CN113555580A - 一种燃料电池电堆用的极板 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种燃料电池电堆用的极板，所述极板由阳极板和阴极板组成，所述极板的左上部设有氢气进口，所述极板的右下部设有氢气出口，所述极板的左下部设有若干个冷却液进口，所述极板的右上部设有若干个冷却液出口，所述极板的下部设有若干个空气进口，所述极板的上部设有若干个空气出口；采用空气和氢气对向流动、增加出入口的氢气和空气的交叉流动宽度和较少氢气和空气流道壁的重叠面积有利于提升氢气和空气的自增湿，提升单电池内部的自增湿效果，提升MEA的含水量均匀性等，提升电堆性能。

Description

一种燃料电池电堆用的极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆用的极板。

背景技术

燃料电池是一种能够将燃料化学能直接转化成电能的绿色能量转化装置，在运输车辆、船舶、发电设备等领域具有广泛的应用。燃料电池电堆是燃料电池行业的核心技术部件。燃料电池电堆由双极板、膜电极组件（MEA）、集流板等部件组成，双极板是PEMFC的关键组成部分，是占据电池硬件部分的主体，不仅具有机械支撑膜电极、隔离和分布反应物、收集并传导电流的功能，并且是整个电池***的散热功能和排水功能的实现载体，优秀的电堆极板结构设计是充分发挥MEA性能和提升电堆输出性能的关键技术。

极板材质一般分为石墨、金属和复合材质等，其中石墨双极板属于主流材质，具有技术成熟、成本低、寿命长、性能高等优势，因而应用最广，是大多数燃料电池电堆的极板材质。

目前在电堆输出功率越来越大的趋势下，为提高燃料电池输出功率，燃料电池双极板有效反应面积增大和电流密度增大，电堆内部的气流分布均匀性下降、电堆湿度分布均匀性和MEA的质子交换膜含水量的均匀性下降、阳极的排水难度增加和电堆内部的温度均匀性降低，而导致电堆性能提升困难，优秀的极板结构设计是有效克服这些问题的关键。

目前电堆极板的主流整体结构布局有空气和氢气同向流动和逆向流动等。空气和氢气同向流动结构导致在气体的进口端气流过大而湿度过低，电堆性能偏低，需要更高效率的外增湿装置，在电堆的气体出口端湿度过高而气流过小，排水困难，需要更高的排水结构设计。空气和氢气逆向流动无法存在无法消除的局部湿度过高和湿度过低的区域，同时由于整体布局结构原因，电堆氢气和空气两侧的压力差过大而影响电堆的寿命等问题。

目前电堆极板承担气体的作用，需要设计复杂的分配结构和支撑结构，而导致常规版型的电堆极板的利用偏低，而导致电堆的功率密度偏低，导流区结构与反应流道区的气体流道形式不同而导致CCM的催化剂、质子交换膜等的损伤。同时在电堆导流区需要根据设计工况优化设计而导致设计和实际使用GDL的测试阶段性能偏差较大和后期修改困难。

目前电堆极板的氢气侧的流道采用同截面宽度的设计而导致在极板氢气流场的出口端由于氢气消耗减少同时渗透水含量上升而导致电堆的氢气侧排水困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆用的极板，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种燃料电池电堆用的极板，所述极板由阳极板和阴极板组成，所述极板的左上部设有氢气进口，所述极板的右下部设有氢气出口，所述极板的左下部设有若干个冷却液进口，所述极板的右上部设有若干个冷却液出口，所述极板的下部设有若干个空气进口，所述极板的上部设有若干个空气出口；所述阳极板包括氢气侧面和冷却侧面，所述氢气侧面的中部设有氢气流场，所述氢气流场的进口端与氢气进口相连接，所述氢气流场的出口端与氢气出口相连接，所述氢气流场的流道覆盖范围大于电堆MEA的反应活性区范围；所述冷却侧面的中部设有冷却流场，所述冷却流场的进口端与冷却液进口相连接，所述冷却流场的出口端与冷却液出口相连接，所述冷却流场的流道覆盖范围不小于MEA的活性反应区域；所述阴极板包括连接面和空气侧面，所述连接面采用便于与冷却侧面配合组装的平板结构；所述空气侧面的中部设有空气流场，所述空气流场的进口端与空气进口相连接，所述空气流场的出口端与空气出口相连接，所述空气流场的流道方向与氢气流场的流道方向相互垂直。

