CN113346099A - 质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，包括双极板主体、燃料孔、排液孔和氧气孔，所述双极板主体包括阳极板，所述阳极板的外表面开设有第一流场，所述第一流场的两侧皆设置有燃料孔、排液孔和氧气孔，且燃料孔、排液孔和氧气孔贯穿阳极板设置，所述第一流场的内部均匀分布有导气条和分流机构，所述阳极板的背面开设有内嵌槽，且内嵌槽内部嵌合有阴极板，所述阴极板的外表面均匀开设有立体导流槽，所述阴极板的背面开设有第二流场。本发明具有流场分压机构，使充氢更加均匀，提高发电率，具有防水逆和续流结构，解决交换膜表面发生水淹现象和交换膜表面过干的问题。

Description

质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体为质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过质子交换膜将氢气中的质子与电子分离，电子通过双极板导出，从而完成电的转化，金属双极板不但起到导电的作用，还起到分配氢气燃料、氧气、排水和散热的作用。
公开号为CN110581287A的中国发明专利公开了质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，由阴极板和阳极板组成，双极板的阴极腔和阳极腔、冷却剂腔均采用密封圈通过组装力密封；阴极板和阳极板流场气体进出口采用在极板上开孔方式导入。先后分次将较软的A橡胶和较硬的B橡胶，注塑成型密封圈和气体通道胶条、冷却剂通道胶条；A橡胶邵氏硬度为35-45A，B橡胶邵氏硬度为70-80A；密封胶条和通道胶条实现密封和通道功能，利用低硬度A橡胶材料的压缩弹性对金属双极板阴极腔、阳极腔和冷却剂腔进行隔离密封，实现冷却剂腔与气腔结构全采用组装力控制的均衡密封，保证并提高双极板耐压能力和密封性，降低燃料电池成本，可靠经济寿命长，支持燃料电池电堆工作过程稳定运行。
其通过将双极板的阴极腔和阳极腔、冷却剂腔均采用密封圈通过组装力密封，解决了需要焊接的问题，上述文献中描述“阴极板和阳极板流场气体进出口采用在极板上开孔方式导入”并未做流场针对性结构设计，这样会带来一些问题，其一，氢燃料的流场无分压设计，易造成远离氢燃料进口的部分充氢不足，发电不充分。
其二，氧气与排水流场无分流设计，易造成水淹，无续流设计，易导致交换膜过干，增加电阻，影响电力输出。
因此亟需设计新型的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，以解决上述背景技术中提出的远离氢燃料进口的部分充氢不足易造成水淹以及无续流设计易导致交换膜过干，增加电阻，影响电力输出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，包括双极板主体、燃料孔、排液孔和氧气孔，所述双极板主体包括阳极板，所述阳极板的外表面开设有第一流场，所述第一流场的两侧皆设置有燃料孔、排液孔和氧气孔，且燃料孔、排液孔和氧气孔贯穿阳极板设置，所述第一流场的内部均匀分布有导气条和分流机构，所述阳极板的背面开设有内嵌槽，且内嵌槽内部嵌合有阴极板，所述阴极板的外表面均匀开设有立体导流槽，所述阴极板的背面开设有第二流场，所述排液孔和氧气孔均与第二流场连通，所述立体导流槽均匀分布于第二流场内，所述内嵌槽内部嵌合有密封圈，且密封圈另一端嵌入阴极板内。
优选的，所述导气条呈倾斜排布，所述燃料孔的内部开设有通气槽，且燃料孔通过通气槽与第一流场连通，相邻的两个所述导气条间隔从靠近通气槽往远离通气槽一侧递进式均匀扩大。
优选的，所述分流机构包括第一分流杆和第二分流杆，所述第二分流杆之间的间距为第一分流杆间距的两倍，且相邻两个所述第一分流杆的低洼处深度是相邻两个第二分流杆低洼处深度的两倍。
优选的，所述第二流场的两端呈斗形汇聚至排液孔处，且第二流场的两侧底部呈楔形，靠近排液孔的一侧低于远离排液孔的一侧。
