CN220821630U - 一种双极板和电堆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的双极板将多个气口均匀地布置在双极板面的四个侧边上，同时将双极板板面分成两个反应区，每个反应区中均包含至少一组相匹配的反应气体进气口和反应气体出气口以及至少一组氧化气体进气口和氧化气体出气口，优化了气口的布置方式，不需要进行复杂的气体流道设计，消除了分配区，极大地提高了反应区的面积，大幅提高燃料电池的体积功率密度，还可以通过改变各个反应区内的反应气体和反应气体的进、出气口的搭配方案，灵活控制各反应区内氢气和空气的流动方式，实现更好的水热管理设计。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，特别涉及一种双极板和电堆。
背景技术
燃料电池中极板的设计决定了燃料电池反应气(氢气和空气)的供给情况，从而影响氢氧电化学反应，最终影响燃料电池的电性能。
为了提高燃料电池的体积功率密度，通常采用双极板的形式来降低整体的厚度。双极板一般包括歧管口、过桥区、分配区和反应区，其中，歧管口的布置决定了反应气或冷却液流动的起点和终点，所以其布置方式会很大程度上影响分配区和反应区的设计，比如分配区和反应区的面积以及整个双极板的最外轮廓尺寸等。
通常在双极板上要分别布置氢气、空气、冷却液的进出口，如图1所示现有技术中大多数的歧管口布置采用“三进三出”，即包括一个氢气进气口、一个空气进气口、一个冷却液进液口以及相对应的三个出口，一般歧管口的宽度小于反应区的宽度，必须要在歧管口与反应区之间设计分配区，才能保证反应区内各流道之间的进气流量均匀性。但分配区往往不参与电化学反应，如果分配区面积过大，将导致反应区面积占比减小，不利于提高燃料电池的体积功率密度。
实用新型内容
针对现有技术中由于双极板上布设分配区导致反应区面积占比无法提高，不利于燃料电池的体积功率密度提升的问题，本实用新型提供一种燃料电池歧管口布置方式，可以消除分配区，大幅提高反应区的面积占比，同时还可以灵活控制氢气和空气的流动方式，实现更好的水热管理设计。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种双极板，包括：双极板板体和多个气口，所述双极板板体包括两个相背设置的双极板板面，多个所述气口设置在所述双极板的长侧边和/或短侧边上，多个所述气口包括多组相匹配的进气口和出气口；以两个所述短侧边的中心的连线为第一中轴线，所述第一中轴线将所述双极板板面分为第一反应区和第二反应区，在所述第一反应区和所述第二反应区内均设有至少两组相匹配的进气口和出气口，其中一组所述的相匹配的进气口和出气口用于输入和输出反应气体，另一组所述的相匹配的进气口和出气口用于输入和输出氧化气体。
一些技术方案中，以两个所述长侧边的中点的连线为第二中轴线，所述第一反应区内和所述第二反应区内的任一组相匹配的所述进气口和所述出气口分别设置在所述第二中轴线的两侧。
一些技术方案中，所述第一反应区内设有4个所述气口，其中2个所述气口设置在所述第二中轴线两侧的长侧边上，另外2个所述气口分别设置在两个所述短侧边上；所述第二反应区内设有4个所述气口，其中2个所述气口设置在所述第二中轴线两侧的长侧边上，另外2个所述气口分别设置在两个所述短侧边上。
一些技术方案中，所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；所述X2反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口；所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；所述X4反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口。
一些技术方案中，所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；所述X2反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口；所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；所述X4反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口。
一些技术方案中，所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；所述X2反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口；所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口；所述X4反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口。
一些技术方案中，所述双极板板面上还设有冷却液进液口和冷却液出液口，所述冷却液进液口和所述冷却液出液口分别设置在两个所述长侧边上；所述冷却液进液口的截面积和所述冷却液出液口的截面积相同。
一些技术方案中，所述冷却液进液口和所述冷却液出液口分别设置在两个所述长侧边的中点处。
一些技术方案中，所述进气口的截面积与所述出气口的截面积相同。
