CN209691851U - 一种燃料电池及其金属极板、双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池及其金属极板、双极板，涉及燃料电池技术领域。包括：第一通道，所述极板设置有第一进口及第一出口，所述第一进口通过所述第一通道与所述第一出口连通；所述极板的型心处设置有冷却水入口，所述极板的边缘设置有冷却水出口，所述冷却水入口与所述冷却水出口通过冷却水通道连通。将两块所述极板焊接在一起，一个通入氢气，一个通入氧气，两个所述极板之间形成的冷却水通道走冷却水。将冷却水的入口设置在所述极板的型心处，也即极板的中间位置，由反应热量最大的区域开始通入低温冷却水，对中间区域直接有效散热，并由所述冷却水出口排出。不需要设置水泵等动力结构进行加大冷却水流量，既节约水资源又节约电力。

Description

一种燃料电池及其金属极板、双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池及其金属极板、双极板。

背景技术

氢能作为21世纪清洁能源已经得到了重大发展，其中氢燃料电池作为氢能利用的典型示范已经开始得到国家政策的大力支持。例如燃料电池新能源汽车的发展，燃料电池汽车不同于一般的内燃机和锂电池汽车，它类似于内燃机和锂电池的结合体，动力部分采用燃料电池，通过加入氢气发生电化学反应，生成电流。燃料电池本身不用充电，只需要充氢气和空气发生电化学反应，氢气充灌只需要5分钟，续航里程可以达到5百多公里，远超过锂电池的续航里程。

燃料电池电堆(以下简称电堆)主要构成部件为：端板、双极板(又称隔板)、膜电极(包含碳纸扩散层、电解质膜、催化层)。双极板包括石墨双极板、金属双极板，石墨双极板易碎、体积大。金属双极板则为两个金属极板构成，极板表面设置有用于催化氢气质子的质子交换膜，由于两个极板之间反应会产生反应热，因此在金属极板的使用过程中需要有效散热，需在两个极板之间通冷却水。现有的金属极板的冷却水流路设置不能有效散热，需要利用水泵加大冷却水流量才可以有效散热，造成能源浪费。

实用新型内容

为解决现有技术中金属极板不能有效散热、能源浪费的技术问题，本实用新型的主要目的在于，提供一种有效散热、节约能源的燃料电池及其金属极板、双极板。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种金属极板，包括：第一通道，所述极板设置有第一进口及第一出口，所述第一进口通过所述第一通道与所述第一出口连通；

所述极板的型心处设置有冷却水入口，所述极板的边缘设置有冷却水出口，所述冷却水入口与所述冷却水出口通过冷却水通道连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述第一通道为圆弧形；所述第一通道设置为若干个，若干所述第一通道均位于以所述型心为圆心的同心圆上。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，连接所述第一进口、所述第一出口及所述型心形成一直线，若干所述第一通道在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第一通道均位于以所述型心为圆心的扇形区域内。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，位于所述直线同一侧的每两个相邻的所述第一通道之间的距离相等。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，还包括：第二通道，所述极板设置有第二进口及第二出口，所述第二进口通过所述第二通道与所述第二出口连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述第二通道为圆弧形，所述第二通道设置于每两个相邻的所述第一通道之间；

若干所述第二通道在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第二通道均位于以所述型心为圆心的扇形区域内。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述第二进口及所述第二出口所在直线与所述第一进口及所述第一出口所在直线相互垂直，垂足为所述型心。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，还包括：扩散区，所述第一进口位于所述扩散区内，所述第一通道的进口与所述扩散区连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述扩散区第一进口内设置有若干导流槽，所述导流槽与所述第一进口连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，还包括：汇流区，所述第一出口位于所述汇流区内，所述第一通道的出口与所述汇流区连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述汇流区设置有若干汇流流道，以每两个相邻的所述第一通道为一组，每组所述第一通道与同一所述汇流流道连通。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述冷却水出口沿所述极板的边缘设置有多个，且各所述冷却水出口到所述型心的距离相等。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述冷却水出口设置有四个，每两个相邻的所述冷却水出水口与所述型心构成的圆心角为90°。

