一种燃料电池极板、双极板及燃料电池电堆

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池极板、双极板及燃料电池电堆。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)具有高效率、低污染、低噪声的优点，具有广泛的应用前景。提高电堆的发电能力是发展燃料电池的重要目标，但是伴随燃料电池发电能力的增长，将导致燃料电池发热量的增大，因此需要提供新的技术手段在提升发电能力的前提下满足电堆的散热需求。
3.双极板目前是组成燃料电池的关键部件，其主要特征包括如下：
4.1)包括两张极板：第一极板和第二极板；
5.2)第一极板一侧为冷却液流道面，含有冷却液流道，另一侧为空气流道面，含有空气流道；第一极板两侧的冷却液流道面与空气流道面的面积一致；第二极板一侧为冷却液流道面，含有冷却液流道，一侧为氢气流道面，含有氢气流道；第二极板两侧的冷却液流道面与氢气流道面的面积一致；冷却液流道、空气流道、氢气流道都具有明显的进出口；
6.3)第一极板与第二极板的冷却液流道面贴合在一起，然后通过焊接或者粘合在一起形成双极板；双极板表面含有：空气进口、空气出口、氢气入口、氢气出口、冷却液入口、冷却液出口；
7.4)第一极板和第二极板的冷却液流道面贴合一起，形成弯曲的双极板的冷却液流道，同时双极板的冷却液流道不封闭，具有冷却液入口与冷却液出口，外部冷却液通过冷却液进口进入双极板内部的冷却液流道，并通过冷却液出口流出双极板内部的冷却液流道；
8.4)双极板材料：含有表面导电耐蚀镀层的316l不锈钢；含有表面导电耐蚀镀层的钛合金；混合环氧树脂后压制成型的石墨；双极板的组合不锈钢+钛合金，或者不锈钢+不锈钢，或者钛合金+钛合金，或者石墨板与石墨板，第一极板与第二极板均为金属时，二者直接使用焊接或者粘合的方式形成双极板；第一极板与第二极板为非金属材料，或者为非金属材料与金属材料；第一极板与第二极板使用粘合的方式形成双极板。
9.现有的燃料电池电堆基于上述双极板，结合膜电极、密封件、端板节(第一节单极板)、底板节(最后一节单极板)、端板、底板、第一集流板、第二集流板，第一绝缘板、第二绝缘板、密封件、紧固螺栓、氢气入口接口、氢气出口接口、空气入口接口、空气出口接口、冷却液入口接口，冷却液出口接口，形成电堆。
10.其中，端板节(第一节)单极板，由两块板(极板和端板)组成，极板一侧为氢气流道，另一侧为冷却液流道，端板一侧为平面板，另一侧为冷却液流道；与双极板的组合方式一致，两块板通过焊接或者粘合在一起。
11.底板节(最后一节)单极板，由两个板(极板和底板)组成，极板一侧为空气流道，另一侧为冷却液流道，底板一侧为平面板，另一侧为冷却液流道；与双极板的组合方式一致，两块板通过焊接或者粘合在一起。
12.部分公开技术方案中：
13.端板节、底板节只有一块板；对于端板节而言，一面为氢气流道面，一面为冷却液流道面；对于底板节而言，一面为空气流道，一面为冷却液流道；
14.燃料电池电堆中的冷却液为乙二醇水溶液、去离子水、或者含有其他成分的乙二醇水溶液。
15.现有技术方案：双极板内的冷却液流道的冷却流体由外部流入，使用乙二醇水溶液或者去离子水作为冷却液，以及含有其它成分的改性乙二醇水溶液作为冷却液，但是均使用冷却液的显热携带热量；
16.现有技术的缺陷：
17.1、冷却液由外部流入，若冷却液受到外部环境污染，工质被带入可能堵塞双极板的冷却通道，将导致燃料电池单节失效，最终导致整个燃料电池失效；
18.2、无法满足燃料电池发热量增大时的热管理需求：当发热量增大时，冷却液与膜电极间的温差会增大，为了确保系统反应温度的稳定，必须降低冷却液的温度，但是超出了现有热管理系统的极限；
19.3、在燃料电池电堆层面，端板上含有冷却液入口接口、冷却液出口；增加了燃料电池电堆的系统复杂度。


技术实现要素：

20.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池极板、双极板及燃料电池电堆。
21.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
22.一种燃料电池极板，所述的极板一面为气体流道面，另一面为冷却流道面，所述的气体流道面上位于燃料电池活性区域设有气体流道，所述的冷却流道面上设有用于流通相变流体的相变流体通道，所述的相变流体通道完全覆盖燃料电池活性区域且相变流体通道所占面积大于双极板的活性区域面积。
23.优选地，所述的相变流体通道包括首尾相接的曲状流道。
24.优选地，所述的曲状流道包括蛇形流道。
25.优选地，所述的相变流体通道所占区域面积大于双极板的活性区域面积的20％～50％。
26.优选地，所述的极板上分别设有氧化气体进口、氧化气体出口、燃料气体进口和燃料气体出口。
