CN116565251B - 单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池，属于燃料电池领域，单极板采用至少单层金属薄板制成，两侧面分别设有气体流道和冷却液流道，金属薄板两侧的气体流道与冷却液流道交错设置，相邻气体流道之间和相邻冷却液流道之间的凸起结构实现支撑与电流传导的作用；长度调节结构，在单极板中的高度低于被替代的凸起结构的高度，用于在驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，以调节反应气体在活性区域内的流场等效长度，其中，金属薄板在长度调节结构位置处的弹性变形量大于金属薄板的平均弹性变形量。通过本申请的技术方案，可以根据反应需求通过气体与冷却液压差实时调整长度调节结构的凸起变形量，从而改变流场等效长度。

Description

单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池。

背景技术

目前，燃料电池的流道结构皆为固定形式，无法根据燃料电池的工作状态进行改变，故而燃料电池流道为了保证反应气分布均匀性及良好的排水性能时，需要增加流道压降，这样在高功率高气流量工况下会造成较多的泵气损失；如果采用流道压降小的构型，其在低功率低气流量工况下排水性或反应气体分布均匀性不佳，进而造成燃料电池的性能不佳。这说明现有单一的流场分布无法适应不同工况。

发明内容

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种可以根据反应需求实时调整双极板上的流场分布的单极板、双极板、燃料电池单元以及燃料电池。

为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池的单极板，包括：极板本体，采用至少单层金属薄板制成，所述极板本体的两侧面分别设有气体流道和冷却液流道，金属薄板两侧的所述气体流道与所述冷却液流道交错设置，相邻所述气体流道之间和相邻所述冷却液流道之间的凸起结构实现支撑与电流传导的作用；长度调节结构，在单极板中的高度低于被替代的所述凸起结构的高度，用于在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向所述气体流道或者所述冷却液流道发生形变，以调节所述反应气体在所述活性区域内的流场等效长度，其中，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的弹性变形量大于所述金属薄板的平均弹性变形量。

在一个实施例中，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的平均厚度小于所述金属薄板的平均厚度，或者，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的弹性模量小于所述金属薄板的平均弹性模量。

在一个实施例中，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

在一个实施例中，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

在一个实施例中，所述金属薄板的厚度不大于0.1mm，所述燃料电池双极板的厚度不大于1.0mm。

在一个实施例中，所述长度调节结构还具有设置在所述气体流道内的变形簧片，该变形簧片的一端固定在所述冷却液流道的顶部，另一端与膜电极接触。

在一个实施例中，所述变形簧片的高度不小于所述长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

在一个实施例中，所述变形簧片的高度取值为x~2x，x为所述长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

在一个实施例中，所述变形簧片的弹性模量不大于所述长度调节结构的弹性模量。

一种双极板，由两块单极板组成，至少一块所述单极板为上述的燃料电池的单极板。

一种燃料电池单元，包括阴极板、膜电极和阳极板，所述阴极板和所述阳极板中至少一种为上述的燃料电池的单极板。

一种燃料电池，包括上述的双极板或者包括上述的燃料电池单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过金属薄板成形的长度调节结构，在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，根据反应需求通过气体与冷却液压差实时调整长度调节结构的凸起变形量，改变冷却液流场或反应气体流场的局部流阻，以调节反应气体在所述活性区域内的流场等效长度，从而改变流场配置，满足不同工况下的流场特性需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明的实施例中燃料电池双极板的示意图；

图2是本发明的实施例中燃料电池双极板中流场结构的示意图；

图3是图2中燃料电池双极板中流场结构的细节示意图；

图4是本发明的实施例中设计前燃料电池双极板的等效流场示意图；

图5是本发明的实施例中调节结构工作时燃料电池双极板的等效流场示意图；

图6是本发明的实施例中长度调节结构的截面示意图；

图7是本发明的实施例中长度调节结构的截面示意图；

图8是本发明的实施例中长度调节结构发生形变的截面示意图；

图9是本发明的另一实施例中长度调节结构的截面示意图；

图10是本发明的另一实施例中长度调节结构发生形变的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本申请实施例提供一种燃料电池，包括燃料电池单元以及其他结构等。其中，如图6所示，燃料电池单元包括阴极板、膜电极和阳极板，阴极板和阳极板中至少一种为本申请实施例所述的燃料电池的单极板。

