CN216818395U - 一种自排水型燃料电池导流极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的属于导流极板技术领域，具体为一种自排水型燃料电池导流极板，包括导流极板、空气流道、氢气流道和冷却液通道，空气流道置于活性导电区域内，冷却液通道包括导流极板上设有的一对冷却流体孔，冷却流体孔由冷却液进孔和冷却液出孔组成，该冷却流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽，冷却流液流道与空气流道采取逆流方法布置，常压空气进入导流极板导流场后，沿着导流场流动，反应温度不断升高，携带水蒸气能力不断加强，从膜电极上半部到下半部，下半部的温度明显高于上半部，冷却流体与空气采取逆流运行，从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水。

Description

一种自排水型燃料电池导流极板

技术领域

本实用新型涉及导流极板技术领域，具体为一种自排水型燃料电池导流极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池堆是一种通过燃料和氧化剂的电化学反应产生电能的装置。该装置的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，由两张多孔性的气体扩散层和夹在中间的一片质子交换膜组成。在质子交换膜与气体扩散层(如碳纸)的界面上附着有电化学催化剂。

质子交换膜燃料电池堆的另一重要部件是导流极板。两面均与膜电极相连的导流极板，阳极和阴极反应分别在两侧同时发生，称为双极板。一面紧靠电流集电器的导流极板，只有另一面与膜电极相连，反应只在一侧发生，称为单极板。双极板或单极板上含有可供气体(如氢气或空气)流通的通道和冷却剂(如空气或水)流通的流体流道。

在氢燃料电池中，当氢气由燃料电池堆的氢气入口进入双极板或单极板的氢气流体流道后，透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂的表面。在催化剂的作用下，氢气发生电化学反应，氢原子失去电子成为正离子(质子)。电子通过多孔性的气体扩散层(如碳纸)和双极板或单极板到达用电器，再通过双极板或单极板及多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达膜电极另一侧的催化剂表面。在催化剂的作用下，电子与透过多孔性的气体扩散层(如碳纸)到达催化剂表面的氧化剂(如氧气)和通过质子交换膜到达催化剂表面地质子发生电化学反应，生成反应产物(如水)。

由两块导流极板中间夹持一片膜电极构成燃料电池的一个单电池。单电池在反应中可提供的电压低于1.0V。为了提高燃料电池堆的输出功率，多于一片的单电池以串联的方式被组装在一个电堆中，燃料电池堆的输出电压是燃料电池堆中所有单电池电压的总和。

燃料电池理想的工作条件是，提供给每个膜电极恰当的并且连续不断的燃料或氧化剂。在工作过程中，质子交换膜必须用水饱和，以满足它充分的产电性能，并使其电阻率降到最低。燃料电池的反应产物是水，由于正常的扩散，质子交换膜中的离子携带的水分子的运动占据主流，水趋于向膜电极的阴极一侧聚集。随着电流密度的增加，在一定膜电极面积上产生的水的量也增加。不论是为了满足反应气体的流通还是为了质子交换膜中水份的饱和，都需要对水进行恰当的管理，也就是说当水含量较多，并开始阻止反应气体稳定的穿过气体扩散层时，要将过多的水份去除，而当质子交换膜中的水份不饱和时，又要能提供足够的水份。

运行中燃料电池导流极板空气导流槽或氢气导流槽堵塞时，会表现某个别堵塞电池电压很低甚至出现负值，导致燃料电池运行不稳定，严重时会将电极击穿，并使整个电池堆毁坏。

实用新型内容

本部分的目的在于概述本实用新型的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和实用新型名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和实用新型名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本实用新型的范围。

鉴于上述和/或现有的导流极板中存在的问题，提出了本实用新型。

因此，本实用新型的目的是提供一种自排水型燃料电池导流极板，能够通过采用冷却液流道与空气流道应逆流运行的方法，解决运行中燃料电池导流极板空气导流槽或氢气导流槽堵塞，导致燃料电池运行不稳定，严重时会将电极击穿，并使整个电池堆毁坏的情况。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了如下技术方案：

