CN211743309U - 一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，包括空气阴极板和氢气阳极板，空气阴极板正面的空气流场一侧设置有角孔区一、阴极板入口分配区、阴极板出口分配区、阴极板反应区、阴极板密封区，阴极板反应区布置在阴极板入口分配区与阴极板出口分配区之间，空气阴极板背面的循环水流场一侧设置有通道一、通道二、通道三、通道四，氢气阳极板正面的氢气流场一侧设置有角孔区二、阳极板氢气入口分配区、阳极板氢气出口分配区、阳极板反应区、阳极板密封区，阳极板反应区布置在阳极板氢气入口分配区与阳极板氢气出口分配区之间；本实用新型能够满足膜电极发电性能测试所需要的均匀测试边界条件，可实现反应气体入口流量、压力均匀要求。

Description

一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板

[技术领域]

本实用新型属于氢燃料电池制造、检测技术领域，具体地说是一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板。

[背景技术]

氢燃料电池通过氢气和氧气间的催化反应直接产生电能，是一种高效、清洁的能源转换系统。氢燃料单电池包括膜电极、双极板与密封件。其中，膜电极是电池电化学反应区域，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成。双极板包含了空气阴极板和氢气阳极板，用于单电池连接，输运燃料气体、产物水和冷却介质，传导反应电流、传递反应产生热量以及支撑膜电极。膜电极电输出性能是设计、评价膜电极的重要技术参数，为测试、表征膜电极性能，要求活化区内反应气体分布尽量均匀，流动压降小，能快速响应加热升温极板。而双极板结构决定了燃料电池反应气体空气、氢气分布特性，典型极板结构包含进出口区、分配区、反应区；分配区结构有连续型、间断型以及二者的混合形式，反应区流场结构有平行直流道、蛇形流道、波纹型、交指型、间断型。

目前，行业内，膜电极发电性能测试用双极板特点是，极板流场结构为单蛇形流道，反应区呈正方形。控温极板方式为，当需要加热极板温度时，通过在极板反应区背面覆盖电加热硅胶或在极板侧面钻孔布置电加热棒来实现。当需要降温极板温度时，采用空冷风扇实现。该类极板在反应区内反应气体浓度场、反应产生电流场、进出口压降均存在较大差异，更缺少气体分布区，不利于保证膜电极测试所需要施加的均匀温度场、浓度场边界条件。而且，硅胶加热功率密度仅为0.6-1.2W/cm²，使得加热极板时间长，升温响应速度慢，不利于膜电极性能测试。电加热棒加热极板方式可提供较大加热功率，但极板受热面积有限，加热不均匀。

此外，工程应用中的电堆双极板，其导流区流场可概括分为两类，一是连续型分配区流场结构，在导流区内就布置细分流道，强制分配气体进入反应区各流道。例如，一种质子交换膜燃料电池金属双极板(公开号CN101572318B，公开日为20101208)，一种质子交换膜燃料电池金属双极板分配头(公开号CN102034986B，公开日为20121228)，一种高分配一致性金属双极板流场构型(公开号CN108232229A，公开日为20180629)，一种燃料电池双极板和方法(公开号CN110752386A，公布日为20200204)。以上专利中分配区结构均有利于提高流入反应区气体均匀程度，但因为不同流道气体流经分配区、反应区流道长度不同，流阻不同，使得反应区进出口气体浓度场、压力场存在差异，因此，该类结构不利于膜电极发电性能测试所要求的均匀浓度、速度和压力边界条件。

[实用新型内容]

本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，能够满足膜电极发电性能测试所需要的均匀测试边界条件，可实现反应气体入口流量、压力均匀要求。