作为优选，所述阳极板上设有氢气进口过桥区和氢气出口过桥区，所述氢气进口过桥区和氢气出口过桥区采用斜向流道设计，所述氢气进口过桥区位于氢气进口与氢气流场的进口端之间，所述氢气进口的中部所在高度不低于氢气进口过桥区的进口所在高度，所述氢气进口的底部所在高度必须低于氢气进口过桥区的进口所在高度，所述氢气进口过桥区的出口所在高度不低于氢气流场的进口端的所在高度，所述氢气出口过桥区位于氢气出口与氢气流场的出口端之间，所述氢气出口过桥区的进口所在高度不高于氢气流场的出口端的所在高度，所述氢气出口的所在高度低于氢气出口过桥区的出口所在高度。

作为优选，所述氢气流场采用由若干个氢气流道首尾相连组成的蛇形流道，所述氢气流道为为相互平行的直流道设计，所述氢气流道的周期为1.2~2.0mm，所述氢气流场从进口到出口，相邻的氢气流道之间的宽度或周期逐次减小20~30%。

作为优选，所述冷却液进口最高点所在高度不高于冷却流场最高点的所在高度，冷却出口最高点的所在高度必须高于冷却流场最高点的所在高度。

作为优选，所述冷却流场由圆弧形导流壁和直流道区域组成，所述直流道区域的两侧设有圆弧形导流壁，所述圆弧形导流壁的另一侧分别与冷却液进口、冷却液出口相连接，所述直流道区域的直流道长度采用上下两端最长，中间逐渐变短的渐变式结构，所述圆弧形导流壁包括主导流壁和次导流壁，所述主导流壁与直流道区域的直流道连接为一体，所述次导流壁位于主导流壁之间，所述次导流壁与直流道区域之间有缺口区。

作为优选，所述阳极板上设有若干个空气过桥区，所述空气过桥区分别位于空气进口与空气流场的进口端之间和空气出口与空气流场的出口端之间，所述空气过桥区采用直流道结构设计，所述空气流场采用波浪形流道，所述空气进口、空气出口的宽度大于空气过桥区的宽度，所述空气过桥区的宽度不小于空气流场的宽度，所述空气过桥区与空气流场的进出口之间设有贯通的横向设计的空气均匀分配槽。

作为优选，所述阴极板的边缘设计有宽度为0.1~0.5mm的定位缺口槽。

本发明的有益效果：

1、采用空气和氢气对向流动、增加出入口的氢气和空气的交叉流动宽度和较少氢气和空气流道壁的重叠面积有利于提升氢气和空气的自增湿，提升单电池内部的自增湿效果，提升MEA的含水量均匀性等，提升电堆性能；

2、极板采用小长宽比例的整体布置，有利提升叠堆后电堆的刚度，提升叠堆的数量和抗振动性能，同时降低空气的压降而降低BOP的寄生功耗；

3、采用氢气和空气流道垂直布置，提升流道壁对于MEA的支撑强度，降低单电池内部的接触电阻，并且减小氢气和空气流道壁的重叠面积，空气采用波浪形流道，氢气和空气吹扫的区域，提升排水效果和大电流下的电堆性能；

4、采用大宽度、全面覆盖的空气主进出口，使用主进出口、过桥区、流场进口和流道区域等覆盖范围逐渐减小和配合外部的分配歧管，可以有效提升空气气流分配均匀性，同时取消空气导流区，降低设计和生产难度，提升极板利用率；

5、氢气流场采用分段变截面宽度的蛇形平行流道，适应氢气消耗的氢气气流流速下降问题，提升排水效果和自增湿效果；

6、冷却流场采用通过采用导流壁和直流道结构，采用直流道长度的规律变化，有效控制冷却液分配适应单电池芯部发热量大的情况，同时采用整体上冷却液与空气同向流动，适应反应热的产生规律，提升单电池内部的温度分布均匀性，提升性能；

