一种外冷却型液冷燃料电池双极板、共用型双极板、电堆和并联电堆

摘要

本实用新型涉及一种外冷却型液冷燃料电池双极板、共用型双极板、电堆和并联电堆，所述双极板由单片极板构成，该极板中间区域与膜电极接触，传导电子，该极板延伸形成的两侧翅片为散热区域。将冷却翅片合围形成电堆的外冷却腔，冷却介质流经外冷却腔将电堆内部产生的热量带出去，最后通过散热片散至周围环境中。本实用新型消除了两片极板做双极板所产生的接触电阻以及金属双极板焊缝处的腐蚀，提高了电池性能和双极板的使用寿命，进一步提高电池的使用寿命；降低了双极板厚度，提高了体积比功率；减少了冷却介质流经双极板中间的冷却腔阻力大所消耗的能量；消除了冷却液在由两片极板做双极板的冷却腔内热胀冷缩所引起的对膜电极产生的挤压变化，提高膜电极的稳定性。

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于燃料电池技术领域，具体涉及一种适用于液冷技术的燃料电池双极板。

背景技术

传统的质子交换膜燃料电池电堆由端板、绝缘板、集流板、多个双极板与膜电极交互叠放组成的重复单元、另一侧的集流板、绝缘板、端板构成。双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件之一，起到分隔氧化剂和还原剂、分布反应物、生成物、生成热、收集传导电流的重要作用。

在液冷型燃料电池中，双极板主要有石墨双极板、金属双极板和复合双极板等，一般都采用焊接或粘结的方法将两层极板（阳极板和阴极板）复合在一起，中间形成冷却腔体。普遍采用水或其他冷却剂作为导热载体，流经双极板中间的冷却腔，将燃料电池工作过程中产生的热量通过循环带出来，再通过散热器传至周围环境中或者作为热电联供的优质热源加以利用。

薄金属冲压双极板与膜电极接触的表面需要做提高电导率防腐蚀处理，中间冷却腔的内表面一般不做处理，本身接触电阻大，经过电池长时间运转，内部电阻进一步增大，焊缝部位也容易出现腐蚀，漏气。采用石墨双极板时，要保证基板的强度和中间冷却通道合理畅通，所雕刻或模压加工的阳极板和阴极板都要保证一定强度和厚度，所以复合成的双极板厚度更厚、笨重。复合双极板都存在一些限制其应用环境和提高性能的因素，如石墨双极板抗震性差，无法制造得更轻薄，装配力难于控制，成本高；复合双极板的两侧是阳极石墨流场和阴极石墨流场贴敷在经过提高电导率防腐蚀处理的薄金属板表面，中间冷却液流场是预制后贴敷进去的，四周用胶体压合密封，结构复杂，电池长时间运转，冷却腔内溶液被腐蚀，导致内阻增大，电池性能下降，胶体开裂导致串气漏气，电池失效。石墨双极板和复合双极板虽然在机械强度方面有了长足进步，但由于其采用的材料及零部件较多，加工装配相对繁琐，其质量比功率、体积比功率也难于进一步提高，成本也难于进一步降低。相对而言，金属双极板可以加工非常轻薄，在质量比功率、体积比功率方面均有大幅提高，同时能够满足导电性优良、传热性好、机械强度高等要求。而且采用冲压加工极板，适于大规模生产，可以严格控制其成本。

实用新型内容

针对实际使用中的液冷型燃料电池所用中间为冷却腔的双极板，所存在的两层极板之间接触电阻大、焊缝易被腐蚀开裂，双极板结构复杂、制备成本高、厚度增加电阻大等问题，本实用新型使用单层极板制备出双极板，具备双极板的所有功能，因此制造和后续的装配工序都相对简单，非常适于大规模加工制造同时降低成本，并得到实际应用。本实用新型进一步了提高电堆本体的质量比功率和体积比功率。

本实用新型的具体技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种外冷却型液冷燃料电池双极板，双极板由带有流场单片极板构成，单片极板包括反应区域和反应区域两侧的冷却翅片，反应区域包括流场，所述流场的两个宽度方向设有燃料进出口和氧化剂进出口。该极板中间反应区域，与膜电极接触，传导电子，该极板的两侧翅片为散热区域。

另一方面，本实用新型还提供了一种外冷却型液冷燃料电池共用型双极板，所述共用型双极板由单片极板构成，所述单片极板包括中间区域和中间区域两侧的冷却翅片，所述中间区域包括至少两个反应区域，相邻的两个反应区域之间设有冷却翅片；任一所述反应区域均包括流场，任一流场的两个宽度方向均设有燃料进出口和氧化剂进出口。

