CN102810676B - 一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，所述的导流双极板为长方体形，沿该长方体形导流双极板的长边两端的短边两侧延伸出翼状凸出部位，该翼状凸出部位上设有空气进出流体孔和氢气进出流体孔，导流双极板的冷却流体进出孔设置在导流双极板长边两端的短边边缘上，连接导流双极板上下端的冷却流体进出孔的导冷却流体槽呈直线，所述的导空气流槽板正面设有空气进出流体孔和空气导流槽，所述的导氢气流槽板正面设有氢气进出流体孔和氢气导流槽。与现有技术相比，本发明可同时适合高温燃料电池和低温燃料电池，有利于减少冷却流体流动阻力，不易堵塞，***效率高。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池技术是21世纪人类利用氢能的最主要的关键技术。很多国家对质子交换膜燃料电池技术产业化都给予了高度的重视与大力的支持，并取得了许多实质性的进展。可以预见，该技术的全面产业化将对未来世界能源供应和格局产生重大影响。在现代社会生活和经济建设中，电力供应和保障的重要性越来越重要，同时对提高电力生产和使用效率及环境友好的要求程度不断提高。分布式发电的接近用户，减少电力远距离输送，根据用电需求灵活调整的优势越来越受到各国的重视。
根据质子交换膜的运行温度，质子交换膜燃料电池(PEMFC)可分为低温和高温两种类型。低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)的运行温度一般不高于90℃，具有启动快、功率密度高、重量轻、体积小的优点，它对作为燃料的氢气纯度要求很高，适合与太阳能等可再生能源衔接，利用电解水制取的高纯度氢气将不稳定的可再生能源转化为稳定的电能；高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的运行温度在120℃到180℃，虽然相比低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)的启动速度略慢(需要预热)、功率密度稍低，但是高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)有很强的抗CO中毒能力，非常适合由天然气、管道煤气、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋气以及生物能等多种方式重整制得的氢气，大大降低了燃料电池发电技术的使用门槛，而且由于高温燃料电池运行与120℃以上的高温，电堆生成水全部汽化，不会造成燃料电池堆内流道堵水，燃料电池的稳定可靠性大大提高，运行寿命比低温燃料电池高出10倍以上。此外，高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)运行产生的高温更容易被回收利用，整合成热电联供***(CHP)进一步提高其能量利用率。高温质子交换膜燃料电池具有运行稳定性高、***简单、寿命长等优点，其应用领域非常广，从小型居民家用终端热电联供，到楼宇、小区的分布式发电、大型的中心发电站。
高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)技术作为燃料电池中使用固态质子交换膜作为电解质的一种，其电解质的重要特性、膜电极(membraneelectrode assembly MEA)的基本结构和燃料电池的工作方式与低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)类似：电解质同样是质子的导体、电子的绝缘体，并有非常低的气体渗透性；膜电极MEA同样是其核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池；膜电极的基本结构也是中间质子交换膜，膜两侧分别是阴极和阳极电催化剂，阴阳极电催化剂外附气体扩散层；工作过程，氢气透过有孔的气体扩散层至催化剂层，燃料电池的氢气一侧为阳极，催化剂使氢气分离为质子和电子，质子通过电解质达到阴极(即氧气一侧)，电子流过一个外部电路到达阴极，在阴极质子、电子和氧气反应生成水。
高温质子交换膜燃料电池(工作温度120-180℃)使用的高温质子交换膜的质子传导机理与低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)使用的质子交换膜质子传导机理完全不同。低温质子交换膜燃料电池运行过程中，质子穿过膜时必须携带水分子(最多时一个质子需携带14个水分子)，在水分子的帮助下才能穿过膜，在干透或湿度不够情况下质子将不能或少量可以穿过膜，从而增大膜的电阻，导致迅速降低性能、减少寿命。高温质子交换膜的传导机理是：聚苯并咪唑(PBI)磷酸浸渍形成晶格，相当于形成磷酸二氢盐，在150℃-200℃温度范围内质子通过磷酸二氢盐的氢键网格相当于接力一样传递，完成质子穿过膜的过程，该过程中不需要携带水分子，但随着温度的降低，膜的电导率也将降低。故高温质子交换膜燃料电池的运行条件完全不同于低温质子交换膜燃料电池。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
