CN115275248A - 燃料电池及其双极板组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极板组件，其将导流槽、限宽凸台以及限深凸台中的至少一种阵列布置，形成导流分区，各导流槽、限宽凸台以及限深凸台协同配合，有效排除介质反应后积聚于分隔脊处的水，并利用这些水对气体介质进行增湿，避免导流分区内的气体介质干燥，以此优化介质反应效果；同时，利用多个导流分区的不同阵列结构，对经由介质入口通入并流经各介质通槽内的氢气或氧气等反应介质形成多角度、多维度的绕流和导流作用，使得介质反应效果得以相应优化，燃料电池的整体性能得以相应提高。本发明还公开了一种应用上述双极板组件的燃料电池。

Description

燃料电池及其双极板组件

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及其配套器材技术领域，特别涉及一种双极板组件。本发明还涉及一种应用该双极板组件的燃料电池。

背景技术

随着人们对燃料电池研究的不断深入，燃料电池自身功率密度大幅提升，其中很大一部分贡献来源于双极板性能的提升。因此，双极板的设计一直是业内的技术研发重点之一。

目前主流的双极板组件结构，均以强化氧气传质为目标，朝着细密化及可变周期流场结构方向发展，部分专利进一步结合了膜电极自身特性进行设计。但受其自身结构所限，现阶段的双极板组件结构中用于导流的通道模块和变径模块等模块结构设计较为单一，一般仅能够对双极板组件的单一方面的性能进行适度提高，无法对双极板组件的综合性能进行整体优化，制约了双极板组件乃至燃料电池系统的整体性能提升。

因此，如何优化双极板组件的结构布局，提高其整体性能是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双极板组件，该双极板组件的整体结构布局较好，能够使其整体性能得以相应提高。本发明的另一目的是提供一种应用上述双极板组件的燃料电池。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双极板组件，包括基准板体，所述基准板体的一端设置有介质入口，另一端设置有介质出口，所述基准板体的主延展面上设置有若干分隔脊，各所述分隔脊平行布置，且相邻两所述分隔脊之间形成连通于所述介质入口与所述介质出口之间供介质流通的介质通槽；

所述分隔脊上设置有连通相邻两所述介质通槽的导流槽，所述分隔脊上朝向其相邻的介质通槽的侧壁上凸出设置有限宽凸台，所述介质通槽的槽底凸出设置有限深凸台；

所述基准板体的主延展面上形成若干沿其长度方向和/或宽度方向排布的导流分区，任一所述导流分区内设置有所述导流槽、所述限宽凸台、所述限深凸台中的至少一种，且位于同一所述导流分区内的所述导流槽和/或所述限宽凸台和/或所述限深凸台阵列排布。

优选地，所述导流槽的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述导流槽沿所述分隔脊的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

优选地，所述限宽凸台的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述限宽凸台沿所述分隔脊的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

优选地，同一所述导流分区内，位于同一所述分隔脊上的每两个相邻限宽凸台组成导流组，位于同一所述分隔脊上的各所述导流组与各所述导流槽沿所述分隔脊的延伸方向交替布置，任一导流槽与位于其相邻的分隔脊上的导流组对位配合。

优选地，任意一对对位配合的导流槽与导流组中，所述导流组中的至多一个限宽凸台的中心线与所述导流槽的中心线重合。

优选地，同一所述导流组中的两个限宽凸台分别位于分隔脊的两个不同的侧壁上，且同一所述导流组中的两个限宽凸台的凸起方向相反。

优选地，所述限深凸台的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述限深凸台沿所述介质通槽的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

优选地，同一所述导流分区内，位于相邻的两所述介质通槽内的各限深凸台错位布置。

优选地，所述限宽凸台的凸起高度不大于所述介质通槽的槽宽的一半。

本发明还提供一种燃料电池，包括双极板组件，所述双极板组件的主延展面上对位覆盖有碳纸，所述双极板组件为如上述任一项所述的双极板组件。

相对上述背景技术，本发明所提供的双极板组件，其工作运行过程中，将导流槽、限宽凸台以及限深凸台中的至少一种阵列布置，形成导流分区，各导流槽、限宽凸台以及限深凸台协同配合，有效排除介质反应后积聚于分隔脊处的水，并利用这些水对气体介质进行增湿，避免导流分区内的气体介质干燥，以此优化介质反应效果；同时，利用多个导流分区的不同阵列结构，对经由介质入口通入并流经各介质通槽内的氢气或氧气等反应介质形成多角度、多维度的绕流和导流作用，使得介质反应效果得以相应优化，燃料电池的整体性能得以相应提高。

