CN115036524A - 一种双极板与燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双极板和燃料电池，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板；所述双极板包括依次分布的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；所述流场区为反应活性区，发生氧化还原反应；所述双极板中包括至少两个独立分隔的流场区。所述双极板与膜电极组件匹配，组成两个双极板夹一个膜电极的燃料电池单元，双极板中至少两个独立分隔的流场区，则组成至少两个燃料电池单元，而多个燃料电池单元重复堆叠在一起得到燃料电池电堆，相比于单流场结构的燃料电池，提升了反应面积，在反应面积增大的同时，实现了较好的均匀性也是有较大的困难，由于电堆的功率可以成倍的提升，大幅度的提高了燃料电池的功率密度。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池的制造技术领域，涉及一种双极板，尤其涉及一种双极板与燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种发电装置，燃料电池包括：双极板、膜电极(MEA)、集流板及端板等主要部件。双极板是燃料电池的骨架，作用主要是为反应物(氢气和氧化剂)提供反用的场所，在膜电极发生电化学反应放电。双极板的作用是分隔气流，导电，散热，以及排出反应生成物，如水等。
燃料电池是新能源汽车的技术路线之一，随着汽车用户对燃料电池汽车功率的需求越来越大，因此需要更大的燃料电池电堆或是电池组。通常的双极板的反应区面积在200cm2到300cm2之间，单电堆功率达到200～300kW。为了实现更大的燃料电池功率，实现的方式之一就是需要双极板有更大的反应面积。按照双极板结构包括反应物进出口和冷却剂进出口的设计方案，流动分配区域，流道流场区，提升双极板的反应面积，在反应面积增大的同时，实现较好的均匀性也是有较大的困难。
CN 113140748A提供一种带螺旋的斗状燃料电池双极板，包括双极板基体，所述双极板基体呈漏斗状，且漏斗的底部为一圆形结构；且所述双极板基体的内表面设有阴极流场，所述双极板基体的外表面设有阳极流场；所述阴极流场内具有多个螺旋通道；所述阳极流场内具有多个放射通道。该发明阴极流场采用的是均布的螺旋通道，使气体在流动过程中产生离心力，增强传质，提高气体扩散层中反应物浓度，增加电化学反应速率，提高电池电流密度。阳极流场采用渐变的放射流道，直肋宽度沿气体流动方向减小，可以提高电化学反应面积，进一步提高电流密度。
CN 211420326U公开了一种用于电化学氟化的多孔双极电解池，属于电化学技术领域，目的在于提供一种用于电化学氟化的多孔双极电解池，包括电解池本体，所述电解池本体的两侧的侧壁底部分别设有进料口，顶部分别设有出料口，电解池本体内设有阴极板和阳极板，阴极板和阳极板之间设有双极板，所述双极板的表面设有若干通孔，阴极板、阳极板和双极板的四个顶角分别通过螺栓与电解池本体的侧壁连接固定。通过在阴极板和阳极板之间***双极板，相当于在双极板上多了一个阴极和阳极，使得反应面积增加一倍，双极板表面的通孔，可以使得反应物进行传质和二次反应，增加反应面积，提高反应效率。
CN 111697246A提供一种双极板结构和燃料电池，双极板结构包括：第一侧面和第二侧面，第一侧面上设置有氢气流道，第二侧面上设置有氧气流道，第一侧面上设置有至少两个氢气进口和至少两个氢气出口，至少两个氢气进口分别与氢气流道连通，至少两个氢气出口也分别与氢气流道连通；第二侧面上设置有至少两个氧气进口和至少两个氧气出口，至少两个氧气进口分别与氧气流道连通，至少两个氧气出口分别与氧气流道连通。该发明能够保证与每个氢气进口、氢气出口以及每个氧气进气口和每个氧气出气口连通的流道个数更为均匀，使得氢氧电化学反应的反应区面积可根据功率需求进行合理的扩大，解决三进三出由于单一进出口结构而形成的气体分配不均的问题。
以上技术方案中CN 113140748A结构复杂，还需要改造膜电极、集流板及端板，CN211420326U增加反应面积的程度有限，而CN 111697246A相当于两个双极板并排布置，共用冷却出入口。由于冷却布置在垂直方向，占用较大的空间，对电堆的功率密度有较大的影响，双极板流场区域的活性面积占比较低，电堆功率密度整体不高。
因此，如何改进双极板结构，提高活性面积占比和提升燃料电池的功率密度，是燃料电池制造领域亟需解决的技术问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种双极板和燃料电池，通过改进双极板的结构，实现了在一块双极板上提供多个气体的流场，达到了串联电池的效果，提高了功率密度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种双极板，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板；所述双极板包括依次分布的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；所述流场区为反应活性区，发生氧化还原反应；所述双极板中包括至少两个独立分隔的流场区。
本发明提供的双极板与膜电极组件匹配，组成两个双极板夹一个膜电极的燃料电池单元，双极板中至少两个独立分隔的流场区，则组成至少两个燃料电池单元，而多个燃料电池单元重复堆叠在一起得到燃料电池电堆，相比于单流场结构的燃料电池，提升了反应面积，在反应面积增大的同时，实现了较好的均匀性也是有较大的困难，由于电堆的功率可以成倍的提升，大幅度的提高了燃料电池的功率密度。
