CN114171753B - 燃料电池及其双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池及其双极板，双极板两片金属单极板，至少一片金属单极板外边缘设置有向远离另一片金属单极板的方向突出的密封凸起；密封凸起包括凸起顶部，设置有密封层；连接金属单极板的平板部与凸起顶部的凸起侧部，凸起侧部具有至少一个弯折，以实现在密封凸起的高度方向上，凸起侧部靠近凸起顶部的第一侧边段的刚度大于凸起侧部远离凸起顶部的第二侧边段的刚度。本发明通过在凸起侧部设置至少一个弯折，能够在同等密封宽度的情况下，延长凸起侧部的长度，从而降低了密封刚度，增大了可用密封压缩位移窗口，从而提高了对零部件尺寸公差的适配性；同时在密封凸起受到压缩后，刚度较大的第一侧边段不发生变形，能够保证密封的鲁棒性。

Description

燃料电池及其双极板

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池的双极板，本发明还涉及一种燃料电池。

背景技术

传统燃料电池双极板采用金属橡胶复合式密封结构，可以提升介质密封性，提升耐久性，以及降低成本。金属橡胶复合式密封结构通过金属板材冲压，实现将钣金冲压成横截面为拱形或梯形的凸起结构01，同时一般会在拱形或梯形上端的小平面或小拱面上通过丝网印刷附着上一层较薄的高分子材料密封层02，如图1-2所示。凸起结构01由于冲压高度，相对传统密封，可以节省材料用量，降低密封成本。同时密封横截面积主要由金属部分组成，高分子材料占比较小，降低了气体及液体分子的透过率，提高密封性能。由于金属材料的衰减较小，此结构也可以延长密封寿命。

但是，上述密封结构采用的金属板材冲压后的刚度较大，造成可用密封压缩位移窗口较小，对零部件尺寸公差适配性较差，不能较好地适用燃料电池领域双极板和膜电极的厚度公差。

综上所述，如何增大可用密封压缩位移窗口，以提高对零部件尺寸公差的适配性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于公开一种燃料电池的双极板，以增大可用密封压缩位移窗口，从而提高对零部件尺寸公差的适配性。

本发明的另一目的在于公开一种具有上述双极板的燃料电池。

为了达到上述目的，本发明公开如下技术方案：

一种燃料电池的双极板，包括：

层压在一起的两片金属单极板，至少一片金属单极板外边缘设置有向远离另一片金属单极板的方向突出的密封凸起；

所述密封凸起包括：

凸起顶部，设置有密封层；

连接所述金属单极板的平板部与所述凸起顶部的凸起侧部，所述凸起侧部具有至少一个弯折，以实现在所述密封凸起的高度方向上，所述凸起侧部靠近所述凸起顶部的第一侧边段的刚度大于所述凸起侧部远离所述凸起顶部的第二侧边段的刚度。

优选的，上述双极板中，所述凸起顶部与所述金属单极板的平板部平行，且所述凸起侧部的顶端宽度小于底端宽度。

优选的，上述双极板中，所述第一侧边段为与所述凸起顶部满足垂直条件设置的第一直线边。

优选的，上述双极板中，所述第二侧边段为具有第一弧形弯折的弧形边，该弧形边与所述第一直线边通过第二弧形弯折连接。

优选的，上述双极板中，所述弧形边为向外突出的圆弧边，该圆弧边的半径R为所述密封凸起高度的10％～90％。

优选的，上述双极板中，所述第二侧边段为第二直线边，所述第二直线边与所述平板部的第二夹角小于所述第一直线边与所述平板部的第一夹角，且所述第一直线边与所述第二直线边连接形成直线弯折。