在本发明的另一优选方案中，所述导流槽的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述导流槽沿所述分隔脊的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。在具体工况应用中，将分布于介质入口与介质出口间不同位置处的介质的静压测定标出并整理为所述双极板组件的静压云图，将该静压云图中的静压相等的位置用线相连，即可得到静压云图等压线；将各导流槽的中心线参照双极板组件的静压云图等压线对应布置，能够进一步优化各导流槽处的介质导流效果，以此进一步优化所述双极板组件的介质流动和反应效果，进而使得所述燃料电池的整体性能得以进一步提高。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明一种具体实施方式所提供的双极板组件的结构示意图；

图2为图1中第一个导流分区的A部分的局部结构放大图；

图3为图2中a-a向的剖视图；

图4为图1中第二个导流分区的B部分的局部结构放大图；

图5为图4中b-b向的剖视图；

图6为图1中第三个导流分区的C部分的局部结构放大图；

图7为图6中c-c向的剖视图；

图8为图1中第四个导流分区的D部分的局部结构放大图；

图9为图8中d-d向的剖视图。

其中：

11-基准板体；111-介质入口；112-介质出口；12-分隔脊；121-导流槽；122-限宽凸台；13-介质通槽；131-限深凸台。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双极板组件，该双极板组件的整体结构布局较好，能够使其整体性能得以相应提高；同时，提供一种应用上述双极板组件的燃料电池。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。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。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

请参考图1，并结合参考图2至图9。

在具体实施方式中，本发明所提供的双极板组件，包括基准板体11，基准板体11的一端设置有介质入口111，另一端设置有介质出口112，基准板体11的主延展面上设置有若干分隔脊12，各分隔脊12平行布置，且相邻两分隔脊12之间形成连通于介质入口111与介质出口112之间供介质流通的介质通槽13；

分隔脊12上设置有连通相邻两介质通槽13的导流槽121，分隔脊12上朝向其相邻的介质通槽13的侧壁上凸出设置有限宽凸台122，介质通槽13的槽底凸出设置有限深凸台131；

基准板体11的主延展面上形成若干沿其长度方向和/或宽度方向排布的导流分区，任一导流分区内设置有导流槽121、限宽凸台122、限深凸台131中的至少一种，且位于同一导流分区内的导流槽121和/或限宽凸台122和/或限深凸台131阵列排布。

其工作运行过程中，将导流槽121、限宽凸台122以及限深凸台131中的至少一种阵列布置，形成导流分区，各导流槽121、限宽凸台122以及限深凸台131协同配合，有效排除介质反应后积聚于分隔脊12处的水，并利用这些水对气体介质进行增湿，避免导流分区内的气体介质干燥，以此优化介质反应效果；同时，利用多个导流分区的不同阵列结构，对经由介质入口111通入并流经各介质通槽13内的氢气或氧气等反应介质形成多角度、多维度的绕流和导流作用，使得介质反应效果得以相应优化，燃料电池的整体性能得以相应提高。

应当理解的是，基准板体11的主延展面，是指基准板体11的外表面上由长度最大的两组对边围合而成的单一平面，也即，沿基准板体11的长度方向延伸的一组对边与沿基准板体11的宽度方向延伸的一组对边所围合而成的外壁所在的平面。实际应用中，基准板体11的两个主延展面上分别布置导流分区及相应的导流槽121、限宽凸台122、限深凸台131等导流单元结构，以便分别对流通于基准板体11的两侧主延展面上的燃料和氧化剂等介质进行对应的导流效果优化，提升所述双极板组件乃至所述燃料电池的整体性能。本文中其余部分涉及基准板体11的主延展面的表述均可参照此处对应理解，不再赘述。

