CN114068978A - 空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，该双极板(10)一面为阳极板(11)，另一面为阴极板(21)，其中阳极板(11)面设有若干阳极流道(12)，所述阴极板(21)面设有与阳极对应的阴极流道(22)，所述的阳极流道(12)和阴极流道(22)的反应区域相互平行，燃料气体和氧化剂气体分别在阳极板和阴极板的反应区域中平行逆向流动。与现有技术相比，本发明突破了传统空冷型燃料电池阴极流场和阳极流场垂直的结构，提高了电池温湿度分布均匀性，通过分区和渐变分配区的设计提升了气体分配均匀性，保证了空冷型燃料电池的高性能输出。

Description

空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板。

背景技术

燃料电池是一种可通过电化学反应将储存在氧化剂和还原剂中的化学能转化为电能的能量转化装置。燃料电池主要由双极板、膜电极组件和密封元件等组成，其中的双极板起到集流导电、散热、均匀分散反应介质和冷却剂等多重功能，双极板表面的流场引导反应气体和生成水流动，兼顾分配反应气体和排水的作用，使反应气体和水能在反应区域中均匀分布，是决定电池性能的关键部件。

双极板表面设置供气体和冷却液分配的复杂流场，兼具排出生成水和散热的作用。流场构型的合理与否直接影响燃料电池中的反应气体、水气和温度分布，从而影响燃料电池的性能。根据冷却方式的不同，燃料电池可分为液体冷却型燃料电池和空气冷却型燃料电池。空冷燃料电池主要依靠流过电堆的空气进行散热。空冷燃料电池的阴极分为封闭式和开放式两种，阴极封闭式空冷燃料电池将用于冷却和反应的空气独立供应，其结构相对复杂；而阴极开放式空冷燃料电池采用开放的阴极流道，流道内空气同时起到进行电化学反应和冷却的作用，其结构相对简单。

现有的文献中报道的阴极开放式空冷燃料电池均采用阳极流道与阴极流道互相垂直的流场构型，如专利CN111952626A、专利CN211654949U和专利 CN112635784A等，这是由于空气的比热容较小，为了提升冷却效果，阴极流道需要尽量缩短；同时为了保证足够的反应面积，阴极流道数量较多，因此阴极开放式空冷燃料电池通常具有较大的长宽比(≥2)。采用阳极流道与阴极流道互相垂直的流场构型，可有效降低阳极流场的氢气分配难度，成为目前空气冷却型燃料电池的常用设计。然而，阴、阳极流道互相垂直的流场构型无法使阴、阳极的水气和热量互补，普遍存在电池内温度和湿度分布不均匀的问题，影响电池的性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种有助于改善空冷燃料电池内温度、湿度分布不均匀的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，该双极板为空气和氢气平行逆向流动的阴极开放式空冷燃料电池双极板，阳极和阴极反应气体在电池内实现对向逆流，从而使阳极和阴极侧的水气和热量实现互补，以提高空冷燃料电池的温度和湿度分布的均匀性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，该双极板一面为阳极板，另一面为阴极板，其中阳极板面设有若干阳极流道，所述阴极板面设有与阳极对应的阴极流道，所述的阳极流道和阴极流道的反应区域相互平行，燃料气体和氧化剂气体分别在阳极板和阴极板的反应区域中平行逆向流动。利用燃料电池中阳极和阳极两侧的温度和湿度从气体入口到出口逐渐增加的特性，使阴、阳极的温、湿度实现互补，提高电池的温度、湿度分布的均匀性。

进一步地，所述的阳极板对角侧分别设有燃料气入口和燃料气出口，即阳极侧气体的入口和出口呈对角设置，燃料气体(如氢气)在阳极侧的流动形状呈Z形流动。

进一步地，所述的阳极流道包括位于气体进出口处的分配区和位于中间的反应区域，其中反应区域分为多个独立的分区域，燃料气体从燃料气入口进入，经分配区分配，分别进入各独立的分区域，反应后经燃料气出口处的分配区引导流出。

进一步地，所述的阳极流道的气体进出口处设置有凸起的分流脊，构成分配区，利用分流脊对燃料气体进行分流，将进出口气流阻隔为两股或多股气流，并将被分隔的气流引向两个或多个单独的分区域，各个分区域内的气体流动互不影响，气体在各个单独的分区域内成Z型的流动。

进一步地，所述的阳极板上分区域数量为2个及以上，通过在阳极流道气体进出口处设置1个及以上的分流脊实现分区。

进一步地，所述的阳极板上分配区内燃料气体流动方向与氧化剂气体流动方向垂直，分配区具有渐变的特征，进口侧气体分配区的截面积沿气体流动方向逐渐减小，出口侧气体分配区的截面积沿气体流动方向逐渐减增大，渐变的角度可以是 0°-10°之间。

