一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板的制作方法

1.本发明涉及燃料电池电堆领域，特别是涉及一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板。


背景技术：

2.由于社会的调整发展，清洁能源和可再生能源的需求已迫在眉睫，西方发达国家以及我国等许多国家都提出了停止燃油车的生产和使用，氢能被称之为社会发展的终极能源，氢能经济以及氢能社会将是未来发展的必然。
3.氢燃料电池核心技术就是电堆，可以说电堆技术占了氢燃料电池技术的70％，而电堆的双极板占电堆60％的重量和近30％成本，其主要起均匀分配气体、排水、导热、导电的作用。其性能直接影响燃料电池的输出功率和使用寿命。
4.双极板主要是通过流道的设计实现对电堆的阳极氢气、阴极的空气传导，以便反应气体更加充分的与膜电极进行电化学反应，那流道的设计的方向、面积都决定了各反应物的接触面积与介质分布均匀性。
5.现有的双极板4，如图1所示，双极板4包括阴极板和阳极板。双极板4上分布有进口区、第一过渡区5、反应区6、第二过渡区7和出口区。进口区包括氧化剂进口1、燃料进口2和冷却剂进口3。出口区包括氧化剂出口8、燃料出口9和冷却剂出口10。上述的极板都是并行多列单流道设计，然而并行单向流道会出现气体流量递减、流产内各点压力不均匀，同时也有接触面积小的问题，而实际极板需要更大的接触面积，更均匀的流量与压力分布。不仅如此，目前条式流道双极板在堆叠电堆时可能会造成条纹错位或局部不够对齐等问题，从而造成受力不均衡，影响电堆寿命。
6.鉴于此，本发明按照需求，设计一种双极板，使用全新的流道设计，打破了原来的气体定向单流道与接触面积小的弊端，并解决了电堆堆叠时的受力点均衡问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本发明的目的是提供了一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，解决了极板需要更大的接触面积、更均匀的流量与压力分布的问题。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明公布了一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，包括：阴极板和阳极板，所述阴极板的外侧设有氧化剂流场，所述阳极板的外侧设有燃料流场，所述阳极板和所述阴极板相连，所述阴极板和所述阳极板之间构成冷却剂流场；所述氧化剂流场、所述燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者均包括依次连通的进口区、第一过渡区、反应区、第二过渡区和出口区；所述进口区与所述出口区呈中心对称分布；沿流动方向，所述第一过渡区呈对称分布的扇形结构，且第一过渡区的宽度逐渐增大；所述反应区的宽度保持不变，且反应区内均匀分布有多个矩形凸起；所述第二过渡区的宽度逐渐减小，且所述第一过渡区与所述第二过渡区呈中心对称分布。
10.进一步的改进技术方案，所述第一过渡区和所述第二过渡区均为扇形区，所述反应区为矩形区；所述第一过渡区内设有呈散射方式分布的多个第一通道；所述第二过渡区内设有呈散射方式分布的多个第二通道。
11.进一步的改进技术方案，所述反应区内的所有矩形凸起是成排成列分布的；成排的所述矩形凸起之间构成第一反应流道；所述第一流道和所述第二流道的数量均小于所述第一反应流道的数量；成列的所述矩形凸起之间构成第二反应流道。
12.进一步的改进技术方案，所述第一反应流道和第二反应流道之间是相互交叉分布；所述第一反应流道包括位于所述阴极板的外侧的第一氧化剂流道、位于所述阳极板的外侧的第一燃料流道和位于所述阴极板和所述阳极板之间的第一冷却剂流道；所述第二反应流道包括位于所述阴极板的外侧的第二氧化剂流道、位于所述阳极板的外侧的第二燃料流道和位于所述阴极板和所述阳极板之间的第二冷却剂流道。
13.进一步的改进技术方案，所述矩形凸起的截面呈正方形，所述矩形凸起的边长为0.01-0.1cm；所述第一反应流道的宽度为0.01-0.1cm；所述第二反应流道的宽度为0.01-0.1cm。
14.进一步的改进技术方案，所述燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者的所述进口区的结构与所述出口区的结构相同，所述进口区包括：依次连通的氧化剂进口、第一通道和多个第一出气孔，所述第一通道成型于所述阴极板和阳极板之间，所述第一出气孔设在所述阴极板上，多个所述第一出气孔邻近所述第一过渡区并沿所述第一过渡区的宽度方向间隔分布；依次连通的燃料进口、第二通道和多个第二出气孔，所述第二通道成型于所述阴极板和阳极板之间，所述第二出气孔设在所述阳极板上，多个所述第二出气孔邻近所述第一过渡区并沿所述第一过渡区的宽度方向间隔分布；依次连通的冷却剂进口和第三通道，所述第三通道成型于所述阴极板和阳极板之间。
