连接，出气分流道、出气主流道和出气口依次连接。

一个优选的方案是，金属极板上还设有多个进气口和多个出气口，多个进气口位于气体流场的外围并沿着气体流场的周向布置，多个出气口均设置在气体流场的中部。

为实现上述第二目的，本实用新型提供一种金属双极板，金属双极板包括两个相贴合设置的金属极板，金属极板为上述的金属极板，气体流场位于两个金属极板之间。

为实现上述第三目的，本实用新型提供一种燃料电池，该燃料电池包括上述的金属双极板。

为实现上述第四目的，本实用新型提供一种动力总成，包括电连接的电机和上述的燃料电池。

为实现上述第五目的，本实用新型提供一种交通工具，包括上述的动力总成。

本实用新型的有益效果如下：

一、反应气体从进气口进入气体流场反应完毕后再从出气口流出，气体流场中分流道的出口相对于分流道的入口较窄，有利于尾部气体快速流出，并且对于金属阴极板反应生成的水可以利用高速尾气带走。

二、呈放射状布置的分流道排列紧密，流道短，整板的体积比功率更大。

三、冷却水入口设置在流场的中部，冷却水从金属极板的中间部位流入，直达反应温升最快的中部区域，以最合理的、快捷的方式对反应区进行冷却，减少了持续的温升对电池性能的影响，也使催化剂活性处于最有利的状态，持续提供稳定的电功率，也提高了寿命。

四、将出气口设置在气体流场的中部，反应气体可以从四面八方向向气体流场的中部扩散并反应，最后从气体流场的中部排出，提高反应的均匀性，不会出现气体滞留或水滞留的情况。

五、支撑凸起设置在气体流场的中部，能够对金属双极板中心部位起到很好的支撑作用。

六、相邻两个所述支撑凸起之间形成流水间隙，冷却水在此处受到支撑凸起的阻挡，压力增大，会迅速从各个流水间隙流出，并分流成多股水流，进入冷却水流道。同时冷却水会迅速带走金属双极板中部的热量，从而达到良好的冷却效果。

附图说明

图1是本实用新型金属极板第一实施例第一视角的结构图。

图2是本实用新型金属极板第一实施例第二视角的结构图。

图3是本实用新型金属极板第一实施例第三视角的结构图。

图4是图3中A处的局部放大图。

图5是本实用新型金属极板第二实施例的结构图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

金属双极板和燃料电池第一实施例

参见图1至图3，本实施例的燃料电池包括金属双极板和质子交换膜(未图示)，金属双极板包括两个相贴合的金属极板1，两个金属极板1中，一个为金属阳极板，另一个为金属阴极板，质子交换膜位于两个金属极板1之间，金属极板1的形状为圆角方形，并且金属极板1通过冲压的方式成型。金属极板1由含钼不锈钢材料制成，由于钢中含钼，该不锈钢的总体性能良好，尤其是耐高温及耐酸性强，不锈钢拥有高的耐腐蚀性能，完全适合燃料电池内部反应的弱酸环境。另外，由于此金属最大含碳量0.03％，所以可用于焊接后不能进行退火和需要极大耐腐蚀性的环境中。

金属极板1包括进气口、出气口、气体流场2、冷却水入口31、冷却水出口32和冷却水流道33。气体流场2位于两个金属极板1之间，且气体流场2和冷却水流道33分别设置在金属极板1的两侧。气体流场2包括进气主流道21、出气主流道22和多个分流道23。多个分流道23呈放射状布置，每个分流道23的形状大致呈单曲率弯曲的弧形。多个冷却水流道33也呈放射状布置，每个冷却水流道33的形状也大致呈单曲率弯曲的弧形。

每个分流道23自靠近气体流场2边缘的一端至靠近气体流场2的中部的一端，分流道23的宽度逐渐减小。金属极板1上设置有多个第一底壁233、多个自第一底壁233向外突出的第一间隔凸起234、多个第二底壁331和多个自第二底壁331向外突出的第二间隔凸起332，第一底壁233与第一间隔凸起234沿着气体流场2的周向间隔布置，一个第一底壁233和两个第一间隔凸起234围成一个分流道23，分流道23的宽度为两个第一间隔凸起234在气体流场2的周向上的距离。一个第二底壁331和两个自第二底壁331向外突出的第二间隔凸起332围成一个冷却水流道33，第一间隔凸起234与第二间隔凸起332沿着气体流场2的周向间隔布置。

