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CN111668508A - 一种氢燃料电池双极板流道结构 - Google Patents

一种氢燃料电池双极板流道结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池双极板流道结构，包括双极板主体，所述双极板主体由阴极板和阳极板组成，所述阴极板表面设有多组D型凸起，且多组所述D型凸起呈排列设置，所述阴极板上设有直边流道和曲边流道，所述直边流道和曲边流道均设有多组，且多组所述直边流道和曲边流道呈交错排列设置，所述阳极板上设有凸脊，所述凸脊一侧设有第一流道，所述凸脊与阴极板之间形成冷却水流道。本发明通过在阴极板上设有D型凸起，使得阴极气流通过单个D型凸起时，在D型两侧产生气体流速差，产生一定压力差，促进了气体通过气体扩散层由高压向低压区扩散；通过将D型凸起两侧设计为类似机翼截面的流线型，更利于吹扫凸起两侧的积水。

Description

一种氢燃料电池双极板流道结构
技术领域
本发明涉及氢燃料电池相关技术领域，具体为一种氢燃料电池双极板流道结构。
背景技术
燃料电池电堆是燃料电池的最核心部分，其核心部件包括膜电极、气体扩散层和双极板等。其中双极板又称集流板(或称隔板)，是燃料电池重要部件之一，直接影响着电堆的重量和体积，其可以起到收集传导电流、分隔反应气体、阻止气体透过、支撑电池以及冷却等作用，并直接决定了电堆的输出功率大小和使用寿命；双极板主要分为石墨双极板、复合材料双极板和金属双极板。金属薄板具有较高的强度以及良好的导电、导热性能，原材料价格便宜且适合大批量生产方式，是燃料电池产业化的主流选择。金属双极板的主流制造工艺为金属冲压(液压)成形工艺；双极板的流场设计是一大关键，流场的形式和结构对反应物和生成物在电堆内部的流动、分配、扩散等起着关键的作用。流场的设计是否合理将直接影响到电堆能否正常运行；由于双极板在燃料电池电堆的重要地位，对它的流道设计与加工也提出了较高要求，其中双极板排水和气体扩散能力是衡量双极板性能的重要指标。
目前双极板氢气和空气(氧气)侧流道普遍采用多通道直线型或者蛇形流场结构，但实践中容易产生以下问题，降低了燃料电池的功率密度和寿命：
1、双极板脊或面与气体扩散层接触部分及周边积水，不易被流道(沟槽)内的气流吹扫干净(存在吹扫死角)，容易产生局部水淹现象。扩散层长期积水可引起扩散层疏水性劣化，水堵塞扩散层孔隙，造成扩散层导气能力下降，气体扩散效率降低，最终引起燃料电池功率密度和寿命的减损；
2、积水导致流道堵塞，一定条件下在电池运行中会造成氢气侧局部形成氢气缺乏情况，出现反极现象(即电解水和碳腐蚀反应)，其中碳腐蚀反应将催化剂的碳载体腐蚀，从而导致催化剂(铂颗粒)失去支撑并形成团聚现象，致使催化剂电化学活性面积下降，大大减损了电池性能和寿命。
因此，具有更好的排水和导气功能，是双极板流道设计主要考虑的性能指标，另外对于金属双极板流道设计还要兼顾优良的焊接性能和低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢燃料电池双极板流道结构，具有更优异的排水和导气功能的金属双极板结构，同时兼顾了可焊接性和低成本等特点，适用于大规模低成本生产高性能的燃料电池双极板。同时该流道结构也可用于石墨双极板和复合材料双极板。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢燃料电池双极板流道结构，包括双极板主体，所述双极板主体由阴极板和阳极板组成，所述阴极板表面设有多组D型凸起，且多组所述D型凸起呈排列设置，所述阴极板上设有直边流道和曲边流道，所述直边流道和曲边流道均设有多组，且多组所述直边流道和曲边流道呈交错排列设置，所述阳极板上设有凸脊，所述凸脊一侧设有第一流道，所述凸脊与阴极板之间形成冷却水流道。
所述凸脊与第一流道均设有多组，且多组所述凸脊与第一流道呈交错排列设置。
优选的，所述直边流道为相邻两排所述D型凸起的直边对直边排列形成。
优选的，所述曲边流道为相邻两排所述D型凸起的曲边对曲边排列形成。
优选的，所述第一流道和冷却水流道均呈蛇形结构，所述阴极板、阳极板充分接触，且阴极板、阳极板通过焊缝焊接。
优选的，所述D型凸起两端采用一定半径的圆角设置，可以避免D型凸起存在过于尖锐。
优选的，所述双极板主体包括但不限于金属双极板和石墨双极板，所述石墨双极板上的D型凸起与金属双极板上的D型凸起结构相同，所述石墨双极板的阳极板设有D型凸起或凹槽型流道中的任意一种，且凹槽型流道类型包括但不限于蛇形，平行、S型。
