燃料電池雙極板的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池雙極板，包括水冷燃料電池使用的陰極流場板和陽極流場板，設置有陽極流場通道、冷卻流場通道、陰極流場通道，所述陰極流場板和陽極流場板均采用直流道設計，并都依次設置入口區、入口擴散區、反應流場區、出口擴散區、出口區，所述反應流場區外側設置有流場密封區，所述入口區和出口區的結構反向對稱，所述入口擴散區和出口擴散區的結構反向對稱，所述入口區設置有陰極入口、陽極入口、冷卻入口，所述出口區設置有和入口區各入口反向對稱的陰極出口、陽極出口、冷卻出口，所述入口擴散區和出口擴散區都設置有用于緩沖的凸臺。利用本發明制作的電堆運行穩定，布局合理，使膜電極各點的溫度均勻一致。
【專利說明】
燃料電池雙極板
技術領域
[0001]本發明涉及一種電力裝置，尤其是涉及一種燃料電池雙極板。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池的一般結構如圖1所示，典型的水冷電堆由膜電極130、陰極流場板120、陽極流場板110組成，所述陽極流場板110設置有陽極流場通道111，外側為冷卻流場通道140，所述陰極流場板120設置有陰極流場通道121，膜電極130—般放在兩塊導電的流場板中間，流場板既作為電流集流板，也作為膜電極130的機械支撐，流場板上的流道又是燃料與氧化劑、冷卻劑進入陽極、陰極、冷卻表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成水的通道。
[0003]為了保證質子交換膜燃料電池的性能和壽命，需要保持膜電極各點性能一致，因此需要保持膜電極各點的氣體分布均勻、溫度分布均勻。如果氣體分布不一致、膜電極各點散熱條件不一致，會導致膜電極各點實際性能有較大差異，嚴重時會導致膜電極中部分會出現局部過熱，甚至燒穿質子交換膜。如果燃料電池運行中生成的多余的水不能及時排除，堵塞流道，會造成氣體流動受阻，無法均勻分布。
[0004]電堆陰極流場、陽極流場、冷卻流場的壓降對風機、氣栗、液栗的選型有很大影響。
[0005]流場設計應當考慮如下要求:
[0006]1、有較小的壓降，降低對電堆外圍設備的性能要求，如風機、氣栗、液栗。
[0007]2、陰極流場、陽極流場布局合理，保證氣體能均勻進入到電堆正、負極，在電堆電極中均勻分布。
[0008]3、陰極流場、陽極流場能迅速將電堆運行中產生的冷凝水排除。
[0009]4、冷卻流場保證冷卻液分布均勻，使膜電極各點的溫度均勻一致。
[0010]目前極板流場的類型主要有蛇形流場、平行流場、交指流場等。
[0011]蛇形流場是較早提出的一種流道形式，它的突出優點是能迅速排除生成的液態水，但其缺點也很明顯，對于面積比較大的流場，因其流道長度長、彎角多，而使得壓降大、氣體濃度分布差別大，彎角處易積水，從而導致系統效率低。
[0012]針對蛇形流場的這些問題，有很多改進專利，例如專利號CN03806839，其將流場分為主、副流場，雖然解決了氣體濃度差的問題，但壓降依然很大。
[0013]平行流場具有的壓降低的特點，流道長度短，氣體濃度差別小，但流道中氣體的流動和反應情況的微小差別會對電池的整體性能造成擾動，容易出現性能不穩定的情況。
[0014]交指流場將所有通過流場的氣體趨向膜電極氣體擴散層，增加氣體與催化劑的接觸，并有效避免液體水在氣體擴散層內的集聚，但有壓降過大從而造成零部件選擇困難及能耗過尚的缺點。
【發明內容】
[0015]本發明提供一種燃料電池雙極板，解決了雙極板中陰極流場、陽極流場和冷卻流暢的布局問題，其技術方案如下所述:
[0016]—種燃料電池雙極板，包括水冷燃料電池使用的陰極流場板和陽極流場板，所述陽極流場板包含陽極流場通道，所述陰極流場板包含陰極流場通道，所述陰極流場板和陽極流場板至少有一個流場板設置有冷卻流場通道，所述陰極流場板和陽極流場板均采用直流道設計，并都依次設置入口區、入口擴散區、反應流場區、出口擴散區、出口區，所述反應流場區外側設置有流場密封區，所述入口區和出口區的結構反向對稱，所述入口擴散區和出口擴散區的結構反向對稱，所述入口區設置有陰極入口、陽極入口、冷卻入口，所述出口區設置有和入口區各入口反向對稱的陰極出口、陽極出口、冷卻出口，所述入口擴散區和出口擴散區都設置有用于緩沖的凸臺。
