CN111987330A - 双极板和燃料电池 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种双极板和燃料电池。该双极板包括阴极板(1)和阳极板(2)，阴极板(1)和阳极板(2)为结构相同的单极板，阴极板(1)包括第一氧气接口(3)、第二氧气接口(4)、第一氢气接口(5)、第二氢气接口(6)、第一冷却液接口(7)和第二冷却液接口(8)，第一冷却液接口(7)关于阴极板(1)的纵向中平面对称，第二冷却液接口(8)与第一冷却液接口(7)中心对称，第一氢气接口(5)和第一氧气接口(3)关于阴极板(1)的横向中平面对称，第二氢气接口(6)和第二氧气接口(4)关于阴极板(1)的横向中平面对称。根据本申请的双极板，可以减少模具开制费用，缩短冲压时的模具更换时间，提高极板生产效率。

Description

双极板和燃料电池

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种双极板和燃料电池。

背景技术

燃料电池电堆(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。由于金属板强度高、重量轻且导电性好，因此金属双极板是目前发展的主要方向。

关于双极板的设计，国内外均有多项申请。金属双极板成型方式最常见的是超薄金属板的冲压，冲压具有可批量生产的优点，且双极板批量质量一致性好。

然而实际生产过程中，由于阳极板和阴极板的结构不同，因此需要两套模具，分别用来成型阳极板和阴极板，如此一来，就会增加模具开制费用，以及冲压时的模具更换时间，降低了极板生产效率。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种双极板和燃料电池，可以减少模具开制费用，缩短冲压时的模具更换时间，提高极板生产效率。

为了解决上述问题，本申请提供一种双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板为结构相同的单极板，阴极板包括第一氧气接口、第二氧气接口、第一氢气接口、第二氢气接口、第一冷却液接口和第二冷却液接口，第一冷却液接口关于阴极板的纵向中平面对称，第二冷却液接口与第一冷却液接口中心对称，第一氢气接口和第一氧气接口关于阴极板的横向中平面对称，第二氢气接口和第二氧气接口关于阴极板的横向中平面对称。

优选地，第一氢气接口和第二氧气接口关于阴极板的纵向中平面对称。

优选地，阴极板上设置有氧气流道，氧气流道关于阴极板的中心对称。

优选地，氧气流道的第一端与第一氧气接口连通，氧气流道的第二端与第二氧气接口连通，氧气流道呈折线形。

优选地，阴极板包括反应侧和冷却侧，反应侧设置有多个导流凸起，相邻的导流凸起之间形成氧气流道。

优选地，多个导流凸起包括第一导流凸起和第二导流凸起，第一导流凸起包括第一折线段、第二折线段和第三折线段，第二导流凸起包括第一分隔段和第二分隔段，第一折线段与第一氧气接口连通，第一分隔段位于相邻的两个第二折线段之间，将相邻的两个第二折线段之间的氧气流道分隔为两个，第二分隔段位于相邻的两个第三折线段之间，将相邻的两个第三折线段之间的氧气流道分隔为两个。

优选地，多个导流凸起还包括第三导流凸起，第三导流凸起设置在第三折线段和第二分隔段之间，并将第三折线段和第二分隔段之间的氧气流道分隔为两个。

优选地，相邻的第一折线段之间的氧气流道、第一分隔段和第二折线段之间的氧气流道以及第三折线段和第二分隔段之间的氧气流道的宽度相同。

优选地，氧气流道的宽度与第一导流凸起、第二导流凸起和第三导流凸起的宽度相同。

优选地，第一折线段的末端边界与第一分隔段的末端边界之间形成夹角α，其中α＝arccos1/3。

优选地，第一折线段、第三折线段、第二分隔段和第三导流凸起之间相互平行，第二折线段和第一分隔段之间相互平行。

优选地，在阴极板的反应侧，第一氢气接口、第二氢气接口、第一氧气接口、第二氧气接口、第一冷却液接口和第二冷却液接口的周侧均设置有密封胶槽。

优选地，阴极板冷却侧的第二折线段之间的氧气流道与阳极板冷却侧的第二折线段之间的氧气流道交叉配合。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池，包括双极板，该双极板为上述的双极板。

