CN210429965U

CN210429965U - 燃料电池双极板及燃料电池

Info

Publication number: CN210429965U
Application number: CN201921746283.9U
Authority: CN
Inventors: 刘栋栋; 王鹏; 韩亚民; 薛阳; 郝振宇; 章宏文
Original assignee: Weishi Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Weishi Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-17

Abstract

本实用新型实施例提供一种燃料电池双极板及燃料电池，该燃料电池双极板包括双极板本体，所述双极板本体上设有凸起脊，所述凸起脊在所述双极板本体上围成流场，所述流场具有进气口和出气口，所述双极板本体上位于所述流场范围内的区域设有多排柱状凸起，每排柱状凸起为多个，相邻两排的柱状凸起呈交错分布，每相邻两个柱状凸起之间存在供反应气体流通的间隙；反应气体从所述进气口进入所述流场，并通过所述出气口从所述流场流出。本实用新型实施例通过设置凸起脊和凸起脊所围区域内的多排交错分布的柱状凸起，在双极板本体上形成半开放式的流场，能够提高反应气体分布的均匀性，进而提高燃料电池的电流密度分布的均匀性。

Description

燃料电池双极板及燃料电池

技术领域

本实用新型实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种以氢气为最佳燃料，不经过燃烧过程而直接以电化学反应的方式，将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高效能量转换发电装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，实际能量转换效率高达50％至80％。质子交换膜燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，其具有工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失等特点。双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一，其功能是支撑膜电极组件、分配反应气体及冷却液、收集电流、传导热量和排出产物水等。流道是在双极板上加工的各种形状的沟槽，为反应气体及冷却液及生成的产物提供进出通道，是燃料电池设计的关键因素。

目前蛇形流道是最常见的双极板的流道形式，反应气体沿双极板的蛇形流道流通。蛇形流道的优点是能够迅速排除燃料电池生成的水，不会出现水堵塞流道的情况。

然而对于面积较大的双极板，蛇形流道的长度过长，会导致电流密度分布不均匀的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种燃料电池双极板及燃料电池，以解决目前双极板的流道存在电流密度分布不均匀的问题。

第一方面，本实用新型实施例提供一种燃料电池双极板，包括：双极板本体，所述双极板本体上设有凸起脊，所述凸起脊在所述双极板本体上围成流场，所述流场具有进气口和出气口，所述双极板本体上位于所述流场范围内的区域设有多排柱状凸起，每排柱状凸起为多个，相邻两排的柱状凸起呈交错分布，每相邻两个柱状凸起之间存在供反应气体流通的间隙；

反应气体从所述进气口进入所述流场，并通过所述出气口从所述流场流出。

在一种可能的实施方式中，所述流场为U型流场。

在一种可能的实施方式中，所述凸起脊包括第一凸起脊和第二凸起脊，所述第一凸起脊形成所述U型流场的外侧壁，所述第二凸起脊形成所述U型流场的内侧壁。

在一种可能的实施方式中，所述第一凸起脊和所述第二凸起脊的高度相同。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起的横截面的形状为以下中的至少一种：

圆形、矩形、菱形、椭圆形。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起与所述凸起脊的高度相同。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起的横截面的面积的取值范围为0.5平方毫米至10平方毫米。

在一种可能的实施方式中，相邻两个柱状凸起之间的间隙长度的取值范围为0.5毫米至10毫米。

在一种可能的实施方式中，所述燃料电池双极板的类型为阳极双极板或阴极双极板。

第二方面，本实用新型实施例提供一种燃料电池，包括：阳极双极板、与所述阳极双极板配合的阴极双极板、设置于所述阳极双极板和所述阴极双极板之间的膜电极组件；所述阳极双极板和所述阴极双极板为如上第一方面以及第一方面各种可能的实施方式所述的燃料电池双极板。

