CN112864411A - 高性能燃料电池双极板及燃料电池和燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高性能燃料电池双极板及燃料电池和燃料电池堆。阳极板的第一表面包括：阳极气体入口、阳极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体缓冲区、阳极入口分配区/反应区、阳极气体反应区、阳极出口分配区/反应区、阳极出口气体缓冲区、阳极出口气体零压力梯度区和阳极气体出口；阴极板的第一表面包括：阴极气体入口、阴极入口气体零压力梯度区、阴极入口气体缓冲区、阴极入口分配区/反应区、阴极气体反应区、阴极出口分配区/反应区、阴极出口气体缓冲区、阴极出口气体零压力梯度区和阴极气体出口。本发明的高性能燃料电池双极板能够提高流体流量分布的一致性，提高双极板的性能均一性、稳定性，延长燃料电池和燃料电池堆的使用寿命。

Description

高性能燃料电池双极板及燃料电池和燃料电池堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种高性能燃料电池双极板及燃料电池和燃料电池堆。

背景技术

燃料电池双极板是燃料电池电堆的重要组件，是影响燃料电池性能和寿命的关键因素之一。在双极板的设计中，无论是金属板还是石墨板，为了保证燃料电池的性能和寿命，需要保持膜电极电流密度分布一致，保持膜电极各点的气体分布均匀、温度分布均匀。若气体分布不一致时，可能会导致膜电极各点实际性能有较大差异，严重时可能会导致膜电极出现局部过热，甚至烧穿质子交换膜。因此，双极板的结构决定了燃料电池内部气体及冷却剂的流动方式和分布，从而直接影响燃料电池内部的电化学反应和水热管理。然而，现有的双极板的结构设计还存在流体流量分布的一致性、稳定性还有待改进的问题。

因此，如何提供改进的、性能均一性、稳定性较好的燃料电池双极板及使用其的燃料电池，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种高性能燃料电池双极板及包含其的燃料电池和燃料电池堆，能够提高流体流量分布的一致性，提高双极板的性能均一性、稳定性及延长使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，提供一种高性能燃料电池双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板和所述阴极板叠置，所述阳极板的第一表面与所述阴极板的第一表面极性相反，每个表面均具有流体通过其中的反应流动通道；

沿着流体流动方向，所述阳极板的第一表面包括：阳极气体入口、阳极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体缓冲区、阳极入口分配区/反应区、阳极气体反应区、阳极出口分配区/反应区、阳极出口气体缓冲区、阳极出口气体零压力梯度区和阳极气体出口；所述阴极板的第一表面包括：阴极气体入口、阴极入口气体零压力梯度区、阴极入口气体缓冲区、阴极入口分配区/反应区、阴极气体反应区、阴极出口分配区/反应区、阴极出口气体缓冲区、阴极出口气体零压力梯度区和阴极气体出口。

在一些可选的实现方式中，所述阴极入口气体零压力梯度区的长度与所述阴极气体入口的长度相适应，和/或，所述阴极出口气体零压力梯度区的长度与所述阴极气体出口的长度相适应。

在一些可选的实现方式中，阴极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述阴极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm；和/或，所述阴极出口气体零压力梯度区、阳极出口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述阴极出口气体零压力梯度区、阳极出口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm。

在一些可选的实现方式中，所述阴极入口气体零压力梯度区或所述阳极入口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形；也即，入口气体零压力梯度区的流体域可以为平行四边形流体域。

和/或，所述阴极出口气体零压力梯度区或所述阳极出口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形。也即，出口气体零压力梯度区的流体域可以为平行四边形流体域。

本发明的相适应指相等或者接近相等。

本发明的平行四边形包括内角为90°的平行四边形(长方形)，以及内角不为90°的平行四边形。平行四边形的长边与入口等腰三角形的腰长等长且平行。

在一些可选的实现方式中，所述阴极入口气体缓冲区或所述阳极入口气体缓冲区的宽度范围为4mm至9.5mm；

和/或，所述阴极出口气体缓冲区或所述阳极出口气体缓冲区的宽度范围为4mm至9.5mm。

在一些可选的实现方式中，沿着入口气体缓冲区中的宽度范围，可以配置膜电极保护区、冷却水腔的连通区、密封支撑所需要的宽度。

可选的，沿着入口气体缓冲区中的宽度范围，可以配置膜电极保护区的宽度2mm至4.5mm，可以配置冷却水腔0.5mm至3.5mm的连通区，还可以配置密封支撑所需要的1.5mm至2.5mm的宽度。

在一些可选的实现方式中，所述阴极入口气体缓冲区或所述阳极入口气体缓冲区的至少部分位置对应设置有由聚合物材料制成的膜电极边框。

可选的，该聚合物材料可以为聚酯，边框为聚酯边框。

在一些可选的实现方式中，所述阴极板和所述阳极板的反应流动通道排布一致，进而使所述阴极板和所述阳极板的流体域重合。

在一些可选的实现方式中，所述阳极板和所述阴极板之间形成有冷却剂流场；

所述冷却剂流场包括：冷却剂入口、冷却剂入口分配区、冷却剂工作区、冷却剂出口分配区和冷却剂出口。

在一些可选的实现方式中，所述阳极入口分配区/反应区、所述阳极出口分配区/反应区、所述阴极入口分配区/反应区和所述阴极出口分配区/反应区分别包括三角形区域。

在一些可选的实现方式中，所述阴极入口气体缓冲区或所述阳极入口气体缓冲区与所述等腰三角形区域之间形成过渡转角；

和/或，所述等腰三角形区域与所述阴极出口气体缓冲区或所述阳极出口气体缓冲区之间形成过渡转角。

在一些可选的实现方式中，缓冲区的流道排布规则与入口分配区/反应区、和/或反应区、和/或出口分配区/反应区的流道排布规则相同。

在一些可选的实现方式中，三角形区域可以为等腰三角形区域。

在一些可选的实现方式中，所述等腰三角形区域的顶角的范围为100°至150°。

在一些可选的实现方式中，所述等腰三角形区域的顶角为120°。

在一些可选的实现方式中，所述等腰三角形区域的顶角为141.2°。

在一些可选的实现方式中，其中所述过渡转角的角度与所述等腰三角形区域的顶角的角度相同。

可以理解，阳极板具有第一表面和第二表面，阴极板具有第一表面和第二表面，阳极板的第一表面具有燃料气体流道，阴极板的第一表面具有氧化气体流道；阳极板和阴极板叠置，且阴极板的第二表面和阳极板的第二表面彼此相对，阴极板的第二表面与阳极板的第二表面之间形成冷却剂流场(包含多个冷却液流道)。

可选的，冷却剂流场还包括冷却剂入口缓冲区和冷却剂出口缓冲区。

可选的，上述阳极气体入口和阳极气体出口称为阳极气体口，阴极气体入口和阴极气体出口称为阴极气体口，冷却剂入口和冷却剂出口称为冷却剂口。其中所述阳极气体口和所述冷却剂口沿着所述等腰三角形区域的一个腰边布置，所述阴极气体口沿着所述等腰三角形区域的另一个腰边布置。

可选的，所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的40％-60％；和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的40％-60％。

可选的，所述阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的90％-100％。

可选的，所述反应区具有反应区流场，所述等腰三角形区域具有等腰三角形区域流场；其中所述等腰三角形区域流场内设置有第一流道，所述第一流道的宽度为H1，所述反应区流场内设置有第二流道，所述第二流道的宽度为H2，所述H1与H2满足以下关系：