优选的，所述立体导流槽的左右两侧皆呈楔形，所述立体导流槽的左右两侧皆开设有弧形通槽。
优选的，所述导气条的前后两侧向内凹陷，所述第二流场的表面光滑，且第二流场的外表面涂覆有纳米防腐涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板具有流场分压机构，使充氢更加均匀，提高发电率，具有防水逆和续流结构，解决交换膜表面发生水淹现象和交换膜表面过干的问题。
（1）通过在第一流场内均匀分布有导气条和分流机构，通过导气条将氢气纵向分流，并将第二分流杆流道扩充为第一分流杆的两倍，同时将深度减小一半，扩大后端氢气流道，使后半部分低压氢气得以加速流通，弥补低压的影响，使充氢更加均匀，提高发电率。
（2）利用冲压工艺在第二流场内均匀冲压有立体导流槽，立体导流槽的两侧窄并向内凹，利于水流动和窝存，防止交换膜过干，两端呈楔形，并在最低端开孔，使孔表面张力大，水只能从立体导流槽向孔外流出，无法从孔向立体导流槽内部流动，这样就避免了水逆流，避免造成立体导流槽内水过多，产生水淹现象。
（3）通过内嵌式结构，使阴极板能直接嵌入内嵌槽内，并通过密封圈密封，无需焊接密封，装配简单。
附图说明
图1为本发明的结构整体示意图；
图2为本发明的结构背面整体示意图；
图3为本发明图2中阴极板的结构背面整体示意图；
图4为本发明的结构背面***示意图；
图5为本发明图1中A处结构放大示意图；
图6为本发明图1中B处结构放大示意图；
图7为本发明图3中C处结构放大示意图；
图8为本发明图2中D处结构放大示意图。
图中：1、双极板主体；11、阳极板；12、第一流场；13、阴极板；14、第二流场；15、立体导流槽；16、内嵌槽；2、燃料孔；3、排液孔；4、氧气孔；5、导气条；6、分流机构；61、第一分流杆；62、第二分流杆；7、密封圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图8，本发明提供的一种实施例：质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，包括双极板主体1、燃料孔2、排液孔3和氧气孔4，双极板主体1包括阳极板11，阳极板11的外表面开设有第一流场12，第一流场12的两侧皆设置有燃料孔2、排液孔3和氧气孔4，且燃料孔2、排液孔3和氧气孔4贯穿阳极板11设置，燃料孔2、排液孔3和氧气孔4分别用于进氢气、排液和进氧气。
第一流场12的内部均匀分布有导气条5和分流机构6，阳极板11的背面开设有内嵌槽16，且内嵌槽16内部嵌合有阴极板13，阴极板13的外表面均匀开设有立体导流槽15，阴极板13的背面开设有第二流场14，排液孔3和氧气孔4均与第二流场14连通，立体导流槽15均匀分布于第二流场14内，内嵌槽16内部嵌合有密封圈7，且密封圈7另一端嵌入阴极板13内。
进一步的，如图1和图5所示，导气条5呈倾斜排布，燃料孔2的内部开设有通气槽，且燃料孔2通过通气槽与第一流场12连通，相邻的两个所述导气条5之间的间隔从靠近通气槽往远离通气槽一侧递进式均匀扩大，使远离通气槽的一侧通过扩大通道弥补气压减小造成的流速变慢。
进一步的，如图1和图6所示，分流机构6包括第一分流杆61和第二分流杆62，第二分流杆62之间的间距为第一分流杆61间距的两倍，使相邻两个第二分流杆62之间的流道变宽，弥补后端气压不足的问题，且相邻两个第一分流杆61的低洼处深度是相邻两个第二分流杆62低洼处深度的两倍，使相邻两个第二分流杆62之间的流道的深度变浅，更利于氢气燃料接触扩散膜。
进一步的，如图3所示，第二流场14的两端呈斗形汇聚至排液孔3处，利于液体向排液孔3方向汇集，且第二流场14的两侧底部呈楔形，靠近排液孔3的一侧低于远离排液孔3的一侧，配合斗形，更利于液体直接排入排液孔3内。
进一步的，如图6所示，立体导流槽15的左右两侧皆呈楔形，立体导流槽15的左右两侧皆开设有弧形通槽，使氧气通过弧形通槽进入立体导流槽15内有导流效果，同时利于水从立体导流槽15上滑落，避免聚集在顶部。