目前低温燃料电池，一般采用水作为冷却散热流体，但它易遭遇冷启动问题，如在-20℃下，水结成了冰，无法启动。高温燃料电池，运行温度为120-180℃，水汽化了，也无法使用。因此，需要一种既能抗冷抗低温结冻，也能耐高温、不会汽化的冷却散热流体，目前一般采用含氟油，或其他的合成油作为冷却散热流体，但是这些流体一旦渗透到电极板上，就马上污染电极，使整个燃料电池报废。现有的导流极板冷却流体容易渗漏，污染电极，而且冷却流体流动阻力大，易堵塞。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可同时适合高温燃料电池和低温燃料电池的有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，该导流极板为导流双极板，所述的导流双极板由粘合在一起的导空气流槽板和导氢气流槽板组成，导空气流槽板和导氢气流槽板中间形成导冷却流体夹层，所述的导流双极板上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却流体的流体孔，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽；其特征在于，所述的导流双极板为长方体形，沿该长方体形导流双极板的长边两端的短边两侧延伸出翼状凸出部位，该翼状凸出部位上设有空气进出流体孔和氢气进出流体孔，导流双极板的冷却流体进出孔设置在导流双极板长边两端的短边边缘上，连接导流双极板上下端的冷却流体进出孔的导冷却流体槽呈直线，以减少阻力，所述的导空气流槽板正面设有空气进出流体孔和空气导流槽，反面设有连接空气进出流体孔和空气导流槽的进气引槽，所述的导氢气流槽板正面设有氢气进出流体孔和氢气导流槽，反面设有连接氢气进出流体孔和氢气导流槽的进气引槽。
所述的空气进出流体孔和氢气进出流体孔设置在导流双极板的长边两端的短边二侧翼状凸出部位上，位于导流双极板两端的对角处。
所述的空气导流槽和氢气导流槽呈“S”形。
所述的冷却流体进出孔的周边设有螺杆穿孔。
所述的导空气流槽板反面的进气引槽包括连接空气进出流体孔的引槽和连接正面空气导流槽的引孔，所述引槽和引孔相互连接，空气从导空气流槽板正面空气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的空气导流槽，经空气导流槽引导至空气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过空气出口再次返回正面流出。
所述的导氢气流槽板反面的进气引槽包括连接氢气进出流体孔的引槽和连接正面氢气导流槽的引孔，所述引槽和引孔相互连接，氢气从导氢气流槽板正面氢气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的氢气导流槽，经氢气导流槽引导至氢气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过氢气出口再次返回正面流出。
与现有技术相比，本发明的特点是：
1、目前一般采用含氟油，或其他的合成油作为既能抗冷抗低温结冻，也能耐高温、不会汽化的冷却散热流体，这种冷却散热流体流动阻力大，易堵塞，本发明在导流双极板的导冷却散热流体槽为直线槽，可以减少冷却散热流体流动阻力，因此，可以采用水、高温导热油、或者空气等多种物质作为冷却流体，同时适合高温燃料电池和低温燃料电池；
2、冷却散热流体可以是水、高温导热油、或者空气等，
3、冷却流体导流槽呈直线，减少了冷却流体的助力，有利于散热，减少散热设备如风机，水泵的功率损耗，提高***效率；
3、空气进出流体孔与空气导流槽不在空气导流板同一板面(正面)直接连接，而是通过设置在反面的进气引槽连接，这种设计使得空气和氢气不会互窜，而且空气导流槽也不易堵塞，同理，氢气进出流体孔与氢气导流槽也不在氢气导流板同一板面(正面)直接连接，而是通过设置在反面的进气引槽连接。
附图说明
图1为本发明实施例中导空气流槽板的正面的结构示意图；
图2为图1中导空气流槽板的反面的结构示意图；
图3为本发明实施例中导氢气流槽板的正面的结构示意图；
图4为图3中导氢气流槽板的反面的结构示意图；
图5为本发明实施例导流双极板的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1～5所示，一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，该导流极板为长方体形导流双极板，长度为400mm，宽度为100mm，所述的导流双极板由粘合在一起的导空气流槽板1和导氢气流槽板2组成，导空气流槽板1和导氢气流槽板2中间形成导冷却流体夹层，所述的导流双极板上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却流体的流体孔：空气进出流体孔3、氢气进出流体孔4、冷却流体进出孔5，连接空气进出流体孔3的空气导流槽6，连接氢气进出流体孔4的氢气导流槽7，连接冷气流体进出流体孔4的冷却流体导流槽8，沿导流双极板的长边两端的短边两侧延伸出翼状凸出部位9，各侧翼状凸出部位9的宽度为15mm，翼状凸出部位9与导流双极板一体成型，冷却流体进出孔5设置在导流双极板长边两端的短边边缘上，到冷却流体孔5呈长方体形，其长度与短边的边长相当，连接导流双极板上下端的冷却流体进出孔5的导冷却流体槽8呈直线，阻力小，冷却流体进出孔5周边设有螺杆穿孔10，以便用本发明导流极板组装燃料电池堆时，通过螺杆紧固燃料电池堆用，所述的空气进出流体孔3和氢气进出流体孔4设置在所述翼状凸出部位9上，位于导流双极板两端的对角处。空气进出流体孔3和氢气进出流体孔4的面积稍小于翼状凸出部位9的面积，连接导流双极板上下端对角处翼状凸出部位9上的空气进出流体孔3的空气导流槽6呈“S”形，同理，氢气导流槽7也呈“S”形。