为实现上述目的设计一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，包括空气阴极板和氢气阳极板，所述空气阴极板、氢气阳极板均由石墨板加工形成，所述空气阴极板正面的空气流场一侧设置有角孔区一、阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15、阴极板反应区9、阴极板密封区16，所述阴极板入口分配区17设有阴极板入口分配区空气入口5，所述阴极板出口分配区15设有阴极板出口分配区空气出口14，所述阴极板反应区9布置在阴极板入口分配区17与阴极板出口分配区15之间，所述阴极板反应区9的流场结构采用平行直流道，所述角孔区一包括布置在极板一侧的阴极板氢气出口角孔1、阴极板循环水出口角孔2、阴极板空气入口角孔3以及布置在极板另一侧的阴极板空气出口角孔13、阴极板循环水入口角孔12、阴极板氢气入口角孔11，所述空气阴极板背面的循环水流场一侧设置有通道一18、通道二22、通道三21、通道四23，所述通道一18连通阴极板空气入口角孔3与阴极板入口分配区空气入口5，并用于引导空气从阴极板空气入口角孔3流向阴极板入口分配区空气入口5，所述通道二22连通阴极板出口分配区空气出口14与阴极板空气出口角孔13，并用于引导空气从阴极板出口分配区空气出口14流入阴极板空气出口角孔13，所述通道三21连通阴极板氢气入口角孔11与阳极板分配区入口，并用于引导氢气从阴极板氢气入口角孔11流向阳极板分配区入口，所述通道四23连通阳极板分配区出口与阴极板氢气出口角孔1，并用于引导氢气从阳极板分配区出口流向阴极板氢气出口角孔1，所述氢气阳极板正面的氢气流场一侧设置有角孔区二、阳极板氢气入口分配区37、阳极板氢气出口分配区35、阳极板反应区36、阳极板密封区44，所述阳极板氢气入口分配区37设有阳极板分配区氢气入口38，所述阳极板氢气出口分配区35设有阳极板分配区氢气出口45，所述阳极板反应区36布置在阳极板氢气入口分配区37与阳极板氢气出口分配区35之间，所述阳极板反应区36的流场结构采用平行直流道，所述角孔区二包括布置在极板一侧的阳极板氢气入口角孔39、阳极板循环水入口角孔40、阳极板空气出口角孔41以及布置在极板另一侧的阳极板氢气出口角孔31、阳极板循环水出口角孔32、阳极板空气入口角孔33。

进一步地，所述阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15内均布置有阴极板梯形导流台6、阴极板椭圆形导流柱7，所述阴极板梯形导流台6上下对称布置有两个，所述阴极板椭圆形导流柱7设置有多个且具有倾斜角度。

进一步地，所述阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15与阴极板反应区9之间均设置有过渡段斜坡8。

进一步地，所述空气阴极板背面布置有双蛇形流道20，所述双蛇形流道20用于液体加热、冷却极板，所述双蛇形流道20及进出口角孔四周均布置有阴极板粘接槽19，所述阴极板粘接槽19通过点胶粘接双极板形成冷却水流道。

进一步地，所述空气阴极板的一角设置有阴极板装配防反小台肩4，所述空气阴极板的其他三角设置有阴极板大台肩10，所述阴极板装配防反小台肩4的高度小于其他三个阴极板大台肩10的高度。

进一步地，所述阴极板反应区9平行直流道的槽宽为0.7-1.2mm,槽深为0.25-1.0mm，脊宽为0.8-1.2mm。

进一步地，所述阳极板分配区氢气入口38、阳极板分配区氢气出口45内均布置有阳极板梯形导流台42、阳极板椭圆形导流柱43，所述阳极板梯形导流台42上下对称布置有两个，所述阳极板椭圆形导流柱43设置有多个且具有倾斜角度。

进一步地，所述氢气阳极板的一角设置有阳极板装配防反小台肩34，所述阳极板装配防反小台肩34的高度小于设置在其他三角的阳极板大台肩的高度。

本实用新型同现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型较现有膜电极发电性能测试用双极板蛇形流场，提高了反应区气体分布均匀程度，通过分配区一次分配气流居中，再由若干具有倾斜角度的椭圆形导流柱二次分配、控制气体沿极板宽度均匀分布。

(2)本实用新型双极板采用循环水加热方式，循环水流道按双蛇形流道布置，而现有膜电极发电性能测试用双极板采用硅胶电加热方式，由于加热功率密度小于1W/cm2，本实用新型较现有极板侧向安装电加热棒方式，具有加热均匀优点。

(3)本实用新型能够满足膜电极性能测试所需要的均匀测试边界条件，可实现反应气体入口流量、压力均匀要求，活化反应区流场、压力场、电场均匀要求，值得推广应用。

[附图说明]