H2/H1＝n，其中，n为≥2的整数；

所述等腰三角形区域的底角α与所述第一流道与所述第二流道之间的夹角相差90°，所述α满足：α＝arcsin(1/n)。

在一种可能的实现方式中，H1为0.4-2.5mm，H2为0.8-10mm。

可选的，所述阴极板和所述阳极板的材质为金属或石墨。

在一些可选的实现方式中，阴极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体零压力梯度区、阴极出口气体零压力梯度区、阳极出口气体零压力梯度区的长度均为与等腰三角形的腰长相等。

在一些可选的实现方式中，阴极入口气体缓冲区、阳极入口气体缓冲区、阴极出口气体缓冲区、阳极出口气体缓冲区的长度均为与等腰三角形的腰长相等。

根据本发明的另一个方面，提供一种燃料电池，包括膜电极和双极板，所述膜电极夹持在两个所述双极板之间，所述双极板为如上所述的燃料电池双极板；所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。该燃料电池中，膜电极的各功能区域的设置与双极板具备良好的功能匹配性。

根据本发明的另一个方面，提供一种燃料电池堆，包括多个膜电极和多个双极板，相邻两个所述双极板之间分别夹持有多个所述膜电极中的一个所述膜电极，所述双极板为如上所述的燃料电池双极板；所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。该燃料电池堆中，膜电极的各功能区域的设置与双极板具备良好的功能匹配性。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

本发明提供的燃料电池双极板及使用其的燃料电池和燃料电池堆，通过对双极板的流体流动通道的改进，使其设有依次连通的气体入口、入口气体零压力梯度区、入口气体缓冲区、入口分配区/反应区、反应区、出口分配区/反应区、出口气体缓冲区、出口气体零压力梯度区和气体出口，提高了流体质量流量分布的一致性，进而提高了双极板的性能均一性、稳定性并延长了使用寿命，还能够减缓对膜电极的损伤，延长膜电极的使用寿命。该双极板在高电流密度上具有非常优异的性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明示例性的一种实施方式提供的一种阳极板结构示意图；

图2为本发明示例性的一种实施方式提供的一种阴极板结构示意图；

图3为本发明示例性的一种实施方式提供的一种燃料电池结构示意图；

图4为本发明示例性的一种实施方式提供的一种燃料电池中膜电极结构示意图；

图5为图4中的A-A向剖面示意图；

图6为本发明示例性的一种实施方式提供的燃料电池部分截面示意图；

图7为本发明示例性的一种实施方式提供的燃料电池部分截面示意图；

图8为本发明实施例提供的单燃料电池的测试极化曲线图；

图9为本发明实施例提供电堆稳定性及极化性能测试工况。

附图标记：

1-阳极板；

101-阳极进气口；102-阳极入口气体零压力梯度区；103-阳极入口气体缓冲区；104-阳极入口等腰三角形区域；105-阳极反应区；106-阳极出口等腰三角形区域；107-阳极出口气体缓冲区；108-阳极出口气体零压力梯度区；109-阳极出气口；110-冷却剂入口阴极冷却剂分配区；111-冷却剂出口阴极冷却剂分配区；

2-阴极板；

201-阴极进气口；202-阴极入口气体零压力梯度区；203-阴极入口气体缓冲区；204-阴极入口等腰三角形区域；205-阴极反应区；206-阴极出口等腰三角形区域；207-阴极出口气体缓冲区；208-阴极出口气体零压力梯度区；209-阴极出气口；210-冷却剂入口阳极冷却剂分配区；211-冷却剂出口阳极冷却剂分配区；212-冷却剂入口；213-冷却剂出口；

3-双极板；31-零压力梯度区；32-缓冲区；33-膜电极保护区；34-反应区；

4-膜电极；401-活性区；402-GDL封边区；403-密封边框封边区；404-密封边框区；411-气体扩散层；412-催化层；413-质子交换膜；

51-封边胶条；52-密封胶线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要理解的是，本发明实施例所描述的“前、后、上、下、左、右、内、外”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本文中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，本文中使用的术语“和/或”或者“/”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。除非另有定义或说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。

本领域技术人员理解，如背景技术所言，传统的双极板或多或少的存在一定的缺陷，还有待改进。根据双极板的组件构成、功能构成，双极板的设计主要是根据三腔的功能进行设计，然而现有的双极板产品基本没有解决公用管路与阴阳极板分配区之间空间的几何布局合理性问题。已有的双极板产品无论是金属板还是石墨板，通常的布局为冷却水腔分配区入口与双极板的宽度方向平行，阴阳极的分配区入口与水腔分配区入口形成一个梯形。或者，现有技术中有将分配区布置为三角形的双极板，其分配部段优选具有在双极板的阳极侧或阴极侧的俯视图方面基本上三角形的几何结构，但是整个阴阳极和冷却剂流体域并没有完全重合，无法解决传质极化及热管理的缺陷，无法使分配区获得与反应区一致的物理特性如接触电阻有明显区别，分配区实际上无法作为反应活性区域。再者，一些设计采用气体直流道，其直接在公用管路处分配，随后采用流道在有效面积区域蜿蜒的方式，这种设计虽然解决了气体分配问题，但是容易造成流道过长，燃料电池电堆瞬态响应速度慢特别是变载时温度响应速度慢的问题；同时也会带来水管理困难导致的电池性能较低问题；另外这种设计必然会造成冷却水路的分配空间有限，唯一的解决方案为在气体沟槽的位置减少沟槽深度作为冷却液的流通点，很难实现好的热管理设计，往往会存在冷却液流通死区存在很大的局部区域热点的问题，严重的影响质子交换膜燃料电池的使用寿命，另外这种在气体沟槽的位置减少沟槽深度作为冷却液的流通点会给金属双极板成型工艺带来极大的设计困难，大幅降低模具的使用寿命并在相对较短的使用周期后成型精度严重下降。

进一步，一些设计利用公用管路和流道分配区的几何规则设计了一些直接强制分配的思路，这些思路都存在的问题在于分配区的几何尺寸与三腔公用管路之间存在必然的几何约束，这种几何约束导致了三腔公用管路的比例与分配区的比例存在严重的不良匹配，很难在单电池性能和电堆性能之间达到一个良好的设计平衡，直接导致的后果就是单电池范围内传质极化现象严重无法实现高电流密度运行，组装成燃料电池电堆时电堆的整体单电池节间流体分配不良，电堆性能极差、单低现象出现的机率极大；另外，这些设计都没有考虑在阴阳极分配区的入口设置“缓冲区”，这将导致流体分配不均，流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，出口处液态水较多导致该位置传质极差容易形成燃料或氧饥饿造成局部反极对燃料电池的寿命带来极大的不可逆损伤。

鉴于此，为了克服现有技术的不完善，满足如今市场的越来要高的要求，本发明实施例对于双极板的结构进行改进，提出了一种设置零压力梯度区和缓冲区，并且无单独分配区的整板性能一致的质子交换膜燃料电池双极板。

在一种具体实施例中，下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步地详细描述。

请参阅图1至图7所示，本发明实施例提供一种燃料电池双极板，包括至少两个表面，其中两个表面的极性相反，每个表面均具有流体通过其中的反应流动通道；

沿着流体流动方向，各表面各自独立地包括：气体入口、入口气体零压力梯度区、入口气体缓冲区、入口分配区/反应区、反应区、出口分配区/反应区、出口气体缓冲区、出口气体零压力梯度区和气体出口。

