CN111554949A - 一种双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极板及燃料电池，双极板包括第一极板和第二极板，第一极板和第二极板的正面形成有多个凹槽和多个凸起，多个凹槽间隔设置，相邻凹槽之间均形成有凸起；凹槽的底面和侧面在极板的反面形成为凸起结构，凸起的底面和侧面在极板的反面形成为凹槽结构，二极板采用激光焊接在一起。本发明的流场成型简单，整体装配方式简单，组装后的风冷电堆结构可适用于无人机、小型备用电源或小功率的燃料电池系统。

Description

一种双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种双极板及燃料电池。

背景技术

氢能作为21世纪清洁能源已经得到了重大发展，其中氢燃料电池作为氢能利用的典型示范已经开始得到国家政策的大力支持。《中国制造 2025》等国家文件中，已经将燃料电池新能源汽车列入了重大发展项目。燃料电池汽车不同于一般的内燃机和锂电池汽车，它类似于内燃机和锂电池的结合体，动力部分采用燃料电池，通过加入氢气发生电化学反应，生成电流。燃料电池本身不用充电，只需要充氢气和空气发生电化学反应，氢气充灌只需要5分钟，续航里程可以达到5百多公里，远超过锂电池的续航里程。

燃料电池电堆结构(以下简称电堆)主要构成部件为：端板、双极板 (又称隔板)、膜电极(包含碳纸扩散层、电解质膜、催化层)。承担反应物(氢气和氧气)主要是双极板，双极板分为阴极板(氧气侧)和阳极板(氢气侧)，材料分为金属板、石墨板和复合板。石墨双极板优点是耐腐蚀，导电能力强，缺点是易碎，体积大，电堆体积比功率小。金属板优点是强度高，导电能力强，导热能力强，缺点是耐腐蚀性能差(需表面涂层解决腐蚀问题)。

双极板最主要的是流场的设计，极板流场本身必须满足反应物分布均匀，同时由于氢气与氧气反应会生成水(在氧气侧生成)，因此双极板的阴极板(氧气侧)的流场设计就更加重要。阴极反应气体氧气通入极板后，与阳极氢气侧电解出的氢离子结合生成水，同时电子经集流板汇聚在一起形成电流。电化学反应的同时会有反应热生成，极板中间必须留有冷却水通道，用于冷却水将电池反应内部的热量带走，防止温度过高破坏催化剂的活性和质子交换膜因为温度过高而干燥破裂，膜干燥后也无法使得质子通过，电堆输出功率会变低。综上，极板的流场必须满足以下几点要求：反应物分布均匀，易于排水，冷却水通道必须满足可以及时带走反应热量。

目前的金属板流场主要分为以下几种：平直流道、蛇形流道、交指型流道、点状流场、网状流场、仿生流场以及丰田独创的3D流场。其中平直流场与蛇形流场是目前商业化最普及的流场结构，其余流场主要是实验室研究阶段，3D流场限制发展的主要原因是工艺技术难度较高。

关于流场的结构，国内外已经有较多的申请专利，如CN1519969A， CN1813367A等。以上所展示的较为复杂的流道结构，主要搭配适用于水冷电堆，单片双极板可产生较大的功率，因此需要配置专门的冷却水流道进行电堆内部的化学反应热冷却。

对于小功率使用的场景，本身不需要大功率电堆，比如无人机、小型备用电源等，对于电堆体积和重量有较大的要求，自身所需要的功率较低。因此可以采用风冷电堆结构，减少燃料电池冷却系统投入，同时又能将极板的结构设计简单，降低了极板冲压成型和焊接难度。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种双极板及燃料电池，以解决现有双极板其流道结构复杂，成型难度大的问题。本发明的双极板，其结构简单，成型容易，可通过空气进行冷却，取消了水冷却装置，简化了整个系统配置。