图1是氢燃料电池膜电极性能测试用阴极板之空气流场一侧示意图；

图2是氢燃料电池膜电极性能测试用阴极板之水流道一侧示意图；

图3是氢燃料电池膜电极性能测试用阳极板之氢气流道一侧示意图；

图4是氢燃料电池膜电极性能测试用阳极板之氢气流道背面一侧示意图；

图中：1、阴极板氢气出口角孔2、阴极板循环水出口角孔3、阴极板空气入口角孔4、阴极板装配防反小台肩5、阴极板入口分配区空气入口6、阴极板梯形导流台7、阴极板椭圆形导流柱8、过渡段斜坡9、阴极板反应区10、阴极板大台肩11、阴极板氢气入口角孔12、阴极板循环水入口角孔13、阴极板空气出口角孔14、阴极板出口分配区空气出口15、阴极板出口分配区16、阴极板密封区17、阴极板入口分配区18、通道一19、阴极板粘接槽20、双蛇形流道21、通道三22、通道二23、通道四31、阳极板氢气出口角孔32、阳极板循环水出口角孔33、阳极板空气入口角孔34、阳极板装配防反小台肩35、阳极板氢气出口分配区36、阳极板反应区37、阳极板氢气入口分配区38、阳极板分配区氢气入口39、阳极板氢气入口角孔40、阳极板循环水入口角孔41、阳极板空气出口角孔42、阳极板梯形导流台43、阳极板椭圆形导流柱44、阳极板密封区45、阳极板分配区氢气出口。

[具体实施方式]

下面结合附图对本实用新型作以下进一步说明：

为满足膜电极性能测试所需要的均匀测试边界条件，实现反应气体入口流量、压力均匀要求，活化反应区流场、压力场、电场均匀要求，本实用新型提供了一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，该氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板包括空气阴极板和氢气阳极板，空气阴极板、氢气阳极板均由石墨板加工形成，空气阴极板正面的空气流场一侧设置有角孔区一、阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15、阴极板反应区9、阴极板密封区16，阴极板入口分配区17设有阴极板入口分配区空气入口5，阴极板出口分配区15设有阴极板出口分配区空气出口14，阴极板反应区9布置在阴极板入口分配区17与阴极板出口分配区15之间，阴极板反应区9的流场结构采用平行直流道，角孔区一包括布置在极板一侧的阴极板氢气出口角孔1、阴极板循环水出口角孔2、阴极板空气入口角孔3以及布置在极板另一侧的阴极板空气出口角孔13、阴极板循环水入口角孔12、阴极板氢气入口角孔11，空气阴极板背面的循环水流场一侧设置有通道一18、通道二22、通道三21、通道四23，通道一18连通阴极板空气入口角孔3与阴极板入口分配区空气入口5，并用于引导空气从阴极板空气入口角孔3流向阴极板入口分配区空气入口5，通道二22连通阴极板出口分配区空气出口14与阴极板空气出口角孔13，并用于引导空气从阴极板出口分配区空气出口14流入阴极板空气出口角孔13，通道三21连通阴极板氢气入口角孔11与阳极板分配区入口，并用于引导氢气从阴极板氢气入口角孔11流向阳极板分配区入口，通道四23连通阳极板分配区出口与阴极板氢气出口角孔1，并用于引导氢气从阳极板分配区出口流向阴极板氢气出口角孔1，氢气阳极板正面的氢气流场一侧设置有角孔区二、阳极板氢气入口分配区37、阳极板氢气出口分配区35、阳极板反应区36、阳极板密封区44，阳极板氢气入口分配区37设有阳极板分配区氢气入口38，阳极板氢气出口分配区35设有阳极板分配区氢气出口45，阳极板反应区36布置在阳极板氢气入口分配区37与阳极板氢气出口分配区35之间，阳极板反应区36的流场结构采用平行直流道，角孔区二包括布置在极板一侧的阳极板氢气入口角孔39、阳极板循环水入口角孔40、阳极板空气出口角孔41以及布置在极板另一侧的阳极板氢气出口角孔31、阳极板循环水出口角孔32、阳极板空气入口角孔33。该双极板贴合形成方式为：在空气阴极板流场背面阴极板粘接槽19内均匀涂敷粘接胶，再将氢气阳极板流场背面与其贴合，保证空气阴极板防反台肩(即阳极板装配防反小台肩4)与氢气阳极板防反台肩(阳极板装配防反小台肩34)对齐，对贴合后的空气阴极板、氢气阳极板保压并在烘箱内进行高温固化，即可形成一组双极板。

