CN211907585U - 一种燃料电池金属双极板及燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种燃料电池金属双极板及燃料电池，所述燃料电池金属双极板包括阴极板（25）、阳极板（24）以及阴极板（25）和阳极板（24）之间形成的冷却液流场(28)，所述的阴极板（25）中间设置有多条平行的波浪状流道（23），所述的阳极板（24）中间设置有多条平行的直流道（22）。本实用新型的燃料电池金属双极板能让反应气体在流场中流动均匀，使得反应充分，进而提高燃料电池的输出性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池金属双极板及包含该双极板的燃料电池。
背景技术
双极板作为燃料电池的核心组件，不仅具有集流、支撑膜电极等功能，更起到均匀分配反应气体的作用。金属双极板一般是由两片金属单板通过焊接工艺加工而成，而金属单板是由不锈钢金属薄板冲压形成,其上有气体流道组合形成的流动区域，同时两片极板之间形成冷却液流动空间。
两片极板是由阳极板和阴极板构成，阳极板设置有燃料流动的区域，燃料经过该流道扩散到阳极催化层；阴极板设置有氧化剂流动的区域，氧化剂经过该流道扩散到阴极催化层。
传统的燃料电池的阴极板和阳极板的流场结构相同，都由多条平行的直流道构成，其存在以下问题：
在氢氧燃料电池中，阴极板中流动的是氧气，阳极板上流动的是氢气，由于氢气的扩散速度比氧气的大的多（约为氧气的4倍），而且氢气的需求量比氧气的需求量少，氢气通过阳极板上的流道扩散到阳极催化层的速率要比氧气通过阴极板上的流道扩散到阴极催化层的速率快，且由于阴极板与阳极板的流场结构相同，使得氧气的供应速度无法匹配氢气的供应速度，进而使得部分已经进入的氢气未能参与反应，导致气体分配不均匀，反应不充分，进而降低燃料电池的输出性能。
实用新型内容
为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池金属双极板，该燃料电池金属双极板能让反应气体在流场中流动均匀，使得反应充分，进而提高燃料电池的输出性能。
本实用新型还提供了一种包含上述燃料电池金属双极板的燃料电池，该燃料电池的输出性能稳定。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池金属双极板，包括阴极板、阳极板以及阴极板和阳极板之间形成的冷却液流场，其特征在于，所述的阴极板中间设置有多条平行的波浪状流道，所述的阳极板中间设置有多条平行的直流道。
上述燃料电池金属双极板的工作原理是：
燃料电池在工作时，阳极板上的氢气经过阳极板上的流道扩散到
阳极催化层分解成氢离子并释放出电子，另一端的阴极板上的氧气经过阴极板上的流道扩散到阴极催化层，与此同时，氢离子与来到阴极催化层的氧气结合生成水。在整个过程中，燃料和氧化剂都是由外部供给进行反应，只要保证反应物不断输入，生成物不断排出，燃料电池就能持续发电。
由于氢气的扩散速度比氧气的大的多，基于这样的原理，本实用新型采用在阳极板上设置直流道和在阴极板上设置波浪状流道，其中，通入的氢气在直流道上流动，通入的氧气在波浪状流道上流动，由于阴极板设置有波浪状的流道，能让氧气在流动过程中形成紊流，是一种多向混乱的流动状态，更有利于提高氧气扩散到阴极催化层的速率，与氢离子反应，使得反应充分，提高燃料电池的输出性能。
优选地，所述的阴极板和阳极板为长方形结构，其中，所述的阴极板上的波浪状流道沿着阴极板的宽度方向设置，所述阳极板上的直流道沿着阳极板的长度方向设置。其目的在于，阴极板的流场结构在工作时产生水，通过让波浪状流道沿着阴极板的宽度方向设置，使得波浪状流道的长度较短，从而有利于水的及时排出，提高燃料电池的输出性能。
优选地，所述的阴极板和阳极板背对着连接在一起，所述的阴极板朝外的一侧的中间区域形成波浪状流道，所述的阳极板朝外的一侧的中间区域形成直流道。这样，由多个本实用新型的双极板串联在一起，双极板之间设置膜电极，相邻两个双极板之间的阴极板、阳极板以及膜电极构成燃料电池的基本发电组件，从而构成由多个发电组件组成的燃料电池。
优选地，所述的阴极板上的波浪状流道由阴极板背侧沿宽度方向向前侧冲压形成，阴极板背侧的凹陷区域形成波浪形冷却流道；所述的阳极板上的直流道由阳极板背侧沿长度方向向前侧冲压形成，阳极板背侧的凹陷区域形成直条形冷却流道；所述的波浪形冷却流道和直条形冷却流道组合在一起构成所述的冷却液流场。采用上述结构，通过冲压的方式，在形成波浪状流道和直流道的同时，也形成了冷却液流场，使得加工更加简单，节约成本。
