一种空冷型燃料电池阳极板

专利摘要:
一种空冷型燃料电池阳极板，阳极板包括进气口、出气口、进口气体分配区、出口气体汇流区、流场区、接触区，进气口和出气口位于靠近宽度方向的侧边，且为中心对称结构，进口气体分配区和出口气体汇流区分别与进气口和出气口连通，且为中心对称结构，流场区为蛇形流道结构，且反应气体流经每条流道的长度相同，接触区与阴极板相接触，形成用于冷却和导电的双极板结构。本申请的优点在于：阳极板使用金属板料直接冲压成型，加工方便，采用条蛇形流道将流场区均匀分成多个部分，每条蛇形流道长度相同，且与阴极板的接触点均匀分布，使阳极板与阴极板紧密压实，保证散热效果，提高导电性能，利用本申请制作的电堆运行稳定，性能得以提高。
公开号:CN214336752U
申请号:CN202120730936.5U
申请日:2021-04-12
公开日:2021-10-01
发明作者:李伟；宁洪涛；胡玉凤；龚兴军
申请人:Zhangjiakou Hydrogen Technology Co ltd；
IPC主号:H01M8-0206

专利说明:
[n0001] 本申请属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种空冷型燃料电池的阳极板。
[n0002] 近几年，燃料电池由于高效、无污染受到很多国家的重视，并在众多领域有着广泛的应用。其中，质子交换膜燃料电池结构简单、工作温度低、启动速度快，其利用氢气、氧气作为反应物，产生电、热、水，由于不受卡诺循环的限制，且反应排放物为水，质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好等特点，是目前市场上最受欢迎的燃料电池。
[n0003] 双极板是燃料电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配、支撑膜电极以及水管理、热管理的作用，并占据电池堆重量和成本的绝大部分。目前，燃料电池双极板材料主要有三类：石墨材料、复合材料和金属材料。金属双极板不存在气密性问题，即使很薄的金属板也可以保证良好的机械强度，因此可以极大降低电堆的体积和重量，同时由于金属具有较高的热导率，电堆内部温度梯度小，也有利于提高电堆内部温度的均匀性，因此利用金属薄板冲压成型制备双极板，是近年研究的热点。
[n0004] 燃料电池需要冷却子系统将反应产生的多余热量及时带走以维持电堆的稳定工作，按照冷却介质的不同，质子交换膜燃料电池(PEMFC)又可以分为水冷型和空冷型，其中空冷型电堆用空气取代水作为电堆的冷却剂，风机在为燃料电池供应空气的同时将燃料电池内部的热量排出，减少了电堆系统的辅助设备，被广泛应用于便携式电源、无人机等领域。
[n0005] 为了减少风机的流动阻力，空冷型质子交换膜燃料电池的阴极板流场通常设计成与大气相通的平行直道，风机将空气从阴极板流场的一边吹入平行直道，空气经反应后携带热量从另一边被排出电池，空冷型质子交换膜燃料电池的阴极板从其侧面看总是在空气平行直道处下凹，在空气平行直道间的筋处上凸。
[n0006] 中国专利CN1996647公开的质子交换膜燃料电池薄金属双极板，虽然在阴阳极板间省略了冷却流场，降低了组装厚度，然而阴阳极流场只利用了一侧流道，阴极流场即作为反应气流道也作为冷却气流道，虽然可用于空气冷却型电堆，但冷却效果不佳。
[n0007] 现有的金属双极板流场设计，主要存在以下几点问题：1、以气体流场分布为主，很少兼顾冷却液流场，燃料电池电堆的内部冷却效果不均一；2、若采用带有专门冷却板的三层板结构，会导致电堆的体积加大，增加了双极板结构复杂性和其加工工艺的难度，增加了双极板界面电阻导致燃料电池电堆的内阻增大；3、不带通孔的冲压金属薄板，膜电极产生的水汽或液态水，只能通过毛细管作用扩散到流道内，通过冷却气流带走，当燃料电池工作在大电流密度工况时，流场凸起部分对应的膜电极区域排水困难，容易造成水淹，导致性能下降。
[n0008] 本申请要解决的技术问题是提供一种空冷型燃料电池阳极板，其技术方案如下：
[n0009] 一种空冷型燃料电池阳极板，所述阳极板包括进气口、出气口、进口气体分配区、出口气体汇流区、流场区、接触区。
[n0010] 所述阳极板通过金属板料冲压成型，所述金属板料的厚度在0.05～0.5mm，材质包括不锈钢或者钛材。
[n0011] 优选地，所述金属板料的厚度为0.1mm，材质为钛材。
