一种直通式燃料电池双极板流场的出入口机构

技术领域

本发明涉及一种燃料电池的双极板，尤其是涉及一种直通式燃料电池双极板流场的出入口机构。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种通过催化剂将阳极氢气分解为质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，电子、质子与氧气在阴极催化剂催化下生成水的电化学装置，具有效率高，温度低，清洁环保等优点。

阳极的氢气和阴极的氧气分别位于质子交换膜电极两侧，由燃料电池双极板分隔成阳极流场和阴极流场。该流场既需要不断输入氢气和氧气等反应物，以及冷却水，又需要不断排出包含反应生成物的尾气，同时还需要与外界环境隔绝，避免反应物料、反应产物和冷却水的泄漏，这些技术特点都要求该流场的出入口需要同时实现流通和密封的功能。

现有的流场出入口结构大多是采用多层结构，在双极板的阴极面和阳极面分别设置密封圈，由于进出气结构错位布置，对应的密封结构位置不能一一对应，容易对膜电极组件的边框造成剪切，对电堆的气密性和寿命不利；且多层结构的流阻较大，会增大进气空压机的损耗并降低进气分配的一致性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种直通式燃料电池双极板流场的出入口机构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种直通式燃料电池双极板流场的出入口机构，双极板包括流场、进水口、出水口、进气口和出气口，所述的进水口和出水口分别位于流场的两端，所述的进气口和出气口同样分别位于流场的两端，所述的出入口机构包括连接流场和进水口的进水口单元、连接流场和出水口的出水口单元、连接流场和进气口的进气口单元，以及连接流场和出气口的出气口单元；

所述的进水口单元包括第一金属板和第二金属板，所述的第一金属板上具有并排设置的多个第一凹槽，所述的第二金属板上具有并排设置的多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽的位置相对，所述的第一金属板和第二金属板相对合拢，位置对应的第一凹槽和第二凹槽形成并排设置的多根进水管道，所述的进水口单元的上下两面均设有密封凸台，所述的密封凸台环绕进水口，并且该密封凸台为由第一金属板和第二金属板组成的中空腔体，所述的密封凸台和每根进水管道相交，中空腔体和进水管道贯通；所述的出水口单元和进水口单元的结构相同；

所述的进气口单元包括第三金属板和第四金属板，所述的第三金属板上具有并排设置的多个第三凹槽，所述的第三金属板和第四金属板相对合拢，第三凹槽和第四金属板的平面形成进气管道，所述的进水口单元的上下两面均设有密封凸台，所述的密封凸台环绕进气口，并且该密封凸台为由第三金属板和第四金属板组成的中空腔体，所述的密封凸台和每根进气管道相交，中空腔体和进气管道贯通；所述的出气口单元和进气口单元的结构相同。

进一步地，所述的第一金属板连接双极板的阳极板或阴极板，所述的第二金属板连接同一双极板的阴极板或阳极板。

进一步地，所述的第一金属板和第二金属板，与双极板的阳极板或阴极板一体成型。

进一步地，所述的第三金属板连接双极板的阳极板或阴极板，所述的第四金属板连接同一双极板的阴极板或阳极板。

进一步地，所述的第三金属板和第四金属板，与双极板的阳极板或阴极板一体成型。

进一步地，所述的密封凸台的高度大于或者等于，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽三者中最大的深度；上下相邻的两块双极板之间密封凸台互相连接。

进一步地，上下相邻的两块双极板之间密封凸台之间设有密封环垫，阴极于阳极的密封垫一一对应，对称支撑膜电极组件的边框。

进一步地，所述的进水管道等间距设置。

进一步地，所述的进气管道等间距设置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过重新设计进水口单元、出水口单元、进气口单元和出气口单元，减小了燃料电池中介质进入部分的体积，提升了整堆的功率密度；在上述单元中设置了密封凸台，该密封凸台环绕进水口或进气口等，并且与进水管道或进气管道相交，当上下两块相邻的双极板合拢装配时，密封凸台直接起到了密封的效果，无需额外的密封工艺，结构简单，装配稳定性高。

2、密封凸台和进水管道或进气管道贯通，因此反应气体或冷却水等会进入并填充密封凸台的中控腔体，提高了密封凸台整体的支撑强度，提升了抗压性。

3、本发明中进水口单元、出水口单元、进气口单元和出气口单元均采用两块金属板的结构进行合成，形成了一体化直通式的进水管道和进气管道等，能够有效提升介质进入的流量和效率。此外，两块金属板还可以直接和双极板的阳极板或阴极板一体成型，减少制造工艺的复杂程度。

