CN111554950B - 一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法，涉及燃料电池技术领域。主要采用的技术方案为：一种双极板包括阳极板和阴极板；其中，阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道；阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道。阳极板包括阳极板本体和燃料分配盖板、阴极板包括阴极板本体和氧化剂分配盖板。一种燃料电池单元包括膜电极及上述的双极板。一种燃料电池包括多个上述的燃料电池单元。本发明主要用于提高燃料电池中的燃料向催化层的扩散能力、并避免燃料电池的阴极出现水淹现象，在强化传质的同时实现冷却液侧、气侧流体的均匀流通。

Description

一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，特别是涉及一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种新型的能源转换装置，用于将燃料中的化学能转化为电能输出。质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、不受卡诺循环限制、运行可靠性高、工作温度低、启动快、结构简单、无噪声等优点，可广泛应用于交通行业、可移动设施电源、分布式发电等领域。质子交换膜燃料电池单元由双极板、膜电极及密封件等组成，多个电池单元可串联组装为电堆结构。

燃料电池的产电性能及可靠性受冷却液侧流场、气侧流场均匀性的影响较大。具体地，若气侧流场不均，会引起流场局部缺气，产生浓差极化，进而影响燃料电池的产电性能，严重的会引起反极导致催化剂降解，损坏电堆。若冷却液侧流场不均，会导致电池发电时局部产生的热量无法被及时带走，从而产生单电池局部超温的现场，进而引起质子交换膜脱水降低电导率，甚至导致质子交换膜穿孔，影响电池性能和安全性。因此，设计双极板时，要使反应气体尽可能均匀地到达反应区域的各个流路，从而使电流密度分布均匀，增加电池运行可靠性和均匀性，提高电池性能；同时，冷却液侧流场也应设计均匀，使多余的热量能及时被冷却液带离电池，保证电池温度分布的均匀性，进而保证电池产电性能的均一性。然而，受双极板的尺寸及设计方法、模具精度、密封工艺等方面的限制，无法同时调整气侧和冷却液侧均匀性，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。

燃料电池在大电流工作区间的产电性能主要受浓差极化影响，催化层中的燃料浓度是限制电池性能的主要因素。但是，目前的阳极双极板主要采用并行流道或并行的蛇形流道设计，这种设计的流通结构导致传输方式主要为对流，燃料向催化层的扩散传输能力较弱，催化层中燃料浓度较低。交指型流道由于其流道不连续的特点，相比于并行、蛇形流道具有更好的扩散传输能力；但是，由于现有技术的阴极板与阳极板的流道设计相同，不利于阴极生成水的排出，易造成阴极水淹，影响阴极的气体传输，进而影响电池产电性能；并且，现有交指型双极板的设计单一，忽视了分配区对流场均匀性的作用；此外，传统的交指型双极板冷却液侧多采用焊接密封工艺，限制了燃料电池单元一体化的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法，主要目的在于提高燃料向催化层的扩散能力、并避免燃料电池的阴极出现水淹现象。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种双极板，其中，所述双极板包括阳极板和阴极板；其中，

所述阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道；

所述阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道。

优选的，所述阳极板包括：

阳极板本体，所述交指型流道位于所述阳极板本体上，且所述阳极板本体上设置有燃料进口、燃料出口；

燃料分配盖板，所述燃料分配盖板包括第一燃料分配盖板、第二燃料分配盖板；其中，所述第一燃料分配盖板上设置有燃料进气分配区，且所述燃料进气分配区用于连通所述燃料进口和交指型流道的进口；所述第二燃料分配盖板上设置有燃料出气分配区，且所述燃料出气分配区用于连通所述燃料出口和交指型流道的出口。

优选的，所述燃料进气分配区、燃料出气分配区设置有能对燃料进行导流、分配的结构；进一步优选的，对燃料进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种。

优选的，所述第一燃料分配盖板安置在所述阳极板本体上的燃料进口和交指型流道的进口之间的位置处。

优选的，所述第二燃料分配盖板安置在所述阳极板本体上的燃料出口和交指型流道的出口之间的位置处。

优选的，所述阴极板包括：

阴极板本体，所述并行流道位于所述阴极板本体上，且所述阴极板本体上设置有氧化剂进口、氧化剂出口；

氧化剂分配盖板，所述氧化剂分配盖板包括第一氧化剂分配盖板、第二氧化剂分配盖板；其中，所述第一氧化剂分配盖板上设置有氧化剂进气分配区，且所述氧化剂进气分配区用于连通所述氧化剂进口和并行流道的进口；所述第二氧化剂分配盖板上设置有氧化剂出气分配区，且所述氧化剂出气分配区用于连通所述氧化剂出口和并行流道的出口。

