CN114725422A - 一种燃料电池双极板结构 - Google Patents

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杨骄
高鹏然
陈宏�
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Abstract

本发明提出的一种燃料电池双极板结构，包括相贴合设置的阳极板和阴极板；所述阳极板的中部设置有多个阳极凹部，所述阴极板的中部设置有多个阴极凹部，且所述阳极凹部的横截面面积小于所述阴极凹部的横截面面积；所述阳极凹部的截面形状和所述阴极凹部的截面形状均为梯形或者波浪形；所述阳极凹部与所述阴极凹部一一对应连接、并围合形成冷却水流道；相邻的两个所述阳极凹部之间形成氢气流道；相邻的两个所述阴极凹部之间形成氧气流道；所述氢气流道的横截面面积小于所述氧气流道的横截面面积。本申请结构通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，在保证气体均匀流通的前提下，使得电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能。

Description

一种燃料电池双极板结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池双极板结构。
背景技术
氢能具有清洁、高效等诸多优点，受到越来越多的人们的关注，并在多个技术领域获得了商业化应用。极板在氢燃料电池中起到分配燃料气体、收集电流、支撑等多种作用，是决定燃料电池体积/重量功率密度、寿命等性能的重要部件之一。
目前，在燃料电池金属极板设计领域，一些企业与学者提出了比较新颖的想法。譬如，中国专利CN2019207979251提出了一种带有隔板的双极板，可以较大程度的提高冷却水分布的均匀性；中国专利申请CN2018116115696提出了一种密封性能较好的金属双极板，可以极大的改善极板的密封性能。然而，上述现有技术中的双极板虽然结构不同，但是阳极板的流道结构与阴极板的流道结构尺寸相同，使得氢气和氧气的进气量相同，很难同时满足电化学反应中对氧气和氢气的用量要求。电化学反应过程中对所需的氢气和所需的氧气的用量要求是不一样的，由于氢气和氧气的进气量相同而导致双极板的电化学反应不充分，降低了氢气和氧气的利用率，导致燃料电池的性能下降。
发明内容
基于此，本发明提供一种燃料电池双极板结构，旨在解决现有的双极板中阳极板的流道结构与阴极板的流道结构尺寸相同，使得氢气和氧气的进气量相同而导致双极板的电化学反应不充分，降低了氢气和氧气的利用率，导致燃料电池的性能下降的问题。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种燃料电池双极板结构，包括相贴合设置的阳极板和阴极板；
所述阳极板的中部设置有多个阳极凹部；所述阴极板的中部设置有多个阴极凹部，且所述阳极凹部的横截面面积小于所述阴极凹部的横截面面积；所述阳极凹部的截面形状和所述阴极凹部的截面形状均为梯形或者波浪形；
所述阳极凹部与所述阴极凹部一一对应连接、并围合形成冷却水流道；相邻的两个所述阳极凹部之间形成氢气流道；相邻的两个所述阴极凹部之间形成氧气流道；所述氢气流道的横截面面积小于所述氧气流道的横截面面积。
进一步地，相邻的所述阳极凹部和所述氢气流道、相邻的所述阴极凹部和所述氧气流道均形成凹凸结构；所述阳极凹部和所述阴极凹部均为通过压制成型得到的凹部。
进一步地，所述氢气流道底部的宽度与所述氧气流道底部的宽度相等；所述氢气流道的深度小于所述氧气流道的深度。
进一步地，当所述阳极凹部的横截面和所述阴极凹部的横截面均为梯形时，所述氢气流道的深度与所述氧气流道的深度之比为1：(1.5-2)。
进一步地，所述氢气流道的深度为0.2mm-0.4mm；所述氧气流道的深度为0.3mm-0.8mm。
进一步地，当所述阳极凹部的横截面和所述阴极凹部的横截面均为波浪形时，所述氢气流道的深度与所述氧气流道的深度之比为1：2。
进一步地，所述氢气流道的深度为0.25mm-0.45mm；所述氧气流道的深度为0.5mm-0.9mm。
进一步地，所述阳极板的四周设置有阳极密封槽；所述阴极板的四周设置有与所述阳极密封槽相对应的阴极密封槽。
进一步地，所述阳极板和所述阴极板的厚度均为0.1mm-0.2mm。
进一步地，所述阳极板和所述阴极板均为通过金属基材冲压成型或模压成型的极板。
进一步地，所述金属基材为不锈钢板或者钛板。
本发明提出的一种燃料电池双极板结构，通过设置阳极凹部和阴极凹部，使相邻的阳极凹部之间形成氢气流道、相邻的阴极凹部之间形成氧气流道，相邻的阳极凹部和氢气流道、相邻的阴极凹部和氧气流道均形成凹凸结构，这样使得本申请的双极板形成两板三场结构，有效的提高了燃料电池的性能。通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，使得电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能。相较于现有的双极板结构，本申请更加节、能量转化效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1和实施例2所对应的燃料电池双极板结构的主视图；
图2为本发明实施例3和实施例4所对应的燃料电池双极板结构的主视图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
现有的金属双极板，阳极板的流道结构与阴极板的流道结构尺寸相同，使得氢气和氧气的进气量相同；而在电化学反应过程中，对所需的氢气和所需的氧气的用量要求是不一样的，从而导致双极板的电化学反应不充分，降低了氢气和氧气的利用率，导致燃料电池的性能下降。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池双极板结构。
在本申请中，可以通过极化曲线中的低电密、中电密和高电密三个电密对应的电压数据来评价燃料电池(电堆)的性能。在本申请的实施例中，低电密为0.6A/cm2，中电密为1.4A/cm2，高电密为2.0A/cm2。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提出的一种燃料电池双极板结构，包括相贴合设置的阳极板1和阴极板2；
所述阳极板1的中部设置有多个阳极凹部11；所述阴极板2的中部设置有多个阴极凹部21，且所述阳极凹部11的横截面面积小于所述阴极凹部21的横截面面积；所述阳极凹部11的截面形状和所述阴极凹部21的截面形状均为梯形；
