CN115911440A - 一种双极板、电堆及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极板、电堆及燃料电池，属于燃料电池技术领域。本发明双极板、电堆及燃料电池，凸设于单极板第一表面的凸起，一方面增大了单极板的结构强度，另一方面在第二表面形成凹槽，且两个单极板的凹槽对应设置形成插接口，可用于与巡检接头插接，还可用于在双极板堆叠制作电堆时与定位结构配合，具体地，可使双极板设置插接口的位置抵靠于定位模块，对堆叠的双极板进行集成定位，可避免双极板与定位模块接触发生卷边现象，既满足了单极板的强度要求，还提高了单极板的利用率，进而有利于提高单电池性能，同时简化了单极板加工工艺。

Description

一种双极板、电堆及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板、电堆及燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fue l Ce l l，PEMFC)，作为一种通过氢气和氧气电化学反应直接将化学能转化为电能的高效能量转换装置，因其发电过程中不用燃烧，不受卡诺循环限制，因而具有能量转化率高，环境友好等特点，已成为当今世界公认的最理想新能源技术之一。应用前景广阔、潜力巨大，被广泛应用于便携式设备、交通及固定发电等领域。

质子交换膜燃料电池由多组单电池串联构成，每组单电池核心组件为膜电极和双极板。膜电极组件(MEA)是由传导离子的(大多是传导氢离子的)膜、分别布置在该膜两侧的催化电极(阳极和阴极)，以及在催化电极两侧的气体扩散层(GDL)共同构成，提供电化学反应的工作界面。各个膜电极组件和布置在两侧的双极板(也称作流场板或隔膜板)共同构成单电池单元(un itce l l)，双极板是质子交换膜燃料电池中起到分隔燃料气体(氢气)、氧化剂以及为他们提供到达膜电极表面通路的作用，并且还具有收集、传导电流，进行电化学反应热交换，为膜电极组件提供结构支撑等功能。

在燃料电池工作过程中，氢气通过氢气进气总管进入氢气流场，经由氢气流场分配区分配进入氢气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阳极催化电极表面，而后氢离子透过质子膜到达阴极催化电极表面，电子则穿过双极板到达相邻单电池阴极；同理空气通过空气进气总管进入空气流场，经由氢气流场分配进入空气主流场，扩散进入气体扩散层，从而到达阴极催化电极表面进行电化学反应；反应产物及未参加反应的工作介质通过流场收集排出双极板进一步通过排气总管排出燃料电池；冷却液通过冷却液进入总管进入到双极板之间的冷却液腔室，经由冷却液流场分配区分配进入冷却液主流场，通过双极板与电化学反应发生位置进行换热，而后将热量带离燃料电池。

现有技术中，为使双极板的结构强度得到加强，通常会设置加强筋结构；为采集巡检电压，通常会设置巡检接口结构；为在电堆集成时对双极板进行定位，通常设置定位接口结构；多种结构设置会过多占用极板的部分空间，导致极板利用率较低，影响单电池的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双极板、电堆及燃料电池，提高了单极板的结构强度及利用率，有利于提升单电池的性能。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种双极板，包括两个单极板，所述单极板包括分别位于其厚度方向两侧的第一表面和第二表面，两个所述单极板的所述第二表面固定连接；

所述单极板的边缘设有凸起，所述凸起凸设于所述第一表面并在所述第二表面形成凹槽，两个所述单极板的所述凹槽对应设置并形成插接口，所述插接口用于与巡检接头插接或用于与定位结构配合。

作为双极板的可选方案，所述单极板设有多个所述凸起，多个所述凸起沿所述单极板的周向间隔设置于所述单极板的边缘。

作为双极板的可选方案，所述单极板包括多个凸起组，多个所述凸起组沿所述单极板的周向间隔设置于所述单极板的边缘，每个所述凸起组均包括多个间隔设置的所述凸起。

作为双极板的可选方案，其中一个所述单极板的多个所述凸起中，至少部分所述凸起与另一个所述单极板的多个所述凸起一一对应设置并形成多个所述插接口。

作为双极板的可选方案，所述单极板包括多个边，每个所述边上均设有至少一个所述插接口。

作为双极板的可选方案，每个所述边的两端及中部均设有所述插接口。

作为双极板的可选方案，所述凹槽的纵截面为梯形或圆弧形；所述纵截面垂直于所述插接口与所述巡检接头的插接方向。

作为双极板的可选方案，两个所述单极板的所述第一表面分别用于与两个膜电极组件抵接，所述膜电极组件包括CCM、边框和两个气体扩散层，所述边框包覆于所述CCM四周的边缘，两个所述气体扩散层分别盖设于所述CCM的两侧并与所述边框搭接；