本申请提供的双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板和阳极板为结构相同的单极板，阴极板包括第一氢气接口、第二氢气接口、第一氧气接口、第二氧气接口、第一冷却液接口和第二冷却液接口，第一冷却液接口关于阴极板的纵向中平面对称，第二冷却液接口与第一冷却液接口中心对称，第一氢气接口和第一氧气接口关于阴极板的横向中平面对称，第二氢气接口和第二氧气接口关于阴极板的横向中平面对称。该双极板的第一冷却液接口关于阴极板的纵向中平面对称，第二冷却液接口与第一冷却液接口中心对称，第一氢气接口和第一氧气接口关于阴极板的横向中平面对称，第二氢气接口和第二氧气接口关于阴极板的横向中平面对称，因此使得各个气体接口以及冷却接口的结构之间形成特殊的匹配关系，从而保证在采用同一套模具成型结构相同的阳极板和阴极板时，成型出的单极板可以既能够作为阳极板使用，又能够作为阴极板使用，且阳极板和阴极板的各个接口能够实现良好匹配，从而顺利实现一模双板结构，能够节省一套模具，可以减少模具开制费用，缩短冲压时的模具更换时间，提高极板生产效率。

附图说明

图1为本申请实施例的双极板的阴极板结构图；

图2为本申请实施例的双极板的分解结构图；

图3为本申请实施例的双极板的局部剖视结构图；

图4为本申请实施例的双极板的冷却液流道结构示意图；

图5为本申请另一实施例的双极板的阴极板结构图。

附图标记表示为：

1、阴极板；2、阳极板；3、第一氧气接口；4、第二氧气接口；5、第一氢气接口；6、第二氢气接口；7、第一冷却液接口；8、第二冷却液接口；9、氧气流道；10、第一折线段；11、第二折线段；12、第三折线段；13、第一分隔段；14、第二分隔段；15、第三导流凸起；16、密封胶槽；17、分流凸起；18、冷却液流道。

具体实施方式

结合参见图1至图5所示，根据本申请的实施例，双极板包括阴极板1和阳极板2，阴极板1和阳极板2为结构相同的单极板，阴极板1包括第一氧气接口3、第二氧气接口4、第一氢气接口5、第二氢气接口6、第一冷却液接口7和第二冷却液接口8，第一冷却液接口7关于阴极板1的纵向中平面对称，第二冷却液接口8与第一冷却液接口7中心对称，第一氢气接口5和第一氧气接口3关于阴极板1的横向中平面对称，第二氢气接口6和第二氧气接口4关于阴极板1的横向中平面对称。

该双极板的第一冷却液接口7关于阴极板1的纵向中平面对称，第二冷却液接口8与第一冷却液接口7中心对称，第一氢气接口5和第一氧气接口3关于阴极板1的横向中平面对称，第二氢气接口6和第二氧气接口4关于阴极板1的横向中平面对称，因此使得各个气体接口以及冷却接口的结构之间形成特殊的匹配关系，从而保证在采用同一套模具成型结构相同的阳极板2和阴极板1时，成型出的单极板可以既能够作为阳极板2使用，又能够作为阴极板1使用，且阳极板2和阴极板1的各个接口能够实现良好匹配，从而顺利实现一模双板结构，能够节省一套模具，可以减少模具开制费用，缩短冲压时的模具更换时间，提高极板生产效率。

结合参见图1所示，上述的纵向中平面为经过阴极板1的短边的中心且垂直于阴极板1的板面的平面，横向中平面为经过阴极板1的长边的中心且垂直于阴极板1的板面的平面。

本申请中的双极板的各单极板采用一模双板设计，通过模具冲压出的燃料电池订单极板的反应侧既可作为氢气反应的阳极板2，也可以做为氧气反应的阴极板1。两块单极板通过激光焊接或胶粘的形式形成“两板三场”的双极板，“两板三场”指的是两块极板的反应侧分别作为氧气与氢气各自反应的反应场，两块极板被测的冷却侧所形成的空腔是冷却水流动的冷却场。