所述阳极凹部11与所述阴极凹部21一一对应连接、并围合形成冷却水流道3；相邻的两个所述阳极凹部11之间形成氢气流道4；相邻的两个所述阴极凹部21之间形成氧气流道5；所述氢气流道4的横截面面积小于所述氧气流道5的横截面面积。
可以理解的是，在本申请实施例中，阳极板1远离阴极板2的一侧、阴极板2远离阳极板1的一侧分别与膜电极6相贴合设置，从而将氢气流道4顶部、氧气流道5的顶部盖合，使氢气流道4和氧气流道5形成密闭的流道，并且在流道的两端预留进口和出口。这样使得本申请的双极板形成两板三场结构，有效的提高了燃料电池的性能。
在本实施例中，相邻的所述阳极凹部11和所述氢气流道4、相邻的所述阴极凹部21和所述氧气流道5均形成凹凸结构；所述阳极凹部11和所述阴极凹部21均为通过压制成型得到的凹部。这样，使得本申请的双极板形成两板三场结构，有效的提高了燃料电池的性能。
在本实施例中，所述氢气流道4底部的宽度与所述氧气流道5底部的宽度相等；所述氢气流道4的深度小于所述氧气流道5的深度。
具体的，所述氢气流道4底部的宽度与所述氧气流道5底部的宽度均为0.5mm，这样使得所述氢气流道4底部和所述氧气流道5底部能够完全对应，有利于电化学反应；并且，相邻两个所述氢气流道4之间的距离和和相邻两个所述氧气流道5之间的距离均为1.5mm，进一步提升了电化学反应的速率和效率。
在本实施例中，所述氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：1.5。
具体的，所述氢气流道4的深度为0.2mm；所述氧气流道5的深度为0.3mm。这样使得所述氢气流道4的横截面积与所述氧气流道5的横截面积之比符合双极板上的电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，使得电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能。
在本实施例中，所述阳极板1的四周设置有阳极密封槽(图中未标示)；所述阴极板2的四周设置有与所述阳极密封槽相对应的阴极密封槽(图中未标示)。可以理解的是，阳极密封槽与阴极密封槽均用于点胶密封，保证阳极板1和阴极板2贴合后的密封性。
在本实施例中，所述阳极板1和所述阴极板2的厚度均为0.1mm。
在本实施例中，所述阳极板1和所述阴极板2均为通过金属基材冲压成型或模压成型的极板。
在本实施例中，所述金属基材为不锈钢板或者钛板。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，可以使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，其电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能，其结构更加节能、能量转化效率更高。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.78V～0.81V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.71V～0.74V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.60V～0.62V。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：所述氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：2；具体的，所述氢气流道4的深度为0.2mm；所述氧气流道5的深度为0.4mm；所述阳极板1和所述阴极板2的厚度均为0.2mm；所述氢气流道4底部的宽度与所述氧气流道5底部的宽度均为0.6mm，相邻两个所述氢气流道4之间的距离和和相邻两个所述氧气流道5之间的距离均为1.8mm。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，可以使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，其电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能，其结构更加节能、能量转化效率更高。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.77V～0.79V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.71V～0.73V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.59V～0.62V。
实施例3
如图2所示，实施例3与实施例1的区别在于：所述阳极凹部11的截面形状和所述阴极凹部21的截面形状均为波浪形；所述氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：2；所述氢气流道4的深度为0.25mm；所述氧气流道5的深度为0.5mm；所述阳极板1和所述阴极板2的厚度均为0.2mm。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，可以使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，其电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能，其结构更加节能、能量转化效率更高。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.79V～0.82V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.72V～0.75V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.61V～0.65V。
实施例4
实施例4与实施例3的区别在于：所述氢气流道4的深度为0.3mm；所述氧气流道5的深度为0.6mm；所述氢气流道4底部的宽度与所述氧气流道5底部的宽度均为0.6mm，相邻两个所述氢气流道4之间的距离和和相邻两个所述氧气流道5之间的距离均为1.8mm。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例通过设置氢气流道的横截面积小于氧气流道的横截面积，可以使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，其电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能，其结构更加节能、能量转化效率更高。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.78V～0.82V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.70V～0.75V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.60V～0.62V。