所述第一表面设有让位槽，所述让位槽与所述CCM、所述边框和两个所述气体扩散层的搭接处对应设置，以使所述CCM、所述边框和两个所述气体扩散层的搭接处能位于所述让位槽内。

作为双极板的可选方案，所述让位槽的深度不小于所述边框厚度的一半。

第二方面，提供了一种电堆，包括如上所述双极板。

第二方面，提供了一种燃料电池，包括上所述电堆。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的双极板、电堆及燃料电池，凸设于单极板第一表面的凸起，一方面增大了单极板的结构强度，另一方面在第二表面形成凹槽，且两个单极板的凹槽对应设置形成插接口，可用于与巡检接头插接，还可用于在双极板堆叠制作电堆时与定位结构配合，具体地，可使双极板设置插接口的位置抵靠于定位模块，对堆叠的双极板进行集成定位，可避免双极板与定位模块接触发生卷边现象，既满足了单极板的强度要求，还提高了单极板的利用率，进而有利于提高单电池性能，同时简化了单极板加工工艺。

附图说明

图1为本发明实施例中双极板的结构示意图；

图2为本发明实施例中第一种插接口的结构示意图一；

图3为本发明实施例中第一种插接口的结构示意图二；

图4为本发明实施例中第二种插接口的结构示意图一；

图5为本发明实施例中第二种插接口的结构示意图二；

图6为本发明实施例中双极板与定位模块的配合关系示意图；

图7为本发明实施例中插接口与冠簧式巡检插针的配合关系示意图；

图8为本发明实施例中膜电极组件沿双极板长度方向的截面示意图；

图9为本发明实施例中膜电极组件与双极板的配合关系示意图；

图10为本发明实施例中双极板与膜电极搭接区的配合区域示意图。

附图标记：

10、双极板；1、单极板；a1、活性区；a11、主脊；a12、主流道；b1、歧口区；c1、分配区；c11、分配脊；c12、分配流道；11、第一表面；12、第二表面；13、凸起；14、凹槽；15、插接口；16、让位槽；161、让位分槽一；162、让位分槽二；17、过压区；

2、膜电极组件；21、CCM；221、上边框；222、下边框；23、气体扩散层；24、膜电极搭接区；25、膜电极活性区；26、膜电极边框区；

100、定位模块；200、冠簧式巡检插针。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。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。

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之“上”或之“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。

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。

现有技术中，为使双极板的结构强度得到加强，通常会设置加强筋结构；为采集巡检电压，通常会设置巡检接口结构；为在电堆集成时对双极板进行定位，通常设置定位接口结构；多种结构设置会过多占用极板的部分空间，导致极板利用率较低，影响单电池的性能。

为了解决上述问题，如图1-10所示，本实施例提供了一种双极板10，包括两个单极板1(分别为阳极板和阴极板)，单极板1包括分别位于其厚度方向两侧的第一表面11和第二表面12，两个单极板1的第二表面12固定连接；单极板1的边缘设有凸起13，凸起13凸设于第一表面11并在第二表面12形成凹槽14，两个单极板1的凹槽14对应设置并形成插接口15，插接口15用于与巡检接头插接或用于与定位结构配合。

凸设于单极板1第一表面11的凸起13，一方面增大了单极板1的结构强度，另一方面在第二表面12形成凹槽14，且两个单极板1的凹槽14对应设置形成插接口15，可用于与巡检接头插接，还可用于在双极板10堆叠制作电堆时与定位结构配合，具体地，可使双极板10设置插接口15的位置抵靠于定位模块100，对堆叠的双极板10进行集成定位，可避免双极板10与定位模块100接触发生卷边现象，既满足了单极板1的强度要求，还提高了单极板1的利用率，进而有利于提高单电池性能，同时简化了单极板1加工工艺。

本实施例中，单极板1包括多个凸起组，多个凸起组沿单极板1的周向间隔设置于单极板1的边缘，每个凸起组均包括多个间隔设置的凸起13。如此设置，既能满足提高单极板1四周的结构强度的要求，还不至于过度增加凸起13的数量，便于加工。

进一步地，相邻两个凸起组之间的间距为第一间距，同一凸起组中的相邻两个凸起13之间的间距为第二间距，第一间距大于第二间距。经实验验证，如此设置，可在满足单极板1结构强度要求的基础上，进一步减少凸起13的数量。