优选的，上述双极板中，所述第二夹角k为10°～60°。

优选的，上述双极板中，所述第一侧边段和所述第二侧边段均为直线边，且所述第二侧边段与所述平板部的第二夹角小于所述第一侧边段与所述平板部的第一夹角；

所述第一侧边段和所述第二侧边段均为弧形边，且所述第二侧边段的半径大于所述第一侧边段的半径。

优选的，上述双极板中，所述第一侧边段的长度小于所述第二侧边段的长度。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的燃料电池的双极板包括层压在一起的两片金属单极板，至少一片金属单极板外边缘设置有向远离另一片金属单极板的方向突出的密封凸起；密封凸起包括凸起顶部，设置有密封层；连接金属单极板的平板部与凸起顶部的凸起侧部，凸起侧部具有至少一个弯折，以实现在密封凸起的高度方向上，凸起侧部靠近凸起顶部的第一侧边段的刚度大于凸起侧部远离凸起顶部的第二侧边段的刚度。

本发明通过在凸起侧部设置至少一个弯折，能够在同等密封底边宽度的情况下，延长凸起侧部的长度，从而降低了密封刚度，增大了可用密封压缩位移窗口，从而提高了对零部件尺寸公差的适配性；同时该弯折使凸起侧部的第一侧边段的刚度大于第二侧边段的刚度，在密封凸起受到压缩后，变形位置集中在刚度较小的第二侧边段上，而刚度较大的第一侧边段不发生变形，能够保证密封层仅在密封凸起的高度方向即压缩方向上变形，可以保证密封层的密封接触面积，进而保证密封的鲁棒性。

此外，该双极板不会增加密封凸起底部宽度，所以不会增大密封底边宽度，在同等密封刚度的情况下，其密封宽度有效占比明显提高，节省了密封空间，提升了活性区占比，提升功率密度，进而提高了双极板空间有效利用率。

本发明还公开了一种燃料电池，包括层叠在一起的多个双极板，所述双极板为上述任一种双极板，由于上述双极板具有上述效果，具有上述双极板的燃料电池具有同样的效果，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统双极板的两片金属单极板均设置密封凸起的结构示意图；

图2是传统双极板的其中一片金属单极板设置密封凸起的结构示意图；

图3是本发明实施例一公开的双极板的两片金属单极板均设置密封凸起的结构示意图；

图4是本发明实施例一公开的双极板的其中一片金属单极板设置密封凸起的结构示意图；

图5是本发明实施例二公开的双极板的两片金属单极板均设置密封凸起的结构示意图；

图6是本发明实施例二公开的双极板的其中一片金属单极板设置密封凸起的结构示意图；

图7是传统双极板与本发明实施例公开的双极板的压缩位移对比图；

图8是传统双极板与本发明实施例公开的双极板的刚度对比图；

图9是传统双极板与本发明实施例公开的双极板的密封有效占比对比图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种燃料电池的双极板，增大了可用密封压缩位移窗口，从而提高了对零部件尺寸公差的适配性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

请参考附图3-6，本发明实施例公开的燃料电池的双极板包括层压在一起的两片金属单极板，至少一片金属单极板外边缘设置有向远离另一片金属单极板的方向突出的密封凸起；密封凸起包括凸起顶部1，设置有密封层(图中未示出)；连接金属单极板的平板部4与凸起顶部1的凸起侧部，凸起侧部具有至少一个弯折，以实现在密封凸起的高度方向上，凸起侧部靠近凸起顶部1的第一侧边段2的刚度大于凸起侧部远离凸起顶部1的第二侧边段3的刚度。

具体的，在密封凸起的凸起顶部1通过粘接或者丝网印刷覆盖上软性材料，例如橡胶、泡沫或者其他高分子材料，以形成密封层，用于增强密封凸起连接的密封性。

在密封过程中，双极板在电堆中以层叠形式重复堆叠。密封凸起上的密封层一般会与与其相邻的膜电极边框接触。在压合过程中，密封凸起会受到施加在凸起顶部1的密封层上的压紧力。密封凸起受力后，由于其是中空结构，因此整体会发生变形。由于金属单极板具有弹性，在发生弹性变形后，密封凸起会由于变形而产生支反力。支反力随压缩位移变化的曲线的斜率定义为密封刚度。

