CN115642268A - 燃料电池以及用于燃料电池的极板 - Google Patents

Abstract

本申请公开了燃料电池及其极板。极板包括：基板；第一组贯穿孔，邻近所述基板的第一侧边和第二侧边，用于输送燃料气体；第二组贯穿孔，邻近所述基板的第三侧边和第四侧边，用于输送氧化气体；第一流场结构，位于所述基板的第一表面上，所述第一流场结构的多个流道与所述第一组贯穿孔连通，并且，在所述基板的第一表面上形成开口槽以供给所述燃料气体；其中，所述极板还包括隔离结构，所述隔离结构沿着所述基板的所述第三侧边和所述第四侧边连续延伸，从而将所述第一流场结构与所述第二组贯穿孔彼此隔开。该极板设计可以形成连续延伸的隔离结构从而改善极板的密封，以及形成彼此交错的反应气体流道从而降低燃料气体的消耗量。

Description

燃料电池以及用于燃料电池的极板

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及燃料电池以及用于燃料电池的极板。

背景技术

燃料电池是通过甲醇或氢等燃料在膜电极组件的催化剂层与氧化气体发生电化学反应，获取电能的发电装置。燃料电池包括膜电极组件以及分别位于膜电极组件的相对侧的第一极板和第二极板。膜电极组件包括电解质膜以及位于电解质膜两侧表面的催化剂层和扩散层。第一极板和第二极板分别用于向膜电极组件输送燃料气体和氧化气体。

第一基板的第一表面例如是与膜电极组件相邻的阳极面，第二表面例如是阴极面、冷却面和平整表面之一。第二基板的第一表面例如是与膜电极组件相邻的阴极面，第二表面例如是阳极面、冷却面和平整表面之一。在阳极面、阴极面和冷却面上分别形成相应的流场结构，用于均匀分配燃料气体、氧化气体、冷却介质之一。

在燃料电池工作期间，燃料气体和氧化气体分别通过阳极面的流场结构的流道被传递到膜电极组件的相对表面。在膜电极组件内部的传递过程为燃料气体通过扩散层扩散到阳极催化层，氧化气体通过扩散到阴极催化层。在膜电极组件的阳极侧，在催化剂层催化剂的作用下，燃料气体放出电子形成阳离子。电子从催化剂表面经由扩散层传递到第一极板，再从第一极板传递到外部电路，再从外部电路传送到第二极板。阳离子则经由电解质膜传递到阴极催化剂层。在膜电极组件的阴极侧，电子从第二极板传递到扩散层，从扩散层传送至阴极催化剂层。氧化气体在阴极催化剂层上与从阳极传递过来的电子结合形成阴离子，阴离子与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成完整的电子回路和离子回路。电解质膜兼有离子通道和阻挡气体以及电子的作用。

燃料电池的极板结构对燃料电池的电化学性能和可靠性有着重要的影响。一方面，如果极板的气流通道设计存在着缺陷，则在燃料气体进入流场结构的反应区之前存在着过大的气流湍动程度，将增大气体在流场结构内部传质的难度，造成反应气体在反应面的分布不均一，从而造成电池的电化学性能降低。另一方面，如果极板的密封设计存在缺陷，则在燃料电池中存在着燃料气体、氧化气体和冷却介质之间的串气，在运行过程中就存在很大的安全隐患。燃料气体(例如，氢气)的分子量本身很小，如果冷却介质进入膜电极组件的阳极侧，则难以利用燃料气体的流动排出冷却介质，在膜电极组件的阳极侧发生“水淹”现象。若冷却介质中含有乙二醇，则更会导致膜电极组件的毁坏，从而导致燃料气体无法正常运行。

因此，产业界期望有更好的解决方案，采用改进设计的极板结构来提高燃料电池的电化学性能和可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供燃料电池以及用于燃料电池的极板，在极板的相邻侧边形成反应气体的贯穿孔，以形成连续延伸的隔离结构从而改善极板的密封，以及形成彼此交错的反应气体流道从而提高燃料气体的利用效率。

根据本发明的第一方面，提供一种用于燃料电池的极板，包括：基板，包括彼此相对的第一侧边和第二侧边，以及彼此相对的第三侧边和第四侧边；第一组贯穿孔，邻近所述基板的第一侧边和第二侧边，用于输送燃料气体；第二组贯穿孔，邻近所述基板的第三侧边和第四侧边，用于输送氧化气体；第一流场结构，位于所述基板的第一表面上，包括多个流道以及用于将所述多个流道彼此隔开的多个隔离脊，所述第一流场结构的多个流道与所述第一组贯穿孔连通，并且，在所述基板的第一表面上形成开口槽以供给所述燃料气体；其中，所述极板还包括隔离结构，所述隔离结构沿着所述基板的所述第三侧边和所述第四侧边连续延伸，从而将所述第一流场结构与所述第二组贯穿孔彼此隔开。

