CN213184361U - 一种具有超细密化流道的双极板及应用该双极板的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池领域，公开了一种具有超细密化流道的双极板及应用该双极板的燃料电池。具有超细密化的双极板流道包括多个流场沟脊，每两个流场沟脊之间形成一个流道。流场沟脊的宽度和高度均为450µm，流道的宽度为900µm。在使用过程中，流体从流道的一端进入，沿流道从其另一端流出。另外，这种超细密化流道的设置能够令流道内流体分布不均匀，例如出现气泡等，会导致失压。最终造成进出口压力梯度增大，从而使得双极板顺利进行排水，防止水淹。应用该双极板的燃料电池可以配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

Description

一种具有超细密化流道的双极板及应用该双极板的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体为一种具有超细密化流道的双极板及应用该双极板的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种利用氢气和氧气进行电化学氧化反应而发电的装置。其中，质子交换膜(PEM)燃料电池通常是由膜电极、气体扩散层、双极板等部件交替堆叠而成。

双极板是PEM燃料电池的重要组成部分，它起着向反应位点提供燃料和氧化剂，去除反应产物，收集产生的电流，并为堆中的电池提供机械支持的作用。双极板主要分为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。金属薄板具有较高的强度以及良好的导电、导热性能，原材料价格便宜，且适合大批量生产方式，是燃料电池产业化的第一选择。

燃料电池的排水技术在由传统的重力排水方式向压力排水方式转变，而这一转变对空压机的性能提出了更高的技术要求。在采用压力排水替代传统重力排水的策略中，需要使用大功率的空压机，通过增大流路压力损失梯度来实现燃料电池的排水，以防止水淹现象的产生。

因此，现有PEM燃料电池双极板增加了实用化空压机的开发难度。而另一方面，一味地提高空压机功率，又会造成燃料电池系统有效功率的降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有超细密化流道的双极板及应用该双极板的燃料电池，以改善现有双极板结构增加了实用化空压机的开发难度；另一方面空压机功率的提高会造成燃料电池系统有效功率的降低的技术问题。

本实用新型一种具有超细密化流道的双极板，包括流体总入口、流体总出口、多个流场沟脊和若干个超细密化的流道；

每相邻两个所述流场沟脊之间形成一个流道；所述流场沟脊的宽度和高度均为450µm；所述流道的宽度为900µm；若干个流道和流场沟脊为一组，设置在第一气体导流通道和第二气体导流通道内部，每组分别对应一个气体流场入口和一个气体流场出口。较小的流场沟脊宽度和较大的流道宽度能够使更多的流体通过流场，促进反应气传质, 从而提高电池性能。

气体流场入口和气体流场出口分别连接着第一气体导流通道和第二气体导流通道，第一气体导流通道和第二气体导流通道的端口呈漏斗型，中间部分宽度一致。第一气体导流通道和第二气体导流通道的漏斗型端口边缘为竖直线条，方便制作；并且节省空间，能够在双极板上布置更多流道和沟脊，提高利用效率。

每组所述第一气体导流通道和第二气体导流通道的一端均为气体流场入口，另一端均为气体流场出口；气体流场入口和气体流场出口两部分呈对角线分布。

所述的气体流场入口和气体流场出口分别设置有若干个，垂直于流道和流场沟脊的方向线性排列。

所述的流体总入口包括氧化剂入口、燃料气体入口、冷却水入口；所述流体总出口包括氧化剂出口、燃料气体出口和冷却水出口；所述的流体总入口和流体总出口分列于双极板的板面两端。

所述的若干气体流场入口和气体流场出口分别与对应的流体总入口和流体总出口中的出入口相通。若双极板的板面需要通过氧化剂时，若干气体流场入口则与氧化剂入口连通，气体流场出口则与氧化剂出口连通。

所述流道沿垂直于延伸方向的截面的形状为矩形。这样的设置一方面便于工人进行加工制作，另一方面流道和流场沟脊可以水平间隔地设置在第一气体导流通道之中，便于气体更均匀地在内部流通，提高双极板的利用效率。

一种超细密化双极板流道，包括如前所述的双极板流道。

所述的具有超细密化双极板流道双极板包括阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板间隔设置；所述阴极板相对的两面和所述阳极板相对的两面均设置有多个流道。位于阴极板远离阳极板的一面的流道用于流通空气，阴极板靠近阳极板的一面的流道用于流通冷却水，阳极板远离阴极板的一面的流道用于流通氢气，阳极板靠近阴极板的一面的流道用于流通冷却水。

