CN112242536A - 可用于燃料电池的双极板结构、燃料电池及燃料电池车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种可用于燃料电池的双极板结构，包括：基底，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域；和多个凸起，所述多个凸起设置在所述基底上并形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。通过本公开的实施例，能够有效提升燃料电池的反应效率和反应均匀性，提升电堆功率密度。

Description

可用于燃料电池的双极板结构、燃料电池及燃料电池车辆

技术领域

本公开涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种可用于燃料电池的双极板结构、包括该双极板结构的燃料电池、以及燃料电池车辆。

背景技术

燃料电池以氢气为燃料，不需要经过燃烧过程，直接以电化学反应的方式，将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，不需要经过热机过程，因而不受卡诺循环的限制，实际能量转换效率高达50％至80％，因此是一种高效能量转换发电装置。质子交换膜燃料电池是第五代燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的，其具有多个优点，包括工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失等。

双极板是燃料电池的重要部件。传统的双极板流道例如包括平行流道、蛇形流道、针形流道、交指型流道等。这几种类型的流道各有利弊。例如平行流道的压降较小，但是反应气体在通道内的存留时间较短，因而使得反应气体的利用率较低；蛇形流道的排水性能较强，但是流道过长时，容易造成反应气体压降过大；针形流道的结构较为简单，但是反应气体容易发生短路；交指型流道强化了对流传质，有利于提高电池的极限电流密度，但是容易造成液态水在流道始端滞留。

传统的双极板流场中，凸起处对应的膜电极上的流体的反应浓度很小，因而这部分电池面积对整体性能的贡献很小，导致影响电池性能的有效提升。造成这一缺点的主要原因例如在于：双极板流场凸起的台阶是不透气的，反应气体在流场沟槽内流动并传递到对应的膜电极表面，而通过流场凸起处的膜电极在电堆紧固力作用下发生变形，导致该处的反应气浓度很低，甚至被液态水堵塞，不具有反应气。

综上，目前的质子交换膜燃料电池电堆中的双极板例如存在以下缺点中的一个或多个：

1)电池电堆中，双极板流场的流道导致了反应不充分、电流密度低、生成水难以排除等缺点；

2)双极板流场流道的反应区的面积利用率较低，支撑面的面积过大，限制了燃料电池的反应效率；

3)目前市场上燃料电池流道形式单一，没有合理利用各种流道的优点；

4)通过流场凸起处的膜电极在电堆紧固力作用下发生变形导致该处的反应气浓度很低，甚至被液态水堵塞，无反应气，限制了燃料电池的反应能力。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

此发明针对上述提到的缺点提出了对应的解决方案，其宗旨就是开发一种新型流道，这种流道能够解决现有流道气体反应不充分，生成水不易排出堵塞管道，反应面积利用率低等缺点。

有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本公开提出一种可用于燃料电池的双极板结构，包括：

基底，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域；和

多个凸起，所述多个凸起设置在所述基底上并形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。

根据本公开的一个方面，其中所述多个流动区域包括入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起形成了所述入口区、过渡区和反应区。

根据本公开的一个方面，其中所述多个凸起包括第一组凸起和第二组凸起，其中第一组凸起的高度大于第二组凸起的高度。

根据本公开的一个方面，其中所述多个凸起具有菱形、矩形、椭圆中的一种或多种形状。

根据本公开的一个方面，其中所述第一方向为所述凸起的长度方向，所述第二方向为所述凸起的宽度方向，所述流动区域中，沿着所述长度方向的流动阻力小于沿着所述宽度方向的流动阻力。

根据本公开的一个方面，其中所述凸起的长度方向的尺寸为1mm-4mm,宽度方向的尺寸为0.5mm-2mm，长宽比优选1.5-6。

根据本公开的一个方面，其中所述入口区和反应区中的凸起的长度方向相互平行；所述过渡区中的凸起的长度方向垂直于所述入口区和反应区中的凸起的长度方向。

根据本公开的一个方面，其中在所述过渡区中，沿着远离所述入口区的方向，所述凸起的数目逐渐减少。

根据本公开的一个方面，其中所述基底的与所述多个凸起相反的一侧上，具有与所述多个凸起对应的凹陷部，所述基底的具有所述多个凸起的一侧用作燃料流场和空气流场，所述基底的具有所述凹陷部的一侧用作冷却液流场。

