CN110931820A - 双极板的整体错位组装方法及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统 - Google Patents

Abstract

双极板的整体错位组装方法及包含该双极板的燃料电池电堆和发电系统，整体错位组装方法包括：制作第一极板和第二极板；将该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起，并使该第一极板和该第二极板错位，错位方式包括第一极板和第二极板的质心错位和流场中心错位，利用该方法无需改变流道间距即可在双极板上形成大面积的同步起伏区或者同时形成多个同步起伏区。在该燃料电池电堆中通过将双极板围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°而可以避免出现膜电极的皱褶，进而避免反应物流道被堵塞和电路的接触不良。

Description

双极板的整体错位组装方法及包含该双极板的燃料电池电堆 和发电系统

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的整体错位组装方法以及包含有用该方法制作的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，作为移动电源具有很多优势。

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燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，双极板是一个很重要的部件，发挥支撑膜电极组件、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作用。在现有技术条件下，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％。

用作移动电源的质子交换膜燃料电池电堆倾向于采用金属制作的双极板以增强抗震能力。构成金属双极板的阴极板和阳极板是以金属薄板为原料通过压力加工的方法制作成型的，所以均为波纹形，这就给冷却剂的流路设计带来了很大的局限性。如何在不增加双极板的厚度、不减小反应物流道的深度、不增设附件的前提下将冷却剂导入和导出阴极板和阳极板之间的各个冷却剂流道是金属双极板结构设计中的一个难点。

我们在前期的研究工作中通过在双极板上设置错位区或同步起伏区解决了上述冷却剂的导入和导出问题，参见申请号为201810373488.0和201910851949.5的中国专利以及申请号为16/231950的美国专利所公开的内容。错位区和同步起伏区结构类似，是指双极板上的一个特定区域，在该区域内，该阴极板和阳极板的冷却剂流道相互交错，二者在双极板板面构成的平面内的投影的中心线平行且不重叠，形成连通的截面呈波浪状的冷却剂流道。目前，对于错位区和同步起伏区的形成方法的研究尚不够完善，特别是对于空冷型电堆所用的双极板和狭长形的双极板上如何形成同步起伏区尚未涉及。

发明内容

本发明的目的是提供一种双极板的整体错位组装方法，利用该方法无需改变流道间距即可在双极板上形成大面积的同步起伏区或者同时形成多个同步起伏区。在燃料电池电堆中该同步起伏区可以作为贯通阴极板和阳极板之间的各个冷却剂流道的通道，借助于该同步起伏区可以实现在不增加双极板的厚度、不减小反应物流道的深度、不增设附件的前提下将冷却剂导入和导出阴极板和阳极板之间的各个冷却剂流道。

本发明的另一目的是提供一种包含有用上述方法制作的双极板的燃料电池电堆以及包含有该燃料电池电堆的发电系统。在包含有用上述方法制作的双极板的燃料电池电堆中，通过将双极板围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°从而避免在同步起伏区所对应的部位出现膜电极的皱褶。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种双极板的整体错位组装方法，包括以下步骤：

步骤一，制作符合下列条件的第一极板和第二极板：

该第一极板具有第一面和第二面，该第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二面上具有第二流道和第二基准面，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，该第二流道是相对于第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，第一流道的底部的背面是第二基准面，第二流道的底部的背面是第一基准面；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；

该第二极板具有第三面和第四面，该第三面上具有第三流道和第三基准面，该第四面上具有第四流道和第四基准面，该第三流道是相对于第三基准面在该厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于第四基准面在该厚度方向上形成的沟槽，第三流道的底部的背面是第四基准面，第四流道的底部的背面是第三基准面；

步骤二，将该第一极板和第二极板按照下述方式组合在一起：

将该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起，并使该第一极板的质心和该第二极板的质心不对正，且该第一极板的质心在基准平面内的投影和第二极板的质心在基准平面内的投影之间的距离d满足：

d>w/2

式中w表示第二流道的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一极板的质心在基准平面内的投影和第二极板的质心在基准平面内的投影的连线平行。

进一步的，所述步骤二中，所述第一极板的质心和所述第二极板的质心的不对正使双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道、第一基准面、第二流道、第二基准面、第三流道、第三基准面、第四流道、第四基准面并且第二基准面和第四基准面不相接触；该同步起伏区内的第一流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直，该同步起伏区内的第三流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直。