本实用新型实施例提供的燃料电池双极板及燃料电池，该燃料电池双极板包括双极板本体，该双极板本体上设有凸起脊，该凸起脊在该双极板本体上围成流场，该流场具有进气口和出气口，该双极板本体上位于该流场范围内的区域设有多排柱状凸起，每排柱状凸起为多个，相邻两排的柱状凸起呈交错分布，每相邻两个柱状凸起之间存在供反应气体流通的间隙；反应气体从该进气口进入该流场，并通过该出气口从所述流场流出。本实用新型实施例通过设置凸起脊和凸起脊所围区域内的多排交错分布的柱状凸起，在双极板本体上形成半开放式的流场，反应气体从进气口进入半开放式流场，遇到柱状凸起后一部分流向柱状凸起上方的反应区域，另一部分沿着柱状凸起之间的间隙流动，由于该半开放式流场内没有设置用于限制反应气体的沟槽，反应气体可以在气体压强的作用下均匀地分布于半开放式流场内的各个区域，从而提高了反应气体分布的均匀性，提高了燃料电池的电流密度分布的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的燃料电池双极板的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的燃料电池双极板中柱状凸起的示意图；

图3为本实用新型实施例提供的燃料电池双极板中反应气体流向柱状凸起上方的反应区域的流向示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的燃料电池的结构示意图。

附图标记说明：

110：双极板本体；

120：凸起脊；

121：第一凸起脊；

122：第二凸起脊；

130：进气口；

140：出气口；

150：柱状凸起；

160：通气口；

170：冷却液流通口；

410：阳极双极板；

420：阴极双极板；

430：膜电极组件。

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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

质子交换膜燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，其具有工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失等特点。然而，质子交换膜燃料电池如果反应气体在电极各处分布不均匀，会造成电极各处反应的不均匀，从而引起局部电流分配不均，导致电池局部过热。由于流道结构决定了反应气体在流场内的流动状态，因此流场的设计在质子交换膜燃料电池的设计中极为重要。目前现有的流道主要有平行流道、交指型流道、蛇形流道等。

其中，平行流道可以降低压降从而提高效率，但平行流道中水容易聚集长大，由小水滴变成大水滴而堵塞部分流道，部分流道不能导通，导致气体分布不均，电池电流分布不均。

交指型流道的特点是流道不连续，反应气体强制通过扩散层，提高了气体传输能力，但由于扩散层阻力较大，气体的压降很大，并且容易出现短路或沟流的问题，使反应气体和电极利用率低。

蛇形流道是最常见的双极板的流道形式，反应气体沿双极板的蛇形流道流通。蛇形流道的优点是能够迅速排除燃料电池生成的水，不会出现水堵塞流道的情况。然而对于面积较大的双极板，蛇形流道的长度过长，会引起压降和电流密度分布不均匀的问题。

本实施例提出一种燃料电池双极板，通过设置凸起脊120和凸起脊120所围区域内的多排交错分布的柱状凸起150，在双极板本体110上形成半开放式的流场，反应气体从进气口130进入半开放式流场，遇到柱状凸起150后一部分流向柱状凸起150上方的反应区域，另一部分沿着柱状凸起150之间的间隙流动，由于该半开放式流场内没有设置用于限制反应气体的沟槽，反应气体可以在气体压强的作用下均匀地分布于半开放式流场内的各个区域，从而提高了反应气体分布的均匀性，提高了燃料电池的电流密度分布的均匀性。

图1为本实用新型一实施例提供的燃料电池双极板的结构示意图。参照图1，本实施例提供的一种燃料电池双极板，包括双极板本体110，该双极板本体110上设有凸起脊120，该凸起脊120在该双极板本体110上围成流场。该流场具有进气口130和出气口140。该双极板本体110上位于该流场范围内的区域设有多排柱状凸起150，每排柱状凸起150为多个。相邻两排的柱状凸起150呈交错分布，每相邻两个柱状凸起150之间存在供反应气体流通的间隙。

