CN106169595A - 用于燃料电池的双极板结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于燃料电池的双极板结构。该双极板结构包括阴极双极板，所述阴极双极板具有第一流场部分以在第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道，并具有第一接合部分以形成冷却剂通道。阳极双极板具有第二流场部分以在第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道，并具有第二接合部分以形成冷却剂通道。阴极通道具有相互交叉的通道结构，而阳极通道具有平行的通道结构。在阴极和阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔。沿着反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔。

Description

用于燃料电池的双极板结构

技术领域

本公开内容涉及用于燃料电池的双极板结构(bipolar plate structure)。更特别地，本公开内容涉及能够在整个反应区域中实现均匀的发电、增加极限电流密度和功率密度、并改进燃料电池的性能和效率的用于燃料电池的双极板结构。

背景技术

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)通过作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的氧气(或空气)之间的电化学反应来发电。

与其他类型的燃料电池相比，PEMFC具有高效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间、以及对负载变化的快速响应。因此，PEMFC已经用于多种应用，诸如用于零排放车辆的电源、独立发电站和军用电源中。

通常，燃料电池具有其中将电池堆叠并装配以便满足所需功率水平的堆结构(组结构，stack structure)。因此，安装在车辆中的燃料电池也具有其中堆叠几百个电池以便满足所需高功率水平的堆结构。

将膜电极组件(MEA)定位在燃料电池堆(燃料电池组，fuel cell stack)的每个单元电池的中心。MEA包括固体聚合物电解质膜和催化剂电极，运送氢阳离子(质子)使其通过固体聚合物电解质膜，通过在电解质膜的两个表面上施加催化剂来配置催化剂电极。即，催化剂电极包括阳极(氢电极)和阴极(空气电极)。

另外，将气体扩散层(GDL)、用于防止漏气的垫圈等堆叠在MEA之外，即位于阳极和阴极所处的外部。双极板具有流场，反应物气体、冷却剂和通过反应产生的水流过该流场，并且双极板与GDL的外侧结合。

根据如上所述的传统技术，在燃料电池堆的阳极中发生作为燃料的氢气的氧化反应以产生氢离子和电子。将产生的氢离子和电子分别通过电解质膜和双极板传送至阴极。

因此，通过电子流动产生电能，通过电化学反应产生水和热量，其中，从阳极传送的氢离子和电子与空气中的氧气在阴极中混合(participate)。

双极板在燃料电池堆中划分单元电池，同时，用作单元电池之间的电流通路(用于转移产生的电的通路)。形成于双极板中的流场用作用于将反应物气体转移至GDL的通路、用于冷却剂通过的通路、以及用于排出水的通路，水由电化学反应产生并通过GDL排出至外部。

这种双极板包括由石墨材料制成的石墨双极板、以及由金属材料诸如不锈钢制成的金属双极板。考虑到可加工性和大规模生产，用金属双极板代替石墨双极板的研究正积极地进行。

然而，通过压力加工制造的金属双极板难以实现复杂形状。为此，金属双极板使用薄板材料，从而可以减小双极板的厚度和重量以及单元电池的体积。

通常，在通过在模具中经由压力加工以金属板材料形成浮雕/凹雕图案来制造双极板之后，使两个双极板彼此连接。因此，冷却剂在通过双极板的接触而限定的通道空间中流动，将GDL设置在双极板的两侧，使得氢气和氧气在限定于GDL和双极板之间的相应的通道空间中流动以便转移反应物气体。

图1是示出了用于燃料电池的典型的金属双极板结构的顶视图。参考图1，双极板10通常具有矩形形状。双极板10具有反应区域11，该反应区域11具有用于空气、氢气和冷却剂的流场。反应区域11的相对端部分具有入口歧管孔(inlet manifold hole)12、14和16以及出口歧管孔13、15和17，空气、氢气和冷却剂分别通过入口歧管孔12、14和16以及出口歧管孔13、15和17进入和离开。

将加湿的空气和氢气作为反应物气体从堆的外部源通过空气和氢气入口歧管孔12和14供应，以操作燃料电池。除了供应的反应物气体以外，在燃料电池中产生的气相或液相水通过空气和氢气出口歧管孔13和15排出至堆的外部。

即，将反应物气体和在电池中产生的水通过空气出口歧管孔13排出，并将反应物气体和在阴极中产生且然后渗入电解质膜以传送至阳极的水通过氢气出口歧管孔15排出。

在燃料电池堆的每个双极板中，将反应物气体(包括作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的氧气的空气)和通过入口歧管孔12、14和16供应的冷却剂分配至每个电池的流场(阴极/阳极/冷却剂通道)，以进行反应并被冷却。然后，使反应物气体和冷却剂在出口歧管孔13、15和17中合并，以排出至堆的外部，如图2中所示。