进一步的，所述步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板和所述第二极板固定连接。

一种双极板的整体错位组装方法，包括以下步骤：

步骤一，制作符合下列条件的第一极板和第二极板：

该第一极板具有第一面和第二面，该第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二面上具有第二流道和第二基准面，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，该第二流道是相对于第二基准面在厚度方向上形成的沟槽；第一流道的底部的背面是第二基准面，第二流道的底部的背面是第一基准面；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；该第一极板上存在第一面流场中心，第一面上的第一流道以该第一面流场中心为对称点对称布置；

该第二极板具有第三面和第四面，该第三面上具有第三流道和第三基准面，该第四面上具有第四流道和第四基准面，该第三流道是相对于第三基准面在该厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于第四基准面在该厚度方向上形成的沟槽，第三流道的底部的背面是第四基准面，第四流道的底部的背面是第三基准面；该第二极板上存在第三面流场中心，第三面上的第三流道以该第三面流场中心为对称点对称布置；

步骤二，将第一极板和第二极板按照下述方式组合在一起：

将该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起，并使该第一面流场中心和该第三面流场中心不对正，该第一面流场中心在基准平面内的投影和该第三面流场中心在基准平面内的投影之间的距离δ满足：

δ>ω/2

式中ω表示第二流道的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一面流场中心在基准平面内的投影和第三面流场中心在基准平面内的投影的连线平行。

进一步的，所述步骤二中，所述第一面流场中心和所述第三面流场中心的不对正导致双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道、第一基准面、第二流道、第二基准面、第三流道、第三基准面、第四流道、第四基准面并且第二基准面和第四基准面不相接触；该同步起伏区内的第一流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直，该同步起伏区内的第三流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直。

进一步的，所述步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板和所述第二极板固定连接。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影重叠；所述步骤一所制作的第二极板上，所述第三面流场中心和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ；在所述步骤二中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ的1/2；在步骤一所制作的第二极板上，第三面流场中心和第二极板的质心在基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离为所述δ的1/2；在所述步骤二中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠。

进一步的，所述步骤一制作的第一极板和第二极板具有相同的几何形状，该第一极板的第一面和该第二极板的第三面相同，该第一极板的第二面和该第二极板的第四面相同；该第一极板和第二极板上设置有燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道、氧化剂出口通道；在将该第一极板和第二极板固定连接的步骤之后还包括如下步骤：切割氧化剂入口通道的边缘和氧化剂出口通道的边缘，或者在燃料入口通道内和燃料出口通道内填充盖板，从而使得氧化剂入口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积，使得氧化剂出口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设有用于错位组装的定位装置，该定位装置以与错位方向平行的双极板的中心线为对称轴对称；所述步骤二中，用该定位装置确定所述第一极板和第二极板之间的相对位置。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板上的第一流道为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道，切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道的背面是阻断第二流道而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面；所述第二极板与第一极板有相同的形状。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板上的第一流道为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道，切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道的背面是阻断第二流道而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面；所述第二极板为蛇形流场板。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设置有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板为Z形流场板，所述第一流道和第二流道均为Z形流道；所述第二极板和第一极板具有相同的几何形状。

进一步的，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设置有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板为Z形流场板，所述第一流道和第二流道均为Z形流道；所述第二极板为蛇形流场板，所述第三流道和第四流道为蛇形流道，且该蛇形流道的端部发生90°弯曲而位于所述第二极板的侧面。

一种燃料电池电堆，包含有所述的方法制作的双极板。

在一个实施例中，所述的燃料电池电堆，至少包含有3个所述的方法制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板的第一流道为燃料流道，各双极板的第二极板的第三流道为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极、分属于两个双极板的第一极板和第二极板当中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d，两个第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极和一个双极板介于其间的两个双极板；在将双极板组装成燃料电池电堆时，夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个相对于另一个而言围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°。

在一个实施例中，所述的燃料电池电堆，至少包含有3个所述的方法制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板的第一流道为燃料流道，各双极板的第二极板的第三流道为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极、分属于两个双极板的第一极板和第二极板当中，所述第一极板的第一面流场中心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板的第一面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ，两个第二极板的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极和一个双极板介于其间的两个双极板；在将双极板组装成燃料电池电堆时，夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个相对于另一个而言围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°。

在一个实施例中，所述双极板中的第一极板和第二极板具有相同的几何形状，并且所述第一极板和第二极板上设置有燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道和氧化剂出口通道；

该燃料电池电堆中包含有燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板，该燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板设置在燃料入口通道中从而使燃料入口通道的截面积减小；

该燃料电池电堆中还包含有燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板，该燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板设置在燃料出口通道中从而使燃料出口通道的截面积减小。