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的阳极板的氢气侧面的结构示意图；

图2是本发明的阳极板的冷却侧面的结构示意图；

图3是本发明的阴极板的空气侧面的结构示意图；

图4是本发明的氢气流场的结构示意图；

图5是本发明的冷却流场的结构示意图；

图6是本发明的空气流场的结构示意图；

图中：1-氢气进口、11-氢气进口过桥区、2-氢气出口、21-氢气出口过桥区、3-冷却液进口、4-冷却液出口、5-空气进口、51-空气过桥区、6-空气出口、7-氢气流场、71-氢气流道、8-冷却流场、81-直流道区域、82-圆弧形导流壁、821-主导流壁、822-次导流壁、823-缺口区、9-空气流场、91-空气均匀分配槽、10-定位缺口槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明实施例提供一种燃料电池电堆用的极板结构，电堆极板由阳极板和阴极板组成，极板可以由等静压石墨、模压石墨等制造，通过密封胶等方式连接。电堆的阳极板设计有氢气流场7、氢气进出口、空气进出口、冷却流场8、冷却进出口、氢气过桥区、空气过桥区51、气侧密封槽、水侧密封槽、定位孔等，电堆的阴极板设计有空气流场9、氢气进出口、空气进出口、冷却进出口、定位孔和定位缺口槽10等。

本方案的极板采用小长度/宽度比例的整体布局，有利于提升电堆的宽度和长度方向的刚度，更加有利于大数量单电池和大长度电堆的组装，防止腰塌等现象，更加适合目前单堆高输出功率的趋势。氢气沿长度方向布置有利于排水，空气沿宽度方向布置有利于降低空气压降，降低BOP的寄生功耗。

极板厚度为1.6~2.5mm，阳极板厚度1.0~1.5mm，阴极板厚度0.6~1.0mm。

阳极板的氢气进口1位于左上部，氢气出口2位于右下部，保证氢气进口1的中部不低于氢气进口过桥区11的进口，氢气进口过桥区11的出口不低于氢气流场7的进口，氢气出口过桥区21的进口不高于氢气流场7的出口，氢气出口2的下部必须低于氢气出口过桥区21的出口，氢气的进出口过桥区采用斜向流道，防止液态水的回灌，氢气进口1底部必须低于氢气进口过桥区11的进口，防止氢气进口1通道中的沉积液态水大量直接涌入单电池的流场而导致局部流道水淹。

阳极板的氢气侧面的氢气流场7采用由若干个氢气流道首尾相连组成的蛇形流道，蛇形流道弯折数量3、5等，优化选择3道，氢气流场7流道覆盖范围大于电堆MEA的反应活性区范围。氢气流场7的氢气流道71为直流道，相比于波浪形等流道结构有利于氢气侧的液态水的排出能力，氢气流道71的周期（凸起的流道壁+凹型的流道槽）为1.2~2.0mm，开槽比例在30~50%，氢气流道71采用变截面设计，按从进口到出口区域分区变截面，流道的深度保持一致，流道的宽度或周期逐次减小20~30%，适应氢气消耗和含水量增加，提升氢气流速而提升排水效果等。同时减小氢气出口端的流道开槽比例，提高保水性，与空气进口相配合，提升空气进口与氢气出口的空气自增湿效果。阳极板氢气蛇形流道出口端的流道整体宽度小于等于氢气流场出口的宽度，方便排水。

