CN110492126A - 双极板及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种双极板及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统，双极板包括第一极板和第二极板，该第一极板具有第一面和第二面，该第二极板具有第三面和第四面，该第一极板的第一面上具有第一流道和第一基准面；该第二极板的第三面上具有第三流道和第三基准面；在该双极板中该第一极板的第二面和第二极板的第四面贴合在一起；该第一极板的第一面和第二极板的第三面具有不同的流场。其上还包括至少两个同步起伏区，是冷却剂导入和导出双极板夹层的通道。所述第二极板上设置有冷却剂导流堤，可引导冷却剂按照设定的路线流动。上述特征使得该双极板具有排水性好、冷却效果好等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆中所用的双极板以及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统。
背景技术
燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学反应装置，具有能量转换效率高、零排放、无机械噪声等优点，在军事和民用领域备受青睐。质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用固体聚合物膜作为电解质，具有结构简单、工作温度低等优点，作为移动电源具有得天独厚的优势。日本丰田汽车公司、韩国现代汽车公司等国际知名的汽车公司已经开发出以PEMFC为动力的量产化的燃料电池电动汽车(FCEV或FCV)。
每个PEMFC单电池由两个极板(一个阳极板和一个阴极板)以及夹在两个极板之间的膜电极组成。PEMFC的阳极板上设置有燃料流道，该燃料流道是燃料流动和传输的场所，燃料经由其而传输至阳极催化剂。PEMFC的阴极板上设置有氧化剂流道，该氧化剂流道是氧化剂(氧气或空气)流动和传输的场所，氧化剂经由其而到达阴极催化剂。借助于所述燃料流道和氧化剂流道，燃料和氧化剂可以被源源不断地输送到燃料电池内从而使燃料电池可以连续地输出电能。
为了提高燃料电池的总的发电功率，通常将多个单电池串联在一起而组成一个燃料电池电堆(Fuel Cell Stack)。在燃料电池电堆中，除了最外侧的两个单电池之外，电堆内部的任一单电池的阳极板和与之相邻的单电池的阴极板紧贴在一起。将紧贴在一起的阳极板和阴极板固定连接而形成一个单独的部件则可以简化燃料电池电堆的结构并提高燃料电池电堆运行的可靠性，这个由阳极板和阴极板固定连接在一起而形成的单独的部件被称为双极板(bipolar plate)。
双极板是燃料电池电堆中的关键部件之一，在燃料电池电堆中发挥着支撑膜电极组件、分配反应气体、传输电流、传导热量和排出反应产物水等多种功能。在现有的技术水平条件下，双极板的制造成本占整个燃料电池电堆总的制造成本的40～50％。
双极板上的燃料流道和氧化剂流道有很多种样式，目前采用较多的是直通式流道和多条平行的蛇形流道。直通式流道结构简单，流动阻力小，但是燃料电池电堆的发电功率对气体压力的波动比较敏感。多条平行的蛇形流道压降较大，便于气体向气体扩散层和电极催化剂扩散，但是在PEMFC的阴极一侧如果采用蛇形流道则不利于反应产物水的排出。现有的技术中阳极板上的燃料流道和阴极板上的氧化剂流道往往采用相同的样式，要么同为蛇形流道，要么同为直通式流道，在这种情况下将氢气的压降和空气(或氧气)的压降同时调整至最佳值具有一定的难度，因为氢气的流动性比空气和氧气好，在PEMFC阳极一侧将氢气的压降达到至最佳值时，在PEMFC阴极一侧的空气或氧气的压降必然会偏大，这会导致寄生功率增大并导致排水性不佳。
我们在前期的研究工作中将双极板的阴极板和阳极板均设计成蛇形流场板，并且实现了双极板的阴极板和阳极板具有相同的形状(见申请号为201810373488.0的中国发明专利和申请号为16/231950的美国专利所揭示的内容)，这样能够节省一套冲压模具从而降低双极板的制造成本。但是由于空气的流动性比氢气的流动性差所以该双极板的排水性不够理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种双极板，其阳极板和阴极板具有不同的流场，从而能够同时将PEMFC阳极一侧的氢气压降和PEMFC阴极一侧的空气(或氧气)的压降均调整至最佳值，还能够使得PEMFC阴极一侧具有良好的排水性。
本发明的另一目的是提供一种包含上述双极板的燃料电池电堆和发电系统，具有发电效率高、排水性好、易于温度控制等诸多优点，应用前景广泛。