优选地，所述燃料气体在所述基板的第一表面上沿着所述第一侧边和所述第二侧边之间的路径流动。

优选地，所述第一组贯穿孔包括在侧壁上形成的横向开口，所述第一组贯穿孔的横向开口在所述基板的第一表面开口，从而在所述基板的第一侧边和第二侧边附近分别提供所述燃料气体的流入口和流出口。

优选地，还包括：第一导流结构，位于所述基板的第一表面上，包括多个导流槽以及用于将所述多个导流槽彼此隔开的多个隔离脊，其中，所述第一组贯穿孔经由所述第一导流结构连接至所述第一流场结构。

优选地，所述基板的第一表面与密封框接触，所述密封框围绕所述极板的周边部分，并且与所述隔离结构邻接，以实现所述燃料气体与所述氧化气体之间的密封隔离。

优选地，所述隔离结构延伸至所述第一侧边和所述第二侧边附近，从而将所述第一组贯穿孔与所述第二组贯穿孔彼此隔开。

优选地，还包括：第三组贯穿孔，邻近所述基板彼此相对的第三侧边和第四侧边，用于输送冷却介质，其中，所述第二组贯穿孔的多个贯穿孔和所述第三组贯穿孔的多个贯穿孔交错排列，所述隔离结构将所述第一流场结构与所述第二组贯穿孔和所述第三组贯穿孔彼此隔开。

优选地，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为阴极面，所述氧化气体在所述基板的第二表面上沿着所述第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动。

优选地，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为冷却面，所述冷却介质在所述基板的第二表面上沿着所述第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动。

优选地，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为平整表面。

根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池，包括：至少一个重复部件，包括第一极板、第二极板以及夹在二者之间的膜电极组件，所述第一极板包括与所述膜电极组件接触的阳极面以分配燃料气体，以及所述第二极板包括与所述膜电极组件接触的阴极面以分配氧化气体；以及夹持装置，包括第一端板、第二端板、以及用于连接二者的连接部件，用于将所述至少一个重复部件在堆叠的状态下固定在所述第一端板和所述第二端板彼此相对的支撑面之间，其中，所述第一极板为上述的极板。

优选地，所述第一极板和所述第二极板包括相同外形的基板，所述燃料气体沿着所述基板的第一侧边和所述第二侧边之间的路径流动，所述氧化气体沿着所述基板的第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动，以形成彼此交错的反应气体流道。

优选地，所述第一极板的阳极面上形成有第一流场结构，所述第一流场结构与所述第一组贯穿孔，所述第二极板的阴极面形成有第二流场结构，所述第二流场结构与所述第二组贯穿孔连通。

优选地，所述第一端板作为配流装置，其中，所述第一端板包括在相对端面上形成的燃料气体的流入端口和流出端口，以及在支撑面上形成的燃料气体的流入孔和流出孔。

优选地，所述燃料气体的流入端口和流入孔邻近所述基板的第一侧边，所述燃料气体的流出端口和流出孔邻近所述基板的第二侧边。

优选地，所述连接部件用于调节所述支撑面的距离以夹持所述至少一个重复部件以及施加压力。

根据本发明实施例的用于燃料电池的极板，在多个极板的堆叠状态下，将多个极板的第一组贯穿孔彼此连通以形成燃料气体的主管路，将多个极板的第二组贯穿孔彼此连通以形成氧化气体的主管路。第一组贯穿孔和第二组贯穿孔分别邻近基板的不同侧边。由于用于供给燃料气体的第一流场结构和用于输送氧化气体的第二组贯穿孔沿着基板的相同侧边延伸或排列，因此，二者之间的隔离结构可以设计为沿着基板的相同侧边连续延伸，从而将第一流场结构与第二组贯穿孔彼此隔开，因而可以改善极板的阳极面的密封状态，避免或降低了燃料气体和氧化气体的互串以及冷却介质串入燃料气体的流场结构的风险的发生。在优选的实施例中，隔离结构延伸至基板的第一侧边和第二侧边附近，从而将第一流场结构和第一组贯穿孔与第二组贯穿孔彼此隔开，因而可以进一步改善极板的阳极面的密封状态。

在优选的实施例中，燃料电池的第一极板和第二极板采用相同外形的基板，所述燃料气体沿着所述基板的第一侧边和所述第二侧边之间的路径流动，所述氧化气体沿着所述基板的第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动。采用彼此交错的反应气体流道，可以增大燃料气体的传质效率从而降低燃料气体的消耗量。

在优选的实施例中，燃料电池的第一端板作为配流装置，第一端板包括在相对端面上形成的燃料气体的流入端口和流出端口，以及在支撑面上形成的燃料气体的流入孔和流出孔，燃料气体的流入端口和流入孔邻近基板的第一侧边，所述燃料气体的流出端口和流出孔邻近基板的第二侧边，因而，可以缩短第一端板的内部的燃料气体管路的长度，有利于燃料气体在极板的阳极面上的均匀分配；同时有利于增大燃料气体进出口压差，增大燃料气体的利用率，从而进一步降低燃料气体的消耗量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明实施例的燃料电池的夹持装置的立体结构示意图。