优选地，在所述的阴极板和阳极板的长度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置空气进口，另一个边沿设置空气出口；在所述的阴极板和阳极板的宽度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置氢气进口和冷却液进口，另一个边沿设置氢气出口和冷却液出口。采用上述结构的好处在于，由于空气的进气量较大，通过在长度方向上设置空气进口和空气出口，以便有足够的设置空间，并有利于空气的均匀输送，适应空气的输送量；由于氢气的进气量较小，在宽度方向上设置氢气进口和氢气出口，即可满足氢气的输送；与此同时，将冷却液进口和冷却液出口也设置在宽度方向上，使得一方面，冷却液在冷却液流场中的总体流动方向为沿着长度方向，该长度方向与直流道的方向一致，有利于降低冷却液的流动阻力，从而有利于与反应热进行热交换，使得膜电极表面各极温度分布均匀；另一方面，由于冷却液流场是由波浪形冷却流道和直条形冷却流道组合而成的网格状空间，也能提升冷却效果。
优选地，所述的空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口以及冷却液出口穿透连接在一起的阴极板与阳极板。这样，多个双极板组合在一起的工质进口都是共用的，便于工质的输送。
优选地，氢气进口设置在中间，冷却液进口设置在氢气进口的两侧；氢气出口设置在中间，冷却液出口设置在氢气出口的两侧。
优选地，所述的冷却液进口和冷却液出口处设置有加强筋，用来支撑双极板，同时使冷却液的分配更加均匀。
优选地，所述的氢气进口和氢气出口与所述的直流道之间设置有气体导流区，所述的气体导流区设置有导流结构，使得气体分配均匀，进而使得反应更加充分。
优选地，所述的导流结构由多个沿着垂直于氢气的流动方向均匀设置的凸起构成。
优选地，所述的阴极板和阳极板的四个顶角处均设置有大小一致的定位孔。
一种燃料电池，包含所述的燃料电池金属双极板。
与现有技术相比，本实用新型具有以下的有益效果：
1、本实用新型在阳极板上设置直流道和在阴极板上设置波浪状流道，从而针对氧气和氢气的特性对流道作适应性的设计，使得氧气和氢气的扩散速度能与氧气和氢气之间的反应达到平衡，让化学反应更加充分，提高燃料电池的发电效率和输出性能。
2、本实用新型让燃料电池的化学反应更加充分，从而能够防止因反应不充分而出现的局部过热现象，提高燃料电池的输出性能。
附图说明
图1和图2为本实用新型的实施例1的燃料电池金属双极板的结构示意图，其中，图1为阴极板一侧的正面视图，图2为阳极板一侧的正面视图；
图3和图4为本实用新型的实施例1的燃料电池金属双极板的分解图；
图5为图1的局部放大图；
图6为图2的局部放大图；
图7为图3中阴极板的局部放大图；
图8为图3中阳极板的局部放大图；
图9为图4中阴极板的局部放大图；
图10为图4中阳极板的局部放大图；
图中：1、冷却液进口；2、定位孔；3、空气进口；4、空气进口；5、空气进口；6、空气进口；7、定位孔；8、冷却液出口；9、氢气进口；10、冷却液出口；11、定位孔；12、空气出口；13、空气出口；14、空气出口；15、空气出口；16、加强筋；17、定位孔；18、冷却液进口；19、导流区；20、导流结构；21、氢气出口；22、直流道；23、波浪状流道；24、阳极板；25、阴极板；26、直条形冷却流道；27、波浪形冷却流道；28、冷却液流场。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型进行进一步的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
参见图1-4所示，本实用新型的燃料电池金属双极板包括阴极板25、阳极板24以及阴极板25和阳极板24之间形成的冷却液流场28。其中，阴极板25中间设置有多条平行的波浪状流道23，所述的阳极板24中间设置有多条平行的直流道22。
参见图1和图2所示，所述阴极板25和阳极板24均为长方形结构，其中，所述阴极板25上的波浪状流道23沿着阴极板25的宽度方向设置，所述阳极板24上的直流道22沿着阳极板24的长度方向设置。其目的在于，阴极板25的流场结构在工作时产生水，通过让波浪状流道23沿着阴极板25的宽度方向设置，使得波浪状流道23的长度较短，从而有利于水的及时排出，提升燃料电池的性能。