进一步的，一种燃料电池，包括多个膜电极组件和多个如前所述的具有超细密化流道的双极板。

与现有技术相比，本实用新型的突出性特点在于：第一气体导流通道和第二气体导流通道端口形状的设置能够令流道内流体分布不均匀，例如出现气泡等，会导致失压。最终造成进出口压力梯度增大，从而使双极板顺利进行排水，防止水淹。因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型实施例提供的超细密化流道的双极板的阴极板结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的超细密化流道的双极板的阳极板结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的超细密化流道的双极板的实物图；

图4为本实用新型实施例提供的具有超细密化流道的双极板的流场沟脊和流道结构示意图；

图5为本实用新型具有超细密化流道的双极板的空气板面流量仿真图。

图中标号： 1.流场沟脊、2.流道、3.流体入口、4.流体出口、5.阴极板、6.气体流场入口、7. 气体流场出口、8.氧化剂入口、9.氧化剂出口、10.燃料气体入口、11.燃料气体出口、12.冷却水入口、13.冷却水出口、14. 第一气体导流通道、15.第二气体导流通道、16.阳极板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1-3为本实用新型实施案例提供的具有超细密化流道的双极板的结构示意图，图4为本实用新型案例提供的具有超细密化流道的双极板的流场沟脊1和流道2的结构示意图。

如图1、2所示，本实施案例提供的具有超细密化流道的双极板的阳极板16和阴极板5，包括多个流场沟脊1；每两个流场沟脊1之间形成一个流道2；流场沟脊1的宽度和高度均为450µm；流道2的宽度为900µm。

本实用新型一种具有超细密化流道的双极板，包括流体总入口、流体总出口、多个流场沟脊1和若干个超细密化的流道2。

每相邻两个所述流场沟脊1之间形成一个流道2；流场沟脊1的宽度和高度均为450µm；流道2的宽度为900µm；若干个流道2和流场沟脊1为一组，设置在第一气体导流通道14和第二气体导流通道15内部，每组分别对应一个气体流场入口6和一个气体流场出口7。

每组流道2和流场沟脊1的一端均为气体流场入口6，另一端均为气体流场出口7；若干个气体流场入口6和气体流场出口7两部分呈对角线分布，垂直于流道2和流场沟脊1的方向线性排列。

气体流场入口6和气体流场出口7分别连接着第一气体导流通道14和第二气体导流通道15，第一气体导流通道14和第二气体导流通道15的端口呈漏斗型，中间部分宽度一致。这种设置能够令流体在流场的入口处和出口处分布不均匀，例如出现气泡等，会导致失压。最终造成进出口压力梯度增大，从而在保证压力的情况下顺利进行排水，防止水淹。因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低。

此外第一气体导流通道14和第二气体导流通道15的漏斗型端口由若干竖直或水平线段组成，方便制造和加工。

其中，两个相邻的流道2之间间隔的距离相同，即间隔距离为一个流场沟脊1的宽度。

并且，流道2和流场沟脊1水平方向间隔着进行设置同时也能够令流体在流道2流通的过程中分布更加均匀，能够提高有效面积的利用率；而且减少了流体在流通的过程中遇到的阻力，减少压力的损失。

在使用过程中，流体从气体流场入口6进入第一气体导流通道14，再从多个流道2的流体入口3进入，经过流道2从流体出口4流出，经过第二气体导流通道15从气体流场出口7输出。由于空气和氢气从多个流体入口3进入并在多个流道2流通，这样能够加快流体流通的速度，减少流通过程中遇到的阻力，还能够令流体分布更加均匀。

图中所示的实施例中，双极板的流道沿垂直于延伸方向的截面的形状为矩形。矩形截面的设置能够更加方便工作人员制作加工，且流体流通的面积较大。这样能够加快流体流通的速度，减少流通过程中遇到的阻力。

其中，流道2沿垂直与延伸方向的截面的形状可以为多种，例如：三角形、梯形或者半圆形等等。

进一步的，在能够保证双极板性能的前提下，缩短流道2的长度，即缩短流体的传输距离。这样能够在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，实现快速排水，避免电极水淹现象的发生，因此能够配备更小功率的空压机。

进一步的，在双极板的制备过程中可对流道2进行光滑处理，即疏水处理。当燃料电池在80℃运行条件下，生成的水通常以水蒸气的形式呈现，这样能够利用较大的压力损失梯度将生成的水蒸气快速排出燃料电池，有效防止阴极电极水淹。