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种双极板，包括第一极板和第二极板，该第一极板具有第一面和第二面，该第二极板具有第三面和第四面，该第一极板的第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二极板的第三面上具有第三流道和第三基准面，该第一流道是相对于第一基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第三流道是相对于第三基准面在厚度方向上形成的沟槽；该第一极板的第二面上具有第二流道和第二基准面，该第二极板的第四面上具有第四流道和第四基准面，该第二流道是相对于该第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于该第四基准面在厚度方向上形成的沟槽；该厚度方向与该双极板在燃料电池电堆中的堆叠方向平行；在该双极板中该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起；该第一极板的第一面上的第一流道包含有U形段，该第二极板的第三面上的第三流道不包含有U形段；所述U形段包括第一段、第二段和第三段，在燃料电池电堆中流体在该第一段内的流动方向和在该第三段内的流动方向所构成的夹角位于[150°,180°]区间、在该第一段内的流动方向和在该第二段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间、在该第二段内的流动方向和在该第三段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
该双极板上包含有同步起伏区，该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第二流道、第二基准面、第四流道、第四基准面的一部分并且所述第二基准面和所述第四基准面不相接触。
进一步的，所述第二极板上设置有冷却剂导流堤，该冷却剂导流堤是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
进一步的，所述双极板异侧两个对角处分别开设有冷却剂入口和冷却剂出口，分别与位于对角的两个同步起伏区对应的冷却剂流道连通。
进一步的，所述双极板同侧相邻内角处分别开设有冷却剂入口和冷却剂出口，分别与位于同侧相邻内角处的两个同步起伏区对应的冷却剂流道连通。
进一步的，所述同步起伏区内具有若干上支撑台或下支撑台；所述的上支撑台是阻断一部分所述第二流道而形成的第二基准面，所述的下支撑台是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
进一步的，所述第一极板和第二极板是用厚度小于0.5mm的金属或合金薄板通过压力加工的方法制作成型。
进一步的，在所述同步起伏区的第二流道是该第二流道的横向段；该横向段与第一流道中的U形段中的第二段平行；
该双极板包含有至少两个所述同步起伏区；
该双极板包含有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道，该冷却剂入口通道与一个所述同步起伏区相贯通，该冷却剂出口通道与另一个同步起伏区相贯通。
进一步的，该双极板包括交叉流动区和平行流动区，并且该交叉流动区在基准平面内的投影的面积大于该平行流动区在基准平面内的投影的面积；该基准平面是指与所述厚度方向垂直的平面，是一个虚拟的平面；
所述交叉流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该交叉流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该交叉流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
所述平行流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该平行流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该平行流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间或[150°,180°]区间；
该双极板上的同步起伏区位于该平行流动区或者与该平行流动区重叠。
进一步的，所述第二极板上设置有两条或更多条冷却剂导流堤，使得在所述冷却剂导流堤的引导下冷却剂在第一极板和第二极板之间的空间内的流动路线为S形或蛇形。
一种双极板，包括第一极板和第二极板，该第一极板具有第一面和第二面，该第二极板具有第三面和第四面，该第一极板的第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二极板的第三面上具有第三流道和第三基准面，该第一流道是相对于第一基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第三流道是相对于第三基准面在厚度方向上形成的沟槽；该第一极板的第二面上具有第二流道和第二基准面，该第二极板的第四面上具有第四流道和第四基准面，该第二流道是相对于该第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于该第四基准面在厚度方向上形成的沟槽；该厚度方向与该双极板在燃料电池电堆中的堆叠方向平行；在该双极板中该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起；该第一极板的第一面上的第一流道包含有S形段，该第二极板的第三面上的第三流道不包含有S形段；所述S形段包括第四段、第五段和第六段且该第五段的长度大于该第六段的宽度的3倍，在燃料电池电堆中流体依次流过该第四段、该第五段和该第六段且在该第四段内的流动方向和在该第六段内的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间、在该第四段内的流动方向和在该第五段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间、在该第五段内的流动方向和在该第六段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