参见图3和图4所示，所述的阴极板25和阳极板24背对着连接在一起，例如通过焊接的方式固定连接，所述的阴极板25朝外的一侧的中间区域形成波浪状流道23，所述的阳极板24朝外的一侧的中间区域形成直流道22。这样，由多个本实用新型的双极板串联在一起，双极板之间设置膜电极，相邻两个双极板之间的阴极板25、阳极板24以及中间的膜电极构成燃料电池的基本发电组件，从而构成由多个发电组件组成的燃料电池。
参见图3-4和图7-10所示，所述的阴极板25上的波浪状流道23由阴极板25背侧沿宽度方向向前侧冲压形成，阴极板25背侧的凹陷区域形成波浪形冷却流道27；所述的阳极板24上的直流道22由阳极板24背侧沿长度方向向前侧冲压形成，阳极板24背侧的凹陷区域形成直条形冷却流道26；所述波浪形冷却流道27和直条形冷却流道26组合在一起构成所述的冷却液流场28。采用上述结构，通过冲压的方式，在形成波浪状流道23和直流道22的同时，也形成了冷却液流场28，使得加工更加简单，节约成本。
参见图1和图2所示，在所述的阴极板25和阳极板24的长度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置多个空气进口3、4、5、6，另一个边沿设置多个空气出口12、13、14、15；在所述的阴极板25和阳极板24的宽度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置氢气进口9和冷却液进口1、18，其中，氢气进口9设置在中间，冷却液进口1、18设置在氢气进口9的两侧；氢气出口21设置在中间，冷却液出口8、10设置在氢气出口21的两侧。由于空气的进气量较大，通过在长度方向上分别设置多个空气进口3、4、5、6和多个空气出口12、13、14、15，以便有足够的设置空间，并有利于空气的均匀输送，适应空气的输送量；由于氢气的进气量较小，在宽度方向上分别设置氢气进口9和氢气出口21，即可满足氢气的输送；与此同时，将冷却液进口1、18和冷却液出口8、10也分别设置在宽度方向上，使得一方面，冷却液在冷却液流场28中的总体流动方向为沿着长度方向，该长度方向与直流道22的方向一致，从而有利于降低冷却液的流动阻力，另一方面，由于冷却液流场28是由波浪形冷却流道27和直条形冷却流道26组合而成的网格状空间，也能提升冷却效果。
参见图1-10所示，所述的空气进口3、4、5、6，空气出口12、13、14、15，氢气进口9，氢气出口21，冷却液进口1、18以及冷却液出口8、10沿厚度方向穿透连接在一起的阴极板25与阳极板24，并在厚度方向上的对应位置与对应的通道连通，例如，空气进口3、4、5、6和空气出口12、13、14、15在与阴极板25的波浪状流道23对应的厚度位置与波浪状流道23连通，氢气进口9 和氢气出口21在与阳极板24的直流道22对应的厚度位置与直流道22连通，冷却液进口1、18和冷却液出口8、10在阴极板25和阳极板24之间连接的位置与冷却液流场28连通。这样，多个双极板组合在一起的工质进口都是共用的，便于工质的输送。
参见图1-2所示，所述的冷却液进口1、18和冷却液出口8、10均设置有加强筋16，用来支撑双极板，同时使冷却液的分配更加均匀，所述的加强筋16可以通过冲压的方式在阴极板25或/和阳极板24上形成。
参见图2、图6、图8以及图9所示，所述的氢气进口9和氢气出口21与所述的直流道22之间设置有气体导流区19，所述的气体导流区19设置有导流结构20，使得气体分配均匀，进而使得反应充分。所述的导流结构20由多个沿着垂直于氢气的流动方向均匀设置的凸起构成，氢气流经所述凸起时，均匀分散，再进入到直流道22中。
参见图1-2所示，所述的阴极板25和阳极板24的四个顶角处分别设置有大小一致的定位孔2、7、11、17。这样能让阴极板25和阳极板24更加牢固，定位更加准确。
实施例2
本实施例与实施例1相比的不同之处在于，本实施例将实施例1中空气进口3、4、5、6和空气出口12、13、14、15的位置相互调换，氢气进口9和氢气出口21的位置相互调换，冷却液进口1、18和冷却液出口8、10的位置相互调换。
本实施例上述以外的其他实施方式参照实施例1进行。
实施例3
本实施例与实施例1相比的不同之处在于，本实施例中，所述的波浪状流道和直流道都沿着阴极板和阳极板的长度方向设置。