一种燃料电池发电系统，包含有所述的燃料电池电堆。

本发明的有益效果是：利用本发明所揭示的整体错位组装方法无需改变流道间距即可在双极板上形成大面积的同步起伏区或者同时形成多个同步起伏区，与通过改变流道间距来形成错位区或同步起伏区的方法相比具有简化流场、简化双极板结构的效果；借助于该同步起伏区能够在不增加双极板的厚度、不减小反应物流道的深度、不增设附件的前提下将冷却剂导入和导出阴极板和阳极板之间的各个冷却剂流道并能够使冷却剂流遍整个反应区，有利于提高燃料电池电堆的功率密度和温控能力。

附图说明

图1是本发明双极板的整体错位组装方法实施例1中的双极板的结构示意图。

图1A是本发明双极板的整体错位组装方法实施例1中的第一极板的结构示意图。

图1B是本发明双极板的整体错位组装方法实施例1中的第二极板的结构示意图。

图2A是本发明双极板的整体错位组装方法实施例2中的第一极板的结构示意图。

图2B是本发明双极板的整体错位组装方法实施例2中的第二极板的结构示意图

图3是本发明双极板的整体错位组装方法实施例3中的双极板的结构示意图。

图3A是本发明双极板的整体错位组装方法实施例3中的第一极板的结构示意图。

图3B是本发明双极板的整体错位组装方法实施例3中的第二极板的结构示意图。

图4是本发明双极板的整体错位组装方法实施例4中的第一极板的结构示意图。

图5是本发明双极板的整体错位组装方法实施例4中的第二极板的结构示意图。

图6A是图1中的A1-A1处的截面图，表示第一极板和第二极板的质心错位。

图6B是图1中的A1-A1处的截面图，表示第一极板和第二极板的流场中心错位。

图7是图1中的B1-B1处的截面图。

图8A是图3中的A2-A2处的截面图，表示第一极板和第二极板的质心错位。

图8B是图3中的A2-A2处的截面图，表示第一极板和第二极板的流场中心错位。

图9是图3中的B2-B2处的截面图。

图10是在燃料电池电堆中图6A和图6B所对应的部位出现膜电极的皱褶示意图。

图11是图6A对应的燃料电池电堆组装图，此时第一极板和第二极板的质心和流场中心重叠，被组装在一起时第一极板和第二极板的边缘不对齐、各个通道也不对齐。

图12是图6B对应的燃料电池电堆组装图，此时第一极板和第二极板的流场中心和质心偏离(即两者在基准平面内的投影不重叠)，被组装在一起时第一极板和第二极板的边缘对齐、各个通道也对齐。

图13是在燃料电池电堆中图8A和图8B所对应的部位出现膜电极的皱褶示意图。

图14是图8A对应的燃料电池电堆组装图，此时第一极板和第二极板的质心和流场中心重叠，被组装在一起时第一极板和第二极板的边缘不对齐、各个通道也不对齐。

图15是图8B对应的燃料电池电堆组装图，此时第一极板和第二极板的流场中心和质心偏离(即两者在基准平面内的投影不重叠)，被组装在一起时第一极板和第二极板的边缘对齐、各个通道也对齐。

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。

如图1-图5所示，本发明提供双极板的实施例1-4，各实施例的双极板包括第一极板1和第二极板2。该第一极板1具有第一面11和第二面12，该第一面11上具有第一流道111和第一基准面112，该第二面12上具有第二流道121和第二基准面122，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，第一流道111的底部的背面是第二基准面122，第二流道121的底部的背面是第一基准面112；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；该第二极板2具有第三面21和第四面22，该第三面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，该第三流道211是相对于第三基准面212在该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在该厚度方向上形成的沟槽，第三流道211的底部的背面是第四基准面222，第四流道221的底部的背面是第三基准面212；该第一极板1的第二面12和该第二极板2的第四面22贴合在一起，形成双极板。

本发明提供一种双极板的整体错位组装方法，其为方法一，包括以下步骤：

步骤一，制作上述实施例1-4中的双极板的第一极板1和第二极板2，优先选择的方法是：用厚度约为0.1毫米的金属或合金薄板为原材料，裁切成预定的形状后放入模具中冲压成型，模具中的凹凸结构与第一极板和第二极板的凹凸结构对应。