图3A和图3B是燃料电池的横截面图，其示出了反应物气体所流过的阴极通道和阳极通道、以及冷却剂通道。参考数字21指的是包括催化剂层(催化剂电极，即，阴极和阳极)的MEA。

在这里，双极板10与GDL 22接触的每个部分指的是接合部分(连接部分，焊接区部分，连接盘部分，land section)10a，一个双极板与另一个双极板接触的每个部分指的是通道部分(channel section)10b。

另外，由通道部分10b形成的流场指的是反应物气体所流过的通道，其是空气(氧气)所流过的阴极通道(空气通道)11a和氢气所流过的阳极通道(氢气通道)11b。由接合部分10a形成的流场指的是冷却剂所流过的冷却剂通道11c。

将双极板的流场分成阴极通道11a、阳极通道11b和冷却剂通道11c，并且空气、氢气和冷却剂在平行的方向上流至双极板的流场。通过使用压制处理金属材料来制造的双极板会由于双极板本身的形状而导致设计限制。

金属双极板具有以各种方式设计的流场，因为难以实现复杂形状，但是流场图案具有与典型的通道形状相同的形式。

即，反应物气体所流过的流场具有形成于平且薄的金属板材料上的浮雕和凹雕图案(relief and intaglio pattern)，冷却剂或其他气体流过形成于其相对表面上的流场。

另外，传统的双极板通常具有平行地布置在反应区域中的长通道，或具有倾斜的流场。根据双极板的流场的设计，双极板在性能、压力特征和排放特征方面具有优点和缺点。然而，具有矩形横截面、梯形横截面或与其类似的横截面的流场，通常形成于与双极板的反应区域对应的部分中，使得通过其供应反应物气体。

双极板具有流场形成于其中的部分和流场不形成于其中的另一个部分。流场形成于其中的部分是具有用于反应物气体的流场的流场部分(包括以上通道)，流场不形成于其中的另一个部分是接合部分。

在双极板中流场部分典型地与接合部分区别开。由于流场部分和接合部分之间的流量差异(流动差异)的原因，转移至GDL的气体的扩散量会变化。这种不均匀性会在其中发生电化学反应的MEA中在流场部分和接合部分之间产生浓度差异。由于此原因，由于电化学反应中的差异而难以期望整个反应区域中均匀地发电。

在传统的双极板中，反应物气体诸如空气和氢气在垂直于其中将物质转移至催化剂层的方向的方向上流动，电化学反应发生在催化剂层中。由于此原因，双极板具有的缺点在于：将物质转移至催化剂层，仅取决于由于浓度差异的扩散以及在通道11a和11b与MEA 21之间的分压力差。

即，由于反应物气体的流动方向垂直于其中将物质转移至催化剂层(其中发生电化学反应)的方向，所以仅使用由于用于反应物气体的流场通道11a和11b之间的入口和出口处的压力差的扩散以及通道11a和11b与催化剂层之间的浓度差，将物质通过GDL 22转移至催化剂层。

这种方法在将反应物气体供应至所需部分方面是被动转移方法。因此，难以在双极板中通过流动将物质转移至催化剂层。

因此，燃料电池的极限电流密度减小，从而燃料电池的性能可能劣化。另外，在高功率部分中可能不会提高燃料电池的性能，并且难以将水作为由电化学反应产生的副产物排出，因为难以去除GDL中存在的水。

此外，由于电化学反应所需的反应物气体浓度未转移至流场通道的后端部分(出口部分)中的催化剂层，所以可能导致功率损耗。

在该背景技术部分中公开的上述信息仅是为了增强对本发明的背景技术的理解，因此其可能包含并不形成在本国对于本领域普通技术人员来说已经已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开内容已经在努力解决与现有技术相关的上述问题。

在一个方面中，本公开内容提供一种用于燃料电池的双极板结构，该双极板结构能够在整个反应区域中实现均匀的发电、增加极限电流密度和功率密度、并改进燃料电池的性能和效率。