本实用新型还提供了一种电堆，包括堆芯、膜电极和上述双极板，所述双极板和所述膜电极依次堆叠形成所述堆芯。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1、现有技术中歧管口往往布置在双极板的两侧，即氢气、空气和冷却液的进/出口分别布置在双极板两侧，在保证流道间进气流量均匀性的情况下，可通过优化分配区的设计，尽可能减小分配区的面积，但无法彻底消除分配区，而本实用新型提供的双极板将多个进气口和多个出气口均匀地布置在双极板的四个侧边上，同时将双极板板面分成两个反应区，每个反应区中均包含至少一组相匹配的反应气体进气口和反应气体出气口以及至少一组氧化气体进气口和氧化气体出气口，优化了气口的布置方式，不需要进行复杂的气体流道设计，消除了分配区，极大地提高了反应区的面积，大幅提高燃料电池的体积功率密度；
2、本实用新型提供的双极板可通过改变各个反应区内的反应气体和氧化气体的进、出气口的搭配方案，灵活控制各反应区内氢气和空气的流动方式，实现更好的水热管理设计。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为现有技术中双极板的结构示意图；
图2为本实用新型提供的双极板板面的结构示意图；
图3为本实用新型提供的一个实施例的双极板板面上气口布置方式的示意图；
图4为本实用新型提供的另一个实施例的双极板板面上气口布置方式的示意图；
图5为本实用新型提供的另一个实施例的双极板板面上气口布置方式的示意图。
附图中标记符号的含义如下：
1—分配区；2—反应区；3—反应气体进气口；4—反应气体出气口；5—氧化气体进气口；6—氧化气体出气口；7—冷却液进液口；8—冷却液出液口；9—气口；10—第一反应区；11—第二反应区；12—第一中轴线；13—第二中轴线；14—X1反应半区；15—X2反应半区；16—X3反应半区；17—X4反应半区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例的描述进一步详细解释本实用新型，但以下包括实施例的描述仅用于使本实用新型所属技术领域的普通技术人员能够更加清楚地理解本实用新型的原理和精髓，不意味着对本实用新型进行任何形式的限制。
实施例1
如图1所示，现有的双极板一般包括歧管口、过桥区、分配区1和反应区2，其中，歧管口一般包括“三进三出”，即包括一个氢气进气口3、一个空气进气口5、一个冷却液进液口7以及相对应的三个出口，由于歧管口的布置决定了反应气或冷却液流动的起点和终点，所以其布置方式会很大程度上影响分配区1和反应区2的设计，比如分配区1和反应区2的面积以及整个双极板的最外轮廓尺寸等。传统方案的歧管口往往布置在双极板两侧，即氢气、空气和冷却液的进、出口分别分布在双极板两侧，然后通过优化分配区1的设计，比如点阵设计、差分流道设计等，在保证流道间进气流量均匀性的同时，尽可能减小分配区1的面积，不能完全消除分配区1。
如果将“三进三出”的歧管口布置在双极板的四周，一定程度上也可以消除分配区，但是随之而来会增加反应区气体流道的设计难度，比如压降过大或设计约束过多等。
针对上述问题，本实用新型提供了一种双极板，包括双极板板体和多个气口9，该双极板板体包括两个相背设置的双极板板面，多个气口9设置在双极板的长侧边和/或短侧边上，多个气口9包括多组相匹配的进气口和出气口。
以两个短侧边的中心的连线为第一中轴线12，第一中轴线12将双极板板面分为第一反应区10和第二反应区11，在第一反应区10和第二反应区11内分别设有至少两组相匹配的进气口和出气口，其中一组相匹配的进气口和出气口用于输入和输出反应气体，另外一组的相匹配的进气口和出气口用于输入和输出氧化气体。
优选的，第一反应区10内设有1个反应气体进气口、1个反应气体出气口、1个氧化气体进气口和1个氧化气体出气口；第二反应区11内也设有1个反应气体进气口、1个反应气体出气口、1个氧化气体进气口和1个氧化气体出气口。
上述的反应气体是氢气，氧化气体是氧气。
在一些实施方式中，上述进气口的截面积与出气口的截面积相同，以保证进气和出气的压力、流量相同。
进一步的，上述进气口和出气口的截面形状均为矩形，矩形截面中靠近双极板侧边处的一条侧边的边长小于短侧边边长的一半。
进一步的，上述进气口和出气口的截面形状均为圆形，圆形截面的直径小于短侧边边长的一半。
在一些实施方式中，双极板板面上还设有冷却液进液口7和冷却液出液口8，冷却液进液口7和冷却液出液口8分别设置在两个长侧边上。
优选的，冷却液进液口7和冷却液出液口8分别设置在两个长侧边的中点处。
更优选的，冷却液进液口7和冷却液出液口8的截面积相同。
需要说明的是，冷却液进液口7和冷却液出液口8的截面形状可以是矩形也可以是圆形，截面积的大小由冷却设计需求确定。
基于现有技术中双极板歧管口布置方式存在的问题，本实用新型在双极板的四个侧边上均匀设置了多个气口9，即多组用于输入和输出气体的进气口和出气口，消除了分配区1，其次，考虑到反应区2内气体流道的设计难度大的问题，本实用新型引入了分区的概念，将双极板板面分成面积均等的两个反应区，在每个反应区内均包括一组相匹配的反应气体进气口3和反应气体出气口4，以及一组相匹配的氧化气体进气口5和氧化气体出气口6，进一步优化了歧管口的布置方式，极大地提高了反应区的面积，大幅提高燃料电池的体积功率密度。
燃料电池的工作原理是利用氢气和氧气在电化学反应中产生电能，燃料电池的核心是电解质膜，它将氢气和氧气分开，同时允许质子通过。当氢气进入阳极时，它被分解成质子和电子。质子穿过电解质膜，而电子则通过外部电路流动，产生电流。在阴极处，氧气与质子和电子结合，形成水和热能水，水与热是紧密关联互相耦合的，因此，有效的水热管理对于提高电池的性能和寿命起着关键作用。