密封凸起在可密封的支反力范围内可以承受的压缩位移的范围，定义为密封的压缩位移区间。压缩位移区间越大，其可容忍的零部件尺寸公差越大。因此，在支反力区间不变的情况下，密封刚度越小，压缩位移区间越大。

密封凸起的凸起顶部1边长定义为密封宽度a，底部边长定义为密封底边宽度b。密封凸起的凸起顶部1边长除以底部边长a/b定义为密封宽度有效占比，有效占比取值在0～1之间。

其中，密封宽度a越大，密封性能越好。密封底边宽度b越大，其占用的双极板面积越大，降低双极板有效利用率。因此，密封宽度a越大，密封底边宽度b越小的密封是理想的密封设计，即，密封宽度有效占比a/b越大，密封性能越好。

本发明通过在凸起侧部设置至少一个弯折，能够在同等密封底边宽度b的情况下，延长凸起侧部的长度，从而降低了密封刚度，增大了可用密封压缩位移窗口，从而提高了对零部件尺寸公差的适配性；同时该弯折使凸起侧部的第一侧边段2的刚度大于第二侧边段3的刚度，在密封凸起受到压缩后，变形位置集中在刚度较小的第二侧边段3上，而刚度较大的第一侧边段2不发生变形，能够保证密封层仅在密封凸起的高度方向即压缩方向上变形，可以保证密封层的密封接触面积，进而保证密封的鲁棒性。

此外，该双极板不会增加密封凸起底部宽度，所以不会增大密封底边宽度b，在同等密封刚度的情况下，其密封宽度有效占比明显提高，节省了密封空间，提升了活性区占比，提升功率密度，进而提高了双极板空间有效利用率。

本实施例公开的双极板可以采用两种结构形式，一种结构形式是两片金属单极板均冲压形成密封凸起，两片金属单极板上的密封凸起的底部靠近布置，凸起顶部1远离布置，如图3和图5所示，将两片金属单极板通过焊接或者粘接或者其他方式结合。两片金属单极板结合后，两个密封凸起的位置会形成一个相对金属单极板的平板部4对称布置的空腔。另一种结构形式是其中一片金属单极板冲压形成密封凸起，另一片金属单极板保持平板状，如图4和图6所示。将两片金属单极板通过焊接或者粘接或者其他方式结合。两片金属单极板结合后，密封凸起的位置会形成一个相对金属单极板的平板部4向一侧突出的空腔。

具体的实施方式中，凸起顶部1与金属单极板的平板部4平行，且凸起侧部的顶端宽度小于底端宽度。本实施例使凸起顶部1具有与平板部4平行的支撑面，为密封层提供支撑，从而保证密封面积，提高密封效果。而且，密封凸起顶窄底宽，近似于梯形，承压强度更佳。当然。上述凸起顶部1也可以为一个支撑弧面，密封凸起也可以为其他形状，如拱形等。

优选的，第一侧边段2为与凸起顶部1满足垂直条件设置的第一直线边。需要说明的是，满足垂直条件指的是垂直或者近似垂直。本实施例中，第一直线边沿密封凸起受到的密封压缩方向布置，能够更好地承受压缩力，从而支撑凸起顶部1，避免凸起顶部1产生变形，起到保持密封接触面形状作用，保证密封效果。当然，第一侧边段2还可以为弧形边，只要刚度比第二侧边段3的刚度大均可，以保证凸起顶部1的密封可靠性。

本发明提供的实施例一中，第二侧边段3为具有第一弧形弯折的弧形边，该弧形边与第一直线边通过第二弧形弯折连接。本实施例的凸起侧部采用上部直线边、下部弧形边并圆滑过渡的结构，通过第一弧形弯折和第二弧形弯折实现了凸起侧部的长度大于凸起顶部1与凸起侧部底端连线的长度，从而降低密封刚度。此结构可以用于两片金属单极板，如图3所示；也可以用于单片金属单极板，如图4所示。