在另一个方面中，本公开内容提供一种用于燃料电池的双极板结构，该双极板结构能够改进气体扩散层(GDL)中的排水能力，并通过增加与冷却剂的接触区域来提高热效率。

根据一个示例性实施方式，用于燃料电池的双极板结构包括阴极双极板(正极双极板，cathode bipolar plate)，所述阴极双极板具有第一流场部分(first flow field section)以在第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道(正极通道，cathode channel)，并具有第一接合部分(第一连接部分，第一焊接区部分，第一连接盘部分，first land section)以在其中第一接合部分与第一气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道。阳极双极板(负极双极板，anode bipolar plate)具有第二流场部分以在第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道(负极通道，anode channel)，并具有第二接合部分以在其中第二接合部分与第二气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道(coolant channel)。阴极通道具有相互交叉的通道结构(interdigitated channel structure)，而阳极通道具有其中流场彼此平行地布置的平行的通道结构。在阴极双极板和阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔(air inlet manifold hole)，在所述反应区域中形成有第一和第二流场部分以及第一和第二接合部分。沿着反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔。阴极通道中的每一个的纵向方向是反应区域的宽度方向。

可在阴极双极板和阳极双极板中沿着反应区域的两个短边边缘部分(short-side edge portion)中的一个形成氢气入口歧管孔，并可沿着两个短边边缘部分中的另一个形成氢气出口歧管孔。

阴极通道中的每一个的纵向方向可与阳极通道中的每一个的纵向方向相交(交叉，intersect)。

阳极通道中的每一个的纵向方向可以是反应区域的纵向方向，使得阴极通道中的每一个的纵向方向垂直于阳极通道中的每一个的纵向方向。

当第一接合部分和第二接合部分的表面分别与两个相邻燃料电池的第一和第二气体扩散层结合时，在第一和第二接合部分的每个表面的相对表面上以锯齿形通路形式形成冷却剂通道，使得冷却剂通道的纵向通路(纵向路径，longitudinal path)和横向通路交替地重复。

第一接合部分可具有锯齿形通路形式(Z字形通路形式，zigzag pathform)，使得其纵向部分和横向部分交替地重复。

第一接合部分的至少一个部分可具有封闭形式以形成多个封闭的流场部分，从而在第一接合部分与第一气体扩散层结合的状态下阻塞每个封闭的流场部分的整个周边(entire circumference)。

可在反应区域的拐角部分(corner portion)处形成冷却剂入口和出口歧管孔。

空气入口歧管孔可在阴极和阳极双极板的纵向方向上沿着阴极双极板和阳极双极板之间的中心部分延伸(伸长，elongate)。空气出口歧管孔可在相应双极板的纵向方向上在阴极双极板和阳极双极板的两个长边边缘部分处延伸。其中形成有第一和第二流场部分以及第一和第二接合部分的反应区域可分别位于空气出口歧管孔中的一个与该空气入口歧管孔之间，以及空气出口歧管孔中的另一个与中心部分处的该空气入口歧管孔之间。

空气入口歧管孔可在阴极和阳极双极板的纵向方向上在阴极双极板和阳极双极板的两个长边边缘部分中的一个处延伸。空气出口歧管孔可在阴极和阳极双极板的纵向方向上在长边边缘部分中的另一个处延伸。氢气入口歧管孔可在阴极和阳极双极板的宽度方向上在阴极双极板和阳极双极板的两个短边边缘部分中的一个处形成。氢气出口歧管孔可在阴极和阳极双极板的宽度方向上在短边边缘部分中的另一个处延伸。其中形成有第一和第二流场部分以及第一和第二接合部分的一个反应区域可被空气入口和出口歧管孔以及氢气入口和出口歧管孔包围。

阴极双极板和阳极双极板中的每一个可以是金属双极板(metallicbipolar plate)，该金属双极板被压制(挤压)以形成第一和第二接合部分以及第一和第二流场部分。

在下文中讨论本发明的其他方面和示例性实施方式。

应理解的是，如在本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括广义的机动车辆，如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆(passenger automobile)；包括各种艇和船的水运工具；航空器等，并且包括混合动力车辆(hybrid vehicle)、电动车辆、插入式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicle)、氢动力车辆和其他可替代燃料车辆(例如，源自除了石油之外的资源的燃料)。如在本文中提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。

在下文中讨论本发明的以上和其他特征。

附图说明

现在将参照附图所示的本发明的一些示例性实施方式详细地描述本发明的上述和其他特征，在下文中仅通过说明的方式给出了附图，因此并不限制本公开内容。

图1是示出了相关技术中传统的用于燃料电池堆的双极板的顶视图。

图2是示出了相关技术中传统的用于燃料电池堆的双极板和流体流动方向的透视图。

图3A和图3B是电池的横截面图，示出了相关技术中传统的燃料电池堆中反应物气体所流过的阴极通道和阳极通道、以及冷却剂通道。图3B是沿着图3A中的线“A-A”截取的横截面图。