本公开还涉及一种燃料电池，包括如上所述的双极板结构。

本公开还涉及一种燃料电池车辆，包括如上所述的燃料电池系统。

本公开还涉及一种制备可用于燃料电池的双极板结构的方法，包括：

提供或制备基底，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域；

在所述基底上设置多个凸起以形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。

根据本公开的一个方面，其中所述多个流动区域包括入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起形成了所述入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起包括第一组凸起和第二组凸起，其中第一组凸起的高度大于第二组凸起的高度。

通过本公开的实施例，通过在基底上设置凸起，凸起沿着不同方向具有不同的流动阻力，能够有效地引导流体朝着适合的方向流动，因而有效提升了燃料电池的反应效率和反应均匀性，提升电堆功率密度。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本公开一个实施例的一种可用于燃料电池的双极板结构的主视图；

图2示出了根据本公开一个实施例的双极板结构的立体图；

图3示出了根据本公开一个实施例的凸起的排布示意图；

图4示出了根据本公开一个实施例的凸起的排布立体图；

图5示出了根据本公开一个实施例的燃料电池电堆的侧视图；和

图6示出了根据本公开一个实施例的用于制备双极板结构的方法的流程图。

附图标记列表：

10双极板结构；11基底；117开放型流场；12凸起；111入口区；112过渡区；113反应区；114燃料存储区；115空气存储区；116冷却液存储区；1121不具有凸起的区域；121第一组凸起；122第二组凸起；

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

第一实施例

图1示出了根据本公开一个实施例的一种可用于燃料电池的双极板结构10的主视图，图2示出了双极板结构10的立体图。如图1所示，双极板结构10包括基底11(图1中部分示出了基底11)。其中基底11上具有用于流体的开放型流场117，所述开放型流场117包括用于流体的多个流动区域(下文详细描述)。双极板结构10还包括多个凸起12，所述多个凸起12设置在所述基底11上，并形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。以下详细描述。

本领域技术人员能够理解，本公开中的“开放型流场”，是与流道型流场相对的类型，是指在流体流动的流场区域上无封闭的流道，流体流动不受流道方向的限制，只受压力的驱动，例如流场上不具有特别构造的封闭流道(诸如平行流道、蛇形流道、针形流道、交指型流道等形式的流道)。与现有技术不同，本公开实施例并不具有封闭的流道，而是在开放型的流场上，通过在双极板上设置规律的或者不规律的凸起12，利用凸起12在两个方向上流动阻力的不同，将流体沿着流动阻力方向较小的方向引导。

双极板结构10的基底11例如为金属基板。金属基板在重量、性能、可加工性、成本方面都具有明显的优势，是燃料电池的双极板基底的优选材料。另外，基底11例如可采用厚度0.1mm左右的平面金属板，这个厚度极大的减轻了双极板的重量。在选择基底11的材料时，优先选用能够在强腐蚀环境保持性质稳定、导电性强的金属。优选的，可采用钛板，钛的性质稳定、比强度高、韧性好、抗疲劳。另外为了增加导电性，可以在表面镀钌、金等导电性好的材料。基底11上的进气孔、进液孔、定位孔等可以采用激光切割或者线切割的方法进行加工。

如图1和图2所示，基底11的多个流动区域117用于燃料电池的气体和/或液体在其上进行流动。结合图1，流动区域117上形成了多个用于流体的流动区域，例如包括但不限于入口区111、过渡区112和反应区113。其中，入口区111例如用于接收流体进入流动区域117，过渡区112用于使得流体能够均匀、分散地进入反应区113，即流动区域的活化区域。流体在反应区113参与电池反应，之后被排出。