反应气体从该进气口130进入该流场，并通过该出气口140从该流场流出。

在本实施例中，双极板本体110为燃料电池双极板的基板。基板可以选用性质稳定，强度高，韧性好，抗疲劳导电性好的石墨材料、金属材料或复合材料等。双极板本体110的材料可以根据实际需求进行确定，在此不作限定。例如，可以选用金属板作为双极板本体110，通过对金属板进行冲压处理，使金属板形成本实施例提出的流场结构。采用金属板的优点在于可以冲压形成凸起脊120以及柱状凸起150，由于本实施例中的流场不存在如蛇形流道、交指型流道等中的沟槽，可以直接对金属板进行冲压处理，工艺要求低，容易制造，实施成本低。

凸起脊120为在双极板本体110上用于限制反应气体流动范围的凸起结构。在凸起脊120包围的范围内形成流场，反应气体可以在流场内的柱状凸起150之间的间隙流通，而不能流通到凸起脊120的外侧。凸起脊120可以是等高的长条形凸起。凸起脊120的分布与双极板本体110上的流场区域有关。凸起脊120所围成的流场的形状可以根据实际需求进行确定，在此不作限定，例如流场形状可以为矩形、S型、U型、N型等。反应气体为燃料电池中参与反应生成电能的气体，在此不作限定，例如可以为空气、燃料气体等。

双极板本体110上设有进气口130和出气口140，用于反应气体进入流场和流出流场。进气口130和出气口140的个数可以根据实际情况确定，在此不作限定。例如，可以设置一个进气口130和一个出气口140，或者一个进气口130和两个出气口140等。由于质子交换膜燃料电池在实际使用时通常是将多块双极板叠加在一起使用，双极板本体110上除了开设有用于进入该双极板上流场的反应气体的进气口130和出气口140外，还可以在凸起脊120包围范围之外开设供燃料电池中其他双极板的反应气体流通的通气口160。此外，双极板上还可以开设供冷却液流通的冷却液流通口170。双极板本体110的一面为凸起脊120和多排柱状凸起150所形成的反应气体的流场，另一面为冷却液流通的冷却场，冷却液用于对燃料电池及反应气体进行冷却。

双极板本体110上流场范围内的区域设有多排柱状凸起150，每排柱状凸起150为多个，相邻两排的柱状凸起150呈交错分布(如图2所示)，每相邻两个柱状凸起150之间存在供反应气体流通的间隙。交错分布的柱状凸起150是为了使反应气体在流过两个柱状凸起150之间的间隙后，流向的前方遇到一个柱状凸起150。该柱状凸起150挡住反应气体向前流通的方向，使得反应气体流向该柱状凸起150上方的反应区域(如图3所示)或者流向该柱状凸起150的两侧。

这样一方面使反应气体到达反应区域的量增加，也增加了气体分子的流速和活性，加快反应进度，提高了反应气体的利用率，提高了燃料电池的反应效率；另一方面使得气体在流场的长度和宽度方向上均能流动，在气体压强的作用下均匀的分布在整体流场区域内，使得反应气体分布更均匀，提高燃料电池电流密度的均匀性。并且，在流场内某处由于水滴拥塞时，不影响流场区域内其他各处的气体分布，避免现有技术中由于水滴拥塞导致某条流道无法参与反应，电流密度分布不均的情况。

本实用新型实施例提供的燃料电池双极板，该燃料电池双极板包括双极板本体110，该双极板本体110上设有凸起脊120，该凸起脊120在该双极板本体110上围成流场，该流场具有进气口130和出气口140，该双极板本体110上位于该流场范围内的区域设有多排柱状凸起150，每排柱状凸起150为多个，相邻两排的柱状凸起150呈交错分布，每相邻两个柱状凸起150之间存在供反应气体流通的间隙；反应气体从该进气口130进入该流场，并通过该出气口140从所述流场流出。本实用新型实施例通过设置凸起脊120和凸起脊120所围区域内的多排交错分布的柱状凸起150，在双极板本体110上形成半开放式的流场，反应气体从进气口130进入半开放式流场，遇到柱状凸起150后一部分流向柱状凸起150上方的反应区域，另一部分沿着柱状凸起150之间的间隙流动，由于该半开放式流场内没有设置用于限制反应气体的沟槽，反应气体可以在气体压强的作用下均匀地分布于半开放式流场内的各个区域，从而提高了反应气体分布的均匀性，提高了燃料电池的电流密度分布的均匀性。

