燃料电池用的气体流道形成组件及燃料电池.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020433206.4 (22)申请日 2020.03.30 (73)专利权人 天能电池集团股份有限公司 地址 313100 浙江省湖州市长兴县煤山镇 工业园区 (72)发明人 范冬琪曹寅亮徐乃涛俞海蛟 孙健徐淳川李文 (74)专利代理机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 代理人 沈金龙 (51)Int.Cl. H01M 8/0258(2016.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种燃料电池用的气体流道形成组件及燃 料电池。

2、 (57)摘要 本实用新型公开了一种燃料电池用的气体 流道形成组件及燃料电池。 所述气体流道形成组 件， 包括至少两块叠放的气体流道形成板， 每块 气体流道形成板上设有间隔排列的通孔， 各气体 流道形成板上的相对应的各一组通孔首尾重叠 贯通形成一条从所述气体流道形成组件的一端 延伸到另一端的气体流道。 本实用新型燃料电池 用的气体流道形成组件通过使用至少两块叠放 的气体流道形成板来组装成气体流道形成组件， 气体在气体流道中流动时在各块气体流道形成 板之间上下交替前行， 实现垂直于流道面的流动 分量， 而相较于采用金属微孔网冲压成型的结构 来说， 制备难度大大降低， 成本降低， 并且也不需 要复。

3、杂的防腐处理工艺， 成型平面没有翘曲现 象。 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 CN 212323041 U 2021.01.08 CN 212323041 U 1.一种燃料电池用的气体流道形成组件， 所述气体流道形成组件设置于膜电极组件与 气体分隔板之间、 用于形成气体流道， 其特征在于， 所述气体流道形成组件包括至少两块叠 放的气体流道形成板， 每块气体流道形成板上设有间隔排列的通孔， 每块气体流道形成板 上的通孔分为多组， 每组通孔包括从气体流道形成板一端到相对的另一端依次排列的多 个， 各气体流道形成板上的相对应的各一组通孔首尾重叠贯通形成一条从所述气体流道形 成组件的一端延伸到另。

4、一端的气体流道。 2.如权利要求1所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 所述气体流道形成组件包括两 块叠放的气体流道形成板， 两块气体流道形成板上相对应的各一组通孔首尾重叠贯通形成 一条气体流道。 3.如权利要求2所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 所述通孔为腰型孔， 远离膜电 极组件一侧气体流道形成板上的腰型孔与靠近膜电极组件一侧气体流道形成板上的腰型 孔长度比为1 12.5。 4.如权利要求3所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 腰型孔的宽度为0.52mm， 长 度15mm。 5.如权利要求3所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 两块气体流道形成板上的腰型 孔长度方向分别偏向两侧。

5、。 6.如权利要求5所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 两块气体流道形成板上首尾重 叠的两个腰型孔长度方向的夹角不小于120 。 7.如权利要求2所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 两块气体流道形成板的厚度比 例为1 1/22。 8.如权利要求1所述的气体流道形成组件， 其特征在于， 所述气体流道形成板使用碳纸 或金属板。 9.一种包含如权利要求18任一所述气体流道形成组件的燃料电池。 10.如权利要求9所述的燃料电池， 其特征在于， 包括若干单体电池， 每块单体电池包括 膜电极组件以及分别设于膜电极组件两侧的所述气体流道形成组件， 所述气体流道形成组 件背离膜电极组件的一侧设有气体分。

6、隔板。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212323041 U 2 一种燃料电池用的气体流道形成组件及燃料电池 技术领域 0001 本实用新型涉及燃料电池技术领域， 特别是涉及一种燃料电池用的气体流道形成 组件及燃料电池。 背景技术 0002 燃料电池的结构包括用作发电的燃料电池单元、 用作燃料电池电流输出的导流板 等， 燃料电池单元由膜电极组件(MEA)和将膜电极组件装夹固定的双极板、 密封胶线组成， 膜电极组件包括电解质层和将电解质层夹在之间的碳纸或者碳布扩散层， 双极板多为金属 表面镀层板， 或者石墨及石墨复合材料板， 密封胶线为弹性密封材料。 0003 双极板表面设有用于通气体的气体。

