CN113809337A - 一种燃料电池双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种燃料电池双极板及燃料电池，沿燃料电池双极板的厚度方向，阳极分配区的厚度小于阳极活性区的厚度，可以使氢气在阳极分配区内的流阻增大；冷却液分配区的厚度大于冷却液活性区的厚度，使冷却液在冷却液分配区内的流阻减小。该设置可以缩小氢气在阳极分配区流道内的流阻与冷却液在冷却液分配区流道内的流阻之间的差值，解决了燃料电池的活性区一致性较差，进而造成寄生功耗偏高，系统效率偏低的问题。

Description

一种燃料电池双极板及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学反应装置，具有能量转换效率高、零排放、无机械噪声等优点，在军事和民用领域备受青睐。

在燃料电池中，双极板需要将氢气和空气引导分配至活性区发生电化学反应，同时，双极板中的流场需要引导分配冷却液在电池内外循环，以带走电池化学反应产生的热量，所以，双极板的结构需要考虑到空气、氢气和冷却液流通的一致性；而分配区，作为连接歧管与活性区的桥梁，其结构设计直接关系到双极板设计的成败。为了使流体在双极板的容腔中均匀分布，通常用分配区来保证活性区流场的一致性。目前大部分极板的分配区的流道高度和活性区均保持一致，虽然板内流道的一致性得以保证，但是忽略了空气、氢气和冷却液在流道中流动的流阻不同的影响因素。

一方面氢气在流道中的流阻较小，导致氢气更容易从分配区流入活性区，其次空气侧进气量较大，容易出现流阻偏大，会造成较大的寄生功耗；另一方面冷却侧流阻也偏大，所以调节空气、氢气和冷却液在分配区的流阻，能更好地保证活性区的一致性，且降低寄生功耗，从而提高燃料电池的系统效率。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种燃料电池双极板及燃料电池，以解决相关技术中燃料电池的活性区一致性较差，进而造成寄生功耗偏高，系统效率偏低的问题。

一方面，本发明提供一种燃料电池双极板，包括阳极板和阴极板，所述阳极板和所述阴极板贴合且围设成冷却液流场，所述冷却液流场包括相互连通的冷却液分配区和冷却液活性区；

所述阳极板远离所述阴极板的一侧与第一膜电极抵紧且围设成阳极流场，所述阳极流场包括相互连通的阳极分配区和阳极活性区；

沿燃料电池双极板的厚度方向，所述阳极分配区的厚度小于所述阳极活性区的厚度；

所述冷却液分配区的厚度大于所述冷却液活性区的厚度。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阳极板与所述第一膜电极相对的面凹设有阳极密封凹槽，所述阳极密封凹槽用于与凸设于所述第一膜电极上的第一密封凸起插接密封。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阳极板包括阳极活性区极板和与所述阳极活性区极板连接的阳极分配区极板，所述阳极分配区极板的两侧分别为所述阳极分配区和所述冷却液分配区，所述阳极活性区极板的两侧分别为所述阳极活性区和所述冷却液活性区；

所述阳极活性区极板与所述阳极分配区极板阶梯设置。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阳极分配区极板的厚度小于或等于所述阳极活性区极板的厚度。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阴极板远离所述阳极板的一侧与第二膜电极抵紧且围设成阴极流场，所述阴极流场包括相互连通的阴极分配区和阴极活性区；

所述阴极分配区的厚度大于所述阴极活性区的厚度。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阴极板与所述第二膜电极相对的面凹设有阴极密封凹槽，所述阴极密封凹槽用于与凸设于所述第二膜电极上的第二密封凸起插接密封。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述第二膜电极包括膜电极边板和膜电极活性区板，所述膜电极边板的厚度小于所述膜电极活性区板的厚度，所述膜电极边板和所述膜电极活性区板以同一对称面对称设置；

所述阴极板包括阴极活性区极板和与所述阴极活性区极板连接的阴极分配区极板，所述阴极活性区极板上凸设有多个阴极活性区脊，所述阴极分配区极板上凸设有多个阴极分配区脊，多个所述阴极分配区脊和所述膜电极边板抵紧，多个所述阴极活性区脊与所述膜电极活性区板抵紧。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阴极分配区脊的高度和所述膜电极边板厚度的一半之和等于所述阴极活性区脊和所述膜电极活性区板厚度的一半之和。

