CN210224176U - 改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板,包括阴极板体(1)和阳极板体(2)；阴极进口公用管道(112)与阴极出口公用管道(114)厚度方向截面面积之比1：1.08；阴极流场进口通道(113)与阴极流场出口通道(115)厚度方向截面面积之比1：1.04；通过改进设计双极板公用管道，使得阴极、阳极和冷却剂进口公用管道以及流场进口通道分别略小于阴极、阳极和冷却剂出口公用管道和流场出口通道，不增大燃料电池产物排出阻力，有利于燃料电池阴极反应环境动态平衡和反应物浓度均匀分布，确保燃料电池工作环境稳定，能效管理合理，既可以实现冷却剂热平衡，同时实现反应物供应和生成物及过量反应物的排出之间的平衡，确保燃料电池稳定高效工作。

Description

改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板

技术领域

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池双极板结构改进技术，尤其是改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学转换装置，质子交换膜燃料电池阳极通入燃料为氢气，阴极通入空气，空气中的氧气作为阴极的反应气体。PEMFC主要构成核心部件除了膜电极以外，双极板同样是PEMFC重要核心部件，是构成PEMFC电池体积和重量的主要部分，它具有独特的阻气、收集电流、分配气体重要作用。燃料电池结构和工作主要有三种物质流，分别是电池的阴阳极物质流和冷却物质流，阴极物质一般是氧气或含氧的空气等，阳极物质一般是氢气或含惰性气体的氢气，冷却物质一般是水，有的小功率电池仅有阴阳极，调节燃料电池温度主要依靠阴阳极物质流动和环境。三种物质流在双极板上分别在三个互为密封的腔室流动，并且是在特定设计的流场内流动。三种物质流进入双极板的流动方向根据具体的设计确定，一般设计阴阳极互为逆向流动。质子交换膜燃料电池双极板主要有三个功能，即导电、导热和提供化学反应环境。提供化学反应环境就要管理化学反应，包括冷却剂、反应物和生成物的的物料平衡及能量效率。

质子交换膜燃料电池双极板由阴极板、阳极板组成，双极板与膜电极装置组合，在双极板和膜电极之间形成阴极腔和阳极腔，阴极板和阳极板或叠合形成冷却剂腔。双极板公用管道包括反应物的进出口总管、生成物的进出口总管和冷却剂的进出口总管，双极板流体通道包括公用管道进出燃料电池活性区流场的管道。质子交换膜燃料电池是单节或多节双极板和膜电极组合而成，在阴极腔通入氧气或空气，在阳极腔通入氢气，在膜电极上发生燃料电池反应，输出电能，在冷却剂腔通入水，对电池进行热管理。阴极腔、阳极腔和/或冷却剂腔均有相应物料的进出口公用管道，以及从公用管道进出各腔的通道。公用管道和通道的结构和截面设计影响燃料电池的物料流动阻力和阻力分配，设计合理将能发挥燃料电池的性能和效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板，解决以上技术问题。

本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：包括阴极板体和阳极板体；阴极板体和阳极板体外形相同，结构对称；阴极板体和阳极板体冲压成型表面边缘有不连续镂空区域，中部有直槽型凸凹结构；

阴极板体中部横向有一组由直槽流道构成的阴极板流场，阴极板流场左、右二端外分别有点状凸凹结构形成的与阴极板流场两端连通的阴极板流场进出口分配段，在这二个阴极板流场进出口分配段二边外侧分别有二段直槽结构，其中左下方为阴极板阳极流场出口通道，左上方为阴极流场进口通道，右下方为阴极流场出口通道，右上方为阴极板阳极流场进口通道，在阴极板阳极流场出口通道外侧为镂空结构的阴极板阳极出口公用管道，在阴极流场进口通道外侧为镂空结构的阴极进口公用管道，在阴极流场出口通道外侧为镂空结构的阴极出口公用管道，阴极板阳极流场进口通道外侧为镂空结构的阴极板阳极进口公用管道；同时，在阴极板流场左部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场进口通道，在阴极板流场右部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场出口通道，在上、下二阴极板冷却剂流场进口通道外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂进口公用管道，在上、下二阴极板冷却剂流场出口通道外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂出口公用管道；

