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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双极板及其组成的电堆，包括支撑板(1)和导电板(2)，所述导电板分为反应区域和延伸区域(3)，所述支撑板两边设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述支撑板一面设有冷却剂流道，另一面设有一个等深的下凹区域(4)，所述导电板的反应区域与所述下凹区域(4)等体积，所述下凹区域只设有一个开口，所述下凹区域的开口设在支撑板横向侧边或纵向侧边，所述导电板的反应区域嵌入该下凹区域与支撑板连接，所述导电板的延伸区域暴露在支撑板之外。与现有技术相比，本发明优点在于，整个电堆可以采用先串联后并联或者全部并联方式，任意一个燃料电池单元损坏，不会对整个电堆的输出电压造成影响，极大的提高了燃料电池堆的可靠性和耐久性。

Description

一种燃料电池双极板及其组成的电堆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体地说是一种燃料电池双极板及其组成的电堆。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
为了给每个电极供给反应物，使用通常称为“双极板”并且设置在每个单个电池的两侧的特定界面元件。这些双极板通常是邻近阳极或阴极支撑体放置的单个元件的形式。双极板是燃料电池组的重要元件。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
传统双极板一般采用的是石墨板、金属板或者复合双极板，这些双极板都有个共同的缺点，即制作工艺负责，成本高，重量重。
由于在电堆中一组双极板加MEA组成一个单池单元，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆，因此电堆的电流输出为串联形式，即总电压V＝V1+V2+……Vn。一旦任意电池单元损坏，均会影响整个电堆的电压输出。
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电堆输出电压恒定，低成本的燃料电池双极板及其组成的燃料电池电堆。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池双极板，其特征在于，包括支撑板和导电板，所述导电板分为反应区域和延伸区域，所述支撑板两边设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述支撑板一面设有冷却剂流道，另一面连接导电板的反应区域，所述导电板的延伸区域暴露在支撑板之外。
所述导电板为整体板块状或网状。
所述导电板的延伸区域进行了提高其强度、厚度和/或导电性能的表面处理。所述表面处理为常规的表面处理。包括对延伸区域进行表面镀银处理，或在延伸区域表面焊接一层锡层等等。
所述导电板的反应区域的面积小于或等于支撑板的面积。
所述支撑板上设有一个下凹区域，所述导电板的反应区域与所述下凹区域等体积，所述下凹区域只设有一个开口，所述下凹区域的开口设在支撑板横向侧边或纵向侧边，所述导电板的反应区域嵌入该下凹区域与支撑板连接。
所述支撑板还可以两面均设有等深的下凹区域，所述两个下凹区域位置相对，所述支撑板板体一面的下凹区域设有向下凹陷的冷却剂流道。
所述下凹区域的开口设在支撑板横向侧边，所述支撑板上的燃料进出孔或氧化剂进出孔，与下凹区域之间连接有流道，所述导电板上设有气体反应流道，所述流道与所述气体反应流道连接。
所述下凹区域的开口设在支撑板纵向侧边，所述导电板一边设有燃料出孔、氧化剂进孔和冷却剂进孔，与所述支撑板一边的燃料出孔、氧化剂进孔和冷却剂进孔上下位置相对，所述支撑板上的燃料进孔或氧化剂出孔与下凹区域之间连接有流道，所述导电板上的燃料出孔或氧化剂进孔连接有流道，所述导电板上设有气体反应流道，所述流道与所述气体反应流道连接。