作为燃料电池双极板的可选技术方案，所述阴极板和所述阳极板通过粘合或焊接的方式相互贴合。

另一方面，本发明提供一种燃料电池，包括上述任一方案中的燃料电池双极板。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种燃料电池双极板，一方面，由于阳极分配区内通入氢气，冷却液分配区内通入冷却液，相同截面积的流道对氢气的流阻小于对冷却液的流阻，所以增大冷却液分配区的厚度，可以增大冷却液分配区内流道的截面积，进而可以减小流道内冷却液的流阻；减小阳极分配区的厚度，可以减小阳极分配区内流道的截面积，进而可以增大流道内氢气的流阻；该设置可以缩小氢气在阳极分配区流道内的流阻与冷却液在冷却液分配区流道内的流阻之间的差值，进而可以提升氢气和冷却液分别在阳极活性区和冷却液活性区的流道内流动的一致性。

另一方面，由于向阴极分配区内通入的空气量比较大，所以阴极分配区流道对通入的空气的流阻比较大，为减小空气在阴极分配区流道内的流阻，设置阴极分配区的厚度大于阴极活性区的厚度，所以阴极分配区流道的截面积要大于阴极活性区流道的截面积，所以该设置可以减小阴极分配区中流道对空气的流阻。

综上，阳极分配区的氢气流阻、冷却液分配区的冷却液流阻和阴极分配区的空气流阻值相互接近。进而改善了由于氢气、冷却液和空气在各自分配区内流阻相差较大的问题，使各活性区一致性有效提高，进而减少寄生功耗，系统效率明显提升。

附图说明

图1为本发明实施例中燃料电池双极板的截面示意图；

图2为本发明实施例中燃料电池双极板的阳极板结构示意图；

图3为图2中A处的结构示意图；

图4为本发明实施例中燃料电池双极板的阴极板及第二膜电极的结构示意图；

图5为本发明实施例中图4中B处的结构示意图。

图中：

100、第一膜电极；200、第二膜电极；201、膜电极边板；202、膜电极活性区板；

1、阳极板；11、阳极分配区极板；12、阳极活性区极板；13、阳极密封凹槽；

2、阴极板；21、阴极分配区极板；211、阴极分配区脊；22、阴极活性区极板；221、阴极活性区脊；23、阴极密封凹槽；

31、冷却液分配区；32、冷却液活性区；

41、阳极分配区；42、阳极活性区；

51、阴极分配区；52、阴极活性区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。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。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

当前，燃料电池双极板包括相互贴合的阳极板1和阴极板2，在燃料电池中，多个燃料电池双极板相互叠设，且相邻两个燃料电池双极板之间设置有一个膜电极。阳极侧的一个膜电极与阳极板1抵紧且形成阳极流场，阴极侧的另一个膜电极与阴极板2抵紧且形成阴极流场，阳极板1和阴极板2贴合形成冷却液流场。在阳极流场中设置有阳极分配区41和阳极活性区42，在阴极流场中设置有阴极分配区51和阴极活性区52，在冷却液流场中设置有冷却液分配区31和冷却液活性区32。其中，阳极流场通入氧化气体、阴极流场通入还原气体，冷却液流场通入冷却液，具体的，氧化气体为氢气、还原气体为空气、冷却液为冷却水。

通常用三个流场的分配区分别保证三个流场中活性区的一致性，所以沿燃料电池双极板厚度方向，阳极分配区41的厚度、阴极分配区51的厚度与冷却液分配区31的厚度均相同。且阳极分配区41内设置有多个阳极分配区脊，多个阳极分配区脊围设成阳极分配区流道。阴极分配区51内设置有多个阴极分配区脊211，多个阴极分配区脊211围设成阴极分配区流道。冷却液分配区31内设置有多个冷却液分配区脊，多个冷却液分配区脊围设成冷却液分配区流道。且阳极分配区流道、阴极分配区流道和冷却液分配区流道的设置均一致。但是忽略了氢气、空气和冷却液分别在各自流道内的流阻不同给活性区的一致性带来的影响。具体地，燃料电池双极板的厚度方向为图1中的上下方向。