一种自排水型燃料电池导流极板，其包括：导流极板、空气流道、氢气流道和冷却液通道；

导流极板,分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高强度非活性区域；

空气流道，置于活性导电区域内，包括呈对角设置的空气进孔和空气出孔，空气进孔和空气出孔之间设置多个空气导流槽，空气流道作为供氧流道；

氢气流道，包括沿导流极板对角设置的氢气进孔与氢气出孔，该对流体孔之间设有多条呈平行直条状弯曲导氢气流槽；

冷却液通道包括导流极板上设有的一对冷却流体孔，冷却流体孔由冷却液进孔和冷却液出孔组成，该冷却流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽。

作为本实用新型所述的一种自排水型燃料电池导流极板的一种优选方案，其中：所述冷却流液流道与空气流道采取逆流方法布置。

作为本实用新型所述的一种自排水型燃料电池导流极板的一种优选方案，其中：所述空气流道与氢气流道都在空气或氢气流体进孔到空气或氢气流体出孔之间单独形成一个蛇行流道，每个流道只经过部分流场，其中每个流道的后部分总与另一流道的前部分相邻。

作为本实用新型所述的一种自排水型燃料电池导流极板的一种优选方案，其中：所述活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述高强度非活性区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料。

与现有技术相比：冷却流液流道与空气流道采取逆流方法布置，常压运行的燃料电池堆膜电极的阴极面，大量常压空气可以带走大量的汽态水，膜电极很容易失水，常压空气进入导流极板导流场后，沿着导流场流动，反应温度不断升高，携带水蒸气能力不断加强，从膜电极上半部到下半部，下半部的温度明显高于上半部，冷却流体与空气采取逆流运行，从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本实用新型进行详细说明，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方式，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它的附图。其中：

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为本实用新型正视结构示意图；

图3为本实用新型正视结构示意图。

图中：100导流极板、110活性导电区域、120高强度非活性区域、200空气流道、210空气进孔、220空气出孔、300氢气流道、310氢气进孔、320氢气出孔、400冷却液流道、410冷却液进孔、420冷却液出孔、430冷却液流体导流槽。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

本实用新型提供一种自排水型燃料电池导流极板，通过冷却流体与空气采取逆流运行，从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水，请参阅图1-3，包括，导流极板100、空气流道200、氢气流道300和冷却液通道400；

请继续参阅图1-2，导流极板100分为二个区域，中间为活性导电区域110，周边为高强度非活性区域120，活性导电区域110采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，高强度非活性区域120采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料；

请继续参阅图1-2，空气流道200，置于活性导电区域110内，包括呈对角设置的空气进孔210和空气出孔220，空气进孔210和空气出孔220之间设置多个空气导流槽，空气流道200作为供氧流道；

请继续参阅图1-2，氢气流道300，包括沿导流极板100对角设置的氢气进孔310与氢气出孔320，该对流体孔之间设有多条呈平行直条状弯曲导氢气流槽；

空气流道200与氢气流道300都在空气或氢气流体进孔到空气或氢气流体出孔之间单独形成一个蛇行流道，每个流道只经过部分流场，其中每个流道的后部分总与另一流道的前部分相邻，当一个流体流道被阻塞，从而阻碍反应气体的流动时，反应气体会转而流向另一个或多个未阻塞的流体流道，从而增加了未阻塞流体流道内的气体流量，由于流量的变化能引起压力差的变化，所以未阻塞流体流道内流量的增加，会使阻塞流体流道导流槽末端开口处附近和未阻塞流体流道导流槽末端开口处附近之间的压力差增加，所以，由于被阻塞流体流道中气体流动的受阻，动态地增加了连接两流体流道的导流槽的水驱动效应，这样，流场中连接两流体流道区域的导流槽能自动的去除累积的水从而减少本区域内的满溢，这样的压力平衡能保证流场内流体流道在流场的关键位置有足够的压力，以及沿着整个流体流道的长度有足够多的压力降。因此，由导流槽产生的压力平衡有助于沿每一流体流道维持反应物气体所需的流量；