15.进一步的改进技术方案，所述阴极板和所述阳极板均为通过冲压或液压成型的金属板，所述阴极板与所述阳极板粘接或焊接。
16.与现有技术相比，本发明实现的有益效果：
17.1、本发明的过渡区采用扇形的设计，且呈散射部分，同时在反应区内设计成排成列的矩形凸起，增加了极板内介质与膜电极的接触面积或冷却介质的体积，通过计算面积增加约40％，活化面积也增加了40％，冷却介质的体积也增加了40％。
18.2、本发明的气体在这样设计的流道中，可以实现多流道交叉传导，流道内各点气体分布更均匀，压力值更趋一致。上述设计可以使电堆总功率增加。
19.3、本发明中的电堆的单片双极板受压均衡性更强，充分考虑了电堆装配的压力与传导，有利于提高电堆使用寿命。
附图说明
20.以下结合附图和具体实施方式来进一步详细说明本发明：
21.图1为现有双极板的结构示意图。
22.图2为本发明中的双极板的结构示意图。
23.图3为图2的局部放大的结构示意图。
24.图4为本发明对应的燃料电池电堆的结构示意图。
具体实施方式
25.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
26.请参阅图2-4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
27.实施例1
28.如图2、图3所示，本实施例公布了一种双极板4，包括阴极板和阳极板。阴极板的外侧设有氧化剂流场，阳极板的外侧设有燃料流场，阳极板和所述阴极板相连，阴极板和阳极板之间构成冷却剂流场。氧化剂流场、燃料流场和冷却剂流场中的每一者均包括依次连通的进口区、第一过渡区5、反应区11、第二过渡区7和出口区。进口区与出口区呈中心对称分布。
29.沿流动方向，第一过渡区5呈对称分布的扇形结构，且第一过渡区5的宽度逐渐增大。反应区11的宽度保持不变，且反应区11内均匀分布有多个矩形凸起12。第二过渡区的宽度逐渐减小，且第一过渡区5与第二过渡区7呈中心对称分布。
30.第一过渡区5和第二过渡区7均为扇形区，所述反应区11为矩形区。所述第一过渡区内设有呈散射方式分布的多个第一通道13。第二过渡区7内设有呈散射方式分布的多个第二通道。
31.反应区11内的矩形凸起13是成排成列分布的。成排的矩形凸起之间构成第一反应流道，第一流道和第二流道的数量均小于所述第一反应流道的数量。成列的矩形凸起之间构成第二反应流道。
32.第一反应流道和第二反应流道之间是相互交叉分布。第一反应流道包括位于阴极板的外侧的第一氧化剂流道、位于阳极板的外侧的第一燃料流道和位于阴极板和阳极板之间的第一冷却剂流道。第二反应流道包括位于阴极板的外侧的第二氧化剂流道、位于阳极板的外侧的第二燃料流道和位于阴极板和阳极板之间的第二冷却剂流道。
33.在本实施例中，最佳的效果是，矩形凸起的截面呈正方形，所述矩形凸起的边长为0.01-0.1cm；所述第一反应流道的宽度为0.01-0.1cm；所述第二反应流道的宽度为0.01-0.1cm。
34.燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者的进口区的结构与出口区的结构相同。
35.本实施例详细介绍进口区的结构，出口区的结构不再详细介绍。进口区包括氧化剂进口部分、燃料进口部分和冷却剂进口部分。
36.氧化剂进口部分包括依次连通的氧化剂进口1、第一通道和多个第一出气孔。第一通道成型于阴极板和阳极板之间，第一出气孔设在阴极板上，多个第一出气孔邻近第一过渡区并沿第一过渡区的宽度方向间隔分布。燃料进口部分包括依次连通的燃料进口2、第二通道和多个第二出气孔。第二通道成型于阴极板和阳极板之间，第二出气孔设在所述阳极
板上，多个第二出气孔邻近第一过渡区并沿第一过渡区的宽度方向间隔分布。冷却剂进口部分包括依次连通的冷却剂进口3和第三通道，第三通道成型于阴极板和阳极板之间。
37.通过实验可以得到，接触面积和冷却介质的体积，都是通过人工测量和数据计算进行测测算，得到面积和体积的增加。活化面积可以通过实验数据进行计算。
38.电堆活化运行过程，进行实时的高频阻抗值(hfr)监测，并在每次循环活化结束后，在150macm-2
和1400macm-2
点进行电堆的全频交流阻抗测试。
39.根据上述的测算和实验可以得出，面积增加约40％，活化面积也增加了40％，冷却介质的体积也增加了40％。
40.本发明的过渡区采用扇形的设计，且呈散射部分，同时在反应区内设计成排成列的矩形凸起，增加了极板内介质与mea的接触面积或冷却介质的体积。
41.本发明的气体在这样设计的流道中，可以实现多流道交叉传导，流道内各点气体分布更均匀，压力值更趋一致。
42.在本实施例中，阴极板和阳极板均为通过冲压或液压成型的金属板，阴极板与阳极板粘接或焊接。
43.实施例2
44.一种燃料电池电堆，如图4所示，包括多个前述任意一项的双极板16。电堆还包括多个膜电极组件、集流板15、绝缘板和端板14。
