區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型pemfc電堆雙極板的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板。通過結(jié)合平行流道與蛇形流道的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)流道的區(qū)域化、逆流化的設(shè)計，在不降低流道有效面積的情況下，有效降低流道的壓降損失，提高氫氣利用率，解決了目前空冷型燃料電池氫氣利用率低的難題，同時，利用區(qū)域化的進(jìn)氣方式，達(dá)到了氫氣濃度在垂直方向的相對均一性分布，可通過更改空氣的進(jìn)氣方向?qū)崿F(xiàn)空氣與氫氣的并流或逆流運(yùn)動，整體提高電堆的穩(wěn)定性和均勻性；還通過專用的密封槽道錯位設(shè)計，解決了空冷型電堆密封槽道分布不均的問題，達(dá)到了相同密封槽道空間位置處僅具有單層膠的目的，有利于密封材料的布局及安放，可有效提高燃料電池組的氣密性。
【專利說明】區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，應(yīng)用于質(zhì) 子燃料電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別針對大功率空冷型燃料電池的空冷型雙極板設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，空冷型PEMFC陽極板的流道結(jié)構(gòu)主要為平行流道和蛇形流道，兩者在< 100 瓦的PEMFC電堆中應(yīng)用較廣。由于小功率的PEMFC電堆的陽極板短，且相對有效面積小， 所以流道中的氫氣壓力分布和濃度分布相對均一，能夠滿足小型PEMFC電堆的使用要求。 然而上述兩種流道應(yīng)用于大功率的空冷型PEMFC電堆時，由于單片電池的陽極板的長度增 倍，其有效面積急劇增大，如仍采用傳統(tǒng)的平行流道會導(dǎo)致氫氣壓力梯度在流道中分布過 小，不易將反應(yīng)生成的水快速帶走，從而導(dǎo)致水淹；另，蛇形流道導(dǎo)致氫氣壓力梯度過大，致 使氫氣利用率較低，同時其進(jìn)口位置處形成較大的壓力場，容易壓穿MEA造成電池?fù)p壞。所 以，科學(xué)設(shè)計流道是大功率的空冷型PEMFC電堆發(fā)展的主要問題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明通過結(jié)合平行流道與蛇形流道的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)流道的區(qū)域化、逆流化的設(shè)計， 在不降低流道有效面積的情況下，有效降低流道的壓降損失，提高氫氣利用率，解決了目前 空冷型燃料電池氫氣利用率低的難題，同時，利用區(qū)域化的進(jìn)氣方式，達(dá)到了氫氣濃度在垂 直方向的相對均一性分布，可通過更改空氣的進(jìn)氣方向?qū)崿F(xiàn)空氣與氫氣的并流或逆流運(yùn) 動，整體提高電堆的穩(wěn)定性和均勻性。同時，本發(fā)明通過專用的密封槽道錯位設(shè)計，解決了 空冷型電堆密封槽道分布不均的問題，達(dá)到了相同密封槽道空間位置處僅具有單層膠的目 的，有利于密封材料的布局及安放，可有效提高燃料電池組的氣密性。
[0004] 具體的技術(shù)方案：
[0005]區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，包括陽極板、陰極板、陽極流 道、陰極流道，陽極流道是由陽極板上的陽極脊壁形成，陰極流道是由陰極板上的陰極脊壁 形成，陽極板劃分為至少兩個區(qū)域，所述的區(qū)域內(nèi)的陽極流道為蛇形流道，蛇形流道的入口 和出口分別通過直形流道與燃料進(jìn)口和燃料出口連接。
[0006]進(jìn)一步，所述的燃料出口和燃料出口分別位于陽極板的兩端；燃料出口、各個區(qū) 域、燃料入口依次排布。
[0007]進(jìn)一步，所述的區(qū)域的數(shù)量為3?6個；更優(yōu)選的是3個。
[0008]進(jìn)一步，所述的蛇形流道的直管與燃料進(jìn)口和燃料出口所處兩端的連線平行或垂 直。
[0009]進(jìn)一步，所述的直形流道與燃料進(jìn)口和燃料出口所處兩端的連線平行。
[0010] 進(jìn)一步，所述的蛇形流道的入口位于燃料進(jìn)口或者燃料出口的一側(cè)。
[0011] 進(jìn)一步，每個區(qū)域的面積相等。
[0012] 進(jìn)一步，直形流道與蛇形流道的脊寬和槽寬相同。
[0013] 進(jìn)一步，脊寬與槽寬比例采用（1?2) :1。
[0014] 進(jìn)一步，陰極流道與燃料進(jìn)口和燃料出口所處的兩端的連線垂直；陰極流道的脊 寬與槽寬比例采用（1.0?1.5) :1。
[0015] 進(jìn)一步，陽極板的外圍設(shè)置有陽極密封槽道。
[0016] 進(jìn)一步，在燃料進(jìn)口和/或燃料出口分別設(shè)置有燃料進(jìn)口密封槽道和燃料出口密 封槽道。
[0017] 有益效果