进一步地，在本实用新型一个较佳的实施例中，所述型心为所述极板的圆心。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种金属双极板，包括两个极板，所述极板为上述任一项所述的金属极板；相邻所述极板之间形成所述冷却水通道。

第三方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池，包括上述任一项所述的金属极板。

本实用新型实施例提供的一种燃料电池及其金属极板、双极板，所述第一通道可以用于通入反应气体，将两块所述极板焊接在一起，一个所述极板通入氢气，一个所述极板通入氧气，两个所述极板之间形成的冷却水通道走冷却水。所述极板中的反应气体与覆盖在极板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。刚开始通入的反应气体反应并不强烈，因此产生的热量不高，极板的反应区主要在中间部位，热量聚集最严重。现有技术中的冷却水入口均设置在极板的一边，这使得冷却水由入口流入冷却水通道需经过一段路径才能到达极板中间部位，而到达热量聚集最严重的主反应区中部位置时已经是升温后的冷却水，因此散热效果不好。本申请中将冷却水的入口设置在所述极板的型心处，也即极板的中间位置，由反应热量最大的区域开始通入低温冷却水，对中间区域直接有效散热，并由所述冷却水出口排出。不需要设置水泵等动力结构进行加大冷却水流量，既节约水资源又节约电力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型一实施例提供的金属极板的结构示意图；

图2是图1的A处放大示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的双极板的结构示意图。

附图标记：

1极板 11-定位孔 20第一通道 21第一进口 22第一出口

30冷却水通道 31冷却水入口 32冷却水出口 4扩散区

41导流槽 5汇流区 51汇流流道 60第二通道

61第二进口 62第二出口

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

如图1-3所示，本实用新型一实施例提供的一种金属极板1，包括：第一通道20，所述极板1设置有第一进口21及第一出口22，所述第一进口 21通过所述第一通道20与所述第一出口22连通；所述极板1的型心处设置有冷却水入口31，所述极板1的边缘设置有冷却水出口32，所述冷却水入口31与所述冷却水出口32通过冷却水通道30连通。本实用新型实施例提供的一种金属极板1，所述第一通道20可以用于通入反应气体，将两块所述极板1焊接在一起，一个所述极板1通入氢气，一个所述极板1通入氧气，两个所述极板1之间形成的冷却水通道30走冷却水。所述极板1中的反应气体与覆盖在极板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。刚开始通入的反应气体反应并不强烈，因此产生的热量不高，极板1的反应区主要在中间部位，热量聚集最严重。现有技术中的冷却水入口31均设置在极板1的一边，这使得冷却水由入口流入冷却水通道30需经过一段路径才能到达极板1中间部位，而到达热量聚集最严重的主反应区中部位置时已经是升温后的冷却水，因此散热效果不好。本申请中将冷却水的入口设置在所述极板1的型心处，也即极板1的中间位置，由反应热量最大的区域开始通入低温冷却水，对中间区域直接有效散热，并由所述冷却水出口32排出。不需要设置水泵等动力结构进行加大冷却水流量，既节约水资源又节约电力。

电化学反应的同时会有反应热生成，两个极板1中间有冷却水通道30，便于冷却水将电池反应内部的热量带走，防止温度过高破坏催化剂的活性和质子交换膜因为温度过高而干燥破裂，膜干燥后也无法使得质子通过，电堆输出功率会变低。现有技术的金属极板1结构冷却水入口31位置普遍设置于极板1的边上，以便于布置极板1或电池的整体结构，但是这样设置使得冷却水从两块单极板1之间夹层的一端流向另一端过程中会出现冷却水温度逐渐升高，其实极板1的反应区主要在中间部位，反应气体刚进入主反应区之前是处于扩散阶段，反应并不强烈，热量也不高；如果采用一边开冷取水入口的结构，容易造成冷却水到达热量聚集最严重的主反应区中部位置时已经是升温后的冷却水，为了加大散热量，必须利用水泵增大水流量才可以完全带走反应区中部的热量。这样造成的后果是电堆本身的输出功一部分被水泵带走，输出功率下降。本申请中将冷却水入口31直接设置在中间位置，如图1-3所示，在极板1的型心位置设置通孔，双极板1焊接后，在两个极板1中间形成冷却水通道30，可设置贯穿通孔的水管，并在水管与冷却水通道30连通处设置开口，使得水管中冷却水由通孔流入冷却水通道30，低温的冷却水直接作用于热量最高的中间部位，有效散热，减少辅助泵功消耗，提高电堆的输出功率。