分流道23包括进气分流道231和出气分流道232，进气口和出气口分别位于气体流场2相对设置的两侧，金属阴极板上的进气口为氧气进气口11，出气口为氧气出气口13，金属阳极板上的进气口为氢气进气口12，出气口为氢气出气口14，氧气进气口11、氢气进气口12、氧气出气口13和氢气出气口14分别设置在金属双极板的四个角。氧气进气口11、进气主流道和进气分流道依次连接，氢气进气口12、进气主流道21和进气分流道231依次连接，出气分流道、出气主流道和氧气出气口13依次连接，出气分流道232、出气主流道22和氢气出气口14依次连接。

另外，金属极板1上还开设有四个定位孔15，四个定位孔15分别设置在靠近金属极板1的四个角的位置上，定位孔15用于在装配时对金属双极板进行定位。

冷却水入口31和冷却水出口32均与冷却水流道33连通，冷却水入口31设置在气体流场2的中部，冷却水出口32设置在气体流场2的外围，冷却水出口32的数量为四个，四个冷却水出口32分别靠近金属极板1的四个角设置，且冷却水出口32位于进气口或出气口附近。

参见图4，金属极板1上开设有冷却水流道33的一侧设置有多个支撑凸起34，支撑凸起34位于气体流场2的中部。多个支撑凸起34沿着气体流场2的周向布置，相邻两个支撑凸起34之间具有流水间隙35，冷却水入口31位于多个支撑凸起34所围成的空间内。支撑凸起34设置在气体流场2的中部，能够对金属双极板中心部位起到很好的支撑作用。相邻两个所述支撑凸起34之间形成流水间隙35，冷却水在此处受到支撑凸起34的阻挡，压力增大，会迅速从各个流水间隙35流出，并分流成多股水流，进入冷却水流道33。同时冷却水会迅速带走金属双极板中部的热量，从而达到良好的冷却效果。

氧气经端板氧气通道进入氧气进气口11，在经端板导流槽将气体分配均匀，经扩散区将氧气充分扩散后进入反应主通道，由于整个气体流场2是圆弧形，因此氧气进入进气主流道21和进气分流道231分布均匀后再与覆盖在金属极板1表面的质子交换膜接触，接收经质子交换膜催化后的氢气质子，在接近氧气出气口13处反应生成水。气体流场2中进气分流道231的出口相对于进气分流道231的入口较窄，有利于未进行反应的氧气经氧气出气口13后迅速排出，并携带着阴极生成的水气一起高速流出，保证反应区不被水淹。

将冷却水直接从金属极板1中部灌入，迅速到达两块金属极板1的中部反应剧烈位置，然后沿着两块金属极板1的夹缝向四周扩散，给金属极板1的整个反应区域都进行冷却降温，之后冷却水顺着布置在极板四周对称排列的的四个冷却水出口32排出，整体的冷却效果比现有的金属双极板好很多。

金属双极板和燃料电池第二实施例

作为本实用新型金属双极板和燃料电池的说明，以下仅对与上述金属双极板和燃料电池第一实施例的不同之处予以说明。

参见图5，本实施例中，氧气进气口41与氢气进气口42的数量分别为两个，两个氧气进气口41与两个氢气进气口42均位于气体流场5的外围并沿着气体流场5的周向布置，且沿着气体流场5的周向，氧气进气口41与氢气进气口42间隔布置。氧气出气口43与氢气出气口44均设置在气体流场5的中部。

将氧气出气口43与氢气出气口44设置在气体流场5的中部，反应气体可以从四面八方向向气体流场5的中部扩散并反应，最后从气体流场5的中部排出，可提高反应的均匀性，且不会出现气体滞留或水滞留的情况。