7、流道， 现有技术中气体流道一般是设置在双极 板表面的沟槽， 比如公开号为CN104795574A的发明公开了一种燃料电池的金属双极板， 包 括阳极金属板与阴极金属板， 阳极金属板与阴极金属板为结构相同的金属极板； 金属极板 具有第一表面和第二表面， 第一表面上具有冲压形成的并行设置的第一流道， 第二表面上 具有冲压形成的并行设置的第二流道； 阴极金属板与阳极金属板叠置， 阴极金属板的第二 表面上的第二流道与阳极金属板的第二表面上的第二流道扣合形成冷却液流道； 阳极金属 板上的第一流道为燃料气体流道， 阴极金属板上的第一流道为氧化气体流道。 但是， 类似该 技术方案中那种结构的气体流道， 无法使。

8、气体高效地向膜电极组件扩散， 发电效率较低。 0004 为了提高燃料电池的发电效率， 公开号为CN109616683A的发明专利申请中提出了 一种冲压成型的微孔新型流场， 可以通过产生垂直于流道面的流动分量来提高气体在膜电 极扩散层中的扩散， 具体结构为： 一种燃料电池用气体流道形成板， 其介于膜电极接合体与 隔板之间进行设置并构成燃料电池的单格电池的分隔件， 具有： 多个凸部， 以在第1方向和 与该第1方向交叉的第2方向上分别排列的方式配置， 所述凸部向所述膜电极接合体突出； 气体流道部， 由包含介于所述多个凸部中的相邻的所述凸部之间的部分的、 所述气体流道 形成板中的与所述膜电极接合体对应。

9、的一侧的部分构成； 水流道部， 由包含所述凸部的内 部的、 所述气体流道形成板中的与所述隔板对应的一侧的部分构成； 以及开口部， 形成于所 述凸部的侧壁并将该凸部的内外连通， 在一个所述凸部中仅在一个地方设置有所述开口 部。 然而， 该技术方案中实现垂直于流道面的流动分量的是采用金属微孔网冲压成型的结 构， 这种结构成型精度要求高、 防腐处理要求高， 且成型后的网状流道面存在翘曲现象， 增 加了燃料电池装配难度， 实用新型内容 0005 本申请针对现有技术中存在的上述不足， 提供了一种制备和装配难度均较低的燃 料电池用的气体流道形成组件及燃料电池。 0006 一种燃料电池用的气体流道形成组件，。

10、 所述气体流道形成组件设置于膜电极组件 与气体分隔板之间、 用于形成气体流道， 所述气体流道形成组件包括至少两块叠放的气体 流道形成板， 每块气体流道形成板上设有间隔排列的通孔， 每块气体流道形成板上的通孔 说明书 1/4 页 3 CN 212323041 U 3 分为多组， 每组通孔包括从气体流道形成板一端到相对的另一端依次排列的多个， 各气体 流道形成板上的相对应的各一组通孔首尾重叠贯通形成一条从所述气体流道形成组件的 一端延伸到另一端的气体流道。 0007 本申请气体流道形成组件可以是由两块气体流道形成板叠放在一起形成， 也可以 是两块以上的气体流道形成板叠放在一起形成。 当然， 从结构。

11、的简洁与装配的简便出发， 优 选的， 所述气体流道形成组件包括两块叠放的气体流道形成板， 两块气体流道形成板上相 对应的各一组通孔首尾重叠贯通形成一条气体流道。 0008 更优选的， 所述通孔为腰型孔， 远离膜电极组件一侧气体流道形成板上的腰型孔 与靠近膜电极组件一侧气体流道形成板上的腰型孔长度比为1 12.5。 一般， 靠近膜电极 组件一侧的腰型孔需要稍微长一些。 腰型孔的宽度为 0.52mm， 长度15mm。 0009 进一步优选的， 两块气体流道形成板上的腰型孔长度方向分别偏向两侧。 偏向两 侧是指腰型孔的长度方向并不是沿着同一直线方向， 而是使形成的气体流道除了上下变换 之外， 还在水。

12、平方向上左右弯折， 这样可以在相同长度的气体流道形成组件上形成更加长 的气体流道。 更长的气体流道意味着气体停留时间更长， 从反应效率上来讲提高了气体参 与反应率， 同时在气体折角处会形成相对不稳定的气体湍流， 利于气体向各向扩散参与反 应， 同样也会增加气体的压力损失。 其中， 较优的情况下， 两块气体流道形成板上首尾重叠 的两个腰型孔长度方向的夹角不小于120 。 0010 优选的， 两块气体流道形成板的厚度比例为1 1/22。 气体流道形成板的厚度会 影响膜电极组件的进气和排水功能， 一般单块气体流道形成板的厚度值水冷堆取0.15 0.3mm； 空冷堆空气侧可以取用11.5mm。 水冷堆。