优选的，所述氧化剂进气分配区、氧化剂出气分配区设置有能对氧化剂进行导流、分配的结构；进一步优选的，对氧化剂进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种。

优选的，所述第一氧化剂分配盖板安置在所述阴极板本体上的氧化剂进口和并行流道的进口之间的位置处。

优选的，所述第二氧化剂分配盖板安置在所述阴极板本体上的氧化剂出口和并行流道的出口之间的位置处。

优选的，所述阳极板上设置有冷却液进口、第一冷却液分配区；其中，所述第一冷却液分配区位于冷却液进口和交指型流道之间的位置处，用于将由冷却液进口流入的冷却液分配到冷却液流场中；优选的，当所述阳极板包括阳极板本体和燃料分配盖板时，所述冷却液进口、第一冷却液分配区均设置在所述阳极板本体上。

优选的，所述阳极板上设置有冷却液出口、第二冷却液分配区；其中，所述第二冷却液分配区位于冷却液出口和交指型流道之间的位置处，用于将冷却液流场的冷却液导流到所述冷却液出口处；优选的，当所述阳极板包括阳极板本体和燃料分配盖板时，所述冷却液出口、第二冷却液分配区均设置在所述阳极板本体上。

优选的，所述阳极板上的交指型流道包括多个第一单流道、所述阴极板上的并行流道包括多个第二单流道；其中，所述第一单流道与第二单流道的形状一致；和/或所述阳极板的边缘位置处设置有用于安装第一密封垫的槽道，以实现其中一个燃料电池单元中的阳极板与另一个燃料电池单元中的阴极板的密封连接；和/或所述阴极板具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，所述并行流道在所述阴极板的第一侧相对于所述阴极板的边缘处形成多个凸起、所述并行流道在所述阴极板的第二侧相对于所述阴极板的边缘处形成多个凹部；其中，所述阴极板的第一侧为氧化剂流场侧、所述阴极板的第二侧为冷却液流场侧。

较佳地，所述阳极板的交指型流道包括流道进口部分、主流道及流道出口部分；其中，

流道进口部分、流道出口部分的高度低于主流道的高度。

优选的，所述流道进口部分的高度、流道出口部分的高度为所述主流道高度的0.3-0.7，优选为0.5。

另一方面，本发明实施例还提供一种燃料电池单元，其中，所述燃料电池单元包括：膜电极及上述任一项所述的双极板；其中，所述双极板中的阳极板位于所述膜电极的一侧、所述双极板中的阴极板位于所述膜电极的另一侧；

优选的，所述阳极板上的交指型流道的沟部与阴极板上的并行流道沟部相对设置、所述阳极板上的交指型流道的脊部与阴极板上的并行流道的脊部相对设置；

优选的，所述阳极板、膜电极、阴极板之间通过第二密封垫密封连接；进一步地优选的，所述阴极板与所述膜电极之间通过第二密封垫的第一部分密封连接、所述阳极板与所述阴极板之间通过第二密封垫的第二部分密封连接；

进一步优选的，所述膜电极包括第一气体扩散层、第二气体扩散层、位于所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间的带催化层的质子交换膜；其中，第一气体扩散层与所述阴极板接触、第二气体扩散层与所述阳极板接触；其中，第一气体扩散层的长度、宽度均小于所述第二气体扩散层的长度、宽度。

另一方面，上述的燃料电池单元的制作方法，其中，包括如下步骤：

对混炼胶进行预成型处理，得到预成型的第二密封垫；

将阳极板、膜电极、预成型的第二密封垫、阴极板依次叠放在预成型模具中，然后在热压机中进行硫化，得到燃料电池单元。

再一方面，本发明实施例提供一种燃料电池，其中，所述燃料电池由多个所述的燃料电池单元组成；其中，任意相邻的两个燃料电池单元中的一个燃料电池单元为第一燃料电池单元、另一个燃料电池单元为第二燃料电池单元；其中，第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池单元的阴极板之间组成冷却液流场；

优选的，所述第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫密封连接。

再一方面，燃料电池的制作方法，其中，包括如下步骤：

制作燃料电池单元；

将多个燃料电池单元组装成燃料电池；

优选的，采用所述的燃料电池单元的制作方法制作燃料电池单元；

优选的，在将多个燃料电池单元组装成燃料电池的步骤，包括：在第一燃料电池单元的阳极板的槽道上放置第一密封垫，然后使第一燃料电池单元的阳极板与第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫贴合密封，实现相邻的两个燃料电池单元的组装。

与现有技术相比，本发明的一种双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法至少具有下列有益效果：

本发明实施例提供的双极板通过将阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道，可强化燃料电池阳极气侧的燃料扩散能力，增加膜电极中催化层中的燃料浓度，从而提升燃料电池的产电性能；同时，将阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道，可使燃料电池的阴极反应生成的水随着阴极气体沿并行流道流动一起排出燃料电池，避免燃料电池的阴极出现水淹现象，从而有利于燃料电池阴极的气体传输。

