一种阴极回流自增湿的液冷双极板的制作方法

1.本发明属于氢燃料电池技术领域，更具体而言，涉及一种阴极回流自增湿的液冷双极板。


背景技术：

2.目前，随着氢燃料电池逐步进入市场投入应用，对燃料电池的成本竞争也越来越激烈，对燃料电池系统的体积和重量要求也越来越小，其中，燃料电池系统的增湿器系统占用整个系统相对较大部分空间，系统成本也相对较高，且其回流管道较多的转角也对空压机的要求较为苛刻。如果电堆不需要加湿器加湿，而是可以自己加湿，如此便省去了加湿器，整个系统的架构将简化，体积、重量、各项成本都会减小，且对空压机的功率、压比等技术要求也会减小，也将提高系统的工作效率。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种阴极回流自增湿的液冷双极板，使电堆阴极达到自增湿的效果。
4.根据本发明的第一方面，提供了一种阴极回流自增湿的液冷双极板，包括：阴极板，所述阴极板一面设置为形成空气流道，另一面设置为平面，所述空气流道一侧设有若干竖向排列的第一空气进口和第一空气出口，所述第一空气进口与空气流道进口相连通，所述第一空气出口与空气流道出口相连通，以形成空气回流流道，所述阴极板远离所述第一空气进口和第一空气出口一端设有依次排列的第一氢气进口、第一冷却液进口、第一冷却液出口和第一氢气出口；阳极板，所述阳极板一面设置为形成氢气流道，另一面设置为凸脊结构，所述氢气流道一侧设有若干第二空气进口和第二空气出口，所述阳极板远离所述第二空气进口和第二空气出口一端设有依次排列的第二氢气进口、第二冷却液进口、第二冷却液出口和第二氢气出口；所述第一空气进口和第一空气出口分别与电堆空气进口和电堆空气出口相连通，以使所述电堆空气进口和电堆空气出口互通；所述阴极板和阳极板之间相配合连接，以使所述平面与所述凸脊结构之间相抵接配合形成冷却液流道；所述第一冷却液进口与第一冷却液出口通过所述冷却液流道相连通。
5.本发明的一个特定的实施例中，若干所述第一空气进口与若干所述第一空气出口之间阵列间隔排布；若干所述第二空气进口与若干所述第二空气出口之间阵列间隔排布。
6.本发明的一个特定的实施例中，所述第一氢气进口与第二氢气进口相对应，所述第一氢气出口与第二氢气出口相对应，所述第一空气进口与第二空气进口相对应，所述第一空气出口与第二空气出口相对应，所述第一冷却液进口与第二冷却液进口相对应，所述第一冷却液出口与第二冷却液出口相对应。
7.本发明的一个特定的实施例中，所述空气回流流道包括若干个流道组，一个所述流道组包括三条分支流道，所述分支流道呈u型结构。
8.本发明的一个特定的实施例中，所述分支流道的进口和出口分别与所述第一空气进口和第一空气出口相连通。
9.本发明的一个特定的实施例中，所述氢气流道一侧设有氢气进口分配区和氢气出口分配区，所述第二氢气进口通过所述氢气进口分配区与所述氢气流道相连通，所述第二氢气出口通过氢气出口分配区与所述氢气流道相连接。
10.本发明的一个特定的实施例中，所述氢气进口分配区和氢气出口分配区之间对称设置。
11.本发明的一个特定的实施例中，所述第一冷却液进口和第一冷却液出口位于所述第一氢气进口和第一氢气出口之间，所述第一冷却液进口和第一氢气进口与所述第一冷却液出口和第一氢气出口之间对称设置；所述第二冷却液进口和第二冷却液出口位于所述第二氢气进口和第二氢气出口之间，所述第二冷却液进口和第二氢气进口与所述第二冷却液出口和第二氢气出口之间对称设置。
12.本发明的一个特定的实施例中，所述氢气流道为n型结构，所述冷却液流道为u型结构。
13.本发明的一个特定的实施例中，所述阴极板与阳极板采用石墨材质制成。
14.本发明上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：此阴极回流自增湿的液冷双极板通过将通入双极板的同种介质的进出口都设置在阴极板和阳极板的同侧，可以有效的降低空气流道、氢气流道以及冷却液流道的流阻，宽泛双极板的设计长度；且通过将阴极板上的空气流道划分为多个流道组，形成多个空气回流流道，且电堆空气进口和电堆空气出口互通，则空气流道进口干燥气体能够和空气流道出口的高湿度气体进行水分转递，且空气流道出口的水分除了通过气体扩散层向空气流道进口渗透外，也会通过气体扩散层向下一个流道组的空气流道进口渗透，以对其进行回流加湿，同时其也接收空气流道出口的回流加湿，各流道组之间相互加湿，使电堆阴极达到自增湿的效果。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；图1是本发明一个实施例中阴极板面的结构示意图；图2是本发明一个实施例中阴极板面的透视图；图3是本发明一个实施例中阳极板面的结构示意图；图4是本发明一个实施例中阳极板面的透视图；图5是本发明一个实施例中冷却液流道面的结构示意图；图6是本发明一个实施例中冷却液流道面的透视图；图7是本发明一个实施例的切开结构示意图；图8是本发明一个实施例另一角度的切开结构示意图。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。