图2示出根据本发明实施例的燃料电池的重复部件的示意性截面图。

图3示出根据本发明实施例的燃料电池中第一极板阳极面的平面图。

图4示出根据本发明实施例的燃料电池中第二极板阴极面的平面图。

图5示出根据本发明实施例的燃料电池中第一极板和第二极板冷却面的平面图。

图6示出图5所示第一极板阳极面的立体结构的局部放大图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本文所使用的所有术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出根据本发明实施例的燃料电池的夹持装置的立体结构示意图。燃料电池的夹持装置100用于将堆叠在一起的多个重复部件(repeat part)固定在一起。

夹持装置100包括彼此相对的第一端板110和第二端板120，以及将第一端板110和第二端板120的相对侧边连接在一起的连接部件130。

连接部件130用于将第一端板110和第二端板120连接在一起，以及通过调节二者之间的间距，使得第一端板110和第二端板120向二者之间的重复部件施加压力。连接部件130例如包括多个连接杆或者是整体的连接板。连接部件130的一端固定第一端板110上，连接部件130的另一端形成有螺孔或螺杆，用于与第二端板110连接在一起。

第一端板110和第二端板120彼此相对的表面作为重复部件的支撑面。第一端板110和第二端板120的支撑面大致为矩形形状。在一个实施例中，第一端板110和第二端板120的支撑面与二者之间的重复部件直接接触。在一个优选的实施例中，第一端板110的支撑面与重复部件之间还存在着附加的绝缘板，第二端板120的支撑面与重复部件之间还存在着附加的绝缘板。在另一个优选的实施例中，第一端板110的支撑面与重复部件之间还存在着附加的集流板，第二端板120的支撑面与重复部件之间还存在着附加的集流板。

第一端板110兼作燃料气体、氧化气体和冷却介质的配流装置。燃料气体包括气态的氢气，或者液态的甲醇或者甲醇溶液等燃料组成的流体。氧化气体可以是空气也可以是纯氧，冷却介质可以是液体也可以是气体。

在第一端板110的端面形成有用于连接外部管路的多个管路端口111，在第一端板110的支撑面形成有用于连接重复部件的多个分配孔112。管路端口111包括燃料气体、氧化气体和冷却介质的各自流入端口和流出端口。分配孔112包括燃料气体、氧化气体和冷却介质的各自一组流入孔和各自一组流出孔。

在第一端板110的内部形成内部管路。燃料气体的流入端口经由内部管路与相应的一组流入孔连通，流出端口经由内部管路与相应的一组流出孔连通，因而，第一端板110经由分配孔112向重复部件中的极板供给燃料气体。氧化气体的流入端口经由内部管路与相应的一组流入孔连通，流出端口经由内部管路与相应的一组流出孔连通，因而，第一端板110经由分配孔112向重复部件中的极板供给氧化气体。冷却介质的流入端口经由内部管路与相应的一组流入孔连通，流出端口经由内部管路与相应的一组流出孔连通，因而，第一端板110可以经由支撑面上的分配孔112向重复部件中的极板(或者，冷却板)供给冷却介质。

在本实施例中，管路端口111中的燃料气体的流入端口和流出端口分别位于沿着矩形的宽度方向延伸的一对端面上，燃料气体的流入孔和流出孔邻近沿着矩形的宽度方向延伸的一对侧边，即，邻近相应的流入端口和流出端口，因而，可以缩短第一端板110的内部管路的长度，有利于燃料气体在极板的阳极面上的均匀分配。

在本实施例中，管路端口111中的氧化气体的流入端口和流出端口、以及冷却介质的流入端口和流出端口，共同位于沿着矩形的宽度方向延伸的一个端面上，氧化气体的流入孔和流出孔、以及冷却介质的流入孔口和流出孔，交替分布于沿着矩形的长度方向延伸的一对侧边上，因而，可以在第一端板110的长度方向上提供多个流入口和流出口，流体行程短，行程阻力小，有利于氧化气体与冷却介质在极板流场中的均匀分配，提高了散热效率，利于阴极生成水的排出，提高了电堆一致性。

图2示出根据本发明实施例的燃料电池的重复部件的示意性截面图。燃料电池例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件200以提高输出电压。

重复部件200包括第一极板210和第二极板220、以及二者之间的膜电极组件230。第一极板210的第一表面例如是与膜电极组件220相邻的阳极面，第二表面例如是阴极面、冷却面和平整表面之一。第二极板220的第一表面例如是与膜电极组件相邻的阴极面，第二表面例如是阳极面、冷却面和平整表面之一。

