CN116525869A - 一种风冷质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风冷质子交换膜燃料电池双极板，包括上下层叠设置的阳极板和阴极板。阴极板包括阴极流场、第二肋条及设置于所述阴极流场上的冷却流场；阳极板包括阳极流场、氢气进气口、氢气出气口和第一肋条。所述阳极流场设有多个氢气流道，阴极流场设有多个氧气流道；本发明的双极板冷却结构是在阴极流场的肋条上设置有开口通道(倾斜槽)，这些添加到阴极流场肋条上的微观结构是从提高氧气浓度和空气冷却面积的角度设计的。阴极流场肋条上的微观结构可以使阴极流场连接来自相邻通道的空气，以增加空气和气体扩散层之间的接触面积。本发明能够高效散热、降低电堆外辅件所需功耗，有效提升燃料电池电堆发电效率，保证燃料电池运行安全稳定。

Description

一种风冷质子交换膜燃料电池双极板

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构。

背景技术

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，能量通过氢和氧的电化学反应释放，并以电能的形式输出。它们可以在低温下工作，并且在能量转换过程中不受卡诺循环的限制。在整个生产过程中，只产生水，真正实现了零污染。PEMFC按冷却方式可分为风冷燃料电池和水冷燃料电池。风冷式PEMFC堆结构比液冷式PEMFC堆结构简单，其双极板仅由阳极和阴极两个流场组成。它的***配置以风机作为主要平衡装置组件，比水冷PEMFC***简单得多，后者需要空气压缩机、氢再循环泵、加湿器、热交换器和液体泵等组件。

对于风冷燃料电池，有两个问题仍然不清楚:在氧化剂和冷却剂流动结合的情况下，电池内部的温度、湿度和质量如何分布，以及阴极通道的几何形状如何影响电池性能。有必要了解这些耦合的物理量与阴极通道尺寸之间的相关机制。

传统的PEMFC双极板常采用平行直流道结构的冷却流场，如图8和图9所示，该结构简单且易加工，但其冷却分布效果不佳，其燃料电池双极板中间部分往往冷却效果要比两边好很多，造成整个燃料电池冷却效果不均匀现象。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种风冷质子交换膜燃料电池双极板，旨在解决传统的平行双极板存在冷却效果不均匀现象。该双极板冷却结构能够高效散热，同时可降低电堆外辅件所需功耗，有效提升燃料电池电堆发电效率，保证燃料电池运行安全稳定。

为实现上述目的，本发明提出了一种风冷质子交换膜燃料电池双极板。风冷质子交换膜燃料电池双极板包括上下层叠设置的阳极板和阴极板，所述阴极板包括阴极流场、第二肋条及设置于所述阴极流场上的冷却流场；所述阳极板包括阳极流场、氢气进气口、氢气出气口及第一肋条。所述阳极板设有多个氢气流道，阴极板设有多个氧气流道；

进一步地，所述氢气流道沿双极板的长度方向延伸，氧气流道沿双极板的宽度方向延伸；

进一步地，所述阳极板上的阳极流场沿其长度方向间隔设置有多个第一肋条，相邻的两个所述第一肋条之间限定出所述氢气流道；

进一步地，所述阴极板上的阴极流场沿其宽度方向间隔设置有多个第二肋条，相邻的两个所述第二肋条之间限定出所述氧气流道。

进一步地，所述冷却流场包括设置于所述阴极流场第二肋条上的所述冷却结构。

进一步地，所述的位于风冷质子交换膜燃料电池双极板阴极流场上的所述冷却结构，所述冷却结构为第二肋条上的倾斜槽。

进一步地，所述的倾斜槽，所述倾斜槽连续设置于多条所述第二肋条上。

进一步地，所述的倾斜槽，所述倾斜槽沿所述双极板的宽度方向同向设置于所述第二肋条上；或所述倾斜槽沿所述双极板的宽度方向交叉设置于所述第二肋条上。

进一步地，所述的倾斜槽，所述倾斜槽沿所述双极板的长度方向对位设置于所述第二肋条上。

进一步地，所述的倾斜槽，所述倾斜槽的宽度(W)为0.3mm～3mm，所述倾斜槽的长度(L)为1.5mm～3mm，所述倾斜槽的角度(θ)为30°～75°,所述倾斜槽的槽深(D)为0.3mm～1mm。所述相邻倾斜槽的间距(S)为3mm-10mm。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明提供的冷却流场结构既可用于金属基材的双极板，也可适用于石墨及复合材料的双极板，通过数控机加工(CNC)、模压亦或冲压浇铸方式均可实现制备加工。经仿真测算及实验测试表明采用该种流场设计，可有效降低电堆中产生的温度，加快双极板散热效率，有效解决了双极板散热不均匀的问题，