在一种可能的实施方式中，所述流场为U型流场。

在本实施例中，凸起脊120在双极板本体110上所围成的流场为U型流场。进气口130和出气口140分别位于U型流场的两个端口处。反应气体从U型流场的一端进入，从U型流场的另一端流出。U型流场内布置有多排交错分布的柱状凸起150。

相对于平行流道，本实施例提供的布置有多排交错分布的柱状凸起150的U型流场，反应气体在流场内的存留时间更长，气体利用率更高。相对于蛇形流道，该U型流场内反应气体流通的距离更短，流场内反应气体的压降更小。

在一种可能的实施方式中，所述凸起脊120包括第一凸起脊121和第二凸起脊122，所述第一凸起脊121形成所述U型流场的外侧壁，所述第二凸起脊122形成所述U型流场的内侧壁。

在本实施例中，如图1所示，凸起脊120有两个，第一凸起脊121和第二凸起脊122。第一凸起脊121和第二凸起脊122共同在双极板本体110上围成U型流场。第一凸起脊121布置于U型流场的外侧，形成U型流场的外侧壁，用于防止反应气体流出流场。第二凸起脊122布置于U型流场的内侧，形成U型流场的内侧壁，用于防止反应气体不按照U型通路流通，直接从U型流场的进气口130横向流至出气口140。第二凸起脊122可以沿直线布置在第一凸起脊121所围的区域内，与第一凸起脊121围成U型流场。

在一种可能的实施方式中，所述第一凸起脊121和所述第二凸起脊122的高度相同。

在本实施例中，第一凸起脊121的高度与第二凸起脊122的高度相等，从而保证气体沿着第一凸起脊121以及第二凸起脊122之间的流场流通。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起150的横截面的形状为以下中的至少一种：

圆形、矩形、菱形、椭圆形。

在本实施例中，柱状凸起150的横截面的形状可以为圆形、矩形、菱形、椭圆形等。此外，柱状凸起150的横截面的形状还可以设置为其他不规则的形状，在此不作限定。流场内的柱状凸起150的横截面形状可以为同一形状，如圆形；也可以为不同的多个形状，如一部分柱状凸起150的横截面形状设为圆形，另一部分的柱状凸起150的横截面形状设为菱形，在此不作限定。在流场内的柱状凸起150存在多个横截面形状时，可以将不同横截面形状的柱状凸起150相互间隔的进行布置，从而使得反应气体在流通过程中遇到不同的柱状凸起150形成不同的气流，进一步提高流场内反应气体的流速和活性，提高反应效率。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起150与所述凸起脊120的高度相同。

在本实施例中，柱状凸起150与凸起脊120的高度相等，以保证反应气体在遇到柱状凸起150后不会越过柱状凸起150向前流通，而只能朝向柱状凸起150的两侧的间隙以及上方的反应区域流通，进而保证反应效率和气体分布的均匀性。

在一种可能的实施方式中，所述柱状凸起150的横截面的面积的取值范围为0.5平方毫米至10平方毫米。

在本实施例中，柱状凸起150的横截面的面积的取值范围为0.5平方毫米至10平方毫米，具体取值可以考虑反应气体的类型、流场的面积等因素在0.5平方毫米至10平方毫米之间进行选取，以调节反应气体流向反应区域和流向柱状凸起150两侧的比例。具体取值可以根据经验或实验确定，在此不作限定。

在一种可能的实施方式中，相邻两个柱状凸起150之间的间隙长度的取值范围为0.5毫米至10毫米。

在本实施例中，相邻两个柱状凸起150之间的间隙长度的取值范围为0.5毫米至10毫米，具体取值可以考虑反应气体的类型、流场的长度及宽度等因素在0.5毫米至10毫米之间进行选取，以调节反应气体流向反应区域和流向柱状凸起150两侧的比例。具体取值可以根据经验或实验确定，在此不作限定。