13、的氢气、 空气流道和空冷堆的氢气侧流道 由于进口是由较高压的气体驱动的， 小的横截面积可以保证进气参与反应的效率； 空冷堆 的空气侧一般是由风扇进出气的， 无法驱动气体通过较大压损的细流道， 同时要兼顾冷却， 因此需要更大的流道横截面积， 所以取用厚的气体流道形成板， 同时形成流道的通孔宽度 应当要适量放大， 取2mm宽度甚至2.5mm。 0011 优选的， 所述气体流道形成板使用碳纸或金属板。 0012 本实用新型还提供了一种包含所述气体流道形成组件的燃料电池。 0013 所述的燃料电池， 包括若干单体电池， 每块单体电池包括膜电极组件以及分别设 于膜电极组件两侧的所述气体流道形成组件， 所。

14、述气体流道形成组件背离膜电极组件的一 侧设有气体分隔板。 0014 本实用新型燃料电池用的气体流道形成组件通过使用至少两块叠放的气体流道 形成板来组装成气体流道形成组件， 气体流道由各气体流道形成板上的相对应的各一组通 孔首尾重叠贯通形成， 气体在气体流道中流动时在各块气体流道形成板之间上下交替前 行， 实现垂直于流道面的流动分量， 而相较于采用金属微孔网冲压成型的结构来说， 制备难 度大大降低， 成本降低， 并且也不需要复杂的防腐处理工艺， 成型平面没有翘曲现象。 附图说明 0015 图1为气体流道形成组件的爆炸图。 0016 图2为气体流道形成组件中气体流动路线示意图。 0017 图3为图。

15、2中A局部放大图。 说明书 2/4 页 4 CN 212323041 U 4 0018 图4为本实用新型单体电池的结构示意图。 0019 图5为实施例3中本申请气体流道的结构示意图。 0020 图6为实施例3中对照组气体流道的结构示意图。 0021 图7为实施例3中本申请和对照组进行的活性面积为50平方厘米的单池的极化曲 线图。 具体实施方式 0022 实施例1 0023 如图13所示， 一种燃料电池用的气体流道形成组件， 该气体流道形成组件设置 于膜电极组件与气体分隔板之间、 用于形成气体流道， 气体流道形成组件包括至少两块叠 放的气体流道形成板1， 每块气体流道形成板1上设有间隔排列的通孔。

16、2， 每块气体流道形成 板1上的通孔2分为多组， 每组通孔2包括从气体流道形成板1一端到相对的另一端依次排列 的多个， 各气体流道形成板1上的相对应的各一组通孔2首尾重叠贯通形成一条从气体流道 形成组件的一端延伸到另一端的气体流道。 0024 本申请气体流道形成组件可以是由两块气体流道形成板1叠放在一起形成， 也可 以是两块以上的气体流道形成板1叠放在一起形成。 当然， 从结构的简洁与装配的简便出 发， 优选的， 气体流道形成组件包括两块叠放的气体流道形成板1， 两块气体流道形成板1上 相对应的各一组通孔2首尾重叠贯通形成一条气体流道。 其中一块气体流道形成板1的一端 具有气体进口3， 另一块。

17、气体流道形成板1上相对气体进口3的一端具有气体出口4。 0025 通孔2为腰型孔， 远离膜电极组件一侧气体流道形成板1上的腰型孔与靠近膜电极 组件一侧气体流道形成板1上的腰型孔长度比为1 12.5。 每个腰型孔的宽度为0.52mm， 长度15mm。 0026 如图13所示， 组成气体流道形成组件的两块气体流道形成板1上的腰型孔长度 方向分别偏向两侧。 偏向两侧是指腰型孔的长度方向并不是沿着同一直线方向， 而是使形 成的气体流道除了上下变换之外， 还在水平方向上左右弯折， 这样可以在相同长度的气体 流道形成组件上形成更加长的气体流道。 更长的气体流道意味着气体停留时间更长， 从反 应效率上来讲提。