如图1所示，本实施例提供一种燃料电池双极板，该燃料电池双极板与上述说明中的当前燃料电池双极板的不同之处在于沿燃料电池双极板的厚度方向，阳极分配区41的厚度小于阳极活性区42的厚度。冷却液分配区31的厚度大于冷却液活性区32的厚度。阴极分配区51的厚度大于阴极活性区52的厚度。由于阳极分配区41内通入氢气，冷却液分配区31内通入冷却液，相同截面积的流道对氢气的流阻小于对冷却液的流阻，所以增大冷却液分配区31的高度，可以增大冷却液分配区31内流道的截面积，进而可以减小流道内冷却液的流阻；减小阳极分配区41的高度，可以减小阳极分配区41内流道的截面积，进而可以增大流道内氢气的流阻；由于向阴极分配区51内通入的空气量比较大，所以阴极分配区流道对通入的空气的流阻比较大，为减小空气在阴极分配区流道内的流阻，本实施例中，设置阴极分配区51的厚度大于阴极活性区52的厚度，所以阴极分配区流道的截面积要大于阴极活性区52流道的截面积，所以该设置可以减小阴极分配区51中流道对空气的流阻，进而可以使阳极分配区41的氢气流阻、冷却液分配区31的冷却液流阻和阴极分配区51的空气流阻值相互接近。进而改善了由于氢气、冷却液和空气在各自分配区内流阻相差较大的问题，使各活性区一致性有效提高，进而减少寄生功耗，系统效率明显提升。

如图1和2所示，对于阳极板1的具体结构和阳极流场和冷却液流场的位置关系。可选地，阳极板1包括阳极活性区极板12和与阳极活性区极板12连接的阳极分配区极板11，阳极分配区极板11的两侧分别为阳极分配区41和冷却液分配区31，阳极活性区极板12两侧分别为阳极活性区42和冷却液活性区32。

如图3所示，沿燃料电池双极板的厚度方向，对于实现阳极分配区41的厚度小于阳极活性区42的厚度的具体结构。可选地，阳极分配区极板11和阳极活性区极板12成阶梯式连接，该设置使阳极活性区极板12距第一膜电极100的距离大于阳极分配区极板11距第一膜电极100的距离。进而造成处于阳极分配区41内的流道截面积小于阳极活性区42内的流道截面积。所以氢气在阳极分配区41的流道内的流阻变大。具体的，阳极分配区41内的流道截面和阳极活性区42内的流道截面均为沿垂直于燃料电池双极板且与各自流道流动方向垂直的方向。

如图1-3所示，为使冷却液分配区31的厚度大于冷却液活性区32的厚度，可选地，阳极分配区极板11的厚度小于或等于阳极活性区极板12的厚度。本实施例中，阳极分配区极板11与阳极活性区极板12阶梯设置，使阳极活性区极板12距第一膜电极100的距离大于阳极分配区极板11距第一膜电极100的距离。又由于阳极分配区极板11的厚度小于或等于阳极活性区极板12的厚度，所以该设置将原先属于阳极分配区41的一部分容积给予冷却液分配区31，进而使冷却液分配区31的厚度大于阳极分配区41的厚度。

由于阳极流场内通入氢气，所以需要保证阳极流场的密封性，对此，可选地，阳极板1与第一膜电极100相对的面凹设有阳极密封凹槽13，阳极密封凹槽13用于与凸设于第一膜电极100上的第一密封凸起插接密封。在其他实施例中，在阳极密封凹槽13内设置密封胶或密封油，将第一密封凸起插设于阳极密封凹槽13内。另外，也可以在阳极板1与第一膜电极100相对的面凸设有阳极密封凸起，阳极密封凸起用于与凹设于第一膜电极100上的第一密封凹槽插接密封。

如图1所示，对于膜电极的结构，公知地，膜电极包括膜电极边板201和膜电极活性区板202，膜电极边板201的厚度小于膜电极活性区板202的厚度，膜电极边板201和膜电极活性区板202以同一对称面对称设置。具体的，膜电极边板201的两侧分别与膜电极活性区板202的两侧呈阶梯状设置。本实施例中，为了做区分，将分别与阳极板1和阴极板2抵紧的膜电极区分为第一膜电极100和第二膜电极200。

如图1、4和5所示，阴极板2包括阴极活性区极板22和与阴极活性区极板22连接的阴极分配区极板21，阴极活性区极板22上凸设有多个阴极活性区脊221，阴极分配区极板21上凸设有多个阴极分配区脊211，多个阴极分配区脊211和膜电极边板201抵紧，多个阴极活性区脊221与膜电极活性区板202抵紧。本实施例中，多个阴极活性区脊221间隔凸设于阴极活性区极板22，进而围设成阴极活性区52的流道，多个阴极分配区脊211间隔凸设于阴极分配区极板21，进而围设成阴极分配区51的流道，由于阴极分配区脊211和阴极活性区脊221分别与膜电极边板201和膜电极活性区板202抵紧，所以阴极分配区脊211的高度大于阴极活性区脊221的高度，所以阴极分配区51流道的截面面积大于阴极活性区52流道的截面面积。