所述的导空气流槽板1正面设有空气进出流体孔3和空气导流槽6，反面设有连接空气进出流体孔3和空气导流槽6的进气引槽11，该进气引槽11包括连接空气进出流体孔3的引槽和连接正面空气导流槽6的引孔，所述引槽和引孔相互连接，空气从导空气流槽板1正面空气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的空气导流槽，经空气导流槽引导至空气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过空气出口再次返回正面流出。
所述的导氢气流槽板2正面设有氢气进出流体孔4和氢气导流槽7，反面设有连接氢气进出流体孔和氢气导流槽的进气引槽12，该进气引槽12包括连接氢气进出流体孔4的引槽和连接正面氢气导流槽7的引孔，所述引槽和引孔相互连接，氢气从导氢气流槽板2正面氢气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的氢气导流槽，经氢气导流槽引导至氢气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过氢气出口再次返回正面流出。
这种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板的导冷却流体可以是水或者空气，甚至是流动阻力较大的油等，导冷却流体槽8呈直线，可以减少冷却散热流体流动阻力，因此，可以采用水、高温导热油、或者空气等多种物质作为冷却流体，所以上述导流极板可以用于高温燃料电池，也可以用于低温燃料电池。
而且空气进出流体孔与空气导流槽不在空气导流板同一板面(正面)直接连接，而是通过设置在反面的进气引槽连接，这种设计使得空气和氢气不会互窜，而且空气导流槽也不易堵塞，同理，氢气进出流体孔与氢气导流槽也不在氢气导流板同一板面(正面)直接连接，而是通过设置在反面的进气引槽连接。
Claims (5)
1.一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，该导流极板为导流双极板，所述的导流双极板由粘合在一起的导空气流槽板和导氢气流槽板组成，导空气流槽板和导氢气流槽板中间形成导冷却流体夹层，所述的导流双极板上设有可供进出空气、进出氢气、进出冷却流体的流体孔，以及连接于进、出流体孔之间的导流槽；其特征在于，所述的导流双极板为长方体形，沿该长方体形导流双极板的长边两端的短边两侧延伸出翼状凸出部位，该翼状凸出部位上设有空气进出流体孔和氢气进出流体孔，导流双极板的冷却流体进出孔设置在导流双极板长边两端的短边边缘上，连接导流双极板上下端的冷却流体进出孔的导冷却流体槽呈直线，以减少阻力，所述的导空气流槽板正面设有空气进出流体孔和空气导流槽，反面设有连接空气进出流体孔和空气导流槽的进气引槽，所述的导氢气流槽板正面设有氢气进出流体孔和氢气导流槽，反面设有连接氢气进出流体孔和氢气导流槽的进气引槽；
所述的空气进出流体孔和氢气进出流体孔设置在导流双极板的长边两端的短边两侧翼状凸出部位上，位于导流双极板两端的对角处。
2.根据权利要求1所述的一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的空气导流槽和氢气导流槽呈“S”形。
3.根据权利要求1所述的一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的冷却流体进出孔的周边设有螺杆穿孔。
4.根据权利要求1所述的一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的导空气流槽板反面的进气引槽包括连接空气进出流体孔的引槽和连接正面空气导流槽的引孔，所述导空气流槽板反面的引槽和引孔相互连接，空气从导空气流槽板正面空气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的空气导流槽，经空气导流槽引导至空气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过空气出口再次返回正面流出。
5.根据权利要求1所述的一种有利于减少冷却流体流动阻力的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的导氢气流槽板反面的进气引槽包括连接氢气进出流体孔的引槽和连接正面氢气导流槽的引孔，所述导氢气流槽板反面的引槽和引孔相互连接，氢气从导氢气流槽板正面氢气进口进入，通过其反面引槽引导，进入引孔，返回设置在正面的氢气导流槽，经氢气导流槽引导至氢气出口处的引孔、再进入反面的引槽，然后通过氢气出口再次返回正面流出。
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