本发明的双极板冷却结构是在阴极流场的肋条上设置有开口通道(冷却结构)，这些添加到阴极流场肋条上的微观结构是从提高氧气浓度和空气冷却面积的角度设计的。阴极流场肋条上的微观结构可以使阴极流场连接来自相邻通道的空气，以增加空气和气体扩散层之间的接触面积。该结构使PEMFC在垂直于整个电池平面的方向产生速度，迫使更多的反应气体进入气体扩散层并最终到达催化层，将聚集在多孔层中的液态水带入分支流道中并经出口流道排出去，因此能够有效避免阴极流场水淹问题，有效提高多孔电极内氧气浓度，提升燃料电池输出性能，避免局部氧气缺乏。

本发明的风冷双极板的冷却结构的热对流可以提高堆叠膜的性能，降低膜的脱水率和温度分布的均匀性，因为其内部水平衡更好。

本发明的风冷双极板的解决了传统风冷双极板的散热不均等问题。因此可使风冷电堆的结构大为简化，同时也简化了电堆运行的***辅助设备如散热设备等，从而大幅降低了整套发电装置的重量。

本发明的风冷双极板的具有输出性能高、运行温度低、能量密度高等优点，可广泛应用于无人机、电子设备和备用电源等领域。

附图说明

图1为实施例一的整体结构示意图；

图2为实施例一另一角度的整体结构示意图；

图3为图1中阳极板结构示意图；

图4为图2中阴极板结构示意图；

图5为图1中A处的放大结构示意图；

图6为图2中B处的放大结构示意图；

图7为图6中C处的放大结构示意图；

图8为对比例的整体结构示意图；

图9为对比例另一角度的整体示意图；

图10为实施例二的整体结构示意图；

图11为实施例二另一角度的整体示意图；

图12为不同阴极风冷流场电堆的极化曲线；

图13为不同阴极风冷流场电堆的平均温度；

图14为不同阴极风冷流场电堆的最大温度差。

附图标号说明：

100风冷质子交换膜燃料电池双极板7倾斜槽(冷却结构)

111 阳极板 131 冷却流场

121 阴极板 141 阳极流场

1氢气进气口151阴极流场

2氢气出气口W沟槽宽度

3氢气流道L沟槽长度

4第一肋条S沟槽间距

5氧气流道D沟槽深度

6第二肋条θ沟槽角度；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例一

如图1至图4所示，本发明实施例一风冷质子交换膜燃料电池双极板100包括上下层叠设置的阳极板111和阴极板121。

阴极板121包括阴极流场151、第二肋条6及设置于阴极流场151上的冷却流场131；阳极板111包括阳极流场141、氢气进气口1、氢气出气口2及第一肋条4。

阳极板111设有多个氢气流道3，阴极板121设有多个氧气流道5；其中，氢气流道3沿双极板100的长度方向延伸，氧气流道5沿双极板100的宽度方向延伸。

其中，阳极板111上的阳极流场141沿其长度方向间隔设置有多个第一肋条4，相邻的两个第一肋条4之间限定出氢气流道3。

阴极板121上的阴极流场151沿其宽度方向间隔设置有多个第二肋条6，相邻的两个第二肋条6之间限定出氧气流道5。

冷却流场131包括设置于阴极流场第二肋条6上的冷却结构7。

位于风冷质子交换膜燃料电池双极板100阴极流场151上的冷却结构7；冷却结构7为第二肋条6上的倾斜槽7。

倾斜槽沿双极板的宽度方向同向设置于第二肋条上，且倾斜槽沿双极板的长度方向对位设置于第二肋条上。

倾斜槽7的宽度W为0.3、倾斜槽7的长度L为1.5mm、倾斜槽7的角度θ为30°、倾斜槽7的槽深D为0.7mm、相邻倾斜槽7的间距S为3mm。

阳极流场上的141氢气流道3的宽度为1.5mm，长度为300mm；第一肋条4的宽度为1.5mm，长度为300mm。整个阳极流场141区域形成49.5mm*300mm的矩形。

