CN211929620U - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统 - Google Patents

Abstract

一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，属于燃料电池技术领域。双极板由阳极单极板、阴极单极板及中间隔板连接构成三层结构，分别形成燃料流场、氧化剂流场以及冷却液流场Ⅱ、冷却液流场Ⅰ。上述一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其阳极流场保留了多路蛇形流道压降小与交指型流道气体扩散性好的优点；阴极流场保留了多路蛇形流道排气方便压降低的同时，凸包使在流道中流动的氧化剂利于向扩散层扩散提高电池功率；两组冷却液流动方向相反的双冷却液流场使冷却液冷却温度更均匀，燃料电池工作区域一致性更好，极大地提高了燃料电池的热控制能力，为燃料电池的安全性提供了保障。

Description

一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统。

背景技术

目前蓄电池行业如锂电池、铅酸、镍氢、镍镉电池等均因存在较大如环保、安全等方面的隐患，在科技发展的今天已经难以满足绿色能源的要求，开发新型替代产品已经刻不容缓了。燃料电池作为一种在等温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能的发电装置。被认为是解决能源环境危机的终极方案。

质子膜燃料电池以其优异的低温、环保等性质，成为汽车动力源和储能电站的理想取代方案。金属双极板以其独特的优异性能成为质子膜燃料电池主要组成部件双极板的重要材料应用之一。

现在市场上的质子膜燃料电池双极板以石墨双极板为主，金属双极板的应用还处于初始阶段，对于如何提高电池输出功率，提高排水性能防止水淹，提高系统热管理效率，从而提高安全性和稳定性等问题为燃料电池金属双极板流场设计提出了要求。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的在于设计提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统的技术方案，其显著提高了电池输出功率，两组冷却液流动方向相反的双冷却液流场使冷却液冷却温度更均匀，燃料电池工作区域一致性更好，极大地提高了燃料电池的热控制能力，为燃料电池的安全性提供了保障。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于双极板由阳极单极板、阴极单极板及中间隔板连接构成，分别形成燃料流场、氧化剂流场以及冷却液流场Ⅱ、冷却液流场Ⅰ。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板正面为燃料流场，采用全流程多路蛇形-交指型流道或多路蛇形流道；同时全流程流道使反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅱ。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阴极单极板正面为氧化剂流场，采用中间为带凸包的多路蛇形流道，首末两条为普通光滑蛇形流道；同时在反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅰ。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于中间隔板为带孔平板，中间隔板的两边分别与阴极单极板、阳极单极板相连接，中间隔板两面各形成了冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ；冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ的流道布置方向相反。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板板体上设置阳极板燃料进气通道、阳极板冷却液进液通道、阳极板氧化剂进气通道、阳极板氧化剂出气通道、阳极板冷却液出液通道、阳极板燃料出气通道、阳极板燃料进流道小孔、阳极板燃料出流道小孔；阳极单极板的正面设置阳极板燃料流道，阳极板燃料流道的始末端各设置一段阳极板燃料流场过渡通道，阳极板燃料流道外围板体上设置阳极板密封位；阳极单极板反面设置冷却液流场Ⅱ冷却液流道、阳极板燃料进气腔、阳极板冷却剂进液腔、阳极板燃料出气腔，冷却液流场Ⅱ冷却液流道外围设置阳极板焊接/粘接位，阳极板燃料进气腔、阳极板燃料出气腔分别与阳极板燃料流场过渡通道通过阳极板燃料进流道小孔和阳极板燃料出流道小孔相连。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阴极单极板的板体上设置阴极板氧化剂进气通道、阴极板冷却液进液通道、阴极板燃料进气通道、阴极板燃料出气通道、阴极板冷却液出液通道、阴极板氧化剂出气通道、阴极板氧化剂进流道小孔、阴极板氧化剂出流道小孔；阴极单极板的正面设置阴极板氧化剂流道，阴极板氧化剂流道的始末端各设置一段阴极板氧化剂流场过渡通道，阴极板氧化剂流道外围设置阴极板密封位；阴极单极板反面设置冷却液流场Ⅰ冷却液流道、阴极板氧化剂进气腔，冷却液出液腔、阴极板氧化剂气腔，冷却液流场Ⅰ冷却液流道外围设置阴极板焊接/粘接位，阴极板氧化剂进气腔、阴极板氧化剂气腔与阴极板氧化剂流场过渡通道分别通过阴极板氧化剂进流道小孔和阴极板氧化剂出流道小孔相连。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于中间隔板的冷却液流场进口端板体上设置氧化剂进气通道、冷却液进液通道、燃料进气通道、冷却液流场Ⅰ进流道矩形孔、冷却液进液通道Ⅰ、冷却液进液通道Ⅱ、冷却液流场Ⅱ进流道矩形孔，中间隔板的冷却液流场出口端板体上设置燃料出气通道、冷却液出液通道、氧化剂出气通道、冷却液流场Ⅱ出流道矩形孔、冷却液出液通道Ⅱ、冷却液出液通道Ⅰ、冷却液流场Ⅰ出流道矩形孔。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板、阴极单极板、中间隔板的厚度均为0.05-0.5mm，优选0.08-0.12mm。