[0018] 本發(fā)明采用融合平行流道與蛇形流道的各自特點(diǎn)，區(qū)域化分隔流場，使氫氣與空 氣實(shí)現(xiàn)逆流流動，優(yōu)化了氣壓分布，提高了氫氣的利用率，改善了氫氣在雙極板上的濃度分 布，實(shí)現(xiàn)了氫氣與空氣濃度在垂直方向上的相對均勻化分布，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)大功 率空冷型PEMFC的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖la -種大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陽極面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖lb是另一種大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陽極面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖lc是另一種大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陽極面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖Id是另一種大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陽極面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖le是另一種大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陽極面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為高氫利用率的大功率空冷型PEMFC區(qū)域化、逆流化雙極板陰極面的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0025] 圖3a是一種雙極板陽極面的CFD模擬計算的壓力分布圖；
[0026] 圖3b是另一種雙極板陽極面的CFD模擬計算的壓力分布圖；
[0027] 圖3c是另一種雙極板陽極面的CFD模擬計算的壓力分布圖；
[0028] 圖3d是另一種雙極板陽極面的CFD模擬計算的壓力分布圖。
[0029] 圖4a是常規(guī)的平行流道的雙極板的CFD模擬計算的壓力分布圖。
[0030] 圖4b是常規(guī)的蛇形流道的雙極板的CFD模擬計算的壓力分布圖。
[0031] 圖5是圖la上半部分的局部放大圖。
[0032] 其中，10、陽極板；11、陽極流道；12、陽極脊壁；13、燃料進(jìn)口；14、燃料出口；15、陽 極密封槽道；20、陰極板；21、陰極流道；22、陰極脊壁；23、燃料進(jìn)口密封槽道；24、燃料出口 密封槽道；31、蛇形流道；32、直形流道。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 雙極板的結(jié)構(gòu)
[0035] 如圖la?圖le所示，分別是5種不同方案的用于大功率空冷型PEMFC雙極板的 陽極板的設(shè)計圖。以圖la為例，陽極板10整體為長方形，其頂部設(shè)置有燃料進(jìn)口 13,底部 設(shè)置有燃料出口 14,在陽極板10的主體劃分為三個等面積的區(qū)域，燃料進(jìn)口 13、三個區(qū)域、 燃料出口 14是從頂部到底部依次排布的，在每個區(qū)域內(nèi)都設(shè)置有蛇形流道31，蛇形流道31 從總體上看是連續(xù)的"弓"形，它是由直邊與連接彎頭依次連續(xù)連接而成，各個區(qū)域內(nèi)的蛇 形流道31的出口和入口分別通過直形流道32與燃料進(jìn)口 13和燃料出口 14連接；直形流 道32從整體上都是呈垂直的，或者說是與燃料進(jìn)口 13和燃料出口 14所處的兩端的連線相 互平行。這種區(qū)域化的蛇形流道31以及將蛇形流道31與燃料進(jìn)、出口相連的直形流道32 是本發(fā)明的改進(jìn)點(diǎn)，區(qū)域化設(shè)計以及其各個區(qū)域通過直形管連接于燃料進(jìn)出口，可以使氫 氣壓力在流場中的分布相對均一，有效避免水淹；如果不采用區(qū)域化設(shè)計，而采用傳統(tǒng)的蛇 形流道的話，那么雙極板氫氣端口附近的氣體壓力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于末端，造成較大的壓降梯度。 在陽極板10的外圍設(shè)置有陽極密封槽道15,可通過施膠或者其他方式的形式，將密封膠有 效的控制在槽道內(nèi)，提高陽極面的氣密性。而在陰極板20-側(cè)，如圖2所示，通過陰極脊壁 22構(gòu)成了陰極流道21，陰極流道21的排布方向可以是垂直方向，也可以是水平方向（也就 是圖2中所示）；當(dāng)它是垂直排布時，也就是說陰極流道21的方向與燃料進(jìn)、出口所在兩端 之間的連線相平行，當(dāng)它是水平排布時，即它與燃料進(jìn)、出口所在的兩端之間的連線相互垂 直，這是一種較優(yōu)的布局，因?yàn)榭梢允龟枠O流道11與陰極流道21之間形成相互之間的逆 流，可以顯著地提高氫氣的利用率。另外，在陰極板20的上部和下部分別設(shè)置有燃料進(jìn)口 密封槽道23、燃料出口密封槽道24,可有效預(yù)防燃料的泄露問題。