进一步地，所述的阳极板上分配区设有支撑膜电极的均匀排布的圆形或长条形的凸起结构，圆形凸起的直径在1-2mm之间，长条形凸起的长度在2-4mm之间，宽度在1-2mm之间，间隔在1-3mm之间。

进一步地，所述的阳极流道中分配区和反应区域内气体流动反向相互垂直，其中反应区域内的流道为周期排布的直流道、蜿蜒流道或三维立体流道。

进一步地，所述的阴极板上布置周期排布的、与阳极流道的脊槽结构对应的流道结构，阴极板的宽度与阳极板宽度对齐，其长度与阳极板的反应区域长度对齐。

优选地，阳极侧的反应流道为周期排布的直流道，阴极侧流道结构为与阳极侧反应流道方向相同的、周期相同的直流道，阳极侧与阴极侧的流道实现脊对脊、槽对槽的结构布局，可提高结构刚度，减小接触电阻，同时增大双极板与空气进行对流换热的区域的面积，提高电池的散热能力。

进一步地，所述的阳极板上阳极流道外侧设有一圈密封槽，阳极侧与膜电极之间的密封可通过压缩与密封槽形状匹配的密封圈来实现，也可通过胶接工艺实现。

进一步地，所述阴极板的两端还设置有限高块，其高度与阴极板高度相同，限高块可通过胶接工艺与阳极板粘合在一起，其作用是可配合密封圈一起实现氢气总管的密封，同时阴极板表面和限高块表面构成一个高度统一的平面，方便电池的压缩装配。

优选地，所述双极板在装配成电堆时的定位通过外定位实现，以最大程度简化双极板的结构，同时双极板的对角侧设置有巡检孔，巡检孔由在阳极板和限高块上各自加工的两道沟槽共同构成，可将电压巡检线***巡检孔中实现对单电池电压的巡检，巡检孔中还加工有卡槽结构实现对巡检线的固定。

优选地，为增加阳极板的强度，在阳极板上设置有支撑凸台结构，防止阳极板在装配成电堆的过程中因压力过大而产生变形。

优选地，所述双极板通过金属冲压制造，材料可选为不锈钢、铝合金、钛合金等金属材料，单独冲压出阳极板和阴极板后，通过焊接将其结合为金属双极板；所述双极板也可通过铣削加工制造，基材可选为不锈钢、铝合金、钛合金、石墨等材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的空冷燃料电池双极板，通过流道构型的设计使阳极侧氢气和阴极侧空气实现平行逆向的流动，使阴、阳极侧的水气和热量实现互补，从而提高电池的湿度、温度分布的均匀性，有利于提高空冷燃料电池的性能。

(2)本发明的空冷燃料电池双极板，通过在阳极侧设置渐变的分配区，能够在不增加额外的面积或结构的条件下，使氢气在阳极的所有反应流道中的流速趋于一致，使阳极侧反应流道中的气流流量和压力分布均匀，实现氢气在阳极侧反应区域中均匀分配。

(3)本发明的空冷燃料电池双极板，在阳极侧气体分配区通过设置分流脊结构的设计，将阳极侧反应区域划分为多个单独的小区域，每个小区域的气体流动互不干扰，有利于阳极侧反应流道中的气体均匀分配。

附图说明

图1为本发明专利的空冷燃料电池双极板结构的概略立体图(阳极板侧)；

图2为本发明专利的空冷燃料电池双极板结构的概略立体图(阴极板侧)；

图3为本发明的双极板反应介质流通示意图；

图4为本发明的双极板中的阳极板的Z方向正视图；

图5为本发明的双极板的流道的局部区域的剖面视图；

图6为本发明的双极板的巡检区域处的局部视图；

图中：10-双极板、11-阳极板、12-阳极流道、121-阳极气体反应流道脊、122- 阳极气体反应流道槽、130-燃料气入口、131-燃料气出口、140-进口侧气体分配区、 141-出口侧气体分配区、15-分流脊、160-长条形凸起、161-圆形凸起、170-密封槽、 180-巡检孔、181-卡槽、190-支撑凸台、21-阴极板、22-阴极流道、221-阴极气体反应流道脊、222-阴极气体反应流道槽、31-限高块。

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目的、技术方案及优点进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。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。