本实施例上述以外的其他实施方式参照实施例1进行。
实施例4
本实施例提供一种燃料电池，该燃料电池包含本实用新型的燃料电池金属双极板。
上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种燃料电池金属双极板，包括阴极板（25）、阳极板（24）以及阴极板（25）和阳极板（24）之间形成的冷却液流场(28)，其特征在于，所述的阴极板（25）中间设置有多条平行的波浪状流道（23），所述的阳极板（24）中间设置有多条平行的直流道（22）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的阴极板（25）和阳极板（24）为长方形结构，其中，所述阴极板（25）上的波浪状流道（23）沿着阴极板（25）的宽度方向设置，所述阳极板（24）上的直流道（22）沿着阳极板（24）的长度方向设置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的阴极板（25）和阳极板（24）背对着连接在一起，所述的阴极板（25）朝外的一侧的中间区域形成波浪状流道（23），所述的阳极板（24）朝外的一侧的中间区域形成直流道（22）。
4.根据权利要求2所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的阴极板（25）上的波浪状流道（23）由阴极板（25）背侧沿宽度方向向前侧冲压形成，阴极板（25）背侧的凹陷区域形成波浪形冷却流道（27）；所述的阳极板（24）上的直流道（22）由阳极板（24）背侧沿长度方向向前侧冲压形成，阳极板（24）背侧的凹陷区域形成直条形冷却流道（26）；所述波浪形冷却流道(27)和直条形冷却流道(26)组合在一起构成所述的冷却液流场(28)。
5.根据权利要求2所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的阴极板（25）和阳极板（24）的长度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置空气进口（3、4、5、6），另一个边沿设置空气出口（12、13、14、15）；在所述的阴极板（25）和阳极板（24）的宽度方向的两个边沿中，其中一个边沿设置氢气进口（9）和冷却液进口（1、18），另一个边沿设置氢气出口（21）和冷却液出口（8、10）。
6.根据权利要求5所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的空气进口（3、4、5、6），空气出口（12、13、14、15），氢气进口（9），氢气出口（21），冷却液进口（1、18）以及冷却液出口（8、10）穿透连接在一起的阴极板（25）与阳极板（24）。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的氢气进口（9）设置在中间，所述的冷却液进口（1、18）设置在氢气进口（9）的两侧；所述的氢气出口（21）设置在中间，所述的冷却液出口（8、10）设置在氢气出口（21）的两侧。
8.根据权利要求5或6所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的冷却液进口（1、18）和冷却液出口（8、10）处设置有加强筋（16）。
9.根据权利要求5所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的氢气进口（9）和氢气出口（21）与直流道（22）之间设置有气体导流区（19），所述的气体导流区（19）设置有导流结构（20）。
10.根据权利要求9所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的导流结构（20）由多个沿着垂直于氢气的流动方向均匀设置的凸起构成。
11.根据权利要求1-2、4-6、9-10任一项所述的燃料电池金属双极板，其特征在于，所述的阴极板(25)和阳极板(24)的四个顶角处均设置有大小一致的定位孔(2、7、11、17)。
12.一种燃料电池，其特征在于，包含权利要求1-11任一项所述的燃料电池金属双极板。
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