18、高了气体参与反应率， 同时在气体折角处会形成相对不稳定的气体湍流， 利于气体向各向扩散参与反应， 同样也会增加气体的压力损失。 其中， 较优的情况下， 两块 气体流道形成板1上首尾重叠的两个腰型孔长度方向的夹角(图3中夹角 )不小于120 。 当 然， 夹角 如果达到180 的话， 相当于腰型孔长度方向不偏转， 气体流道在水平方向上是沿 直线流动。 0027 如图2和3所示， 画出了气体流动线路5， 从图2中上方一端气体通入， 从下方一端气 体流出， 途径两个通孔2的重叠处6时， 气体从上侧气体流道形成板1上的通孔2进入到下侧 气体流道形成板1上的通孔2； 接着途径相邻的重叠处7时， 则气体从。

19、下侧气体流道形成板1 上的通孔2进入到上侧气体流道形成板1上的通孔2， 气体如此上下前行。 0028 两块气体流道形成板1的厚度比例为1 1/22。 气体流道形成板1的厚度会影响膜 电极组件的进气和排水功能， 一般单块气体流道形成板1的厚度值水冷堆取0.150.3mm。 空冷堆空气侧可以取用11.5mm。 0029 气体流道形成板1使用碳纸或金属板作为基材。 当使用碳纸作为基材的时候， 可以 说明书 3/4 页 5 CN 212323041 U 5 使气体流道内的气体扩散更为合理， 且能减少压降。 如图3所示， 通过调整基材厚度与 的角 度可以调整气压压降大小， 使用金属板作为基材时， 为了解。

20、决扩散面积的问题， 可以适当调 整L1和L2的长度， 使得扩散面积有所增加。 本申请气体流道形成板1制备时， 可直接在两片 基材上裁切形成相应的通孔2， 再将两片基材重叠在一起便可以形成气体流道。 0030 实施例2 0031 如图4所示为使用实施例1中气体流道形成组件(两块气体流道形成板1 重叠形 成)组装成的单体电池结构， 中间膜电极组件9的两侧分别设有气体流道形成组件用于分别 形成两种气体的气体流道， 气体流道形成组件背离膜电极组件9的一侧设有气体分隔板8。 两侧的分隔板8将气体流道形成组件和膜电极组件9包于内层， 胶线10用于密封。 0032 若干个单体电池组成一个燃料电池。 0033。

21、 实施例3 0034 如图5所示， 为实施例1中单独提取的一个气体流道， 从实施例中提取单个流道模 型进行边界编辑， 模型的单层厚度为0.2mm， 宽度0.8mm， 一端设置为入口， 条件为平均流速 10m/s， 出口条件设置为0pa， 选用空气作为流体介质， 进行网格划分后进行稳态分析， 分析 结果如图5所示， 图5为流线示意图； 图 6所示为对照组气体流道， 模型流道厚度0.2mm， 宽度 0.8mm， 流道交错角都为 120 ， 同样设置一端入口条件为平均流速10m/s， 出口条件0pa， 流 体介质为空气， 网格划分后进行稳态分析， 分析结果如图6所示， 图6为流线示意图， 本申请 的。

22、流场压力损失为2kpa左右， 而对照流道压损为800pa左右。 0035 在实验中， 使用对辊设备通过圆刀模将已经过PTFE浸渍的疏水碳纸(市面现有产 品)裁切成图中所述流道结构作为空气侧流场， 对照流道使用石墨雕刻出流道， 氢气流道都 为雕刻流道且一致， 装载于单池测试夹具中进行燃料电池电化学实验。 使用的膜电极为同 一批次生产的活性面积50平方厘米的膜电极， 多次测试取平均后的结果如图7所示， 可以看 出使用本申请流道的单池电化学性能有普遍是提升， 峰值功率平均提升从34.6w瓦提升到 39.3瓦， 性能提升约 13.6， 由于多孔流道内部压损计算比较复杂， 实际情况对照组的压 力损失在 。

23、23kpa左右， 本申请流道结构的单池压力损失在38kpa左右。 0036 与现有的单平面流道相比， 其垂直于流道面方向上的分流量可以有效提升气体在 膜电极扩散层中的扩散量， 提升燃料电池性能， 体现了两种流道的气体压力压降， 从左到右 压力降低， 可以看出新型双层流道的压降要高于普通流道。 说明书 4/4 页 6 CN 212323041 U 6 图1 说明书附图 1/5 页 7 CN 212323041 U 7 图2 说明书附图 2/5 页 8 CN 212323041 U 8 图3 说明书附图 3/5 页 9 CN 212323041 U 9 图4 说明书附图 4/5 页 10 CN 212323041 U 10 图5 图6 图7 说明书附图 5/5 页 11 CN 212323041 U 11 。