该燃料电池双极板通过对双极板的流体流动通道的改进，使其设有依次连通的气体入口、入口气体零压力梯度区、入口气体缓冲区、入口分配区/反应区、反应区、出口分配区/反应区、出口气体缓冲区、出口气体零压力梯度区和气体出口，提高了流体质量流量分布的一致性，进而提高了双极板的性能均一性、稳定性并延长了使用寿命，还能够减缓对膜电极的损伤，延长膜电极的使用寿命。该双极板是一种可以保证在2000mA/cm²及以上高电流密度工况下传质极化较小且极化性能稳定的具有高性能、高均一性、高耐久性、高可靠性、高反应区占比的燃料电池双极板。

需要指出的是，本发明实施例中，“分配区/反应区”是指分配区+反应区，即该区域同时具有分配区功能和反应区功能。

在一些实施例中，所述双极板包括对应设置的阴极板和阳极板；阳极板具有第一表面和第二表面，阴极板具有第一表面和第二表面，阳极板的第一表面具有燃料气体流道，阴极板的第一表面具有氧化气体流道；阳极板和阴极板叠置，且阴极板的第二表面和阳极板的第二表面彼此相对，阴极板的第二表面与阳极板的第二表面之间形成冷却剂流场(包含多个冷却液流道)。

可选的，沿着流体流动方向，所述阳极板的第一表面包括：阳极气体入口(阳极进气口)、阳极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体缓冲区、阳极入口分配区/反应区(阳极入口等腰三角形区域)、阳极反应区、阳极出口分配区/反应区(阳极出口等腰三角形区域)、阳极出口气体缓冲区、阳极出口气体零压力梯度区和阳极气体出口(阳极出气口)。

可选的，沿着流体流动方向，所述阴极板的第一表面包括：阴极气体入口(阴极进气口)、阴极入口气体零压力梯度区、阴极入口气体缓冲区、阴极入口分配区/反应区(阴极入口等腰三角形区域)、阴极反应区、阴极出口分配区/反应区(阴极出口等腰三角形区域)、阴极出口气体缓冲区、阴极出口气体零压力梯度区和阴极气体出口(阴极出气口)。

其中的反应区也即双极板的工作区或称活性区。

本发明实施例中，燃料电池为质子交换膜燃料电池。双极板可以为金属双极板，或者也可以为石墨双极板。

在一些实施例中，所述阴极板和所述阳极板的材质为金属。进一步可以为不锈钢、钛合金或其他导电性材料，这样利于实现单个电池的相互和对外的电气连接。在一些实施例中，阴极板和阳极板采用不锈钢或钛合金制成。

需要说明的是，阴极板和阳极板之间包括但不限于通过焊接或粘接等的方式贴合在一起。

在一些实施例中，所述入口分配区/反应区为等腰三角形区域，和/或，所述出口分配区/反应区为等腰三角形区域；

所述等腰三角形区域的顶角的范围为100°至150°。

在一些实施例中，反应区，即阴极反应区或阳极反应区具有反应区流场，所述等腰三角形区域具有等腰三角形区域流场；其中所述等腰三角形区域流场内设置有第一流道，所述第一流道的宽度为H1，所述反应区流场内设置有第二流道，所述第二流道的宽度为H2，所述H1与H2满足以下关系：

H2/H1＝n，其中，n为≥2的整数；

所述等腰三角形区域的底角α与所述第一流道与所述第二流道之间的夹角相差90°，所述α满足：α＝arcsin(1/n)。

该等腰三角形区域具有分配区+反应区的功能，由于等腰三角形区域与反应区的几何与物理特征子结构相同，因此可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作。该等腰三角形区域流场内的第一流道与反应区流场内的第二流道成一定的角度，即该等腰三角形区域的底角α+90°，这样可以实现流场一分多等分设计，扩大反应区域的宽度。进一步，通过对上述角度α或等腰三角形区域的顶角的控制，可以使反应区流场内的第二流道宽度H2为等腰三角形区域流场内的第一流道宽度H1的n倍。如此，可以在反应区域流场内的流道增设n-1个脊，获得n个支流道，在获得流场均匀一分n的等分设计的同时，反应区内的支流道和等腰三角形区域内的流道的沟脊等尺寸规格参数保持一致，使等腰三角形区域可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作。

在一些实施例中，所述等腰三角形区域的顶角为120°。当n＝2，即α＝30°时，此时等腰三角形区域的等腰三角形的顶角为120°，得到的等腰三角形的腰为满足上述角度条件下的最长腰长，

这样可以为布置在等腰三角形一腰边的阴极提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，提高燃料电池功率。等腰三角形区域的等腰三角形使得阴、阳极以及冷却水腔完全重合的极限的有效反应面积。

在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角为约141.2°时，n为3。由此可以获得流场均匀一分3的等分设计。

由以上可知，以反应区域流场内的第二流道与等腰三角形区域流场内的第一流道成一定角度来获得一分多的效果，优选的该角度设计为30°，获得流道一分二等分的方式，实现了阴阳极反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，从而获得整板范围内一致的双极板特征物理功能，在不影响寿命和可靠性的前提下分配区也具备反应区功能，极大的提高了整板有效面积占比。在此基础上，将阴阳极分配区设为底角为30°的等腰三角形，从而获得了阴阳极和冷却腔流体域完全重合的极限有效面积，将等腰三角形的一边作为阴极分配区入口极大的提高了阴极氧传质性能，高电流密度工况下传质极化较小且极化性能稳定，将等腰三角形的另一边等分作为阳极分配区入口和冷却水腔入口，能够获得极好的三腔公用管路比例获得符合高功率电堆设计的热管理一致性及阳极水管理性能。

在一些实施例中，反应区的形状包括长方形或正方形。

在一些实施例中，入口分配区/反应区、反应区、出口分配区/反应区中的流道各自独立地包括直线型流道和/或具有弧形的流道。其中，具有弧形的流道例如可以为S流道或波浪形流道或蛇形流道结构。

本发明实施例中，等腰三角形区域与反应区，也即分配区与反应区可以有不同的流道截面扫掠路径，只要流道间保持平行即可，即等腰三角形区域与反应区都可以是直流道也都可以是“S流道”，也可以是直流道与“S流道”的组合。本发明实施例的双极板在不同的双极板流体域长度或宽度下，可以达到分配效果不变的效果；也即本发明实施例的双极板对于双极板的长度或宽度没有特殊限制，其在一定的长度或宽度下能使得分配性能不受影响，能够缓解传统的双极板由于几何规则的改变使分配性能受到影响的限制。

在一些实施例中，所述阴极板和所述阳极板的反应流动通道排布一致，进而使阴极板和所述阳极板的流体域完全重合。

在一些实施例中，所述阳极板和所述阴极板之间形成有冷却剂流场；

所述冷却剂流场包括：冷却剂入口、冷却剂入口分配区、冷却剂工作区、冷却剂出口分配区和冷却剂出口。

可选的，冷却剂流场还包括冷却剂入口缓冲区和冷却剂出口缓冲区。

可选的，上述阳极气体入口和阳极气体出口称为阳极气体口，阴极气体入口和阴极气体出口称为阴极气体口，冷却剂入口和冷却剂出口称为冷却剂口。其中所述阳极气体口和所述冷却剂口沿着所述等腰三角形区域的一个腰边布置，所述阴极气体口沿着所述等腰三角形区域的另一个腰边布置。