步骤二，将该第一极板1和第二极板2按照下述方式组合在一起成为双极板：

如图6A、图7、图8A、图9所示，将该第一极板1的第二面12和该第二极板2的第四面22贴合在一起，并使该第一极板1的质心和该第二极板2的质心不对正，且该第一极板1的质心在基准平面内的投影和第二极板2的质心在基准平面内的投影之间的距离d满足：

d>w/2

式中w表示第二流道的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一极板的质心在基准平面内的投影和第二极板的质心在基准平面内的投影的连线平行。由于第一极板的质心是第一极板上的一个固定点(就是第一极板的重心)，第二极板的质心是第二极板上的一个固定点(就是第二极板的重心)，所以在具体进行错位组装操作时并不需要测定出第一极板的质心和第二极板的质心的具体位置，只需要按照第一极板和第二极板上的定位装置来进行两个极板的错位组装即可。此处我们将该定位装置设计为两条距离为d的狭缝，或者是两个圆心的距离为d并发生部分重叠的圆孔。借助于该定位装置就可以实现两个极板的质心发生距离为d的错位而不需要测量出质心的具体位置。

进一步的，所述方法一的步骤二中，所述第一极板1的质心和所述第二极板2的质心的不对正使双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道111、第一基准面112、第二流道121、第二基准面122、第三流道211、第三基准面212、第四流道221、第四基准面222并且第二基准面122和第四基准面222不相接触；该同步起伏区内的第一流道111与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直，该同步起伏区内的第三流道211与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直。

进一步的，所述方法一的步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板1和所述第二极板2固定连接。

本发明还提供一种双极板的整体错位组装方法，其为方法二，包括以下步骤：

步骤一，制作上述实施例1-4中的双极板的第一极板和第二极板，优先选择的方法是：用厚度约为0.1毫米的金属或合金薄板为原材料，裁切成预定的形状后放入模具中冲压成型，模具中的凹凸结构与第一极板和第二极板的凹凸结构对应。

其中，该第一极板1上存在第一面流场中心，第一面11上的第一流道111以该第一面流场中心为对称点对称布置；该第二极板2上存在第三面流场中心，第三面21上的第三流道211以该第三面流场中心为对称点对称布置；

步骤二，将第一极板1和第二极板2按照下述方式组合在一起成为双极板：

如图6B、图7、图8B、图9所示，将该第一极板1的第二面12和该第二极板2的第四面22贴合在一起，并使该第一面流场中心和该第三面流场中心不对正，该第一面流场中心在基准平面内的投影和该第三面流场中心在基准平面内的投影之间的距离δ满足：

δ>ω/2

式中ω表示第二流道121的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一面流场中心在基准平面内的投影和第三面流场中心在基准平面内的投影的连线平行。由于第一面流场中心是第一极板上的一个固定点，第三面流场中心是第二极板上的一个固定点，所以在具体进行错位组装操作时并不需要测定出第一面流场中心和第三面流场中心的具体位置，只需要按照第一极板和第二极板上的定位装置来进行两个极板的错位组装即可。此处我们将该定位装置设计为两条距离为δ的狭缝，或者是两个圆心的距离为δ并发生部分重叠的圆孔。借助于该定位装置就可以实现两个极板上的第一面流场中心和第三面流场中心发生距离为δ的错位而不需要测量出第一面流场中心和第三面流场中心的具体位置。

进一步的，所述方法二的步骤二中，所述第一面流场中心和所述第三面流场中心的不对正导致双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道111、第一基准面112、第二流道121、第二基准面122、第三流道211、第三基准面212、第四流道221、第四基准面222并且第二基准面122和第四基准面222不相接触；该同步起伏区内的第一流道111与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直，该同步起伏区内的第三流道211与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，优选方案是两者垂直。

进一步的，所述方法二的步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板1和所述第二极板2固定连接。

在方法二中，有下列两种情况：

1、所述步骤一所制作的第一极板1上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影重叠；所述步骤一所制作的第二极板2上，所述第三面流场中心和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ；在所述步骤二中，所述第一极板1的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板2的质心在所述基准平面内的投影重叠。

2、所述步骤一所制作的第一极板1上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ的1/2；在步骤一所制作的第二极板2上，第三面流场中心和第二极板的质心在基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离为所述δ的1/2；在所述步骤二中，所述第一极板1的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板2的质心在所述基准平面内的投影重叠。

