CN108134109B - 一种燃料电池的双极板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池的双极板结构，包括设置在双极板两端的第一反应气体进出总管(1)，第二反应气体进出总管(2)，冷却液进出总管(3)，以及连接各进出总管的流场，该流场包括活性区流道(4)、活性区流道重叠区(5)和非活性区流道重叠区(6)，所述的活性区流道(4)的高度高于活性区流道重叠区(5)或非活性区流道重叠区(6)的高度。与现有技术相比，本发明设计的燃料电池双极板，使得燃料电池具有更好的性能输出和稳定性，有利于提高燃料电池的功率密度和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池双极板的流道结构。
背景技术
燃料电池以其高效、污染小、可靠性高及易维护等诸多优点，被誉为是继水力、火力和核能之后的***发电装置。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)又是目前较成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。由于其使用可再生的能源资源——氢气，生成反应物为水，实现了零排放。
燃料电池的单电池主要是由膜电极组件(Membrane Electrolyte Assembly,简称MEA)、双极板和密封材料三大件组成，其中双极板具有多种功能，主要包括：分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流，支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热和排水功能；而为了满足应用功率的需求，实际的燃料电池是由多节单电池串联成电堆并压合封装而成，各部件尺寸匹配合理性成为决定电堆性能和可靠性的核心问题。
通用汽车公司(GM)已授权的发明专利CN101262063和庄信万丰燃料电池公司(JM)已授权的发明专利CN103119771中都公开了一种MEA结构，认为活性区域与非活性边框区域设计部分的重叠将对MEA性能和稳定性均有较大提升。但这种多层材料的重叠使得该区域厚度较未重叠的活性区域要厚0.01mm至0.1mm，从而导致MEA和双极板的匹配存在问题。
通用汽车公司(GM)已授权的发明专利CN104051772中公开了一种冲压双极板结构，认为双极板可分为三大区域：活性区、重叠区和密封区，该专利的核心即是对重叠区的流道形状进行设计，使得该区域既能在各腔体(氢气、空气和冷却液)之间形成密封又能不影响它们各自的流动特性。
上述专利中没有涉及到重叠区双极板和MEA在厚度方向的匹配问题，由于上述MEA结构中重叠区的厚度比活性区域要高，在电堆的组装过程中应力更易集中于此，导致该区域的气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)的损坏以及活性区域中双极板和MEA接触不良，从而影响电堆的性能和可靠性。
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效率高、寿命长的燃料电池的双极板结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池的双极板结构，包括设置在双极板两端的第一反应气体进出总管，第二反应气体进出总管，冷却液进出总管，以及连接各进出总管的流场，该流场包括活性区流道、活性区流道重叠区和非活性区流道重叠区，其特征在于，所述的活性区流道的高度高于活性区流道重叠区或非活性区流道重叠区的高度。
所述的活性区流道的高度比活性区流道重叠区或非活性区流道重叠区的高度高0.01mm～1mm。
所述的活性区流道重叠区是指该区域内对应的MEA是反应的活性区。
所述的活性区流道重叠区位于活性区流道两端流体进出处，该区域对应的MEA是GDL(气体扩散层)与边框的重叠处。
所述的非活性区流道重叠区是指该区域内对应的MEA是反应的非活性区。
所述的非活性区流道重叠区位于活性区流道两侧最外侧流道处，该区域对应的MEA是GDL(气体扩散层)与边框的重叠处。
所述的流场与各进出总管周边设有密封槽，该密封槽内放置有密封材料，其作用是当密封材料压缩后使得反应物之间以及反应物和冷却液之间形成密封。
所述的第一反应气体进出总管，第二反应气体进出总管是指燃料电池不同的反应气体从外界进出燃料电池内部的公共通道。
所述的反应气体包括氢气和空气。
所述的冷却液进出总管是指冷却流体进出燃料电池的公共通道。
