CN111477901B - 燃料电池双极板、单电池及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池双极板、单电池及燃料电池，双极板包括：阳极板、阴极板；阳极板上设有燃料分配区，燃料分配区设有燃料盖板、燃料分配结构；和/或，阴极板上设有氧化剂分配区，氧化剂分配区设有氧化剂盖板。本发明燃料电池双极板，气侧、水侧均有流体分配区，整体流动均匀性好且分布易调节，空气侧出口无过桥结构，可避免阴极出口流道堵塞引起水淹等问题。气侧为波形流道，水侧既能横向立体流动也能纵向波形流动，同时流道没有大拐角减少了局部阻力损失，减少的泵功提高了发电效率。采用橡胶密封垫预成型粘接工艺，相比于压缩密封更加牢固，可靠性提高，且无需注塑机等额外的材料、工艺及设备，节约成本。

Description

燃料电池双极板、单电池及燃料电池

技术领域

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、单电池及燃料电池。

背景技术

燃料电池运行过程中内部体系复杂，其中水热管理又大大影响着气体、液体分布和电池性能。

水管理指维持电池内的水平衡在最佳状态，目标是及时移走多余的液态水，防止电极被水淹没，避免严重的水气稀释和薄膜脱水现象发生。

热管理研究内容是电池内热量的生成与传递、温度场分布和冷却方式，目的是促使整个电池吸放热平衡在某温度值，整个电池温度场分布均匀。

若气体分布不均，则会引起局部缺气而不能产生电流，严重的会引起反极导致催化剂降解和电池性能衰减。而液体分布不均，会导致电池在高电流区运行时，燃料电池工作时的温度不能及时排出，从而导致单电池出现局部超温现象，引起质子交换膜脱水从而导致电导率降低，严重的会导致质子交换膜穿孔，影响电池发电性能及电堆运行的安全性。因此，应使反应气体尽可能均匀到达电极表面，保证电流密度分布均匀，增加电池运行平稳性，提高电池性能，同时使冷却液能在流道内均匀分布，将电池工作产生的热量及时排出，保证电池温度分布的均匀性。然而，现有的双极板受加工工艺、密封工艺、模具精度、设计尺寸干涉等方面限制无法同时保证气侧和水侧流动均匀性，或是需要额外的制造工艺、材料和设备，增加了制造难度及成本。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是现有的双极板无法保证气侧和水侧流动均匀性，从而提供一种燃料电池双极板、单电池及燃料电池。

为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池双极板，包括：

阳极板、阴极板；

阳极板上设有燃料分配区，燃料分配区设有燃料盖板、燃料分配结构；

和/或，

阴极板上设有氧化剂分配区，氧化剂分配区设有氧化剂盖板。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选地，燃料分配结构包括沿阳极板板面凹陷的凹槽结构，凹槽结构的底部设有均匀分布的第一凸起结构，燃料盖板覆盖在凹槽结构上。

优选地，燃料盖板包括第一燃料盖板、第二燃料盖板，第一燃料盖板与凹槽结构形状相同，且覆盖在凹槽结构的开口上，第二燃料盖板设置在凹槽结构与阳极板的燃料入口之间，第二燃料盖板设有燃料进口流道，燃料进口流道连通燃料入口及凹槽结构，第二燃料盖板形成燃料的过桥式入口。

优选地，第二燃料盖板除燃料进口流道的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向阳极板板面的第一翻边结构。

优选地，氧化剂盖板包括氧化剂进口流道、氧化剂分配结构，氧化剂进口流道连通阴极板的氧化剂入口与氧化剂分配结构，氧化剂盖板除氧化剂进口流道的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向阴极板的第二翻边结构，氧化剂分配结构设有均匀分布的第二凸起结构。

优选地，阳极板上设有阳极发电区域，阳极发电区域设有阳极流道，阳极流道为沿阳极板的板面向内凹陷的阳极凹流道；和/或，阴极板上设有阴极发电区域，阴极发电区域设有阴极流道，阴极流道为沿阴极板的板面向外凸起的阴极凸流道。