在本发明的方法一和方法二中，所述步骤一制作的第一极板1和第二极板2优选具有相同的几何形状，该第一极板1的第一面11和该第二极板2的第三面21相同，该第一极板1的第二面12和该第二极板2的第四面22相同；该第一极板1和第二极板2上设置有燃料入口通道3、燃料出口通道4、氧化剂入口通道5、氧化剂出口通道6；在第一极板和第二极板形状相同的情况下，双极板的组装实际上就是将两个第一极板的第二面贴合在一起，所以氧化剂入口通道的截面积必然会和燃料入口通道的截面积相同或者与燃料出口通道的截面积相同。这就会带来一个问题，因为在燃料电池电堆中通常会要求氧化剂入口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积，有时候对氧化剂出口通道也会有同样的要求。为此，在将该第一极板1和第二极板2固定连接的步骤之后还包括如下步骤：切割氧化剂入口通道5的边缘和氧化剂出口通道6的边缘，或者在燃料入口通道3内和燃料出口通道4内填充盖板，从而使得氧化剂入口通道5的截面积大于燃料入口通道3的截面积和燃料出口通道4的截面积，使得氧化剂出口通道6的截面积大于燃料入口通道3的截面积和燃料出口通道4的截面积。在附图1和附图3中氧化剂入口通道5和氧化剂出口通道6内的虚线表示切割线，在附图1中氧化剂入口通道5和氧化剂出口通道6的内沿被局部切割，在附图3中氧化剂入口通道5和氧化剂出口通道6的内沿被全部切割；放置在燃料入口通道3内的盖板可以是一个环状的塑料板，其外部形状与燃料入口通道的内沿相似、内孔的面积小于氧化剂入口通道的截面积，放置在燃料入口通道内沿的焊接带所形成的凹窝中即可；放置在燃料出口通道中的盖板的外部形状与燃料出口通道的内沿相似、内孔的面积小于燃料出口通道的截面积，放置在燃料出口通道内沿的焊接带所形成的凹窝中即可。

在本发明的方法一和方法二中，优选的，所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上设有用于错位组装的定位装置，该定位装置以与错位方向平行的双极板的中心线为对称轴对称，在方法一中，该错位方向与两个极板的质心在基准平面内的投影的连线平行，在方法二中，该错位方向与第一面流场中心和第三面流场中心在基准平面内的投影的连线平行；所述步骤二中，用该定位装置确定所述第一极板1和第二极板2之间的相对位置。在两个极板具有相同的形状的情况下，在将两个极板组装在一起时需要将其中一个极板翻转一下然后与另一个极板贴合在一起，所以该定位装置被设计成以与错位方向平行的双极板的中心线为对称轴对称，保证在极板被翻转之后其上的定位装置不发生变化。

在本发明的方法一和方法二中，对于没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道的情况，如图1-图2B所示，有下列两种情况：

1、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板1上的第一流道111为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道111之间的板筋而形成的横向流道1111，切断相互平行的第一流道111之间的板筋而形成的横向流道1111的背面是阻断第二流道121而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面122；所述第二极板2与第一极板1有相同的形状。

2、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板1上的第一流道111为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道111之间的板筋而形成的横向流道1111，切断相互平行的第一流道111之间的板筋而形成的横向流道1111的背面是阻断第二流道121而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面122；所述第二极板2为蛇形流场板。

在本发明的方法一中，对于冷却剂入口通道和冷却剂出口通道的设置，如图3-图5所示，有下列两种情况：

1、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上设置有冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8；所述第一极板1上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以第一极板的质心为对称点对称，所述第二极板2上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以第二极板的质心为对称点对称；所述第一极板1为Z形流场板，所述第一流道111和第二流道121均为Z形流道；所述第二极板2和第一极板1具有相同的几何形状。

2、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上设置有冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8；所述第一极板1上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以所述第一极板的质心为对称点对称，所述第二极板2上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以第二极板的质心为对称点对称；所述第一极板1为Z形流场板，所述第一流道111和第二流道121均为Z形流道；所述第二极板2为蛇形流场板，所述第三流道211和第四流道221为蛇形流道，且该蛇形流道的端部发生90°弯曲而位于所述第二极板2的侧面。

在本发明的方法二中，对于冷却剂入口通道和冷却剂出口通道的设置，如图3-图5所示，有下列两种情况：

1、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上设置有冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8；所述第一极板1上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以所述第一面流场中心为对称点对称，所述第二极板2上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以所述第三面流场中心为对称点对称；所述第一极板1为Z形流场板，所述第一流道111和第二流道121均为Z形流道；所述第二极板2和第一极板1具有相同的几何形状。

2、所述步骤一所制作的第一极板1和第二极板2上设置有冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8；所述第一极板1上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以所述第一面流场中心为对称点对称，所述第二极板2上的冷却剂入口通道7和冷却剂出口通道8以所述第三面流场中心为对称点对称；所述第一极板1为Z形流场板，所述第一流道111和第二流道121均为Z形流道；所述第二极板2为蛇形流场板，所述第三流道211和第四流道221为蛇形流道，且该蛇形流道的端部发生90°弯曲而位于所述第二极板2的侧面。