该双极板上包含有同步起伏区；该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第二流道、第二基准面、第四流道、第四基准面的一部分并且所述第二基准面和所述第四基准面不相接触。
进一步的，所述第二极板上设置有冷却剂导流堤，该冷却剂导流堤是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
进一步的，所述同步起伏区内具有若干上支撑台或下支撑台；所述的上支撑台是阻断一部分所述第二流道而形成的第二基准面，所述的下支撑台是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
进一步的，所述第一极板和第二极板是用厚度小于0.5mm的金属或合金薄板通过压力加工的方法制作成型。
进一步的，在所述同步起伏区的第二流道是该第二流道的横向段；该横向段与第一流道中的S形段中的第五段平行；
该双极板包含有至少两个所述同步起伏区，一个同步起伏区与冷却剂入口通道相贯通，另一个同步起伏区与冷却剂出口通道相贯通。
进一步的，该双极板包括交叉流动区和平行流动区，并且该交叉流动区在基准平面内的投影的面积大于该平行流动区在基准平面内的投影的面积；该基准平面是指与所述厚度方向垂直的平面，是一个虚拟的平面；
所述交叉流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该交叉流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该交叉流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
所述平行流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该平行流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该平行流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间或[150°,180°]区间；
该双极板上的同步起伏区位于该平行流动区或者与该平行流动区重叠。
进一步的，所述第二极板上设置有两条或更多条冷却剂导流堤，使得在所述冷却剂导流堤的引导下冷却剂在第一极板和第二极板之间的空间内的流动路线为S形或蛇形。
一种燃料电池电堆，包括所述的双极板。
一种燃料电池发电系统，包括所述的燃料电池电堆。
本发明的有益效果是：
(1)当把本发明所述的双极板安装在质子交换膜燃料电池电堆中时，将具有U形段的流道(通常为蛇形流道)或具有S形段的流道设置在阳极一侧，使得流动性比空气和氧气好的氢气在流动过程中需要多次转弯而产生较大的压降，从而有利于氢气向气体扩散层和催化剂的扩散；将不具有U形段或S形段的流道(直通式流道)设置在阴极一侧，使得流动性比氢气差的空气或氧气在流动过程中无需转弯，这样既能得到适宜的压降又有利于反应产物水的排出。
(2)本发明通过设置同步起伏区可以在不增加双极板的厚度的前提下使冷却剂流遍整个反应区，便于对燃料电池电堆的温度进行控制。
(3)本发明通过设置冷却剂导流堤可以控制冷却剂的流动路线，既能消除冷却剂流道死角，又能控制冷却剂流动速率，从而减小冷却剂泵所产生的寄生功率。
(4)本发明第一极板上形成第一流道的横向板筋和第二极板上形成第三流道的纵向板筋可以对膜电极交叉施压，从而减小燃料电池的内部电阻。
附图说明
图1A是本发明双极板实施例1的第一极板的第一面的结构示意图。
图1B是本发明双极板实施例1的第一极板的第二面的结构示意图。
图2A是本发明双极板实施例1的第二极板的第三面的结构示意图。
图2B是本发明双极板实施例1的第二极板的第四面的结构示意图。
图3是本发明双极板实施例1的组合状态示意图。
图4是本发明双极板实施例2的第二极板的第四面的结构示意图。
图5是本发明双极板实施例2的组合状态示意图。
图6A是图3中A1-A1方向的剖视图。
图6B是图5中A11-A11方向的剖视图。
图7A是图3中A2-A2方向的剖视图。
图7B是图5中A21-A21方向的剖视图。
图7C是图7B中D处的放大示意图。
图8是图5中B1-B1方向的剖视图。
图9是图5中B2-B2方向的剖视图。
图10是本发明双极板实施例2的冷却剂流动方向示意图。
图11A是本发明双极板实施例3的第一极板的第一面的结构示意图。
图11B是本发明双极板实施例3的第一极板的第二面的结构示意图。
图12是本发明双极板实施例3的第二极板的第四面的结构示意图。
图13是本发明双极板实施例3的组合状态示意图。
图14A是本发明双极板实施例4的第一极板的第一面的结构示意图。
图14B是本发明双极板实施例4的第一极板的第二面的结构示意图。
图15是本发明双极板实施例4的组合状态示意图。
图16是本发明双极板实施例5的组合状态示意图。