根据本发明实施例，该双极板中布置有特定的等腰三角形区域，该等腰三角形区域既具有分配区的功能又具有反应区的功能，从而在流体分布均质的同时，获得了阴、阳极以及冷却水流体域完全重合的极限的有效反应面积。其中，将阴极气体口布置在等腰三角形区域的一个腰上，可以提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，使传质均匀性、一致性更好，解决高电流密度下传质极化问题，提高了燃料电池功率，将阳极气体口和冷却剂口布置在等腰三角形区域的另一个腰上，可以充分利用腰的长度，同时使阴、阳极以及冷却水腔流体域完全重合。

本发明实施例的双极板是一种无(单独)分配区(所述的无分配区指的是双极板整板区域不存在只充当流体分配功能而不进行化学反应的区域)的整板性能一致的质子交换膜燃料电池双极板。该双极板可以在保证2000mA/cm²及以上电流密度工况下阴极分配区入口空气供给充足且均匀的基础上，通过双极板阴阳极分配区与反应区流道过度区域特定角度变化，在氢氧腔各自的流体域获得反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，从而获得整板范围内一致的双极板特征物理功能。从流体力学的角度而言，阴阳极流体域内可以获得相同或相匹配的气体流动条件及水管理条件；从单电池装配结构方面，在阴阳极分区配获得菱形交叉结构的特征子结构，在有效面积区域获得一一映射的阴阳极流道子结构，整板范围内结构可靠，单电池范围内不存在应力奇异点；从单电池热管理方面，由于流体热力学与结构热力学的几何特征子结构均相同，故整板的热管理物理条件一致，不存在热奇异点；从电性能方面，由于导电路径上电导率的一致性，单电池整板范围内的欧姆效应一致，故不存在导电性或热电耦合效应上的奇异点。

在一些实施方式中，阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的40％-60％；和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的40％-60％。在一些实施方式中，阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的50％；和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的50％。

在一些实施方式中，阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的90％-100％。在一些实施方式中，阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的100％。

该双极板中，通过使阳极气体口的长度占等腰三角形的一个腰边的长度的约50％，使冷却剂口的长度占等腰三角形的该腰边的长度的约50％，也即，阳极气体口和冷却剂口的总长度等于等腰三角形的一个腰边，二者可以平均布置在该腰边上；使阴极气体口布置在等腰三角形的一个腰边上，并且优选使阴极气体口的长度与第二腰边的长度相同。由此，可以充分利用腰的长度，提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，使阴、阳极以及冷却水腔流体域完全重合，能缓解高电流密度下的传质极化问题，提高燃料电池的功率。

在一些实施方式中，所述入口分配区/反应区、反应区和出口分配区/反应区的总面积占阳极板的第一表面的功能区域面积的比例不低于85％，甚至不低于90％；或者，所述入口分配区/反应区、反应区和出口分配区/反应区的总面积占阴极板的第一表面的面积的比例不低于85％，甚至不低于90％。可以理解，双极板的阳极板的第一表面或阴极板的第一表面均具有功能区域和供应管路区域，本发明实施例对于供应管路区域的设置不作限定，在此不再详细描述；而功能区域包括如上所述的几个区域，即功能区域包括气体入口、入口气体零压力梯度区、入口气体缓冲区、入口分配区/反应区、反应区、出口分配区/反应区、出口气体缓冲区、出口气体零压力梯度区和气体出口。

双极板通过等腰三角形区域的设置，使其既具备反应区功能又具备分配区功能，相当于增大了反应区面积，即，在不影响寿命和可靠性的前提下，分配区也具备反应区功能，极大提高了整板的有效面积占比；在此基础上，通过对上述等腰三角形的顶角或底角的角度的调节，能够进一步增加有效面积，获得阴、阳极和冷却腔流体域完全重合的极限有效面积。从而，本发明提高了换热面积并保证了良好的换热效果，提高了燃料电池效率及性能稳定性。

进一步的，基于本发明实施例，参考图1，图1为本发明实施例提供的一种阳极板的结构示意图。

所述阳极板1上设置有阳极进气口101、阳极入口气体零压力梯度区102、阳极入口气体缓冲区103、阳极入口等腰三角形区域104、阳极反应区105、阳极出口等腰三角形区域106、阳极出口气体缓冲区107、阳极出口气体零压力梯度区108、阳极出气口109，并构成了双极板阳极板1的功能区域。

在一些实施方式中，阳极流场为形成在阳极板1上供阳极气体流动的空腔。沿着阳极气体流动方向，阳极流场包括：阳极进气口101、阳极入口气体零压力梯度区102、阳极入口气体缓冲区103、阳极入口等腰三角形区域104、阳极反应区105、阳极出口等腰三角形区域106、阳极出口气体缓冲区107、阳极出口气体零压力梯度区108、阳极出气口109。其中的气体零压力梯度区和气体缓冲区的设置，能够提高流道流体质量流量分布的一致性，保证流体分布的均一性，避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，延长使用寿命。

上述阳极板1中，设有阳极进气口101，其与双极板阳极冷却剂入口公用等腰三角形的一腰边，其长度为该腰边长度的1/2左右。

上述阳极板1中，设有阳极入口气体零压力梯度区102，阳极气体氢气由阳极进气口101流入阳极入口气体零压力梯度区102，阳极入口气体零压力梯度区102的功能为通过流体的零压力梯度在阳极入口气体缓冲区103入口处获得每根流道流体质量流量分布的一致性，该区域的宽度决定了其功能。

上述阳极板1中，设有阳极入口气体缓冲区103，通过该缓冲区将流体的动能转化成较均匀的势能，这样零压力梯度区与缓冲区共同保证流体分布的均一性，缓冲区的另外一个功能在于消耗阳极流体动能避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳。

上述阳极板1中，设有阳极入口等腰三角形区域104，该区域为阳极气体入口分配区+反应区，即其为分配区同时也具备反应区的功能，由于阳极入口等腰三角形区域104与阳极反应区105的几何与物理特征子结构均相同，因此可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作，阳极入口等腰三角形区域104配置为等腰三角形，阳极入口等腰三角形区域104的流道与阳极反应区105流道成一定的角度(即上述等腰三角形的底角)，这样可以实现流场一分多等分设计扩大反应区域的宽度。

上述阳极板1中，设有阳极反应区105，也即双极板工作区。

上述阳极板1中，设有阳极出口等腰三角形区域106，该区域为阳极气体出口分配区+反应区，其中反应区的功能为双极板工作区，分配区的功能为提供一定的流阻保证阳极整板流道间氢气质量流量速率的均方差在0.02范围内，另外的功能为阳极通过脉冲排放排水时保证每根流道的压力，质量流量速率，流速分布均匀，实现较好的阳极水管理功能。

上述阳极板1中，设有阳极出口气体缓冲区107，该区域的功能在于通过与阳极出口等腰三角形区域106形成一定角度提供一个较大的压损，这样在在燃料电池发动机系统阳极排水时阳极歧管内脉冲排放时流体一般达到极限流速，该压损的存在有利于保证每节单电池在脉冲排放时所排放的氢气质量流量速率的一致性；另外阳极出气口109为液态水的聚集区域，阳极出口气体缓冲区107的宽度足以使反应区避开液态水聚集区防止发生“水淹”而导致局部反极损失膜电极的寿命。