如图10-图15所示，本发明还提供一种燃料电池电堆，包含有根据上述方法一或方法二制作的双极板。

在一个燃料电池电堆的实施例中，至少包含有3个根据方法一制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板1的第一流道111为燃料流道，各双极板的第二极板2的第三流道211为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极9、分属于两个双极板的第一极板1和第二极板2当中，所述第一极板1的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板2的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板1的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d，两个第二极板2的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极9和一个双极板介于其间的两个双极板。

将具有错位区或同步起伏区的双极板安装在燃料电池堆中时有可能会出现膜电极起皱褶的问题，见附图10和附图13最上方图所示，这将导致反应物流道被堵塞和电路的接触不良。利用本发明所揭示的整体错位组装方法制作的双极板，在被安装到燃料电池堆中时，通过将双极板围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°就可以避免在同步起伏区所对应的部位出现膜电极的皱褶，进而避免反应物流道被堵塞和电路的接触不良。相形之下，通过改变一个极板上的流道间距而形成错位区的方法所制作的双极板，在被安装在电堆中时，膜电极起皱褶的问题无法解决。

将利用方法一所制作的双极板如此安装在燃料电池电堆中可以避免膜电极起皱褶。我们在前期的研究结果表明，具有错位区或同步起伏区的双极板，被安装在燃料电池电堆中时有可能出现膜电极起皱褶的情况，附图10中的最上面一幅图是实例1和实例2所描述的双极板被安装在燃料电池电堆中时膜电极起皱褶的示意图，附图13中的最上面一幅图是实例3和实例4所描述的双极板被安装在燃料电池电堆中时膜电极起皱褶的示意图。膜电极起皱褶会导致反应物流道被堵塞和电路的接触不良。为了避免这种情况的发生，最简单的方法是将夹持同一个膜电极的两个双极板进行错位组装，错位量为d，见附图10和附图13中间左边一幅图所示。但是，对于大功率的燃料电池电堆而言，由于其中的双极板数量比较多，如果各个双极板均向同一个方向错位，必然会导致电堆的倾斜，这显然是不可行的，见附图10和附图13中的最下面一幅图所示。对于本发明所提供的双极板而言，如果第一极板和第二极板具有对称性，则可以通过将双极板围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°，也就是将双极板的燃料入口通道和燃料出口通道互换、氧化剂入口通道和氧化剂出口通道互换、冷却剂入口通道和冷却剂出口通道互换，而解决这个问题；当然，这样做需要一个前提条件，就是第一极板和第二极板都具有对称性。本发明所提供的双极板可以满足这个前提条件，因而可以解决膜电极起皱褶的问题。避免膜电极起皱褶的另一个方法是将夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个围绕与错位方向平行的轴线旋转180°，即将夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个翻转一下，使其第一极板和第二极板互换，见附图10和附图13中间右边的一幅图所示；当然，这样做需要一个前提条件，就是第一极板和第二极板必须具有相同的形状，而本发明所提供的双极板也可以满足这个前提条件。

在一个燃料电池电堆的实施例中，至少包含有3个根据方法二制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板1的第一流道111为燃料流道，各双极板的第二极板2的第三流道211为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极9、分属于两个双极板的第一极板1和第二极板2当中，所述第一极板1的第一面流场中心在所述基准平面内的投影和所述第二极板2的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板1的第一面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ，两个第二极板2的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极9和一个双极板介于其间的两个双极板。

如前所述，将利用方法二所制作的双极板如此安装在燃料电池电堆中可以避免膜电极起皱褶。

在本发明的燃料电池电堆中，所述双极板中的第一极板1和第二极板2具有相同的几何形状，并且所述第一极板1和第二极板2上设置有燃料入口通道3、燃料出口通道4、氧化剂入口通道5和氧化剂出口通道6；

该燃料电池电堆中包含有燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板，该燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板设置在燃料入口通道3中从而使燃料入口通道3的截面积减小；

该燃料电池电堆中还包含有燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板，该燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板设置在燃料出口通道4中从而使燃料出口通道4的截面积减小。

如前所述，在第一极板和第二极板形状相同的情况下，氧化剂入口通道的截面积必然会和燃料入口通道的截面积相同或者与燃料出口通道的截面积相同，而在燃料电池电堆中通常会要求氧化剂入口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积，在燃料入口通道和燃料出口通道中放置填充棒或填充板是解决这个问题的一个简单易行的方法。与切割氧化剂入口通道的内沿和在燃料入口通道内放置盖板的方法相比，成本会更低一些。