优选地，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行矩阵排列。
优选地，所述双极板基本结构单元包括依次排列的入口区、流体分配区、反应活性区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行一维排列。
优选地，所述一维排列的方式为：双极板基本结构单元沿一个方向进行排列。
优选地，所述一维排列中，双极板基本结构单元的数目至少为2个，例如可以是2个、3个、5个、8个或10个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为2-5个。
优选地，所述一维排列中，相邻双极板基本结构单元的入口区或出口区重合。
优选地，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行二维排列。
优选地，所述二维排列的方式为：双极板基本结构单元在平面内沿两个垂直的方向X和Y上排列。
优选地，所述X方向上双极板基本结构单元的数目至少为2个，例如可以是2个、3个、5个、8个或10个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述Y方向上双极板基本结构单元的数目至少为2个，例如可以是2个、3个、5个、8个或10个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述X方向与流体的流动方向一致。
优选地，所述X方向上相邻双极板基本结构单元的入口区或出口区重合。
一维和二维排列方式中，反应活性区为各自独立分隔开的，即不存在串气行为。本发明通过合理的流场连接，减少了无效的极板面积，优化了结构实现进出口的共用，也进一步提高了活性面积的利用率，同时增加了反应活性区的面积。
优选地，所述双极板基本结构单元中，阳极板包括1-2组流体的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括氢气的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括冷却液的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括1-2组流体的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括氧气的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括冷却液的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括2个流场。
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括2个流场。
本发明中双极板的两侧为气体流场，阳极板一侧为氢气流场，阴极板一侧为空气流场，阴极板和阳极板之间为冷却流场。
在本发明提供的双极板基本结构单元中，两个流场优选共用一组流体的入口或出口，节省了极板无效的开孔面积，实现了在基板上得到更大面积的反应活性区域。
优选地，所述反应活性区包括流体的流道。
优选地，所述流道包括蛇形流道、直流道、蜿蜒流道或多孔流道中的任意一张或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括蛇形流道和直流道的组合，直流道和蜿蜒流道的组合，蜿蜒流道和多孔流道的组合，蛇形流道、直流道和蜿蜒流道的组合，直流道、蜿蜒流道和多孔流道的组合，或蛇形流道、直流道、蜿蜒流道和多孔流道的组合。
优选地，所述流体分配区与流体收集区的结构一致。
优选地，所述流体分配区位于流体流动的上游位置。
优选地，所述流体收集区位于流体流动的下游位置。
第二方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池中含有如第一方面所述的双极板。
由以上技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的双极板与膜电极组件匹配，组成两个双极板夹一个膜电极的燃料电池单元，双极板中至少两个独立分隔的流场区，则组成至少两个燃料电池单元，而多个燃料电池单元重复堆叠在一起得到燃料电池电堆，相比于单流场结构的燃料电池，提升了反应面积，在反应面积增大的同时，实现了较好的均匀性也是有较大的困难，由于电堆的功率可以成倍的提升，大幅度的提高了燃料电池的功率密度。
(2)本发明通过合理的流场连接，减少了无效的极板面积，优化了结构实现进出口的共用，也进一步提高了活性面积的利用率，同时增加了反应活性区的面积。
(3)在本发明提供的双极板基本结构单元中，两个流场优选共用一组流体的入口或出口，节省了极板无效的开孔面积，实现了在基板上得到更大面积的反应活性区域。
附图说明
图1是本发明提供的双极板基础结构单元的结构示意图。
图2是本发明提供的一种一维排列双极板的结构示意图。
图3是本发明提供的一种二维排列双极板的结构示意图。
图4是实施例1所述双极板的结构示意图。
图5是实施例2所述双极板的结构示意图。
图6是实施例3所述双极板的结构示意图。
其中，
1-入口区，2-出口区，3-流体分配区，4-反应活性区，5-流体收集区，6-1-氢气入口区，6-2-氢气出口区，7-1-空气入口区，7-2-空气出口区，8-1-冷却入口区，8-2-冷却出口区，9-特征结构，10-流道，11-流道脊部。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明所述双极板包括阳极板和阴极板两个单极板。图1所示为双极板基本结构单元。每个极板设置有入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2。阳极板表面的一侧设置有氢气入口区6-1、氢气出口区6-2、冷却入口区8-1和冷却出口区8-2。阴极板与阳极板的区别在于流动的是空气，设置有空气入口区7-1和空气出口区7-2，其它相应的区域功能与阳极板功能一致。