本申请实施例提供一种燃料电池，包括燃料电池双极板、膜电极以及其他结构等。由于在本申请中的膜电极和其他结构等未进行改进，故不特意进行阐述。其中，如图7所示，双极板由两块单极板组装而成。至少其中一块单极板为本申请实施例所述的燃料电池的单极板。

如图1所示，本申请实施例提供一种燃料电池的单极板包括极板本体10和长度调节结构20。

极板本体10采用两层金属薄板制成，极板本体10的两侧面分别设有气体流道，两个金属薄板中间夹层在与气体流道的交错位置处设有冷却液流道，气体流道和冷却液流道可以是与金属薄板一体形成的。气体流道和冷却液流道之间通过凸起结构实现支撑与电流传导的作用。为了便于组装成双极板或燃料电池单元，极板本体上设置有阳极进气口1a、阴极进气口2a、冷却液入口3a、阳极排气口1b、阴极排气口2b以及冷却液出口3b。在图1中仅展示了一条冷却液流道11，在图1中流道所经过的方形区域12为活性区域12。在一个实施例中，极板本体10采用不锈钢板、钛板等金属薄板而成。在一个实施例中，极板本体10采用厚度为0.1mm以下的不锈钢板、钛板等金属薄板冲压制成。

流场包含流道（气体流道和冷却液流道均包含在内），以及流道之间的间隙、不同极板与极板之间的间隙、极板与膜电极之间的间隙等一切气体和液体等流体能够流进去的间隙。流场等效长度是指所有从流场入口到流场出口的气体粒子在流场中通过的流道长度的平均值。

长度调节结构20与金属薄板一体成型、且替代了燃料电池单极板的活性区域12的部分凸起结构。长度调节结构20用于在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，以调节反应气体在活性区域内的流场等效长度。

金属薄板在长度调节结构20位置处的弹性变形量大于金属薄板的平均弹性变形量。所以在长度调节结构20位置处的金属薄板可以在两侧流体压差驱动下发生变形，成为设置在凸起结构上的特定开关，对流经长度调节结构20的气体进行拦截或放开。弹性变形量是指在受到外力的作用下，金属薄板发生形状改变的数值。

单极板可以具有不同形式的流场结构，例如网格形流场结构、直通道流场结构、蛇形流场结构、螺旋形流场结构、交指形流场结构等。如图2和图3所示，单极板中的流场结构为以点阵式支撑结构形成的网格形流场结构（此图中未显示流场外侧的密封结构、流场入口结构和流场出口结构）。凸起结构15在图中以点阵方式进行排列，长度调节结构20替代了部分凸起结构15的位置。长度调节结构20也可以实现支撑与电流传导的作用。

如图2和图3所示，长度调节结构20替代了一列凸起结构15的部分位置，在一些实施例中，长度调节结构20可以替代多列凸起结构15的部分位置。长度调节结构20的长度和宽度不受凸起结构的限制。在一些实施例中，燃料电池单极板可以包括多个长度调节结构20，且长度调节结构20可以设置在同一侧或不同侧。

如图4所示，基于初始流场分布图确定流场最小等效长度（图中黑色箭头），此时流场最小等效长度为活性区域12的长度，流场最大等效宽度为活性区域12的宽度。压差不足时，长度调节结构20的变形特征没有凸起阻隔流体，流场流向示意图如图4所示；当压差足够时，长度调节结构20的变形特征凸起以阻隔流体，流场流向示意图如图5所示。如图5所示，当长度调节结构20工作时，图中黑色箭头为此时流场的等效长度，该流场等效长度近似为活性区域12的3倍活性区域12的宽度，故在图5中流场等效长度大于图4中流场等效长度。

在一个实施例中，如图6和图7所示，单极板100中的冷却液流道11的顶端一般设置为和膜电极200接触。长度调节结构20与极板本体10一体成型，故设置了长度调节结构20的冷却液流道11的顶端不与膜电极200接触。单极板100还设置了气体流道13，当冷却液流道11的顶端不与膜电极200接触时，气体可以经由此处间隙向另一侧流动，例如在图7中，气体可以经由此处间隙从左向右实现气体的流动14。