一种采用上述任一燃料电池双极板的单电池，还包括：

膜电极，膜电极包括沿阴极板向阳极板的方向依次布置的第一气体扩散层、质子交换膜、第二气体扩散层；

密封垫，密封垫设有阶梯形第一密封凹槽结构，膜电极设置在第一密封凹槽结构内，第一密封凹槽结构的面积与膜电极的面积对应。

优选地，第一气体扩散层的面积为S1，质子交换膜的面积为S2，第二气体扩散层的面积为S3，满足S1＝S2>S3。

优选地，密封垫还设有容纳第二燃料盖板的第二密封凹槽结构，和/或，密封垫还设有容纳氧化剂盖板的第三密封凹槽结构。

一种采用上述任一燃料电池双极板的燃料电池，燃料电池包括第一阳极板、第一阴极板构成的第一单电池，及第二阳极板、第二阴极板构成的第二单电池；

第一阳极板的阳极凹流道、第一阴极板的阴极凸流道沿燃料流动方向以正弦波形延伸，第二阳极板的阳极凹流道、第二阴极板的阴极凸流道沿燃料流动方向以余弦波形延伸。

本发明提供的燃料电池双极板、单电池及燃料电池至少具有下列有益效果：

本发明燃料电池双极板，气侧、水侧均有流体分配区，整体流动均匀性好且分布易调节，空气侧出口无过桥结构，可避免阴极出口流道堵塞引起水淹等问题。气侧为波形流道，水侧既能横向立体流动也能纵向波形流动，同时流道没有大拐角减少了局部阻力损失，减少的泵功提高了发电效率。

采用橡胶密封垫预成型粘接工艺，相比于压缩密封更加牢固，可靠性提高，且无需注塑机等额外的材料、工艺及设备，节约成本。

附图说明

图1为本发明实施例的阳极板与燃料盖板的装配示意图；

图2为本发明实施例的阳极板的结构示意图；

图3为本发明实施例的燃料盖板的结构示意图；

图4为本发明实施例的第一燃料盖板的结构示意图；

图5为本发明实施例的第二燃料盖板的结构示意图；

图6本发明实施例的阴极板与氧化剂盖板的装配示意图；

图7为本发明实施例的阴极板的结构示意图；

图8为本发明实施例的氧化剂盖板的结构示意图；

图9为本发明实施例的单电池的结构示意图；

图10为本发明实施例的密封垫的朝向阴极板的侧面示意图；

图11为本发明实施例的密封垫的朝向阳极板的侧面示意图。

附图标记表示为：

1、阳极板；2、阴极板；3、燃料分配区；4、燃料盖板；5、燃料分配结构；6、氧化剂分配区；7、氧化剂盖板；8、氧化剂入口；9、密封垫；10、凹槽结构；11、第一凸起结构；12、第一燃料盖板；13、第二燃料盖板；14、燃料进口流道；15、燃料入口；16、第一翻边结构；17、氧化剂进口流道；18、氧化剂分配结构；19、第二翻边结构；20、第二凸起结构；21、阳极发电区域；22、阳极凹流道；23、阴极发电区域；24、阴极凸流道；25、第一气体扩散层；26、质子交换膜；27、第二气体扩散层；28、第一密封凹槽结构；29、第二密封凹槽结构；30、第三密封凹槽结构；31、第三凸起结构；32、水侧进出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图8所示，本发明实施例提供了一种燃料电池双极板，包括：阳极板1、阴极板2；阳极板1上设有燃料分配区3，燃料分配区3设有燃料盖板4、燃料分配结构5；和/或，阴极板2上设有氧化剂分配区6，氧化剂分配区6设有氧化剂盖板7。

本发明提供的燃料电池双极板，双极板及盖板采用不锈钢薄板或钛合金薄板或其他导电材料薄板，均采用冲压工艺制造，通过金属板与盖板配合可同时实现气侧及水侧的分配区设计并保证密封的可靠性。

本发明的双极板具有流动均匀性好、设计调节空间大、可靠性高、制造工艺简单、成本低等优点。

优选地，燃料分配结构5包括沿阳极板1板面凹陷的凹槽结构10，凹槽结构10的底部设有均匀分布的第一凸起结构11，燃料盖板4覆盖在凹槽结构10上，为燃料提供了分配区域。凸起部分与凹槽的底面接触形成燃料分配区3，燃料从燃料入口15进入后以过桥方式进入燃料分配区3，经整流后进入发电区域流道，之后从出口流出，出口处的分配区的盖板与进口部分一致。

优选地，燃料盖板4包括第一燃料盖板12、第二燃料盖板13，第一燃料盖板12与凹槽结构10形状相同，且覆盖在凹槽结构10的开口上，第二燃料盖板13设置在凹槽结构10与阳极板1的燃料入口15之间，第二燃料盖板13设有燃料进口流道14，燃料进口流道14连通燃料入口15及凹槽结构10，第二燃料盖板13形成燃料的过桥式入口。金属板的凹槽与燃料盖板4互相配合，形成燃料过桥进口及分配区。

优选地，第二燃料盖板13还设有第三凸起结构31，用于燃料的均匀整流。

优选地，第二燃料盖板13除燃料进口流道14的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向阳极板1板面的第一翻边结构16。燃料进口流道14为冲压出的平行进口，除进口部分外其余三边均采取翻边设计，能够有效防止密封时橡胶溢入燃料进口流道14。