应当说明的是，考虑到实际应用中具体工况条件和设备作业需求的不同，各导流分区在基准板体11的主延展面上的排布方式，可以是沿单一方向排布，该单一排布方向可以是基准板体11的长度方向、基准板体11的宽度方向、双极板组件的静压云图等压线的延伸方向、双极板组件的静压云图等压线的垂直方向中的任一种；各导流分区在基准板体11的主延展面上也可以按照两个单一方向的协同布置形成阵列排布，阵列排布时的两个相配合的排布方向可以是沿基准板体11的长度方向及基准板体11的宽度方向，亦可是沿双极板组件的静压云图等压线的延伸方向及双极板组件的静压云图等压线的垂直方向。实际设计应用时，工作人员也可以依据具体工况条件和应用需求灵活调整和选择各导流分区的具体排布形式，原则上，只要是能够保证所述双极板组件的实际应用需要均可。

此外需要指出的是，各导流分区的面积优选为等面积分布，以此保证各导流分区的协同适配效果，从而进一步优化所述燃料电池的整体性能。

进一步地，导流槽121的中心线与双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一导流分区内的各导流槽121沿分隔脊12的延伸方向以及垂直于双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。在具体工况应用中，将分布于介质入口111与介质出口112间不同位置处的介质的静压测定标出并整理为双极板组件的静压云图，将该静压云图中的静压相等的位置用线相连，即可得到静压云图等压线；将各导流槽121的中心线参照双极板组件的静压云图等压线对应布置，能够进一步优化各导流槽121处的介质导流效果，以此进一步优化双极板组件的介质流动和反应效果，进而使得燃料电池的整体性能得以进一步提高。

导流槽121能够将相邻的两条介质通槽13相互连通，从而将位于上游的介质通槽13内的介质导通至下游的介质通槽13内，以便优化各介质通槽13内的介质流通效果。

与此相类似地，限宽凸台122的中心线与双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一导流分区内的各限宽凸台122沿分隔脊12的延伸方向以及垂直于双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。设备运行过程中，限宽凸台122能够将对应位置处的介质通槽13的宽度适度收窄，以此形成变径通道结构，从而优化介质通槽13内的介质流动效果。

请着重参考图2和图3。

以图1中所示的第一个导流分区的A部分的组件局部结构为例。同一导流分区内，位于同一分隔脊12上的每两个相邻限宽凸台122组成导流组，位于同一分隔脊12上的各导流组与各导流槽121沿分隔脊12的延伸方向交替布置，任一导流槽121与位于其相邻的分隔脊12上的导流组对位配合；

在此基础上，任意一对对位配合的导流槽121与导流组中，导流组中的至多一个限宽凸台122的中心线与导流槽121的中心线重合；

此外，同一导流组中的两个限宽凸台122分别位于分隔脊12的两个不同的侧壁上，且同一导流组中的两个限宽凸台122的凸起方向相反。

具体到如图2和图3所示的实际应用结构中，导流槽121与位于其下方的邻位分隔脊12上且向上凸起的限宽凸台122对位配合，形成导流单元I；导流槽121与位于其上方的邻位分隔脊12上且向下凸起的限宽凸台122对位配合，形成导流单元II；分隔脊12的侧壁上向下凸起的限宽凸台122形成导流单元III；分隔脊12的侧壁上向上凸起的限宽凸台122形成导流单元IV。

以如图2和图3所示的第一个导流分区的结构为基础，具体来说，导流单元I、IV的限宽凸台122的凸起结构需配对一致，导流单元沿其排布方向不重复配对；导流单元II、III的限宽凸台122的凸起结构需配对一致，各导流单元不重复配对；导流单元I、II中，限宽凸台122的凸起部分与导流槽121对位配合，限宽凸台122的中心点在导流槽121的中心线的延长线上，导流槽121的中心线与双极板组件的静压云图等压线保持在90°±5°的夹角，且该导流槽121的中心线与基准板体11的长边的夹角为99.4°；限宽凸台122相对于分隔脊12的侧壁的凸起高度不大于介质通槽13宽度的1/2，考虑到一般工况下介质通槽13的槽宽为1mm，则该限宽凸台122的凸起高度选取为0.5mm；导流槽121的宽度不大于介质通槽13的宽度，对于一般工况条件而言，该导流槽121的宽度选取为1mm；设备组装时，基准板体11的两个主延展面上会对位包覆碳纸，设备运行过程中，碳纸会向介质通槽13的槽底方向内凹，从而形成碳纸适度侵入介质通槽13的状态，相应地，导流槽121沿垂直于基准板体11的主延展面的方向上的深度不小于碳纸向介质通槽13内侵入的深度，并应保证导流槽121的槽底与碳纸的间距不小于0.1mm，则该导流槽121的深度选取为0.2mm；导流单元I、II沿介质通槽13的延伸方向交替布置，导流单元III、IV沿介质通槽13的延伸方向交替布置，沿介质通槽13的延伸方向上，单种导流单元不相邻，即，两种导流单元沿介质通槽13的延伸方向交替出现，不同介质通槽13和分隔脊12间的同种导流单元布置在同一条直线上，导流单元I、IV与导流单元II、III交替布置；沿介质通槽13的延伸方向，相同的导流单元的布置间隔周期在分隔脊12宽度的2倍与30mm之间，考虑到一般工况下分隔脊12的宽度为1mm，则相同的导流单元的布置间隔周期选取为18mm。