[0017]所述雙極板為矩形結構，所述入口區和出口區設置在矩形的兩個平行邊上，所述陽極入口、冷卻入口設置在入口區所在平行邊的兩側，所述陰極入口在入口區所在平行邊的中間。
[0018]所述入口區和出口區的進出口采用異形設計，所述陰極入口、陰極出口采用至少為四邊多邊形的設計，所述冷卻入口、冷卻出口、陽極入口、陽極出口采用三角形或四邊形設計。
[0019]所述陰極流場板的入口擴散區的面積占反應流場區面積的7%?16.5%，所述入口擴散區在寬度方向上平均分為3?8個擴散區域。
[0020]所述陰極流場板的入口擴散區分為長凸臺區和小凸臺區，所述長凸臺區位于入口區一側，設置有2?4個長凸臺，將入口氣流分為2?5個區域；
[0021]所述小凸臺區位于陰極反應流場區一側，包括2?4層小凸臺，用于使氣體均勻分布到各個流道內。
[0022]所述陰極流場板的陰極流場通道采用直流道，所述流道寬度為0.5?2mm，流道臺階寬度0.5?1.5mm，流道深度0.3?0.6mm;所述陽極流場板的陽極流場通道采用直流道，流道寬度為0.5?2mm，流道臺階寬度0.5?1.5mm，流道深度0.2?0.5_;所述陽極流場板的冷卻流場通道，流道寬度為0.5?2.5mm，臺階寬度為0.5?2.5mm，流道深度為0.3?0.6mm。
[0023]所述陽極流場板的入口擴散區分為長凸臺區和小凸臺區，所述長凸臺區位于入口區一側，在靠近陽極入口的區域，設計有長凸臺，將進氣分成兩個或多個氣流，分別流向靠近陽極入口區域和遠離陽極入口區域；
[0024]所述小凸臺區位于陽極流場反應流場區一側，設計有多層短凸臺，用于進一步打散氣流，使其均勻分布到各個流道。
[0025]所述冷卻流場通道設置在流場板的背面，包括冷卻入口、冷卻出口、冷卻分流區、冷卻流場區、所述冷卻流場區外側設置有冷卻流場密封區，所述冷卻分流區將冷卻流場通道平均分為四個大流道，每個大流道內部又分成8?12個小流道。
[0026]所述長凸臺的面積占該入口擴散區的比例為0.6?5.8%，所述長凸臺的長度與寬度比例為4.5?10.2;所述小凸臺區的面積占入口擴散區的比例為0.12%?10%，所述小凸臺的寬度與高度比例為0.25?4。
[0027]所述大流道的寬度為冷卻流場通道寬度的1/4，長度等于冷卻流場通道的長度4/5;所述小流道的寬度等于大流道寬度的1/12?1/8，小流道的長度為等于大流道長度的4/5。
[0028]通過本發明制作的電堆，在同樣電流密度下，能夠顯著提升電壓，并且運行穩定，布局合理，使膜電極各點的溫度均勻一致。
【附圖說明】
[0029]圖1是所述質子交換膜燃料電池的一般結構示意圖；
[0030]圖2是本發明中陰極流場板的整體示意圖；
[0031]圖3是本發明中陰極流場板的結構示意圖；
[0032]圖4是所述陰極流場板中陰極入口的結構圖；
[0033]圖5是所述陰極流場板擴散區的示意圖；
[0034]圖6是陰極流場板中平行流道與臺階的示意圖；
[0035]圖7是本發明中陽極流場板的整體示意圖；
[0036]圖8是本發明中陽極流場板的結構示意圖；
[0037]圖9是所述陽極流場板擴散區的示意圖；
[0038]圖10是本發明中所述冷卻流場的整體示意圖；
[0039]圖11是本發明中所述冷卻流場的結構示意圖；
[0040]圖12是本發明的電壓提升的實驗結果的示意圖。
【具體實施方式】
[0041]本發明包括兩種流場板的設計，分別是水冷質子交換膜燃料電池電堆陰極流場板、陽極流場板，其中包含陰極流場、陽極流場、冷卻流場三種流場，通過流場板的結構設計解決電堆在低壓運行條件下的氣體均勻分布問題，堵水問題，壓力損失過大問題，使電堆運行更穩定，效率更高。
[0042]流場板的進出口采用異形設計，其中陰極入口11、陰極出口 21采用多邊形(大于4邊)設計，冷卻入口 12、冷卻出口 22、陽極入口 13、陽極出口 23采用三角形或四邊形設計;且陰極入口 11在中間，增大陰極進氣通道面積，降低壓力損失。
[0043]流場板是矩形，陰極、陽極、冷卻的進口、出口，都設計在矩形的兩個平行邊上，提高流場板的有效使用率。
[0044]本發明陰極流場板、陽極流場板均采用直流道，降低陰極和陽極的壓力損失，更利于排水。