如图7和图8所示，当冷却液流道中的液体压力大于气体流道中的气体压力时，长度调节结构20会向气体流道发生形变，从而图7中冷却液流道11的顶端与膜电极200之间的间隙在图8中被填充，将气体流道13转变成两条平行且不完全隔绝的流道，此时气体仅可以在气体流道13中进行折返流动，无法实现从左向右实现气体的流动14，故而增加了反应气体在活性区域内的流场等效长度。

当冷却液流道中的液体压力小于气体流道中的气体压力时，长度调节结构20会向冷却液流道发生形变，从而在图8中被填充的冷却液流道11的顶端与膜电极200之间的间隙在图7中会恢复，将两条平行且不完全隔绝的气体流道13恢复成一条气体流道，此时气体无法在气体流道13中进行折返流动、仅可以实现从左向右实现气体的流动14，故而缩短了反应气体在活性区域内的流场等效长度。

当需要薄板上的长度调节结构20向气体流场方向移动，则增大冷却液对气体的相对压力，既可以是增大冷却液压力，也可以是降低气体压力，还可以是冷却液压力与气体压力同时改变；反之，如果需要薄板上的长度调节结构20向冷却液流场方向移动，则增大气体相对冷却液的相对压力，或者减小冷却液相对气体的相对压力。

在一个实施例中，为了延长单极板的使用效率以及使用寿命，板材厚度不大于0.1mm，成形极板厚度不大于1.0mm，长度调节结构20顶部的移动距离不大于0.5mm。

在一个实施例中，当金属薄板的材质为316不锈钢，采用各向同性弹性变形仿真计算，模量设为210GPa，泊松比设为0.3，薄板厚度为0.05mm，凸起结构15顶部宽度约为1mm，两侧流道底部宽度约为1mm，侧面倾角约45°，圆角半径约0.5mm，两侧支撑结构的高度为0.5mm，中间的长度调节结构20的高度为0.4mm。由于长度调节结构20的长度远大于宽度，更远大于板材厚度，简化为平面应变问题进行仿真计算。当极板内侧的冷却液压力比极板外侧的气体压力高约140kPa的情况下，长度调节结构20在压力差的驱动下向外侧位移约0.1mm，总高度达到支撑结构的0.5mm，可以根据需要改变冷却液流场或反应气体流场的局部流阻，以调节反应气体在活性区域内的流场等效长度，从而改变流场配置，满足不同工况下的流场特性需求。

上述装置，通过设置与金属薄板一体成型的长度调节结构，在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向气体流道或者冷却液流道发生形变，改变冷却液流场或反应气体流场的局部流阻，以调节反应气体在活性区域内的流场等效长度，从而改变流场配置，满足不同工况下的流场特性需求。

在一个实施例中，金属薄板在长度调节结构位置处的平均厚度小于金属薄板的平均厚度，或者，金属薄板在长度调节结构位置处的弹性模量小于金属薄板的平均弹性模量。

弹性模量是与材料性质有关的常数，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大。金属薄板可以采用冲压或是轧压等方式制备，金属薄板在长度调节结构位置处的平均厚度小于金属薄板的平均厚度。也可以通过对长度调节结构位置处的金属薄板进行二次处理，使得金属薄板在长度调节结构位置处的平均厚度小于金属薄板的平均厚度、或者使得金属薄板在长度调节结构位置处的弹性模量小于金属薄板的平均弹性模量。也可以采用多种金属制备同一一块金属薄板，这样不同金属所在位置处的弹性模量存在差异，从而实现金属薄板在长度调节结构位置处的弹性模量小于金属薄板的平均弹性模量。

如图9和图10所示，在一个实施例中，长度调节结构还具有设置在气体流道内的变形簧片21。该变形簧片21的一端固定在冷却液流道11的顶部，另一端与膜电极200接触。变形簧片21可以保证单极板与膜电极在任何状态下均保持电接触。

膜电极是膜电极组件（MEA）的简称，包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极气体扩散层。变形簧片21可以保证单极板与膜电极的阳极气体扩散层或阴极气体扩散层在任何状态下均保持电接触。