阳极板体中部横向有一组由直槽流道构成的阳极板流场；阳极板流场左、右二端外侧分别有一与阳极板流场连通的点状凸凹结构阳极板流场进出口分配段，在左侧阳极板流场进出口分配段的上、下方分别有直槽状阳极板阳极流场出口通道和阳极板阴极流场进口通道，在右侧阳极板流场进出口分配段的上、下方分别有直槽状阳极板阴极流场出口通道和阳极板阳极流场进口通道，在阳极板阳极流场出口通道和阳极板阴极流场进口通道外侧分别对应有镂空结构的阳极板阳极出口公用管道和阳极板阴极进口公用管道，在阳极板阴极流场出口通道和阳极板阳极流场进口通道外侧分别对应有镂空结构的阳极板阴极出口公用管道和阳极板阳极进口公用管道，阳极板流场左部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场进口通道，在阳极板流场右部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场出口通道，上、下二阳极板冷却剂流场进口通道的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂进口公用管道，上、下二阳极板冷却剂流场出口通道的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂出口公用管道；

阴极板体和阳极板体相对叠合后，相互配合的镂空结构、凹凸结构分别对应连通，构成阴极物料、阳极物料和冷却剂物料流道，具体包括：阴极板阳极出口公用管道与阳极板阳极出口公用管道对位导通，阴极进口公用管道与阳极板阴极进口公用管道对位导通，阴极板冷却剂进口公用管道与阳极板冷却剂进口公用管道对位导通，阴极板阳极进口公用管道与阳极板阳极进口公用管道对位导通，阴极出口公用管道与阳极板阴极出口公用管道对位导通，阴极板流场与阳极板流场凸凹配合隔离出独立的阳极流场和阴极流场。

阴极板体和阳极板体冲压成型表面边缘有不连续镂空区域，中部有直槽型凸凹结构；阴极进口公用管道与阴极出口公用管道厚度方向截面面积之比1：1.08；阴极流场进口通道与阴极流场出口通道厚度方向截面面积之比1：1.04；阳极板阳极进口公用管道与阳极板阳极出口公用管道厚度方向截面面积之比，以及，阴极板阳极进口公用管道与阴极板阳极出口公用管道厚度方向截面面积之比均为1：1.06；阴极板阳极流场进口通道与阴极板阳极流场出口通道厚度方向截面面积之比，以及阳极板阳极流场进口通道与阳极板阳极流场出口通道厚度方向截面面积之比均为1：1.01；阴极板冷却剂进口公用管道与阴极板冷却剂出口公用管道厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂进口公用管道与阳极板冷却剂出口公用管道厚度方向截面面积之比均为1：1.85；阴极板冷却剂流场进口通道与阴极板冷却剂流场出口通道厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂流场进口通道与阳极板冷却剂流场出口通道厚度方向截面面积之比均为1：1.70。

尤其是，在阴极板体上，阴极流场进口通道靠近阴极进口公用管道一侧，以及，阴极流场出口通道靠近阴极出口公用管道一侧，冲压凸台和凹坑，阴极板流场活性区域流场一侧成型凸台和凹坑；而对应的，在阳极板体上，阳极板阴极流场进口通道靠近阳极板阴极进口公用管道一侧，以及，阳极板阴极流场出口通道靠近阳极板阴极出口公用管道一侧冲压密封凹槽，阳极板流场活性区域流场一侧成型密封凹槽；在阴极板体上与阳极板体叠合安装时，所述二组凸台和凹坑结构与密封凹槽结构对应配合。

尤其是，在阴极板体上对角设置二个阴极板叠装孔，对应的，在阳极板体上对角设置二个阳极板叠装孔，在阴极板体和阳极板体叠合时，阴极板叠装孔与阳极板叠装孔对位，并以拉杆贯穿紧固。

本实用新型的优点和效果：通过改进设计双极板公用管道，使得阴极、阳极和冷却剂进口公用管道以及流场进口通道分别略小于阴极、阳极和冷却剂出口公用管道和流场出口通道，不增大燃料电池产物排出阻力，有利于燃料电池阴极反应环境动态平衡和反应物浓度均匀分布，确保燃料电池工作环境稳定，能效管理合理，既可以实现冷却剂热平衡，同时实现反应物供应和生成物及过量反应物的排出之间的平衡，确保燃料电池稳定高效工作。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中阴极板及其流场结构示意图。

图1为本实用新型实施例1中阳极板及其流场结构示意图。

附图标记包括：

图1中：1-阴极板体；110-阴极板流场进出口分配段、111-阴极板流场、112-阴极进口公用管道、113-阴极流场进口通道、114-阴极出口公用管道、115-阴极流场出口通道、116-阴极板阳极进口公用管道、117-阴极板阳极流场进口通道、118-阴极板阳极出口公用管道、119-阴极板阳极流场出口通道、120-阴极板冷却剂进口公用管道、121-阴极板冷却剂流场进口通道、122-阴极板冷却剂出口公用管道、123-阴极板冷却剂流场出口通道、125-阴极板叠装孔；