另外，根据本公开的一个优选实施例，基底11还具有燃料存储区114、空气存储区115、以及冷却液存储区116，此处不再赘述。

如上所述，凸起12在相互垂直的第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，因而流体在通过凸起12的区域时，凸起12能够沿着流动阻力小的方向引导流体，如图1中的箭头所示。

图3示出了根据本公开一个优选实施例的流动区域117的示意图。如图3所示，在流动区域117上分布有多个菱形的凸起12，其中所述第一方向为所述凸起12的长度方向L，所述第二方向为所述凸起的宽度方向W。凸起12的长度方向L的尺寸大于宽度方向的尺寸W，因此在所述流动区域117中，流体沿着所述长度方向L的流动(箭头FL)的阻力小于沿着所述宽度方向的流动(箭头FW)的阻力，因而具有沿着长度方向导流的作用。除了菱形，凸起12还可以具有其他形状，例如矩形、椭圆形等等，另外，在流动区域117上可以设置各种形状的凸起12的组合，例如部分凸起12为菱形，部分凸起12为椭圆形，这些都在本公开的保护范围内。本领域技术人员能够理解，对于菱形的凸起，为了在不同方向上产生不同的流动阻力，菱形的对角线不能相等。另外对于矩形的凸起，该矩形不能是正方形。

利用该凸起12在长宽方向的流阻不同，在入口区111使用和反应区113相同的布置方向，即所述入口区111和反应区113中的凸起12的长度方向相同或者平行，流体流动方向与凸起12的长度方向平行；在过渡区112，利用其宽度方向的大流阻的特点，使得其中的凸起12与反应区113的凸起12的布置方向垂直，从而气体或液体进入后能够利用过渡区宽度方向阻力大、长度方向阻力小的特点，增加气体或液体进入反应区113的时间，降低气体或液体在双极板宽度方向分布的时间，将气体或液体均匀的进入反应区113。相反，反应区113在长度方向上流阻小，压降小，因而沿着图1中箭头的方向导流。

根据本公开的一个优选实施例，所述凸起12的长度方向的尺寸为1mm-4mm,宽度方向的尺寸为0.5mm-2mm，长宽比优选1.5-6左右。

根据本公开的一个优选实施例，如图1所示，所述入口区111和反应区113中的凸起12的长度方向相互平行；所述过渡区112中的凸起的长度方向垂直于所述入口区111和反应区113中的凸起的长度方向。

根据本公开的一个优选实施例，如图1所示，其中在所述过渡区112中，沿着远离所述入口区111的方向，所述凸起12的数目逐渐减少。例如在图1中的过渡区112中，随着逐渐远离入口区111，形成了不具有凸起12的区域1121。通过这样的设置方式，能够提高反应流体分布的均匀性和反应的均匀性。

图4示出了根据本公开的一个优选实施例。如图4所示，所述多个凸起12包括第一组凸起121和第二组凸起122，其中第一组凸起121的高度大于第二组凸起122的高度。通过设置高低不同的两组凸起121和122，低的凸起使得在气体或液体流经时，撞击形成湍流，原本朝出口方向流动的气体或液体，在凸起处实现向燃料电池膜电极组件方向流动的气流，这样不仅仅使气体到达燃料电池膜电极组件反应区的量增加，也增加了气体或液体分子的流速和活性，加快反应进度。另外，因为具有高的第一组凸起121，低的第二组凸起122与燃料电池膜电极组件之间留有空隙，能够允许气体或液体流过，增大了燃料电池膜电极组件的反应面积。而高的第一组凸起121不仅拥有和低的第二组凸起122一样增加湍流的作用，且可以支撑燃料电池膜电极组件，传导燃料电池膜电极组件的电子，防止燃料电池膜电极组件在平面方向上出现塌陷，影响气体流通和反应的均匀性。这两组凸起可以采用长宽不等的规则菱形，矩形或椭圆等形状。该种形状具有各向异性，凸起长度方向配合凹陷部分阻力小，具有导流作用，而宽度方向阻力大，具有阻流作用。因为每个凸起之间留有空隙并不是相连接的，因此流体可以在空隙的宽度方向上也是可以流通的，增大了反应面积。凸起的长度范围优选1mm-4mm,宽度范围优选0.5-2mm，长宽比优选1.5-6左右。每两个凸起之间在长度方向间隔0.5mm-4mm，宽度方向间隔0.5-4mm，长宽方向间隔比0.5-3。低的第二组凸起122的高度优选0.5mm-1mm，高的第一组凸起121优选1mm-2mm，第一组和第二组凸起的高度比值范围控制在1.2-4之间。在流场长宽方向上，为增大反应面积，每1-10个第二组凸起之间可布置一个第一组凸起。当然，也可以采用其它不规则的方式来布置第一组凸起和第二组凸起。