18.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
19.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”以及“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接或活动连接，也可以是可拆卸连接或不可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通、间接连通或两个元件的相互作用关系。
21.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同方案。
22.参照图1至图8所示，提供了一种阴极回流自增湿的液冷双极板，包括：阴极板1，阴极板1一面设置为形成空气流道11，另一面设置为平面，空气流道11一侧设有若干竖向排列的第一空气进口12和第一空气出口13，第一空气进口12与空气流道进口相连通，第一空气出口13与空气流道出口相连通，以形成空气回流流道，阴极板1远离第一空气进口12和第一空气出口13一端设有依次排列的第一氢气进口14、第一冷却液进口16、第一冷却液出口17和第一氢气出口15；阳极板2，阳极板2一面设置为形成氢气流道21，另一面设置为凸脊结构28，氢气流道21一侧设有若干第二空气进口22和第二空气出口23，阳极板2远离第二空气进口22和第二空气出口23一端设有依次排列的第二氢气进口24、第二冷却液进口26、第二冷却液出口27和第二氢气出口25；第一空气进口12和第一空气出口13分别与电堆空气进口和电堆空气出口相连通，以使电堆空气进口和电堆空气出口互通；阴极板1和阳极板2之间相配合连接，以使平面与凸脊结构28之间相抵接配合形成冷却液流道29；第一冷却液进口16与第一冷却液出口17通过冷却液流道29相连通。
23.本实施例中，此阴极回流自增湿的液冷双极板通过将通入双极板的同种介质的进出口都设置在阴极板1和阳极板2的同侧，可以有效的降低空气流道11、氢气流道21以及冷却液流道29的流阻，能够宽泛双极板的设计长度，更增大了双极板的有效面积比的同时方便了电堆的组装；且电堆空气进口和电堆空气出口互通，则空气流道进口112的干燥气体能够和空气流道出口113的高湿度气体进行水分转递，进而能够对干燥气体进行增湿，且空气
流道出口113的水分除了通过气体扩散层向空气流道进口112渗透外，也会通过气体扩散层向下一个流道组111的空气流道进口112渗透，以对其进行回流加湿，同时其也接收同个流道组111的空气流道出口113的回流加湿，各流道组111之间相互加湿，使电堆阴极达到自增湿的效果。通过空气流道11之间的回流增湿省去了加湿器的设置，以使整个电池系统的架构将简化，体积、重量以及各项成本都会减小，且对空压机的功率、压比等技术要求也会减小，也将提高电池系统的工作效率。
24.进一步的，第一氢气进口14与第二氢气进口24相对应，第一氢气出口15与第二氢气出口25相对应，第一空气进口12与第二空气进口22相对应，第一空气出口13与第二空气出口23相对应，第一冷却液进口16与第二冷却液进口26相对应，第一冷却液出口17与第二冷却液出口27相对应。
25.进一步的，若干第一空气进口12与若干第一空气出口13之间阵列间隔排布；若干第二空气进口22与若干第二空气出口23之间阵列间隔排布。
26.优选地，阴极板1的平面也可以设置为与阳极板2的凸脊结构28相匹配的第二凸脊结构，其可与阳极板2的凸脊结构28之间相配合形成冷却液流道29。
27.本发明的一个实施例中，空气回流流道包括若干个流道组111，一个流道组111包括三条分支流道1111，分支流道1111呈u型结构。进一步的，流道组111可根据电堆实际功率需求来调整分支流道1111的宽度或减少分支流道1111数量，更加优化加湿效果；分支流道1111呈u型结构可有效降低流道的流阻，宽泛电堆的设计长度。
28.进一步的，一个第一空气进口12和一个第一空气出口13对应一个流道组111，第一空气进口12、第一空气出口13和流道组111的数量可根据实际情况进行具体设置。