在本实施例中，重复部件200包括第一极板210和第二极板220二者，其中，第一极板210为阳极板，阳基板的第一表面为阳极面，第二表面为冷却面和平整表面之一，第二极板220为阴极板，阴基板的第一表面为阴极面，第二表面为冷却面和平整表面之一。在替代的实施例中，重复部件包括第一极板210和第二极板220之一，其中，第一极板210或第二极板220为双极板，双极板的一个表面为阳极面且另一个表面为阴极面。

膜电极组件230包括电解质膜231，以及在电解质膜231的第一表面(燃料气体侧)上依次堆叠的阳极催化剂层232、阳极扩散层234，在电解质膜231的第二表面(氧化气体侧)上依次堆叠的阴极催化剂层233、阴极扩散层235。

电解质膜231是输送质子且具有使电子绝缘功能的一种选择性渗透膜。电解质膜231通过构成材料即离子交换树脂的种类，大体分为氟系电解质膜231和烃系电解质膜231。其中，氟系电解质膜231因为具有C－F键(C－F结合)，所以耐热性或化学稳定性优异。例如，作为电解质膜231，广泛使用以Nafion(注册商标，杜邦有限公司)的商品名得知的全氟磺酸膜。

阳极催化剂层232含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进将氢解离成质子及电子的反应(氢氧反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阴极催化剂层233含有担载有催化剂成分的电极催化剂及聚合物。电极催化剂具有促进由质子和电子和氧生成水的反应(氧还原反应)的功能。电极催化剂例如具有在由碳等构成的导电性载体的表面担载有铂等催化剂成分的构造。

阳极扩散层234和阴极扩散层235分别由多孔疏松导电材料组成，例如多孔碳纸材料,阳极扩散层234和阴极扩散层235分别将燃料气体和氧化气体从流场的流道中均匀扩散到电解质膜231催化层的两侧表面上，使燃料气体和氧化气体分别与阳极催化剂层232和阴极催化剂层233接触。

第一极板210的第一表面与膜电极组件230中的阳极扩散层234接触。在第一表面的周边部分形成有第一至第三组贯穿孔，在第一表面的中间部分形成有与第一组贯穿孔连通的燃料气体流场。该燃料气体流场包括多个流道(channel)211，所述多个流道211的相邻流道之间由脊(ridge)212彼此隔开。第一极板210的流道211在第一表面上是开口的，燃料气体沿着流道211的方向传递，以及输送到膜电极组件230的阳极侧。

第二极板220的第一表面与膜电极组件230中的阴极扩散层235接触。在第一表面的周边部分形成有第一至第三组贯穿孔，在第一表面的中间部分形成有与第二组贯穿孔连通的氧化气体流场。该氧化气体流场包括多个流道(channel)221，所述多个流道221的相邻流道之间由脊(ridge)222彼此隔开。第二极板220的流道221在第一表面上是开口的，氧化气体沿着流道221的方向传递，以及输送到膜电极组件230的阴极侧。

在燃料电池中，将多个重复部件200堆叠在一起且固定在夹持装置100的第一端板110和第二端板120之间。多个重复部件200的第一组贯穿孔彼此连通以形成燃料气体的第一组主管路，第二组贯穿孔彼此连通以形成氧化气体的第二组主管路，第三组贯穿孔彼此连通以形成冷却介质的第三组主管路。第一端板110的分配孔112与第一至第三组贯穿孔对齐，因而，可以提供燃料气体的流入孔和流出孔，氧化气体的流入孔和流出孔，以及冷却剂主的流入孔和流出孔。

图3和图5分别示出根据本发明实施例的燃料电池中第一极板的阳极面和冷却面的平面图。在本实施例中，第一极板210为阳极板。

第一极板210包括基板1和极耳2。基板1大致为矩形形状，包括沿着矩形宽度方向延伸且彼此相对的第一侧边和第二侧边，以及沿着矩形长度方向延伸且彼此相对的第三侧边和第四侧边。极耳2连接在基板1上，例如位于基板1的第一侧边和第四侧边之间的顶角位置。基板1兼有分散燃料气体以及传导电子的作用，可以由机械强度高和导电性能优良的材料组成，例如，石墨、不锈钢、钛合金、铝合金、铜合金等。极耳2作为检测端子用于连接检测的仪表设备。优选地，极耳2包括定位槽，用于在装配时进行定位。

在基板1的第一侧边和第二侧边附近形成相对设置的第一组贯穿孔(throughhole)。第一组贯穿孔包括位于第一侧边附近的至少一个贯穿孔3a和位于第二侧边附近的至少一个贯穿孔3b。在基板2的第三侧边和第四侧边附近形成相对设置的第二组贯穿孔和第三组贯穿孔。第二组贯穿孔包括位于第三侧边附近的至少一个贯穿孔4a和位于第四侧边附近的至少一个贯穿孔4b，第三组贯穿孔包括位于第三侧边附近的至少一个贯穿孔5a和位于第四侧边附近的至少一个贯穿孔5b。