上述实施例中，基底11上的入口区111、过渡区112和反应区113上均设置有凸起12，或者说入口区111、过渡区112和反应区113均由凸起12形成。本领域技术人员能够理解，本公开不限于此，也可以将入口区111、过渡区112和反应区113中的一个或多个配置为由凸起12形成。例如可以将过渡区112配置为由凸起12形成，而将入口区111、反应区113通过其他的方式或者现有的方式来构造。这样，通过凸起12的长度和宽度方向流动阻力的不一致，增加气体或液体进入反应区113的时间，降低气体或液体在双极板宽度方向分布的时间，将气体或液体均匀的进入反应区113。这些都在本公开的保护范围内。

根据本公开的一个实施例，在形成所述凸起12时，可以采用冲压成型工艺，因此凸起12的反面为对应的凹陷部。基底的具有凹陷部的一侧可作为冷却液流场，相反的具有凸起12的一侧则用作空气流场和燃料流场。图5示出了燃料电池电堆的侧视图。如图5所示，在双极板的具有凸起的一侧上，用作空气流场和燃料流场，而在相反一侧上具有凹陷部，则用作冷却液流场。

本公开的实施例解决了目前市场上的质子交换膜燃料电池电堆双极板流场流道中难以克服的反应不充分、电流密度低、生成水难以排除等缺点，提高了双极板流场流道反应区面积利用率，降低了支撑面面积，提高了反应效率。

本公开实施例设计的流场并没有封闭的流道，而是采用在双极板上规律或者不规律设置的凸起。另外优选地设置高低不同的两组凸起，低的凸起使得在气体或液体流经时，撞击形成湍流，使气体到达燃料电池膜电极组件反应区的量增加，也增加了气体或液体分子的流速和活性，加快反应进度。高的凸起使得低凸起与燃料电池膜电极组件之间留有空隙，能够允许气体或液体流过，增大了燃料电池膜电极组件的反应面积。而高凸起不仅拥有和低凸起一样增加湍流的作用，且可以支撑燃料电池膜电极组件，传导燃料电池膜电极组件的电子，防止燃料电池膜电极组件在平面方向上出现塌陷，影响气体流通和反应的均匀性。

利用该凸起结构在长宽方向的流阻不同，在入口区11使用和反应区13相同的布置方向，在过渡区12利用其长度方向的大流阻的特点，采用与反应区凸起布置方向垂直的布置方式，使得气体或液体进入后能够利用过渡区宽度方向阻力大，长度方向阻力小，增加气体或液体进入反应区的时间，降低气体或液体在双极板宽度方向分布的时间，将气体或液体均匀的进入反应区。为了提升均匀性，在远离进气口方向的过渡区，凸起布置密度逐步降低，直至无凸起需求。相反反应区在长度方向上流阻小，压降小。

第二实施例

本公开的第二实施例涉及一种制备可用于燃料电池的双极板结构的方法200，下面参考图6描述。

如图6所示，方法200包括：

在步骤S201，提供或制备基底。基底例如上述第一实施例部分描述的基底11，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域。