在进行双极板的制作时，可以将一套模具制作出的单极板中的一个作为阴极板1，之后先将第二个单极板采用与阴极板1同样的放置结构，再将第二个单极板绕单极板中心旋转180°，作为阳极板2，然后对该第二个单极板绕长边翻转180°，最后对两个单极板进行叠置组装，使得两个单极板的冷却侧贴合在一起，并通过胶粘或者焊接的方式固定在一起，形成双极板。

本申请中的双极板，具有一模双板的结构特征，可以在实现相同的燃料电池反应功能外，节省实际生产的模具制作费用和冲压生产时的模具更换时间成本，适用于大批量进行燃料电池双极板的生产。

第一氢气接口5和第二氧气接口4关于阴极板1的纵向中平面对称，使得四个气体接口结构的形状一致，可以提高气体接口形状的一致性，提高成型效率。

阴极板1上设置有氧气流道9，氧气流道9关于阴极板1的中心对称，方便进行模具的设计，降低模具设计成本，同时方便进行氧气流道9以及冷却侧流道的设计。

氧气流道9的第一端与第一氧气接口3连通，氧气流道9的第二端与第二氧气接口4连通，氧气流道9呈折线形。在本实施例中，第一氧气接口3、第一氢气接口5以及第一冷却液接口7位于阴极板1的长边的第一端，且为并排设置，第二氧气接口4、第二氢气接口6以及第二冷却液接口8位于阴极板1的长边的第二端，且为并排设置，氧气流道9呈折线形设置，更加有利于实现第一氧气接口3、第二氧气接口4与氧气流道9的连接和布局。

阴极板1包括反应侧和冷却侧，反应侧设置有多个导流凸起，相邻的导流凸起之间形成氧气流道9。

在其中一个实施例中，多个导流凸起包括第一导流凸起和第二导流凸起，第一导流凸起包括第一折线段10、第二折线段11和第三折线段12，第二导流凸起包括第一分隔段13和第二分隔段14，第一折线段10与第一氧气接口3连通，第一分隔段13位于相邻的两个第二折线段11之间，将相邻的两个第二折线段11之间的氧气流道9分隔为两个，第二分隔段14位于相邻的两个第三折线段12之间，将相邻的两个第三折线段12之间的氧气流道9分隔为两个，从而使得氧气流道9的数量沿着从边缘到中间的方向逐渐增多，便于氧气在中心区域与氢气充分接触反应，提高气体的反应效率。

在其中一个实施例中，多个导流凸起还包括第三导流凸起15，第三导流凸起15设置在第三折线段12和第二分隔段14之间，并将第三折线段12和第二分隔段14之间的氧气流道9分隔为两个。

本申请的流道结构，在流道弯折处利用弯折形成的流道宽度变宽的特点，通过增加新的导流凸起，实现对于弯折后流道的再次分隔，从而能够方便地增加流道数量，以第一氧气接口3为起始端，从第一折线段10到第二折线段11的过程中，单个氧气流道9的数量从1条流道分为2条流道，从第二折线段11到第三折线段12的过程中，单条流道又分为2条流道，使得氧气流道9在从第一折线段10到第三折线段12的过程中，从起始端的1条流道到中间区域的直流道区域分成4条流道，以此节省极板进气口或者出气口布置所占的面积，使得极板结构更加紧凑化。

在其中一个实施例中，单极板为金属板，可以采用冲压的方式将厚度0.1mm的金属板，压制成型具有上述流道结构的金属单极板。其中单极板上设置有氧气进出口、氢气进出口以及冷却水进出口。其中氧气进出口与氢气进出口分别布置在冷却水进出口两侧，单极板四周具有4个定位孔。单极板也可以采用石墨板。

在阳极板2所在侧，氢气通过阳极板2上的氢气入口流入阳极板2上的流场区域，然后通过流道扩散到整个阳极板2的中间区域的平直流道部分，反应后的氢气尾气经过氢气流道重新汇聚到氢气出口流出。

在其中一个实施例中，相邻的第一折线段10之间的氧气流道9、第一分隔段13和第二折线段11之间的氧气流道9以及第三折线段12和第二分隔段14之间的氧气流道9的宽度相同，使得气体流道在分流过程中，单个流道宽度基本上能够保持不变，因此可以降低气流流动过程中的突变，提高气体流动的均匀性和稳定性。