所述导电板的延伸区域上设有导电连接装置。
所述支撑板与导电板之间采用粘结或注塑连接，或通过机械压紧连接。
所述导电板的材料采用导电材料，包括但不限于金属或碳板或导电复合材料；
所述支撑板的材料采用非导电材料，包括但不限于塑料材料如PC或ABS。
一种由所述的燃料电池双极板组成的电堆，其特征在于，所述支撑板和导电板组合成一块双极板，两块双极板与MEA、GDL组成一个燃料电池单元，S个燃料电池单元叠加组成燃料电池电堆；暴露于极板外的延伸区域上设有导电连接装置，相邻N个燃料电池单元的导电连接装置串联连接成一个燃料电池单元组，M个燃料电池单元组分别依次连接开关和二极管后并联连接构成燃料电池电堆电源，所述燃料电池电源串联连接电源变换器和负载，其中S＝M×N，1≤N≤S。
与现有技术相比，本发明优点在于，整个电堆可以采用先串联后并联(即总电压V＝V1＝V2＝……Vm)或者全部并联方式(即总电压V＝V1＝V2＝……Vn)，每个燃料电池电源组分别连接有开关和二极管，任意一个燃料电池单元损坏，打开该单元所在的燃料电池单元组的开关，将该燃料电池单元组断路，由于每组燃料电池单元组并联构成电堆输出，因此不会对整个电堆的输出电压造成影响。极大的提高了燃料电池电堆的可靠性和耐久性。
本发明的支撑板采用的是非导电材料如塑料等，塑料材料不管是材料成本还是成型(如注塑)成本等都比常规的双极板材料如石墨、金属或复合板等低很多，因此本发明的双极板可以大幅的降低成本。
附图说明
图1为本发明平面示意图；
图2为本发明第一种拼接方式的极板示意图；
图3为本发明第二种拼接方式的支撑板结构图；
图4为本发明第二种拼接方式的极板示意图；
图5为本发明第二种拼接方式的电池单元组示意图；
图6为本发明支撑板第一种结构图；
图7为本发明支撑板第二种结构图；
图8为本发明第一种支撑板结构的电池单元示意图；
图9为本发明第一种支撑板结构的电堆示意图；
图10为本发明第二种支撑板结构的电堆示意图；
图11为本发明的燃料电池电堆电路连接示意图；
图12为本发明的燃料电池电堆电路等效示意图。
图中标识如下：
参见图1：1为支撑板，2为导电板，3为延伸板，5-1为燃料进孔，5-2为燃料出孔，6-1为冷却剂进孔，6-2为冷却剂出孔，7-1为氧化剂进孔，7-2为氧化剂出孔，9为气体反应流道，10为导电连接装置；
参见图3：4为下凹区域；8为流道，
参见图4：5-2’为燃料出孔，6-1’为冷却剂进孔，7-1’为氧化剂进孔；
参见图5：12为MEA；
参见图6：11为冷却剂流道；
参见图9：13为燃料电池单元；
参见图11：14为燃料电池单元组，巧为开关，16为二极管，17为电源变换器，18为负载。
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。
实施例1
参见图1、2、6、8、9所示，本发明所述的燃料电池双极板，包括支撑板1和导电板2，矩形支撑板两边设有燃料进孔5-1，燃料出孔5-2，冷却剂进孔6-1，冷却剂出孔6-2，氧化剂进孔7-1，氧化剂出孔7-2，支撑板一面设有冷却剂流道，另一面设有一个矩形等深的下凹区域，所述导电板2与所述下凹区域等体积，下凹区域只设有在支撑板横向侧边的开口，导电板2嵌入该下凹区域与支撑板注塑或粘结连接为一整体；导电板2一端延伸至支撑板1之外。燃料进孔5-1，燃料出孔5-2，或氧化剂进孔7-1，氧化剂出孔7-2与下凹区域之间连接有流道8，导电板2上设有气体反应流道9，流道8与所述气体反应流道9连接，其中，流道8的槽深小于下凹区域的深度，导电板采用导电材料，如金属或碳板或复合导电材料；支撑板采用塑料材料，如PC或ABS等，支撑板与导电板之间粘结连接或注塑连接。
参见图8和图9，两块拼接极板嵌有导电板的这面相对，在两极板13之间夹设有MEA12和GDL，组成一个燃料电池单元10，其中阳极板的燃料进孔5-1，燃料出孔5-2通过流道8与导电板2的气体反应流道9连接；阴极板的氧化剂进孔7-1，氧化剂出孔7-2通过流道8与导电板的气体反应流道9连接。多个燃料电池单元组叠加后构成一个燃料电池电堆，其中相邻两组燃料电池单元组的阴极板和阳极板之间的冷却剂流道11合并成一个完整的冷却剂流道。