所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极板燃料流道、阴极板氧化剂流道的流道深度：0.1-2.5mm，流道宽度：0.5-2.5mm，脊宽：0.5-2.5mm。

上述一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，包括阴极单极板、阳极单极板和中间隔板的三层结构，其阳极燃料流场为全流程多路蛇形-交指型流道或多路蛇形流道，阴极氧化剂流场为带凸包的多路蛇形流道，中间冷却液流场为两层冷却液流向相反的双冷却液流场组成。它的阳极流场在保留了多路蛇形流道压降小与交指型流道气体扩散性好的优点；阴极流场保留了多路蛇形流道排气方便压降低的同时，凸包使在流道中流动的氧化剂利于向扩散层扩散提高电池功率；两组冷却液流动方向相反的双冷却液流场使冷却液冷却温度更均匀，燃料电池工作区域一致性更好，极大地提高了燃料电池的热控制能力，为燃料电池的安全性提供了保障。

附图说明

图1为本实用新型双极板的分体结构示意图；

图2为本实用新型双极板阳极板面的正面结构示意图；

图3为本实用新型双极板的侧面结构示意图；

图4为本实用新型双极板阴极板面的正面结构示意图；

图5为本实用新型中间隔板的结构示意图；

图6为本实用新型阳极单极板的反面结构示意图；

图7为图6的A-A剖面结构示意图；

图8为本实用新型阳极单极板的正面结构示意图；

图9为图7的B局部结构示意图；

图10为本实用新型阴极单极板的正面结构示意图；

图11为图10的C-C剖面结构示意图；

图12为本实用新型阴极单极板的反面结构示意图；

图13为图11的E局部结构示意图；

图14为图10的D 部放大结构示意图；

图中：1-阳极单极板、2-阴极单极板、3-中间隔板、S1-阳极板燃料进气通道、S2-阳极板冷却液进液通道、S3-阳极板氧化剂进气通道、S4-阳极板氧化剂出气通道、S5-阳极板冷却液出液通道、S6-阳极板燃料出气通道、S7-阳极板密封位、S8-阳极板燃料流道、S9-阳极板燃料流场过渡通道、S10-阳极板燃料出流道小孔、S11-阳极板燃料进流道小孔、S12-阳极板焊接/粘接位、S13-冷却液流场Ⅱ冷却液流道、S14-阳极板燃料进气腔、S15-阳极板冷却剂进液腔、S16-阳极板燃料出气腔；H1-阴极板氧化剂进气通道、H2-阴极板冷却液进液通道、H3-阴极板燃料进气通道、H4-阴极板燃料出气通道、H5-阴极板冷却液出液通道、H6-阴极板氧化剂出气通道、H7-阴极板密封位、H8-阴极板氧化剂流道、H9-阴极板氧化剂流场过渡通道、H10-阴极板氧化剂出流道小孔、H11-阴极板氧化剂进流道小孔、H12-阴极板焊接/粘接位、H13-冷却液流场Ⅰ冷却液流道、H14-阴极板氧化剂进气腔、H15-冷却液出液腔、H16-阴极板氧化剂气腔；K1-氧化剂进气通道、K2-冷却液进液通道、K3-燃料进气通道、K4-燃料出气通道、K5-冷却液出液通道、K6-氧化剂出气通道、K7-冷却液流场Ⅰ进流道矩形孔、K8-冷却液进液通道Ⅰ、K9-冷却液进液通道Ⅱ、K10-冷却液流场Ⅱ进流道矩形孔、K11-冷却液流场Ⅱ出流道矩形孔、K12-冷却液出液通道Ⅱ、K13-冷却液出液通道Ⅰ、K14-冷却液流场Ⅰ出流道矩形孔。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。

如图所示，该质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其双极板由阳极单极板1、阴极单极板2及中间隔板3以激光焊接或胶粘结而成，分别形成燃料流场、氧化剂流场以及冷却液流场Ⅱ、冷却液流场Ⅰ。