请继续参阅图1-3，冷却液通道400包括导流极板100上设有的一对冷却流体孔，冷却流体孔由冷却液进孔410和冷却液出孔420组成，该冷却流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽430，冷却流液流道400与空气流道200采取逆流方法布置，常压运行的燃料电池堆膜电极的阴极面，大量常压空气可以带走大量的汽态水，膜电极很容易失水，常压空气进入导流极板导流场后，沿着导流场流动，反应温度不断升高，携带水蒸气能力不断加强，从膜电极上半部到下半部，下半部的温度明显高于上半部，冷却流体与空气采取逆流运行，从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水。

工作原理：

空气流道200与氢气流道300都在空气或氢气流体进孔到空气或氢气流体出孔之间单独形成一个蛇行流道，每个流道只经过部分流场，其中每个流道的后部分总与另一流道的前部分相邻，当一个流体流道被阻塞，从而阻碍反应气体的流动时，反应气体会转而流向另一个或多个未阻塞的流体流道，从而增加了未阻塞流体流道内的气体流量，由于流量的变化能引起压力差的变化，所以未阻塞流体流道内流量的增加，会使阻塞流体流道导流槽末端开口处附近和未阻塞流体流道导流槽末端开口处附近之间的压力差增加，所以，由于被阻塞流体流道中气体流动的受阻，动态地增加了连接两流体流道的导流槽的水驱动效应，这样，流场中连接两流体流道区域的导流槽能自动的去除累积的水从而减少本区域内的满溢，这样的压力平衡能保证流场内流体流道在流场的关键位置有足够的压力，以及沿着整个流体流道的长度有足够多的压力降。因此，由导流槽产生的压力平衡有助于沿每一流体流道维持反应物气体所需的流量；

其次，冷却流液流道400与空气流道200采取逆流方法布置，常压运行的燃料电池堆膜电极的阴极面，大量常压空气可以带走大量的汽态水，膜电极很容易失水，常压空气进入导流极板导流场后，沿着导流场流动，反应温度不断升高，携带水蒸气能力不断加强，从膜电极上半部到下半部，下半部的温度明显高于上半部，冷却流体与空气采取逆流运行，从膜电极下半部进入，刚进入导流极板时温度较低，冷却能力较强，可以有效防止下半部膜电极失水。

虽然在上文中已经参考实施方式对本实用新型进行了描述，然而在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本实用新型所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本实用新型并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (3)

1.一种自排水型燃料电池导流极板，其特征在于，包括：导流极板(100)、空气流道(200)、氢气流道(300)和冷却液流道(400)；

导流极板(100)，分为二个区域，中间为活性导电区域(110)，周边为高强度非活性区域(120)；

空气流道(200)，置于活性导电区域(110)内，包括呈对角设置的空气进孔(210)和空气出孔(220)，空气进孔(210)和空气出孔(220)之间设置多个空气导流槽，空气流道(200)作为供氧流道；

氢气流道(300)，包括沿导流极板(100)对角设置的氢气进孔(310)与氢气出孔(320)，该对流体孔之间设有多条呈平行直条状弯曲导氢气流槽；

冷却流液流道(400)包括导流极板(100)上设有的一对冷却流体孔，冷却流体孔由冷却液进孔(410)和冷却液出孔(420)组成，该冷却流体孔之间并在空气导流槽的背面设有冷却流体导流槽(430)。

2.根据权利要求1所述的一种自排水型燃料电池导流极板，其特征在于，所述冷却液流道(400)与空气流道(200)采取逆流方法布置。

3.根据权利要求1所述的一种自排水型燃料电池导流极板，其特征在于，所述空气流道(200)与氢气流道(300)都在空气或氢气流体进孔到空气或氢气流体出孔之间单独形成一个蛇行流道，每个流道只经过部分流场，其中每个流道的后部分总与另一流道的前部分相邻。

Images