参见图11，暴露在每块燃料电池双极板之外的延伸板上设有导电连接装置，N个燃料电池单元的导电连接装置可以串联构成一个燃料电池单元组14，M个燃料电池单元组14分别各依次连接开关15和二极管16后并联连接，构成整个燃料电池电堆的电源输出，电源输出电路连接电源变换器17后连接至负载18。其中，电堆的燃料电池单元总数为S，S＝M×N，M和N的具体数值可以根据实际电堆需要和情况做不同处理，1≤N≤S。
根据图12，各燃料电池单元电压为V1、V2、……、Vn，各燃料电池单元组电压为V组1、V组2、……、V组m，各燃料电池单元组的电压V组1、＝V组2＝……V组m＝V1+V2+……Vn，燃料电池电堆的电压V总＝V组1＝V组2＝····＝V组m。
如果某燃料电池单元损坏，则该燃料电池单元所在的燃料电池单元组14的开关15将打开，该燃料电池单元组断路，由于各燃料电池单元组采用并联连接，因此总电压不发生变化。
实施例2
参见图3和图4，实施例2的拼接极板支撑板结构和实施例1相同，不同之处在于支撑板1的下凹区域4设有在支撑板横向侧边的开口，导电板2嵌入下凹区域后，完全覆盖支撑板一端的燃料出孔5-2，冷却剂进孔6-1和氧化剂进孔7-2，因此在导电板相同位置设有燃料出孔5-2′，冷却剂进孔6-1’和氧化剂进孔7-2′，三组孔上下位置相对。支撑板上的燃料进孔5-1或氧化剂出孔7-2与下凹区域之间连接有流道8，导电板上的燃料出孔5-2’或氧化剂进孔7-1’连接流道8，导电板上设有气体反应流道9，流道与气体反应流道连接，其中，流道8的槽深小于下凹区域的深度，导电板采用导电材料，如金属或碳板或复合导电材料；支撑板采用塑料材料，如PC或4ABS，支撑板与导电板之间粘结连接或注塑连接。
参见图8和图9，两块拼接极板嵌有导电板的这面相对，在两极板之间夹设有MEA和GDL，组成一个燃料电池单元，其中阳极板的燃料进孔5-1和燃料出孔5-2’通过流道8与导电板的气体反应流道9连接；阴极板的氧化剂进孔7-1’和氧化剂出孔7-2通过流道8与导电板的气体反应流道9连接。多个燃料电池单元组叠加后构成一个燃料电池电堆，其中相邻两组燃料电池单元组的阴极板和阳极板之间的冷却剂流道11合并成一个完整的冷却剂流道。
燃料电池电堆电路连接与实施例1相同。
实施例3
参见图7，本实施例极板拼接方式与实施例1相同，区别在于支撑板结构。燃料电池双极板包括支撑板1和导电板2，矩形支撑板两边设有燃料进出孔、冷却剂进出孔和氧化剂进出孔，支撑板两面均设有矩形等深的下凹区域，两个下凹区域位置相对，开口位置相同，均在支撑板1横向侧边设有一个开口。在极板的阳极面，支撑板上的燃料进出孔与下凹区域之间连接有流道，该流道与导电板2上设置的气体反应流道9；在极板的阴极面，支撑板1上的氧化剂进出孔与下凹区域之间连接有流道，该流道与导电板2上设置的气体反应流道9，其中，流道的槽深小于下凹区域的深度，导电板2采用导电材料，如金属或碳板或复合导电材料；支撑板1采用塑料材料，如PC或ABS，支撑板与阴阳极导电板之间粘结连接或注塑连接为一体化双极板。
参见图10，两块极板的阴极面和阳极面相对，中间夹设有MEA和GDL，组成一个电池单元组，多个单元组叠加组成一个燃料电池堆，其中电堆的第一块极板与最后一块极板采用实施例1的支撑板结构。
燃料电池电堆电路连接与实施例1相同。
实施例4
本实施例极板拼接方式和实施例2相同，极板的支撑板结构与实施例3相同。
参见图10，两块极板的阴极面和阳极面相对，中间夹设有MEA和GDL，组成一个电池单元组，多个单元组叠加组成一个燃料电池堆，其中电堆的第一块极板与最后一块极板采用实施例1的支撑板结构。
燃料电池电堆电路连接与实施例1相同。
实施例5
所述导电板的反应区域的面积与支撑板的面积相同，导电板为网状，其反应区域与支撑板对齐压紧，其延伸区域表面镀一层银，增加其强度、厚度和导电性能，以便能方便将导电板上产生的电流引出，同时，厚度增加、强度增强便于连接。其余同实施例1。