第一组贯穿孔的截面形状大致为弧边梯形。优选地，弧边梯形的顶角倒圆。弧边梯形的顶边长度小于底边长度，例如顶边长度为底边长度的1/3至19/20。弧边梯形的顶边和底边平行于基板1的第一侧边和第二侧边。第一组贯穿孔包括与弧边梯形的弧形侧边相对应的曲面侧壁，以及在曲面侧壁上形成的横向开口。在本实施例中，第一组贯穿孔包括两个贯穿孔3a和两个贯穿孔3b，两个贯穿孔3a彼此隔开且相邻贯穿孔成镜像形状，两个贯穿孔3b彼此隔开且相邻贯穿孔成镜像形状。

第二组贯穿孔的截面形状大致为弧边梯形。优选地，弧边梯形的顶角倒圆。弧边梯形的顶边长度小于底边长度，例如顶边长度为底边长度的1/3至19/20。弧边梯形的顶边和底边平行于基板1的第三侧边和第四侧边。第二组贯穿孔包括与弧边梯形的弧形侧边相对应的曲面侧壁，以及在曲面侧壁上形成的横向开口。第三组贯穿孔的截面形状大致为矩形。优选地，矩形的顶角倒圆。矩形的短边平行于基板1的第三侧边和第四侧边。第三组贯穿孔包括与矩形的短边相对应的平直侧壁，以及在平直侧壁上形成的横向开口。

在本实施例中，第二组贯穿孔包括全等形形状的多个贯穿孔4a和多个贯穿孔4b，第三组贯穿孔包括全等形形状的多个贯穿孔5a和多个贯穿孔5b。在基板的第三侧边，第二组贯穿孔中的多个贯穿孔4a与第三组贯穿孔中的多个贯穿孔5a交错排列。在基板的第四侧边，第二组贯穿孔中的多个贯穿孔4b与第三组贯穿孔中的多个贯穿孔5b交错排列。

在燃料电池中，将多个重复部件堆叠在一起，多个重复部件内部的极板的侧边附近形成有第一组贯穿孔、第二组贯穿孔、以及第三组贯穿孔，第一组贯穿孔彼此连通以形成沿堆叠方向延伸的第一组主管路，第二组贯穿孔彼此连通以形成沿堆叠方向延伸的第二组主管路，第三组贯穿孔彼此连通以形成沿堆叠方向延伸的第三组主管路，用于分别向多个重复部件内部的极板的相应流场提供燃料气体、氧化气体和冷却介质。第一至第三组主管路的截面积与第一至三组贯穿孔的截面积分别对应，可以根据实际设计需要确定。第一组贯穿孔的截面积例如是第二组贯穿孔的截面积的0.5～8倍。第一组贯穿孔和第二组贯穿孔的截面积大于第三组贯穿孔的截面积，例如是第三组贯穿孔的截面积的1.5～10倍。

第一极板210包括在基板1的第一表面上形成的用于输送燃料气体的导流结构11和流场结构12、以及在基板1的第二表面上形成的用于输送冷却介质的导流结构31和流场结构32。因此，基板1的和第一表面和第二表面分别作为阳极板的阳极面和冷却面。

第一极板210的阳极面包括导流结构11、流场结构12以及隔离结构13。第一极板210的第一组贯穿孔的横向开口提供燃料气体的流入口和流出口。第一极板210的导流结构11位于第一组贯穿孔的横向开口和流场结构12之间，将燃料气体从第一组贯穿孔的横向开口引导至流场结构32的入口，以及将燃料气体从流场结构32的出口引导至第一组贯穿孔的横向开口。

第一极板210的阳极面上的导流结构11包括从第一组贯穿孔的横向开口延伸至流场结构12的入口或出口且呈放射状分布的多个导流槽11a。所述多个导流槽11a由隔离脊11b彼此隔开，隔离脊11b的数量例如为5至10个。在第一极板210的第一表面上，导流结构11的隔离脊11b的一端可以延伸至第一组贯穿孔的边缘，也可以与第一组贯穿孔的边缘隔开一定距离，导流结构11的隔离脊11b的另一端可以延伸至流场结构12的边缘，甚至与流场结构12的脊直接连接，也可以与流场结构12的边缘隔开一定距离。

第一极板210的多个导流槽11a在基板1的第一表面上是开口的，例如可以采用附加的垫片进行封闭，从而使导流槽形成上部封闭的导流管路，以防止导流槽在燃料电池装配压紧时被受压变形的膜电极组件的边框所堵塞。第一组贯穿孔的横向开口为曲面侧壁上的横向开口，该设计允许在第一组贯穿孔的宽度受到限制的情形下最大化横向开口的宽度，以减小燃料气体从第一极板210的第一组贯穿孔进入导流结构11的压阻，使燃料气体的流通更为畅通。在导流结构11中，第一极板210的多个导流槽11a在燃料气体的流入路径上的截面积逐渐变大，以减小燃料气体流入流场结构12的压阻，在燃料气体的流出路径上的截面积逐渐变小以增大燃料气体流出流场结构12的压阻。