图17A是图15中A3-A3方向的剖视图。
图17B是图16中A31-A31方向的剖视图。
图18A是图15中A4-A4方向的剖视图。
图18B是图16中A41-A41方向的剖视图。
图18C是图18B中E处的放大示意图。
图19是图16中B3-B3方向的剖视图。
图20是图16中B4-B4方向的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供一种双极板，其第一极板的第一面和第二极板的第三面具有不同的流场，使燃料流道内燃料(氢气)的流动方向至少发生四次变化，而氧化剂流道内的氧化剂流动方向为直通式，无变化，使得流动性比氢气差的空气或氧气在流动过程中无需转弯，这样既能得到适宜的压降又有利于反应产物水的排出。
如图1A-图3所示，本发明提供一种双极板，其为本发明的实施例1，包括第一极板1和第二极板2，该第一极板1具有第一面11和第二面12，该第二极板2具有第三面21和第四面22，该第一极板1的第二面12和第二极板2的第四面22贴合在一起，二者之间形成冷却剂流道3。该第一极板1的第一面11上具有第一流道111和第一基准面112，第二面12上具有第二流道121和第二基准面122。该第二极板2的第三面21上具有第三流道211和第三基准面212，该第四面22上具有第四流道221和第四基准面222。该第一流道111是相对于第一基准面112在厚度方向上形成的沟槽，该第二流道121是相对于第二基准面122在厚度方向上形成的沟槽，该第三流道211是相对于第三基准面212在厚度方向上形成的沟槽，该第四流道221是相对于第四基准面222在厚度方向上形成的沟槽。该厚度方向与该双极板被设置在燃料电池电堆中时该双极板的堆叠方向平行。该第一流道111包含有U形段4，该第三流道不包含有U形段，为多条平行的直通式流道或多条平行的小幅震荡的波浪型流道。该U形段4包括依次连接的第一段41、第二段42、和第三段43。该第一段41、第二段42和第三段43内参与电化学反应的流体或电化学反应的产物的流动方向分别为第一方向、第二方向和第三方向，该第一方向和第三方向相反，该第一方向和第二方向垂直，该第二方向和第三方向垂直。第一方向、第二方向、第三方向之间的角度为优选方案，但不限于此。例如，第一方向与第三方向所构成的夹角位于[150°,180°]区间、第一方向和第二方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间、第二向和第三方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间。
该第二流道121(与第一流道凹凸对应)包括横向段H和纵向段Z，该横向段H与第一流道111中的U形段4中的第二段42平行。
本发明的双极板，包括至少两个同步起伏区，用于引入和导出冷却剂，该同步起伏区位于该第二面12和第四面22之间，并对应该横向段H(第二段42)的位置。所述同步起伏区是指双极板上的一个特定区域，在该区域内包含有第二流道121、第二基准面122、第四流道221和第四基准面222，在该同步起伏区内，该第二基准面122和该第四基准面222不相接触，在该同步起伏区内的第二流道121是其横向段H。
该双极板上还包含有冷却剂入口通道5和冷却剂出口通道6，分别位于该双极板异侧两个对角处，该冷却剂入口通道5与一个所述同步起伏区内的冷却剂流道相贯通，该冷却剂出口通道与另一个同步起伏区内的冷却剂流道相贯通。冷却剂从冷却剂入口通道5流入其中一个同步起伏区，然后沿着第二流道纵向流动同时沿着第四流道横向流动从而流遍整个反应区，然后从另一个同步起伏区流出进入冷却剂出口通道6。图3中的箭头方向表示冷却剂的流动路线。
从图3可以看出，该双极板上包含有交叉流动区X和平行流动区Y，并且该交叉流动区X在基准平面内的投影的面积大于该平行流动区Y在基准平面内的投影的面积；所述的基准平面是指与厚度方向垂直的平面，是一个虚拟的平面；所述交叉流动区X是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该交叉流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该交叉流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间(优选方案是两个方向垂直)；所述平行流动区Y是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该平行流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该平行流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间或[150°,180°]区间(优选方案是两个方向相同或相反)；该双极板上的同步起伏区位于该平行流动区Y或者与该平行流动区Y重叠。在该同步起伏区内，该第二流道与该第四流道相互交错，二者在该基准平面内的投影的中心线平行且不重叠，第二基准面和第四基准面也错位，形成一个连通的截面呈波浪状的冷却剂流道，因此，冷却剂既可以流入第二流道，又可以流入第四流道。