优选地，氧化剂盖板7包括氧化剂进口流道17、氧化剂分配结构18，氧化剂进口流道17连通阴极板2的氧化剂入口8与氧化剂分配结构18，氧化剂盖板7除氧化剂进口流道17的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向阴极板2的第二翻边结构19，氧化剂分配结构18设有均匀分布的第二凸起结构20。

分配区的设计可大幅提升进入流道内的气侧及水侧的均匀性，而气体和液体的均匀性对电池性能和寿命的影响较大，良好的均匀性可带来良好的产电性能和电池可靠性。此外，燃料盖板4及氧化剂盖板7的翻边还可防止气侧粘接密封时橡胶堵塞流道，具有良好可靠性。

优选地，阳极板1上设有阳极发电区域21，阳极发电区域21设有阳极流道，阳极流道为沿阳极板1的板面向内凹陷的阳极凹流道22；和/或，阴极板2上设有阴极发电区域23，阴极发电区域23设有阴极流道，阴极流道为沿阴极板2的板面向外凸起的阴极凸流道24。

结合图9-11所示，本发明实施例提供了一种采用上述任一燃料电池双极板的单电池，单电池还包括：膜电极，膜电极包括沿阴极板2向阳极板1的方向依次布置的第二气体扩散层27、质子交换膜26、第一气体扩散层25；密封垫9，密封垫9设有阶梯形第一密封凹槽结构28，膜电极设置在第一密封凹槽结构28内，第一密封凹槽结构28的面积与膜电极的面积对应。

本发明中阳极凹流道22与阴极凸流道24之间夹膜电极的布置方式可使气侧用密封垫9粘接时只使用一片橡胶垫就能完成密封，另一方面是为了让气体反应更加充分，由于气体在气体扩散层内的传输阻力较大，因此为了避免气体传递问题带来的浓差极化问题，提高电池产电性能，需要在设计时让氢气流道与空气流路相对，这种设计可减少电池运行时的浓差极化和接触电阻。

优选地，第一气体扩散层25的面积为S1，质子交换膜26的面积为S2，第二气体扩散层27的面积为S3，满足S1＝S2>S3，这种布置方式密封胶最薄部分的厚度较大，更易于加工一些，可靠性更高。

本发明中膜电极采用这种设计方式可加强膜电极与密封垫9的粘接性，如果上下气体扩散层保持同样大小则膜电极与密封垫9的接触密封面只有厚度方向的面及向气体扩散层中的少量溢胶，粘接效果不理想，容易出现内漏现象，引起电池反极。而采用本发明的大小气体扩散层设计时，第一气体扩散层25及质子交换膜26相对于多出的部分可与密封垫9粘接在一起且作用力较大粘接效果较好。此外，质子交换膜26的催化剂部分面积保持与第二气体扩散层27一致即可，多出第二气体扩散层27的部分膜上无需喷催化剂，仅作粘接密封用，这样可减少催化剂使用量降低膜电极成本。

密封垫9还设有容纳第二燃料盖板13的第二密封凹槽结构29，和/或，密封垫9还设有容纳氧化剂盖板7的第三密封凹槽结构30。

本发明的密封垫9的由设计的模具压合固化，将盖板和膜电极放置在预成型的密封胶凹槽内，再与双极板粘接固化，完成密封。水侧设计硅胶垫圈进行挤压密封。此外，燃料盖板4和氧化剂盖板7的外边缘均进行翻边设计，一方面其内侧边缘可为密封用的密封垫9提供定位，另一方面可提高金属双极板的强度。

本发明实施例还提供了一种采用上述任一燃料电池双极板的燃料电池，燃料电池包括第一阳极板、第一阴极板构成的第一单电池，及第二阳极板、第二阴极板构成的第二单电池；第一阳极板的阳极凹流道22、第一阴极板的阴极凸流道24沿燃料流动方向以正弦波形延伸，第二阳极板的阳极凹流道22、第二阴极板的阴极凸流道24沿燃料流动方向以余弦波形延伸。第一阳极板的第一凸起结构11与第二阴极板2的氧化剂分配区6之间形成水侧的分配区结构，第一阳极板1的水侧正弦凸流道(氢气侧凹流道，与水侧相反)与第二阴极板2的水侧余弦凹流道(空气侧凸流道)形成交叉水侧流道，从而实现水侧横向的立体流动和纵向的波形流动。

燃料电池的冷却液由一侧的水侧进出口32流入，一部分直接进入主流道，另一部分经过分配区整流后再进入流道，之后由另一侧的水侧进出口32流出，这样就能保证冷却液流均匀的同时保证足够的流量。

本发明的波形流路设计相对于直流道设计，可引起流路内的流动变化，从而提高空气和氢气的扩散性能。波浪形流路相对于并行蛇形流道阻力小，可降低气侧泵功，提升发电效率。波浪形流路另一个作用是在水侧利用波形的交叉使冷却液能在流道内立体的流动，增加流体中的扰动从而提高冷却液的冷却效果，提高电池性能和可靠性，延长寿命。