另一方面，限深凸台131的中心线与双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一导流分区内的各限深凸台131沿介质通槽13的延伸方向以及垂直于双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。限深凸台131能够对介质通槽13的深度进行局部调整，以此通过介质通槽13的深度变化，优化介质通槽13内的介质流通效果，进而优化所述双极板组件的结构布局，并使所述燃料电池的整体性能得以相应提高。

在此基础上，同一导流分区内，位于相邻的两介质通槽13内的各限深凸台131错位布置。

请着重参考图4和图5。

以图1中所示的第二个导流分区的B部分的组件局部结构为例。限深凸台131布置于介质通槽13的底部，并连通于相邻的两个分隔脊12之间，限深凸台131的中心线与双极板组件的静压云图等压线保持在90°±10°之间的夹角，且该限深凸台131的中心线与基准板体11的长边的夹角为120°；限深凸台131相对于介质通槽13的槽底的高度不大于介质通槽13的深度与碳纸侵入介质通槽13的深度之间的差值，且该限深凸台131的高度可低于介质通槽13的深度的10％，考虑到一般工况下的介质通槽13深度为0.4mm，则该限深凸台131的高度选取为0.03mm，相应地，限深凸台131的顶面与介质通槽13的顶部槽口端的间距为0.37mm；限深凸台131的布置周期依托所述双极板组件的各介质通槽13的流阻要求以及各凸点处的阻力系数进行设计，一般地，限深凸台131的布置周期为37mm，且相邻的介质通槽13之间的限深凸台131交叉错位排布。

请着重参考图6和图7。

以图1中所示的第三个导流分区的C部分的组件局部结构为例。限深凸台131布置于介质通槽13的底部，并连通于相邻的两个分隔脊12之间，限深凸台131的中心线与双极板组件的静压云图等压线保持在90°±10°之间的夹角，且该限深凸台131的中心线与基准板体11的长边的夹角为105°；限深凸台131相对于介质通槽13的槽底的高度不大于介质通槽13的深度与碳纸侵入介质通槽13的深度之间的差值，考虑到一般工况下的介质通槽13深度为0.4mm，则该限深凸台131的高度选取为0.15mm，相应地，限深凸台131的顶面与介质通槽13的顶部槽口端的间距为0.25mm；限深凸台131的布置周期依托所述双极板组件的各介质通槽13的流阻要求以及各凸点处的阻力系数进行设计，一般地，限深凸台131的布置周期为18mm，且相邻的介质通槽13之间的限深凸台131交叉错位排布。

请着重参考图8和图9。

以图1中所示的第四个导流分区的D部分的组件局部结构为例。限深凸台131布置于介质通槽13的底部，并连通于相邻的两个分隔脊12之间，限深凸台131的中心线与双极板组件的静压云图等压线保持在90°±10°之间的夹角，且该限深凸台131的中心线与基准板体11的长边的夹角为90°；限深凸台131相对于介质通槽13的槽底的高度不大于介质通槽13的深度与碳纸侵入介质通槽13的深度之间的差值，考虑到一般工况下的介质通槽13深度为0.4mm，则该限深凸台131的高度选取为0.25mm，相应地，限深凸台131的顶面与介质通槽13的顶部槽口端的间距为0.15mm；限深凸台131的布置周期依托所述双极板组件的各介质通槽13的流阻要求以及各凸点处的阻力系数进行设计，一般地，限深凸台131的布置周期为12.5mm，且相邻的介质通槽13之间的限深凸台131交叉错位排布。