在一种可能的实施方式中，所述燃料电池双极板的类型为阳极双极板410或阴极双极板420。

本实施例提供的燃料电池双极板结构可以应用于阳极双极板410，也可以应用于阴极双极板420，在此不作限定。

作为本实用新型的一个实施示例，燃料电池双极板可以是在金属材质的双极板本体110上冲压得到，流场由外侧封闭的第一凸起脊121和中间半封闭的第二凸起脊122组成一个U型封闭区域，并在流场的U型区域内冲压出高度与第一凸起脊121、第二凸起脊122的高度一样的柱状凸起150。柱状凸起150的横截面形状可以选用圆形。柱状凸起150的横截面面积选择2.5平方毫米。柱状凸起150在流场内呈点状分布，柱状凸起150之间的间隔控制在5毫米。每一排柱状凸起150与下一排柱状凸起150的布置采用交错布置的方法。

图4为本实用新型一实施例提供的燃料电池的结构示意图。参照图4，本实施例提供的一种燃料电池，包括：阳极双极板410、与阳极双极板410配合的阴极双极板420、设置于阳极双极板410和阴极双极板420之间的膜电极组件430；阳极双极板410和阴极双极板420为如上的燃料电池双极板。

在本实施例中，燃料电池的膜电极组件430由阳极催化剂层、质子交换膜与阴极催化剂层组成。其中，阳极催化剂层设于阳极双极板410与质子交换膜之间，阴极催化剂层设于阴极双极板420与质子交换膜之间。燃料气体经过阳极双极板410上的流场，流向阳极催化剂层；空气经过阴极双极板420上的流场，流向阴极催化剂。燃料气体与空气经过催化后在质子交换膜反应产生电能。

该燃料电池的阳极双极板410和阴极双极板420为上述实施例中的燃料电池双极板，通过设置凸起脊120和凸起脊120所围区域内的多排交错分布的柱状凸起150，在双极板本体110上形成半开放式的流场，反应气体从进气口130进入半开放式流场，遇到柱状凸起150后一部分流向柱状凸起150上方的反应区域，另一部分沿着柱状凸起150之间的间隙流动，由于该半开放式流场内没有设置用于限制反应气体的沟槽，反应气体可以在气体压强的作用下均匀地分布于半开放式流场内的各个区域，从而提高了反应气体分布的均匀性，提高了燃料电池的电流密度分布的均匀性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括：双极板本体，所述双极板本体上设有凸起脊，所述凸起脊在所述双极板本体上围成流场，所述流场具有进气口和出气口，所述双极板本体上位于所述流场范围内的区域设有多排柱状凸起，每排柱状凸起为多个，相邻两排的柱状凸起呈交错分布，每相邻两个柱状凸起之间存在供反应气体流通的间隙；

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述流场为U型流场。

3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述凸起脊包括第一凸起脊和第二凸起脊，所述第一凸起脊形成所述U型流场的外侧壁，所述第二凸起脊形成所述U型流场的内侧壁。

4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第一凸起脊和所述第二凸起脊的高度相同。

5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述柱状凸起的横截面的形状为以下中的至少一种：

圆形、矩形、菱形、椭圆形。

6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述柱状凸起与所述凸起脊的高度相同。

7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述柱状凸起的横截面的面积的取值范围为0.5平方毫米至10平方毫米。

8.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，相邻两个柱状凸起之间的间隙长度的取值范围为0.5毫米至10毫米。

9.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述燃料电池双极板的类型为阳极双极板或阴极双极板。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括：阳极双极板、与所述阳极双极板配合的阴极双极板、设置于所述阳极双极板和所述阴极双极板之间的膜电极组件；所述阳极双极板和所述阴极双极板为如权利要求1-9任一项所述的燃料电池双极板。