图4是示出了根据本发明构思的一个实施方式的用于燃料电池的双极板的顶视图。

图5A至图5C分别是示出了根据本发明构思的实施方式的双极板中的阴极通道、阳极通道和冷却剂通道的顶视图。图5A示出了阴极双极板，图5B示出了阳极双极板，以及图5C示出了阴极双极板和阳极双极板。

图6A至图6D是示出了根据本发明构思的另一个实施方式的用于燃料电池的双极板及其流场结构的顶视图。图6B示出了阴极双极板，图6C示出了阳极双极板，以及图6D示出了阴极双极板和阳极双极板。

图7A至图7D是示出了根据本发明构思的又一个实施方式的用于燃料电池的双极板及其流场结构的顶视图。图7B示出了阴极双极板，图7C示出了阳极双极板，以及图7D示出了阴极双极板和阳极双极板。

图8A至图8D是示出了其中在根据本发明构思的双极板中改变冷却剂入口和出口歧管孔的位置的各种实例的顶视图。

应当理解的是，附图不必按比例，呈现了说明本发明的基本原理的各种特征的某种程度的简化表示。将通过特定的预期应用和使用环境来部分确定如本文所公开的本公开内容的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状。

在图中，参考数字是指贯穿附图的几幅图的本发明的相同或等效部件(部分)。

具体实施方式

在下文中，现在将详细地提及本发明构思的各种实施方式，在附图中示出了并且在下面描述了本发明构思的实例。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，然而将理解的是，本说明书并不旨在将本发明限于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖可以包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替换、修改、等价物和其他实施方式。

如上所述，由于传统的用于燃料电池的双极板仅使用反应物气体的扩散来将物质转移至催化剂层，所以由于流场部分和接合部分之间的不均匀的气体浓度，所以难以在整个反应区域中实现均匀的发电，极限电流密度较低，并且难以改进GDL中的排水能力和高功率部分中的性能。

相比之下，由于本公开内容的双极板具有相互交叉的通道结构，所以可以克服以上缺点。另外，可以将用于使反应物气体和冷却剂从歧管孔通过新的通道结构均匀地分配至通道的空间减到最小，并可以有助于提高燃料电池效率且提高功率密度。

图4是示出了根据本发明构思的一个实施方式的用于燃料电池的双极板的顶视图。如图中所示，根据本公开内容的双极板10可以是通过在模具中压力加工(冲压加工，press working)(冲压)而制造成矩形形状的金属双极板。双极板(将在后面描述的阴极双极板和阳极双极板)10包括空气入口歧管孔12，所述空气入口歧管孔12在双极板10的纵向方向上沿着其中心部分延伸，用于将空气供应至相关反应区域11中的阴极通道。空气出口歧管孔13在双极板10的纵向方向上沿着其两个长边边缘部分中的每一个延伸，并且空气出口歧管孔13排出通过阴极通道的空气。

空气入口歧管孔12和空气出口歧管孔13形成彼此连通的空气通路，所述空气通路是在其中通过堆叠包括双极板10的电池装配燃料电池堆的状态下将空气通过其供应或排放至每个双极板10的空气入口歧管和空气出口歧管。

另外，在双极板10的两个短边边缘部分处形成氢气入口和出口歧管孔14和15以及冷却剂入口和出口歧管孔16和17。在短边边缘部分中的一个处形成氢气入口歧管孔14和冷却剂入口歧管孔16，用于将氢气和冷却剂供应并分配至相应反应区域11中的阳极通道和冷却剂通道。在短边边缘部分中的另一个处形成氢气出口歧管孔15和冷却剂出口歧管孔17，用于排出通过相应阳极通道和冷却剂通道的氢气和冷却剂。

使氢气入口歧管孔14和氢气出口歧管孔15沿着每个短边边缘部分在每个反应区域11的宽度方向上延伸。在这种情况中，冷却剂入口歧管孔16和冷却剂出口歧管孔17位于每个反应区域11的周边拐角部分处。

与空气入口和出口歧管孔12和13类似，氢气入口歧管孔14和氢气出口歧管孔15形成彼此连通的氢气通路，所述氢气通路是在其中堆叠燃料电池堆的双极板10的状态下将氢气通过其供应或排放至每个双极板10的氢气入口歧管和氢气出口歧管。

另外，冷却剂入口歧管孔16和冷却剂出口歧管孔17形成彼此连通的冷却剂通路，所述冷却剂通路是在其中堆叠燃料电池堆的双极板10的状态中将冷却剂通过其供应或排放至每个双极板10的冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管。