本发明提供了一种氢燃料电池双极板流道结构，具备以下有益效果：
(1)本发明通过在阴极板上设有D型凸起，使得阴极气流通过单个D型凸起时，在D型两侧产生气体流速差，产生一定压力差，促进了气体通过气体扩散层由高压向低压区扩散。
(2)本发明通过将D型凸起两侧设计为类似机翼截面的流线型，更利于吹扫凸起两侧的积水；同时凸起细长，并且尾部变细，可有效避免一般圆形或者方形凸起尾流产生的涡流，利于吹扫积水，且D型凸起纵向各排之间产生压力差，也有利于高压区的气体向扩散层里扩散，同时有利于将扩散层里的积水向低压区吹扫。
(3)本发明应用于金属双极板时，将阳极板设计为传统沟槽型流道，为了便于阴阳极板焊接，阳极流道采用了蛇形结构，阴阳极板凹槽部分可以充分接触，便于焊接和冷却水流道的密封，结构具有良好的可焊接性能，提高了结构强度，确保了金属双极板的导电性能。
(4)本发明通过将凸脊部分与扩散层接触面积小于传统的凹槽流道脊与扩散层接触面积，可以使有效反应面积更大，积水面积小，提高了膜电极的阴极的暴露面积，使得气体与膜电极接触面增大，传质速度加快，提高了膜电极的利用率，接触部分积水少。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的阳极板部分结构示意图；
图3为本发明的阴极板结构示意图；
图4为本发明的阳极板第一流道结构示意图；
图5为本发明的单个D型凸起结构示意图；
图6为本发明的单个D型凸起剖面图结构示意图。
图中：1、双极板主体；2、阴极板；3、阳极板；4、D型凸起；5、凸脊；6、第一流道；7、焊缝；8、直边流道；9、曲边流道；10、冷却水流道；11、凸起圆角；12、凸起直边侧；13、凸起曲边侧；14、凸起面。
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。
如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种氢燃料电池双极板流道结构，包括双极板主体1，所述双极板主体1由阴极板2和阳极板3组成，所述阴极板2表面设有多组D型凸起4，且多组所述D型凸起4呈排列设置，所述阴极板2上设有直边流道8和曲边流道9，所述直边流道8和曲边流道9均设有多组，且多组所述直边流道8和曲边流道9呈交错排列设置，所述阳极板3上设有凸脊5，所述凸脊5一侧设有第一流道6，所述凸脊5与阴极板2之间形成冷却水流道10。
所述凸脊5与第一流道6均设有多组，且多组所述凸脊5与第一流道6呈交错排列设置。
所述直边流道8为相邻两排所述D型凸起4的直边对直边排列形成，D型凸起4呈现横排为直边对直边，曲边对曲边排列，从而分别形成等径流道和变径流道，引起两种流道中的气流速度不一致，同时也产生压力差。
所述曲边流道9为相邻两排所述D型凸起4的曲边对曲边排列形成，D型凸起4呈现横排为直边对直边，曲边对曲边排列，从而分别形成等径流道和变径流道，引起两种流道中的气流速度不一致，同时也产生压力差。
所述第一流道6和冷却水流道10均呈蛇形结构，所述阴极板2、阳极板3充分接触，且阴极板2、阳极板3通过焊缝7焊接，将阳极板3设计为传统沟槽型流道，为了便于与阴极板2焊接，阳极板流道采用了蛇形结构，阴阳极板凹槽部分可以充分接触，便于焊接和冷却水流道10的密封，结构具有良好的可焊接性能，提高了结构强度，确保了双极板主体1的整体导电性能。
所述D型凸起4两端采用一定半径的圆角设置，可以避免D型凸起4存在过于尖锐角，将D型凸起4两侧设计为类似机翼截面的流线型，更利于吹扫凸起两侧的积水；同时凸起细长，并且尾部变细，可有效避免一般圆形或者方形凸起尾流产生的涡流，利于吹扫积水，且D型凸起4纵向各排之间产生压力差，也有利于高压区的气体向扩散层里扩散，同时有利于将扩散层里的积水向低压区吹扫。
所述双极板主体1包括但不限于金属双极板和石墨双极板，所述石墨双极板上的D型凸起4与金属双极板上的D型凸起4结构相同，所述石墨双极板的阳极板3设有D型凸起4或凹槽型流道中的任意一种，且凹槽型流道类型包括但不限于蛇形，平行、S型。