其中，阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15内均布置有阴极板梯形导流台6、阴极板椭圆形导流柱7，阴极板梯形导流台6上下对称布置有两个，阴极板椭圆形导流柱7设置有多个且具有倾斜角度；阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15与阴极板反应区9之间均设置有过渡段斜坡8；空气阴极板背面布置有双蛇形流道20，双蛇形流道20用于液体加热、冷却极板，双蛇形流道20及进出口角孔四周均布置有阴极板粘接槽19，阴极板粘接槽19通过点胶粘接双极板形成冷却水流道；空气阴极板的一角设置有阴极板装配防反小台肩4，空气阴极板的其他三角设置有阴极板大台肩10，阴极板装配防反小台肩4的高度小于其他三个阴极板大台肩10的高度；阴极板反应区9平行直流道的槽宽为0.7-1.2mm,槽深为0.25-1.0mm，脊宽为0.8-1.2mm。

本实用新型中，阳极板分配区氢气入口38、阳极板分配区氢气出口45内均布置有阳极板梯形导流台42、阳极板椭圆形导流柱43，阳极板梯形导流台42上下对称布置有两个，阳极板椭圆形导流柱43设置有多个且具有倾斜角度；氢气阳极板的一角设置有阳极板装配防反小台肩34，阳极板装配防反小台肩34的高度小于设置在其他三角的阳极板大台肩的高度。

如附图1所示，阴极板空气流场一侧包含角孔区一、阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15、阴极板反应区9、阴极板密封区16，角孔区一中，阴极板氢气出口角孔1、阴极板循环水出口角孔2和阴极板空气入口角孔3被布置在极板同一侧，阴极板空气出口角孔13、阴极板循环水入口角孔12、阴极板氢气入口角孔11被布置在极板另一侧，即阴极气体空气与阳极气体氢气按逆流布置。阴极板入口分配区17包括阴极板入口分配区空气入口5、阴极板梯形导流台6、阴极板椭圆形导流柱7；类似地，阴极板出口分配区15包括阴极板出口分配区空气出口14，并布置导流梯形台和椭圆型导流柱，进出口分配区与反应区之间设置过渡段斜坡8。阴极板反应区9布置在进出口分配区之间，流场结构采用平行直流道，阴极板装配防反小台肩4的高度小于其他三个阴极板大台肩10的高度，以作为防反结构。双极板反应区流场结构采用平行直流道以降低压降，减小反应区内压力不均匀性，流道槽宽0.7-1.2mm,槽深0.25-1.0mm，脊宽0.8-1.2mm。阴极板背面布置有双蛇形流道，用于液体加热、冷却极板，蛇形流道及进出口角孔四周布置了粘接槽，通过点胶粘接双极板形成冷却水流道。

如附图2所示，阴极板循环水流场一侧结构中，通道一18用于引导空气从阴极板空气入口角孔3流向阴极板入口分配区空气入口5；通道二22用于引导阴极板出口分配区空气出口14流入阴极板空气出口角孔13；通道三21用于引导阴极板氢气入口角孔11流向阳极板入口分配区入口；通道四23用于引导氢气从阳极板分配区出口流向阴极板出口角孔。

如附图3所示，阳极板氢气流场一侧包含角孔区二、阳极板氢气入口分配区37、阳极板氢气出口分配区35、阳极板反应区36、阳极板密封区44。阳极板的角孔区二中包含阳极板氢气入口角孔39、阳极板循环水入口角孔40、阳极板空气出口角孔41。在阳极板的另一侧，布置了阳极板氢气出口角孔31、阳极板循环水出口角孔32、阳极板空气入口角孔33。阳极气体入口分配区37包括阳极板分配区氢气入口38、阳极板梯形导流台42和阳极板椭圆形导流柱43。阳极板氢气出口分配区35包括阳极板分配区氢气出口45和相似的导流台和导流柱。阳极板反应区36流道采用平行直流道。极板的阳极板装配防反小台肩34高度小于其他台肩，以作为防反结构。如附图4所示，为阳极板背面。

本实用新型中，阴极板入口分配区17、阴极板出口分配区15的作用是通过缩放段一次引导气体流向极板中心区域，利于气体均匀分配，再利用导流柱二次分配气体至反应区。类似地，阳极板氢气入口分配区37、阳极板氢气出口分配区35采用类似结构改进气体分布均匀性。

