CN211480190U - 一种超大面积超薄石墨双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超大面积超薄石墨双极板，包括阴极板和阳极板，所述阴极板由若干阴极单元片接合而成，所述阳极板由若干阳极单元片接合而成，通过所述阴极单元片和阳极单元片的一一对应重合，实现阴极板和阳极板的贴合。以树脂浸渍石墨为双极板材料增加强度，用单元片接合的方式制成超大面积超薄双极板，在减小双极板的重量和体积的同时增加了流道占比，流道面积占整个双极板面积的90～95%，有效提高燃料电池的功率。每个单元片都设有氢气、氧气和水的入口和出口，大大提高了气体和水的输送速度，并且同时解决流道占比增加后产生的气体分配困难、散热不均及缓慢的问题。

Description

一种超大面积超薄石墨双极板

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种超大面积超薄石墨双极板。

背景技术

燃料电池是一种以燃料（如氢气）和氧气作为原料，把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，具有常温启动快、能量转换效率高、安全环保等特点。燃料电池主要由膜电极、双极板、集电器和紧固件构成，其中双极板为最关键的部件，主要用于支撑集电器与膜电极以及为物质流通提供通道。传统的双极板基本上是石墨双极板和金属双极板两种，石墨双极板在成本及加工上有明显优势，因此应用更为普遍。

传统的石墨双极板流道（包含氢气流道、氧气流道和水流道）面积设计占整个双极板面积比例较小，约70%，限制了反应气体的输送速度，进而限制了燃料电池的功率。为提高燃料电池的功率，通常采用增加双极板的数量或者将双极板做大的方式增加流道数量，虽然有一定成效，但是会使燃料电池重量与体积偏大，一般双极板重量占电堆重量的一半以上，体积占燃料电池的30%～70%，上述两种方式会导致这些参数进一步提高，在当今对燃料电池的体积密度和重量密度要求严苛的条件下，会制约燃料电池的商业化发展。

还有一种方式是不改变双极板的尺寸，通过增加开槽面积或深度来增加流道占比进而提高燃料电池的功率，这种方式不仅提高单位活性面积，还可以减轻双极板的重量，但是由于石墨质脆易碎，能够增加的开槽面积或深度极为有限，尤其是阴极板，其开设的正反面槽（氧气流道和水流道）需要保持较大的间距，而且后续使用也容易出现断裂或者穿透的问题。现有技术通常会在石墨主体中加入树脂材料来提高石墨双极板的强度，在这种类型的双极板上增加开槽面积或深度来增加流道占比更具有可行性，但对整板加工工艺要求高，耗时久，更重要的是流道占比增加后还存在以下问题：一是流道数量增加后气体分配难度增大，需要设计复杂的分配流道，增加工序且降低气体输送速度；二是散热面积大大增加，难以确保快速散热以及散热的均匀性，易影响电堆性能。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种超大面积超薄石墨双极板，流道面积占比高，气体分配和极板散热快速均匀，能够有效提高燃料电池的功率，且质量轻，体积小，成本低，加工工艺简单。

为达到上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种超大面积超薄石墨双极板，包括阴极板和阳极板，所述阴极板由若干阴极单元片接合而成，所述阳极板由若干阳极单元片接合而成，通过所述阴极单元片和阳极单元片的一一对应重合，实现阴极板和阳极板的贴合；

所述阴极单元片贴合阳极单元片的一侧表面开设有冷却流道，另一侧表面开设有氧气流道；所述阳极单元片远离阴极单元片的一侧表面开设有氢气流道；

所述阴极单元片和阳极单元片的一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气入口、冷却水入口和氢气入口；所述阴极单元片和阳极单元片的另一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气出口、冷却水出口和氢气出口；所述氧气入口和氧气出口与氧气流道相连通，所述冷却水入口和冷却水出口与冷却流道相连通，所述氢气入口和氢气出口与氢气流道相连通。

优选的，流道面积占整个双极板面积的90～95%。

优选的，所述阴极单元片和阳极单元片长70～100mm，宽800～1200mm，厚0.5～1mm。

优选的，所述氧气流道与冷却流道在厚度方向上的间距d为0.08～0.15mm。

优选的，所述氧气流道、冷却流道和氢气流道均为平行流道。使用平行流道可以提高气体和水的输送速度，并且由于阴极板和阳极板都由单元片组合而成，使用平行流道也不影响不同区域间输送的同步性。