第一极板210的阳极面上的流场结构12包括多个流道12a，所述多个流道12a由多个隔离脊12b彼此隔开。流场结构12的隔离脊12b的数量与流场结构12的长度和宽度相关。在本实施例中，流场结构12的的宽度为10-100mm，长度为75-400mm，流道12a的宽度为0.02-0.4mm，流道12a的深度为0.03-0.5mm，隔离脊12b的宽度为0.05-0.5mm。第一极板210的导流槽11a和流道12a形成主要沿着基板1的长度方向连续延伸的开口槽，不仅沿着阳极面输送燃料气体，而且经由开口槽膜电极组件230的阳极侧输送燃料气体。第一极板210的流道12a可以是波浪形流道、或者曲折流道等各种不同的设计。优选地，采用波浪形流道设计可以增加燃料气体的流动路径长度，从而增大燃料气体通过流场时的压阻。随着压阻的增大，燃料气体在第一极板210上的分布更加均匀。同时，也提高了膜电极组件平面方向的燃料气体的浓度，降低了电化学反应的能量损失。

参见图6，第一极板210的阳极面上的隔离结构13是邻近基板1的第三侧边和第四侧边连续延伸的凸块。在本实施例中，隔离结构13从邻近第一侧边的贯穿孔3a延伸至第二侧边的贯穿孔3b。第一组贯穿孔沿着基板1的第一侧边和第二侧边横向延伸，与相邻侧边的第二组贯穿孔和第三组贯穿孔邻接。因此，隔离结构13将阳极面上的流场结构12与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开。在替代的实施例中，隔离结构13从基板1的第一侧边延伸至第二侧边。第一组贯穿孔沿着基板1的第一侧边和第二侧边横向延伸，与隔离结构13邻接。因此，隔离结构13将阳极面上的第一组贯穿孔和流场结构12与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开。

在燃料电池中，第一极板210的阳极面与密封框相接触。密封框围绕阳极面的周边部分，并且形成有与第一至第三组贯穿孔相对应的开口。密封框完全地密封第二组和第三组贯穿孔的周边部分，以及部分地密封第一组贯穿孔的周边部分，使得第一组贯穿孔的横向开口暴露以作为燃料气体的入口和出口。进一步地，密封框与隔离结构13邻接，以实现燃料气体与氧化气体和冷却介质之间的密封隔离。在本实施例中，利用连续延伸的隔离结构13，可以改善密封框的密封效果。

在该实施例中，第一极板210的阳极面密封框可以采用预成型的密封胶条，或者在第一极板210的阳极面注胶及固化形成胶条。

第一极板210的冷却面包括导流结构31和流场结构32。第一极板210的第三组贯穿孔的横向开口提供冷却介质的流入口和流出口。第一极板210的导流结构31位于第三组贯穿孔的横向开口和流场结构32之间，将冷却介质从第三组贯穿孔的横向开口引导至流场结构32的入口，以及将冷却介质从流场结构32的出口引导至第三组贯穿孔的横向开口。

第一极板210的冷却面上的导流结构31包括多个导流槽31a和多个隔离脊31b，所述多个导流槽31a由所述多个隔离脊31b彼此隔开。隔离脊31b的数量例如为2至8个。

第一极板210的冷却面上的流场结构32包括多个流道32a和多个隔离脊32b，所述多个流道32a由所述多个隔离脊32b彼此隔开。隔离脊32b的数量和位置与散热效率的要求相关。在本实施例中，流场结构32中的隔离脊宽度为0.1-2mm，流道宽度为0.1-2mm，流道深度为0.03-0.5mm。第一极板210的导流槽31a例如为垂直于基板1的第一侧边的方向延伸的直线形状，第一极板210的流道32b例如为曲折形状，包括沿着平行于和垂直于基板1的第一侧边的方向连续延伸的多个部分。流场结构32的曲折流道设计可增加冷却介质的路径长度，降低冷却介质流动速度，增大传热效率，改善冷却效果，保证电堆良好的水热管理能力。第一极板210的导流槽31a和流道32a一起形成主要沿着基板1的宽度方向连续延伸的开口槽，可以采用相邻的重复部件的第二极板封闭冷却面的开口槽，或者采用集流体或绝缘板或端板封闭冷却面的开口槽，从而形成封闭的冷却管路。

第一极板210的冷却面上的隔离结构33包括邻近基板1的第一侧边和和第二侧边的两个凸块33a，以及沿着基板1的第三侧边和第四侧边分布排列的多个凸块33b。在两个凸块33a之间限定了冷却面上的流场结构32的区域，在多个凸块33b的相邻凸块之间限定了冷却面上的导流结构31的区域。因此，隔离结构33将冷却面上的流场结构32与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开，以及将冷却面上的第一组贯穿孔和流场结构32与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开。