Claims (12)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括支撑板(1)和导电板(2)，所述导电板分为反应区域和延伸区域(3)，所述支撑板两边设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述支撑板一面设有冷却剂流道，另一面连接导电板(2)的反应区域，所述导电板的延伸区域暴露在支撑板之外。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述导电板为整体板块状或网状。
3.如权利要求1或2所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述导电板的延伸区域(3)进行了提高其强度、厚度和/或导电性能的表面处理。
4.如权利要求1或2所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述导电板的反应区域的面积小于或等于支撑板的面积。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述支撑板上设有一个下凹区域(4)，所述导电板的反应区域与所述下凹区域(4)等体积，所述下凹区域只设有一个开口，所述下凹区域的开口设在支撑板横向侧边或纵向侧边，所述导电板的反应区域嵌入该下凹区域与支撑板连接。
6.如权利要求5所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述支撑板还可以两面均设有等深的下凹区域(4)，所述两个下凹区域位置相对，所述支撑板板体一面的下凹区域设有向下凹陷的冷却剂流道。
7.如权利要求6所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述下凹区域的开口设在支撑板横向侧边，所述支撑板上的燃料进出孔或氧化剂进出孔，与下凹区域之间连接有流道(8)，所述导电板上设有气体反应流道(9)，所述流道(8)与所述气体反应流道(9)连接。
8.如权利要求6所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述下凹区域的开口设在支撑板纵向侧边，所述导电板一边设有燃料出孔、氧化剂进孔和冷却剂进孔，与所述支撑板一边的燃料出孔、氧化剂进孔和冷却剂进孔上下位置相对，所述支撑板上的燃料进孔或氧化剂出孔与下凹区域之间连接有流道，所述导电板上的燃料出孔或氧化剂进孔连接有流道，所述导电板上设有气体反应流道，所述流道与所述气体反应流道连接。
9.如权利要求1或3所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述导电板的延伸区域上设有导电连接装置(10)。
10.如权利要求2所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述支撑板与导电板之间采用粘结或注塑连接，或通过机械压紧连接。
11.如权利要求2所述的一种燃料电池双极板，其特征在于，所述导电板的材料采用导电材料，包括但不限于金属或碳板或导电复合材料；
所述支撑板的材料采用非导电材料，包括但不限于塑料材料如PC或ABS。
12.一种由如权利要求1所述的燃料电池双极板组成的电堆，其特征在于，所述支撑板(1)和导电板(2)组合成一块双极板，两块双极板与MEA、GDL组成一个燃料电池单元(13)，S个燃料电池单元叠加组成燃料电池电堆；暴露于极板外的延伸区域上设有导电连接装置(10)，相邻N个燃料电池单元的导电连接装置串联连接成一个燃料电池单元组(14)，M个燃料电池单元组分别依次连接开关和二极管后并联连接构成燃料电池电堆电源，所述燃料电池电源串联连接电源变换器(17)和负载(18)，其中S＝M×N，1≤N≤S。
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