两个金属极板1配合使用构成电池中使用的双极板1，双极板1是电池中主要承担反应物(氢气和氧气)的结构，双极板1中一板为阴极板1(氧气侧)、一板为阳极板1(氢气侧)，在双极板1上需设置供氧气或氢气流通的流场。现有技术中金属极板1的流场包括：平直流道、蛇形流道、交指型流道、点状流场、网状流场、仿生流场以及丰田独创的3D流场。其中平直流场与蛇形流场是目前商业化最普及的流场结构，其余流场主要是实验室研究阶段，3D流场限制发展的主要原因是工艺技术难度较高。为了使得反应气体扩散的更均匀，如图1-3所示，本实用新型一实施例中提供的一种金属极板1，所述第一通道20为圆弧形；所述第一通道20设置为若干个，若干所述第一通道20均位于以所述型心为圆心的同心圆上，第一通道20 形状及数量的设置便于大面积使气体分布在极板1表面，便于气体扩散的均匀性。

金属双极板1包括阴阳两个极板1，阴极板1走氧气侧，阳极板1走氢气。使用过程中将两块极板1焊接在一起，一极板1走氢气，一极板1走氧气，两个极板1中间的夹缝走冷却水。极板1上的流场结构要满足反应物(氢气或氧气)均匀，由于氢气的扩散速率是氧气的5倍，并且氢气氧气发生电化学反应，生成水是在阴极氧气侧，因此阴极板1的流场的结构要求更高，本实用新型实施例中提供的金属极板1着重考虑了阴极板1的结构设置，本实施例中第一通道20走氧气。

如图1所示，本实用新型一实施例提供的金属极板1中，连接所述第一进口21、所述第一出口22及所述型心形成一直线，若干所述第一通道 20在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第一通道20均位于以所述型心为圆心的扇形区域内。由图可知，本实施例中，用于充氧气的第一通道20在第一直线的两侧对称分布，成对设置，相互对称的两个所述第一通道20形成的圆的圆心为所述型心。在极板1面积允许的情况下可尽可能多的设置第一通道20，使得氧气的流道分布的面积更大，更便于使反应物(氧气)分布均匀。阴极反应气体氧气通入极板1后，与阳极氢气侧电解出的氢离子结合生成水，同时电子经集流板汇聚在一起形成电流。

本实施例中，位于所述直线同一侧的每两个相邻的所述第一通道20之间的距离相等；保证气体扩散的均匀性。

另外，为促进氧气进入极板1初期有效扩散，以保证氧气能够均匀的进入各第一通道20，如图1所示，本实用新型一实施例中，还包括：扩散区4，所述第一进口21位于所述扩散区4内，所述第一通道20的进口与所述扩散区4连通。氧气由第一进口21进入后，进入扩散区4，扩散区4内不设置挡板或通道，让氧气在扩散区4内自由扩散后，再由扩散区4进入各与扩散区4连通的第一通道20内，有效实现各个第一通道20内都有氧气流入，从而保证氧气在极板1中扩散更均匀。

如图1所示，所述扩散区4内设置有若干导流槽41，所述导流槽41与所述第一进口21连通；导流槽41便于将氧气导入扩散区4内。

另外，氧气由入口进入扩散区4内、再经第一通道20排出至第一出口 22，反应生成的水及未反应完全的氧气都会从第一出口22流出，为加速排出，如图1所示，本实用新型一实施例中提供的金属极板1，还包括：汇流区5，所述第一出口22位于所述汇流区5内，所述第一通道20的出口与所述汇流区5连通，氧气及产物水在汇流区5先进行汇流，汇流会实现排出物的加速，使得氧气及产物水的排出效率更高。另外，由图可知，本实施例中第一通道20可连通所述扩散区4及所述汇流区5。