本发明与现有技术相比，采用橡胶密封垫9预成型粘接工艺，相比于压缩密封更加牢固，可靠性提高，且无需注塑机等额外的材料、工艺及设备，节约成本。气侧、水侧均有流体分配区，整体流动均匀性好且分布易调节，空气侧出口无过桥结构，可避免阴极出口流道堵塞引起水淹等问题。气侧为波形流道，水侧既能横向立体流动，也能纵向波形流动，同时流道没有大拐角减少了局部阻力损失，减少的泵功提高了发电效率。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括：

阳极板（1）、阴极板（2）；

所述阳极板（1）上设有燃料分配区（3），所述燃料分配区（3）设有燃料盖板（4）、燃料分配结构（5）；

所述燃料分配结构（5）包括沿所述阳极板（1）板面凹陷的凹槽结构（10），所述燃料盖板（4）包括第一燃料盖板（12）、第二燃料盖板（13），所述第一燃料盖板（12）与所述凹槽结构（10）形状相同，且覆盖在所述凹槽结构（10）的开口上，所述第二燃料盖板（13）设置在所述凹槽结构（10）与所述阳极板（1）的燃料入口（15）之间，所述第二燃料盖板（13）设有燃料进口流道（14），所述燃料进口流道（14）连通所述燃料入口（15）及所述凹槽结构（10），所述第二燃料盖板（13）形成燃料的过桥式入口；

所述阴极板（2）上设有氧化剂分配区（6），所述氧化剂分配区（6）设有氧化剂盖板（7）；

所述凹槽结构（10）的底部设有均匀分布的第一凸起结构（11），所述阳极板（1）的第一凸起结构（11）与阴极板（2）的氧化剂分配区（6）之间形成水侧的分配区结构。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第二燃料盖板（13）除所述燃料进口流道（14）的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向所述阳极板（1）板面的第一翻边结构（16）。

3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述氧化剂盖板（7）包括氧化剂进口流道（17）、氧化剂分配结构（18），所述氧化剂进口流道（17）连通所述阴极板（2）的氧化剂入口（8）与所述氧化剂分配结构（18），所述氧化剂盖板（7）除所述氧化剂进口流道（17）的入口对应的边缘外，其余边缘均设有朝向所述阴极板（2）的第二翻边结构（19），所述氧化剂分配结构（18）设有均匀分布的第二凸起结构（20）。

4.根据权利要求1-3任一所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板（1）上设有阳极发电区域（21），所述阳极发电区域（21）设有阳极流道，所述阳极流道为沿所述阳极板（1）的板面向内凹陷的阳极凹流道（22）；和/或，所述阴极板（2）上设有阴极发电区域（23），所述阴极发电区域（23）设有阴极流道，所述阴极流道为沿所述阴极板（2）的板面向外凸起的阴极凸流道（24）。

5.一种采用权利要求1-4任一燃料电池双极板的单电池，其特征在于，所述单电池还包括：

膜电极，所述膜电极包括沿所述阴极板（2）向所述阳极板（1）的方向依次布置的第二气体扩散层（27）、质子交换膜（26）、第一气体扩散层（25）；

密封垫（9），所述密封垫（9）设有阶梯形第一密封凹槽结构（28），所述膜电极设置在所述第一密封凹槽结构（28）内，所述第一密封凹槽结构（28）的面积与所述膜电极的面积对应。

6.根据权利要求5所述的单电池，其特征在于，所述第一气体扩散层（25）的面积为S1，所述质子交换膜（26）的面积为S2，所述第二气体扩散层（27）的面积为S3，满足S1=S2>S3。

7.根据权利要求5所述的单电池，其特征在于，所述密封垫（9）还设有容纳第二燃料盖板（13）的第二密封凹槽结构（29），和/或，所述密封垫（9）还设有容纳氧化剂盖板（7）的第三密封凹槽结构（30）。

8.一种采用权利要求1-4任一燃料电池双极板的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括具有第一阳极板（1）、第一阴极板（2）的第一单电池，及具有第二阳极板（1）、第二阴极板（2）的第二单电池；

所述第一阳极板（1）的阳极凹流道（22）、第一阴极板（2）的阴极凸流道（24）沿燃料流动方向以正弦波形延伸，所述第二阳极板（1）的阳极凹流道（22）、第二阴极板（2）的阴极凸流道（24）沿燃料流动方向以余弦波形延伸；

所述第一阳极板（1）的第一凸起结构（11）与第二阴极板（2）的氧化剂分配区（6）之间形成水侧的分配区结构，第一阳极板（1）的水侧正弦凸流道与第二阴极板（2）的水侧余弦凹流道形成交叉水侧流道，实现水侧横向的立体流动和纵向的波形流动。

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