本发明还提供一种燃料电池发电系统，包含有上述的燃料电池电堆。

本发明揭示了一种双极板的整体错位组装方法，错位方式包括阴极板和阳极板的质心错位和流场中心错位，利用该方法无需改变流道间距即可在双极板上形成大面积的同步起伏区或者同时形成多个同步起伏区。本发明还揭示了一种包含有用上述方法制作的双极板的燃料电池电堆以及包含有该燃料电池电堆的燃料电池发电系统，在该燃料电池电堆中通过将双极板围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°(也就是将双极板的燃料入口通道和燃料出口通道互换、氧化剂入口通道和氧化剂出口通道互换、冷却剂入口通道和冷却剂出口通道互换)或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°而避免出现膜电极的皱褶(也就是将夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个翻转一下，使其第一极板和第二极板互换)进而避免反应物流道被堵塞和电路的接触不良。

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 (19)

1.一种双极板的整体错位组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，制作符合下列条件的第一极板和第二极板：

该第一极板具有第一面和第二面，该第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二面上具有第二流道和第二基准面，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，该第二流道是相对于第二基准面在厚度方向上形成的沟槽，第一流道的底部的背面是第二基准面，第二流道的底部的背面是第一基准面；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；

该第二极板具有第三面和第四面，该第三面上具有第三流道和第三基准面，该第四面上具有第四流道和第四基准面，该第三流道是相对于第三基准面在该厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于第四基准面在该厚度方向上形成的沟槽，第三流道的底部的背面是第四基准面，第四流道的底部的背面是第三基准面；

步骤二，将该第一极板和第二极板按照下述方式组合在一起：

将该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起，并使该第一极板的质心和该第二极板的质心不对正，且该第一极板的质心在基准平面内的投影和第二极板的质心在基准平面内的投影之间的距离d满足：

d>w/2

式中w表示第二流道的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一极板的质心在基准平面内的投影和第二极板的质心在基准平面内的投影的连线平行。

2.根据权利要求1所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于：所述步骤二中，所述第一极板的质心和所述第二极板的质心的不对正使双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道、第一基准面、第二流道、第二基准面、第三流道、第三基准面、第四流道、第四基准面并且第二基准面和第四基准面不相接触；该同步起伏区内的第一流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，该同步起伏区内的第三流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间。

3.根据权利要求1或2所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于：所述步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板和所述第二极板固定连接。

4.一种双极板的整体错位组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，制作符合下列条件的第一极板和第二极板：

该第一极板具有第一面和第二面，该第一面上具有第一流道和第一基准面，该第二面上具有第二流道和第二基准面，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，该第二流道是相对于第二基准面在厚度方向上形成的沟槽；第一流道的底部的背面是第二基准面，第二流道的底部的背面是第一基准面；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；该第一极板上存在第一面流场中心，第一面上的第一流道以该第一面流场中心为对称点对称布置；

该第二极板具有第三面和第四面，该第三面上具有第三流道和第三基准面，该第四面上具有第四流道和第四基准面，该第三流道是相对于第三基准面在该厚度方向上形成的沟槽，该第四流道是相对于第四基准面在该厚度方向上形成的沟槽，第三流道的底部的背面是第四基准面，第四流道的底部的背面是第三基准面；该第二极板上存在第三面流场中心，第三面上的第三流道以该第三面流场中心为对称点对称布置；

步骤二，将第一极板和第二极板按照下述方式组合在一起：

将该第一极板的第二面和该第二极板的第四面贴合在一起，并使该第一面流场中心和该第三面流场中心不对正，该第一面流场中心在基准平面内的投影和该第三面流场中心在基准平面内的投影之间的距离δ满足：

δ>ω/2

式中ω表示第二流道的沿部的宽度；该基准平面是与该厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面；还定义错位方向与第一面流场中心在基准平面内的投影和第三面流场中心在基准平面内的投影的连线平行。

5.根据权利要求4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于：所述步骤二中，所述第一面流场中心和所述第三面流场中心的不对正导致双极板上存在同步起伏区，该同步起伏区是双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有第一流道、第一基准面、第二流道、第二基准面、第三流道、第三基准面、第四流道、第四基准面并且第二基准面和第四基准面不相接触；该同步起伏区内的第一流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间，该同步起伏区内的第三流道与错位方向所构成的夹角位于[60°，120°]区间。

6.根据权利要求4或5所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于：所述步骤二之后还包括步骤三：将所述第一极板和所述第二极板固定连接。