图2中：2-阳极板体；212-阳极板阴极进口公用管道、213-阳极板阴极流场进口通道、214-阳极板阴极出口公用管道、215-阳极板阴极流场出口通道、216-阳极板阳极进口公用管道、217-阳极板阳极流场进口通道、218-阳极板阳极出口公用管道、219-阳极板阳极流场出口通道、220-阳极板冷却剂进口公用管道、221-阳极板冷却剂流场进口通道、222-阳极板冷却剂出口公用管道、223-阳极板冷却剂流场出口通道、225-阳极板叠装孔、227-阳极板流场进出口分配段、228-阳极板流场。

具体实施方式

本实用新型原理在于，研究发现，根据燃料电池工作特点，公用管道和流体通道结构和截面比例的调节和变化，进口公用管道和进口通道截面面积小于出口，进口截面面积与出口截面面积比例为1:1.01-3，改善对燃料电池工作状态和能效管理。

本实用新型包括：阴极板体和阳极板体。

本实用新型中，如附图1和图2所示，阴极板体1和阳极板体2外形相同，结构对称；

阴极板体1中部横向有一组由直槽流道构成的阴极板流场111，阴极板流场111左、右二端外分别有点状凸凹结构形成的与阴极板流场111两端连通的阴极板流场进出口分配段110，在这二个阴极板流场进出口分配段110二边外侧分别有二段直槽结构，其中左下方为阴极板阳极流场出口通道119，左上方为阴极流场进口通道113，右下方为阴极流场出口通道115，右上方为阴极板阳极流场进口通道117，在阴极板阳极流场出口通道119外侧为镂空结构的阴极板阳极出口公用管道118，在阴极流场进口通道113外侧为镂空结构的阴极进口公用管道112，在阴极流场出口通道115外侧为镂空结构的阴极出口公用管道114，阴极板阳极流场进口通道117外侧为镂空结构的阴极板阳极进口公用管道116；同时，在阴极板流场111左部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场进口通道121，在阴极板流场111右部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场出口通道123，在上、下二阴极板冷却剂流场进口通道121外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂进口公用管道120，在上、下二阴极板冷却剂流场出口通道123外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂出口公用管道122；

阳极板体2中部横向有一组由直槽流道构成的阳极板流场228；阳极板流场228左、右二端外侧分别有一与阳极板流场228连通的点状凸凹结构阳极板流场进出口分配段227，在左侧阳极板流场进出口分配段227的上、下方分别有直槽状阳极板阳极流场出口通道219和阳极板阴极流场进口通道213，在右侧阳极板流场进出口分配段227的上、下方分别有直槽状阳极板阴极流场出口通道215和阳极板阳极流场进口通道217，在阳极板阳极流场出口通道219和阳极板阴极流场进口通道213外侧分别对应有镂空结构的阳极板阳极出口公用管道218和阳极板阴极进口公用管道212，在阳极板阴极流场出口通道215和阳极板阳极流场进口通道217外侧分别对应有镂空结构的阳极板阴极出口公用管道214和阳极板阳极进口公用管道216，阳极板流场228左部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场进口通道221，在阳极板流场228右部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场出口通道223，上、下二阳极板冷却剂流场进口通道221的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂进口公用管道220，上、下二阳极板冷却剂流场出口通道223的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂出口公用管道222；

阴极板体1和阳极板体2相对叠合后，相互配合的镂空结构、凹凸结构分别对应连通，构成阴极物料、阳极物料和冷却剂物料流道，具体包括：阴极板阳极出口公用管道118与阳极板阳极出口公用管道218对位导通，阴极进口公用管道112与阳极板阴极进口公用管道212对位导通，阴极板冷却剂进口公用管道120与阳极板冷却剂进口公用管道220对位导通，阴极板阳极进口公用管道116与阳极板阳极进口公用管道216对位导通，阴极出口公用管道114与阳极板阴极出口公用管道214对位导通，阴极板流场111与阳极板流场228凸凹配合隔离出独立的阳极流场和阴极流场。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：阴极进口公用管道112与阴极出口公用管道114厚度方向截面面积之比1：1.08；阴极流场进口通道113与阴极流场出口通道115厚度方向截面面积之比1：1.04；阳极板阳极进口公用管道216与阳极板阳极出口公用管道218厚度方向截面面积之比，以及，阴极板阳极进口公用管道116与阴极板阳极出口公用管道118厚度方向截面面积之比均为1：1.06；阴极板阳极流场进口通道117与阴极板阳极流场出口通道119厚度方向截面面积之比，以及阳极板阳极流场进口通道217与阳极板阳极流场出口通道219厚度方向截面面积之比均为1：1.01；阴极板冷却剂进口公用管道120与阴极板冷却剂出口公用管道122厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂进口公用管道220与阳极板冷却剂出口公用管道222厚度方向截面面积之比均为1：1.85；阴极板冷却剂流场进口通道121与阴极板冷却剂流场出口通道123厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂流场进口通道221与阳极板冷却剂流场出口通道223厚度方向截面面积之比均为1：1.70。