另外，如图1B、图6A、图7A所示，为了防止在同步起伏区处，因上下双极板的挤压产生变形，阻挡冷却剂流道3，该横向段H处具有若干上支撑台44，各该上支撑台44阻断该第二流道121，相对应的，使背面的第一流道相贯通。也可以在该第四流道对应该横向段H的位置设有若干下支撑台，各下支撑台阻断该第四流道221，相对应的，使背面的第三流道相贯通。实际上，上支撑台是阻断一部分第二流道而形成的第二基准面，下支撑台是阻断一部分第四流道而形成的第四基准面。
如图4-图5，图6B、图7B、图7C，图8-图10所示，其为本发明双极板的实施例2，该双极板异侧两个对角处分别开设有冷却剂入口5和冷却剂出口6，分别与位于对角的两个同步起伏区相连通。本实施例的第一极板1结构与实施例1相同。
该第二极板2上设置有冷却剂导流堤7，该冷却剂导流堤7为阻断该第四流道221而在该第四面22上形成的第四基准面。该冷却剂导流堤7由该第四流道最外侧向内延伸，与该第四流道221垂直或者接近垂直，该冷却剂导流堤7长度小于所有第四流道221的总宽度。优选的，该冷却剂入口5内侧和该冷却剂出口6内侧分别设有一个冷却剂导流堤7，使该冷却剂在第一极板和第二极板之间的空间内的流动路线呈S形或蛇形。当然，还可以设置更多的冷却剂导流堤7。图10中的箭头方向表示冷却剂的主流的流动路线。
同样，如图6B、图7B所示，为了防止在同步起伏区处，因上下双极板的挤压产生变形，阻挡冷却剂流道3，该横向段H处具有若干上支撑台44。当然，也可以在该处设置若干下支撑台。
如图11A-图13所示，其为本发明双极板的实施例3，其与实施例2的区别在于，该双极板同侧相邻内角处分别开设有冷却剂入口5和冷却剂出口6，分别与位于同侧相邻内角处的两个同步起伏区对应的冷却剂流道3连通。本实施例的第一极板1的结构见图11A、11B所示，本实施例的第二极板2的结构见图12所示。
该第二极板2上设置有冷却剂导流堤7，该冷却剂导流堤7为阻断该第四流道221而在该第四面22上形成的长条状的第四基准面，且设置在对应该第二流道的相邻的纵向段Z之间。该冷却剂导流堤7由该第四流道最外侧向内延伸，与该第四流道221垂直或者接近垂直，该冷却剂导流堤7长度小于所有第四流道221的总宽度。优选的，该冷却剂入口5内侧和该冷却剂出口6内侧分别设有一个冷却剂导流堤7，使该冷却剂在第一极板和第二极板之间的空间内的流动路线呈S形或蛇形。当然，还可以设置更多的冷却剂导流堤7。图13是第一极板和第二极板的组装图，该图中的箭头方向表示冷却剂的主流的流动路线。
如图14A-图15所示，其为本发明双极板的实施例4，本实施例中，该第一流道111包含有S形段4’，该第三流道不包含有S形段，为多条平行的直通式流道或多条平行的小幅震荡的波浪型流道。该S形段4’包括第四段41’、第五段42’和第六段43’且该第五段42’的长度大于该第六段43’的宽度的3倍，在燃料电池电堆中流体依次流过该第四段41’、该第五段42’和该第六段43’且在该第四段41’内的流动方向和在该第六段43’内的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间(优选0°)、在该第四段41’内的流动方向和在该第五段42’内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间(优选90°)、在该第五段42’内的流动方向和在该第六段43’内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间(优选90°)。第一极板的结构见图14A、14B所示，第二极板的结构与实施例1中的第二极板相同，图15是第一极板和第二极板的组装图，冷却剂的流动路线与图3所示的冷却剂流动路线基本相同。
该第二流道121(与第一流道凹凸对应)包括横向段H和纵向段Z，该横向段H与第一流道111中的S形段4’中的第五段42’平行。本实施例的双极板，同样包括至少两个同步起伏区，该同步起伏区位于该第二面12和第四面22之间，并对应该横向段H(第五段42’)的位置。在该同步起伏区内，包含有第二流道、第二基准面、第四流道和第四基准面并且该第二基准面122和该第四基准面222不相接触。在该同步起伏区内的第二流道121是其横向段H。
该双极板上也包含有冷却剂入口通道5和冷却剂出口通道6，分别位于该双极板异侧两个对角处，该冷却剂入口通道5与一个所述同步起伏区相贯通，该冷却剂出口通道6与另一个同步起伏区相贯通。冷却剂从冷却剂入口通道流入其中一个同步起伏区，然后沿着第二流道纵向流动同时沿着第四流道横向流动从而流遍整个反应区，然后从另一个同步起伏区流出进入冷却剂出口通道。
从图15可以看出，该双极板上包含有交叉流动区X和平行流动区Y，并且该交叉流动区X在基准平面内的投影的面积大于该平行流动区Y在基准平面内的投影的面积；这里所述的基准平面是指与厚度方向垂直的平面，是一个虚拟的平面；所述交叉流动区X是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该交叉流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该交叉流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间(优选方案是两个方向垂直)；所述平行流动区Y是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该平行流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该平行流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间或[150°,180°]区间(优选方案是两个方向相同或相反)；该双极板上的同步起伏区位于该平行流动区Y或者与该平行流动区Y重叠。在该同步起伏区内，该第二流道与该第四流道相互交错，二者在该基准平面内的投影的中心线平行且不重叠，第二基准面和第四基准面也错位，形成一个连通的截面呈波浪状的冷却剂流道，因此，冷却剂既可以流入第二流道，又可以流入第四流道。