优选的，所述冷却流道开设的数量多于氧气流道及氢气流道，使冷却流道分布更广更密，提高冷却水流量分布的均匀性，进而提高温度场的均匀性，确保散热效果良好。

优选的，所述阴极单元片和阳极单元片的材质为树脂浸渍石墨。

本实用新型在减小双极板重量和体积的同时增加了流道占比，即增加了双极板单位活性面积，进而提升了燃料电池的功率。具体的，首先使用树脂浸渍石墨作为双极板材料，树脂可以堵住石墨中的大量微孔，增加了双极板强度，降低了对厚度的要求，并使增加开槽面积以及深度来增加流道占比可以实现，因此本实用新型与普通石墨制成的双极板相比，厚度减小，阴极板正反面槽（氧气流道和水流道）间距减小，同时流道面积大大增加。其次也是最为关键的，由于在极板上增加流道占比会加大加工难度和成本，为实现上述目标，本实用新型通过制成阴极单元片和阳极单元片再通过单元片的接合制成双极板，单元片的加工与整板加工相比，难度和成本都大大降低，并且通过改变单元片的数量即可制成不同尺寸的双极板，灵活度高，适用范围广；更重要的是做成单元片的方式能够同时解决流道占比增加后产生的气体分配困难、散热不均及缓慢的问题，每个单元片都设有氢气、氧气和水的入口和出口，相当于增加了进/出气以及进/出水的面积，大大提高了气体和水的输送速度，并且单元片相当于将双极板的流场区域均匀划分，每个区域独立配有气体和水输送的出入口，与普遍的整板共用一出入口相比，在不设计复杂的分配流道前提下，提高了不同区域物料输送的同步性，降低了气体分配难度，并使散热均匀。

本实用新型的有益效果如下：

以树脂浸渍石墨为双极板材料增加强度，用单元片接合的方式制成超大面积超薄双极板，在减小双极板的重量和体积的同时增加了流道占比，流道面积占整个双极板面积的90～95%，有效提高燃料电池的功率。每个单元片都设有氢气、氧气和水的入口和出口，大大提高了气体和水的输送速度，并且同时解决流道占比增加后产生的气体分配困难、散热不均及缓慢的问题。此外，单元片相对于整板加工工艺简单，制成的双极板成本低，质量轻，体积小，适用范围广。

附图说明

图1：本实用新型石墨双极板的结构示意图。

图2：本实用新型阴极单元片正面示意图。

图3：本实用新型阴极单元片反面示意图。

图4：本实用新型阳极单元片正面示意图。

图5：本实用新型阴极单元片局部流道的剖视图。

图中：1-阴极单元片，2-阳极单元片，3-氧气流道，4-冷却流道，5-氢气流道，6-氧气入口，7-冷却水入口，8-氢气入口，9-氧气出口，10-冷却水出口，11-氢气出口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步的说明。

实施例1

一种超大面积超薄石墨双极板，如图1所示，包括阴极板和阳极板，所述阴极板由若干阴极单元片1接合而成，所述阳极板由若干阳极单元片2接合而成，通过所述阴极单元片1和阳极单元片2的一一对应重合，实现阴极板和阳极板的贴合，所述阴极单元片1和阳极单元片2的材质为树脂浸渍石墨。

阴极单元片1和阳极单元片2的构造如图2～4所示，所述阴极单元片1贴合阳极单元片2的一侧表面开设有冷却流道4，另一侧表面开设有氧气流道3；所述阳极单元片2远离阴极单元片1的一侧表面开设有氢气流道5；所述氧气流道3、冷却流道4和氢气流道5均为平行流道，且冷却流道4开设的数量多于氧气流道3及氢气流道5。所述阴极单元片1和阳极单元片2的一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气入口6、冷却水入口7和氢气入口8；所述阴极单元片1和阳极单元片2的另一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气出口9、冷却水出口10和氢气出口11；所述氧气入口6和氧气出口9与氧气流道3相连通，所述冷却水入口7和冷却水出口10与冷却流道4相连通，所述氢气入口8和氢气出口11与氢气流道5相连通。

本实施例中，阴极单元片1和阳极单元片2长75mm，宽1000mm，厚0.7mm，所述阴极板由20个阴极单元片1接合而成，所述阳极板由20个阳极单元片2接合而成，流道面积占整个双极板面积的94%，阴极单元片1上开设的氧气流道3与冷却流道4在厚度方向上的间距d（如图5所示）为0.10mm。