前述中，在阴极板体1上，阴极流场进口通道113靠近阴极进口公用管道112一侧，以及，阴极流场出口通道115靠近阴极出口公用管道114一侧，冲压凸台和凹坑，阴极板流场111活性区域流场一侧成型凸台和凹坑；而对应的，在阳极板体2上，阳极板阴极流场进口通道213靠近阳极板阴极进口公用管道212一侧，以及，阳极板阴极流场出口通道215靠近阳极板阴极出口公用管道214一侧冲压密封凹槽，阳极板流场228活性区域流场一侧成型密封凹槽；在阴极板体1上与阳极板体2叠合安装时，所述二组凸台和凹坑结构与密封凹槽结构对应配合。

前述中，在阴极板体1上对角设置二个阴极板叠装孔125，对应的，在阳极板体2上对角设置二个阳极板叠装孔225，在阴极板体1和阳极板体2叠合时，阴极板叠装孔125与阳极板叠装孔225对位，并以拉杆贯穿紧固。

本实用新型实施例中，阳极物料和冷却剂物料输送与阴极方式一致，都是通过一侧极板成型的凸台输送物料到另一侧极板成型的凸台而进出燃料电池活性区。阴极板阴极进口凸台和凹坑对应着阳极板阴极进出口密封槽，阴极板阴极进出口密封槽对应着阳极板阴极进出口凸台和凹坑，凸台和凹坑支撑着密封槽并形成物流通道，在阴极板阴极进出口密封槽靠近燃料电池阴极板体1的阴极板流场111活性区域端部穿孔，阴极气体过阴极板阴极进出口凸台输送物料进入阳极板阴极进出口凸台，再穿过阳极板体2穿孔进出燃料电池阳极板流场228活性区。

本实用新型实施例中，阳极板阳极进出口密封槽靠近燃料电池活性区流场端穿孔；冷却剂腔的输送不需要开孔，直接输送。

本实用新型实施例中，以上实施例仅为本实用新型的示例性的具体实施方式，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本实用新型，不能将以上说明理解为是对本专利申请保护范围的限制；根据本实用新型技术方案所揭示精神的所作的等同变更或修饰，均可能落入本实用新型权利要求保护范围。

Claims (3)

1.改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板,包括阴极板体(1)和阳极板体(2)；

阴极板体(1)中部横向有一组由直槽流道构成的阴极板流场(111)，阴极板流场(111)左、右二端外分别有点状凸凹结构形成的与阴极板流场(111)两端连通的阴极板流场进出口分配段(110)，在这二个阴极板流场进出口分配段(110)二边外侧分别有二段直槽结构，其中左下方为阴极板阳极流场出口通道(119)，左上方为阴极流场进口通道(113)，右下方为阴极流场出口通道(115)，右上方为阴极板阳极流场进口通道(117)，在阴极板阳极流场出口通道(119)外侧为镂空结构的阴极板阳极出口公用管道(118)，在阴极流场进口通道(113)外侧为镂空结构的阴极进口公用管道(112)，在阴极流场出口通道(115)外侧为镂空结构的阴极出口公用管道(114)，阴极板阳极流场进口通道(117)外侧为镂空结构的阴极板阳极进口公用管道(116)；同时，在阴极板流场(111)左部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场进口通道(121)，在阴极板流场(111)右部上、下侧分别有直槽结构阴极板冷却剂流场出口通道(123)，在上、下二阴极板冷却剂流场进口通道(121)外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂进口公用管道(120)，在上、下二阴极板冷却剂流场出口通道(123)外侧分别有镂空结构阴极板冷却剂出口公用管道(122)；