燃料电池运行过程中产生液态水和气态水，若电池内部有过多的液态水，会导致电极水淹，阻碍电化学反应的正常进行，而过多的气态水，会稀释反应气体的浓度，造成反应界面的反应气体不足；但若电解质膜的含水量过低，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压损失增大，膜失水后催化层界面的活性也会下降。
若温度过高会导致电解质膜脱水，膜的稳定性下降，质子传导性能下降；若温度过低，氢气和空气向催化剂层扩散，质子从阳极向阴极的运动都将减慢，电池内阻增加，电池性能下降。
基于上述水热管理的问题，本实用新型以两个长侧边的中点的连线为第二中轴线13，第一反应区10内和第二反应区11内的任一组相匹配的进气口和出气口分别设置在第二中轴线13的两侧，可以通过改变第一反应区10和第二反应区11内氢气和空气的进/出气口搭配方案，来灵活控制氢-空流动方式，更好地实现水热管理。比如在水管理方面，设定氢气和空气进行逆流，可以改善入口干、出口湿的特性，即利用空气出气口的湿改善氢气进气口的干，利用氢气出气口的湿改善空气进气口的干。同样的，不同的氢-空流动方式搭配还可以将电化学反应过程中产生的热迅速带离电堆或是稳定电堆运行温度，使燃料电池运行环境更稳定。
在一些实施方式中，如图2所示，双极板上设有8个气口9，在第一反应区10内设有4个气口9，其中2个气口9设置在第二中轴线13两侧的长侧边上，另外2个气口9分别设置在两个短侧边上，4个气口9包括1个反应气体进口、1个反应气体出口、1个氧化气体进口和1个氧化气体出口；在第二反应区11内也设有4个气口9，其中2个气口9设置在第二中轴线13两侧的长侧边上，另外2个气口9分别设置在两个短侧边上，4个气口9包括1个反应气体进口、1个反应气体出口、1个氧化气体进口和1个氧化气体出口。
下面提供几个实施例来说明实现不同氢-空流动方式的进/出气口搭配方案。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种双极板板面上氢－空逆流的气口布置方式，如图3所示，第一反应区10被第二中轴线13分为X1反应半区14和X2反应半区15，其中，X1反应半区14的长侧边上设有一反应气体进气口3，X1反应半区14的短侧边上设有一氧化气体出气口6；X2反应半区15的长侧边上设有一氧化气体进气口5，X2反应半区15的短侧边上设有一反应气体出气口4。
第二反应区11被第二中轴线13分为X3反应半区16和X4反应半区17，X3反应半区16的长侧边上设有一反应气体进气口3，X3反应半区16的短侧边上设有一氧化气体出气口6；X4反应半区17的长侧边上设有一氧化气体进气口5，X4反应半区17的短侧边上设有一反应气体出气口4。
将冷却液进液口7和冷却液出液口8分别设置在第一反应区10内的长侧边的中点处和第二反应区11内的长侧边的中点处。
结合图3所示，本实施例中双极板板面上第一反应区10和第二反应区11内的氢气和空气的流向是相反的。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例提供了另一种双极板板面上氢－空逆流的气口布置方式，如图4所示，第一反应区10被第二中轴线13分为X1反应半区14和X2反应半区15，其中，X1反应半区14的长侧边上设有一反应气体进气口3，X1反应半区14的短侧边上设有一氧化气体出气口6；X2反应半区15的长侧边上设有一反应气体出气口4，X2反应半区15的短侧边上设有一氧化气体进气口5。
第二反应区11被第二中轴线13分为X3反应半区16和X4反应半区17，X3反应半区16的长侧边上设有一反应气体进气口3，X3反应半区16的短侧边上设有一氧化气体出气口6；X4反应半区17的长侧边上设有一反应气体出气口4，X4反应半区17的短侧边上设有一氧化气体进气口5。
将冷却液进液口7和冷却液出液口8分别设置在第一反应区10内的长侧边的中点处和第二反应区11内的长侧边的中点处。
结合图4中可以看出，本实施例中双极板板面上第一反应区10和第二反应区11内的氢气和空气的流向是相反的。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种双极板的气口布置方式，可使两个反应区内分别进行氢-空顺流和氢-空逆流。
如图5所示，第一反应区10被第二中轴线13分为X1反应半区14和X2反应半区15，其中，X1反应半区14的长侧边上设有一反应气体进气口3，X1反应半区14的短侧边上设有一氧化气体出气口6；X2反应半区15的长侧边上设有一氧化气体进气口5，X2反应半区15的短侧边上设有一反应气体出气口4。
第二反应区11被第二中轴线13分为X3反应半区16和X4反应半区17，其中，X3反应半区16的长侧边上设有一反应气体进气口3，X3反应半区16的短侧边上设有一氧化气体进气口5；X4反应半区17的长侧边上设有一反应气体出气口4，X4反应半区17的短侧边上设有一氧化气体出气口6。
将冷却液进液口7和冷却液出液口8分别设置在第一反应区10内的长侧边的中点处和第二反应区11内的长侧边的中点处。
结合图5中可以看出，在第一反应区10内，氢气和空气是逆流的，而在第二反应11区内，氢气和空气是顺流的。
需要注意的是本实用新型提供的双极板的气口布置方式并不局限于这些实施例。
实施例5
本实用新型还提供了一种电堆，包括堆芯、膜电极和上述双极板，所述双极板和所述膜电极依次堆叠形成所述堆芯。
上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种双极板，其特征在于，包括：