7.根据权利要求4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影重叠；所述步骤一所制作的第二极板上，所述第三面流场中心和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ；在所述步骤二中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠。

8.根据权利要求4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板上，所述第一面流场中心和所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离等于所述δ的1/2；在步骤一所制作的第二极板上，第三面流场中心和第二极板的质心在基准平面内的投影不重叠，两者之间的距离为所述δ的1/2；在所述步骤二中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠。

9.根据权利要求3或6所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一制作的第一极板和第二极板具有相同的几何形状，该第一极板的第一面和该第二极板的第三面相同，该第一极板的第二面和该第二极板的第四面相同；该第一极板和第二极板上设置有燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道、氧化剂出口通道；在将该第一极板和第二极板固定连接的步骤之后还包括如下步骤：切割氧化剂入口通道的边缘和氧化剂出口通道的边缘，或者在燃料入口通道内和燃料出口通道内填充盖板，从而使得氧化剂入口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积，使得氧化剂出口通道的截面积大于燃料入口通道的截面积和燃料出口通道的截面积。

10.根据权利要求1或4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设有用于错位组装的定位装置，该定位装置以与错位方向平行的双极板的中心线为对称轴对称；所述步骤二中，用该定位装置确定所述第一极板和第二极板之间的相对位置。

11.根据权利要求1或4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板上的第一流道为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道，切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道的背面是阻断第二流道而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面；所述第二极板与第一极板有相同的形状。

12.根据权利要求1或4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上没有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板上的第一流道为多条平行的直通式流道以及切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道，切断相互平行的第一流道之间的板筋而形成的横向流道的背面是阻断第二流道而形成的用于发挥支撑作用的第二基准面；所述第二极板为蛇形流场板。

13.根据权利要求1或4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设置有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板为Z形流场板，所述第一流道和第二流道均为Z形流道；所述第二极板和第一极板具有相同的几何形状。

14.根据权利要求1或4所述的双极板的整体错位组装方法，其特征在于，所述步骤一所制作的第一极板和第二极板上设置有冷却剂入口通道和冷却剂出口通道；所述第一极板为Z形流场板，所述第一流道和第二流道均为Z形流道；所述第二极板为蛇形流场板，所述第三流道和第四流道为蛇形流道，且该蛇形流道的端部发生90°弯曲而位于所述第二极板的侧面。

15.一种燃料电池电堆，其特征在于，包含有根据权利要求1至14中任一项所述的方法制作的双极板。

16.根据权利要求15所述的燃料电池电堆，其特征在于，至少包含有3个根据权利要求1～3中任一项所述的方法制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板的第一流道为燃料流道，各双极板的第二极板的第三流道为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极、分属于两个双极板的第一极板和第二极板当中，所述第一极板的质心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d，两个第二极板的质心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述d；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极和一个双极板介于其间的两个双极板；在将双极板组装成燃料电池电堆时，夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个相对于另一个而言围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°。

17.根据权利要求15所述的燃料电池电堆，其特征在于，至少包含有3个根据权利要求4～8中任一项所述的方法制作的双极板；

在该燃料电池电堆中，各双极板的第一极板的第一流道为燃料流道，各双极板的第二极板的第三流道为氧化剂流道；在夹持同一个膜电极、分属于两个双极板的第一极板和第二极板当中，所述第一极板的第一面流场中心在所述基准平面内的投影和所述第二极板的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；在两个相间隔的双极板当中，两个第一极板的第一面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ，两个第二极板的第三面流场中心在所述基准平面内的投影重叠或者两者之间的距离小于所述δ；两个相间隔的双极板是指有两个膜电极和一个双极板介于其间的两个双极板；在将双极板组装成燃料电池电堆时，夹持同一个膜电极的两个双极板中的一个相对于另一个而言围绕与厚度方向平行的轴线旋转180°或者围绕与错位方向平行的轴线旋转180°。

18.根据权利要求15所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述双极板中的第一极板和第二极板具有相同的几何形状，并且所述第一极板和第二极板上设置有燃料入口通道、燃料出口通道、氧化剂入口通道和氧化剂出口通道；

该燃料电池电堆中包含有燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板，该燃料入口通道填充棒或燃料入口通道填充板设置在燃料入口通道中从而使燃料入口通道的截面积减小；

该燃料电池电堆中还包含有燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板，该燃料出口通道填充棒或燃料出口通道填充板设置在燃料出口通道中从而使燃料出口通道的截面积减小。

19.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包含有根据权利要求15～18中任一项所述的燃料电池电堆。

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