[n0012] 所述进气口和出气口位于靠近宽度方向的侧边，外形为圆形或者键槽形，且为中心对称结构。
[n0013] 优选地，所述进气口和出气口的外形为完全相同的键槽形。
[n0014] 所述进口气体分配区和出口气体汇流区采用2～6条流道分别与进气口和出气口相连通，且为中心对称结构。
[n0015] 优选地，进口气体分配区和出口气体汇流区采用3条流道分别与进气口和出气口连通。
[n0016] 所述流场区采用蛇形流道结构，反应气体流经每条流道的长度相同，可保证反应气体在流场区均匀分布。
[n0017] 所述流场区和接触区为同一个阳极板对应的两面。
[n0018] 所述蛇形流道宽度0.4～2mm，流道深度0.2～1mm，台阶宽度0.4～2mm。
[n0019] 优选地，所述蛇形流道宽度0.6mm，流道深度0.4mm，台阶宽度0.6mm。
[n0020] 所述蛇形流道的变向弯道之间的距离相等，且同一条蛇形流道在各自区域又分为短流道和长流道，以保证与阴极板的每一条流道都有接触，使阴极板不存在完全悬空的流道。
[n0021] 所述流场区采用2～6条蛇形流道均匀分割为2～6个区域。
[n0022] 优选地，所述流场区采用3条蛇形流道均匀分割为3个区域。
[n0023] 所述接触区与阴极板相接触，形成用于冷却和导电的双极板结构。
[n0024] 所述接触区与阴极板的接触点均匀分布，阴极板不存在悬空无接触的流道，使阳极板与阴极板紧密压实，增大了接触面积，减小了接触电阻，并保证电堆温度的均匀分布，有利于产生的水汽和液态水的扩散，有利于提升电堆性能。。
[n0025] 本申请提供了一种空冷型燃料电池阳极板，加工方便、易于批量生产，采用本申请制作的燃料电池电堆运行稳定，与传统蛇形流道阳极板制备的电堆相比，性能得以提高，适用于小型移动电源领域。
[n0026] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。
[n0027] 附图1为本申请所述空冷型燃料电池阳极板的结构示意图；
[n0028] 附图2为传统蛇形流道阳极板的结构示意图；
[n0029] 附图3为本申请所述空冷型燃料电池阳极板与阴极板的组合示意图；
[n0030] 附图4为本申请所述空冷型燃料电池阳极板与阴极板的接触区域示意图；
[n0031] 附图5为传统蛇形流道阳极板与阴极板的接触区域示意图；
[n0032] 附图6为本申请所述空冷型燃料电池阳极板背面接触区示意图；
[n0033] 附图7为本申请所述实施例中的电堆性能曲线对比图；
[n0034] 附图标记如下：
[n0035] 1-进气口；2-出气口；3-进口气体分配区；4-出口气体汇流区；5-流场区；6-接触区；
[n0036] 7-短流道；8-长流道；A-阳极板；C-阴极板；
[n0037] 下面通过实施例的方式对本申请做进一步的详细描述。
[n0038] 参见附图1-3，利用油压机和模具，将0.1mm厚度的钛材坯料冲压成型为阳极板，其中坯料的厚度可在0.05～0.5mm范围内根据需要自行选取，坯料也可以使用不锈钢材料，以节省成本，幅宽尺寸为200mm×50mm，进气口和出气口为键槽型，利用3条蛇形流道将阳极板流场区均匀分成3个部分，蛇形流道宽度0.4～2mm，在本实施例中为0.6mm，流道深度0.2～1mm，在本实施例中为0.4mm，台阶宽度0.4～2mm，在本实施例中为0.6mm。每条蛇形流道的总长度相同，都为800mm，同一条蛇形流道在各自区域中又分为短流道和长流道，短流道长度50mm，长流道长度55mm，不同蛇形流道在变向弯道处的距离为2mm。将30片阳极板分别组装成单体电池，进而组装成燃料电池电堆，其中阳极板接触区与阴极板压实贴合，且不存在悬空无接触的流道，阳极板还包括接触区，接触区与阴极板相接触，形成用于冷却和导电的双极板结构，如附图4所示。
[n0039] 流场区采用2～6条蛇形流道均匀分割为2～6个区域。在本实施例中，流场区采用3条蛇形流道均匀分割为3个区域。
[n0040] 与附图5所示传统蛇形流道阳极板组装的30片电堆进行性能对比测试，IV曲线如附图6所示，测试温度：60～70℃，阳极压力：50kPa，阴极压力：常压，电堆测试结果：与传统蛇形流道阳极板的电堆相比，本申请组装的电堆，在性能上有了明显的提升。
[n0041] 以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