具体地：一种双极板，包括：第一极板和第二极板，第一极板包括正面和反面，第一极板的正面形成有多个第一凹槽和多个第一凸起，多个第一凹槽间隔设置，相邻第一凹槽之间均形成有第一凸起；第一凹槽的底面和侧面在第一极板的反面形成为凸起结构，第一凸起的底面和侧面在第一极板的反面形成为凹槽结构；第二极板包括正面和反面，第二极板的正面形成有多个第二凹槽和多个第二凸起，多个第二凹槽间隔设置，相邻第二凹槽之间均形成有第二凸起；第二凹槽的底面和侧面在第二极板的反面形成为凸起结构，第二凸起的底面和侧面在第二极板的反面形成为凹槽结构；第一极板的反面与第二极板的反面相临的固定在一起；第一凹槽沿双极板的横向延伸，第二凹槽沿双极板的纵向延伸。

优选地，第一极板为金属板，通过冲压形成所述第一凹槽、第一凸起；和/或，第二极板为金属板，通过冲压形成所述第二凹槽、第二凸起。

优选地，第一凹槽形成为第一流道，第二凹槽形成为第二流道，第一流道和第二流道均为直流道。

优选地，第一极板的反面与第二极板的反面通过焊接固定在一起。

优选地，部分第一凸起由多段凸起段组成，相邻凸起段之间形成间隔段，间隔段的背面为平坦部，上述平坦部作为第一极板的反面与第二极板反面焊接时的焊接点。

优选地，第一极板还形成有第一进气孔和导流结构，导流结构用于将从第一进气孔进入的气体导流到第一凹槽内。

优选地，第一凹槽的宽度从其底面向其开口逐渐增大；和/或，第二凹槽的宽度从其底面向其开口逐渐增大。

优选地，第一凹槽与第二凹槽的延伸方向垂直或大致垂直。

本发明还提供一种燃料电池，包括电堆结构，电堆结构包括上端板、下端板和双极板，上端板、下端板和双极板通过紧固件固定在一起，所述双极板为本发明所述的双极板。

优选地，燃料电池为风冷燃料电池，上端板在双板板的横向方向上分别形成有氢气进气口、氢气出气口，电堆结构在双极板的纵向两侧分别形成有氧气进气面、氧气出气面，双板板的横向长度大于其纵向长度。

通过以上设置，本发明的风冷燃料电池双极板，可冲压形成，极板流场成型简单，整体装配方式简单。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明实施方式的双极板的立体示意图(部分剖开)。

图2图1的局部放大示意图(左端)。

图3图1的局部放大示意图(右端)。

图4本发明实施方式的双极板的另一视角的立体示意图(部分剖开)。

图5图4的局部放大示意图(左端)。

图6图4的局部放大示意图(右端)。

图7本发明实施方式的第一极板立体示意图。

图8本发明实施方式的第二极板立体示意图。

图9本发明实施方式的第一极板和第二极板流道截面尺寸示意图。

图10本发明实施方式的燃料电池电堆立体示意图。

其中：1-双极板，2-第一极板，3-第二极板，4-电堆结构；

21-第一凹槽，22-第一凸起，23-导流结构，24-氢气进气孔，25-凸起段；31-第二凹槽，32-第二凸起；41-上端板，42-下端板，43-紧固件， 44-氢气进气口，45-氢气出气口；

A-脊背宽度，B-流道宽度，C-流道深度。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

下面结合附图1-10对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：

如图1-6所示，本发明的实施方式提供一种双极板1，其可为风冷燃料电池双极板1，包括第一极板2和第二极板3；本发明中的第一极板2 可为阳极板，也称为氢气侧极板，也称为第一单极板；本发明中的第二极板3可为阴极板，也称为氧气侧极板，也称为第二单极板。本发明的实施方式的极板流场采用直流道，整套极板结构简单，可采用冲压成型、焊接密封，装配难度低，可适用于小功率燃料电池系统。

如图7，8所示，双极板1包括：第一极板2和第二极板3，第一极板2包括正面和反面，第一极板2的正面形成有多个第一凹槽21和多个第一凸起22，多个第一凹槽21间隔设置，相邻第一凹槽21之间均形成有第一凸起22；第一凹槽21的底面和侧面在第一极板2的反面形成为凸起结构，第一凸起22的底面和侧面在第一极板2的反面形成为凹槽结构；第二极板3包括正面和反面，第二极板3的正面形成有多个第二凹槽31 和多个第二凸起32，多个第二凹槽31间隔设置，相邻第二凹槽31之间均形成有第二凸起32；第二凹槽31的底面和侧面在第二极板3的反面形成为凸起结构，第二凸起32的底面和侧面在第二极板3的反面形成为凹槽结构；第一极板2的反面与第二极板3的反面相临的固定在一起；第一凹槽21在双极板1的横向方向上延伸，第二凹槽31在双极板1的纵向方向上延伸，第一凹槽21的延伸方向与第二凹槽31的延伸方向大致垂直。