29.进一步的，分支流道1111的进口和出口分别与第一空气进口12和第一空气出口13相连通。
30.本发明的一个实施例中，氢气流道21一侧设有氢气进口分配区212和氢气出口分配区213，第二氢气进口24通过氢气进口分配区212与氢气流道21相连通，第二氢气出口25通过氢气出口分配区213与氢气流道21相连接。
31.本实施例中，氢气流道21包括若干条氢气支流道211，氢气支流道211的进口通过氢气进口分配区212与第二氢气进口24相连通，氢气通过氢气进口进入氢气进口分配区212后被分配进入各氢气支流道211的进口；氢气支流道211的出口通过氢气出口分配区213与第二氢气出口25相连通，氢气通过各氢气支流道211之后由氢气支流道211的出口进入氢气出口分配区213，然后被分配进入第二氢气出口25，氢气进口分配区212和氢气出口分配区213的设置有利于气体的集流分配。
32.进一步的，氢气进口分配区212和氢气出口分配区213之间对称设置。
33.本发明的一个实施例中，第一冷却液进口16和第一冷却液出口17位于第一氢气进口14和第一氢气出口15之间，第一冷却液进口16和第一氢气进口14与第一冷却液出口17和第一氢气出口15之间对称设置；第二冷却液进口26和第二冷却液出口27位于第二氢气进口24和第二氢气出口25之间，第二冷却液进口26和第二氢气进口24与第二冷却液出口27和第二氢气出口25之间对称设置。
34.本发明的一个实施例中，氢气流道21为n型结构，冷却液流道29为u型结构。现有技术中的s型流道也可以利用回流对空气进口气体加湿，但是s型流道需转角360
°
，流阻会增
大，且电堆设计长度也会相对较短，而将氢气流道21设计为n型结构以及冷却液流道29设计为u型结构可使得气体或液体只需回流折返一次，可有效降低流道的流阻，宽泛电堆的设计长度。
35.进一步的，阴极板1与阳极板2采用石墨材质制成。石墨材质制成的阴极板1与阳极板2具有体积小、重量轻、性能优异、运行稳定、成本低、效率高、寿命长以及耐腐蚀等性能特点，且与mea之间接触电阻小。
36.此阴极回流自增湿的液冷双极板的工作原理：首先，自增湿是指电堆工作时产生的水对新通入电堆的气体进行增湿，电堆在工作时产生的水需要保持一部分用于自增湿，则空气流道进口112的干空气需要和空气流道出口113的高湿度气体进行水分转递，所以空气流道进口112需要和空气流道出口113互通。阴极板1的空气流道面与气体扩散层相连接，其中气体扩散层既是电子的传导体也可以作为水分传递者，其可以将空气流道出口113的水分传送给空气流道进口112。工作时，第一个第一空气进口12的干空气进入第一个流道组111后划分为三个分支流道1111，空气流过并携带电堆工作反应生成的水分和反应释放的内能将空气流道11后端的气体加湿加温，水分渗透气体扩散层到达空气流道11进口处，干空气会携带一定的水分流向空气流道出口113，下一个第一空气进口12、第一空气出口13与流道组111之间重复上述步骤，以此类推。
37.其次，第一个流道组111的空气流道出口113的水分除了通过气体扩散层向空气流道进口112渗透外，也会通过气体扩散层向下一个流道组111的空气流道进口112渗透，以此类推，下一个流道组111的空气流道进口112既能接受上一个流道组111的回流加湿，也能接受所属流道组111间的回流加湿，相比上一个流道组111的自增湿效果会更优。故可根据电堆实际功率需求来调整分支流道1111的宽度或减少分支流道1111的数量，可以更加优化加湿的均匀性。
38.综上所述，此阴极回流自增湿的液冷双极板在电堆尽可能小流阻、大功率体积比、大功率质量比等要求下，阴极回流可有效的在燃料电池内部自行进行流道间温湿度传递平衡，使电堆阴极达到自增湿的效果。
39.上述流道的进口和出口通指流道的进出口或流经区域，并非狭义的指定通孔口。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，包括：阴极板（1），所述阴极板（1）一面设置为形成空气流道（11），另一面设置为平面，所述空气流道（11）一侧设有若干竖向排列的第一空气进口（12）和第一空气出口（13），所述第一空气进口（12）与空气流道进口相连通，所述第一空气出口（13）与空气流道出口相连通，以形成空气回流流道，所述阴极板（1）远离所述第一空气进口（12）和第一空气出口（13）一端设有依次排列的第一氢气进口（14）、第一冷却液进口（16）、第一冷却液出口（17）和第一氢气出口（15）；阳极板（2），所述阳极板（2）一面设置为形成氢气流道（21），另一面设置为凸脊结构（28），所述氢气流道（21）一侧设有若干第二空气进口（22）和第二空气出口（23），所述阳极板（2）远离所述第二空气进口（22）和第二空气出口（23）一端设有依次排列的第二氢气进口（24）、第二冷却液进口（26）、第二冷却液出口（27）和第二氢气出口（25）；所述第一空气进口（12）和第一空气出口（13）分别与电堆空气进口和电堆空气出口相连通，以使所述电堆空气进口和电堆空气出口互通；所述阴极板（1）和阳极板（2）之间相配合连接，以使所述平面与所述凸脊结构（28）之间相抵接配合形成冷却液流道（29）；所述第一冷却液进口（16）与第一冷却液出口（17）通过所述冷却液流道（29）相连通。