阳极板氢气侧面设计有氢气反应区的独立密封环、氢气进出口、空气进出口和水侧进出口的独立密封环，保证氢气、空气、冷却液等的独立密封和不相互窜漏。

阳极板的冷却侧面设计有供冷却液流动的冷却流场8和冷却流场8的密封槽，冷却流场8的采用圆弧形导流壁82和中心部分的直流道区域81，直流道区域81的直流道的周期与氢气流道7的周期一致（氢气流道7中部的直流道）。冷却流场8的直流道区域81的直流道长度采用渐变式结构，采用两端最长和中间最短的布置，通过流道长度控制冷却液流动的阻力而控制通过不同区域冷却液的流量，控制冷却流量分布为芯部区域多而两侧区域少的部分结构，更加适应电堆单电池发热规律（电池芯部发热量大而两端发热量少的情况），有利于进一步提升冷却效果和单电池内部的温度分布均匀性，阳极板的冷却流场8的圆弧形导流壁82分为主导流壁821和次导流壁822，主导流壁821与直流道连接为一体，起冷却液流场内部的流场分区导流的作用和支撑作用，封闭的分区导流结构有利内部气泡的排出，不容易发生流场顶部的气泡存留；次导流壁822位于主导流壁821之间，与直流道区域81有缺口区823，起到流场分区内部的流量均匀化和提升支撑作用。

阳极板的冷却侧流场覆盖范围不小于MEA的活性反应区域，保证电堆运行中反应区充分冷却而无均布过热点。

阳极板的冷却侧面采用冷却液进口2位于左下部，冷却液进口2最高点不高于冷却流场8的最高点，冷却液出口3位于右上部，冷却出口3的最高点必须高于冷却流场8的最高点，有利于电堆内部的冷却侧的气泡排出。单电池内部冷却液的采用由下到上的流动，整体与空气的流道方向相同（由下到上），与电堆整体的发热随空气浓度变化的规律一致有利于提升冷却效果。

阳极板的冷却侧面采用双密封结构，设计冷却液进出口和冷却流场8外部的密封槽、氢气进出口和空气进口5的独立密封槽和独立的整体密封槽，有利于降低氢气、空气和冷却液之间的窜漏和降低电堆外漏的风险，并且降低密封槽的宽度而有利于提升极板的利用率和结构强度。

阴极板采用冷却侧面平板结构，降低加工难度和由于与阳极板的冷却液侧面的配合组装，两则之间可以采用胶水、密封胶条等方式密封和连接。

阴极板的空气侧面设计有空气进出口和空气流场9，空气进口5位于极板的下部，空气向上流动进入极板内部的空气流场，防止空气中含有的液态水冷凝后进入空气流场9内部而影响电堆的性能。空气出口6位于电堆极板的上方，出口处有向上的空气气流防止出口的空气中含有的液态水冷凝后在空气出口6的堆积而影响单电池的性能和电堆内部单电池的一致性，并且空气位于电堆的高点，与外部电堆空气出口歧管配合有利于液态水的排出而防止液态水堆积。

空气流场9有沿垂直方向、波浪形、长度偏短的周期性流道组成，不包含导流区结构，空气的整体流动方向与氢气整体流动方向垂直和逆向流动，由于与均匀化单电池内部湿度和MEA内部含水量的均匀化分布，空气进口5宽度大并且与氢气出口2区域重叠，有利于电堆内部空气的自加湿，降低空气外部加湿的要求。空气的流道壁与氢气的流道壁整体上垂直，相比于同向和逆向流动的极板皆有有利于提升极板的支撑强度，并且空气的流道壁与氢气的流道壁对于MEA呈现交叉支撑，有利于防止MEA的GDL的变形，降低GDL 的接触电阻，提升单电池的性能。空气的流道壁与氢气的流道壁对于MEA呈现交叉支撑，减少了单个空气和氢气流道壁重叠区域的面积，有利于氢气和空气吹扫排出MEA内部的水，提升高电密下的电堆性能，适合于高功率的电堆输出。

阴极板的空气进出口和空气流场9之间采用位于阳极板的空气过桥区51连接，空气过桥区51采用直流道结构设计，与阴极板的空气流场9的进出口配合，空气流场9的进出口采用独立的圆形通孔，有利于提升极板强度。空气流场9取消了导流区结构，通过空气外部歧管均匀分配气体到达空气的主进口，同时空气进出口宽度大于空气过桥区域的宽度、空气过桥区域的宽度不小于空气流场9的宽度，与电堆尾部的进出空气歧管的配合，有利于保证空气的均匀分布。相比于单电池内部设计的空气导流区，空气导流分配的难度降低和分配效果提升，降低电堆的空气压降，可以在设计和使用阶段快速提升空气分配效果，提升了极板的利用率。同时空气的进出口过桥区域尾端设计有贯通的横向的空气均匀分配槽91，空气的流道与流场进出口之间设计有有贯通的横向的空气均匀分配槽91，有利于空气气流的均匀化分布。