进一步地，本发明实施例提供的双极板通过设计燃料分配盖板作为连接燃料进出口与阳极板发电区域流道的中间结构、设计氧化剂分配盖板作为连接氧化剂进出口与阴极板发电区域流道的中间结构，一方面通过燃料分配盖板、氧化剂盖板上的导流、分配结构能使燃料电池进气分布更加均匀，导流角度及形式可通过数值模拟仿真进行分析及优化，从而得到最优的结果，可调节空间较大；另一方面，上述燃料分配盖板、氧化剂盖板的设计可以防止燃料电池单元及燃料电池采用密度胶组装时，密封胶堵塞通道。

进一步地，本发明实施例提供的双极板通过在阳极板的冷却液进口和交指型流道之间的位置处设置第一冷却液分配区、在阳极板的冷却液出口和交指型流道之间的位置处设置第二冷却液分配区，以将冷却液进行导流分配，使冷却液在流道中能均匀分布，另一方面还可在组装电堆时为双极板提供一定的支撑作用。

进一步地，本发明实施例提供的阳极板上的交指型流道包括多个第一单流道、所述阴极板上的并行流道包括多个第二单流道。在此，第一单流道与第二单流道的形状一致，这样设置两种流道的规则分布，使得两种流道之间形成的冷却液流道的结构也规则均匀，从而能获得均匀的冷却液流场，提高电池的寿命和稳定性。

进一步地，本发明实施例提供阳极板的交指型流道包括流道进口部分、主流道及流道出口部分；其中，流道进口部分、流道出口部分的高度低于主流道的高度。优选的，流道进口部分的高度、流道出口部分的高度为主流道高度的0.3-0.7，优选为0.5；通过这样设置，可以使冷却液侧的流道连贯，从而使冷却液侧区域保持流通。

进一步地，本发明实施例提供的燃料电池单元、燃料电池及制作方法包括了上述的双极板，因此，本发明实施例提供的燃料电池单元、燃料电池及制作方法具有上述任一项所述的有益效果。在此基础上，相邻燃料电池单元之间冷却液侧主要采用硅胶密封垫进行挤压密封，气侧利用预成型橡胶垫将双极板、膜电极、盖板等依次装配后进行硫化粘接密封，形成一体化的燃料电池单元，相对于传统的冷却液侧焊接密封连接、气侧挤压密封的方式，具有更高的密封可靠性。

综上，与现有技术相比，本发明实施例提供的双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法具有传质效率高、成本低、流动均匀性好、设计调节空间大、可靠性高、制造工艺简单等优点，可采用单片预成型橡胶垫粘接工艺，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、冷却液侧均有流体分配区，整体流动均匀性好且分布易调节。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下是本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的实施例提供的一种阳极板本体的结构示意图；

图2是本发明的实施例提供的一种阴极板本体的结构示意图；

图3是本发明的实施例提供的一种燃料分配盖板的结构示意图；

图4是本发明的实施例提供的一种氧化剂分配盖板的结构示意图；

图5是本发明的实施例提供的一种阳极板本体与燃料分配盖板装配的结构示意图；

图6是本发明的实施例提供的一种阴极板本体与氧化剂分配盖板装配的结构示意图；

图7是本发明的实施例提供的一种燃料电池单元的装配示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

本实施例提供一种双极板，用于燃料电池上，如图1至图7所示，本实施例中的双极板包括阳极板和阴极板。其中，本实施例中阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道11、阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道21。

本实施例提供的双极板通过将阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道11，可强化燃料电池阳极气侧的燃料扩散能力，增加膜电极中催化层中的燃料浓度，从而提升燃料电池的产电性能；同时，将阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道21，可使燃料电池的阴极反应生成的水随着阴极气体沿并行流道流动一起排出燃料电池，避免燃料电池的阴极出现水淹现象，从而有利于燃料电池阴极的气体传输。

在此，交指型流道的形状如人的手指交叉在一起，进气流道和出气流道之间不连续，因此进气流道中的气体必需经过扩散层扩散到出气流道后才能流出电池，因此具有强化传质的效果。而并行流道就是一排形状相同的流道，进出口直接通过流道连通。