在其他实施例中，单极板1设有多个凸起13，多个凸起13沿单极板1的周向间隔设置于单极板1的边缘。如此设置，也可使单极板1四周的强度均得到提升。进一步地，为了使单极板1四周的强度得到均匀提升，可使任意相邻两个凸起13之间的间距均相等。

可选地，其中一个单极板1的多个凸起13中，至少部分凸起13与另一个单极板1的多个凸起13一一对应设置并形成多个插接口15。需要说明的是，为了便于描述，假设其中每个单极板1均设有N个凸起13，换言之，每个单极板1上形成有N个凹槽14，则其中一个单极板1上的n个凹槽14与另一个单极板1上的n个凹槽14一一对应并形成n个插接口15，且n≤N，进而可将巡检接头与不同的插接口15插接，对双极板10的不同部位进行电压采集。优选地，n＝N，增加了插接口15的数量，增加了电压采集点位，有利于更准确地评判双极板10的性能。

可选地，单极板1包括多个边，每个边上均设有至少一个插接口15，进而可对双极板10的每个边进行电压采集，有利于更准确地评判双极板10的性能。本实施例中，单极板1为矩形结构，因此，单极板1包括四个边。

本实施例中，单极板1包括活性区a1、两个歧口区b1和两个分配区c1，两个歧口区b1分别位于单极板1长度方向的两端，活性区a1位于单极板1长度方向的中颈部，每个歧口区b1与活性区a1之间均设有一个分配区c1。具体地，每个歧口区b1均设有三个沿单极板1宽度方向依次设置的进出口，两个歧口区b1共有六个进出口，分别为冷却液进口、冷却液出口、阳极气体进口、阳极气体出口、阴极气体进口和阴极气体出口，为了便于对六个进出口的电压进行采集，可使位于单极板1长度方向两端的两个边的两端及中部均设有插接口15，换言之，在单极板1长度方向的一端的边上的三个插接口15分别与位于该端的三个进出口一一对应设置，有利于更准确地评判双极板10的性能。当然，还可以使单极板1的每个边的两端及中部均设有插接口15，以进一步丰富电压采集点位，进而准确评判双极板10的性能。

凹槽14的纵截面形状可根据巡检接头的形状进行设置，常见的巡检接头有弹片式巡检插针和冠簧式巡检插针200。可选地，凹槽14的纵截面为梯形或圆弧形；纵截面垂直于插接口15与巡检接头的插接方向。需要说明的是，当凹槽14的纵截面为梯形时，可使插接口15能与弹片式巡检插针配合；当凹槽14的纵截面为圆弧形时，可使插接口15能与冠簧式巡检插针200配合。

在燃料电池中，双极板10和膜电极组件2表面是紧密配合的界面。双极板10通常为均一厚度，而膜电极组件2为多种功能层的堆叠和搭接，不同区域的厚度具有差异。具体地，膜电极组件2包括CCM 21、边框和两个气体扩散层23(比如碳纸)，边框包覆于CCM 21四周的边缘，两个气体扩散层23分别盖设于CCM 21的两侧并与边框搭接，需要说明的是，边框包括位于CCM 21上方的上边框221和位于CCM 21下方的下边框222，上边框221和下边框222将CCM 21四周的边缘包覆形成一个整体的边框。图8为膜电极组件2沿双极板10长度方向的截面示意图，如图8所示，为了便于理解，将CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处记为膜电极搭接区24，将CCM 21与两个气体扩散层23的搭接处记为膜电极活性区25，将只有边框的区域记为膜电极边框区26，从图8中可以看出，膜电极搭接区24的厚度比膜电极活性区25的厚度更厚，二者的厚度差值为边框的厚度，本实施例中，上边框221与下边框222的厚度均为h，则膜电极搭接区24与膜电极活性区25的厚度差值为2h。

当多组单电池进行串联堆叠动作时，如使膜电极组件2的工作部位(即膜电极活性区25)达到其应处的工作压力状态，则会有其他部分区域位置(比如膜电极搭接区24)产生明显过压，长时间的过压会使该部位结构损坏，从而导致工作部分受到的压力会逐渐增大，影响单电池的性能。

本实施例中，两个单极板1的第一表面11分别用于与两个膜电极组件2抵接；为了解决上述问题，第一表面11设有让位槽16，让位槽16与CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处对应设置，以使CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)能位于让位槽16内。通过设置让位槽16，可在制作电堆时，使CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)位于让位槽16内，进而在膜电极活性区25达到其应处的工作压力时，CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)不会处于过压状态，避免长时间过压导致结构损坏，进而使膜电极活性区25受到的压力逐渐增大，出现性能降低的问题。