因此，在本公开内容的双极板10中，空气入口歧管孔12与每个空气出口歧管孔13之间的距离比较长的氢气入口歧管孔14和氢气出口歧管孔15之间的距离更短，如图4中所示。因此，每个用于将空气从双极板10的中心部分移动至双极板10的长边边缘部分的阴极通道具有比每个用于将氢气从一个短边边缘部分移动至其另一个短边边缘部分的阳极通道的长度更短的长度。

另外，由于空气入口歧管孔12位于双极板10的中心部分处，所以将通过中心部分处的空气入口歧管孔12引入的空气分成两个方向，然后通过相关反应区域11中的阴极通道流动至空气出口歧管孔13，所述空气出口歧管孔13分别形成于双极板10的两个长边边缘部分处。

因此，将在其中发生燃料电池的电化学反应的反应区域11相对于在双极板10的中心部分处的空气入口歧管孔12分成两个区域。

由于入口和出口歧管孔12、13、14和15位于反应区域11的边缘部分处，所以空气和氢气在彼此垂直的方向上流动。在这里，冷却剂在各种方向，诸如纵向和横向方向上流动。

另外，本公开内容的双极板10包括两种类型的双极板10以便在燃料电池堆中形成作为空气流场的阴极通道、作为氢气流场的阳极通道、以及作为冷却剂流场的冷却剂通道。即，双极板10包括阴极双极板和阳极双极板，阴极双极板形成阴极通道和冷却剂通道，阳极双极板形成阳极通道和冷却剂通道。

在空气入口和出口歧管孔12和13、氢气入口和出口歧管孔14和15、以及冷却剂入口和出口歧管孔16和17的位置和形状方面，阴极双极板具有与阳极双极板相同的结构。

然而，在示例性实施方式中，阴极双极板具有相互交叉的通道结构，而阳极双极板具有其中阳极通道彼此平行地布置的平行的通道结构。

图5A至图5C是图4的部分“A”的顶视图，分别示出了根据本公开内容的双极板中的阴极通道、阳极通道和冷却剂通道。

如图5A中所示，具有相互交叉的通道结构的阴极双极板包括具有浮雕和凹雕图案并形成流场的流场部分，以及与GDL结合的接合部分。在燃料电池堆中的流场部分形成空气流场，即，阴极通道，使得作为氧化剂气体的空气在流场部分和GDL之间流动。

在一些实施方式中，接合部分具有其中交替地重复和延伸纵向部分和横向部分的锯齿形通路。当在其中接合部分的一个表面与GDL结合的状态下燃料电池堆中阴极双极板与阳极双极板结合时，在阴极双极板的接合部分的另一个表面上形成冷却剂通道。

另外，如图5B中所示，具有平行的通道结构的阳极双极板包括具有浮雕和凹雕图案并形成流场的流场部分、以及与GDL结合的接合部分。在这种情况中，使流场部分和接合部分彼此平行地延伸。

燃料电池堆中的阳极双极板的流场部分形成氢气流场，即，阳极通道，使得作为燃料气体的氢气在流场部分和GDL之间流动。当在其中接合部分的一个表面与GDL结合的状态下燃料电池堆中阴极双极板与阳极双极板结合时，在阳极双极板的接合部分的另一个表面上形成冷却剂通道。

因此，燃料电池堆中的冷却剂通道具有其中纵向流场与横向流场相交(交叉)的多向流场结构，如图5C中所示。

另外，在其中在燃料电池堆中阴极双极板与阳极双极板结合的状态中，在阴极双极板的流场部分的一个表面上形成作为空气流场的阴极通道，并在阳极双极板的流场部分的一个表面上形成作为氢气流场的阳极通道。在这里，两个双极板的流场部分的其他表面彼此结合。

另外，具有如上所述的相互交叉的通道结构的阴极双极板具有分开存在的入口和出口，并且作为反应物气体的空气越过通道(流场部分)之间的GDL。

当在燃料电池堆中阴极双极板与阳极双极板结合时，阴极双极板的流场部分与阳极双极板的流场部分垂直。因此，由相应双极板的流场部分形成的每个阴极通道的纵向方向(双极板和反应区域中的每一个的纵向方向)和每个阳极通道的纵向方向(双极板和反应区域中的每一个的纵向方向)彼此垂直。在GDL和MEA之间流动的空气和氢气的流向也彼此垂直。