实施例2

本实施例提供一种双极板，与上一实施例相比，如图1至图7所示，本实施例进一步进行如下设计：

一方面，本实施例对阳极板进行如下设计：阳极板包括阳极板本体1和燃料分配盖板。其中，交指型流道11位于所述阳极板本体1上，且所述阳极板本体1上设置有燃料进口101、燃料出口106、氧化剂进口103、氧化剂出口104。且阳极板本体1上的燃料进口101、氧化剂进口103位于阳极板本体1的一端、燃料出口106、氧化剂出口104位于阳极板本体1的另一端。交指型流道11位于阳极板本体1的中间位置处。在此，燃料分配盖板包括第一燃料分配盖板31和第二燃料分配盖板32；其中，第一燃料分配盖板31上设置有燃料进气分配区311，且燃料进气分配区311用于连通燃料进口101和交指型流道11的进口。第二燃料分配盖板32上设置有燃料出气分配区，且燃料出气分配区用于连通燃料出口106和交指型流道11的出口。

较佳地，燃料进气分配区、燃料出气分配区设置有能对燃料进行导流、分配的结构；进一步优选的，对燃料进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种，如可以为导流流道、圆形凸点、椭圆形凸点、仿生连续流道等。

较佳地，第一燃料分配盖板31安置在阳极板本体1上的燃料进口101和交指型流道11的进口之间的位置处。第二燃料分配盖板32安置在阳极板本体1上的燃料出口106和交指型流道11的出口之间的位置处。

在此，对于燃料分配盖板(第一燃料分配盖板、第二燃料分配盖板)与阳极板本体1的连接方式设置如下：燃料分配盖板的翻边部分与阳极板本体的板面接触，在几个关键接触点通过点焊方式进行初步焊接固定，之后在密封垫上会给燃料分配盖板开出槽道，经过橡胶垫硫化粘接密封后盖板与阳极板本体会进行进一步的粘接固定。

另一方面，本实施例对阴极板进行如下设计：阴极板包括阴极板本体2和氧化剂分配盖板。其中，并行流道21位于阴极板本体2上，且阴极板本体2上设置有氧化剂进口203、燃料进口201、燃料出口206、氧化剂出口204。阴极板本体2上的燃料进口201、氧化剂进口203位于阴极板本体2的一端、燃料出口206、氧化剂出口204位于阴极板本体2的另一端。

在此，阴极板本体2上的燃料进口201与阳极板本体1上的燃料进口101对应设置，并组成燃料电池单元的燃料进口。阴极板本体2上的氧化剂进口203与阳极板本体上的氧化剂进口103对应设置，组成燃料电池单元的氧化剂进口。阴极板本体2上的燃料出口206与阳极板本体1上的燃料出口106对应设置，并组成燃料电池单元的燃料出口。阴极板本体2上的氧化剂出口204与阳极板本体上的氧化剂出口104对应设置，组成燃料电池单元的氧化剂出口。

氧化剂分配盖板包括第一氧化剂分配盖板41和第二氧化剂分配盖板42；其中，第一氧化剂分配盖板41上设置有氧化剂进气分配区411，且氧化剂进气分配区411用于连通氧化剂进口203和并行流道21的进口。第二氧化剂分配盖板42上设置有氧化剂出气分配区，且氧化剂出气分配区用于连通氧化剂出口206和并行流道21的出口。

较佳地，氧化剂进气分配区、氧化剂出气分配区设置有能对氧化剂进行导流、分配的结构；进一步优选的，对氧化剂进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种，如可以为导流流道、圆形凸点、椭圆形凸点、仿生连续流道等。

较佳地，第一氧化剂分配盖板41安置在阴极板本体2上的氧化剂进口203和并行流道21的进口之间的位置处。第二氧化剂分配盖板42安置在阴极板本体2上的氧化剂出口204和并行流道21的出口之间的位置处。

在此，对于氧化剂分配盖板(第一氧化剂分配盖板、第二氧化剂分配盖板)与阴极板本体的连接方式如下：氧化剂分配盖板的翻边部分与阴极板本体的板面接触，在几个关键接触点通过点焊方式进行初步焊接固定，之后在密封垫上会给氧化剂分配盖板开出槽道，经过橡胶垫硫化粘接密封后，氧化剂分配盖板与阴极板本体会进行进一步的粘接固定。

较佳地，燃料分配盖板、氧化剂分配盖板的材质为金属。

综上，本实施例提供的双极板通过设计燃料分配盖板作为连接燃料进出口与阳极板发电区域流道的中间结构、设计氧化剂分配盖板作为连接氧化剂进出口与阴极板发电区域流道的中间结构，一方面通过燃料分配盖板、氧化剂盖板上的导流、分配结构能使燃料电池进气分布更加均匀，导流角度及形式可通过数值模拟仿真进行分析及优化，从而得到最优的结果，可调节空间较大；另一方面，上述燃料分配盖板、氧化剂盖板的设计可以防止燃料电池单元及燃料电池组装时，密封胶堵塞通道。