此外，流道的形状也可以为S形等其他多曲率弯曲的弧形或者一字形等。上述改变也能实现本实用新型的目的。

动力总成实施例

本实施例中的动力总成包括电连接的电机和燃料电池，燃料电池为上述各实施例中的燃料电池。

交通工具实施例

本实施例中的交通工具包括上述动力总成实施例中的动力总成，交通工具可以为汽车或飞机等。

由上可见，反应气体从进气口进入气体流场反应完毕后再从出气口流出，气体流场中分流道的出口相对于分流道的入口较窄，有利于尾部气体快速流出，并且对于阴金属极板反应生成的水可以利用高速尾气带走。呈放射状布置的分流道排列紧密，流道短，整板的体积比功率更大。冷却水入口设置在流场的中部，冷却水从金属极板的中间部位流入，直达反应温升最快的中部区域，以最合理的、快捷的方式对反应区进行冷却，减少了持续的温升对电池性能的影响，也使催化剂活性处于最有利的状态，持续提供稳定的电功率，也提高了寿命。

最后需要强调的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (18)

1.金属极板，所述金属极板上设有圆形的气体流场，所述气体流场包括多个分流道；

其特征在于：

多个所述分流道呈放射状布置；

每个所述分流道自靠近所述气体流场边缘的一端至靠近所述气体流场的中部的一端，所述分流道的宽度逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上设置有多个第一底壁和多个自所述第一底壁向外突出的第一间隔凸起，所述第一底壁与所述第一间隔凸起沿着所述气体流场的周向间隔布置，所述第一底壁和两个所述第一间隔凸起围成所述分流道；

所述分流道的宽度为两个所述第一间隔凸起在所述气体流场的周向上的距离。

3.根据权利要求2所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上与所述气体流场相对设置的一侧开设有冷却水流道，所述金属极板上还设置有多第二底壁和多个自所述第二底壁向外突出的第二间隔凸起，所述第二底壁和两个所述第二间隔凸起围成所述冷却水流道。

4.根据权利要求3所述的金属极板，其特征在于：

所述第一间隔凸起与所述第二间隔凸起沿着所述气体流场的周向间隔布置。

5.根据权利要求3所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上还设有冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口和所述冷却水出口均与所述冷却水流道连通，所述冷却水入口设置在所述气体流场的中部，所述冷却水出口设置在所述气体流场的外围。

6.根据权利要求5所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上开设有所述冷却水流道的一侧设置有支撑凸起，所述支撑凸起位于所述气体流场的中部。

7.根据权利要求6所述的金属极板，其特征在于：

所述支撑凸起的数量为多个，多个所述支撑凸起沿着所述气体流场的周向布置。

8.根据权利要求7所述的金属极板，其特征在于：

所述冷却水入口位于多个所述支撑凸起所围成的空间内，相邻两个所述支撑凸起之间具有流水间隙。

9.根据权利要求1至8任一项所述的金属极板，其特征在于：

所述分流道的形状为一字形。

10.根据权利要求1至8任一项所述的金属极板，其特征在于：

所述分流道的形状为弧形。

11.根据权利要求10所述的金属极板，其特征在于：

所述分流道的形状为单曲率弯曲的弧形。

12.根据权利要求10所述的金属极板，其特征在于：

所述分流道的形状为多曲率弯曲的弧形。

13.根据权利要求1至8任一项所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上还设有进气口和出气口，所述气体流场还包括进气主流道和出气主流道，所述进气口和所述出气口分别位于所述气体流场相对设置的两侧，所述分流道包括进气分流道和出气分流道，所述进气口、所述进气主流道和所述进气分流道依次连接，所述出气分流道、所述出气主流道和所述出气口依次连接。

14.根据权利要求1至8任一项所述的金属极板，其特征在于：

所述金属极板上还设有多个进气口和多个出气口，多个进气口位于所述气体流场的外围并沿着所述气体流场的周向布置，多个所述出气口均设置在所述气体流场的中部。

15.金属双极板，包括两个相贴合设置的金属极板，其特征在于，所述金属极板为权利要求1至14任一项所述的金属极板，所述气体流场位于两个所述金属极板之间。

16.燃料电池，其特征在于，包括权利要求15所述的金属双极板。

17.动力总成，包括电连接的电机和燃料电池，其特征在于，所述燃料电池为权利要求16所述的燃料电池。

18.交通工具，其特征在于，包括权利要求17所述的动力总成。