由于当在燃料电池堆中阴极双极板与阳极双极板结合时两个双极板的接合部分彼此垂直，所以在双极板10之间流动的冷却剂具有纵向和横向方向的所有流向。在这种情况中，冷却剂可沿着锯齿形通路流动，该锯齿形通路以这样的方式形成，使得交替地重复和延伸纵向通路和横向通路。

在如上所述的双极板10中，将反应区域11相对于一个电池中的中心部分处的空气入口歧管孔12分成两个区域，并且入口和出口歧管孔12、13、14、15、16和17位于沿着相应反应区域11的边缘部分的地方，如图4所示。因此，不需要形成单独的分支通道部分以均匀地分布通道，从而，可提高功率密度。

通过在双极板10中的中心部分处形成空气入口歧管孔12，单元电池可具有两个反应区域11。反应区域11以及空气入口和出口歧管孔12和13的位置和形状可以各种方式改变。

另外，冷却剂入口和出口歧管孔16和17相对于相应的具有矩形形状的反应区域11位于拐角部分处。氢气入口和出口歧管孔14和15分别位于相关反应区域11的短边处，空气入口和出口歧管孔12和13分别位于相关反应区域11的长边处。

因此，通过反应区域11的一侧(边)处的拐角部分引入冷却剂，即，通过位于每个氢气入口歧管孔14的两侧处的冷却剂入口歧管孔16引入冷却剂，然后，冷却剂通过双极板10之间的具有锯齿形形状的冷却剂流场(通道)。然后，使冷却剂通过反应区域11的另一侧处的拐角部分排出，即，使冷却剂通过位于每个氢气出口歧管孔15的两侧处的冷却剂出口歧管孔17排出。

在应用于本公开内容的相互交叉的通道结构中，氢气流场(氢气通道或阳极通道)和空气流场(空气通道或阴极通道)彼此垂直，而不是位于相同的方向上。相互交叉的通道结构中的每个空气流场的长度足够短，以接近双极板10的反应区域的宽度尺寸。

当相互交叉的通道结构中的通道长度变长时，对于双极板10中的反应物气体的入口和出口之间的压力差增加，并且其中反应物气体在通道之间越过GDL的流动效果减小。因此，降低了相互交叉的通道的性能。

特别地，当相互交叉的通道结构中的通道长度较长时，表现出与一般的平行通道结构的性能类似的性能，并且难以增加GDL中的极限电流密度和排水能力。

相比之下，当相互交叉的通道结构中的通道长度较短时，增加了性能和功率密度。

当相互交叉的通道结构中的通道长度较短时，在通道之间通过GDL的对流效果增加。因此，可以将极限电流密度增到最大。

在这点上，当在用于燃料电池(所述燃料电池具有反应区域11，反应区域11具有长边和短边)的双极板10中的矩形反应区域11的短边方向上应用双极板10的相互交叉的通道时，与一般的平行通道中的极限电流密度相比，可显著增加极限电流密度。因此，也增加了功率密度，因此，可提高所述堆的性能并可减小所述堆的尺寸。

因此，在本公开内容中，在双极板10中沿着反应区域11的长边边缘部分形成空气入口歧管孔12和空气出口歧管孔13。空气流场具有相互交叉的通道，将空气的流向设置为垂直于氢气的流向(反应区域的纵向方向)的方向(反应区域的宽度方向)。相互交叉的通道结构中的每个空气通道的长度足够短，以接近于反应区域11的宽度尺寸。

另外，由于氢气本身的扩散在氢气流场中较高，所以在相互交叉的通道结构和平行的通道结构之间没有差异。因此，氢气流场由具有低压力差的平行通道构成。

冷却剂流场使用阴极双极板和阳极双极板的接合部分具有锯齿形通道结构，而不是具有和相关技术中一样简单的平行结构，从而增加与水的接触面积。

因此，由于流动(流体)本身具有强制湍流特性(compulsory turbulencecharacteristics)，所以可以通过减小热传递方面的温差，来增加燃料电池的冷却效率，并在均匀温度下控制整个反应区域。因此，燃料电池在热管理方面可更有效地操作。

图6A至图6D是示出了根据本发明构思的另一个实施方式的用于燃料电池的双极板及其流场结构的顶视图，并示出了双极板10具有一个反应区域11的实例。

参考图6A至图6D，使空气入口歧管孔12在双极板10的纵向方向上沿着双极板10的两个长边边缘部分中的一个延伸，而不是沿着其中心部分延伸。使空气出口歧管孔13在双极板10的纵向方向上沿着长边边缘部分中的另一个延伸。

反应区域11是位于除了双极板10的长边和短边边缘部分以外的中心处的矩形区域。应用于阴极双极板的相互交叉的通道结构和应用于阳极双极板的平行的通道结构与图4中的实施方式的那些相同。