阴极流场上的151氧气流道5的宽度为1.5mm，长度为70mm；第二肋条6的宽度为1.5mm，长度为70mm。整个阴极流场151区域形成70mm*280.5mm的矩形。

所述双极板100为石墨双极板100，通过数控机加工方式制备而成。

如图8和图9，对比例为传统的PEMFC双极板常采用平行直流道结构的冷却流场，参数与本实施例流道相同。

实施例二

本实施例的整体结构和实施例一类似，不进行重复展开。其区别点在于，沟槽沿双极板的宽度方向交叉设置于第二肋条上，用于提升气体混合程度，如图10和图11所示。交叉设置的倾斜槽，使得开放式空气流场中，空气可以经过倾斜槽在阴极板的氧气通道两侧交换，扰乱开放式空气流场的气流，从而提高了气体混合程度，促进阴极侧气体扩散层中的气体扩散，提升电极在实际电堆运行过程中的有效面积，显著提高了燃料电池整体的性能和比功率密度。

将本实施例一、实施例二和对比例在相同操作条件下进行了性能比较。环境温度约为24℃±2℃，相对湿度约为45％±5％。性能比较结果如图12所示，在阴极流场的肋条上设置有开口通道的风冷电堆比传统风冷电堆具有更好的性能。实施例一的最大输出功率比实施例提升了9.7％。实施例二的最大输出功率比实施例提升了17.2％。

图13和14显示了不同阴极风冷流场电堆的平均温度和不同电流下各电池之间的最大温度差。从图中可以看出，随着电流的增加，电堆的平均温度逐渐增加，电池之间的温差也增加。然而，实施例一的最高温度为45℃，最大温差约为5.6℃。实施例二的最高温度为47℃，最大温差约为8℃。对比例的最高温度为51℃，最大温差约为11℃。显然，在阴极流场的肋条上设置开口通道可以大大降低PEMFC堆中的最大温差，使电堆具有更加均匀的温度分布。

通过研究发现，本发明的风冷双极板的冷却结构的热对流效应可以提高电堆的输出性能，提升电堆温度分布的均匀性，因为其内部水平衡更好。因此，本发明的风冷双极板的解决了传统风冷双极板的散热不均等问题。可使风冷电堆的结构大为简化，同时也简化了电堆运行的***辅助设备如散热设备等，从而大幅降低了整套发电装置的重量。可广泛应用于无人机、电子设备和备用电源等领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种风冷质子交换膜燃料电池双极板，其特征在于，包括上下层叠设置的阳极板(111)和阴极板(121)，所述阴极板(121)包括阴极流场(151)、第二肋条(4)及设置于所述阴极流场(151)上的冷却流场(131)；所述阳极板(111)包括阳极流场(141)、第一肋条、氢气进气口(1)、氢气出气口(2)；所述阳极板(111)设有多个氢气流道(3)，阴极板(121)设有多个氧气流道(5)；其中，所述氢气流道(3)沿双极板(100)的长度方向延伸，氧气流道(5)沿双极板(100)的宽度方向延伸；其中，所述阳极板(111)上的阳极流场(141)沿其长度方向间隔设置有多个第一肋条(4)，相邻的两个所述第一肋条(4)之间限定出所述氢气流道(3)；所述阴极板(121)上的阴极流场(151)沿其宽度方向间隔设置有多个第二肋条(6)，相邻的两个所述第二肋条(6)之间限定出所述氧气流道(5)；所述冷却流场(131)包括设置于所述阴极流场第二肋条(6)上的所述冷却结构(7)。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述冷却结构是在阴极流场的肋条上设置的倾斜槽(7)。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述倾斜槽连续设置于所述多条第二肋条上。

4.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述倾斜槽沿所述双极板的宽度方向同向设置于所述第二肋条上；或所述倾斜槽沿所述双极板的宽度方向交叉设置于所述第二肋条上。

5.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述倾斜槽沿所述双极板的长度方向对位设置于所述第二肋条上。

6.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述倾斜槽(7)的宽度(W)为0.3mm～3mm，所述倾斜槽(7)的长度(L)为1.5mm～3mm，所述倾斜槽(7)的角度为30°～75°,所述倾斜槽(7)的槽深(D)为0.3mm～1mm；所述相邻倾斜槽(7)的间距(S)为3mm-10mm。