上述阳极板1中，设有阳极出口气体零压力梯度区108，该区域的作用在于提供一个等势区域，该区域与阳极出口气体缓冲区107共同作用保证氢气排出时，阳极出口等腰三角形区域106的每一根流道排出氢气的质量流量速率，流速分布均匀。

上述阳极板1中，设有阳极出气口109，该区域提供一定的流体阻力，该区域流体阻力与公用管路的水力直径参数匹配用以保证稳态工况下阳极气体排出时每一节单电池的氢气质量流量速率分配是一致的。

进一步的，基于本发明实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种阴极板的结构示意图。

阴极板2上设置有阴极进气口201、阴极入口气体零压力梯度区202、阴极入口气体缓冲区203、阴极入口等腰三角形区域204、阴极反应区205、阴极出口等腰三角形区域206、阴极出口气体缓冲区207、阴极出口气体零压力梯度区208、阴极出气口209，并构成了双极板阴极板的功能区域。

在一些实施方式中，阴极流场为形成在阴极板2上供阴极气体流动的空腔。沿着阴极气体流动方向，阴极流场包括：阴极进气口201、阴极入口气体零压力梯度区202、阴极入口气体缓冲区203、阴极入口等腰三角形区域204、阴极反应区205、阴极出口等腰三角形区域206、阴极出口气体缓冲区207、阴极出口气体零压力梯度区208、阴极出气口209。其中的气体零压力梯度区和气体缓冲区的设置，能够提高流道流体质量流量分布的一致性，保证流体分布的均一性，避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，延长使用寿命。

上述阴极板2中，设有阴极进气口201，其所占长度为等腰三角形的另一腰边的长度，这样是基于以阴极氧分配为设计最优先考虑因素设计的，阴极提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，使传质均匀性、一致性更好，解决高电流密度下传质极化问题，提高燃料电池功率。

上述阴极板2中，设有阴极入口气体零压力梯度区202，阴极气体空气由阴极进气口201流入阴极入口气体零压力梯度区202，阴极入口气体零压力梯度区202的功能为通过流体的零压力梯度在阴极入口气体缓冲区203入口处获得每根流道流体质量流量分布的一致性，该区域的宽度决定了其功能。

上述阴极板2中，设有阴极入口气体缓冲区203，通过该缓冲区将流体的动能转化成较均匀的势能，这样零压力梯度区与缓冲区共同保证流体分布的均一性，缓冲区的另外一个功能在于消耗阴极流体动能避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳。

上述阴极板2中，设有阴极入口等腰三角形区域204，该区域为阴极气体入口分配区+反应区，即其为分配区同时也具备反应区的功能，由于阴极入口等腰三角形区域204与阴极反应区205的几何与物理特征子结构均相同，因此可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作，阴极入口等腰三角形区域204配置为等腰三角形，阴极入口等腰三角形区域204的流道与阴极反应区205流道成一定的角度，这样可以实现流场一分多等分设计扩大反应区域的宽度。

上述阴极板2中，设有阴极反应区205，也即双极板工作区。

上述阴极板2中，设有阴极出口等腰三角形区域206，该区域为阴极气体出口分配区+反应区，其中反应区的功能为双极板工作区，分配区的功能为提供一定的流阻保证阴极整板流道间空气质量流量速率的均方差在0.02范围内，另外的功能为阴极通过脉冲排放排水时保证每根流道的压力，质量流量速率，流速分布均匀，实现较好的阴极水管理功能。

上述阴极板2中，设有阴极出口气体缓冲区207，该区域的功能在于通过与阴极出口气体零压力梯度区208形成一定角度提供一个较大的压损，在燃料电池发动机系统阴极排水时阴极歧管内通过节气门排放时瞬态流体流速一般达到极限流速即空气的当地声速(低中高三种电堆操作压力下歧管内压力与大气压差值与标准大气压比均大于0.528，此时达到流体流速达到当地声速)，这样在歧管内部产生低压力区，该低压力区的分布不均会导致电堆内部每节电池的质量流量速率分布不均，这个压损的存在可以作为一个缓冲缓解单电池节间瞬态的质量流量速率分布不均，有利于保证每节单电池在空气尾气排放时所排放的空气质量流量速率的一致性；另外阴极出气口209为液态水的聚集区域，阴极出口气体缓冲区207的宽度足以使反应区避开液态水聚集区防止发生“水淹”而导致局部反极损失膜电极的寿命。

上述阴极板2中，设有阴极出口气体零压力梯度区208，该区域的作用在于提供一个等势区域，该区域与阴极出口气体缓冲区207共同作用保证空气排出时，阴极出口等腰三角形区域206的每一根流道排出空气的质量流量速率，流速分布均匀。

上述阴极板2中，设有阴极出气口209，该区域提供一定的流体阻力，该区域流体阻力与公用管路的水力直径参数匹配用以保证稳态工况下阴极气体排出时每一节单电池的空气质量流量速率分配是一致的。

请继续参考图1和图2所示，上述阳极板1和阴极板2还设有双极板冷却水腔的功能区域。具体地，在一些实施方式中，冷却剂口包括冷却剂入口212和冷却剂出口213(也可称冷却水腔入口和冷却水腔出口)。在阴极板2上设有冷却剂入口212和冷却剂出口213，在阴极板2上还设有冷却剂出口阳极冷却剂分配区211(即阳极出口冷却剂分配区)和冷却剂入口阳极冷却剂分配区210(即阳极入口冷却剂分配区)；在阳极板1上还设有冷却剂入口阴极冷却剂分配区110(即阴极入口冷却剂分配区)和冷却剂出口阴极冷却剂分配区111(即阴极出口冷却剂分配区)。

上述双极板中，设有冷却剂入口212，其与阳极进气口101公用等腰三角形的一腰边，其长度为该腰边长度的1/2左右。

上述双极板中，设有冷却剂入口阴极冷却剂分配区110和冷却剂入口阳极冷却剂分配区210，其中冷却剂入口阴极冷却剂分配区110的功能是为阴极冷却水腔缓冲区提供水分配(阴极入口气体缓冲区203的背面)，冷却剂入口阳极冷却剂分配区210的功能是为阳极冷却水腔提供水分配(阳极出口气体缓冲区107的背面)。冷却剂入口阴极冷却剂分配区110与冷却剂入口阳极冷却剂分配区210均具备几何物理特征参数相同的特点，能够提供均一的冷却液分配。

阳极出口气体缓冲区107的背面和阴极入口气体缓冲区203的背面分别为阴极冷却水腔入口缓冲区与阳极冷却水腔入口缓冲区，该区域由于与折弯而具有较大的压损，与冷却剂入口阴极冷却剂分配区及冷却剂入口阳极冷却剂分配区配合保证双极板整板反应区冷却液的质量流量速率分布的均一性。

上述双极板中，阳极出口等腰三角形区域106的背面和阴极入口等腰三角形区域204的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极反应区105的背面和阴极反应区205的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极入口等腰三角形区域104的背面和阴极出口等腰三角形区域206的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极入口气体缓冲区103的背面与阴极出口气体缓冲区207的背面分别为阳极冷却水腔出口缓冲区与阴极冷却水腔出口缓冲区，该区域由于与折弯而具有较大的压损，在势能上与冷却剂出口阴极冷却剂分配区及冷却剂出口阳极冷却剂分配区配合保证该区域内压力的均一性，在动能上能够缓冲冷却水腔压力突变带来的瞬态流速冲击，双极板整板反应区冷却液的质量流量速率分布的均一性和稳定性。