如图14B、17A、图18A所示，为了防止在该第五段42’因上下双极板的挤压产生变形，阻挡冷却剂流道3，该横向段H处具有若干上支撑台44’，各该上支撑台44’阻断该第二流道121，相对应的，使背面的第一流道相贯通。也可以在该第四流道对应该横向段H的位置设有若干下支撑台，各下支撑台阻断该第四流道221，相对应的，使背面的第三流道相贯通。实际上，上支撑台是阻断一部分第二流道而形成的第二基准面，下支撑台是阻断一部分第四流道而形成的第四基准面。
如图16、图17B、图18B、图18C，图19-图20所示，其为本发明双极板的实施例5，第一极板的结构与实施例4相同，见图14A、图14B所示，第二极板的结构与实施例2中的第二极板相同，设置冷却剂导流堤7’，见图4所示，冷却剂的流动路线与图10所示的冷却剂流动路线基本相同。
从几何拓扑学的角度来看，实施例4和实施例5同实施例1和实施例2的本质区别在于：在实施例4和实施例5中，第一极板上的第一流道和第二极板上的第三流道均不包含有U形段(或者说均不包含有“回流段”)；而在实施例1和实施例2中，第一极板上的第一流道包含有U形段(或者说包含有“回流段”)。
优选的，本发明各实施例的第一极板1和第二极板2是用厚度小于0.5mm的金属或合金薄板通过压力加工的方法制作成形。本发明各实施例的双极板还包括常规的燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道、氧化剂出口通道，是设置在该双极板边缘的透孔。
本发明还提供一种燃料电池电堆，包括所述的双极板。另外，本发明还提供一种燃料电池发电系统，包括所述的燃料电池电堆。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，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。
Claims (14)
1.一种双极板，包括第一极板和第二极板，该第一极板具有第一面和第二面，该第二极板具有第三面和第四面，该第一极板的第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二极板的第三面上具有第三流道和第三基准面，该第一流道是相对于第一基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第三流道是相对于第三基准面在厚度方向上形成的沟槽；该第一极板的第二面上具有第二流道和第二基准面，该第二极板的第四面上具有第四流道和第四基准面，该第二流道是相对于该第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于该第四基准面在厚度方向上形成的沟槽；该厚度方向与该双极板在燃料电池电堆中的堆叠方向平行；在该双极板中该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起；其特征在于，该第一极板的第一面上的第一流道包含有U形段，该第二极板的第三面上的第三流道不包含有U形段；所述U形段包括第一段、第二段和第三段，在燃料电池电堆中流体在该第一段内的流动方向和在该第三段内的流动方向所构成的夹角位于[150°,180°]区间、在该第一段内的流动方向和在该第二段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间、在该第二段内的流动方向和在该第三段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
该双极板上包含有同步起伏区，该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第二流道、第二基准面、第四流道、第四基准面的一部分并且所述第二基准面和所述第四基准面不相接触。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第二极板上设置有冷却剂导流堤，该冷却剂导流堤是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
3.根据权利要求1或2所述的双极板，其特征在于，所述双极板异侧两个对角处分别开设有冷却剂入口和冷却剂出口，分别与位于对角的两个同步起伏区对应的冷却剂流道连通。
4.根据权利要求1或2所述的双极板，其特征在于，所述双极板同侧相邻内角处分别开设有冷却剂入口和冷却剂出口，分别与位于同侧相邻内角处的两个同步起伏区对应的冷却剂流道连通。