对实施例1的石墨双极板进行性能测试，包括抗弯曲强度和透气性两方面，具体检测方法和结果如下：

①抗弯强度测试

根据GB/T20042.6-2011对双极板的材料进行抗弯强度测试，测试样品的的长宽精度在5%的范围内，夹具的跨距建议采用100mm，样品长度120mm±0.05mm，直径20mm±0.05mm，采用三点弯曲法测试（GB/T13465.2-2002），计算公式为：σ=8PL/3Πd³（P为样品断裂所受压力，L为样品长度，d为样品直径，Π为圆周率），测试结果如下：

注：美国能源局发布的双极板材料的抗弯强度要求59Mpa，目前国内能达到该值的双极板很少。

②透气性测试

取光板（实施例1未进行流场加工的材料）4片，厚度为流场加工后最薄处厚度，试样的上方设有水槽，下方设有气体压力控制装置，试样与水槽四边接触部位及与下方气体打压部分的接触部分进行密封处理，压力从1bar（表压一个大气压强数值）增加至3bar压力，每次增加幅度为0.5bar，记录每次压力下极板上方的情况（以气泡量大小及气泡源多少来判断极板的浸渍工艺的优良与极板的耐压程度），结果如下：

在1.5bar气压下，气泡源数量为零；在2.0bar气压下，有少量气泡源出现，气泡数量少；在2.5bar下，气泡源数量增加很少；3.0bar压力下，气泡源数量明显增多；得出结论，该种浸渍工艺与厚度下，其气体安全压力在2.5bar以下，完全符合目前市场主流电堆的气体压力要求（表压1bar以内）。

此外，本实施例流道面积占整个双极板面积的94%，与普通的同样尺寸的双极板（流道占比70%）相比，根据燃料电池功率计算公式W=V*A（其中，V为电压，A为电流，A=电流密度*有效流场面积），电池功率可提升近35%；并且由于本实用新型极板的厚度较之市场其他极板更薄，燃料电池的功率体积比能得到进一步提升。综上，本实用新型的超大面积超薄石墨双极板虽然增加了流道占比，但仍有良好的强度，并且可以有效提高燃料电池的功率。

本具体实施方式仅仅是对本实用新型的解释，并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读了本实用新型的说明书之后所做的任何改变，只要在本实用新型权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：包括阴极板和阳极板，所述阴极板由若干阴极单元片（1）接合而成，所述阳极板由若干阳极单元片（2）接合而成，通过所述阴极单元片（1）和阳极单元片（2）的一一对应重合，实现阴极板和阳极板的贴合；

所述阴极单元片（1）贴合阳极单元片（2）的一侧表面开设有冷却流道（4），另一侧表面开设有氧气流道（3）；所述阳极单元片（2）远离阴极单元片（1）的一侧表面开设有氢气流道（5）；

所述阴极单元片（1）和阳极单元片（2）的一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气入口（6）、冷却水入口（7）和氢气入口（8）；所述阴极单元片（1）和阳极单元片（2）的另一端分别设有对应的三个通孔，依次为氧气出口（9）、冷却水出口（10）和氢气出口（11）；所述氧气入口（6）和氧气出口（9）与氧气流道（3）相连通，所述冷却水入口（7）和冷却水出口（10）与冷却流道（4）相连通，所述氢气入口（8）和氢气出口（11）与氢气流道（5）相连通。

2.根据权利要求1所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：流道面积占整个双极板面积的90～95%。

3.根据权利要求1所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：所述阴极单元片（1）和阳极单元片（2）长70～100mm，宽800～1200mm，厚0.5～1mm。

4.根据权利要求1～3任一所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：所述氧气流道（3）与冷却流道（4）在厚度方向上的间距d为0.08～0.15mm。

5.根据权利要求1所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：所述氧气流道（3）、冷却流道（4）和氢气流道（5）均为平行流道。

6.根据权利要求1所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：所述冷却流道（4）开设的数量多于氧气流道（3）及氢气流道（5）。

7.根据权利要求1所述的超大面积超薄石墨双极板，其特征在于：所述阴极单元片（1）和阳极单元片（2）的材质为树脂浸渍石墨。

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