空气侧面采用过桥结构提升力出口端的空气液态水回流的难度，防止液态水的回流而导致反应区空气流道的水淹等。

阴极板边缘设计有宽度0.1~0.5mm的定位缺口槽10，提升阴阳极板的组合成的双极板的边缘精度，有利于提升电堆叠堆阶段的叠堆精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述极板由阳极板和阴极板组成，所述极板的左上部设有氢气进口，所述极板的右下部设有氢气出口，所述极板的左下部设有若干个冷却液进口，所述极板的右上部设有若干个冷却液出口，所述极板的下部设有若干个空气进口，所述极板的上部设有若干个空气出口；所述阳极板包括氢气侧面和冷却侧面，所述氢气侧面的中部设有氢气流场，所述氢气流场的进口端与氢气进口相连接，所述氢气流场的出口端与氢气出口相连接，所述氢气流场的流道覆盖范围大于电堆MEA的反应活性区范围；所述冷却侧面的中部设有冷却流场，所述冷却流场的进口端与冷却液进口相连接，所述冷却流场的出口端与冷却液出口相连接，所述冷却流场的流道覆盖范围不小于MEA的活性反应区域；所述阴极板包括连接面和空气侧面，所述连接面采用便于与冷却侧面配合组装的平板结构；所述空气侧面的中部设有空气流场，所述空气流场的进口端与空气进口相连接，所述空气流场的出口端与空气出口相连接，所述空气流场的流道方向与氢气流场的流道方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述阳极板上设有氢气进口过桥区和氢气出口过桥区，所述氢气进口过桥区和氢气出口过桥区采用斜向流道设计，所述氢气进口过桥区位于氢气进口与氢气流场的进口端之间，所述氢气进口的中部所在高度不低于氢气进口过桥区的进口所在高度，所述氢气进口的底部所在高度必须低于氢气进口过桥区的进口所在高度，所述氢气进口过桥区的出口所在高度不低于氢气流场的进口端的所在高度，所述氢气出口过桥区位于氢气出口与氢气流场的出口端之间，所述氢气出口过桥区的进口所在高度不高于氢气流场的出口端的所在高度，所述氢气出口的所在高度低于氢气出口过桥区的出口所在高度。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述氢气流场采用由若干个氢气流道首尾相连组成的蛇形流道，所述氢气流道为相互平行的直流道设计，所述氢气流道的周期为1.2~2.0mm，所述氢气流场从进口到出口，相邻的氢气流道之间的宽度或周期逐次减小20~30%。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述冷却液进口最高点所在高度不高于冷却流场最高点的所在高度，冷却出口最高点的所在高度必须高于冷却流场最高点的所在高度。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述冷却流场由圆弧形导流壁和直流道区域组成，所述直流道区域的两侧设有圆弧形导流壁，所述圆弧形导流壁的另一侧分别与冷却液进口、冷却液出口相连接，所述直流道区域的直流道长度采用上下两端最长，中间逐渐变短的渐变式结构，所述圆弧形导流壁包括主导流壁和次导流壁，所述主导流壁与直流道区域的直流道连接为一体，所述次导流壁位于主导流壁之间，所述次导流壁与直流道区域之间有缺口区。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述阳极板上设有若干个空气过桥区，所述空气过桥区分别位于空气进口与空气流场的进口端之间和空气出口与空气流场的出口端之间，所述空气过桥区采用直流道结构设计，所述空气流场采用波浪形流道，所述空气进口、空气出口的宽度大于空气过桥区的宽度，所述空气过桥区的宽度不小于空气流场的宽度，所述空气过桥区与空气流场的进出口之间设有贯通的横向设计的空气均匀分配槽。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆用的极板，其特征在于：所述阴极板的边缘设计有宽度为0.1~0.5mm的定位缺口槽。

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