本实用新型并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，包括空气阴极板和氢气阳极板，其特征在于：所述空气阴极板、氢气阳极板均由石墨板加工形成，所述空气阴极板正面的空气流场一侧设置有角孔区一、阴极板入口分配区(17)、阴极板出口分配区(15)、阴极板反应区(9)、阴极板密封区(16)，所述阴极板入口分配区(17)设有阴极板入口分配区空气入口(5)，所述阴极板出口分配区(15)设有阴极板出口分配区空气出口(14)，所述阴极板反应区(9)布置在阴极板入口分配区(17)与阴极板出口分配区(15)之间，所述阴极板反应区(9)的流场结构采用平行直流道，所述角孔区一包括布置在极板一侧的阴极板氢气出口角孔(1)、阴极板循环水出口角孔(2)、阴极板空气入口角孔(3)以及布置在极板另一侧的阴极板空气出口角孔(13)、阴极板循环水入口角孔(12)、阴极板氢气入口角孔(11)，所述空气阴极板背面的循环水流场一侧设置有通道一(18)、通道二(22)、通道三(21)、通道四(23)，所述通道一(18)连通阴极板空气入口角孔(3)与阴极板入口分配区空气入口(5)，并用于引导空气从阴极板空气入口角孔(3)流向阴极板入口分配区空气入口(5)，所述通道二(22)连通阴极板出口分配区空气出口(14)与阴极板空气出口角孔(13)，并用于引导空气从阴极板出口分配区空气出口(14)流入阴极板空气出口角孔(13)，所述通道三(21)连通阴极板氢气入口角孔(11)与阳极板分配区入口，并用于引导氢气从阴极板氢气入口角孔(11)流向阳极板分配区入口，所述通道四(23)连通阳极板分配区出口与阴极板氢气出口角孔(1)，并用于引导氢气从阳极板分配区出口流向阴极板氢气出口角孔(1)，所述氢气阳极板正面的氢气流场一侧设置有角孔区二、阳极板氢气入口分配区(37)、阳极板氢气出口分配区(35)、阳极板反应区(36)、阳极板密封区(44)，所述阳极板氢气入口分配区(37)设有阳极板分配区氢气入口(38)，所述阳极板氢气出口分配区(35)设有阳极板分配区氢气出口(45)，所述阳极板反应区(36)布置在阳极板氢气入口分配区(37)与阳极板氢气出口分配区(35)之间，所述阳极板反应区(36)的流场结构采用平行直流道，所述角孔区二包括布置在极板一侧的阳极板氢气入口角孔(39)、阳极板循环水入口角孔(40)、阳极板空气出口角孔(41)以及布置在极板另一侧的阳极板氢气出口角孔(31)、阳极板循环水出口角孔(32)、阳极板空气入口角孔(33)。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述阴极板入口分配区(17)、阴极板出口分配区(15)内均布置有阴极板梯形导流台(6)、阴极板椭圆形导流柱(7)，所述阴极板梯形导流台(6)上下对称布置有两个，所述阴极板椭圆形导流柱(7)设置有多个且具有倾斜角度。

3.如权利要求1所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述阴极板入口分配区(17)、阴极板出口分配区(15)与阴极板反应区(9)之间均设置有过渡段斜坡(8)。

4.如权利要求1所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述空气阴极板背面布置有双蛇形流道(20)，所述双蛇形流道(20)用于液体加热、冷却极板，所述双蛇形流道(20)及进出口角孔四周均布置有阴极板粘接槽(19)，所述阴极板粘接槽(19)通过点胶粘接双极板形成冷却水流道。

5.如权利要求1所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述空气阴极板的一角设置有阴极板装配防反小台肩(4)，所述空气阴极板的其他三角设置有阴极板大台肩(10)，所述阴极板装配防反小台肩(4)的高度小于其他三个阴极板大台肩(10)的高度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述阴极板反应区(9)平行直流道的槽宽为0.7-1.2mm,槽深为0.25-1.0mm，脊宽为0.8-1.2mm。

7.如权利要求1所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述阳极板分配区氢气入口(38)、阳极板分配区氢气出口(45)内均布置有阳极板梯形导流台(42)、阳极板椭圆形导流柱(43)，所述阳极板梯形导流台(42)上下对称布置有两个，所述阳极板椭圆形导流柱(43)设置有多个且具有倾斜角度。

8.如权利要求1或7所述的氢燃料电池膜电极发电性能测试用双极板，其特征在于：所述氢气阳极板的一角设置有阳极板装配防反小台肩(34)，所述阳极板装配防反小台肩(34)的高度小于设置在其他三角的阳极板大台肩的高度。

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