冷却剂出口阴极冷却剂分配区111及冷却剂出口阳极冷却剂分配区211中，冷却剂出口阴极冷却剂分配区111的功能是为阴极冷却水腔缓冲区内水的排出提供均一的通路(阴极出口气体缓冲区的背面)，冷却剂出口阳极冷却剂分配区211的功能是为阳极冷却水腔缓冲区内水的排出提供均一的通路(阳极入口气体缓冲区的背面)；冷却剂出口阴极冷却剂分配区111及冷却剂出口阳极冷却剂分配区211均具备几何及物理特征参数相同的特点，增加整板的冷却液分配的均一性。

上述双极板中，设有冷却剂出口213，该区域提供一定的流体阻力，该区域流体阻力与公用管路的水力直径参数匹配用以保证稳态工况下冷却水腔冷却液排出时每一节单电池的冷却液质量流量速率分配是一致的。

在一些实施方式中，阳极进气口和阳极出气口的数量至少为一个；阴极进气口和阴极出气口的数量至少为一个；冷却剂入口和冷却剂出口的数量至少为一个。

需要说明的是，阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口、阴极出气口、冷却剂入口和冷却剂出口的数量可以根据质子交换膜燃料电池的双极板的尺寸和性能而定，在本发明实施例中仅仅以一种实现方式进行示例说明，本发明对此不作限制。

还需指出的是，本发明附图中的阴极板、阳极板及其中的各区域结构仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

进一步的，基于本发明实施例，下面对于气体零压力梯度区和气体缓冲区进行进一步的说明。

在一些实施例中，所述入口气体零压力梯度区的长度与所述气体入口的长度相适应，所述入口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述入口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm；

和/或，所述出口气体零压力梯度区的长度与所述气体出口的长度相适应，所述出口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述出口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm。

在一些实施例中，所述入口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形；也即，入口气体零压力梯度区的流体域可以为平行四边形流体域。

和/或，所出口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形，也即，出口气体零压力梯度区的流体域可以为平行四边形流体域。

在一些实施例中，所述入口气体缓冲区宽度范围为4mm至9.5mm；

和/或，所述出口气体缓冲区宽度范围为4mm至9.5mm。

在一些实施例中，所述入口缓冲区的至少部分位置对应设置有由聚合物材料制成的膜电极边框。

可选的，该聚合物材料可以为聚酯，边框为聚酯边框。

在一些实施例中，所述入口缓冲区与所述等腰三角形区域之间形成过渡转角，和/或，所述等腰三角形区域与所述出口缓冲区之间形成过渡转角；

所述过渡转角的角度与所述等腰三角形区域的顶角的角度相同。

由以上可知，相对于传统结构，本发明实施例的双极板增加了三腔出入口的零压力梯度区和出入口缓冲区。入口零压力梯度区可以使得流体质量流量分布的一致性，该区域的宽度决定了其功能性，该宽度便于将该区域的背面设计为水腔密封区，水腔密封采用焊接的方式，使其满足焊接工艺中工装夹具的设置需要。零压力梯度区指压差为20Pa以内的区域，优选为10Pa以内的区域。

具体地，参考图6和图7所示，所设置的入口气体零压力梯度区，是一个与气体入口等长的宽度为1-3mm的深度为0.25-0.6mm的平行四边形流体域，在燃料电池峰值功率下的氢气流量下，该区域的压差在10Pa以内与阳极5K Pa的压降相比可以近似为零压力梯度区。因此，气体零压力梯度区的功能为在气体缓冲区入口处获得每根流道流体质量流量分布的一致性，该区域的宽度决定了其功能性，在上述宽度范围内便于将该区域设计为水腔密封区。水腔密封可以采用焊接的方式，使其满足焊接工艺中工装夹具的设置需要。

双极板设有入口气体缓冲区，由于入口气体零压力梯度区具有深度，从入口气体零压力梯度区射出的流体并不是完全平行与纸面或者垂直于纸面的，会具有平行与纸面或者垂直于纸面的矢量分量，这样，平行于纸面的分量把流体带到有效面积区域，然后垂于纸面的矢量分量使动能在膜电极上消耗，对膜电极进行冲击。进一步，入口气体缓冲区的至少部分位置上对应设置聚酯边框，聚酯边框不怕流体冲击，可以有效避免膜电极击穿泄露，入口气体缓冲区与入口气体分配区/反应区形成过渡转角，过渡转角的角度与等腰三角形的顶角相同，其获得的压损系数约是0.15，其宽度是4-9.5mm，其中膜电极保护区需要2-4.5mm宽度，冷却水腔分配需要0.5-1.5mm的连通区，另外这个位置的密封支撑需要1.5-2.5mm的宽度。

该入口气体缓冲区的至少部分位置上对应设置聚酯边框，且相应为聚酯边框与气体扩散层(GDL)+质子交换膜(PEM)之间的过渡区。相比于现有技术中，将有效面积区(反应区)直接与聚酯边框连接，缺少聚酯边框与GDL+PEM区之间的过渡区，容易导致有效面积区(反应区)与聚酯边框的连接处PEM穿孔或者撕裂的现象。本发明的双极板中，聚酯边框与GDL+PEM区之间设有的过渡区，正好对应气体入口缓冲区，可以有效的避免膜电极击穿泄露，且可以避免密封胶线直接压在聚酯边框和膜电极的过渡区上，这样在组装压缩时，会在该位置上产生一个拉力在垂直改垂直方向形成一个扭力，使这个脆弱的连接界面失效，因此，提高了双极板的性能均一性、稳定性并提高了使用寿命。

此外，出口气体缓冲区和出口气体零压力梯度区的功能或作用可以参照前面的描述。

在一些实施例中，参考图3至图7所示，还提供一种燃料电池，包括膜电极4和双极板3，所述膜电极4夹持在两个所述双极板3之间，所述双极板3为如上所述的燃料电池双极板；所述膜电极4包括活性区401、GDL封边区402、密封边框封边区403和密封边框区404。其中，密封边框区404可以为聚酯边框区，密封边框封边区403可以为聚酯边框封边区。

进一步，燃料电池还包括封边胶条51、密封胶线52等密封结构。

本发明的燃料电池中，膜电极4中的活性区401包括气体扩散层411、催化层412和质子交换膜413。该结合上述图1、图2以及图4至图7可以看出，燃料电池双极板中的各功能区域与膜电极的各功能区域具备良好的功能匹配性，如双极板3中的零压力梯度区31、缓冲区32和反应区34，其中的缓冲区32配置有膜电极保护区33，双极板3的各区域均与膜电极4的各区域具有良好的匹配性。

聚酯边框与GDL的连接点为膜电极的易损区域，为了对该区域实施保护提高膜电极的使用寿命，设计一种膜电极，膜电极的功能区域如图5所示，膜电极的功能区域由活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区构成，每个区域的详细构成如图6所示(其中图6截面位置如图5中A-A截面所示)，其中活性区由GDL、催化层和质子交换膜构成；GDL封边区由GDL、质子交换膜和膜电极密封胶带构成；密封边框封边区由质子交换膜、聚酯边框和膜电极密封胶带构成；密封边框区由聚酯密封边框构成(部分靠近反应区内侧的密封边框区域还分布一定宽度的质子交换膜)。