实施例3

本实施例提供一种双极板，与上述实施例相比，如图1至图7所示，本实施例进一步进行如下设计：

一方面，阳极板上设置有冷却液进口102、第一冷却液分配区13；其中，第一冷却液分配区13位于冷却液进口102和交指型流道11之间的位置处，用于将由冷却液进口102流入的冷却液分配到冷却液流场中。(如图7所示的阳极板和阴极板之间形成的冷却液流场73中)。优选的，当阳极板包括阳极板本体1和燃料分配盖板时，冷却液进口102、第一冷却液分配区13均设置在阳极板本体1上。在此，冷却液进口102位于阳极板本体1上的设置有燃料进口101、氧化剂进口103的一端上，且冷却液进口102位于燃料进口101和氧化剂进口103之间。

另一方面，阳极板上设置有冷却液出口105、第二冷却液分配区；其中，第二冷却液分配区位于冷却液出口105和交指型流道之间的位置处，用于将冷却液流场(如图7所示的阳极板本体1和阴极板本体2之间形成的冷却液流场73中)的冷却液导流到所述冷却液出口105处。优选的，当阳极板包括阳极板本体1和燃料分配盖板时，所述冷却液出口105、第二冷却液分配区均设置在所述阳极板本体1上。在此，冷却液出口105位于阳极板本体1上的设置有燃料出口106、氧化剂出口104的一端上，且冷却液出口105位于燃料出口106和氧化剂出口104之间。

在此，第一燃料分配盖板位于第一冷却液分配区的上方，且第一燃料分配盖板与第一冷却液分配区的气侧面相接触。第二燃料分配盖板位于第二冷却液分配区的上方，且第二燃料分配盖板与第二冷却液分配区的气侧面相接触。

第一冷却液分配区、第二冷却液分配区上设置有导流、分配结构，如导流流道、圆形凸点、椭圆形凸点、仿生连续流道等。

本实施例提供的双极板通过在阳极板(阳极板本体1)的冷却液进口和交指型流道之间的位置处设置第一冷却液分配区、在阳极板(阳极板本体1)的冷却液出口和交指型流道之间的位置处设置第二冷却液分配区，以对冷却液流场进行合理分配，使冷却液在流道中能均匀分布，另一方面还可在组装电堆时为双极板提供一定的支撑作用(在此，因为冷却液的分配区是阳极板向冷却液侧凸起的结构，高度与阳极主流道向冷却液侧凸起高度相同，与阴极板的冷却液侧分配部分相接触，在多个双极板组装成电堆时会先被压紧然后用螺栓固定电堆，这时分配区的凸起结构像桥墩一样在分配区起到支撑作用，避免这部分因受力不均被压塌堵塞流道、或是中间应力太大被压弯、压断等)。

实施例4

较佳地，本实施例提供一种双极板，与上述实施例相比，如图1至图7所示，本实施例进一步进行如下设计：

一方面，阳极板上的交指型流道11包括多个第一单流道、阴极板上的并行流道21包括多个第二单流道。在此，第一单流道可以是直流道或弯曲流道、第二单流道可以是直流道、弯曲流道。但是，第一单流道与第二单流道的形状一致，这样设置两种流道的规则分布，使得两种流道之间形成的冷却液流道(参见图7中的冷却液流场73)的结构也规则均匀，从而能获得均匀的冷却液流场，提高电池的寿命和稳定性。

另一方面，阳极板的边缘位置处设置有用于安装第一密封垫62的槽道14，以实现其中一个燃料电池单元中的阳极板与另一个燃料电池单元中的阴极板的密封连接(第一密封垫的安装位置参见图7)。

再一方面，阴极板具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，并行流道21在所述阴极板的第一侧相对于阴极板的边缘处形成多个凸起、并行流道在阴极板的第二侧相对于所述阴极板的边缘处形成多个凹部；其中，阴极板的第一侧为氧化剂流场侧、所述阴极板的第二侧为冷却液流场侧(参见图7所示，阴极板本体2的凸侧为氧化剂流场侧、凹侧为冷却液流场侧)。

实施例5

较佳地，本实施例提供一种双极板，与上述实施例相比，如图1、图7所示，本实施例进一步进行如下设计：

阳极板的交指型流道11包括流道进口部分111、主流道及流道出口部分112；其中，流道进口部分111、流道出口部分112的高度低于主流道的高度(在此的高度指的是流道的沟部深度，如图7所示的阳极双极板的燃料流道的沟部的深度)。优选的，流道进口部分111的高度、流道出口部分112的高度为主流道高度的0.3-0.7，优选为0.5(即1/2)。通过这样设置，可以使冷却液侧的流道连贯，从而使冷却液侧区域保持流通。