本实施例的凸起侧部采用曲线结构，避免应力集中。在密封凸起受到压缩后，变形位置集中在下部的弧形边上，上部的第一直线边不发生变形，可以极大程度降低密封刚度，增加压缩位移区间。同时，此结构不会增加密封凸起底边宽度，进而不会增大密封底边宽度，因此密封宽度有效占比不变或者提高，提高了双极板有效利用率。

进一步的技术方案中，弧形边为向外突出的圆弧边，该圆弧边的半径R为密封凸起高度的10％～90％，能够在降低密封刚度的同时保证对凸起顶部1的支撑强度。当然，该弧形边也可以为向内凹陷的圆弧边，或者由波浪线形成的弧形边等，只要形成的刚度比直线边小均可。

本发明提供的实施例二中，第二侧边段3为第二直线边，第二直线边与平板部4的第二夹角小于第一直线边与平板部4的第一夹角，且第一直线边与第二直线边连接形成直线弯折。本实施例的凸起侧部采用上部和下部均为直线边，且两者相对平板部4的倾斜角度不同，其中第二直线边的倾斜角度较小，第一直线边的倾斜角度接近垂直，通过两个直线边的连接的弯折连接实现了凸起侧部的长度大于凸起顶部1与凸起侧部底端连线的长度，从而降低密封刚度。此结构可以用于两片金属单极板，如图5所示；也可以用于单片金属单极板，如图6所示。

在密封凸起受到压缩后，变形集中在第二直线边上。第一直线边由于初始状态是垂直的，受到压缩后，垂直的第一直线边会向密封凸起内部收缩变形，但凸起顶部1不会发生变形，因此可以保持较高的密封宽度有效占比；并且此结构也可以明显降低密封刚度，进而增加密封有效压缩位移。

本实施例的凸起侧部采用两段直线结构，方便加工。可以理解的是，本发明的凸起侧部还可以采用三段式或者其他段式的直线结构，只要实现下部分刚度小于上部分刚度即可。

第二夹角k为10°～60°，此时，第二直线边相对于平板部4的倾斜角度采用10°～60°，能够在增大可用密封压缩位移窗口的同时提高双极板的空间利用率。根据实际应用需求，上述第二夹角还可以为其他角度，只要小于凸起顶部1与凸起侧部底端连线相对于平板部4的倾斜角度即可。

在另一实施例中，第一侧边段2和第二侧边段3均为直线边，且第二侧边段3与平板部4的第二夹角小于第一侧边段2与平板部4的第一夹角。本实施例中，使上部分的第一侧边段2和下部分的第二侧边段3均采用直线边，且上部分的直线边相对平板部4的倾斜夹角大于下部分的直线边相对平板部4的倾斜夹角，实现在密封凸起受到的压缩方向上，上部分的直线边刚度大于下部分的直线边刚度。具体的，第一夹角可以为80°，第二夹角可以为60°等。

在另一实施例中，第一侧边段2和第二侧边段3均为弧形边，且第二侧边段3的半径大于第一侧边段2的半径。本实施例中，使上部分的第一侧边段2和下部分的第二侧边段3均采用弧形边，且在密封凸起受到的压缩方向上，上部分的弧形边刚度大于下部分的弧形边刚度，从而降低密封刚度。

为了进一步优化上述技术方案，第一侧边段2的长度小于第二侧边段3的长度。受长度影响，长度较大的侧边段刚度较小，从而降低了密封刚度。

传统的双极板通过将金属板通过冲压成形为梯形凸起01；一种结构形式是两片金属单极板均冲压形成梯形凸起01，在梯形凸起01短边粘贴或者丝网印刷上橡胶或者高分子材料形成密封层02，如图1所示。另一种结构形式是其中一片金属单极板冲压形成梯形凸起01，另一片金属单极板保持平板状，如图2所示。在一侧的梯形凸起01短边粘贴或者丝网印刷上橡胶或者高分子材料形成密封层02。

针对传统的双极板和本发明实施例一、实施例二公开的双极板，所对应的两种结构形式的实际试验结果如下：

图7为传统双极板与本发明实施例一、实施例二的双极板的压缩位移对比，本发明实施例一和实施例二的双极板的压缩位移均大于传统双极板的压缩位移。压缩位移越大，对零部件尺寸公差的适配性越好。

