一种燃料电池阴极开放式金属双极板及无人机

1.本实用新型属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池阴极开放式金属双极板及无人机。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.以燃料电池为动力系统的无人机兼具燃油动力的长续航优点和电池动力的无震动和噪音的优点。为无人机在复杂的工作环境提供了更好的动力选择。有望成为新一代无人机动力源。燃料电池通过氢气和氧气的电化学反应产生电能；当氢气供应到燃料电池中时，氢在氢反应极分解为氢离子和电子；氢离子通过电解质膜在氧气反应极遇到氧气，并产生水和电，这样就可以长时间为无人机供电；由于可以很容易地从大气中获取氧气，因此，无人机燃料电池只需提供氢气即可工作。燃料电池的优势可总结如下：a)、没有直接污染、噪音低，b)、这种电池是由能量密度非常高的氢气提供能量，c、氢气的质量能量密度是锂离子电池的150倍！这一点足以显示氢燃料电池在无人机领域应用的优势。
4.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，是目前市场上最受欢迎的燃料电池。质子交换膜燃料电池空冷电堆用空气取代水作为电堆的冷却剂，减少了电堆系统的bop(辅助设备)，被广泛应用于便携电源、无人机等领域。质子交换膜燃料电池电堆具有双极板和膜电极两个关键部件，其中双极板重量占整个电池电堆的80％。双极板分为两类，一类是石墨双极板，另一类是金属双极板。石墨双极板体积大且易碎，一般只作为静置电源(参见表1)。可移动的电源以金属双极板为主，主流的产品是316l不锈钢金属双极板。在空天领域对重量非常敏感，钛是一种新型航空材料，其强度和耐腐蚀性都比不锈钢好，其密度(4.8g/cm3)低于不锈钢(7.8g/cm3)，采用纯钛或钛合金做双极板基材可将整个电堆质量大幅减小。无论是质量功率密度角度还是从负载经济性角度考虑都有重要的现实意义。
5.目前，空冷燃料电池金属阴极板的成型是技术难点。在阴极板侧，流经流道沟槽的空气不仅参与反应，还需要带走反应产生的热量。为了达到有效散热，空气的流量要足够大，有时高达反应计量的100倍。这就要求阴极板流道沟槽的横截面要尽量大。为了增加阴极板流道沟槽的横截面积就需要尽量增加流道沟槽的深度，但一定厚度的金属板材的冲压成型深度存在极限，超过极限后会导致针孔或撕裂等缺陷。一般来说，要求阴极板的沟槽深度是材料厚度的十倍甚至以上，而且成型的圆角小于材料的厚度。虽然金属板材具有一定的延展率，普通的冲压成型仍然无法实现上述要求，材料破裂是失效的主因。