基于以上技术方案，优选的，所述燃料进出口位于流场的对角线方向，所述氧化剂进出口位于流场的另一对角线方向。

基于以上技术方案，优选的，所述流场以及燃料进出口和氧化剂进出口的周边均用密封胶或密封胶线密封。

基于以上技术方案，优选的，所述冷却翅片的位置设有加强筋。

基于以上技术方案，优选的，所述双极板可以为金属冲压板，也可以为石墨雕刻板，石墨模压板或金属板-石墨流场复合双极板。

基于以上技术方案，优选的，所述薄金属冲压板的流场、公共管道进出口（燃料进出口和氧化剂进出口）、定位孔、电堆禁锢螺栓穿孔、冷却翅片的加强筋通过冲压制得，相邻两个双极板的流场构成为镜像结构，薄金属板可以为不锈钢、铝板、钛及钛合金中的一种，流场部分做提高电导防腐蚀处理，冷却部分做绝缘防腐蚀处理。

基于以上技术方案，优选的，所述石墨雕刻板的流场、公共管道进出口（燃料进出口和氧化剂进出口）、定位孔、电堆禁锢螺栓穿孔、冷却部分的加强筋（也可以没有）通过机加工制得，相邻两个双极板的流场构成为镜像结构。

基于以上技术方案，优选的，所述石墨模压板的流场、公共管道进出口（燃料进出口和氧化剂进出口）、定位孔、电堆禁锢螺栓穿孔、冷却部分的加强筋通过模压加工制得，相邻两个双极板的流场构成为镜像结构。

基于以上技术方案，优选的，所述金属板-石墨流场复合双极板的公共管道进出口（燃料进出口和氧化剂进出口）、定位孔、电堆禁锢螺栓穿孔、冷却翅片的加强筋通过冲压或线切割薄金属板制得；石墨流场是靠模压柔性石墨制得；金属板的流场部分做提高电导防腐蚀处理，冷却部分做绝缘防腐蚀处理。

再一方面，本实用新型提供了一种包括上述非共用型双极板的电堆，所述电堆包括依次设置的端板、绝缘板、集流板、多个双极板与膜电极交互叠放组成的重复单元、另一侧的集流板、绝缘板、端板；双极板的冷却翅片部分超出电堆本体，将冷却翅片合围形成电堆的外冷却腔，冷却介质流经外冷却腔将电堆内部产生的热量带出去，最后通过系统外部散热片散至周围环境中或作为优质热源加以利用。

本实用新型还提供了一种包括上述共用型双极板的燃料电池并联电堆，所述共用双极板，组装成多个并联电堆结构，电堆之间由共用型双极板中反应区域之间的冷却翅片部分连接，将电堆中共用型双极板两侧的冷却翅片合围，以及反应区域之间的冷却翅片合围，共同向形成电堆的冷却腔；如果不共用双极板，多个电堆也可以形成串联或并联方式连接。

有益效果

1.本实用新型消除了两片极板做双极板所产生的接触电阻以及金属双极板焊缝处的腐蚀，提高了电池性能以及双极板的使用寿命，进一步提高电池的使用寿命；

2.本实用新型用单片极板做双极板，降低了双极板厚度，提高了体积比功率；

3.由于受限于双极板材料的导热系数，每节膜电极和双极板的流场不宜太宽，所以要获得较大的电流，需将电堆设计成共用型双极板组装形成的并联电堆结构，所以根据用户要求，本实用新型具有灵活多变的装配形式和设计方案；

4.本实用新型减少了冷却介质流经双极板中间的冷却腔阻力大所消耗的能量；

5.本实用新型消除了冷却液在由两片极板做双极板的冷却腔内热胀冷缩所引起的对膜电极产生的挤压变化，提高膜电极的稳定性，提高了电池的使用寿命；

6.将本实用新型的电堆外冷却腔可以直接用做系统冷却液箱（相当于汽车的水箱），提高了系统的整体性。

附图说明

图1为外冷却型液冷燃料电池双极板示意图；

图2为外冷却型液冷燃料电池电堆构成示意图；

图3为外冷却型液冷燃料电池电堆示意图；

图4为外冷却型液冷燃料电池性能图；

图5为外冷却型液冷燃料电池共用双极板示意图；

图6为外冷却型液冷燃料电池共用双极板电堆示意图；

图7为外冷却型液冷燃料电池并联电堆示意图；

图 8为外冷却型液冷燃料电池并联电堆性能图；

示意图说明：1. 双极板反应区域；2. 双极板冷却翅片；3. 双极板流场；4.燃料（氢气）进出口；5. 氧化剂（空气）进出口；6. 密封线；7. 固定用螺栓通孔；8. 加强筋；9.端板及电堆外壳；10. 绝缘板；11. 集流板；12. 双极板；13. 密封圈；14. 膜电极；15. 冷却液进口；16. 冷却液出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