阳极板体(2)中部横向有一组由直槽流道构成的阳极板流场(228)；阳极板流场(228)左、右二端外侧分别有一与阳极板流场(228)连通的点状凸凹结构阳极板流场进出口分配段(227)，在左侧阳极板流场进出口分配段(227)的上、下方分别有直槽状阳极板阳极流场出口通道(219)和阳极板阴极流场进口通道(213)，在右侧阳极板流场进出口分配段(227)的上、下方分别有直槽状阳极板阴极流场出口通道(215)和阳极板阳极流场进口通道(217)，在阳极板阳极流场出口通道(219)和阳极板阴极流场进口通道(213)外侧分别对应有镂空结构的阳极板阳极出口公用管道(218)和阳极板阴极进口公用管道(212)，在阳极板阴极流场出口通道(215)和阳极板阳极流场进口通道(217)外侧分别对应有镂空结构的阳极板阴极出口公用管道(214)和阳极板阳极进口公用管道(216)，阳极板流场(228)左部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场进口通道(221)，在阳极板流场(228)右部上、下侧分别有直槽状阳极板冷却剂流场出口通道(223)，上、下二阳极板冷却剂流场进口通道(221)的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂进口公用管道(220)，上、下二阳极板冷却剂流场出口通道(223)的外侧分别有镂空结构的阳极板冷却剂出口公用管道(222)；

阴极板体(1)和阳极板体(2)相对叠合后，相互配合的镂空结构、凹凸结构分别对应连通，构成阴极物料、阳极物料和冷却剂物料流道，具体包括：阴极板阳极出口公用管道(118)与阳极板阳极出口公用管道(218)对位导通，阴极进口公用管道(112)与阳极板阴极进口公用管道(212)对位导通，阴极板冷却剂进口公用管道(120)与阳极板冷却剂进口公用管道(220)对位导通，阴极板阳极进口公用管道(116)与阳极板阳极进口公用管道(216)对位导通，阴极出口公用管道(114)与阳极板阴极出口公用管道(214)对位导通，阴极板流场(111)与阳极板流场(228)凸凹配合隔离出独立的阳极流场和阴极流场；

其特征在于，阴极板体(1)和阳极板体(2)外形相同，结构对称；阴极板体(1)和阳极板体(2)冲压成型表面边缘有不连续镂空区域，中部有直槽型凸凹结构；阴极进口公用管道(112)与阴极出口公用管道(114)厚度方向截面面积之比1：1.08；阴极流场进口通道(113)与阴极流场出口通道(115)厚度方向截面面积之比1：1.04；阳极板阳极进口公用管道(216)与阳极板阳极出口公用管道(218)厚度方向截面面积之比，以及，阴极板阳极进口公用管道(116)与阴极板阳极出口公用管道(118)厚度方向截面面积之比均为1：1.06；阴极板阳极流场进口通道(117)与阴极板阳极流场出口通道(119)厚度方向截面面积之比，以及阳极板阳极流场进口通道(217)与阳极板阳极流场出口通道(219)厚度方向截面面积之比均为1：1.01；阴极板冷却剂进口公用管道(120)与阴极板冷却剂出口公用管道(122)厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂进口公用管道(220)与阳极板冷却剂出口公用管道(222)厚度方向截面面积之比均为1：1.85；阴极板冷却剂流场进口通道(121)与阴极板冷却剂流场出口通道(123)厚度方向截面面积之比，以及阳极板冷却剂流场进口通道(221)与阳极板冷却剂流场出口通道(223)厚度方向截面面积之比均为1：1.70。

2.如权利要求1所述的改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，在阴极板体(1)上，阴极流场进口通道(113)靠近阴极进口公用管道(112)一侧，以及，阴极流场出口通道(115)靠近阴极出口公用管道(114)一侧，冲压凸台和凹坑，阴极板流场(111)活性区域流场一侧成型凸台和凹坑；而对应的，在阳极板体(2)上，阳极板阴极流场进口通道(213)靠近阳极板阴极进口公用管道(212)一侧，以及，阳极板阴极流场出口通道(215)靠近阳极板阴极出口公用管道(214)一侧冲压密封凹槽，阳极板流场(228)活性区域流场一侧成型密封凹槽；在阴极板体(1)上与阳极板体(2)叠合安装时，所述二组凸台和凹坑结构与密封凹槽结构对应配合。

3.如权利要求1所述的改进公用管道和流体通道的质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，在阴极板体(1)上对角设置二个阴极板叠装孔(125)，对应的，在阳极板体(2)上对角设置二个阳极板叠装孔(225)，在阴极板体(1)和阳极板体(2)叠合时，阴极板叠装孔(125)与阳极板叠装孔(225)对位，并以拉杆贯穿紧固。

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