本发明中所述的长宽方向是指附图中双极板的长宽方向，具体为，图中双极板较长的一边所代表的方向为长度方向，较短的一边所代表的是宽度方向。

本发明提出一种具有平行的阴阳极流道结构的空冷燃料电池双极板，有助于改善空冷燃料电池内温度、湿度分布不均匀的问题，所述空冷燃料电池双极板，一侧为阳极侧，阳极侧设置有阳极流道凹槽；另一侧为阴极侧，阴极侧设置有阴极流道凹槽，阳极反应流道和阴极反应流道相互平行，构成燃料电池的反应区域，燃料气体如氢气和氧化剂气体如空气在反应区域实现平行逆向流动，利用燃料电池中阳极和阳极两侧的温度和湿度从气体入口到出口逐渐增加的特性，使阴、阳极的温、湿度实现互补，提高电池的温度、湿度分布的均匀性。所述阳极流道侧的气体进出口处均设置有分配区，分配区具有渐变的形状结构，该设计可在不增加电池的额外尺寸的前提下极大改善阳极侧气体分配的均匀性，分配区中气体的流动方向与反应流道中气体的流动方向是垂直的。所述阳极反应流道为分区域的设计，通过在气体分配区处设置的分流脊实现将气流分开为两股或多股互不干扰的气流，能够提高阳极反应流道中气体分配的均匀性，并减小膜电极无支撑区域的最大宽度，防止电堆装配后因无支撑区域宽度过大而导致膜电极被压陷入分配区中。

下面通过具体实例对本发明进行进一步说明。

实施例1

如图1-6所示，本实施例的双极板10由阳极板11和阴极板21组成，阳极板 11和阴极板21均由0.05mm-0.2mm厚度的金属薄板冲压而成，材料可为不锈钢、铝合金、钛合金等。限高块31可由硬质塑料、玻璃纤维、碳纤维等材料加工而成。在阳极侧设有阳极流道12，在阴极侧设置有阴极流道22，反应流道为周期排布的直流道，阳极反应流道和阴极反应流道方向平行，均沿双极板的宽度方向，尽量减小阴极反应流道的长度，提高散热效果。

在本实施例中燃料气体为氢气，氧化剂气体为空气，氢气和空气的流动方向如图2中所示，氢气和空气在反应区域流动方向是逆向平行的，在阳极侧分配区域处的流动方向是垂直的。氢气和空气在反应区域中平行逆向流动，有助于空冷燃料电池中阴、阳极两侧的水气和热量的互补，提高电池的温、湿度均匀性，从而提高电池的性能。

阳极板11上设置有燃料气入口130和燃料气出口131，本实施例中燃料气入口130和燃料气出口131呈对角设置。阳极板11上设置有入口气体分配区140和出口气体分配区141，气体分配区沿双极板长度方向具有渐变的特征，入口气体分配区140的渐变形式为从入口处开始，宽度逐渐减小；出口气体分配区141的渐变形式为从出口处开始，宽度逐渐减小。渐变的气体分配区设计有助于使氢气在阳极的所有反应流道中的流速趋于一致，提高阳极侧反应流道中的气体分配的均匀性。

阳极板的气体分配区上设置有分流脊15，分流脊从燃料气入口130处延伸到燃料气出口131处，将进出阳极流道的氢气强制分开为两股氢气，两股氢气互不干扰，分别流入阳极板11上的左右两个反应区域，能使氢气在阳极反应区域中的分配更为均匀。

阳极板的气体分配区上设置有均匀的长条形凸起160和圆形凸起161，这些凸起结构分布在入口气体分配区140和出口气体分配区141中宽度较大的区域，有助于提高气体分配的均匀性，同时能为膜电极提供支撑作用，防止在电池装配过程中，膜电极因无支撑区域过宽而在压力作用下陷入到分配区中阻碍气体的流动。

阳极板的气流通道外侧设置有一圈密封槽170，阳极侧与膜电极之间的密封可通过点胶工艺实现，可使用有机硅橡胶等实现胶接。阳极侧与膜电极之间的密封也可使用与密封槽形状相同的密封圈实现，密封圈材料可为橡胶、硅胶等具有一定弹性的材料，用胶将密封圈粘合在密封槽中，在压力作用下可实现阳极侧的气体密封。

阳极板11上还设置有支撑凸台190，该结构能增加极板的强度，防止极板在装配过程中出现较大的形变。

为使双极板10的左右两侧的高度与中间区域的高度一致，在阴极侧形成一个高度统一的平面，同时为了实现氢气总管处的密封，在双极板两端使用有机硅橡胶等材料粘接两个限高块31。限高块的宽度与双极板宽度相等，厚度与阴极板高度相等，且同样带有氢气进出气孔。限高块上还加工有一道沟槽，与阳极板上在位置处加工的沟槽相对应，共同构成巡检孔180，巡检孔中设置有卡槽181，可对***巡检孔中的巡检线进行固定，方便在电池工作时实现电池电压的巡检。