具体的，为确定阴极分配区脊211和阴极活性区脊221的具体尺寸，且防止第二膜电极200无法与阴极板2完美抵紧，可选地，多个阴极分配区脊211的高度和膜电极边板201厚度的一半之和等于阴极活性区脊221的高度和膜电极活性区板202厚度的一半之和。

如图4所示，由于阴极流场内通入空气，所以需要保证阴极流场的密封性，对此，可选地，阴极板2与第二膜电极200相对的面凹设有阴极密封凹槽23，阴极密封凹槽23用于与凸设于第二膜电极200上的第二密封凸起插接密封。在其他实施例中，在阴极密封凹槽23内设置密封胶或密封油，将第二密封凸起插设于阴极密封凹槽23内。另外，也可以在阴极板2与第二膜电极200相对的面凸设有阴极密封凸起，阴极密封凸起用于与凹设于第二膜电极200上的第二密封凹槽插接密封。

对于阴极板2和阳极板1的连接方式，可选地，阴极板2和阳极板1通过粘合或焊接的方式相互贴合，且需保证阴极板2和阳极板1通过密封连接形成冷却液流场。

对于阴极板2和阳极板1的制造方式，可选地，阴极板2和阳极板1分别通过一体成型制成。具体的，阴极板2和阳极板1可以分别通过冲压工艺或增材制造工艺制成。

本实施例还提供一种燃料电池，包括上述方案中的燃料电池双极板。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，包括阳极板(1)和阴极板(2)，所述阳极板(1)和所述阴极板(2)贴合且围设成冷却液流场，所述冷却液流场包括相互连通的冷却液分配区(31)和冷却液活性区(32)；

所述阳极板(1)远离所述阴极板(2)的一侧与第一膜电极(100)抵紧且围设成阳极流场，所述阳极流场包括相互连通的阳极分配区(41)和阳极活性区(42)；

其特征在于，

沿燃料电池双极板的厚度方向，所述阳极分配区(41)的厚度小于所述阳极活性区(42)的厚度；

所述冷却液分配区(31)的厚度大于所述冷却液活性区(32)的厚度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板(1)与所述第一膜电极(100)相对的面凹设有阳极密封凹槽(13)，所述阳极密封凹槽(13)用于与凸设于所述第一膜电极(100)上的第一密封凸起插接密封。

3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极板(1)包括阳极活性区极板(12)和与所述阳极活性区极板(12)连接的阳极分配区极板(11)，所述阳极分配区极板(11)的两侧分别为所述阳极分配区(41)和所述冷却液分配区(31)，所述阳极活性区极板(12)的两侧分别为所述阳极活性区(42)和所述冷却液活性区(32)；

所述阳极活性区极板(12)与所述阳极分配区极板(11)阶梯设置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阳极分配区极板(11)的厚度小于或等于所述阳极活性区极板(12)的厚度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板(2)远离所述阳极板(1)的一侧与第二膜电极(200)抵紧且围设成阴极流场，所述阴极流场包括相互连通的阴极分配区(51)和阴极活性区(52)；

所述阴极分配区(51)的厚度大于所述阴极活性区(52)的厚度。

6.根据权利要求5所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板(2)与所述第二膜电极(200)相对的面凹设有阴极密封凹槽(23)，所述阴极密封凹槽(23)用于与凸设于所述第二膜电极(200)上的第二密封凸起插接密封。

7.根据权利要求5所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第二膜电极(200)包括膜电极边板(201)和膜电极活性区板(202)，所述膜电极边板(201)的厚度小于所述膜电极活性区板(202)的厚度，所述膜电极边板(201)和所述膜电极活性区板(202)以同一对称面对称设置；

所述阴极板(2)包括阴极活性区极板(22)和与所述阴极活性区极板(22)连接的阴极分配区极板(21)，所述阴极活性区极板(22)上凸设有多个阴极活性区脊(221)，所述阴极分配区极板(21)上凸设有多个阴极分配区脊(211)，多个所述阴极分配区脊(211)和所述膜电极边板(201)抵紧，多个所述阴极活性区脊(221)与所述膜电极活性区板(202)抵紧。

8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极分配区脊(211)的高度和所述膜电极边板(201)厚度的一半之和等于所述阴极活性区脊(221)和所述膜电极活性区板(202)厚度的一半之和。

9.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述阴极板(2)和所述阳极板(1)通过粘合或焊接的方式相互贴合。

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的燃料电池双极板。

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