流体分配区3中设置有提高流体分配均匀性的特征结构9，可以是小圆柱和/或点阵等，有利于流体均匀性分配。
对应膜电极的反应活性区4设置有流道10和流道脊部11，所述流道10可以是直流道、蛇形流道、蜿蜒流道或3D。每根流道10还可以设置有具体的局部特征，如变径，底部有波浪或是楔形结构，实现更高效的将反应气体传输到催化剂层和排出反应生成水。生成水和未参与反应的气体流经流体收集区5，进入出口区2，氢气、空气和冷却液从出口区2中流出。
本发明所述双极板至少包括两个反应活性区4，达到提高双极板面积的有效利用。如图2所示是一种双极板基本结构单元进行一维排列得到的双极板，所述双极板设置有一组流体的入口，即有一个入口区1，包括氢气入口区6-1、空气入口区7-1和冷却入口区8-1。氢气入口区6-1、空气入口区7-1和冷却入口区8-1的位置可以是图2中所示位置排列顺序，也可以是其它顺序布置入口位置。入口区1位于所述双极板的中间。双极板上有两组流体出口，即两个出口区2，包括氢气出口区6-2、空气出口区7-2和冷却出口区8-2。氢气出口区6-2、空气出口区7-2和冷却出口区8-2的位置可以是图2中所示位置排列顺序，也可以是其它顺序布置出口位置。采用一组入口区1和两组出口区2的结构，有效地节省了双极板的无效面积，提高了电堆的功率密度。在图2的基础上，采用一组出口区2和两组入口区1的结构，也可以达到效果，同样在本发明的范围内。
采用二维排列的双极板，如图4所示，在相互垂直的X方向和Y方向上，各存在2个反应活性区4，双极板中含有4个反应活性区4。
进一步地，流体的流动方向采用氢气与空气同向流动或逆向流动，冷却液的流动方向与空气的流动方向保持一致，有效的提升了燃料电池的性能。
实施例1
本实施例提供了一种双极板(图4)，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板。所述双极板由4个一维排列的双极板基本结构单元组成。
双极板基本结构单元中，阳极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括氢气入口区6-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括氢气出口区6-2和冷却出口区8-2。
双极板基本结构单元中，阴极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括空气入口区7-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括空气出口区7-2和冷却出口区8-2。
所述反应活性区4中包括流道10和流道脊部11，流道10为直流道。
流体分配区3和流体收集区5的结构一致，设置有点阵形状的特征结构9。
所述双极板的结构为双极板基本结构单元(图1)进行一维排列得到，一维排列的方式为4个双极板基本结构单元沿横向上排列，横向即流道10中的流体的流动方向。在所述一维排列中，相邻双极板基本结构单元的入口区或者出口区重合。
实施例2
本实施例提供了一种双极板(图5)，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板。所述双极板由6个一维排列的双极板基本结构单元组成。
双极板基本结构单元中，阳极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括氢气入口区6-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括氢气出口区6-2和冷却出口区8-2。
双极板基本结构单元中，阴极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括空气入口区7-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括空气出口区7-2和冷却出口区8-2。
所述反应活性区4中包括流道10和流道脊部11，流道10为直流道。
流体分配区3和流体收集区5的结构一致，设置有点阵形状的特征结构9。
所述双极板的结构为双极板基本结构单元(图1)进行一维排列得到，一维排列的方式为6个双极板基本结构单元沿横向上排列，横向即流道10中的流体的流动方向。在所述一维排列中，相邻双极板基本结构单元的入口区或者出口区重合。
实施例3
本实施例提供了一种双极板(图6)，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板。所述双极板由8个二维排列的双极板基本结构单元组成。
双极板基本结构单元中，阳极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括氢气入口区6-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括氢气出口区6-2和冷却出口区8-2。
双极板基本结构单元中，阴极板包括依次分布的入口区1、流体分配区3、反应活性区4、流体收集区5和出口区2；入口区1中包括空气入口区7-1和冷却入口区8-1，出口区1中包括空气出口区7-2和冷却出口区8-2。
所述反应活性区4中包括流道10和流道脊部11，流道10为直流道。
流体分配区3和流体收集区5的结构一致，设置有点阵形状的特征结构9。
所述双极板的结构为双极板基本结构单元(图1)进行二维排列得到，二维排列的方式为沿横向上排列4个双极板基本结构单元，横向即流道10中的流体的流动方向，沿垂直方向上排列2个双极板基本结构单元。在所述二维排列中，横向排列的相邻双极板基本结构单元的入口区或者出口区重合。