进一步，阳极单极板1正面为燃料流场，采用全流程多路蛇形-交指型流道或多路蛇形流道；同时全流程流道使反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅱ。

进一步，阴极单极板2正面为氧化剂流场，采用中间为带凸包的多路蛇形流道，首末两条为普通光滑蛇形流道；同时在反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅰ。

进一步，中间隔板3为带孔平板，中间隔板3 的两边分别与阴极单极板2、阳极单极板1相连接，中间隔板3两面各形成了冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ；冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ的流道布置方向相反。

进一步，阳极单极板1板体上设置阳极板燃料进气通道S1、阳极板冷却液进液通道S2、阳极板氧化剂进气通道S3、阳极板氧化剂出气通道S4、阳极板冷却液出液通道S5、阳极板燃料出气通道S6、阳极板燃料进流道小孔S11、阳极板燃料出流道小孔S10；阳极单极板1的正面设置阳极板燃料流道S8，阳极板燃料流道S8的始末端各设置一段阳极板燃料流场过渡通道S9，阳极板燃料流道S8外围板体上设置阳极板密封位S7；阳极单极板1反面设置冷却液流场Ⅱ冷却液流道S13、阳极板燃料进气腔S14、阳极板冷却剂进液腔S15、阳极板燃料出气腔S16，冷却液流场Ⅱ冷却液流道S13外围设置阳极板焊接/粘接位S12，阳极板燃料进气腔S14、阳极板燃料出气腔S16分别与阳极板燃料流场过渡通道S9通过阳极板燃料进流道小孔S11和阳极板燃料出流道小孔S10相连。阳极单极板一面为燃料流场，如采用全流程多路蛇形-交指型流道，保留了多路蛇形流道压降小与交指型流道气体扩散性好的优点，同时全流程流道使另一面形成完整的多路蛇形冷却液流道。阳极板全流程多路蛇形-交指型流道或多路蛇形流道的始末端各设置一段阳极板燃料流场过渡通道S9，阳极板进出气腔S14与阳极板燃料流场过渡通道S9通过阳极板燃料进流道小孔S11或阳极板燃料出流道小孔S10相连。所有进出气、进出冷却液腔四周有密封凹槽，密封凹槽反面为激光焊接/粘接面形成阳极板焊接/粘接线S12。该结构既保证了燃料流场燃料的不外泄，又阻隔了背面冷却液流场燃料的渗入。

进一步，阴极单极板2的板体上设置阴极板氧化剂进气通道H1、阴极板冷却液进液通道H2、阴极板燃料进气通道H3、阴极板燃料出气通道H4、阴极板冷却液出液通道H5、阴极板氧化剂出气通道H6、阴极板氧化剂进流道小孔H11、阴极板氧化剂出流道小孔H10；阴极单极板2的正面设置阴极板氧化剂流道H8，阴极板氧化剂流道H8的始末端各设置一段阴极板氧化剂流场过渡通道H9，阴极板氧化剂流道H8外围设置阴极板密封位H7；阴极单极板2反面设置冷却液流场Ⅰ冷却液流道H13、阴极板氧化剂进气腔H14，冷却液出液腔H15、阴极板氧化剂气腔H16，冷却液流场Ⅰ冷却液流道H13外围设置阴极板焊接/粘接位H12，阴极板氧化剂进气腔H14、阴极板氧化剂气腔H16与阴极板氧化剂流场过渡通道H9分别通过阴极板氧化剂进流道小孔H11和阴极板氧化剂出流道小孔H10相连。阴极单极板2一面为氧化剂流场，为便于排水，同时提高燃料电池输出功率，采用带凸包的多路蛇形流道。此流道保留了多路蛇形流道排气方便压降低的同时，凸包使在流道中流动的氧化剂利于向扩散层扩散，同时在另一面形成完整的多路蛇形冷却液流道。同样阴极板带凸包的多路蛇形流道的始末端也各设置一段阴极板氧化剂流场过渡通道H9，阴极板进出气腔H14与阴极板氧化剂流场过渡通道H9通过阴极板氧化剂进流道小孔H11或阴极板氧化剂出流道小孔H10相连。所有进出气、进出冷却液腔四周有密封凹槽，密封凹槽反面为激光焊接/粘接面。该结构既保证了氧化剂流场氧化剂的不外泄，又阻隔了背面冷却液流场氧化剂的渗入。