进一步的，一种应用该双极板的燃料电池包括多个膜电极组件和多个具有超细密化流道的双极板。

其中具有超细密化流道的双极板包括阴极板5和阳极板16；阴极板5和阳极板16间隔设置；阴极板5相对的两面和阳极板16相对的两面均设置有多个流道2。位于阴极板5远离阳极板16的一面的流道2用于流通空气，阴极板5靠近阳极板16的一面的流道2用于流通冷却水，阳极板16远离阴极板5的一面的流道2用于流通氢气，阳极板16靠近阴极板5的一面的流道2用于流通冷却水。

图1为本实用新型实施例提供的双极板的阴极板5结构示意图；具体为流通空气的一侧面板，即远离阳极板16的一面。气体流场入口6和气体流场出口7分别与氧化剂入口8和氧化剂出口9连通，用于输送空气。

图2为本实用新型实施例提供的双极板的阳极板16结构示意图；具体为流通氢气的一侧面板，即远离阴极板5的一面。气体流场入口6和气体流场出口7分别与燃料气体入口10和燃料气体出口11连通，用于输送氢气。

在上述实施例的基础上，进一步的，双极板包括两侧都具有流道的双极板以及只有一侧具有流道的端板；端板和双极板间隔设置，表面均设置有多个流道2；只有一侧有流道2的端板的流道2用于流通空气，两侧都有流道的双极板的流道2用于流通冷却水，另一个端板的流道2用于流通氢气。相应地，气体流场入口6和气体流场出口7与对应的流体出入口相通即可实现连通目的。

进一步的，氧化剂入口8的大小和氧化剂出口9的大小大于燃料气体入口10的大小和燃料气体出口11的大小。由于从氧化剂入口8通入的气体为空气，并不是纯氧气，而从燃料气体入口10通入的是氢气，这种设置是为了有足够的氧气量与氢气反应。

进一步的，所有类型的双极板的边角处设置为圆角。在安装燃料电池的过程中，圆角的设置能够防止划伤工作人员或者其他结构件。

本实施例中，双极板的两面均设置有多个流道2。如图5的流量仿真图所示，这样的设置能够令流体在流道2流通的过程中分布不均匀，在进出口气体压力损失一定的情况下，压力损失梯度增大，能够实现快速排水，避免电极水淹现象的发生。因此能够配备更小功率的空压机，避免开发大功率的空压机，也能够防止燃料电池系统有效功率的降低，从而提高双极板的性能。

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实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种具有超细密化流道的双极板，其特征在于：包括流体总入口、流体总出口、多个流场沟脊和若干个超细密化的流道；

每相邻两个所述流场沟脊之间形成一个流道；所述流场沟脊的宽度和高度均为450µm；所述流道的宽度为900µm；若干个流道和流场沟脊为一组，设置在第一气体导流通道和第二气体导流通道内部，每组分别对应一个气体流场入口和一个气体流场出口；

气体流场入口和气体流场出口分别连接着第一气体导流通道和第二气体导流通道，第一气体导流通道和第二气体导流通道的端口呈漏斗型，中间部分宽度一致。

2.根据权利要求1所述的具有超细密化流道的双极板，其特征在于：每组所述第一气体导流通道和第二气体导流通道的一端均为气体流场入口，另一端均为气体流场出口；气体流场入口和气体流场出口两部分呈对角线分布。

3.根据权利要求1或者2所述的具有超细密化流道的双极板，其特征在于：所述的气体流场入口和气体流场出口分别设置有若干个，垂直于流道和流场沟脊的方向线性排列。

4.根据权利要求1所述的具有超细密化流道的双极板，其特征在于：所述的流体总入口包括氧化剂入口、燃料气体入口、冷却水入口；所述流体总出口包括氧化剂出口、燃料气体出口和冷却水出口；所述的流体总入口和流体总出口分列于双极板的板面两端。

5.根据权利要求3所述的具有超细密化流道的双极板，其特征在于：所述的若干气体流场入口和气体流场出口分别与对应的流体总入口和流体总出口中的出入口相通。

6.根据权利要求1所述的具有超细密化流道的双极板，其特征在于：所述流道沿垂直于延伸方向的截面的形状为矩形。

7.一种应用权利要求1所述的具有超细密化流道的双极板的燃料电池，其特征在于：包括多个膜电极组件和多个所述的具有超细密化流道的双极板；所述具有超细密化流道的双极板包括阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板间隔设置；所述阴极板相对的两面和所述阳极板相对的两面均设置有多个所述超细密化的流道。

Images