[0045]所述陰極流場板和陽極流場板均采用直流道設計，并都依次設置入口區、入口擴散區、反應流場區、出口擴散區、出口區，所述反應流場區外側設置有流場密封區，所述入口區和出口區的結構反向對稱，所述入口擴散區和出口擴散區的結構反向對稱，所述入口區設置有陰極入口、陽極入口、冷卻入口，所述出口區設置有和入口區各入口反向對稱的陰極出口、陽極出口、冷卻出口，所述入口擴散區和出口擴散區都設置有用于緩沖的凸臺。
[0046]如圖2、圖3所示，所述陰極流場板包括陰極入口11、陽極入口 13、陰極出口 21、陽極出口 23、冷卻入口 12、冷卻出口 22、密封區10、入口擴散區14、出口擴散區15、反應流場區16，在反應流場區16外部設置有流場密封區17。其中陰極入口 11、陰極出口21在中間，冷卻、陽極的進出口在兩邊對稱分布。
[0047]所述陰極流場板的入口擴散區14的面積占反應流場區面積的7%?16.5%，同樣，出口擴散區15和入口擴散區14的面積相同。所述長凸臺的面積占該入口擴散區的比例為
0.6?5.8%，所述長凸臺的長度與寬度比例為4.5?10.2;所述小凸臺區的面積占入口擴散區的比例為0.12%?10%，所述小凸臺的寬度與高度比例為0.25?4。
[0048]陰極入口11、陰極出口21采用多邊形設計，如圖4所示，增加陰極入口 11下方過孔116的長度。
[0049]如圖5所示，入口擴散區14平均分為5個區域，入口擴散區14靠近陰極入口11的位置，為長凸臺區112，設計有2個長凸臺，將入口氣流分為3個區域。
[0050]入口擴散區14靠近反應流場區16的區域，為小凸臺區113，設計2層小凸臺，小凸臺尺寸:寬度1mm，高度0.5mm，使氣體均勻分布到各個流道內。
[0051 ]如圖6所示，陰極流場板采用直流道，其中流道114的寬度:1.5mm，流道臺階115寬度1.5mm，流道114的深度0.5mm。
[0052]如圖7和圖8所示，所述陽極流場板設計有陽極流場和冷卻流場。所述陽極流場板包括陰極入口 11、陽極入口 13、陰極出口 21、陽極出口 23、冷卻入口 12、冷卻出口 22、密封區
10、入口擴散區24、出口擴散區25、反應流場區26，在反應流場區26外部設置有流場密封區27。其中陰極入口 11、陰極出口 21在中間，冷卻、陽極的進出口在兩邊對稱分布。
[0053]所述陽極入口 13、陽極出口 23、冷卻入口 12、冷卻出口 22均為三角形結構，且對稱分布，三角形結構可以提高擴散區的面積，利于氣體分布。
[0054]陽極流場采用直流道，流道寬度:1.5_，流道臺階寬度1.5mm，流道深度0.5_。
[0055]如圖9所示，在靠近陽極入口 13的區域，設計有長凸臺212，將進氣氣流213分成兩個氣流，分別流向靠近陽極入口 13區域和遠離陽極入口 13區域，圖中氣流214流向遠離陽極入口 13區域。
[0056]在靠近陽極流場反應流場區26，設計有短凸臺211，進一步打散氣流，使其均勻分布到各個流道215。
[0057]如圖10和圖11所示，所述冷卻流場設計在陽極流場板的背面，由冷卻入口12、冷卻出口 22、冷卻入口分流區34、冷卻出口分流區35、冷卻流場區36、冷卻流場密封區37組成。
[0058]冷卻流場的分流區將流場平均分為四個大流道，每個流道內部又分成8個小流道。所述大流道的寬度為冷卻流場通道寬度的1/4，長度等于冷卻流場通道的長度4/5;所述小流道的寬度等于大流道寬度的1/12?1/8，小流道的長度為等于大流道長度的4/5。
[0059]冷卻流場可通過修改每個流道的寬度或深度，保證冷卻介質的均勻分布;流道寬度:2.5mm，臺階寬度2.5mm，流道深度:0.3mm。
[0060]按照上述設計，制作組裝5片電堆，進行測試，IV曲線如圖12所示:
[0061 ] 測試條件:溫度:60?65 °C
[0062]陰極壓力:常壓
[0063]陽極壓力:2OkPa
[0064]電堆測試結果，對比氫璞II代電堆(專利號201410543495.2)，性能上有了明顯的提升。
[0065]在以上發明的基礎上，也可以進行其他形式的改進，例如在陰極流場板的基礎上進行修改，陰極流場板的背面設計冷卻流場，其余不變。
[0066]也可以在陰極流場板的基礎上進行修改，陰極流場板的背面設計冷卻流場，而陽極流場板只設計陽極流場。
[0067]通過本發明制作的電堆，在同樣電流密度下，能夠顯著提升電壓，并且運行穩定，布局合理，使膜電極各點的溫度均勻一致。
【主權項】