进一步，中间隔板3的冷却液流场上部板体上设置氧化剂进气通道K1、冷却液进液通道K2、燃料进气通道K3、冷却液流场Ⅰ进流道矩形孔K7、冷却液进液通道ⅠK8、冷却液进液通道ⅡK9、冷却液流场Ⅱ进流道矩形孔K10，中间隔板3的冷却液流场下部板体上设置燃料出气通道K4、冷却液出液通道K5、氧化剂出气通道K6、冷却液流场Ⅱ出流道矩形孔K11、冷却液出液通道ⅡK12、冷却液出液通道ⅠK13、冷却液流场Ⅰ出流道矩形孔K14。中间隔板3的相应位置有燃料、氧化剂及冷却液进出通道，同时在阴极单极板和阳极单极板的流道始末端的相对位置以及冷却液密封槽外的适当位置，有冷却液流转和进出流道矩形孔。中间隔板的两边分别与阴极单极板2、阳极单极板1相连接，中间隔板两面各形成了一层冷却液流场，两冷却液流场流道布置方向相反，流道的始末端为中间隔板3的进出流道矩形孔，冷却液从中间隔板的另一面通过进出流道矩形孔进入流道，通过流场后又通过中间隔板3上的进出流道矩形孔从中间隔板3的另一面流出。由于冷却液流场为由两组冷却液流动方向相反的流场组成，从而使冷却液冷却温度更均匀，燃料电池工作区域一致性更好，极大地提高了燃料电池的热控制能力，优良的热控制能力是燃料电池能否稳定运行的基础，为燃料电池的安全性提供了保障。

进一步，阳极单极板1、阴极单极板2、中间隔板3的原料板的厚度均为0.05-0.5mm，优选0.08-0.12mm。为了提高燃料电池的比功率及价格优势，本实用新型原料板的厚度在强度和成形性能合适的情况下，优选上述限定参数。

进一步，阳极板燃料流道S8、阴极板氧化剂流道H8的流道深度：0.1-2.5mm，流道宽度：0.5-2.5mm，脊宽：0.5-2.5mm。

本实用新型的工作过程如下所述：

冷却液流场Ⅰ：冷却液从冷却液进液通道K2进入阳极板侧的阳极板冷却剂进液腔S15，穿过中间隔板的冷却液进液通道ⅠK8进入阴极板侧流道前的空腔，此时冷却液分成两部分，其中第一部分冷却液从冷却液进液通道ⅡK9穿过中间隔板回到阳极侧流道前的空腔，然后再从冷却液流场Ⅰ进流道矩形孔K7穿过中间隔板进入阴极侧冷却液流场Ⅰ，通过冷却液流场Ⅰ后，从冷却液流场Ⅰ的出口端穿过中间隔板的冷却液流场Ⅰ出流道矩形孔K14流出流场，至阴极侧流道后的空腔，与另一部分冷却液汇合后穿过中间隔板上的冷却液出液通道ⅠK13流回阴极侧，进入阴极板冷却液出液腔H15，然后从冷却液出液通道K5流出双极板。

冷却液流场Ⅱ：冷却液从冷却液进液通道K2进入阳极板侧的阳极板冷却剂进液腔S15，穿过中间隔板的冷却液进液通道ⅠK8进入阴极板侧流道前的空腔，此时冷却液分成两部分，其中第二部分冷却液则从冷却液流场Ⅱ进流道矩形孔K10穿过中间隔板进入阳极侧的冷却液流场Ⅱ，通过冷却液流场Ⅱ后，从冷却液流场Ⅱ的出口端穿过中间隔板的冷却液流场Ⅱ出流道矩形孔K11，到阴极的流道后空腔，穿过中间隔板的冷却液出液通道ⅡK12流回阳极板侧，与另一部分冷却液汇合后穿过中间隔板上的冷却液出液通道ⅠK13流回阴极侧，进入阴极板冷却液出液腔H15，然后从冷却液出液通道K5流出双极板。

燃料流场：燃料从燃料进气通道S1进入阳极侧的燃料进气腔S14，通过阳极板燃料进流道小孔S11进入燃料流场过渡通道S9，进入燃料流场流道S8，燃料流出流场进入燃料流场过渡通道S9、燃料出流道小孔S10到达燃料出气腔S16，然后从燃料出气通道S6排出。

氧化剂流场：氧化剂从氧化剂进气通道H1进入阴极侧的氧化剂进气腔H14，通过阴极板氧化剂进流道小孔H11进入氧化剂流场过渡通道H9，进入氧化剂流场流道H8，氧化剂流出流场进入氧化剂流场过渡通道H9、氧化剂出流道小孔H10到达氧化剂出气腔H16，然后从氧化剂出气通道H6排出。