综上，参见图1至图7，上述实施例提供的双极板在燃料电池中实现气体、冷却液的分配、传输，具体如下：

燃料气体从阳极板的燃料进口101(阴极板的燃料进口201)流入，经过第一燃料分配盖板31的分配区后进入交指型流道的流道进口部分111，流道进口部分111为第一燃料分配盖板31与主流区连接的部分，其深度为交指型流道的主流道部分的1/2但不限于1/2，这样可以保持另一侧的冷却液侧流道的连贯。阳极板本体1的主流道为交指型流道，其单个流道形式可以为直流道或弯曲流道等，但需要与阴极板本体2上的单流道形状保持一致，燃料气体通过气体扩散层后进入交指型流道11的流道出口部分112，流道出口部分112为交指型流道11与第二燃料分配盖板32的连接区域，之后燃料气体从阳极板的燃料出口106(阴极板的燃料出口206)流出。

氧化剂气体则从阳极板的氧化剂进口103(阴极板的养护剂进口203)流入，之后通过第一氧化剂分配盖板41的分配区进入阴极板的气侧并行流道21，之后通过第二氧化剂盖板42，从阴极板的氧化剂出口204(阳极板的氧化剂出口104)流出。

冷却液侧流路设计为冷却液从冷却液入口(阳极板上的冷却液入口102、阴极板上的冷却液入口202)流入后经第一冷却液分配区13导流后直接进入主流道，之后从冷却液出口(阳极板上的冷却液出口105、阴极板上的冷却液出口205)流出。

另外，阳极板上设置第一定位孔12、阴极板上设置第二定位孔22，第一定位孔12和第二定位孔22相对应，以可防止双极板在装配时发生错位，从而提高电池装配的可靠性与一致性。

实施例6

本实施例提供一种燃料电池单元，其中，参见图7所示，燃料电池单元包括：膜电极5及上述任一实施例所述的双极板；其中，双极板中的阳极板(参见图7中的阳极板本体1)位于膜电极5的一侧、双极板中的阴极板(参见图7中的阴极板本体2)位于膜电极5的另一侧。参见图7所示，燃料流场72位于阳极板与膜电极之间、氧化剂流场71位于阴极板与膜电极之间。

较佳地，在燃料电池单元中，阳极板上的交指型流道的沟部与阴极板上的并行流道沟部相对设置、所述阳极板上的交指型流道的脊部与阴极板上的并行流道的脊部相对设置，这样设置能获得均匀的冷却液流场。

较佳地，阳极板(阳极板本体1)、膜电极、阴极板(阴极板本体2)之间通过第二密封垫密封61连接；进一步地优选的，阴极板本体与膜电极的质子交换膜52之间通过第二密封垫61的第一部分密封连接、阳极板本体2与阴极板本体1之间通过第二密封垫的第二部分密封连接。

进一步优选的，膜电极5包括第一气体扩散层51、第二气体扩散层53、位于所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间的带催化层的质子交换膜52；其中，第一气体扩散层51与阴极板(即，阴极板本体2)接触、第二气体扩散层53与阳极板(即，阳极板本体1)接触；在此，第一气体扩散层51的长度、宽度均小于第二气体扩散层53的长度、宽度；而第二气体扩散层53的面积与质子交换膜52的尺寸相当；这样设置，实现阴极板本体2与质子交换膜52之间通过第二密封垫61的第一部分的密封连接，而第一气体扩散层51位于阴极板本体2与质子交换膜52之间。

在此，膜电极5由基于碳纸的第一气体扩散层51(GDL1)、基于碳纸的第二气体扩散层53(GDL)和带催化层的质子交换膜52(CCM)组成，同时碳纸设计为一大一小，GDL2碳纸的长宽尺寸均比GDL1碳纸略大一些，而CCM的面积和GDL2碳纸保持一致。密封方面：将密封胶放入模具中用热压机制作预成型第二密封垫，然后将双极板(包括阳极板本体、阴极板本体、燃料分配盖板、氧化剂分配盖板)、膜电极与预成型的第二密封胶依次放入热压定位模具后放入热压机中进行硫化粘接，完成密封。

第二密封垫61可以选择硅胶、热熔胶、环氧胶、橡胶等材料，与双极板、膜电极有良好的粘合效果，同时具有良好的可塑性、固化条件、固化后的强度、耐腐蚀性、弹性等，比较适合的有三元乙丙橡胶和硅胶等。

具体地，本实施例中燃料电池单元的制作方法，具体为：将混炼胶填入预成型模具并放入热压机中热压形成预成型的第二密封垫。之后在热压定位模具中依次叠放双极板、预成型的第二密封垫、膜电极等部件，然后放入热压机中进行硫化，即可完成燃料电池单元(单电池)的制作。