1.一種燃料電池雙極板，包括水冷燃料電池使用的陰極流場板和陽極流場板，所述陽極流場板設置有陽極流場通道，所述陰極流場板設置有陰極流場通道，所述陰極流場板和陽極流場板至少有一個流場板設置有冷卻流場通道，其特征在于:所述陰極流場板和陽極流場板均采用直流道設計，并都依次設置入口區、入口擴散區、反應流場區、出口擴散區、出口區，所述反應流場區外側設置有流場密封區，所述入口區和出口區的結構反向對稱，所述入口擴散區和出口擴散區的結構反向對稱，所述入口區設置有陰極入口、陽極入口、冷卻入口，所述出口區設置有和入口區各入口反向對稱的陰極出口、陽極出口、冷卻出口，所述入口擴散區和出口擴散區都設置有用于緩沖的凸臺。2.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述雙極板為矩形結構，所述入口區和出口區設置在矩形的兩個平行邊上，所述陽極入口、冷卻入口設置在入口區所在平行邊的兩側，所述陰極入口在入口區所在平行邊的中間。3.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述入口區和出口區的進出口采用異形設計，所述陰極入口、陰極出口采用至少為四邊多邊形的設計，所述冷卻入口、冷卻出口、陽極入口、陽極出口采用三角形或四邊形設計。4.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述陰極流場板的入口擴散區的面積占反應流場區面積的7%?16.5%，所述入口擴散區在寬度方向上平均分為3?8個擴散區域。5.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述陰極流場板的入口擴散區分為長凸臺區和小凸臺區，所述長凸臺區位于入口區一側，設置有2?4個長凸臺，將入口氣流分為2?5個區域； 所述小凸臺區位于陰極反應流場區一側，包括2?4層小凸臺，用于使氣體均勻分布到各個流道內。6.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述陰極流場板的陰極流場通道采用直流道，所述流道寬度為0.5?2mm，流道臺階寬度0.5?1.5mm，流道深度0.3?0.6mm;所述陽極流場板的陽極流場通道采用直流道，流道寬度為0.5?2mm，流道臺階寬度0.5?1.5mm，流道深度0.2?0.5mm;所述陽極流場板的冷卻流場通道，流道寬度為0.5?2.5mm，臺階寬度為0.5?2.5mm，流道深度為0.3?0.6mm。7.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述陽極流場板的入口擴散區分為長凸臺區和小凸臺區，所述長凸臺區位于入口區一側，在靠近陽極入口的區域，設計有長凸臺，將進氣分成兩個或多個氣流，分別流向靠近陽極入口區域和遠離陽極入口區域； 所述小凸臺區位于陽極流場反應流場區一側，設計有多層短凸臺，用于進一步打散氣流，使其均勻分布到各個流道。8.根據權利要求1所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述冷卻流場通道設置在流場板的背面，包括冷卻入口、冷卻出口、冷卻分流區、冷卻流場區、所述冷卻流場區外側設置有冷卻流場密封區，所述冷卻分流區將冷卻流場通道平均分為四個大流道，每個大流道內部又分成8?12個小流道。9.根據權利要求5所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述長凸臺的面積占該入口擴散區的比例為0.6?5.8%，所述長凸臺的長度與寬度比例為4.5?10.2;所述小凸臺區的面積占入口擴散區的比例為0.12%?10%，所述小凸臺的寬度與高度比例為0.25?4。10.根據權利要求8所述的燃料電池雙極板，其特征在于:所述大流道的寬度為冷卻流場通道寬度的1/4，長度等于冷卻流場通道的長度4/5;所述小流道的寬度等于大流道寬度的1/12?1/8，小流道的長度為等于大流道長度的4/5。
【文檔編號】H01M8/026GK105870477SQ201610402862
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】張蘋, 歐陽洵, 賴平化, 朱俊娥
【申請人】江蘇耀揚新能源科技有限公司