需要说明的是，单极板1的第一表面11设有气体流场，气体流场包括位于活性区a1的主流场和位于分配区c1的分配流场，活性区a1设有多个间隔设置的主脊a11，相邻两个主脊a11之间形成一个主流道a12，多个主流道a12即形成主流场；对应地，分配区c1设有多个间隔设置的分配脊c11，相邻两个分配脊c11之间形成一个分配流道c12，多个分配流道c12形成分配流场。因此，当膜电极组件2与双极板10堆叠时，主脊a11与分配脊c11会与膜电极组件2紧密贴合，本实施例中，在多个主脊a11与CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)抵接的部位及多个分配脊c11与CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)抵接的部位均开设有让位分槽一161，以对CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)进行避让。此外，第一表面11上除了主脊a11与分配脊c11以外的其他部位也会有一部分区域(比如单极板1宽度方向两端的边缘)与CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)紧密贴合，因此该部分区域设有让位分槽二162，所有的让位分槽一161与所有的让位分槽二162共同组成让位槽16。

示例性地，图9为膜电极组件2与双极板10的配合关系示意图，如图9所示，图9中虚线框d表示膜电极组件2的边框的内边界，图9中实线框D表示膜电极组件2的外边界。如图10所示，图中两个虚线框之间的区域即为双极板10与膜电极搭接区24抵接的区域，记为过压区17，换言之，让位槽16设于过压区17。

可选地，让位槽16的深度不小于边框厚度的一半。本实施例中，让位槽16的深度大于等于h，从而使CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)处于工作条件压力状态或小于工作条件压力状态下，进一步保护CCM 21、边框和两个气体扩散层23的搭接处(即上述膜电极搭接区24)的结构，保证单电池的性能。

本实施例还提供了一种电堆，包括如上述双极板10。本实施例的电堆，通过应用上述双极板10，具有与上述双极板10相同的有益效果。

本实施例还提供了一种燃料电池，包括如上述电堆。本实施例的燃料电池，通过应用上述电堆，具有与上述电堆相同的有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种双极板，包括两个单极板(1)，所述单极板(1)包括分别位于其厚度方向两侧的第一表面(11)和第二表面(12)，两个所述单极板(1)的所述第二表面(12)固定连接；其特征在于，

所述单极板(1)的边缘设有凸起(13)，所述凸起(13)凸设于所述第一表面(11)并在所述第二表面(12)形成凹槽(14)，两个所述单极板(1)的所述凹槽(14)对应设置并形成插接口(15)，所述插接口(15)用于与巡检接头插接或用于与定位结构配合。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述单极板(1)设有多个所述凸起(13)，多个所述凸起(13)沿所述单极板(1)的周向间隔设置于所述单极板(1)的边缘。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述单极板(1)包括多个凸起组，多个所述凸起组沿所述单极板(1)的周向间隔设置于所述单极板(1)的边缘，每个所述凸起组均包括多个间隔设置的所述凸起(13)。

4.根据权利要求2或3所述的双极板，其特征在于，其中一个所述单极板(1)的多个所述凸起(13)中，至少部分所述凸起(13)与另一个所述单极板(1)的多个所述凸起(13)一一对应设置并形成多个所述插接口(15)。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述单极板(1)包括多个边，每个所述边上均设有至少一个所述插接口(15)。

6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，每个所述边的两端及中部均设有所述插接口(15)。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述凹槽(14)的纵截面为梯形或圆弧形；所述纵截面垂直于所述插接口(15)与所述巡检接头的插接方向。

8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，两个所述单极板(1)的所述第一表面(11)分别用于与两个膜电极组件(2)抵接，所述膜电极组件(2)包括CCM(21)、边框和两个气体扩散层(23)，所述边框包覆于所述CCM(21)四周的边缘，两个所述气体扩散层(23)分别盖设于所述CCM(21)的两侧并与所述边框搭接；

所述第一表面(11)设有让位槽(16)，所述让位槽(16)与所述CCM(21)、所述边框和两个所述气体扩散层(23)的搭接处对应设置，以使所述CCM(21)、所述边框和两个所述气体扩散层(23)的搭接处能位于所述让位槽(16)内。

9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，所述让位槽(16)的深度不小于所述边框厚度的一半。

10.一种电堆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述双极板(10)。

11.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求10所述电堆。

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