在单电池的矩形反应区的边缘处，双极板和膜电极功能区域的对应关系如图7所示：双极板的矩形反应区域对应膜电极的矩形反应区域；双极板的有效面积与双极板密封槽之间是一个宽度等于GDL封边区、密封边框封边区宽度之和的支撑结构(这个支撑结构可以是与双极板有效面积区域流场平行的脊或者沟脊组合也可以是与双极板有效面积区域流场垂直的矩形块状支撑的阵列)，该支撑结构与膜电极的GDL封边区、密封边框封边区相对应用于保护的质子交换膜的易损区域；双极板的密封槽区域对应膜电极的密封边框区域，用于实现单电池的密封功能。聚酯边框与GDL的连接点与有效密集区域的距离为GDL封边区的宽度，用于避免干湿循环，电化学反应，温度载荷等因素对该连接区域的寿命影响；聚酯边框与GDL的连接点与单电池密封压缩区的距离为密封边框封边区的宽度，用于密封区域由于压缩变形对易损区域造成的机械损伤(主要为拉伸产生的正应力和由扭矩产生的剪切应力)。

在单电池的等腰三角形反应区域的边缘处，双极板和膜电极功能区域的对应关系如图8所示：双极板的等腰三角形反应区域对应膜电极的等腰三角形反应区域；双极板的缓冲区与膜电极的GDL封边区、密封边框封边区相对应用于保护的质子交换膜的易损区域，且双极板的缓冲区宽度大于GDL封边区、密封边框封边区宽度之和；双极板的一小部分缓冲区，零压力梯度区及进出口区域对应膜电极的密封边框区域，密封边框一般为机械强度较好的聚酯边框，能够承担双极板进出口的气体冲击及零压力梯度区的气体压力。与双极板的矩形反应区相同，聚酯边框与GDL的连接点与有效密集区域的距离为GDL封边区的宽度，用于避免干湿循环，电化学反应，温度载荷等因素对该连接区域的寿命影响；聚酯边框与GDL的连接点与单电池密封压缩区的距离为密封边框封边区的宽度，用于密封区域由于压缩变形对易损区域造成的机械损伤(主要为拉伸产生的正应力和由扭矩产生的剪切应力)。

本发明的燃料电池双极板、膜电极的各功能区域的设置具备良好的功能匹配性，因此，具有高性能、高均一性、高耐久性、高可靠性、高反应区占比的特点。

在一些实施例中，还提供一种燃料电池堆，包括多个膜电极和多个双极板，相邻两个所述双极板之间分别夹持有多个所述膜电极中的一个所述膜电极，所述双极板为如上所述的燃料电池双极板；所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。本发明的燃料电池双极板、膜电极的各功能区域的设置具备良好的功能匹配性，因此，具有高性能、高均一性、高耐久性、高可靠性、高反应区占比的特点。

本发明提供的燃料电池和燃料电池堆包括前述燃料电池双极板，因而至少具有前面所述的燃料电池双极板的所有特点和优点，在此不再赘述。另外，该燃料电池和燃料电池堆中除包括本发明实施例提供的双极板之外，还可包括本领域熟知的用于燃料电池中的各种结构或单元，本发明实施例对于燃料电池中的其余结构或单元及其连接关系不作限制，可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择设定。

综合以上描述可以看出，本发明解决了公用管路入口几何限制对其对应的物理性能造成不良影响的问题，在结构上分配区与流场区保持了几何一致性，分配区亦可以作为工作区域发生化学反应极大的提高了反应区面积；整板范围内阴阳极流体域完全一致，导热、导电特征截面完全一致，不存在应力及温度奇异点提高燃料电池的可靠性，进而解决了阴极传质极化现象，在装配时膜电极压缩应力匹配一致性好，可以降低单电池阻抗。此外，良好的热管理设计是实现大功率电堆开发的前提，冷却水腔由氧流场的脊和氢流场的脊共同构成，通过分配区氢氧流道均匀交叉的获得了均一冷却液流体压力分布，从而在分配区与反应区获得均一的冷却液分布，在保证冷却液质量流量分布均一性的基础上，设计流道最大共轭换热功率远高于燃料电池的单电池额定功率，整板温度分布最大差异保持在5℃以内，散热功率变化时温度响应速度在一分钟以内，双极板加工成型难度低，模具损伤小且整个成型模具寿命周期内成型精度高，阴阳极入口区域缓冲区避免了流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，出口处缓冲区避免了出口处发生水淹现象提高燃料电池寿命。

因此，所提供的双极板实现了整板范围内的阴阳极流场的几何拓扑一致性及物理性能一致性，保证了燃料电池电堆高可靠性、高寿命性能。其合理的阴阳极分配区入口布局及冷却水腔布局是解决传质极化及热管理实现燃料电池高性能的基础，从而缓解了现有技术中的缺陷，兼顾了单电池内双极板三腔与膜电极的结构匹配性、温度匹配性及导电性能的一致性，还具有加工成型工艺的友好性及成型工艺相关的结构稳定性，热管理，接触电阻分布一致性，密封设计友好性，焊接工艺的友好性，整板空间利用率高，外定位等辅助功能的兼容性，三腔公用管路设计的几何兼容性及功能合理性等特点，且达到了双极板组装成电堆后，电堆几何外形边界在空间内所占体积最小的优势。

下面参考具体实施例，对本发明作进一步描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

本实施例的燃料电池包括如上所述的燃料电池双极板，以及膜电极(MEA)。其中双极板的具体实施方案包括：将阴阳极分配区设为底边长为100.8mm，底角为30°的等腰三角形，反应区为长度为270mm，宽度为100.8mm的矩形，阴阳极的反应区流道与分配区流道成120°角过度，在反应区获得分配区流道一分二的等分结构，阴、阳极板的分配区与反应区均采用1.6mm周期直流道的设计，其中阴极板流道为0.9mm、0.7mm周期沟脊循环，阳极流道采用0.7mm、0.9mm周期沟脊循环；阴、阳极板零压力梯度区的长度与分配区等腰三角形的长度等长，宽度为2mm；阴、阳极板缓冲区的长度与分配区等腰三角形的长度等长，宽度为5mm，阴、阳极板缓冲区的流道排布规则与其所处的极板上的流道排布规则相同，即：阴、阳极板的分配区与反应区均采用1.6mm周期直流道的设计，其中阴极板流道为0.9mm、0.7mm周期沟脊循环，阳极流道采用0.7mm、0.9mm周期沟脊循环。

其中，膜电极(MEA)的有效面积为300cm²；GDL封边区的宽度为2mm；密封边框封边区的宽度为2mm；整个膜电极的面积与双极板面积重合，其余区域为密封边框区域。

性能测试

电池性能测试，是按照低(氢气/空气＝80K Pa/70K Pa)、中(氢气/空气＝120KPa/110K Pa)、高(氢气/空气＝170K Pa/150K Pa)三个等级进气压力工况进行测试。测试条件及结果如下表1、表2和图8所示。

(1)电堆的测试条件包括：

常压条件：电堆冷却水进口温度70℃；空气相对湿度：60％，氢气不增湿，空气常压(出口不背压)，空气化学计量比为：2；氢气入口压力大于空入口压力10～20K Pa，氢气采用常排方式排气，氢气利用率为92％(800mA.cm^-2时4s/0.3s)，水流量：0.5L/min。