需要说明的是，在实际设计和组件装配应用中，各导流分区中的具体导流单元结构并不局限于如图所示的导流槽121、限宽凸台122、限深凸台131，还可以为结合现有的各种常规通道模块和变径模块协同配合形成的直流场、蜿蜒流场、三维流场等分区流场结构，工作人员可以依据实际工况条件下和应用需求灵活调整和选择，原则上，只要是能够满足所述双极板组件的结构布局需求，并保证所述燃料电池的实际应用需要均可。

在具体实施方式中，本发明所提供的燃料电池，包括双极板组件，所述双极板组件的主延展面上对位覆盖有碳纸，该双极板组件为如上文实施例中的双极板组件。该燃料电池的双极板组件的整体结构布局较好，能够使所述燃料电池的整体性能得以相应提高。

综上可知，本发明中提供的双极板组件，其工作运行过程中，将导流槽、限宽凸台以及限深凸台中的至少一种阵列布置，形成导流分区，各导流槽、限宽凸台以及限深凸台协同配合，有效排除介质反应后积聚于分隔脊处的水，并利用这些水对气体介质进行增湿，避免导流分区内的气体介质干燥，以此优化介质反应效果；同时，利用多个导流分区的不同阵列结构，对经由介质入口通入并流经各介质通槽内的氢气或氧气等反应介质形成多角度、多维度的绕流和导流作用，使得介质反应效果得以相应优化，燃料电池的整体性能得以相应提高。

此外，本发明所提供的应用上述双极板组件的燃料电池，其双极板组件的整体结构布局较好，能够使所述燃料电池的整体性能得以相应提高。

以上对本发明所提供的双极板组件以及应用该双极板组件的燃料电池进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双极板组件，包括基准板体，其特征在于，所述基准板体的一端设置有介质入口，另一端设置有介质出口，所述基准板体的主延展面上设置有若干分隔脊，各所述分隔脊平行布置，且相邻两所述分隔脊之间形成连通于所述介质入口与所述介质出口之间供介质流通的介质通槽；

所述分隔脊上设置有连通相邻两所述介质通槽的导流槽，所述分隔脊上朝向其相邻的介质通槽的侧壁上凸出设置有限宽凸台，所述介质通槽的槽底凸出设置有限深凸台；

所述基准板体的主延展面上形成若干沿其长度方向和/或宽度方向排布的导流分区，任一所述导流分区内设置有所述导流槽、所述限宽凸台、所述限深凸台中的至少一种，且位于同一所述导流分区内的所述导流槽和/或所述限宽凸台和/或所述限深凸台阵列排布。

2.如权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，所述导流槽的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述导流槽沿所述分隔脊的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

3.如权利要求2所述的双极板组件，其特征在于，所述限宽凸台的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述限宽凸台沿所述分隔脊的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

4.如权利要求3所述的双极板组件，其特征在于，同一所述导流分区内，位于同一所述分隔脊上的每两个相邻限宽凸台组成导流组，位于同一所述分隔脊上的各所述导流组与各所述导流槽沿所述分隔脊的延伸方向交替布置，任一导流槽与位于其相邻的分隔脊上的导流组对位配合。

5.如权利要求4所述的双极板组件，其特征在于，任意一对对位配合的导流槽与导流组中，所述导流组中的至多一个限宽凸台的中心线与所述导流槽的中心线重合。

6.如权利要求4所述的双极板组件，其特征在于，同一所述导流组中的两个限宽凸台分别位于分隔脊的两个不同的侧壁上，且同一所述导流组中的两个限宽凸台的凸起方向相反。

7.如权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，所述限深凸台的中心线与所述双极板组件的静压云图等压线的夹角为45°～135°，位于同一所述导流分区内的各所述限深凸台沿所述介质通槽的延伸方向以及垂直于所述双极板组件的静压云图等压线的方向阵列排布。

8.如权利要求7所述的双极板组件，其特征在于，同一所述导流分区内，位于相邻的两所述介质通槽内的各限深凸台错位布置。

9.如权利要求1所述的双极板组件，其特征在于，所述限宽凸台的凸起高度不大于所述介质通槽的槽宽的一半。

10.一种燃料电池，包括双极板组件，所述双极板组件的主延展面上对位覆盖有碳纸，其特征在于，所述双极板组件为如权利要求1至9中任一项所述的双极板组件。

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