另外，在空气流场(阴极通道或空气通道)和氢气流场(阳极通道或氢气通道)的结构、由接合部分形成的冷却剂流场(冷却剂通道)的结构、作为燃料气体的氢气的流向和包括作为氧化剂气体的氧气的空气的流向中没有差异。

然而，图6A的实施方式与图4的以上实施方式的不同之处在于，在图4的实施方式中形成两个反应区域11，而在图6A的实施方式中形成一个反应区域11。此外，在图4的实施方式中，将通过中心部分处的空气入口歧管孔12引入的空气分配至两侧，然后排出至两个空气出口歧管孔13，而在图6A的实施方式中，将通过位于一个长边处的空气入口歧管孔12引入的空气在双极板10的宽度方向上(在反应区域的宽度方向上)运送，然后将其排放至位于另一个长边处的空气出口歧管孔13。

图7A至图7D是示出了根据本发明构思的又一个实施方式的用于燃料电池的双极板及其流场结构的顶视图。图7A至图7D的本实施方式与图6A至图6D的以上实施方式在阴极双极板的空气流场结构方面不同，即，相互交叉的通道的形状与由接合部分形成的作为阴极通道(空气流场)的形状的冷却剂通道的形状不同。

除了以上差异以外，图7A至图7D中的实施方式的其他结构与图6A至图6D中的实施方式的那些相同。

图7A至图7D的实施方式中的阴极双极板的阴极通道具有基本的相互交叉的通道结构，在该通道结构中，用于用作反应物气体的空气的入口和出口单独存在，并且空气越过GDL，与流场(通道)之间的接合部分接触。然而，图7A至图7D的实施方式具有与图4至图6D的实施方式不同的接合部分的形状。

在图4至图6D的实施方式中，空气的流向与氢气的流向垂直。然而，在图7A至图7D的实施方式中，与GDL结合的接合部分的至少一部分在阴极双极板中具有闭合形式，从而，形成多个封闭的流场部分。阴极双极板和GDL之间的封闭的接合部分会阻塞每个封闭的流场部分的整个周边。

在这种情况中，这样形成接合部分，使得横向地布置该封闭的流场部分。引入通道中的空气入口部分的空气横向地越过(cross over through)GDL，与接合部分接触，接着通过相邻的封闭的流场部分，然后流至通道中的空气出口部分。

图8A至图8D是示出了其中根据本公开内容的双极板中改变冷却剂入口和出口歧管孔的位置的各种实例的顶视图。该实施方式的结构与以上实施方式的那些结构相同，不同之处在于，改变冷却剂入口和出口歧管孔16和17的位置。

如图8A至图8D中所示，反应区域11中的温度分布可根据冷却剂入口和出口歧管孔16和17的位置而改变。如图8A中所示，当冷却剂入口歧管孔16位于短边边缘部分中的反应区域11的拐角处时，每个是其纵向方向上的长边的一个端部，而当冷却剂出口歧管孔17位于短边边缘部分中的反应区域11的拐角处时，每个是其纵向方向上的长边的另一个端部，其中冷却剂出口歧管孔17位于反应区域11中的侧面部分(边部分，sideportion)是高温区域。

在图8B中，冷却剂入口歧管孔16在其宽度方向上位于反应区域的一个端部处，而冷却剂出口歧管孔17位于其另一个端部处。其中冷却剂出口歧管孔17位于反应区域11中的侧面部分(边部分，side portion)也是高温区域。

与图8A不同，在图8C中使冷却剂入口歧管孔16和冷却剂出口歧管孔17的位置颠倒。与图8B的情况不同，在图8D中使冷却剂入口歧管孔16和冷却剂出口歧管孔17的位置颠倒。

在图8C和图8D中，其中冷却剂出口歧管孔17位于反应区域11中的侧面部分是高温区域。

根据本公开内容，由于在用于燃料电池的双极板中入口和出口歧管孔位于沿着反应区域的边缘部分的地方，所以不需要形成单独的分支通道部分来均匀地分布通道，从而可提高功率密度。

另外，由于在用于具有反应区域的燃料电池的双极板中在具有长边和短边的矩形反应区域的短边方向上应用双极板的相互交叉的通道，所以可显著增加燃料电池堆的极限电流密度和功率密度，可提高所述堆的性能并可减小所述堆的尺寸。