实施例7

本实施例提供一种燃料电池，其中燃料电池由多个实施例6所述的燃料电池单元组成；其中，任意相邻的两个燃料电池单元中的一个燃料电池单元为第一燃料电池单元、另一个燃料电池单元为第二燃料电池单元；其中，第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池的阴极板之间组成冷却液流场(参见图7所示，阳极板本体1和阴极板本体1之间组成的冷却液流场73)。

较佳地，参见图7所示，第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫62密封连接。

在此，本实施例中的燃料电池的制作方法包括如下步骤：

1)制作燃料电池单元；

2)将多个燃料电池单元组装成燃料电池；

较佳地，采用实施例6中所述的燃料电池单元的制作方法制作燃料电池单元。

较佳地，在将多个燃料电池单元组装成燃料电池的步骤，包括：在第一燃料电池单元的阳极板的槽道上放置第一密封垫，然后使第一燃料电池单元的阳极板与第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫贴合密封，实现相邻的两个燃料电池单元的组装。较佳地，第一密封垫62可选择硅胶、橡胶等材料，参见图1和图7，将第一密封垫62按设计的形状切割出来后放置在阳极板的槽道8中，与阴极板的冷却液侧贴合挤压密封。

综上，与现有技术相比，本发明实施例提供的双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法至少具有如下优点：(1)阳极板采用交指型流道设计，阴极板采用并行流道设计，在强化传质的同时实现冷却液侧、气侧流体的均匀流通；(2)燃料分配盖板、氧化剂分配盖板的设计，通过配合双极板本体可同时为气侧、冷却液侧提供分配区，提高了气侧、冷却液侧流动均匀性，且分配区的形状、分布可独立调节，同时金属材质的燃料分配盖板、氧化剂盖板设计也起到密封时防止密封胶堵塞流道的作用；(3)膜电极设计，大小碳纸的膜电极设计增强了气侧粘接密封可靠性，可靠性较高；(4)密封垫设计，单片橡胶垫易于制作，密封可靠性高，同时密封垫预留的槽道能为盖板提供安装定位功能。综上，本发明实施例提供的双极板、燃料电池单元、燃料电池及其制作方法具有传质效率高、成本低、流动均匀性好、设计调节空间大、可靠性高、制造工艺简单等优点，可采用单片预成型橡胶垫粘接工艺，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、冷却液侧均有流体分配区，整体流动均匀性好且分布易调节。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (26)

1.一种双极板，其特征在于，所述双极板包括阳极板和阴极板；其中，

所述阳极板的发电区域处的流道设置为交指型流道；

所述阴极板的发电区域处的流道设置为并行流道；

其中，所述阳极板的交指型流道包括流道进口部分、主流道及流道出口部分；其中，流道进口部分、流道出口部分的高度低于主流道的高度；其中，所述流道进口部分的高度、流道出口部分的高度为所述主流道高度的0.3-0.7。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述阳极板包括：

阳极板本体，所述交指型流道位于所述阳极板本体上，且所述阳极板本体上设置有燃料进口、燃料出口；

燃料分配盖板，所述燃料分配盖板包括第一燃料分配盖板、第二燃料分配盖板；其中，所述第一燃料分配盖板上设置有燃料进气分配区，且所述燃料进气分配区用于连通所述燃料进口和交指型流道的进口；所述第二燃料分配盖板上设置有燃料出气分配区，且所述燃料出气分配区用于连通所述燃料出口和交指型流道的出口。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，

所述燃料进气分配区、燃料出气分配区设置有能对燃料进行导流、分配的结构。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于

对燃料进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种。

5.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，

所述第一燃料分配盖板安置在所述阳极板本体上的燃料进口和交指型流道的进口之间的位置处。

6.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，

所述第二燃料分配盖板安置在所述阳极板本体上的燃料出口和交指型流道的出口之间的位置处。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述阴极板包括：

阴极板本体，所述并行流道位于所述阴极板本体上，且所述阴极板本体上设置有氧化剂进口、氧化剂出口；

氧化剂分配盖板，所述氧化剂分配盖板包括第一氧化剂分配盖板、第二氧化剂分配盖板；其中，所述第一氧化剂分配盖板上设置有氧化剂进气分配区，且所述氧化剂进气分配区用于连通所述氧化剂进口和并行流道的进口；所述第二氧化剂分配盖板上设置有氧化剂出气分配区，且所述氧化剂出气分配区用于连通所述氧化剂出口和并行流道的出口。