按照图1，以一片基材厚度为0.1mm的316不锈钢冲压得到双极板形状，图中双极板中间区域为反应区域1，上下两侧为冷却翅片2，反应区域中央部分为流场3，同一膜电极的两侧的两个双极板的流场3形状为镜面对称，以防止对膜电极进行剪切，冲压得到的燃料（氢气）进出口4以及氧化剂（空气或氧气）进出口5都分别为对角线布局，双极板正反两面的对应位置上都有密封圈6对膜电极进行密封，防止漏气和窜气，冲压出的固定电堆用的螺栓通孔7，用螺栓固定时，螺栓外套绝缘热塑管等，以防止短路。冲压得到加强筋8是为了保证双极板冷却翅片有一定强度，保持平整状态，避免和其他双极板短接。流场部分做提高电导防腐蚀处理，冷却部分做绝缘防腐蚀处理。

电堆由端板9、绝缘板10、集流板11、多个双极板12与膜电极14交互叠放组成的重复单元、膜电极两侧用密封圈13密封，另一侧的集流板、绝缘板、端板构成；双极板的冷却翅片部分2超出电堆本体区域1，将冷却翅片2合围形成电堆的外冷却腔和端板形成一个整体9。如图3所示，冷却介质经冷却腔进口15进入电堆模块内部，按箭头方向进行流动，带走电池产生的热量，由冷却腔出口16带出电池热量，最后通过系统外部散热片散至周围环境中或作为优质热源加以利用。

按照本实用新型技术，将单片不锈钢板冲压成双极板，流场部分镀银提高电导防腐蚀性能，冷却部分热喷涂复合改性氟碳树脂做绝缘防腐蚀处理。组装成60节外冷却型液冷燃料电池电堆，电极有效面积100cm

实施例2

按照图5，以一片基材厚度为0.1mm的316不锈钢冲压得到具有对角线布局燃料（氢气）进出口4以及氧化剂（空气或氧气）进出口5、螺杆通孔7、加强筋8的双极板形状，其中中间区域有两个反应区域1，上下两侧和两个反应区中间为冷却翅片2。反应区域1中央部分为流场3，流场3选用预制出的柔性石墨流场，同一膜电极的两侧的两个双极板的流场3形状为镜面对称，以防止对膜电极进行剪切。双极板正反两面的对应位置上都有密封圈6环绕气体进出口4-5和柔性石墨流场3对膜电极14进行密封，防止漏气和窜气。冲压出的固定电堆用的螺栓通孔7，用螺栓固定时，螺栓外套绝缘热塑管等，以防止短路。冲压得到的加强筋8是为了保证双极板冷却翅片有一定强度，保持平整状态，避免和其他双极板短接。

电堆由端板9、绝缘板10、集流板11、多个双极板12与膜电极14交互叠放组成的重复单元、膜电极两侧用密封圈13密封，另一侧的集流板、绝缘板、端板构成；两个电堆共用同一块双极板，如图6所示，双极板的冷却翅片2在两个电堆本体区域1之外，形成了三个冷却腔，分别位于上侧电堆之上、两个电堆之间和下侧电堆之下，如图7所示，冷却介质经冷却腔进口15进入下冷却腔，再按箭头方向进行流动，进入中冷却腔和上冷却腔，带走电池产生的热量，由冷却腔出口16带出电池热量，最后通过系统外部散热片散至周围环境中或作为优质热源加以利用。

按照本实用新型技术，组装成两个30节外冷却型液冷燃料电池电堆，这两个电堆共用双极板，双极板的流场部分镀银提高电导防腐蚀性能，冷却部分热喷涂复合改性氟碳树脂做绝缘防腐蚀处理。电极有效面积100cm

对比例1

以市购三片传统形状的双极板和两片膜电极组装成燃料电池短堆，测试条件与实施例1相同，电池最大可以输出0.6kW。经测试，上述燃料电池短堆运转2200小时后，无法稳定运行。