氧气流道9的宽度与第一导流凸起、第二导流凸起和第三导流凸起15的宽度相同。

第一折线段10的末端边界与第一分隔段13的末端边界之间形成夹角α，其中α＝arccos1/3，第二折线段11和第一分隔段13垂直于第一折线段10的末段边界，第三折线段12、第二分隔段14和第三导流凸起15垂直于第一分隔段13的末端边界。

对于氧气流道9的宽度与第一导流凸起、第二导流凸起和第三导流凸起15的宽度相同，且各个流道的宽度相同，各个流道的宽度与凸起宽度相同，因此，可以通过设置第一折线段10的末端边界与第一分隔段13的末端边界之间形成夹角α，使得氧气流道9的宽度从第一折线段10所在区域的L增大到第二折线段11所在区域的3L，由于第二折线段11所在区域的氧气流道9中间增加了宽度为L的第一分隔段13，因此，可以通过第一分隔段13将氧气流道9的剩下2L的宽度一分为二，使得第一分隔段13与第二折线段11之间的氧气流道9的宽度也为L，从而使得单个氧气流道9的宽度恒定为L，基本保持不变，提高流道内流体流动的稳定性。

在本实施例中，第一折线段10、第三折线段12、第二分隔段14和第三导流凸起15之间相互平行，第二折线段11和第一分隔段13之间相互平行。其中第一折线段10和第三折线段12均平行于单极板的纵向中平面，使得第一折线段10和第三折线段12所在区域的流体流道均为平直流道，流动更加顺畅。

在阴极板1的反应侧，第一氢气接口5、第二氢气接口6、第一氧气接口3、第二氧气接口4、第一冷却液接口7和第二冷却液接口8的周侧均设置有密封胶槽16，密封胶槽16内用于装入密封胶圈，对于气体接口和冷却液接口进行密封隔离。两块单极板要拼成双极板需要经过胶粘或激光焊接的方式，将冷却液腔体进行密封，只留下冷却水进出口；将气体进口与冷却液流动腔体进行密封，防止气体与冷却液泄露。组装后双极板再经过密封胶圈的密封，将气体进行密封。

阴极板1冷却侧的第二折线段11之间的氧气流道9与阳极板2冷却侧的第二折线段11之间的氧气流道9交叉配合。

本实施例中的单极板的冷却侧设置有冷却液流道18，冷却液流道18在单极板的冷却侧下凹，形成单极板反应侧的导流凸起。

冷却液通过阴阳极板的密封胶槽与支撑密封胶槽的分流凸起17形成类似于桥洞结构的冷却液流通口，冷却液经过左边这些桥洞结构流入阴阳极板交错的流场区域，再经过平直流道区域两块极板所形成的空腔，以此进行化学反应热的散热，散热后的冷却液再流经右侧的交错区域流出双极板。

本实施例中的分流凸起17设置在第一冷却液接口7和冷却液流道18之间，以及第二冷却液接口8与冷却液流道18之间，用于对冷却液进行分流，同时对双极板进行支撑。

在第一冷却液接口7和冷却液流道18之间的分流凸起17的边缘与第一冷却液接口7的边缘之间的最小距离为L1，第二冷却液接口8和冷却液流道18之间的分流凸起17的边缘与第二冷却液接口8的靠近冷却液流道18的边缘之间的最小距离为L2，其中L1大于L2，从而使得在两个单极板形成双极板之后，位于阴极板1上的分流凸起17能够与位于阳极板2上的分流凸起17之间形成错位，既能够起到有效的支撑作用，又能够起到有效的导流作用。

在其中一个实施例中，第一氧气接口3为氧气进口、第二氧气接口4为氧气出口、第一氢气接口5为氢气进口、第二氢气接口6为氢气出口、第一冷却液接口7为冷却液进口，第二冷却液接口8为冷却液出口。

在其中一个实施例中，氧气进口为异形结构，具体为矩形接口在外边缘的边角位置切边形成切边结构，切边结构能够减小矩形接口的面积，并使得位于四个边角的定位孔布置的更加贴近极板边缘，使得双极板的外周尺寸更小一点，有助于减少双极板的整体体积和面积。