27.一种燃料电池双极板，包括两块所述的燃料电池极板，分别为第一极板和第二极板，所述的第一极板和第二极板的冷却流道面相互贴合，所述的相变流体通道形成真空封闭流道结构，所述的真空封闭流道结构连通一个用于注入相变流体的相变流体加注口，所述的第一极板上的气体流道用于流通氧化气体形成氧化气体流道，所述的第二极板上的气体流道用于流通燃料气体形成燃料气体流道，所述的氧化气体流道分别连通氧化气体进口和氧化气体出口，所述的燃料气体流道连通燃料气体进口和燃料气体出口。
28.优选地，所述的相变流体加注口设置在第一极板或第二极板上，并连通极板上所对应的相变流体通道。
29.优选地，所述的相变流体包括去离子水、氨、酒精中的任意一种。
30.一种燃料电池电堆，所述的燃料电池电堆包括若干依次堆叠的双极板和膜电极，所述的双极板采用所述的燃料电池双极板。
31.一种燃料电池电堆，所述的燃料电池电堆包括若干依次堆叠的双极板和膜电极，所述的双极板采用所述的燃料电池双极板，所述的燃料电池电堆两端的端板节和底板节分别包括所述的燃料电池极板，所述的端板节和底板节还分别包括盖板，所述的盖板一面为平面，另一面为与所述的燃料电池极板适配的冷却流道面，所述的冷却流道面设有与所述的燃料电池极板上相变流体通道一致的相变流体通道，所述的燃料电池极板和盖板的冷却流道面相互贴合，所述的相变流体通道形成真空封闭流道结构，所述的真空封闭流道结构连通一个用于注入相变流体的相变流体加注口。
32.与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
33.(1)本实用新型通过设置相变流体通道将相变流体封装在双极板内部，利用相变流体的相变潜热实现双极板的散热，可以减少双极板上对应的反应区的温度梯度，降低从反应区到相变流体间的传热温差，提高电堆热管理系统携带热量的能力，满足高功率热管理冷却系统的散热需求；
34.(2)本实用新型在双极板层面，取消了冷却液入口和冷却液出口，在燃料电池电堆层面，取消了冷却液入口接口与冷却液出口接口，从而双极板层面不存在冷却液进出双极板，电堆层面，也不存在冷却液进出电堆，在做到有效散热的情况下简化了设计。
附图说明
35.图1为本实用新型燃料电池极板(第一极板)气体流道面的结构示意图；
36.图2为本实用新型燃料电池极板(第二极板)气体流道面的结构示意图；
37.图3为本实用新型燃料电池极板(第一极板)冷却流道面的结构示意图；
38.图4为本实用新型燃料电池极板(第二极板)冷却流道面的结构示意图；
39.图5为本实用新型燃料电池双极板的侧视图；
40.图6为本实用新型燃料电池电堆的爆炸图；
41.图7为本实用新型实施例4中燃料电池电堆的端板节第一爆炸图；
42.图8为本实用新型实施例4中燃料电池电堆的端板节第二爆炸图；
43.图9为本实用新型实施例4中燃料电池电堆的底板节第一爆炸图；
44.图10为本实用新型实施例4中燃料电池电堆的底板节第二爆炸图；
45.图中，1为第一极板，2为第二极板，3为空气进口，4为空气出口，5为氢气进口，6为氢气出口，7为相变流体通道，8为相变流体加注口，9为双极板，10为膜电极，11为端板节，12为底板节，13为端板，14为底板，15为第一集流板，16为第二集流板，17为第一绝缘板，18为第二绝缘板，19为紧固螺栓，20为氢气进口接口，21为氢气出口接口，22为空气进口接口，23为空气出口接口，1-1空气流道，2-1为氢气流道，1-2为空气流道面密封件，2-2为氢气流道面密封件，11-1为端板节极板，11-2为端板节盖板，12-1为底板节极板，12-2为底板节盖板。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式
的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。
47.实施例
48.实施例1
49.本实施例提供一种燃料电池极板，极板一面为气体流道面，另一面为冷却流道面，气体流道面上位于燃料电池活性区域设有气体流道，冷却流道面上设有用于流通相变流体的相变流体通道7，相变流体通道7完全覆盖燃料电池活性区域且相变流体通道7所占面积大于双极板的活性区域面积。
50.相变流体通道7包括首尾相接的曲状流道，曲状流道包括蛇形流道，相变流体通道7无流体进口与流体出口。相变流体通道7所占区域面积大于双极板的活性区域面积的20％～50％。极板上分别设有氧化气体进口、氧化气体出口、燃料气体进口和燃料气体出口。
51.如图1所示，当燃料电池极板的气体流道用于流通氧化气体时，形成氧化气体流道，如图2所示，当燃料电池极板的气体流道用于流通燃料气体时，形成燃料气体流道，本实施例中，氧化气体采用空气，燃料气体采用氢气，因此形成空气流道1-1和氢气流道2-1。在每一燃料电池极板上分别设有氧化气体进口、氧化气体出口、燃料气体进口和燃料气体出口，在本实施例中即为空气进口3、空气出口4、氢气进口5和氢气出口6。