图8为传统双极板与本发明实施例一、实施例二的双极板的密封刚度对比，本发明实施例一和实施例二的双极板的密封刚度均小于传统双极板的密封刚度。相同压缩应力范围内，刚度越低，对零部件尺寸公差的适配性越好。

图9为传统双极板与本发明实施例一、实施例二的双极板的密封有效占比对比，本发明实施例一和实施例二的双极板的密封有效占比均大于传统双极板的密封有效占比。相同高压缩位移下，有效占比越高，双极板利用率越大。

设计时，根据系统及短堆要求，首先设计双极板构型及可用于密封凸起所形成的密封结构的尺寸空间。密封结构的高度决定于膜电极的尺寸及其尺寸公差，以及密封零件对密封力的要求。根据以上几点性能要求，设计密封的高度及宽度后，可以计算密封的压缩位移窗口是否满足零部件尺寸公差的匹配，包括膜电极，密封，双极板及整体电堆的要求。如果密封窗口无法满足尺寸公差匹配，则需要优化密封设计。如果采用实施例一，则需要选择圆弧过度倒角半径R的范围，重新计算密封位移尺寸公差。其中凸起侧部的倾斜角度或刚度可以通过仿真模型或者实验来验证。如果采用实施例二，则需要选择下段直线边与平板部4的第二夹角k。同样，第二夹角k或刚度可以通过仿真模型或者实验来验证。优化完成后，需要再次验证密封压缩位移窗口是否满足零部件尺寸公差。如果可以满足，则可以确定密封结构的最终设计。

本发明实施例还公开了一种燃料电池，包括层叠在一起的多个双极板，该双极板为上述任一项实施例提供的双极板，增大了可用密封压缩位移窗口，从而提高了对零部件尺寸公差的适配性，其优点是由双极板带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池的双极板，其特征在于，包括：

层压在一起的两片金属单极板，至少一片所述金属单极板外边缘设置有向远离另一片金属单极板的方向突出的密封凸起；

所述密封凸起包括：

凸起顶部(1)，设置有密封层；

连接所述金属单极板的平板部(4)与所述凸起顶部(1)的凸起侧部，所述凸起侧部具有至少一个弯折，以实现在所述密封凸起的高度方向上，所述凸起侧部靠近所述凸起顶部(1)的第一侧边段(2)的刚度大于所述凸起侧部远离所述凸起顶部(1)的第二侧边段(3)的刚度，在密封凸起受到压缩后，变形位置集中在刚度较小的第二侧边段上，而刚度较大的第一侧边段不发生变形。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述凸起顶部(1)与所述金属单极板的平板部(4)平行，且所述凸起侧部的顶端宽度小于底端宽度。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一侧边段(2)为与所述凸起顶部(1)满足垂直条件设置的第一直线边。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述第二侧边段(3)为具有第一弧形弯折的弧形边，该弧形边与所述第一直线边通过第二弧形弯折连接。

5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于，所述弧形边为向外突出的圆弧边，该圆弧边的半径R为所述密封凸起高度的10％～90％。

6.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述第二侧边段(3)为第二直线边，所述第二直线边与所述平板部(4)的第二夹角小于所述第一直线边与所述平板部(4)的第一夹角，且所述第一直线边与所述第二直线边连接形成直线弯折。

7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述第二夹角k为10°～60°。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一侧边段(2)和所述第二侧边段(3)均为直线边，且所述第二侧边段(3)与所述平板部(4)的第二夹角小于所述第一侧边段(2)与所述平板部(4)的第一夹角；

所述第一侧边段(2)和所述第二侧边段(3)均为弧形边，且所述第二侧边段(3)的半径大于所述第一侧边段(2)的半径。

9.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一侧边段(2)的长度小于所述第二侧边段(3)的长度。

10.一种燃料电池，包括层叠在一起的多个双极板，其特征在于，所述双极板为如权利要求1-9任一项所述的双极板。