风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构制造技术

公开了一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，双极板结构中，阳极板氢气流动方向与阴极空气流动方向垂直，即采用交叉流设计。沿垂直流动方向，在阴极板或阳极板上进行开槽结构设计，开槽轮廓与阳极板氢气流道或阴极板空气流道外轮廓相匹配，开槽深度可调。相比传统双极板，本发明专利技术中的开槽结构设计一方面大幅降低了双极板厚度，从而可以有效降低单电池厚度和电堆体积，而开槽设计也有效降低了双极板重量，进而可显著提升风冷电堆功率密度；另一方面，阳极或阴极流道嵌入阴极或阳极流道的结构设计提升了反应气体向催化层方向的对流传输，有利于提升燃料电池性能。有利于提升燃料电池性能。有利于提升燃料电池性能。

【技术实现步骤摘要】
风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构


[0001]本专利技术属于风冷氢燃料电池
，特别是一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种将氢和氧化物中的化学能直接转化为电能的一种电化学反应动力装置，是实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标的重要技术路线之一，具有零污染、效率高、能量密度大、动态响应迅速等优势。除电能外，氢燃料电池工作过程中还会释放大量废热。为保证燃料电池在正常温度区间内工作，需设计冷却结构保证其散热需求。目前燃料电池冷却方式主要包括水冷和风冷两种，前者使用冷却水在设计好的燃料电池冷却流道内流动来满足燃料电池散热需求，后者则无需专门的冷却流道，仅依靠阴极空气流动带走燃料电池产生的废热。一般来说，水冷散热效果远远好于风冷，但系统结构复杂，一般适用于功率大于10kW的燃料电池，如：燃料电池汽车；相比之下，尽管风冷散热效果欠佳，但大大降低了系统复杂程度，在功率小于5kW的小型燃料电池中应用非常广泛，如：燃料电池无人机、水下潜航器等。
[0003]相比目前广为应用的锂离子电池，氢燃料电池在长续航场景下具有显著优势。例如：传统锂离子电池无人机续航时间一般仅为半小时左右，而采用氢燃料电池则可将续航时间提高到几个小时。不仅如此，燃料电池加氢时间远远小于锂电池充电时间。因此，采用风冷氢燃料电池代替锂离子电池作为无人机动力源在近几年受到了广泛关注。尽管如此，考虑到无人机轻量化需求，当前使用的风冷氢燃料电池仍然需要大幅降低体积和重量。
[0004]氢燃料电池主要包括双极板和膜电极两部分，膜电极又包括质子交换膜、催化层、微孔层和气体扩散层等部件，其中质子交换膜处于中间位置，两侧则分别为阳极侧和阴极侧，起到传导质子和隔绝气体与电子的作用。催化层则是燃料电池电化学反应发生的场所。由于单一燃料电池工作电压仅为0.6
‑
0.8V，难以满足实际需求，因此往往将几十片单电池串联组成燃料电池堆进行供电。在风冷氢燃料电池堆中，双极板两面分别设计有阳极流场和阴极流场结构，分别为氢气和空气从外界向催化层参与电化学反应传输提供通道，除此之外，双极板还起到排出电化学反应生成水，传导电子和提供机械支撑等作用。一般而言，双极板体积和重量可占氢燃料电池堆的80％以上。因此，对双极板结构进行优化设计，从而降低双极板厚度是降低燃料电池堆体积和重量，提升电池功率密度的核心内容。
[0005]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构,在不影响燃料电池功率输出的前提下降低双极板厚度和重量，从而降低电堆体积和重量，提升电堆功率密度。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构包括，
[0008]阳极板，其在第一方向延伸，所述阳极板包括多个沿第一方向延伸的氢气流道；
[0009]阴极板，其在第一方向延伸，所述阴极板包括多个沿第二方向延伸的空气流道；
[0010]多个槽口，其沿第二方向排布于所述空气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述氢气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述氢气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离，或者，多个所述槽口沿第一方向排布于所述氢气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述空气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述空气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离。
[0011]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
[0012]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道阵列分布于阳极板，所述空气流道阵列分布于阴极板。
[0013]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道和所述空气流道为直流道或蜿蜒流道。
[0014]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述氢气流道和所述空气流道的横截面为矩形、梯形。
[0015]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，阳极板和阴极板的厚度均为0.15mm，空气流道的宽度和高度均为1.0mm，氢气流道宽度为1.0mm，高度为0.4mm。
[0016]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，空气流道的槽口的开槽深度大于1mm，开槽深度0.4mm。
[0017]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，空气流道的槽口的开槽深度为1.3mm。
[0018]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，所述阳极板和阴极板为阵列的凹凸结构。
[0019]所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构中，双极板结构的材料包括金属或石墨。
[0020]和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：结构简单，易于加工，可显著降低双极板厚度和重量，进而大幅降低风冷氢燃料电池堆体积和重量。同时，该结构使得阳极板或阴极板流道嵌入阴极或阳极流道中，促进空气或氢气向催化层的对流传输，强化传质，提升燃料电池极限电流密度。而且，流道高度的降低也使相同进气流量下，进气速度增大，提高了风冷氢燃料电池堆散热能力。
附图说明
[0021]通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得
其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0022]在附图中：
[0023]附图1为嵌入式超薄双极板结构爆炸图；
[0024]附图2为嵌入式超薄双极板结构示意图；
[0025]附图3为基于阴极板开槽的一种嵌入式超薄双极板结构示意图；
[0026]附图4为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池计算域示意图；
[0027]附图5为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池极化曲线示意图；
[0028]附图6为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池催化层中氧气浓度分布示意图；
[0029]附图7为传统双极板与嵌入式超薄双极板对应氢燃料电池催化层中温度分布示意图。
[0030]以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的解释。
具体实施方式
[0031]下面将参照附图1至图7更详细地描述本专利技术的具体实施例。虽然附图中显示了本专利技术的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本专利技术，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0032]需要说明的是，在说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，其包括，阳极板，其在第一方向延伸，所述阳极板包括多个沿第一方向延伸的氢气流道；阴极板，其在第一方向延伸，所述阴极板包括多个沿第二方向延伸的空气流道；多个槽口，其沿第二方向排布于所述空气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述氢气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述氢气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离，或者，多个所述槽口沿第一方向排布于所述氢气流道的两侧，所述槽口尺寸适配于所述空气流道的轮廓，使得所述阴极板沿第一方向嵌入所述阳极板，所述槽口被所述空气流道闭合使得氢气流道中的氢气和空气流道中的空气相互隔离。2.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，优选的，所述第一方向垂直于所述第二方向。3.根据权利要求1所述的风冷氢燃料电池堆的嵌入式双极板结构，其特征在于，所述氢气流道阵列分布于阳极板，所述空气流道阵列分布于阴极板。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国宾，屈治国，杨海涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：