45.多个膜电极组件与多个双极板16交错叠压设置。位于上下两个位置的集流板15，两个集流板15分别与最外侧的两个双极板相连。两块绝缘板，分别贴合于两个集流板15的外侧表面上。两块端板14，两块端板14分别贴合于两块绝缘板的外侧表面上。
46.本发明中的电堆的单片受压的均衡性更好，充分考虑了电堆装配的压力与传导，有利于电堆的长寿命使用。
47.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，包括：阴极板和阳极板，所述阴极板的外侧设有氧化剂流场，所述阳极板的外侧设有燃料流场，所述阳极板和所述阴极板相连，所述阴极板和所述阳极板之间构成冷却剂流场；所述氧化剂流场、所述燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者均包括依次连通的进口区、第一过渡区、反应区、第二过渡区和出口区；所述进口区与所述出口区呈中心对称分布；沿流动方向，所述第一过渡区呈对称分布的扇形结构，且第一过渡区的宽度逐渐增大；所述反应区的宽度保持不变，且反应区内均匀分布有多个矩形凸起；所述第二过渡区的宽度逐渐减小，且所述第一过渡区与所述第二过渡区呈中心对称分布。2.根据权利要求1所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述第一过渡区和所述第二过渡区均为扇形区，所述反应区为矩形区；所述第一过渡区内设有呈散射方式分布的多个第一通道；所述第二过渡区内设有呈散射方式分布的多个第二通道。3.根据权利要求2所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述反应区内的所有矩形凸起是成排成列分布的；成排的所述矩形凸起之间构成第一反应流道；所述第一流道和所述第二流道的数量均小于所述第一反应流道的数量；成列的所述矩形凸起之间构成第二反应流道。4.根据权利要求3所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述第一反应流道和第二反应流道之间是相互交叉分布；所述第一反应流道包括位于所述阴极板的外侧的第一氧化剂流道、位于所述阳极板的外侧的第一燃料流道和位于所述阴极板和所述阳极板之间的第一冷却剂流道；所述第二反应流道包括位于所述阴极板的外侧的第二氧化剂流道、位于所述阳极板的外侧的第二燃料流道和位于所述阴极板和所述阳极板之间的第二冷却剂流道。5.根据权利要求4所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述矩形凸起的截面呈正方形，所述矩形凸起的边长为0.01-0.1cm；所述第一反应流道的宽度为0.01-0.1cm；所述第二反应流道的宽度为0.01-0.1cm。6.根据权利要求5所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者的所述进口区的结构与所述出口区的结构相同，所述进口区包括：依次连通的氧化剂进口、第一通道和多个第一出气孔，所述第一通道成型于所述阴极板和阳极板之间，所述第一出气孔设在所述阴极板上，多个所述第一出气孔邻近所述第一过渡区并沿所述第一过渡区的宽度方向间隔分布；依次连通的燃料进口、第二通道和多个第二出气孔，所述第二通道成型于所述阴极板和阳极板之间，所述第二出气孔设在所述阳极板上，多个所述第二出气孔邻近所述第一过渡区并沿所述第一过渡区的宽度方向间隔分布；依次连通的冷却剂进口和第三通道，所述第三通道成型于所述阴极板和阳极板之间。7.根据权利要求6所述的一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，其特征在于，所述阴极板和所述阳极板均为通过冲压或液压成型的金属板，所述阴极板与所述阳极板粘接或
焊接。

技术总结
本发明公开了一种高效的叉车燃料电池用矩点式双极板，包括：阴极板和阳极板，所述阴极板的外侧设有氧化剂流场，所述阳极板的外侧设有燃料流场，所述阳极板和所述阴极板相连，所述阴极板和所述阳极板之间构成冷却剂流场；所述氧化剂流场、所述燃料流场和所述冷却剂流场中的每一者均包括依次连通的进口区、第一过渡区、反应区、第二过渡区和出口区。一种燃料电池电堆，包括多个前述任意一项的双极板；多个膜电极组件；位于上下两个位置的集流板；两块绝缘板；两块端板。本发明的过渡区采用扇形的设计，且呈散射部分，同时在反应区内设计成排成列的矩形凸起，增加了极板内介质与膜电极的接触面积或冷却介质的体积，面积增加约40％，活化面积也增加了40％，冷却介质的体积也增加了40％，并且该流道设计解决了电堆堆压时的压力平衡问题，减少了电堆堆叠过程中可能产生的局部裂纹。部裂纹。部裂纹。


技术研发人员：王文清 吴睿 陈海涛 曹江涛
受保护的技术使用者：广东新氢动力科技有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/13