在另外一个实施例中，氧气进口为矩形结构，使得氧气进口结构规则，焊接时只需要控制一个方向的机械运动，焊接激光出光稳定，不容易产生抖动，因此能够提高焊接合格率。

氢气进口和氢气出口的结构与此类似，此处不再详述。

根据本申请的实施例，燃料电池包括双极板，该双极板为上述的双极板。

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。

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

Claims (14)

1.一种双极板，其特征在于，包括阴极板(1)和阳极板(2)，所述阴极板(1)和所述阳极板(2)为结构相同的单极板，所述阴极板(1)包括第一氧气接口(3)、第二氧气接口(4)、第一氢气接口(5)、第二氢气接口(6)、第一冷却液接口(7)和第二冷却液接口(8)，所述第一冷却液接口(7)关于所述阴极板(1)的纵向中平面对称，所述第二冷却液接口(8)与所述第一冷却液接口(7)中心对称，所述第一氢气接口(5)和第一氧气接口(3)关于所述阴极板(1)的横向中平面对称，所述第二氢气接口(6)和所述第二氧气接口(4)关于所述阴极板(1)的横向中平面对称。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一氢气接口(5)和所述第二氧气接口(4)关于所述阴极板(1)的纵向中平面对称。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述阴极板(1)上设置有氧气流道(9)，所述氧气流道(9)关于所述阴极板(1)的中心对称。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双极板，其特征在于，所述氧气流道(9)的第一端与所述第一氧气接口(3)连通，所述氧气流道(9)的第二端与所述第二氧气接口(4)连通，所述氧气流道(9)呈折线形。

5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于，所述阴极板(1)包括反应侧和冷却侧，所述反应侧设置有多个导流凸起，相邻的导流凸起之间形成所述氧气流道(9)。

6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述多个导流凸起包括第一导流凸起和第二导流凸起，所述第一导流凸起包括第一折线段(10)、第二折线段(11)和第三折线段(12)，所述第二导流凸起包括第一分隔段(13)和第二分隔段(14)，所述第一折线段(10)与所述第一氧气接口(3)连通，所述第一分隔段(13)位于相邻的两个所述第二折线段(11)之间，将相邻的两个所述第二折线段(11)之间的所述氧气流道(9)分隔为两个，所述第二分隔段(14)位于相邻的两个所述第三折线段(12)之间，将相邻的两个所述第三折线段(12)之间的所述氧气流道(9)分隔为两个。

7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述多个导流凸起还包括第三导流凸起(15)，所述第三导流凸起(15)设置在所述第三折线段(12)和所述第二分隔段(14)之间，并将所述第三折线段(12)和所述第二分隔段(14)之间的氧气流道(9)分隔为两个。

8.根据权利要求7所述的双极板，其特征在于，相邻的所述第一折线段(10)之间的氧气流道(9)、所述第一分隔段(13)和所述第二折线段(11)之间的氧气流道(9)以及所述第三折线段(12)和所述第二分隔段(14)之间的氧气流道(9)的宽度相同。

9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，所述氧气流道(9)的宽度与所述第一导流凸起、所述第二导流凸起和所述第三导流凸起(15)的宽度相同。

10.根据权利要求9所述的双极板，其特征在于，所述第一折线段(10)的末端边界与所述第一分隔段(13)的末端边界之间形成夹角α，其中α＝arccos1/3。

11.根据权利要求10所述的双极板，其特征在于，所述第一折线段(10)、所述第三折线段(12)、所述第二分隔段(14)和所述第三导流凸起(15)之间相互平行，所述第二折线段(11)和所述第一分隔段(13)之间相互平行。

12.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，在所述阴极板(1)的反应侧，所述第一氢气接口(5)、第二氢气接口(6)、第一氧气接口(3)、第二氧气接口(4)、第一冷却液接口(7)和第二冷却液接口(8)的周侧均设置有密封胶槽(16)。

13.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述阴极板(1)冷却侧的第二折线段(11)之间的氧气流道(9)与所述阳极板(2)冷却侧的第二折线段(11)之间的氧气流道(9)交叉配合。

14.一种燃料电池，其特征在于，包括双极板，其特征在于，所述双极板为权利要求1至13中任一项所述的双极板。

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