MEA是由质子交换膜以及其两侧设置的气体扩散层GDL和催化剂层组成，且MEA周边设有边框，将MEA周边夹住固定，组成MEA组件，MEA组件与双极板进行组装形成单电池，多个单电池叠加形成燃料电池堆。由于边框在夹住MEA时必定要与MEA四周产生重叠区，本发明将这些重叠区对应的双极板上流道的高度削弱，这样在MEA组件与双极板组装时，保证各区域的高度一致。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、在电堆装配的过程中该区对MEA的压缩力减少，保证了MEA在电堆中只承受正常压缩而不发生应力集中产生的损坏，
2、该区域内MEA对流道侵占的程度降低，从而保证双极板中气体流动不会受到影响。因此，采用本发明设计的燃料电池双极板，使得燃料电池具有更好的性能输出和稳定性，有利于提高燃料电池的功率密度和寿命。
附图说明
图1为本发明双极板的结构示意图；
图2为通常的MEA结构示意图；
图3为图2的B-B剖视图；
图4为本发明双极板的平面结构图；
图5为图4的A-A剖视图；
图6为图5的A部放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的是实施例。基于本发明中的实施例，本领域的常规技术人员均可理解其意图从而获得其他实施例，均属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1、4所示，一种燃料电池的双极板结构，包括设置在双极板两端的第一反应气体进出总管1，第二反应气体进出总管2，冷却液进出总管3，以及连接各进出总管的流场，该流场包括活性区流道4、活性区流道重叠区5和非活性区流道重叠区6，所述的第一反应气体进出总管1，第二反应气体进出总管2是指燃料电池不同的反应气体(氢气和空气)从外界进出燃料电池内部的公共通道。所述的冷却液进出总管3是指冷却流体进出燃料电池的公共通道。
所述的活性区流道重叠区5是指该区域内对应的MEA是反应的活性区，具体是位于活性区流道4两端流体进出处，该区域对应的MEA是GDL10与边框8的重叠处9。
所述的非活性区流道重叠区6是指该区域内对应的MEA是反应的非活性区，具体是位于活性区流道4两侧最外侧流道处，该区域对应的是该区域对应的MEA是GDL10与边框8的重叠处9。
如图2-3所示，MEA是由质子交换膜以及其两侧设置的气体扩散层GDL10和催化剂层组成，且MEA周边设有边框8，将MEA周边夹住固定，组成MEA组件，MEA组件与双极板进行组装形成单电池，多个单电池叠加形成燃料电池堆。由于边框在夹住MEA时是夹在GDL10周边，因此必定要与GDL10四周产生重叠区，本发明将这些重叠区9对应的双极板上流道的高度削弱，这样在MEA组件与双极板组装时，保证各区域的高度一致。
如图4-6所示，所述的流场与各进出总管周边设有密封槽7，该密封槽内放置有密封材料。
其中，活性区流道4的高度高于活性区流道重叠区5或非活性区流道重叠区6的高度，高0.01mm～1mm，与MEA组件中MEA与边框的重叠高度一致，保证双极板与MEA进行组装时，各区域的高度一致。
在电堆装配的过程中该区对MEA的压缩力减少，保证了MEA在电堆中只承受正常压缩而不发生应力集中产生的损坏，该区域内MEA对流道侵占的程度降低，从而保证双极板中气体流动不会受到影响。
Claims (3)
1.一种燃料电池的双极板结构，包括设置在双极板两端的第一反应气体进出总管（1），第二反应气体进出总管（2），冷却液进出总管（3），以及连接各进出总管的流场，该流场包括活性区流道（4）、活性区流道重叠区（5）和非活性区流道重叠区（6），其特征在于，所述的活性区流道（4）的高度高于活性区流道重叠区（5）或非活性区流道重叠区（6）的高度；
所述的活性区流道（4）的高度比活性区流道重叠区（5）或非活性区流道重叠区（6）的高度高0.01mm~1mm；
所述的活性区流道重叠区（5）是指该区域内对应的MEA是反应的活性区；
所述的活性区流道重叠区（5）位于活性区流道（4）两端流体进出处，该区域对应的MEA是GDL与边框的重叠处（9）；
所述的非活性区流道重叠区（6）是指该区域内对应的MEA是反应的非活性区；
所述的非活性区流道重叠区（6）位于活性区流道（4）两侧最外侧流道处，该区域对应的MEA是GDL与边框的重叠处（9）；
所述的第一反应气体进出总管（1），第二反应气体进出总管（2）是指燃料电池不同的反应气体从外界进出燃料电池内部的公共通道；
所述的冷却液进出总管（3）是指冷却流体进出燃料电池的公共通道。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池的双极板结构，其特征在于，所述的流场与各进出总管周边设有密封槽（7），该密封槽内放置有密封材料。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池的双极板结构，其特征在于，所述的反应气体包括氢气和空气。
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