另外，由于通过应用相互交叉的通道结构而使反应物气体在通道之间越过GDL，所以可以增加GDL中的排水能力。

另外，由于冷却剂流场使用阴极双极板和阳极双极板的接合部分具有锯齿形通道结构，而不是和相关技术中一样简单的平行结构，所以可以增加与水的接触面积。因此，可以提高冷却效率和热效率，并在均匀温度下控制整个反应区域，因为冷却剂流本身具有强制湍流特性。

已经参考其优选实施方式详细描述了本发明。然而，本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施方式进行改变，本发明的范围在所附权利要求书及其等价物中限定。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池的双极板结构，包括：

阴极双极板，所述阴极双极板具有第一流场部分以在所述第一流场部分和第一气体扩散层之间形成阴极通道、并具有第一接合部分以在其中所述第一接合部分与所述第一气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道；以及

阳极双极板，所述阳极双极板具有第二流场部分以在所述第二流场部分和第二气体扩散层之间形成阳极通道，并具有第二接合部分以在其中所述第二接合部分与所述第二气体扩散层结合的状态下形成冷却剂通道，

其中，所述阴极通道具有相互交叉的通道结构，而所述阳极通道具有其中流场彼此平行地布置的平行的通道结构，

其中，在所述阴极双极板和所述阳极双极板中沿着反应区域的两个长边边缘部分中的一个形成空气入口歧管孔，在所述反应区域中形成所述第一流场部分和所述第二流场部分以及所述第一接合部分和所述第二接合部分，并且沿着所述反应区域的两个长边边缘部分中的另一个形成空气出口歧管孔，并且

其中，所述阴极通道中的每一个的纵向方向是所述反应区域的宽度方向。

2.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，在所述阴极双极板和所述阳极双极板中的每一个中沿着所述反应区域的两个短边边缘部分中的一个形成氢气入口歧管孔，并沿着所述两个短边边缘部分中的另一个形成氢气出口歧管孔。

3.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述阴极通道中的每一个的纵向方向与所述阳极通道中的每一个的纵向方向相交。

4.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述阳极通道中的每一个的纵向方向是所述反应区域的纵向方向，使得所述阴极通道中的每一个的纵向方向垂直于所述阳极通道中的每一个的纵向方向。

5.根据权利要求4所述的双极板结构，其中，当所述第一接合部分和所述第二接合部分的表面分别与两个相邻燃料电池的所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层结合时，在所述第一接合部分和所述第二接合部分的每个表面的相对表面上以锯齿形通路形式形成冷却剂通道，使得所述冷却剂通道的纵向通路和横向通路交替地重复。

6.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述第一接合部分具有锯齿形通路，使得所述第一接合部分的纵向部分和横向部分交替地重复。

7.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述第一接合部分的至少一个部分具有封闭形式以形成多个封闭的第一流场部分，从而在其中所述第一接合部分与所述第一气体扩散层结合的状态下阻塞每个封闭的第一流场部分的整个周边。

8.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，在所述反应区域的拐角部分处形成冷却剂入口和出口歧管孔。

9.根据权利要求1所述的双极板结构，其中：

空气入口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的纵向方向上沿着所述阴极双极板和所述阳极双极板之间的中心部分延伸；

空气出口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的纵向方向上在所述阴极双极板和所述阳极双极板的两个长边边缘部分处延伸；并且

其中形成有所述第一流场部分和所述第二流场部分以及所述第一接合部分和所述第二接合部分的反应区域分别位于所述空气出口歧管孔中的一个与所述空气入口歧管孔之间、以及所述空气出口歧管孔中的另一个与所述中心部分处的所述空气入口歧管孔之间。

10.根据权利要求1所述的双极板结构，其中：

空气入口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的纵向方向上在所述阴极双极板和所述阳极双极板的两个长边边缘部分中的一个处延伸，并且空气出口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的纵向方向上在所述长边边缘部分中的另一个处延伸；

氢气入口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的宽度方向上在所述阴极双极板和所述阳极双极板的两个短边边缘部分中的一个处形成，并且氢气出口歧管孔在所述阴极双极板和所述阳极双极板的宽度方向上在所述短边边缘部分中的另一个处延伸；并且

其中形成有所述第一流场部分和所述第二流场部分以及所述第一接合部分和所述第二接合部分的反应区域被所述空气入口歧管孔和所述空气出口歧管孔以及所述氢气入口歧管孔和所述氢气出口歧管孔包围。

11.根据权利要求1所述的双极板结构，其中，所述阴极双极板和所述阳极双极板中的每一个是金属双极板，所述金属双极板被压制以形成所述第一接合部分和所述第二接合部分以及所述第一流场部分和所述第二流场部分。