权利要求:
Claims (8)
[0001] 1.一种空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述空冷型燃料电池阳极板包括进气口、出气口、进口气体分配区、出口气体汇流区、流场区，
所述进气口和出气口位于靠近宽度方向的侧边，且为中心对称结构，
所述进口气体分配区和出口气体汇流区分别为2～6条流道，各所述流道分别与所述进气口或出气口连通，且为中心对称结构，
所述流场区采用蛇形流道结构，反应气体流经每条所述流道的长度相同。
[0002] 2.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述阳极板通过金属板料冲压成型，所述金属板料的厚度在0.05～0.5mm，材质包括不锈钢或者钛材。
[0003] 3.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述进气口、出气口的外形为圆形或者键槽型。
[0004] 4.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述进口气体分配区的流道与进气口连通的，所述出口气体汇流区的流道与出气口连通的。
[0005] 5.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述蛇形流道宽度0.4～2mm，深度0.2～1mm，所述蛇形流道上加工有台阶，所述台阶宽度0.4～2mm，每条蛇形流道长度相同。
[0006] 6.如权利要求1或5所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述流场区采用2～6条蛇形流道均匀分割为2～6个区域。
[0007] 7.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述蛇形流道包括多个变向弯道，各变向弯道之间的距离相等，且同一条蛇形流道在各自区域又分为短流道和长流道。
[0008] 8.如权利要求1所述的空冷型燃料电池阳极板，其特征在于：所述阳极板还包括接触区，所述接触区与阴极板相接触，形成用于冷却和导电的双极板结构。

类似技术:

---

公开号 | 公开日 | 专利标题

---

CN104157895B|2016-05-11|聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法

---

CN111180754A|2020-05-19|一种大功率金属板燃料电池堆

---

CN108172857B|2021-02-02|一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板

---

CN111477906A|2020-07-31|适用于燃料电池电堆的透气双极板、燃料电池电堆

---

CN104733744A|2015-06-24|燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池

---

WO2020228131A1|2020-11-19|双极板及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统

---

CN210443621U|2020-05-01|金属基质双极板

---

EP2492997A1|2012-08-29|Bipolar plate for fuel cell

---

CN104795574B|2018-09-18|燃料电池的金属双极板、燃料电池

---

CN214336752U|2021-10-01|一种空冷型燃料电池阳极板

---

CN104900894A|2015-09-09|燃料电池的金属极板、燃料电池的金属双极板、燃料电池

---

CN106571472B|2019-07-12|一种增强流体均匀性的燃料电池金属双极板组件

---

CN112968189A|2021-06-15|一种空冷型燃料电池阳极板

---

CN210467988U|2020-05-05|一种风冷型燃料电池金属双极板

---

CN209929408U|2020-01-10|长寿命与可靠性的金属板燃料电池单池结构及电堆

---

CN111554949A|2020-08-18|一种双极板及燃料电池

---

CN111326763A|2020-06-23|一种类蜂巢形流场的金属双极板

---

CN109509890A|2019-03-22|燃料电池分隔件、单体燃料电池和燃料电池电堆

---

KR101534940B1|2015-07-07|연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지

---

CN211879516U|2020-11-06|一种大功率金属板燃料电池堆

---

CN210866380U|2020-06-26|一种质子交换膜燃料电池单体和质子交换膜燃料电池电堆

---

CN212085140U|2020-12-04|一种新型氢燃料电池金属双极板

---

CN210576223U|2020-05-19|双极板及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统

---

CN212011140U|2020-11-24|大功率质子交换膜燃料电池双极板的冷却结构

---

CN209709094U|2019-11-29|一种质子交换燃料电池

同族专利:

---

公开号 | 公开日

---

引用文献:

---

公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

---

法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

---

2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

---

申请号 | 申请日 | 专利标题

---

CN202120730936.5U|CN214336752U|2021-04-12|2021-04-12|一种空冷型燃料电池阳极板|CN202120730936.5U| CN214336752U|2021-04-12|2021-04-12|一种空冷型燃料电池阳极板|