对比例1
对比例与实施例1的区别在于：所述氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：1；具体的，所述氢气流道4的深度为0.2mm；所述氧气流道5的深度为0.2mm。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：1，使得双极板上氢气的流量与氧气的流量不符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，双极板的电化学反应不充分，氢气和氧气的利用率较低，导致燃料电池的性能也较低。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.72V～0.77V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.64V～0.66V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.54V～0.55V。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于：所述氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：1；具体的，所述氢气流道4的深度为0.3mm；所述氧气流道5的深度为0.3mm。
通过燃料电池的性能测试发现，本实施例氢气流道4的深度与所述氧气流道5的深度之比为1：1，使得双极板上氢气的流量与氧气的流量不符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，双极板的电化学反应不充分，氢气和氧气的利用率较低，导致燃料电池的性能也较低。具体的，在本实施例中，对于极化性能曲线而言，在电密为0.6A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.74V～0.77V，在电密为1.4A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.69V～0.71V，在电密为2.0A/cm2时，其燃料电池电堆平均电压为0.58V～0.61V。
从上述实验数据可以看出，无论是低电密、中电密还是高电密，采用本申请双极板结构的燃料电池(电堆)的平均电压均高于对比例中的燃料电池(电堆)的平均电压，这也说明了本申请的双极板结构能够使氢气和氧气的电化学反应更充分，有效提高了燃料电池(电堆)的性能。
本发明提出的一种燃料电池双极板结构，通过设置阳极凹部11和阴极凹部21，使相邻的阳极凹部11之间形成氢气流道4、相邻的阴极凹部21之间形成氧气流道5，相邻的阳极凹部11和氢气流道4、相邻的阴极凹部21和氧气流道5均形成凹凸结构，这样使得本申请的双极板形成两板三场结构，有效的提高了燃料电池的性能。通过设置氢气流道4的横截面积小于氧气流道5的横截面积，使得双极板上氢气的流量与氧气的流量符合电化学反应过程中对氧气和氢气用量的要求，在保证气体均匀流通的前提下，使得电化学反应更充分，有效的提高了燃料电池的性能。相较于现有的双极板结构，本申请更加节、能量转化效率更高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板结构，其特征在于，包括相贴合设置的阳极板和阴极板；
所述阳极板的中部设置有多个阳极凹部，所述阴极板的中部设置有多个阴极凹部，且所述阳极凹部的横截面面积小于所述阴极凹部的横截面面积；所述阳极凹部的截面形状和所述阴极凹部的截面形状均为梯形或者波浪形；
所述阳极凹部与所述阴极凹部一一对应连接、并围合形成冷却水流道；相邻的两个所述阳极凹部之间形成氢气流道；相邻的两个所述阴极凹部之间形成氧气流道；所述氢气流道的横截面面积小于所述氧气流道的横截面面积。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述氢气流道底部的宽度与所述氧气流道底部的宽度相等；所述氢气流道的深度小于所述氧气流道的深度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，当所述阳极凹部的横截面和所述阴极凹部的横截面均为梯形时，所述氢气流道的深度与所述氧气流道的深度之比为1：(1.5-2)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述氢气流道的深度为0.2mm-0.4mm；所述氧气流道的深度为0.3mm-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，当所述阳极凹部的横截面和所述阴极凹部的横截面均为波浪形时，所述氢气流道的深度与所述氧气流道的深度之比为1：2。
6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述氢气流道的深度为0.25mm-0.45mm；所述氧气流道的深度为0.5mm-0.9mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，相邻的所述阳极凹部和所述氢气流道、相邻的所述阴极凹部和所述氧气流道均形成凹凸结构；所述阳极凹部和所述阴极凹部均为通过压制成型得到的凹部。
8.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板的厚度均为0.1mm-0.2mm。
9.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极板的四周设置有阳极密封槽；所述阴极板的四周设置有与所述阳极密封槽相对应的阴极密封槽。
10.根据权利要求1所述的燃料电池双极板结构，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板均为通过金属基材冲压成型或模压成型的极板；
所述金属基材为不锈钢板或者钛板。
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