5.一种双极板，包括第一极板和第二极板，该第一极板具有第一面和第二面，该第二极板具有第三面和第四面，该第一极板的第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二极板的第三面上具有第三流道和第三基准面，该第一流道是相对于第一基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第三流道是相对于第三基准面在厚度方向上形成的沟槽；该第一极板的第二面上具有第二流道和第二基准面，该第二极板的第四面上具有第四流道和第四基准面，该第二流道是相对于该第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于该第四基准面在厚度方向上形成的沟槽；该厚度方向与该双极板在燃料电池电堆中的堆叠方向平行；在该双极板中该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起；其特征在于，该第一极板的第一面上的第一流道包含有S形段，该第二极板的第三面上的第三流道不包含有S形段；所述S形段包括第四段、第五段和第六段且该第五段的长度大于该第六段的宽度的3倍，在燃料电池电堆中流体依次流过该第四段、该第五段和该第六段且在该第四段内的流动方向和在该第六段内的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间、在该第四段内的流动方向和在该第五段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间、在该第五段内的流动方向和在该第六段内的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
该双极板上包含有同步起伏区；该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第二流道、第二基准面、第四流道、第四基准面的一部分并且所述第二基准面和所述第四基准面不相接触。
6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述第二极板上设置有冷却剂导流堤，该冷却剂导流堤是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
7.根据权利要求1或5所述的双极板，其特征在于，所述同步起伏区内具有若干上支撑台或下支撑台；所述的上支撑台是阻断一部分所述第二流道而形成的第二基准面，所述的下支撑台是阻断一部分所述第四流道而形成的第四基准面。
8.根据权利要求1或5所述的双极板，其特征在于：所述第一极板和第二极板是用厚度小于0.5mm的金属或合金薄板通过压力加工的方法制作成型。
9.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，在所述同步起伏区的第二流道是该第二流道的横向段；该横向段与第一流道中的U形段中的第二段平行；
该双极板包含有至少两个所述同步起伏区；
该双极板包含有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道，该冷却剂入口通道与一个所述同步起伏区相贯通，该冷却剂出口通道与另一个同步起伏区相贯通。
10.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，在所述同步起伏区的第二流道是该第二流道的横向段；该横向段与第一流道中的S形段中的第五段平行；
该双极板包含有至少两个所述同步起伏区；
该双极板包含有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道，该冷却剂入口通道与一个所述同步起伏区相贯通，该冷却剂出口通道与另一个同步起伏区相贯通。
11.根据权利要求1或5所述的双极板，其特征在于，包括交叉流动区和平行流动区，并且该交叉流动区在基准平面内的投影的面积大于该平行流动区在基准平面内的投影的面积；该基准平面是指与所述厚度方向垂直的平面，是一个虚拟的平面；
所述交叉流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该交叉流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该交叉流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[60°,120°]区间；
所述平行流动区是指该双极板上的一个区域，在燃料电池电堆中流体在该平行流动区内的第一流道中的流动方向和流体在该平行流动区内的第三流道中的流动方向所构成的夹角位于[0°,30°]区间或[150°,180°]区间；
该双极板上的同步起伏区位于该平行流动区或者与该平行流动区重叠。
12.根据权利要求2或6所述的双极板，其特征在于，所述第二极板上设置有两条或更多条冷却剂导流堤，使得在所述冷却剂导流堤的引导下冷却剂在第一极板和第二极板之间的空间内的流动路线为S形或蛇形。
13.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的双极板。
14.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括权利要求13所述的燃料电池电堆。
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