4、本发明在上下相邻的两块双极板之间密封凸台之间设有密封环垫，可以进一步地提升密封效果和安装稳定性。

附图说明

图1为双极板的部分结构示意图。

图2为进水口的结构示意图。

图3为另一角度进水口的结构示意图。

图4为进气口的结构示意图。

图5为另一角度进气口的结构示意图。

附图标记：1、流场，2、进水口单元，21、第一金属板，21a、第一凹槽，22、第二金属板，22a、第二凹槽，23、第三金属板，23a、第三凹槽，24、第四金属板， 3、出水口单元，4、进气口单元，5、出气口单元，101、进水管道，102、进气管道，103、密封凸台，6、介质入口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种直通式燃料电池双极板流场的出入口机构。双极板包括流场1、进水口、出水口、进气口和出气口；进水口和出水口分别位于流场1的两端，进气口和出气口同样分别位于流场1的两端。如图1所示，图中对双极板进行简化，只显示了一个介质入口6，该介质入口可以等同于进水口、出水口、进气口或出气口。然后该介质入口6通过本发明的出入口机构连接流场1。出入口机构一共分为四种类型，分别为连接流场1和进水口的进水口单元2、连接流场1和出水口的出水口单元3、连接流场1和进气口的进气口单元4，以及连接流场1和出气口的出气口单元5。

如图2和图3所示，进水口单元2包括第一金属板21和第二金属板22。第一金属板21上具有并排设置的多个第一凹槽21a，第二金属板22上具有并排设置的多个第二凹槽22a，第一凹槽21a和第二凹槽22a的位置相对。第一金属板21和第二金属板22的凹槽相对合拢，位置对应的第一凹槽21a和第二凹槽22a形成并排设置的多根进水管道101。本实施例中形成的进水管道101等间距设置。进水口单元2的上下两面均设有密封凸台103，密封凸台103环绕进水口；并且该密封凸台103为由第一金属板21和第二金属板22组成的中空腔体。密封凸台103和每根进水管道101相交，中空腔体和进水管道101贯通。当上下两块相邻的双极板合拢装配时，密封凸台103上阴极与阳极的密封凸台103位置相对，使得膜电极组件边框受正压力，直接起到了密封的效果，结构简单，装配稳定性高。密封凸台103 互相采用平面结构接触。当进水口单元2工作时，冷却水通过进水口流经进水管道 101进入流场1。出水口单元3和进水口单元2的结构相同，冷却水的流向相反。

第一金属板21一般连接双极板的阳极板或阴极板，第二金属板22一般连接同一双极板的阴极板或阳极板，本实施中，第一金属板21连接双极板的阳极板，第二金属板22连接同一双极板的阴极板。

在另一实施例中，第一金属板21和第二金属板22，与双极板的阳极板或阴极板一体成型，用于减少制造工艺的复杂程度。

如图4和图5所示，进气口单元4包括第三金属板23和第四金属板24。第三金属板23上具有并排设置的多个第三凹槽23a。第三金属板23和第四金属板24 相对合拢，第三凹槽23a和第四金属板24的平面形成了进气管道102。本实施例中，进气管道102等间距设置。进水口单元2的上下两面均设有密封凸台103，密封凸台103环绕进气口，并且该密封凸台103为由第三金属板23和第四金属板24 组成的中空腔体。密封凸台103和每根进气管道102相交，中空腔体和进气管道102贯通。出气口单元5和进气口单元4的结构相同，内部气体的流向相反。

第三金属板23一般连接双极板的阳极板或阴极板，第四金属板24一般连接同一双极板的阴极板或阳极板，本实施中，第三金属板23连接双极板的阳极板，第四金属板24连接同一双极板的阴极板。

与进水管道101不同的，进气管道102因为需要在流场1的阴极板或阳极板的单面进行化学反应，因此进气管道102采用半截式的管道，即只在第三金属板23 上设置第三凹槽23a。而进气管道102的其余结构，如密封凸台103的结构和进水管的设置均一致。

密封凸台103的高度一般大于或者等于，第一凹槽21a、第二凹槽22a，以及第三凹槽23三者中较大的深度，上下相邻的两块双极板之间密封凸台103互相连接，用于实现上下两块相邻的双极板合拢装配时，密封凸台103之间首先互相接触。在本实施例中，密封凸台103的高度、第一凹槽21a、第二凹槽22a和第三凹槽23 的深度均相同。当上下相邻的两块双极板和合拢时，除了密封凸台103互相接触实现密封，两个双极板的进水管道101同样互相接触，能够提高对密封的支撑强度。

本实施例在上下相邻的两块双极板之间密封凸台103之间还可以设置密封环垫，进一步地提升密封效果和安装稳定性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。