如图1所示，本实用新型实施例中，所述汇流区5设置有若干汇流流道(51)，以每两个相邻的所述第一通道20为一组，每组所述第一通道20 与同一所述汇流流道51连通。反应气体从第一气体入口进入扩散区4、第一通道20，在第一通道20排布构成的流场中反应完毕后再经过汇流区5，流道渐变，汇流流道51数量较第一通道20的数量减半，原来相邻的2个第一通道20汇流为1个汇流流道51，使得反应气体出口的气流速度增加，对于阴极板1反应生成的水则可以利用高速尾气带走。

另外，如图1所示，本实施例中，所述扩散区4的位置与所述汇流区5 的位置关于所述型心对称。

本实施例中，冷却水通道30改变以往的从极板1边上进入，而是直接从极板1中部进入。冷却水经冷却水入口31进入两个极板1之间夹缝形成的冷却水通道30，顺着夹缝往冷却水入口31的四周扩散，并进行极板1的反应热冷却。同时，本实施例中，所述冷却水出口32沿所述极板1的边缘设置有多个，且各所述冷却水出口32到所述型心的距离相等，使得冷却水排出更方便快捷。

其中，如图1所示，本实用新型一实施例提供的金属极板1中，将冷却水出口32设置为四个，并且每两个相邻的所述冷却水出水口与所述型心构成的圆心角为90°。按照90℃的布置开在极板1四周，由极板1中部冷却完极板1后的冷却水顺着冷却水通道3流到4个出水口进行排走，排水角度更全面，加工更便利。

考虑到现有技术中金属极板1的商业化，可以制备相同规格的极板1，并根据需要选择填充哪种反应气体。如图1所示，本实用新型一实施例提供的金属极板1中，还在极板1上设置了：第二通道60，所述极板1设置有第二进口61及第二出口62，所述第二进口61通过所述第二通道60与所述第二出口62连通。本实施例中，第二通道60可以用来走氢气。

如图1所示，为保证两块极板1配合使用时两方的反应气体能够分布的更均匀，本实用新型一实施例提供的金属极板1中，所述第二通道60为圆弧形，所述第二通道60设置于每两个相邻的所述第一通道20之间；若干所述第二通道60在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第二通道 (60)均位于以所述型心为圆心的扇形区域内；第二通道60与所述第一通道20相间设置，这样，两个配合使用的极板1中的阴阳端都可以有效反应。

如图1所示，第二通道6可与第一通道20相适应，配合设置为弧形。而且第二通道6在各个气体入口、出口处还需进行绕行，也实现正常流通。

图1所示的优选的设计结构中，所述第二进口61及所述第二出口62 所在直线与所述第一进口21及所述第一出口22所在直线相互垂直，垂足为所述型心，保证极板1内流场的流畅性及极板1的美观性。选用本实施例中的极板1即可以作为阳极板1、也可以作为阴极板1，氧气流场设计的更便于氧气扩散与排出(扩散区4及汇流区5的设置)，氢气流道设置的则符合氢气易扩散的特点。

上述实施例中提及的极板1可为中心对称图形，例如，所述极板1设置为圆形或方形，这样形状的极板1便于流场的对称设计，也便于上述各气体进出口、冷却水的进出口的排布。其中，可设置为圆形金属板的结构，所述型心为所述极板1的圆心，利用圆形的结构性质，将反应水的进口设置在流场中部位置，冷却水的排出更便利顺畅。

本实用新型另一实施例提供的一种金属双极板，包括两个极板，相邻所述极板1之间形成所述冷却水通道30。

本实用新型又一实施例提供的一种燃料电池，包括上述的金属极板1。燃料电池主要构成部件为：端板、双极板1(又称隔板)、膜电极(包含碳纸扩散层、电解质膜、催化层)，双极板1的一侧设置扩散层、一侧设置膜电极，扩散层、膜电极分别与端板固定(并以密封条密封)。极板1上设置有定位孔11，便于燃料电池各结构进行装配。

氧气经端板的氧气通道进入第一进口21，在经端板内部的导流槽41将气体分配均匀；随后氧气进入扩散区4充分扩散后进入作为反应主通道的第一通道20，本实施例中整个反应流场是圆弧形；气体进入第一通道20分布均匀后，再与覆盖在极板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，在接近氧气出口侧反应生成水；未进行反应的氧气尾气随着第一通道20在汇流区5加速，同时带走阴极末端的反应生成水。