需要说明的是，一种氢燃料电池双极板流道结构，在工作时，阴极板2流场凸起从极板俯视方向看其轮廓为类似大写英文字母D，D型凸起4沿着气流方向，一边为直线型，另一边为曲线型，曲线可为圆弧或者贝塞尔曲线，D型凸起4呈现横排为直边对直边，曲边对曲边排列，从而分别形成等径流道和变径流道，引起两种流道中的气流速度不一致，同时也产生压力差，促进了气体通过气体扩散层由高压向低压区扩散，阴极板2上的D型凸起4纵向排列时，两排之间错开一定距离，使气流不易形成层流，有利于氧气向催化剂扩散，如图6所示，D型凸起4上端为凸起面14，且D型凸起4一侧为凸起直边侧12，另一侧为凸起曲边侧13，D型凸起4两端为凸起圆角11设置，通过将D型凸起4两侧设计为类似机翼截面的流线型，更利于吹扫凸起两侧的积水；同时凸起细长，并且尾部变细，可有效避免一般圆形或者方形凸起尾流产生的涡流，利于吹扫积水，且D型凸起4纵向各排之间产生压力差，也有利于高压区的气体向扩散层里扩散，同时有利于将扩散层里的积水向低压区吹扫，且D型凸起4呈现细长流线型，有利于气流将其表面的水吹扫干净，在凸起尾部，不易存水；通过将D型凸起4两端采用一定半径的圆角设计，避免了凸起存在过于尖锐角，便于加工；通过将阳极板3设计为传统沟槽型流道，为了便于阴阳极板焊接，阳极流道采用了蛇形结构，阴阳极板凹槽部分可以充分接触，便于焊接和冷却水流道10的密封，结构具有良好的可焊接性能，提高了结构强度，确保了双极板的整体导电性能，同时冷却水流道10具有水流量均匀性好，流量大，流场温度均匀；通过将凸脊5部分与扩散层接触面积小于传统的凹槽流道脊与扩散层接触面积，可以使有效反应面积更大，积水面积小，提高了膜电极的阴极的暴露面积，使得气体与膜电极接触面增大，传质速度加快，提高了膜电极的利用率，接触部分积水少；本发明的金属双极板结构具有良好的排水和导气功能，同时兼顾了可焊接性和低成本等特点，适用于大规模低成本生产高性能的燃料电池双极板。
本发明的流场结构用于金属双极板制备时，金属材料包括但不限于不锈钢、钛及钛合金、铝及铝合金、铜、镍等。
本发明的流场结构不限于压力成型加工的金属双极板，在铣削加工的石墨双极板或者模压加工的石墨和树脂复合双极板(以下统称“石墨双极板”)情况下，同样适用，即石墨双极板阴极面D型凸起4具备本发明的D型凸起4的所述特征；
同时因为不需要考虑石墨双极板的焊接性能，石墨双极板阳极面可以是D型凸起，也可以是传统凹槽型流道，流道类型包括但不限于蛇形，平行、S型等类型。
本发明的流场结构阴极面D型凸起4横向排列方法，除了本发明描述的D型凸起4的直边对直边、曲边对曲边排列，也包括(但不限于)直边对曲边排列方式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，包括双极板主体(1)，所述双极板主体(1)由阴极板(2)和阳极板(3)组成，所述阴极板(2)表面设有多组D型凸起(4)，且多组所述D型凸起(4)呈排列设置，所述阴极板(2)上设有直边流道(8)和曲边流道(9)，所述直边流道(8)和曲边流道(9)均设有多组，且多组所述直边流道(8)和曲边流道(9)呈交错排列设置，所述阳极板(3)上设有凸脊(5)，所述凸脊(5)一侧设有第一流道(6)，所述凸脊(5)与阴极板(2)之间形成冷却水流道(10)。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述凸脊(5)与第一流道(6)均设有多组，且多组所述凸脊(5)与第一流道(6)呈交错排列设置。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于：所述直边流道(8)为相邻两排所述D型凸起(4)的直边对直边排列形成。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述曲边流道(9)为相邻两排所述D型凸起(4)的曲边对曲边排列形成。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述第一流道(6)和冷却水流道(10)均呈蛇形结构，所述阴极板(2)、阳极板(3)充分接触，且阴极板(2)、阳极板(3)通过焊缝(7)焊接。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述D型凸起(4)两端采用一定半径的圆角设置，可以避免D型凸起(4)存在过于尖锐角。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述双极板主体(1)包括但不限于金属双极板和石墨双极板，所述石墨双极板上的D型凸起(4)与金属双极板上的D型凸起(4)结构相同，所述石墨双极板的阳极板(3)设有D型凸起(4)或凹槽型流道中的任意一种，且凹槽型流道类型包括但不限于蛇形，平行、S型。
8.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池双极板流道结构，其特征在于，所述D型凸起(4)从极板俯视方向看其轮廓为类似大写英文字母D，D型凸起(4)沿着气流方向，一边为直线型，另一边为曲线型，曲线可为圆弧或者贝塞尔曲线。
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