以上技术方案对本实用新型作了详细的描述，但不用来限制本实用新型的范围。应当理解，基于本实用新型的启示，本领域技术人员对于本实用新型的的任何显而易见的变换或替代，也应当被认为是本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于双极板由阳极单极板（1）、阴极单极板（2）及中间隔板（3）连接构成，分别形成燃料流场、氧化剂流场以及冷却液流场Ⅱ、冷却液流场Ⅰ。

2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板（1）正面为燃料流场，采用全流程多路蛇形-交指型流道或多路蛇形流道；同时全流程流道使反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅱ。

3.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阴极单极板（2）正面为氧化剂流场，采用中间为带凸包的多路蛇形流道，首末两条为普通光滑蛇形流道；同时在反面形成完整的多路蛇形冷却液流道，为冷却液流场Ⅰ。

4.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于中间隔板（3）为带孔平板，中间隔板（3）的两边分别与阴极单极板（2）、阳极单极板（1）相连接，中间隔板（3）两面各形成了冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ；冷却液流场Ⅰ、冷却液流场Ⅱ的流道布置方向相反。

5.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板（1）板体上设置阳极板燃料进气通道（S1）、阳极板冷却液进液通道（S2）、阳极板氧化剂进气通道（S3）、阳极板氧化剂出气通道（S4）、阳极板冷却液出液通道（S5）、阳极板燃料出气通道（S6）、阳极板燃料进流道小孔（S11）、阳极板燃料出流道小孔（S10）；阳极单极板（1）的正面设置阳极板燃料流道（S8），阳极板燃料流道（S8）的始末端各设置一段阳极板燃料流场过渡通道（S9），阳极板燃料流道（S8）外围板体上设置阳极板密封位（S7）；阳极单极板（1）反面设置冷却液流场Ⅱ冷却液流道（S13）、阳极板燃料进气腔（S14）、阳极板冷却剂进液腔（S15）、阳极板燃料出气腔（S16），冷却液流场Ⅱ冷却液流道（S13）外围设置阳极板焊接/粘接位（S12），阳极板燃料进气腔（S14）、阳极板燃料出气腔（S16）分别与阳极板燃料流场过渡通道（S9）通过阳极板燃料进流道小孔（S11）和阳极板燃料出流道小孔（S10）相连。

6.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阴极单极板（2）的板体上设置阴极板氧化剂进气通道（H1）、阴极板冷却液进液通道（H2）、阴极板燃料进气通道（H3）、阴极板燃料出气通道（H4）、阴极板冷却液出液通道（H5）、阴极板氧化剂出气通道（H6）、阴极板氧化剂进流道小孔（H11）、阴极板氧化剂出流道小孔（H10）；阴极单极板（2）的正面设置阴极板氧化剂流道（H8），阴极板氧化剂流道（H8）的始末端各设置一段阴极板氧化剂流场过渡通道（H9），阴极板氧化剂流道（H8）外围设置阴极板密封位（H7）；阴极单极板（2）反面设置冷却液流场Ⅰ冷却液流道（H13）、阴极板氧化剂进气腔（H14），冷却液出液腔（H15）、阴极板氧化剂气腔（H16），冷却液流场Ⅰ冷却液流道（H13）外围设置阴极板焊接/粘接位（H12），阴极板氧化剂进气腔（H14）、阴极板氧化剂气腔（H16）与阴极板氧化剂流场过渡通道（H9）分别通过阴极板氧化剂进流道小孔（H11）和阴极板氧化剂出流道小孔（H10）相连。

7.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于中间隔板（3）的冷却液流场进口端板体上设置氧化剂进气通道（K1）、冷却液进液通道（K2）、燃料进气通道（K3）、冷却液流场Ⅰ进流道矩形孔（K7）、冷却液进液通道Ⅰ（K8）、冷却液进液通道Ⅱ（K9）、冷却液流场Ⅱ进流道矩形孔（K10），中间隔板（3）的冷却液流场出口端板体上设置燃料出气通道（K4）、冷却液出液通道（K5）、氧化剂出气通道（K6）、冷却液流场Ⅱ出流道矩形孔（K11）、冷却液出液通道Ⅱ（K12）、冷却液出液通道Ⅰ（K13）、冷却液流场Ⅰ出流道矩形孔（K14）。

8.如权利要求5或6所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极单极板（1）、阴极单极板（2）、中间隔板（3）的厚度均为0.05-0.5mm。

9.如权利要求5或6所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板流场系统，其特征在于阳极板燃料流道（S8）、阴极板氧化剂流道（H8）的流道深度：0.1-2.5mm，流道宽度：0.5-2.5mm，脊宽：0.5-2.5mm。

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