在燃料电池中，第一极板210的冷却面与密封框相接触。密封框围绕冷却面的周边部分，并且形成有与第一至第三组贯穿孔相对应的开口。密封框完全地密封第一组和第二组贯穿孔的周边部分，以及部分地密封第三组贯穿孔的周边部分，使得三组贯穿孔的横向开口暴露以作为冷却介质的入口和出口。进一步地，密封框与隔离结构33邻接，以实现冷却介质与燃料气体和氧化气体之间的密封隔离。

在该实施例中，第一极板210的冷却面密封框可以采用预成型的密封胶条，或者在第一极板210的冷却面注胶及固化形成胶条。

图4和图5分别示出根据本发明实施例的燃料电池中第二极板的阴极面和冷却面的平面图。在本实施例中，第二极板220为阴极板。

第二极板220包括在基板1的第一表面上形成的用于输送氧化气体的导流结构21和流场结构22、以及在基板1的第二表面上形成的用于输送冷却介质的导流结构31和流场结构32。因此，基板1的和第一表面和第二表面分别作为阴极板的阴极面和冷却面。

第二极板220与第一极板210采用相同形状的基板1。第二极板220与第一极板210的冷却面结构相同。在两个极板中，第一至第三组贯穿孔的形状相同且位置相对应。以下省略对两个极板相同之处的详细描述。

第二极板220的阴极面包括导流结构21和流场结构22。第二极板220的第二组贯穿孔的横向开口提供氧化气体的流入口和流出口。第二极板220的导流结构21位于第二组贯穿孔的横向开口和流场结构22之间，将氧化气体从第二组贯穿孔的横向开口引导至流场结构32的入口，以及将氧化气体从流场结构32的出口引导至第二组贯穿孔的横向开口。

第二极板220的阴极面上的导流结构21包括从第二组贯穿孔的横向开口延伸至流场结构22的入口或出口且呈放射状分布的多个导流槽21a。所述多个导流槽21a由隔离脊21b彼此隔开，隔离脊21b的数量例如为5至10个。在第二极板220的第一表面上，导流结构21的隔离脊21b的一端可以延伸至第二组贯穿孔的边缘，也可以与第二组贯穿孔的边缘隔开一定距离，导流结构21的隔离脊21b的另一端可以延伸至流场结构22的边缘，甚至与流场结构22的脊直接连接，也可以与流场结构22的边缘隔开一定距离。

第二极板220的多个导流槽21a在基板1的第一表面上是开口的，例如可以采用附加的垫片进行封闭，从而使导流槽形成上部封闭的导流管路，以防止导流槽在燃料电池装配压紧时被受压变形的膜电极组件的边框所堵塞。第二组贯穿孔的横向开口为曲面侧壁上的横向开口，该设计允许在第二组贯穿孔的宽度受到限制的情形下最大化横向开口的宽度，以减小氧化气体从第二极板220的第二组贯穿孔进入导流结构21的压阻，使氧化气体的流通更为畅通。在导流结构21中，第二极板220的多个导流槽21a在氧化气体的流入路径上的截面积逐渐变大，以减小氧化气体流入流场结构22的压阻，在氧化气体的流出路径上的截面积逐渐变小以增大氧化气体流出流场结构22的压阻。

第二极板220的阴极面上的流场结构22包括多个流道22a，所述多个流道22a由多个隔离脊22b彼此隔开。流场结构22的隔离脊22b的数量与流场结构22的长度和宽度相关。在本实施例中，流场结构22的的宽度为10-100mm，长度为75-400mm，流道22a的宽度为0.02-0.4mm，流道22a的深度为0.03-0.5mm，隔离脊22b的宽度为0.05-0.5mm。第二极板220的导流槽21a和流道22a形成主要沿着基板1的长度方向连续延伸的开口槽，不仅沿着阴极面输送氧化气体，而且经由开口槽膜电极组件230的阳极侧输送氧化气体。第二极板220的流道22a可以是直线形流道、波浪形流道、或者曲折流道等各种不同的设计。优选地，采用直线形流道设计，氧化气体行程短，行程阻力小，减小了空压机等辅配件的能耗，并减小了水淹现象的发生，提高了电堆一致性。

第二极板220的阴极面上的隔离结构23包括邻近基板1的第一侧边和和第二侧边的两个凸块23a，以及沿着基板1的第三侧边和第四侧边分布排列的多个凸块23b。在两个凸块23a之间限定了阴极面上的流场结构22的区域，在多个凸块23b的相邻凸块之间限定了阴极面上的导流结构21的区域。因此，隔离结构23将阴极面上的流场结构22与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开，以及将阴极面上的第一组贯穿孔和流场结构22与第二组贯穿孔和第三组贯穿孔彼此隔开。