技术实现要素：

6.本实用新型为了解决上述问题，提出了一种燃料电池阴极开放式金属双极板及无
人机，本实用新型中反应空气和散热空气共用阴极流道，氢气利用阳极流道，而中间板分隔了阴、阳流道，粘结在中间板上的阴、阳极密封圈把空气和氢气分隔开来，并保证氢气不会泄漏。
7.根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：
8.第一个方面，本实用新型提供了一种燃料电池阴极开放式金属双极板。
9.一种燃料电池阴极开放式金属双极板，包括：
10.从上至下依次的阳极密封圈、阳极流道板、中间板、阴极密封圈和阴极流道板。
11.进一步地，所述阳极密封圈与阳极流道板相邻的一面设有若干凸起。
12.进一步地，所述阳极密封圈将所述阳极流道板的周边封闭，且阳极密封圈固定在中间板上。
13.进一步地，所述中间板由薄金属平板经冲压或者激光切割制成。
14.进一步地，所述阴极密封圈至少设有两块，一块阴极密封圈设置在阴极流道板的一端，另一块阴极密封圈设置在阴极流道板的另一端。
15.进一步地，所述中间板的两端上设有第一氢气进口和第一氢气出口，一块阴极密封圈上设有第二氢气进口，另一块阴极密封圈上设有第二氢气出口；
16.所述中间板与一块阴极密封圈粘接后，第一氢气进口与第二氢气进口重叠形成氢气进口；所述中间板与另一块阴极密封圈粘接后，第一氢气出口与第二氢气出口重叠形成氢气出口。
17.进一步地，所述阳极流道板和阴极流道板均采用多条平行的直线型流道板。
18.进一步地，所述阳极流道板和阴极流道板均采用波纹型或者瓦楞型的流道。
19.进一步地，所述阳极密封圈和阴极密封圈均采用弹性密封圈。
20.第二个方面，本实用新型提供了一种无人机。
21.一种无人机，采用第一个方面所述的燃料电池阴极开放式金属双极板。
22.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
23.本实用新型的阴、阳极密封圈是由具有弹性的材料制成，组装完成后，密封圈的高度与阴、阳极流场板高度适配，从而使燃料电池的膜电极被适当地压紧。
24.本实用新型的阴、阳极流道板和中间板可由冲压、滚压和切割成型，阴、阳极密封圈也可由切割，模塑和涂胶方式制造，部件的组装也可通过涂胶粘接方式完成。由于这些制造工序相对简单，非常适合大规模加工制造同时降低成本。
25.本实用新型中反应空气和散热空气共用阴极流道，氢气利用阳极流道，而中间板分隔了阴、阳流道，粘结在中间板上的阴、阳极密封圈把空气和氢气分隔开来，并保证氢气不会泄漏。
附图说明
26.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
27.图1是本实用新型示出的金属双极板组装图；
28.图2是本实用新型示出的中间板的结构图；
29.图3是本实用新型示出的阴极流道板的结构图；
30.图4是本实用新型示出的阳极流道板的结构图；
31.图5是本实用新型示出的阴极密封圈的结构图；
32.图6是本实用新型示出的阳极密封圈的结构图；
33.图7是本实用新型示出的阴极侧组装示意图；
34.图8是本实用新型示出的阳极侧组装示意图；
35.其中，1、阳极密封圈，2、阳极流道板，3、中间板，4、阴极密封圈，5、阴极流道板，6、凸起，7、氢气入口，7a、第一氢气进口，7b、第二氢气进口，8、氢气出口，8a、第一氢气出口，8b、第二氢气出口。
具体实施方式：
36.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。
40.本实用新型中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。
41.实施例一
42.本实施例提供了一种燃料电池阴极开放式金属双极板。
43.如图1所示，金属双极板包括阳极密封圈1、阳极流道板2、阴极密封圈4和阴极流道板5；以上这些部件通过粘结方式固定在中间板3上面。阳极密封圈1和阳极流道板2提供了氢气的流通通道，为燃料电池的阳极提供燃料。阴极密封圈4和和阴极流道板5提供了空气的流通通道，为燃料电池的阴极提供氧气并且为燃料电池冷却提供空气。
44.如图2所示，中间板3由薄金属平板经冲压或者激光切割制成，厚度为0.05
–
0.5之间，中间板3的两端上设有第一氢气进口7a和第一氢气出口8a，一块阴极密封圈上设有第二氢气进口7b，另一块阴极密封圈上设有第二氢气出口8b；中间板3与一块阴极密封圈粘接后，第一氢气进口7a与第二氢气进口7b重叠形成氢气进口7；中间板3与另一块阴极密封圈1粘接后，第一氢气出口8a与第二氢气出口8b重叠形成氢气出口8。
45.如图3所示，阴极流道板5为多条平行的直线型流道，在流场的两侧保持和周围环境连通，而在流场的另外两侧和阴极密封圈4相接。流道为波纹型或者瓦楞型，并通过粘结
等方式固定在中间板上，每条流道的高度(包括金属板厚度)为1.0
–
3.0mm，相邻流道之间的宽度为1.5
–
3.0mm。流道板采用冲压、液压、辊压成型等方式生产。
46.如图4所示，阳极流道板2为多条平行的直线型流道，流场的周边被阳极密封圈1所封闭，以防氢气泄漏。流道为波纹型或者瓦楞型，并通过粘结等方式固定在中间板上，每条流道的高度(包括金属板厚度)为0.5
–
1.0mm，相邻流道之间的宽度为1.0
–
2.0mm。阳极流道板2采用冲压、液压、辊压成型等方式生产。
47.如图5所示，阴极密封圈4为有弹性的密封材料构成，可采用的材料包括三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅胶以及聚异丁烯等。密封件的选择应考虑其在工作期间的温湿度变化、化学物质腐蚀、气体渗漏、绝缘性和吸收冲击振动等性能。阴极密封圈4厚度为阴极流道板5高度的1.0～1.2倍。阴极密封圈4由两块密封圈组成，并通过粘结等方式固定在中间板3上，其中一块密封圈上有第一氢气进口7b，另一块密封圈上有第二氢气出口8b。
48.如图6所示，阳极密封圈1为有弹性的密封材料构成，可采用的材料包括三元乙丙橡胶、氟橡胶、硅胶以及聚异丁烯等。阳极密封圈1厚度为阳极流道板2高度的1.0～1.2倍。阳极密封圈1通过粘结等方式固定在中间板3上，并且在密封圈的内侧有凸起6可以改变流体流动的方向，使氢气可以按照图6所示方向流动。
49.如图7所示，阴极侧包括阴极流道板5和阴极密封圈4，并通过粘结等方式固定在中间板3上。阴极流道板5提供空气流通的槽道。当空气流过阴极流道板5的时候，可以为燃料电池的阴极提供反应所需的氧气，同时也可以把燃料电池放出的热量带走。
50.如图8所示，阳极侧包括阳极流道板2和阳极密封圈1，并通过粘结等方式固定在中间板3上。氢气通过氢气入口7进入阳极流道沟槽，直行到沟槽的另一端部，在密封圈内凸起6的导引下，氢气流进行180度的转弯，再次进入阳极流道沟槽。经过多次这样的直行、转弯、直行后，氢气流进入氢气出口8；增加氢气的流经的长度和利用率。
51.阴、阳极流道板和中间板由导电的金属薄板制作而成，为了满足燃料电池工作要求，金属板的表面还包括了防腐导电涂层。
52.实施例二
53.本实施例提供了一种无人机。
54.一种无人机，采用实施例一所述的燃料电池阴极开放式金属双极板。
55.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。