在步骤S202，在所述基底上设置多个凸起以形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。

根据本公开的一个实施例，其中所述多个流动区域包括入口区、过渡区和反应区，所述步骤S202包括：利用所述多个凸起形成所述入口区、过渡区和反应区。

根据本公开的一个实施例，其中所述多个凸起包括第一组凸起和第二组凸起，其中第一组凸起的高度大于第二组凸起的高度，所述多个凸起具有菱形、矩形、椭圆中的一种或多种形状。第一组凸起与第二组凸起的高度比为1.2-4。

根据本公开的一个实施例，其中所述第一方向为所述凸起的长度方向，所述第二方向为所述凸起的宽度方向，所述流动区域中，沿着所述长度方向的流动阻力小于沿着所述宽度方向的流动阻力。

根据本公开的一个实施例，其中所述凸起的长度方向的尺寸为1mm-4mm,宽度方向的尺寸为0.5mm-2mm，长宽比优选1.5-6左右。

根据本公开的一个实施例，其中所述入口区和反应区中的凸起的长度方向相互平行；所述过渡区中的凸起的长度方向垂直于所述入口区和反应区中的凸起的长度方向。

根据本公开的一个实施例，其中在所述过渡区中，沿着远离所述入口区的方向，所述凸起的数目逐渐减少。

根据本公开的一个实施例，所述基底的与所述多个凸起相反的一侧上，具有与所述多个凸起对应的凹陷部，所述基底的具有所述多个凸起的一侧用作燃料流场和空气流场，所述基底的具有所述凹陷部的一侧用作冷却液流场。

第三实施例

本公开的第三实施例还涉及一种燃料电池，包括如上所述的双极板结构10。

本公开的第三实施例还涉及一种燃料电池车辆，包括如上所述的燃料电池系统。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可用于燃料电池的双极板结构，包括：

基底，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域；和

多个凸起，所述多个凸起设置在所述基底上并形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的双极板结构，其中所述多个流动区域包括入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起形成了所述入口区、过渡区和反应区。

3.根据权利要求1或2所述的双极板结构，其中所述多个凸起包括第一组凸起和第二组凸起，其中第一组凸起的高度大于第二组凸起的高度，所述多个凸起具有对角线不相等的菱形、矩形、椭圆中的一种或多种形状，

其中所述第一方向为所述第一组凸起和第二组凸起的长度方向，所述第二方向为所述第一组凸起和第二组凸起的宽度方向，所述流动区域中，沿着所述长度方向的流动阻力小于沿着所述宽度方向的流动阻力。

4.根据权利要求3所述的双极板结构，其中所述第一组凸起和第二组凸起的长度方向的尺寸为1mm-4mm,宽度方向的尺寸为0.5mm-2mm，长宽比为1.5-6。

5.根据权利要求2所述的双极板结构，其中所述入口区和反应区中的凸起的长度方向相互平行；所述过渡区中的凸起的长度方向垂直于所述入口区和反应区中的凸起的长度方向，

其中在所述过渡区中，沿着远离所述入口区的方向，所述凸起的数目逐渐减少。

6.根据权利要求1或2所述的双极板结构，所述基底的与所述多个凸起相反的一侧上，具有与所述多个凸起对应的凹陷部，所述基底的具有所述多个凸起的一侧用作燃料流场和空气流场，所述基底的具有所述凹陷部的一侧用作冷却液流场。

7.一种燃料电池，包括如权利要求1-6中任一项所述的双极板结构。

8.一种燃料电池车辆，包括如权利要求7所述的燃料电池系统。

9.一种制备可用于燃料电池的双极板结构的方法，包括：

提供或制备基底，所述基底上具有用于流体的开放型流场，所述开放型流场包括用于流体的多个流动区域；

在所述基底上设置多个凸起以形成所述多个流动区域中的至少一个，所述多个凸起在第一方向和第二方向上具有不同的流动阻力，其中第一方向与第二方向垂直。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述多个流动区域包括入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起形成了所述入口区、过渡区和反应区，所述多个凸起包括第一组凸起和第二组凸起，其中第一组凸起的高度大于第二组凸起的高度，其中通过冲压工艺在所述基底上设置多个凸起。

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