在燃料电池中，第二极板220的阴极面与密封框相接触。密封框围绕阴极面的周边部分，并且形成有与第一至第三组贯穿孔相对应的开口。密封框完全地密封第一组和第三组贯穿孔的周边部分，以及部分地密封第二组贯穿孔的周边部分，使得第二组贯穿孔的横向开口暴露以作为氧化气体的入口和出口。进一步地，密封框与隔离结构23邻接，以实现氧化气体与燃料气体和冷却介质的密封隔离。

应当说明的是，在本发明的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施例的限定。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例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种用于燃料电池的极板，包括：

基板，包括彼此相对的第一侧边和第二侧边，以及彼此相对的第三侧边和第四侧边；

第一组贯穿孔，邻近所述基板的第一侧边和第二侧边，用于输送燃料气体；

第二组贯穿孔，邻近所述基板的第三侧边和第四侧边，用于输送氧化气体；

第一流场结构，位于所述基板的第一表面上，包括多个流道以及用于将所述多个流道彼此隔开的多个隔离脊，所述第一流场结构的多个流道与所述第一组贯穿孔连通，并且，在所述基板的第一表面上形成开口槽以供给所述燃料气体；

其中，所述极板还包括隔离结构，所述隔离结构沿着所述基板的所述第三侧边和所述第四侧边连续延伸，从而将所述第一流场结构与所述第二组贯穿孔彼此隔开。

2.根据权利要求1所述的极板，其中，所述燃料气体在所述基板的第一表面上沿着所述第一侧边和所述第二侧边之间的路径流动。

3.根据权利要求1所述的极板，其中，所述第一组贯穿孔包括在侧壁上形成的横向开口，所述第一组贯穿孔的横向开口在所述基板的第一表面开口，从而在所述基板的第一侧边和第二侧边附近分别提供所述燃料气体的流入口和流出口。

4.根据权利要求3所述的极板，还包括：

第一导流结构，位于所述基板的第一表面上，包括多个导流槽以及用于将所述多个导流槽彼此隔开的多个隔离脊，

其中，所述第一组贯穿孔经由所述第一导流结构连接至所述第一流场结构。

5.根据权利要求1所述的极板，其中，所述基板的第一表面与密封框接触，所述密封框围绕所述极板的周边部分，并且与所述隔离结构邻接，以实现所述燃料气体与所述氧化气体之间的密封隔离。

6.根据权利要求1所述的极板，其中，所述隔离结构延伸至所述第一侧边和所述第二侧边附近，从而将所述第一组贯穿孔与所述第二组贯穿孔彼此隔开。

7.根据权利要求1所述的极板，还包括：

第三组贯穿孔，邻近所述基板彼此相对的第三侧边和第四侧边，用于输送冷却介质，

其中，所述第二组贯穿孔的多个贯穿孔和所述第三组贯穿孔的多个贯穿孔交错排列，所述隔离结构将所述第一流场结构与所述第二组贯穿孔和所述第三组贯穿孔彼此隔开。

8.根据权利要求1所述的极板，其中，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为阴极面，所述氧化气体在所述基板的第二表面上沿着所述第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动。

9.根据权利要求1所述的极板，其中，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为冷却面，所述冷却介质在所述基板的第二表面上沿着所述第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动。

10.根据权利要求1所述的极板，其中，所述基板的第一表面为阳极面且第二表面为平整表面。

11.一种燃料电池，包括：

至少一个重复部件，包括第一极板、第二极板以及夹在二者之间的膜电极组件，所述第一极板包括与所述膜电极组件接触的阳极面以分配燃料气体，以及所述第二极板包括与所述膜电极组件接触的阴极面以分配氧化气体；以及

夹持装置，包括第一端板、第二端板、以及用于连接二者的连接部件，用于将所述至少一个重复部件在堆叠的状态下固定在所述第一端板和所述第二端板彼此相对的支撑面之间，

其中，所述第一极板为根据权利要求1至10中任一项所述的极板。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述第一极板和所述第二极板包括相同外形的基板，所述燃料气体沿着所述基板的第一侧边和所述第二侧边之间的路径流动，所述氧化气体沿着所述基板的第三侧边和所述第四侧边之间的路径流动，以形成彼此交错的反应气体流道。

13.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，所述第一极板的阳极面上形成有第一流场结构，所述第一流场结构与所述第一组贯穿孔，所述第二极板的阴极面形成有第二流场结构，所述第二流场结构与所述第二组贯穿孔连通。

14.根据权利要求12所述的燃料电池，其中，所述第一端板作为配流装置，其中，所述第一端板包括在相对端面上形成的燃料气体的流入端口和流出端口，以及在支撑面上形成的燃料气体的流入孔和流出孔。

15.根据权利要求14所述的燃料电池，其中，所述燃料气体的流入端口和流入孔邻近所述基板的第一侧边，所述燃料气体的流出端口和流出孔邻近所述基板的第二侧边。

16.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述连接部件用于调节所述支撑面的距离以夹持所述至少一个重复部件以及施加压力。

Images