第一极板2为金属板，通过冲压形成所述第一凹槽21、第一凸起22；和/或，第二极板3为金属板，通过冲压形成所述第二凹槽31、第二凸起 32。第一凹槽21形成为第一流道，第二凹槽31形成为第二流道，第一流道和第二流道均为直流道。

如图9所示，第一凹槽21的宽度从其底面向其开口逐渐增大；和/ 或，第二凹槽31的宽度从其底面向其开口逐渐增大。两块单极板采用 0.1mm厚度不锈钢板，由精密高速模具冲压而成。如图9所示，其中，A- 脊背宽度，B-流道宽度，C-流道深度；空气侧与氢气侧流道参数存在不同。空气侧极板部分：脊背宽度2mm，流道宽度2mm，流道宽度为凹槽底面的宽度。流道深度(冲压深度)1mm。氢气侧脊背宽度2mm，流道宽度2mm，流道深度(冲压深度)0.6mm。

两块单极板通过如下的位置关系进行拼叠，氢气侧与空气侧的流道成 90°排布，用激光焊接将单极板焊接在一起形成双极板1。第一极板2的反面与第二极板3的反面通过焊接固定在一起。空气侧和氢气侧极板均采用直流道组成。为了保证两块极板组合后的紧贴，降低接触电阻，同时为了防止流道左右方向和上下方向冲压拉伸的不均匀性，氢气侧极板在流道中间部位设置了几组隔断，即部分第一凸起22由多个间隔开的凸起段25 构成，在凸起段25的背面由于未冲压，故其为平的结构，而非凹槽，故可通过上述隔断实现焊接。可以使用激光焊接将氢气和空气侧极板中间部位进行点焊，以此提高组合后的双极板1整体强度。即部分第一凸起22 由多段凸起段25组成，相邻凸起段25之间形成间隔段，间隔段的背面为平坦部，上述平坦部作为第一极板2的反面与第二极板3反面焊接时的焊接点，以提高焊接强度。

氢气侧流道设置有用于氢气从第一进气孔(氢气进口)进入流场表面进行扩散的导流结构23，由于氢气流入氢气侧极板表面时，是通过氢气进气孔24大流量流入，如果不能将进气分散均匀，很容易进入流道部分的局部气体压力过高，部分压力过低，整个极板流场气体分布不均匀，发生电化学反应的效率不高。导流结构23用于将从第一进气孔进入的气体导流到第一凹槽21内。

如图10所示，本发明的实施方式还提供一种燃料电池，包括电堆结构4，电堆结构4包括双极板1，所述双极板1为本发明所述的双极板1。电椎结构还包括上端板41、下端板42，双极板1位于上端板41、下端板 42之间，上端板41、下端板42和双极板1通过紧固件43固定在一起；上端板41在电堆结构4的横向两侧分别形成有氢气进气口44、氢气出气口45，在电堆结构4的纵向两侧分别形成有氧气进气面、氧气出气面。燃料电池为风冷燃料电池，电堆结构4的横向长度大于其纵向长度。

当燃料电池工作时，氢气侧的反应气体经过氢气进气孔24流入流道表面，经扩散导流机构向主反应流道区流动，分布在流场上的气体同膜电极接触发生电化学反应。反应后的反应尾气经排气口流出极板。

空气侧极板不需要专门的空气进气孔，两块极板装配后形成双极板1，双极板1再依次叠加形成单电池。多个双极板1和上下端板42组成电堆结构4，利用紧固件43如锁紧螺栓将上下端板42进行有效锁紧。