阴极板21的宽度与阳极板11的宽度相同，阴极板21的长度与阳极板11的反应区域的长度相同，阳极板11的阳极气体反应流道脊121的宽度和阳极气体反应流道槽122的宽度与阴极板21的阴极气体反应流道脊221的宽度和阴极气体反应流道槽222的宽度对应相同。阳极板和阴极板通过焊接工艺连接，并且在连接后实现脊对脊、槽对槽的结构布局，可提高结构刚度，减小接触电阻，同时增大双极板与空气进行对流换热的区域的面积，提高电池的散热能力。

在装配电堆时，按照限高块、双极板、膜电极的顺序层叠，并在电堆的上下两端配合集流板、绝缘板和端板，同时配合螺栓紧固组件，即可组装电堆。

表1所示为使用本发明的双极板与传统垂直流场(即采用阳极流道与阴极流道互相垂直的流场构型)的双极板装配的空冷燃料电池性能测试结果对比，测试中使用的电池尺寸、电池反应区域面积、双极板材料、所使用的膜电极和测试条件等均相同。测试结果显示，使用本发明的新型双极板组装的空冷电池性能整体优于使用传统垂直流场的双极板组装的空冷电池，特别是在高电流密度工况下的性能有较大幅度的提升，如在500mA/cm²电流密度下，使用新型双极板的电池性能比使用传统垂直流场双极板的性能提升了约20mV。

表1

工作电密	传统垂直流场电池性能/V	新型平行流场电池性能/V	性能提升/mV
				100mA/cm<sup>2</sup>	0.755	0.759	4
200mA/cm<sup>2</sup>	0.693	0.7	7
				300mA/cm<sup>2</sup>	0.652	0.655	3
400mA/cm<sup>2</sup>	0.607	0.619	12
				500mA/cm<sup>2</sup>	0.563	0.583	20

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，凡在发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，该双极板(10)一面为阳极板(11)，另一面为阴极板(21)和限高块(31)，其中阳极板(11)面设有若干阳极流道(12)，所述阴极板(21)面设有与阳极对应的阴极流道(22)，所述的阳极流道(12)和阴极流道(22)的反应区域相互平行，燃料气体和氧化剂气体分别在阳极板和阴极板的反应区域中平行逆向流动。

2.根据权利要求1所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极板(11)对角侧分别设有燃料气入口(130)和燃料气出口(131)。

3.根据权利要求1或2所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极流道(12)包括位于气体进出口处的分配区和位于中间的反应区域，其中反应区域分为多个独立的分区域，燃料气体从燃料气入口(130)进入，经分配区分配，分别进入各独立的分区域，反应后经燃料气出口(131)处的分配区引导流出。

4.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极流道(12)的气体进出口处设置有凸起的分流脊(15)，构成分配区，利用分流脊(15)对燃料气体进行分流，将进出口气流阻隔为两股或多股气流，并将被分隔的气流引向两个或多个单独的分区域，各个分区域内的气体流动互不影响，气体在各个单独的分区域内成Z型的流动。

5.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极板(11)上分区域数量为2个及以上，通过在阳极流道气体进出口处设置1个及以上的分流脊(15)实现分区。

6.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极板(11)上分配区内燃料气体流动方向与氧化剂气体流动方向垂直，分配区具有渐变的特征，进口侧气体分配区(140)的截面积沿气体流动方向逐渐减小，出口侧气体分配区(141)的截面积沿气体流动方向逐渐减增大。

7.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极板(11)上分配区设有支撑膜电极的均匀排布的圆形或长条形的凸起结构。

8.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极流道(12)中分配区和反应区域内气体流动反向相互垂直，其中反应区域内的流道为周期排布的直流道、蜿蜒流道或三维立体流道。

9.根据权利要求1所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阴极板(21)上布置周期排布的、与阳极流道的脊槽结构对应的流道结构(22)，阴极板(21)的宽度与阳极板(11)宽度对齐，其长度与阳极板(11)的反应区域长度对齐。

10.根据权利要求3所述的空冷型燃料电池氢空流场平行的双极板，其特征在于，所述的阳极板(11)上阳极流道(12)外侧设有一圈密封槽(170)；所述的阳极板(11)的对角处设置有巡检孔(180)，巡检孔由在阳极板(11)和限高块(31)上各自加工的两道沟槽共同构成，巡检孔中还设有卡槽(181)；

所述的阳极板(11)上设置有支撑凸台结构(190)；起到氢气总管区域密封作用和高度匹配作用的限高块(31)通过胶粘工艺粘贴在阴极板的两端。

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