52.如图3和图4所示，燃料电池极板的另一面设置上述的相变流体通道7，在其中一个极板上设置相变流体加注口8。
53.实施例2
54.如图5所示，本实施例提供一种燃料电池双极板，包括两块燃料电池极板，分别为第一极板1和第二极板2，第一极板1和第二极板2的冷却流道面相互贴合，相变流体通道7形成真空封闭流道结构，真空封闭流道结构连通一个用于注入相变流体的相变流体加注口8，第一极板1上的气体流道用于流通氧化气体形成氧化气体流道，第二极板2上的气体流道用于流通燃料气体形成燃料气体流道，氧化气体流道分别连通氧化气体进口和氧化气体出口，燃料气体流道连通燃料气体进口和燃料气体出口。相变流体加注口8设置在第一极板1或第二极板2上，并连通极板上所对应的相变流体通道7。相变流体包括去离子水、氨、酒精中的任意一种。
55.本实施例中第一极板1结构如图1和图2所示，第二极板2结果如图3和4所示，具体结构与实施例1完全一致，本实施例中不再赘述。在第一极板1的空气流道1-1面设置空气流道面密封件1-2，第二极板2的氢气流道2-1面设置氢气流道面密封件2-2。双极板内部的相变流体通道7通过相变流体加注口8抽真空后，再通过相变流体加注口8充入相变流体，并密封；标态下，液态的相变流体的体积占相变流体通道7的体积50％～70％。在双极板内部的相变流体通道7充入相变流体后，相变材料受热后，由液态变成气态，将热量传递到出去，实现双极板的燃料电池双极板的散热，具体地，液态相变材料受热后变成气态，由于相变流体通道7位于双极板的活性区域外部的地方温度较低，因此气态相变材料向外侧流动，从而实现散热，当温度降低后，气态相变材料液化成液态，再次进入相变流体通道7中位于双极板的活性区域处，从而实现自循环降温。
56.实施例3
57.本实施例提供一种燃料电池电堆，燃料电池电堆包括若干依次堆叠的双极板9和
膜电极10，双极板9采用实施例2中的燃料电池双极板。位于首部的燃料电池双极板9向前依次设置第一集流板15，第一绝缘板17和端板13，位于尾部的燃料电池双极板9向后依次设置第二集流板16，第二绝缘板18和底板14，端板13、第一绝缘板17、第一集流板15、若干双极板9、第二集流板16，第二绝缘板18和底板14通过紧固螺栓19固定。端板13上设置氢气进口接口20、氢气出口接口21、空气进口接口22和空气出口接口23。
58.实施例4
59.本实施例提供一种燃料电池电堆，不同于实施例1，如图6所示，本实施例燃料电池电堆首末两个双极板9设置成端板节11和底板节12结构，其余均和实施例1相同。
60.如图7～10所示，燃料电池电堆两端的端板节11和底板节12分别包括燃料电池极板，端板节11和底板节12还分别包括盖板，盖板一面为平面，另一面为与燃料电池极板适配的冷却流道面，冷却流道面设有与燃料电池极板上相变流体通道7一致的相变流体通道7，燃料电池极板和盖板的冷却流道面相互贴合，相变流体通道7形成真空封闭流道结构，真空封闭流道结构连通一个用于注入相变流体的相变流体加注口8。
61.具体地，如图7和8所示，端板节11包括端板节极板11-1和端板节盖板11-2，端板节极板11-1的结构与实施例2中的第二极板2结构完全一致，端板节极板11-1上的气体流道用于流通燃料气体形成燃料气体流道，本实施例中燃料气体为氢气，因此形成氢气流道2-1。端板节盖板11-2一面为平面，另一面为与端板节极板11-1适配的冷却流道面，其上的相变流体通道7与端板节极板11-1上相变流体通道7完全一致，同时端板节盖板11-2上对应设置空气进口3、空气出口4、氢气进口5和氢气出口6。
62.同理，如图9和10所示，底板节12包括底板节极板12-1和底板节盖板12-2，底板节极板12-1的结构与实施例2中的第一极板1结构完全一致，底板节极板12-1上的气体流道用于流通氧化气体形成氧化气体流道，本实施例中氧化气体为空气，因此形成空气流道1-1。底板节盖板12-2一面为平面，另一面为与底板节极板12-1适配的冷却流道面，其上的相变流体通道7与底板节极板12-1上相变流体通道7完全一致，同时底板节盖板12-2上对应设置空气进口3、空气出口4、氢气进口5和氢气出口6。
63.本实用新型燃料电池电堆仅存在氢气进口接口20、氢气出口接口21、空气进口接口22和空气出口接口23，共计四个接口，不再使用冷却液进口与冷却液出口。双极板9内的相变流体通道7通过内部流体的相变，将燃料电池内部的热量携带离开反应区。
64.本实用新型通过设置相变流体通道7将相变流体封装在双极板9内部，利用相变流体的相变潜热实现双极板9的散热，可以减少双极板9上对应的反应区的温度梯度，降低从反应区到相变流体间的传热温差，提高电堆热管理系统携带热量的能力，满足高功率热管冷却系统的散热需求。
65.上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。