8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，

所述氧化剂进气分配区、氧化剂出气分配区设置有能对氧化剂进行导流、分配的结构。

9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，

对氧化剂进行导流、分配的结构包括凸点、导流通道中的一种或两种。

10.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，

所述第一氧化剂分配盖板安置在所述阴极板本体上的氧化剂进口和并行流道的进口之间的位置处。

11.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，

所述第二氧化剂分配盖板安置在所述阴极板本体上的氧化剂出口和并行流道的出口之间的位置处。

12.根据权利要求1-11任一项所述的双极板，其特征在于，

所述阳极板上设置有冷却液进口、第一冷却液分配区；其中，所述第一冷却液分配区位于冷却液进口和交指型流道之间的位置处，用于将由冷却液进口流入的冷却液分配到冷却液流场中。

13.根据权利要求12所述的双极板，其特征在于，

当所述阳极板包括阳极板本体和燃料分配盖板时，所述冷却液进口、第一冷却液分配区均设置在所述阳极板本体上。

14.根据权利要求1-11任一项所述的双极板，其特征在于，

所述阳极板上设置有冷却液出口、第二冷却液分配区；其中，所述第二冷却液分配区位于冷却液出口和交指型流道之间的位置处，用于将冷却液流场的冷却液导流到所述冷却液出口处。

15.根据权利要求14所述的双极板，其特征在于，

当所述阳极板包括阳极板本体和燃料分配盖板时，所述冷却液出口、第二冷却液分配区均设置在所述阳极板本体上。

16.根据权利要求1-11任一项所述的双极板，其特征在于，

所述阳极板上的交指型流道包括多个第一单流道、所述阴极板上的并行流道包括多个第二单流道；其中，所述第一单流道与第二单流道的形状一致；和/或

所述阳极板的边缘位置处设置有用于安装第一密封垫的槽道，以实现其中一个燃料电池单元中的阳极板与另一个燃料电池单元中的阴极板的密封连接；和/或

所述阴极板具有相对设置的第一侧和第二侧；其中，所述并行流道在所述阴极板的第一侧相对于所述阴极板的边缘处形成多个凸起、所述并行流道在所述阴极板的第二侧相对于所述阴极板的边缘处形成多个凹部；其中，所述阴极板的第一侧为氧化剂流场侧、所述阴极板的第二侧为冷却液流场侧。

17.根据权利要求1-11任一项所述的双极板，其特征在于，所述流道进口部分的高度、流道出口部分的高度为所述主流道高度的0.5。

18.一种燃料电池单元，其特征在于，所述燃料电池单元包括：膜电极及权利要求1-17任一项所述的双极板；其中，所述双极板中的阳极板位于所述膜电极的一侧、所述双极板中的阴极板位于所述膜电极的另一侧。

19.根据权利要求18所述的燃料电池单元，其特征在于，

所述阳极板上的交指型流道的沟部与阴极板上的并行流道沟部相对设置、所述阳极板上的交指型流道的脊部与阴极板上的并行流道的脊部相对设置。

20.根据权利要求19所述的燃料电池单元，其特征在于，

所述阳极板、膜电极、阴极板之间通过第二密封垫密封连接；其中，所述阴极板与所述膜电极的质子交换膜之间通过第二密封垫的第一部分密封连接、所述阳极板与所述阴极板之间通过第二密封垫的第二部分密封连接。

21.根据权利要求20所述的燃料电池单元，其特征在于，

所述膜电极包括第一气体扩散层、第二气体扩散层、位于所述第一气体扩散层和第二气体扩散层之间的带催化层的质子交换膜；其中，第一气体扩散层与所述阴极板接触、第二气体扩散层与所述阳极板接触；其中，第一气体扩散层的长度、宽度均小于所述第二气体扩散层的长度、宽度。

22.权利要求18-20任一项所述的燃料电池单元的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

对混炼胶进行预成型处理，得到预成型的第二密封垫；

将阳极板、膜电极、预成型的第二密封垫、阴极板依次叠放在预成型模具中，然后在热压机中进行硫化，得到燃料电池单元。

23.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池由多个权利要求18-20任一项所述的燃料电池单元组成；其中，任意相邻的两个燃料电池单元中的一个燃料电池单元为第一燃料电池单元、另一个燃料电池单元为第二燃料电池单元；其中，第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池单元的阴极板之间组成冷却液流场。

24.根据权利要求23所述的燃料电池，其特征在于，所述第一燃料电池单元中的阳极板和第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫密封连接。

25.权利要求23或24所述的燃料电池的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

制作燃料电池单元；

将多个燃料电池单元组装成燃料电池；

其中，采用权利要求22所述的燃料电池单元的制作方法制作燃料电池单元。

26.根据权利要求25所述的燃料电池的制作方法，其特征在于，

在将多个燃料电池单元组装成燃料电池的步骤，包括：在第一燃料电池单元的阳极板的槽道上放置第一密封垫，然后使第一燃料电池单元的阳极板与第二燃料电池单元的阴极板之间通过第一密封垫贴合密封，实现相邻的两个燃料电池单元的组装。

Images