本实用新型实施例提供的一种燃料电池及其金属极板1，具有下述计数效果：

在极板1中部(型心位置)开孔作为冷却水入口31，将低温冷却水引入反应部分热量最集中的中部，冷却水四周溢流的方式进行燃料电池反应热散热，冷却的效果更好并易于排水；

以极板1的型心处为中心，设置了若干环形分布的第一通道2以及第二通道60，使用双极板1过程中，保证反应物分布均匀，保证电化学反应充分；

利用圆弧形的反应流场在尾气部分流道数量减半，从而直接增加尾气的气流速度，更加有利于将反应生成水带出电堆极板1，防止电池水淹。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等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，也即空调正常安装时对应的方位。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设备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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，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更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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 (16)

1.一种金属极板，其特征在于，包括：第一通道(20)，所述极板(1)设置有第一进口(21)及第一出口(22)，所述第一进口(21)通过所述第一通道(20)与所述第一出口(22)连通；

所述极板(1)的型心处设置有冷却水入口(31)，所述极板(1)的边缘设置有冷却水出口(32)，所述冷却水入口(31)与所述冷却水出口(32)通过冷却水通道(30)连通。

2.根据权利要求1所述的金属极板，其特征在于，所述第一通道(20)为圆弧形；所述第一通道(20)设置为若干个，若干所述第一通道(20)均位于以所述型心为圆心的同心圆上。

3.根据权利要求2所述的金属极板，其特征在于，连接所述第一进口(21)、所述第一出口(22)及所述型心形成一直线，若干所述第一通道(20)在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第一通道(20)均位于以所述型心为圆心的扇形区域内。

4.根据权利要求3所述的金属极板，其特征在于，位于所述直线同一侧的每两个相邻的所述第一通道(20)之间的距离相等。

5.根据权利要求3所述的金属极板，其特征在于，还包括：第二通道(60)，所述极板(1)设置有第二进口(61)及第二出口(62)，所述第二进口(61)通过所述第二通道(60)与所述第二出口(62)连通。

6.根据权利要求5所述的金属极板，其特征在于，所述第二通道(60)为圆弧形，所述第二通道(60)设置于每两个相邻的所述第一通道(20)之间；

若干所述第二通道(60)在所述直线的两侧对称设置，且每一侧的所述第二通道(60)均位于以所述型心为圆心的扇形区域内。

7.根据权利要求5所述的金属极板，其特征在于，所述第二进口(61)及所述第二出口(62)所在直线与所述第一进口(21)及所述第一出口(22)所在直线相互垂直，垂足为所述型心。

8.根据权利要求1-4任一项所述的金属极板，其特征在于，还包括：扩散区(4)，所述第一进口(21)位于所述扩散区(4)内，所述第一通道(20)的进口与所述扩散区(4)连通。

9.根据权利要求8所述的金属极板，其特征在于，所述扩散区(4)内设置有若干导流槽(41)，所述导流槽(41)与所述第一进口(21)连通。

10.根据权利要求1-4任一项所述的金属极板，其特征在于，还包括：汇流区(5)，所述第一出口(22)位于所述汇流区(5)内，所述第一通道(20)的出口与所述汇流区(5)连通。

11.根据权利要求10所述的金属极板，其特征在于，所述汇流区(5)设置有若干汇流流道(51)，以每两个相邻的所述第一通道(20)为一组，每组所述第一通道(20)与同一所述汇流流道(51)连通。

12.根据权利要求1-4任一项所述的金属极板，其特征在于，所述冷却水出口(32)沿所述极板(1)的边缘设置有多个，且各所述冷却水出口(32)到所述型心的距离相等。

13.根据权利要求12所述的金属极板，其特征在于，所述冷却水出口(32)设置有四个，每两个相邻的所述冷却水出水口与所述型心构成的圆心角为90°。

14.根据权利要求1-4任一项所述的金属极板，其特征在于，所述型心为所述极板(1)的圆心。

15.一种金属双极板，其特征在于，包括两个极板，所述极板为权利要求1-14任一项所述的金属极板；相邻所述极板(1)之间形成所述冷却水通道(30)。

16.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-14任一项所述的金属极板(1)。