由于两种极板结构是90°交布，空气侧的流道直接暴露在大气中，通过在空气侧极板侧面安装风扇，可以将空气直接吹入空气侧的流场中，以此经膜电极与氢气侧的反应气体进行电化学反应，生成电能。同时由于空气直接流经空气侧流畅表面，本身温度较低的空气可以带走燃料电池内部电化学反应产生的反应热，达到控制电堆结构4内部温度的目的，减少了冷却水系统的引入。简化了整个电堆结构4的系统。实际发生反应中，氢气主要由氢气泵供入系统，空气依靠风扇进行散热和供入系统，因此，为了减少空气流动的阻力，本发明的极板将空气侧的气体流动通道按照极板短边进行排列，氢气流道按照长边排列。

有益效果：

本发明的风冷燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板，其可形成直流道流场，可采用高速硬模冲压形成，密封采用激光焊接。流场成型简单，整体装配方式简单，组装后的风冷电堆结构可适用于无人机、小型备用电源或小功率的燃料电池系统。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种双极板(1)，包括：第一极板(2)和第二极板(3)，其特征在于：第一极板(2)包括正面和反面，第一极板(2)的正面形成有多个第一凹槽(21)和多个第一凸起(22)，多个第一凹槽(21)间隔设置，相邻第一凹槽(21)之间均形成有第一凸起(22)；第一凹槽(21)的底面和侧面在第一极板(2)的反面形成为凸起结构，第一凸起(22)的底面和侧面在第一极板(2)的反面形成为凹槽结构；

第二极板(3)包括正面和反面，第二极板(3)的正面形成有多个第二凹槽(31)和多个第二凸起(32)，多个第二凹槽(31)间隔设置，相邻第二凹槽(31)之间均形成有第二凸起(32)；第二凹槽(31)的底面和侧面在第二极板(3)的反面形成为凸起结构，第二凸起(32)的底面和侧面在第二极板(3)的反面形成为凹槽结构；

第一极板(2)的反面与第二极板(3)的反面相临的固定在一起；

第一凹槽(21)沿双极板(1)的横向延伸，第二凹槽(31)沿双极板(1)的纵向延伸。

2.根据权利要求1所述的双极板(1)，其特征在于：第一极板(2)为金属板，通过冲压形成所述第一凹槽(21)、第一凸起(22)；和/或，第二极板(3)为金属板，通过冲压形成所述第二凹槽(31)、第二凸起(32)。

3.根据权利要求1，2任一所述的双极板(1)，其特征在于：第一凹槽(21)形成为第一流道，第二凹槽(31)形成为第二流道，第一流道和第二流道均为直流道。

4.根据权利要求1，2任一所述的双极板(1)，其特征在于：第一极板(2)的反面与第二极板(3)的反面通过焊接固定在一起。

5.根据权利要求4所述的双极板(1)，其特征在于：部分第一凸起(22)由多段凸起段(25)组成，相邻凸起段(25)之间形成间隔段，间隔段的背面为平坦部，上述平坦部作为第一极板(2)的反面与第二极板(3)反面焊接时的焊接点。

6.根据权利要求1，2，5任一所述的双极板(1)，其特征在于：第一极板(2)还形成有第一进气孔和导流结构(23)，导流结构(23)用于将从第一进气孔进入的气体导流到第一凹槽(21)内。

7.根据权利要求1，2，5任一所述的双极板(1)，其特征在于：第一凹槽(21)的宽度从其底面向其开口逐渐增大；和/或，第二凹槽(31)的宽度从其底面向其开口逐渐增大。

8.根据权利要求1，2，5任一所述的双极板(1)，其特征在于：第一凹槽(21)与第二凹槽(31)的延伸方向垂直或大致垂直。

9.一种燃料电池，包括电堆结构(4)，电堆结构(4)包括上端板(41)、下端板(42)和双极板(1)，上端板(41)、下端板(42)和双极板(1)通过紧固件(43)固定在一起，其特征在于：所述双极板(1)为权要求1-8任一所述的双极板(1)。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于：燃料电池为风冷燃料电池，上端板(41)在双板板的横向方向上分别形成有氢气进气口(44)、氢气出气口(45)，电堆结构(4)在双极板(1)的纵向两侧分别形成有氧气进气面、氧气出气面，双板板的横向长度大于其纵向长度。

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