中压条件：电堆冷却水进口温度70℃；空气相对湿度：60％，氢气不增湿，空气入口压力110K Pa(1600mA.cm^-2时)，空气化学计量比为：2；氢气入口压力120K Pa(800mA.cm^-2时)，氢气采用常排方式排气：氢气利用率为92％(1600mA.cm^-2时4s/0.3s)，水流量：0.5L/min。

高压条件：电堆冷却水进口温度70℃；空气相对湿度：60％，氢气不增湿，空气入口压力150K Pa(1600mA.cm^-2时)，空气化学计量比为：2；氢气入口压力170K Pa(800mA.cm^-2时)，氢气采用常排方式排气：氢气利用率为92％(1600mA.cm^-2时4s/0.3s)，水流量：0.5L/min。

(2)电堆的活化条件如表1所示。

表1

(3)电堆的基本性能测试包括：

电堆极化性能测试：稳定性测试后，在既定的条件进行极化曲线测试，从开路计时，逐渐增加负载，使电流密度为100、150、200、300、400...2500mA.cm^-2(三种气体压力测试条件)。

在三种测试压力条件下的每个测量点稳定时间15min(100-2500mA.cm^-2)后记录电压值等参数值。

图9示出了电堆稳定性及极化性能测试工况。

表2

从表2以及图8可以看出，本发明实施例的双极板通过流场结构设计解决了高电流密度下的传质极化问题，传质极化较小且极化性能稳定。本发明的整板范围内的性能一致性好，在2500mA/cm²电流密度时，整板两端的最大电压差分别是：低压11mV，中压6mV，高压4mV。

本发明实施例具有阻抗低欧姆极化小的特点，在0-2500mA/cm²电流密度范围内，低压时单池阻抗为0.188-0.202mOhm；中压时为0.182-0.203mOhm；高压时为：0.202-0.212mOhm(阻抗与电流密度数值上不是正比例关系)。

本发明在低压下的额定性能为1.32W/cm²(2200mA/cm²@0.6V)，中压下的额定性能为1.44W/cm²(2400mA/cm²@0.6V)，高压下的额定性能为1.5W/cm²(2500mA/cm²@0.6V)，在低、中、高三种工况下的单板功率分别为396W、432W、450W。

进一步，以铭牌功率为150KW电堆为例，实际的电堆尺寸为440mm(长)×122mm(宽)×1.43mm(压缩后单节厚度)×350节＝26.87L(裸堆)，实际的额定工况下(中压操作条件)的额定功率为432W/节×350节＝151.2KW，则体积比功率密度为5.627KW/L，说明本发明具有较高的体积比功率密度。

进一步，本发明具有良好的热管理性能，以入口温度60℃为燃料电池的参考工作温度，以进出口温度差为5℃来计算冷却液流量，同时以2500mA电流密度计算阴阳极流体流量，通过CFD软件及换热试验得出三腔共轭换热的对流换热系数为2.27W/(cm²*℃)，则单电池的最大散热功率为680W左右，单板的峰值功率为450W，因此，换热性能完全能够满足单电池的热管理需求。另外，在保证拉载时单池范围内相对于参考温度的温升在5℃以内的前提下，以单电池的全功率拉载，单池范围内再次达到其对应位置的参考工作温度的时间为56秒，说明散热速率良好、热管理性能稳定，有利于燃料电池电堆的可靠性，鲁棒性(指的是抵抗误操作或其他事故引起的极端情况的能力)和高寿命。

本发明合理的控制了阴阳极的压力降，采用阴阳极流体流向为对流设计时，低压下设定阴阳极压差为10K Pa。实际整板最大阴阳极压力差为34.6K Pa；中压下设定阴阳极压差为10K Pa，实际整板最大阴阳极压力差为26.2K Pa；高压下设定阴阳极压差为20K Pa，实际整板最大阴阳极压力差为31K Pa；全功率范围内阴阳极压差小有利于燃料电池的性能和寿命可靠性。

本发明与燃料电池发动机系统零部件具有良好匹配性、经济性：在高电流密度下传质性能对氧分压参数敏感性下降，因此本发明在中压下的性能接近高压下的性能，这将极大的减小燃料电池系统空压机的功耗。在峰值功率下对应的冷却液流量下，冷却水腔公用管路进出口流体压力差约为27.9KPa，与之匹配的燃料电池热管理系统的水泵需要较小的压头即可满足使用需求减小了水泵功耗，因此本发明具有减小的系统寄生功率、较高系统效率的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高性能燃料电池双极板，其特征在于，包括阳极板和阴极板，所述阳极板和所述阴极板叠置，所述阳极板的第一表面与所述阴极板的第一表面极性相反，每个表面均具有流体通过其中的反应流动通道；

沿着流体流动方向，所述阳极板的第一表面包括：阳极气体入口、阳极入口气体零压力梯度区、阳极入口气体缓冲区、阳极入口分配区/反应区、阳极气体反应区、阳极出口分配区/反应区、阳极出口气体缓冲区、阳极出口气体零压力梯度区和阳极气体出口；所述阴极板的第一表面包括：阴极气体入口、阴极入口气体零压力梯度区、阴极入口气体缓冲区、阴极入口分配区/反应区、阴极气体反应区、阴极出口分配区/反应区、阴极出口气体缓冲区、阴极出口气体零压力梯度区和阴极气体出口。

2.根据权利要求1所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极入口气体零压力梯度区的长度与所述阴极气体入口的长度相适应，所述阴极入口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述阴极入口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm；

和/或，所述阴极出口气体零压力梯度区的长度与所述阴极气体出口的长度相适应，所述阴极出口气体零压力梯度区的宽度范围为1mm至3mm，所述阴极出口气体零压力梯度区的深度范围为0.25mm至0.6mm。

3.根据权利要求1所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极入口气体零压力梯度区或所述阳极入口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形；

和/或，所述阴极出口气体零压力梯度区或所述阳极出口气体零压力梯度区的截面形状包括平行四边形。

4.根据权利要求1所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极入口气体缓冲区或所述阳极入口气体缓冲区的宽度范围为4mm至9.5mm；

和/或，所述阴极出口气体缓冲区或所述阳极出口气体缓冲区的宽度范围为4mm至9.5mm。

5.根据权利要求4所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，沿着入口气体缓冲区中的宽度范围，可以配置膜电极保护区、冷却水腔的连通区、密封支撑所需要的宽度。

6.根据权利要求1所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极入口气体缓冲区或所述阳极入口气体缓冲区的至少部分位置对应设置有由聚合物材料制成的膜电极边框。

7.根据权利要求1至6任一项所述的高性能燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板之间形成有冷却剂流场；

所述冷却剂流场包括：冷却剂入口、冷却剂入口分配区、冷却剂工作区、冷却剂出口分配区和冷却剂出口。

8.一种燃料电池，包括膜电极和双极板，所述膜电极夹持在两个所述双极板之间，其特征在于，所述双极板为权利要求1至7任一项所述的高性能燃料电池双极板；所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。

9.一种燃料电池堆，包括多个膜电极和多个双极板，相邻两个所述双极板之间分别夹持有多个所述膜电极中的一个所述膜电极，其特征在于，所述双极板为权利要求1至7任一项所述的高性能燃料电池双极板；所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。

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