2.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，若干所述第一空气进口（12）与若干所述第一空气出口（13）之间阵列间隔排布；若干所述第二空气进口（22）与若干所述第二空气出口（23）之间阵列间隔排布。3.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述第一氢气进口（14）与第二氢气进口（24）相对应，所述第一氢气出口（15）与第二氢气出口（25）相对应，所述第一空气进口（12）与第二空气进口（22）相对应，所述第一空气出口（13）与第二空气出口（23）相对应，所述第一冷却液进口（16）与第二冷却液进口（26）相对应，所述第一冷却液出口（17）与第二冷却液出口（27）相对应。4.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述空气回流流道包括若干个流道组（111），一个所述流道组（111）包括三条分支流道（1111），所述分支流道（1111）呈u型结构。5.根据权利要求4所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述分支流道（1111）的进口和出口分别与所述第一空气进口（12）和第一空气出口（13）相连通。6.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述氢气流道（21）一侧设有氢气进口分配区（212）和氢气出口分配区（213），所述第二氢气进口（24）通过所述氢气进口分配区（212）与所述氢气流道（21）相连通，所述第二氢气出口（25）通过氢气出口分配区（213）与所述氢气流道（21）相连接。7.根据权利要求6所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述氢气进口分配区（212）和氢气出口分配区（213）之间对称设置。8.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述第一冷却液进口（16）和第一冷却液出口（17）位于所述第一氢气进口（14）和第一氢气出口（15）之间，所述第一冷却液进口（16）和第一氢气进口（14）与所述第一冷却液出口（17）和第一氢气出口（15）之间对称设置；所述第二冷却液进口（26）和第二冷却液出口（27）位于所述第二氢气进
口（24）和第二氢气出口（25）之间，所述第二冷却液进口（26）和第二氢气进口（24）与所述第二冷却液出口（27）和第二氢气出口（25）之间对称设置。9.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述氢气流道（21）为n型结构，所述冷却液流道（29）为u型结构。10.根据权利要求1所述的阴极回流自增湿的液冷双极板，其特征在于，所述阴极板（1）与阳极板（2）采用石墨材质制成。

技术总结
本发明公开了一种阴极回流自增湿的液冷双极板，阴极板一面设置为形成空气流道，另一面设置为平面；阳极板一面设置为形成氢气流道，另一面设置为凸脊结构，阴极板和阳极板之间相配合连接，以使平面与凸脊结构之间相配合形成冷却液流道，阴极板和阳极板一端分别设有若干竖向间隔排列的空气进出口，空气进出口分别与空气流道进出口相连通，以形成空气回流流道，阴极板和阳极板另一端设有氢气进出口和冷却液进出口；空气进出口分别与电堆空气进出口相连通，以使电堆空气进出口互通，冷却液进出口通过冷却液流道相连通；本发明通过将同种介质的进出口设置在双极板的同侧，相对蛇形流道有效降低流道的流阻，且能使电堆阴极达到自增湿的效果。湿的效果。湿的效果。


技术研发人员：周璞 熊子昂 曾燃杰 夏敏妍 林伟业 谢锦豪
受保护的技术使用者：广东泰极动力科技有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/5