实施例4
本实施例提供了一种双极板，除相邻双极板基本结构单元的入口区或者出口区不重合外，其余结构与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种双极板，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板。所述双极板由1个双极板基本结构单元组成，有1个流场区。
双极板基本结构单元中，阳极板包括依次分布的入口区、流体分配区、反应活性区、流体收集区和出口区；入口区中包括氢气入口区和冷却入口区，出口区中包括氢气出口区和冷却出口区。
双极板基本结构单元中，阴极板包括依次分布的入口区、流体分配区、反应活性区、流体收集区和出口区；入口区中包括空气入口区和冷却入口区，出口区中包括空气出口区和冷却出口区。
所述反应活性区中包括流道和流道脊部，流道为直流道。
流体分配区和流体收集区的结构一致，设置有点阵形状的特征结构。
将上述所得双极板按照GB/T 24549-2020的标准组装成燃料电池，进行功率测试，结果如表1所示。
表1
| 试验编号 | 反应活性区面积占比 | 功率 |
| 实施例1 | 50.8％ | 1411W |
| 实施例2 | 51.5％ | 2107W |
| 实施例3 | 50.7％ | 2372W |
| 实施例4 | 45.2％ | 1425W |
| 对比例1 | 45.2％ | 358W |
从表1中可知：
(1)由实施例1-3可知，本发明提供的双极板与膜电极组件匹配，组成两个双极板夹一个膜电极的燃料电池单元，双极板中至少两个独立分隔的流场区，则组成至少两个燃料电池单元，而多个燃料电池单元重复堆叠在一起得到燃料电池电堆，相比于单流场结构的燃料电池，提升了反应面积，在反应面积增大的同时，实现了较好的均匀性也是有较大的困难，由于电堆的功率可以成倍的提升，大幅度的提高了燃料电池的功率密度。
(2)由实施例4、对比例1和实施例1的比较可知，本发明通过合理的流场连接，减少了无效的极板面积，优化了结构实现进出口的共用，也进一步提高了活性面积的利用率，同时增加了反应活性区的面积，提高了燃料电池的功率密度。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种双极板，其特征在于，所述双极板包括合并在一起的阳极板和阴极板；所述双极板包括依次分布的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；所述流场区为反应活性区，发生氧化还原反应；所述双极板中包括至少两个独立分隔的流场区。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行矩阵排列；
优选地，所述双极板基本结构单元包括依次排列的入口区、流体分配区、反应活性区、流体收集区和出口区。
3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行一维排列；
优选地，所述一维排列的方式为：双极板基本结构单元沿一个方向进行排列；
优选地，所述一维排列中，双极板基本结构单元的数目至少为2个，优选为2-5个；
优选地，所述一维排列中，相邻双极板基本结构单元的入口区或出口区重合。
4.根据权利要求2或3所述的双极板，其特征在于，所述双极板的结构包括双极板基本结构单元进行二维排列；
优选地，所述二维排列的方式为：双极板基本结构单元在平面内沿两个垂直的方向X和Y上排列；
优选地，所述X方向上双极板基本结构单元的数目至少为2个；
优选地，所述Y方向上双极板基本结构单元的数目至少为2个；
优选地，所述X方向与流体的流动方向一致；
优选地，所述X方向上相邻双极板基本结构单元的入口区或出口区重合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板基本结构单元中，阳极板包括1-2组流体的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括氢气的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括冷却液的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括1-2组流体的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括氧气的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区；
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括冷却液的入口区、流体分配区、流场区、流体收集区和出口区。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双极板，其特征在于，所述双极板基本结构单元中，所述阳极板包括2个流场；
优选地，所述双极板基本结构单元中，所述阴极板包括2个流场。
8.根据权利要求1-7所述的双极板，其特征在于，所述反应活性区包括流体的流道；
优选地，所述流道包括蛇形流道、直流道、蜿蜒流道或多孔流道中的任意一张或至少两种的组合。
9.根据权利要求1-8任一项所述的双极板，其特征在于，所述流体分配区与流体收集区的结构一致；
优选地，所述流体分配区位于流体流动的上游位置；
优选地，所述流体收集区位于流体流动的下游位置。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池中含有如权利要求1-9任一项所述的双极板。
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