如图9和图10所示，当冷却液流道中的液体压力大于气体流道中的气体压力时，长度调节结构20会向气体流道发生形变，从而图9中冷却液流道11的顶端与膜电极200之间的间隙在图10中被填充且变形簧片21会被压制成片，将气体流道13转变成两条平行且不完全隔绝的流道，此时气体仅可以在气体流道13中进行折返流动，无法实现从左向右实现气体的流动14，故而增加了反应气体在活性区域内的流场等效长度。

当冷却液流道中的液体压力小于气体流道中的气体压力时，长度调节结构20会向冷却液流道发生形变，从而在图10中被填充的冷却液流道11的顶端与膜电极200之间的间隙在图9中会恢复、且变形簧片21也会恢复，将两条平行且不完全隔绝的气体流道13恢复成一条气体流道，此时气体无法在气体流道13中进行折返流动、仅可以实现从左向右实现气体的流动14，故而缩短了反应气体在活性区域内的流场等效长度。

故而变形簧片21可以保证单极板与膜电极在任何状态下均保持电接触。

在一个实施例中，变形簧片的高度不小于长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

在一个实施例中，变形簧片的高度取值为x~2x，x为长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

在一个实施例中，变形簧片的弹性模量不大于长度调节结构的弹性模量。变形簧片可以采用与极板相同厚度或更薄厚度的金属薄板材料制备而成。变形簧片的材质可以与极板材质相同或不相同，只要保证变形簧片的弹性模量不大于长度调节结构的弹性模量即可。

冷却液流场与气体流场之间设置有允许最大压差的设计值，超过该压力则可能导致电堆冷却液与气体之间的窜漏，因此由该压差驱动薄板变形，其驱动压差不应超过最大压差设计值。在一个实施例中，驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

在一个实施例中，驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

在一个实施例中，长度调节结构20可沿活性区域的长度方向延伸，也可以沿活性区域的宽度方向延伸。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种燃料电池的单极板，其特征在于，包括：

极板本体，采用至少单层金属薄板制成，所述极板本体的两侧面分别设有气体流道和冷却液流道，金属薄板两侧的所述气体流道与所述冷却液流道交错设置，相邻所述气体流道之间和相邻所述冷却液流道之间的凸起结构实现支撑与电流传导的作用；

长度调节结构，在单极板中的高度低于被替代的所述凸起结构的高度，用于在冷却液流场和气体流场之间的驱动压差下向所述气体流道或者所述冷却液流道发生形变，对流经所述长度调节结构的反应气体进行拦截或放开，以调节反应气体在活性区域内的流场等效长度，其中，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的弹性变形量大于所述金属薄板的平均弹性变形量，所述流场等效长度是指所有从流场入口到流场出口的气体粒子在流场中通过的流道长度的平均值。

2.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的平均厚度小于所述金属薄板的平均厚度，

或者，所述金属薄板在所述长度调节结构位置处的弹性模量小于所述金属薄板的平均弹性模量。

3.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的95%以下。

4.根据权利要求3所述的单极板，其特征在于，所述驱动压差的取值为冷却液流场与气体流场之间允许最大压差的设计值的30~60%。

5.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述金属薄板的厚度不大于0.1mm，所述燃料电池双极板的厚度不大于1.0mm。

6.根据权利要求1所述的单极板，其特征在于，所述长度调节结构还具有设置在所述气体流道内的变形簧片，该变形簧片的一端固定在所述冷却液流道的顶部，另一端与膜电极接触。

7.根据权利要求6所述的单极板，其特征在于，所述变形簧片的高度不小于所述长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

8.根据权利要求6所述的单极板，其特征在于，所述变形簧片的高度取值为x~2x，x为所述长度调节结构未变形时的上顶部与膜电极之间距离。

9.根据权利要求6所述的单极板，其特征在于，所述变形簧片的弹性模量不大于所述长度调节结构的弹性模量。

10.一种双极板，其特征在于，由两块单极板组成，至少一块所述单极板为权利要求1~9中任意一项所述的燃料电池的单极板。

11.一种燃料电池单元，其特征在于，包括阴极板、膜电极和阳极板，所述阴极板和所述阳极板中至少一种为权利要求1~9中任意一项所述的燃料电池的单极板。

12.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求10所述的双极板或者包括权利要求11所述的燃料电池单元。