双极板板体和多个气口，所述双极板板体包括两个相背设置的双极板板面，多个所述气口设置在所述双极板的长侧边和/或短侧边上，多个所述气口包括多组相匹配的进气口和出气口；
以两个所述短侧边的中心的连线为第一中轴线，所述第一中轴线将所述双极板板面分为第一反应区和第二反应区，在所述第一反应区和所述第二反应区内均设有至少两组相匹配的进气口和出气口，其中一组所述的相匹配的进气口和出气口用于输入和输出反应气体，另一组所述的相匹配的进气口和出气口用于输入和输出氧化气体。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，
以两个所述长侧边的中点的连线为第二中轴线，所述第一反应区内和所述第二反应区内的任一组相匹配的所述进气口和所述出气口分别设置在所述第二中轴线的两侧。
3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，
所述第一反应区内设有4个所述气口，其中2个所述气口设置在所述第二中轴线两侧的长侧边上，另外2个所述气口分别设置在两个所述短侧边上；
所述第二反应区内设有4个所述气口，其中2个所述气口设置在所述第二中轴线两侧的长侧边上，另外2个所述气口分别设置在两个所述短侧边上。
4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，
所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；
所述X2反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口；
所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；
所述X4反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口。
5.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，
所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；
所述X2反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口；
所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；
所述X4反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口。
6.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，
所述第一反应区被所述第二中轴线分为X1反应半区和X2反应半区，所述X1反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X1反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口；
所述X2反应半区的长侧边上设有一氧化气体进气口，所述X2反应半区的短侧边上设有一反应气体出气口；
所述第二反应区被所述第二中轴线分为X3反应半区和X4反应半区，所述X3反应半区的长侧边上设有一反应气体进气口，所述X3反应半区的短侧边上设有一氧化气体进气口；
所述X4反应半区的长侧边上设有一反应气体出气口，所述X4反应半区的短侧边上设有一氧化气体出气口。
7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，
所述双极板板面上还设有冷却液进液口和冷却液出液口，所述冷却液进液口和所述冷却液出液口分别设置在两个所述长侧边上；
所述冷却液进液口的截面积和所述冷却液出液口的截面积相同。
8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，
所述冷却液进液口和所述冷却液出液口分别设置在两个所述长侧边的中点处。
9.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，
所述进气口的截面积与所述出气口的截面积相同。
10.一种电堆，其特征在于，
包括堆芯、膜电极和权利要求1-9中任一项所述的双极板，所述双极板和所述膜电极依次堆叠形成所述堆芯。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322568100.1U CN220821630U (zh) | 2023-09-21 | 2023-09-21 | 一种双极板和电堆 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322568100.1U CN220821630U (zh) | 2023-09-21 | 2023-09-21 | 一种双极板和电堆 |
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| CN220821630U true CN220821630U (zh) | 2024-04-19 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202322568100.1U Active CN220821630U (zh) | 2023-09-21 | 2023-09-21 | 一种双极板和电堆 |
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