[0036] 圖la?圖le所示的雙極板設(shè)計，其主要區(qū)別在于蛇形流道31與直形流道32的 布置結(jié)構(gòu)不同。具體而言是指：
[0037] 圖la中，三個蛇形流道31中的直邊都是相互平行且水平的，3組蛇形流道的入口 都與燃料進(jìn)口在同一側(cè)。
[0038] 圖lb中，三個蛇形流道31中的直邊都是相互平行且水平的，3組蛇形流道的入口 都與燃料出口在同一側(cè)。
[0039] 圖lc中，三個蛇形流道31中的直邊都是相互平行且垂直的，3組蛇形流道的入口 都與燃料出口在同一側(cè)。
[0040] 圖Id中，最上部與最下部的蛇形流道的直邊是相互平行且水平的，中部的蛇形流 道的直轄是相互平行且垂直的，最上部與中部的蛇形流道的入口是與燃料出口在同一側(cè)， 而最下部的蛇形流道的入口是與燃料進(jìn)口在同一側(cè)。
[0041] 圖le中，中部的蛇形流道的直邊相互平行且垂直，最上部和最下部的蛇形流道的 直邊是相互平行且水平的，最上部的蛇形流道的入口與燃料進(jìn)口在同一側(cè)，中部和最下部 的蛇形流道的入口是與燃料出口在同一側(cè)。
[0042] 雙極板的性能試驗(yàn)
[0043] 利用ANSYS CFX軟件，以三個區(qū)域?yàn)槔?，在這種條件下陽極板上共有三條流道，流 道尺寸寬度均采用1mm，流道深1mm、脊壁寬2mm，采用相同進(jìn)口壓力（0? 5MPa)和碳板有效面 積（50*277mm2)對不同的流道設(shè)計進(jìn)行仿真計算，圖4a和圖4b分別為平行流道與蛇形流 道在相同進(jìn)口壓力、相同碳板面積下所對應(yīng)的氫氣流道內(nèi)氣體的壓力分布圖，模擬結(jié)果顯 示了水平流道的壓力梯度與蛇形流道壓力梯度的顯著差異，凸顯了平行流道與蛇形流道應(yīng) 用與大功率空冷型燃料電池的局限性。圖3a?圖3d為本發(fā)明所涉及的四種不同區(qū)域化分 方案的氫氣壓力分布，可以看到，四種方案的壓降損失基本相同，且鑒于水平流道與蛇形流 道之間，可同時解決水淹和氫氣利用率低的問題。結(jié)合圖3a?圖3d和圖4a、圖4b可以看 至IJ，區(qū)域化的流道分布與蛇形流道相比，顯著降低了氣體在流道內(nèi)的壓降損失。
[0044] 通過計算機(jī)模擬和實(shí)際驗(yàn)證得出下列數(shù)據(jù)
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，包括陽極板（10)、陰極板（20)、 陽極流道（11)、陰極流道（21)，陽極流道（11)是由陽極板（10)上的陽極脊壁（12)形成，陰 極流道（21)是由陰極板（20)上的陰極脊壁（22)形成，其特征在于：陽極板（10)上包括有 至少兩個區(qū)域，所述的區(qū)域內(nèi)的陽極流道為蛇形流道（31)，蛇形流道的入口和出口分別通 過直形流道（32)與燃料進(jìn)口（13)和燃料出口（14)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：所述的區(qū)域的數(shù)量為3?6個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：蛇形流道（31)的直管與燃料進(jìn)口（13)和燃料出口（14)所處兩端的連線平行或垂直。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：所述的直形流道（32)與燃料進(jìn)口（13)和燃料出口（14)所處兩端的連線平行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：所述的蛇形流道（31)的入口位于燃料進(jìn)口或者燃料出口的一側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：每個區(qū)域的面積相等。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：直形流道（32)與蛇形流道（31)的脊寬和槽寬相同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征在 于：脊寬與槽寬比例采用1~2:1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征 在于：陰極流道（21)與燃料進(jìn)口（13)和燃料出口（14)所處的兩端的連線垂直；陰極流道 (21)的脊寬與槽寬比例采用1. (T1. 5 :1 ;陽極板（10)的外圍設(shè)置有陽極密封槽道（15)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域化、逆流道的大功率空冷型PEMFC電堆雙極板，其特征 在于：在燃料進(jìn)口（13)和/或燃料出口（14)分別設(shè)置有燃料進(jìn)口密封槽道（23)和燃料出 口密封槽道（24)。
【文檔編號】H01M8/02GK204144381SQ201420404470
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】王紀(jì)忠, 孫晨, 王靖, 田小花, 劉歡, 張晶 申請人:江蘇超潔綠色能源科技有限公司