进一步的，如图5-图6所示，导气条5的前后两侧向内凹陷，利于液体窝存，避免质子交换膜表面过干，第二流场14的表面光滑，利于液体流动，且第二流场14的外表面涂覆有纳米防腐涂层，提高第二流场14的使用寿命。
工作原理：使用时，将有第一流场12的这一面定为正面，先将一块双极板主体1平放，取一片扩散膜片放在第一流场12内，再放上质子交换膜，质子交换膜上再放一片扩散膜片，将另一块双极板主体1的背面朝向第一块双极板主体1合起，使第二片扩散膜片与立体导流槽15贴合。
氢气燃料通过燃料孔2进入第一流场12内，氢气燃料经过导气条5纵向分散，再通过分流机构6均匀导流，均匀流到扩散膜片上扩散，再通过质子交换膜交换，分离质子和电子，质子透过质子交换膜至立体导流槽15内，通过氧气孔4进入氧气，氧原子与质子结合产生水，由于立体导流槽15两端呈楔形，并在最低端开孔，使孔表面张力大，水只能从立体导流槽15向孔外流出，无法从孔向立体导流槽15内流，水从孔流入第二流场14内，最后汇聚到排液孔3排出，立体导流槽15的两侧窄并向内凹，利于水流动和窝存，防止交换膜过干。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨再将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，包括双极板主体（1）、燃料孔（2）、排液孔（3）和氧气孔（4），所述双极板主体（1）包括阳极板（11），所述阳极板（11）的外表面开设有第一流场（12），所述第一流场（12）的两侧皆设置有燃料孔（2）、排液孔（3）和氧气孔（4），且燃料孔（2）、排液孔（3）和氧气孔（4）贯穿阳极板（11）设置，其特征在于：所述第一流场（12）的内部均匀分布有导气条（5）和分流机构（6），所述阳极板（11）的背面开设有内嵌槽（16），且内嵌槽（16）内部嵌合有阴极板（13），所述阴极板（13）的外表面均匀开设有立体导流槽（15），所述阴极板（13）的背面开设有第二流场（14），所述排液孔（3）和氧气孔（4）均与第二流场（14）连通，所述立体导流槽（15）均匀分布于第二流场（14）内，所述内嵌槽（16）内部嵌合有密封圈（7），且密封圈（7）另一端嵌入阴极板（13）内。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，其特征在于：所述导气条（5）呈倾斜排布，所述燃料孔（2）的内部开设有通气槽，且燃料孔（2）通过通气槽与第一流场（12）连通，相邻的两个所述导气条（5）间隔从靠近通气槽往远离通气槽一侧递进式均匀扩大。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，其特征在于：所述分流机构（6）包括第一分流杆（61）和第二分流杆（62），所述第二分流杆（62）之间的间距为第一分流杆（61）间距的两倍，且相邻两个所述第一分流杆（61）的低洼处深度是相邻两个第二分流杆（62）低洼处深度的两倍。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，其特征在于：所述第二流场（14）的两端呈斗形汇聚至排液孔（3）处，且第二流场（14）的两侧底部呈楔形，靠近排液孔（3）的一侧低于远离排液孔（3）的一侧。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，其特征在于：所述立体导流槽（15）的左右两侧皆呈楔形，所述立体导流槽（15）的左右两侧皆开设有弧形通槽。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池免粘焊密封结构的金属双极板，其特征在于：所述导气条（5）的前后两侧向内凹陷，所述第二流场（14）的表面光滑，且第二流场（14）的外表面涂覆有纳米防腐涂层。
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