CN209119223U - 一种双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双极板及燃料电池，该双极板包括两块镜像设置的电极板，两块所述电极板通过各自的背面相互贴合设置，每块所述电极板包括固定在所述电极板正面的至少一个第一凸筋，所述第一凸筋环绕所述电极板的反应区域设置。本实用新型提供的技术方案可以降低燃料电池的制造难度和成本。

Description

一种双极板及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种利用电化学原理，将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池通常由多个单电池串联叠加而成，每个单电池通常包括叠装设置的包括阴极板和阳极板的双极板、包括阴极密封垫和阳极密封垫的密封垫以及膜电极等。

双极板靠中心的区域通常为反应区域，主要包括供空气、氢气和冷却液流动反应的流场以及各流体进出流场的进出口。由于需要保持反应区域的密封性，通常在阳极板和阴极板上均需开设环绕反应区域的凹槽。在组装燃料电池时，首先将密封垫安装于对应的凹槽内，例如通过点胶方式将胶体施加于槽内，然后在两块安装有密封垫的双极板之间放置一片膜电极。通过具有凹槽的双极板、密封垫和膜电极共同实现对反应区域的密封。

但是，采用上述结构的燃料电池目前还存在以下问题：

1、密封垫的尺寸要求非常高，否则与双极板上的凹槽不能完全匹配，容易导致密封失效，加之密封垫一般都是硅胶材质，有一定的柔性，生产过程的拉扯也容易导致变形，进一步加大了密封垫的制造难度和成本。特别是点胶的方案，不仅胶体均匀度及高度一致性难以保证，且大多数密封胶需要高温90℃以上烘烤，历经60至90分钟，才能固化，生产较为复杂，现场管控相当严格。

2、单个的密封垫要放置于双极板的凹槽内十分困难，机械手抓取不容易实现，通常需要人工来进行对齐，导致生产效率降低。

3、密封垫放入凹槽前，需在凹槽底部涂上底胶，以进一步增加密封垫与双极板的粘结强度，而这样将增加工艺复杂度，提高生产成本。

4、由于双极板通常较薄，且由于反应区域需要过气，阴极板和阳极板上用于放置密封垫的凹槽在氢气口和空气口的区域通常要错开，一方面，这样有导致密封垫密封失效的风险，另一方面，这也加大了带有凹槽的双极板及燃料电池的总体制造难度和成本。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种双极板及燃料电池。

一方面，本实用新型提供一种双极板，包括两块镜像设置的电极板，两块所述电极板通过各自的背面相互贴合设置，每块所述电极板包括固定在所述电极板正面的至少一个第一凸筋，所述第一凸筋环绕所述电极板的反应区域设置。

进一步，所述反应区域包括位于所述电极板中心位置的流场以及位于所述流场外围的多个流体进出口。每块所述电极板还包括固定在所述电极板正面的至少一个第二凸筋，所述第二凸筋分别环绕每个所述流体进出口设置，且所述第二凸筋位于所述第一凸筋环绕形成的区域内。

进一步，当所述第一凸筋的数量大于一个时，多个所述第一凸筋分别间隔环绕所述反应区域设置。

进一步，当所述第二凸筋的数量大于一个时，对应于同一个所述流体进出口的多个所述第二凸筋分别间隔环绕所述流体进出口设置。

进一步，所述第一凸筋和所述第二凸筋在垂直于凸筋延伸方向上的截面形状为梯形、圆弧形或顶角为圆角的三角形。

进一步，当所述截面形状为梯形时，所述梯形为等腰梯形，所述等腰梯形的下底边位于所述电极板的上表面。

进一步，所述第一凸筋和所述第二凸筋的延伸轮廓线包括直线和曲线中的至少一种。

进一步，所述电极板为金属板或石墨板。

另一方面，本实用新型还提供一种燃料电池，包括上述双极板以及与所述双极板匹配的膜电极，所述双极板与所述膜电极交替层叠设置。

进一步，所述膜电极的两面分别与两个相互镜像的所述第一凸筋抵接。

本实用新型提供的双极板及燃料电池的有益效果是，取消双极板上用于安装密封垫的凹槽可以使燃料电池整体结构更为轻便简单，由于不需要密封垫，而是通过双极板上的凸筋结构与燃料电池本身的膜电极之间的硬密封原理共同实现对反应区域的密封，不仅可以降低燃料电池的整体制造难度和成本，还可提高燃料电池的耐压能力。由于高压运行有利于气体的扩散、质子的传输以及反应水的排出，可进一步改善燃料电池的性能。由于凸筋结构相较于双极板的表面凸起，不会影响双极板反应区域的过气，故相互镜像设置的阴极板和阳极板上可以具有同样相互镜像的凸筋结构。也就是说，如果分开加工阴极板和阳极板，可以采用同一套模具，进一步降低了制造成本。另外，由于凸筋和双极板本体为一体结构，在装配燃料电池时，可以采用例如机械手等方式实现自动对准与叠放安装，提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中燃料电池的装配结构示意图；

图2为本实用新型实施例的双极板的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的双极板的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的双极板的局部结构示意图；

图5为本实用新型实施例的第一凸筋的截面示意图；

图6为本实用新型实施例的燃料电池的装配结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，传统的燃料电池包括依次叠装设置的阳极密封垫121、阳极板111、阴极板112、阴极密封垫122和膜电极130。其中，双极板由阳极板和阴极板组合而成，阳极板、阴极板均可称为电极板，如果电极板材料为石墨，可采用粘接方式连接阳极板和阴极板形成双极板，如果电极板材料为金属，可采用焊接方式连接阳极板和阴极板形成双极板。图1中为了区分双极板的阴、阳极区域，将同一块双极板的下半部分视为阳极板111，上半部分视为阴极板112。阳极板111上设置有流场的一面同时设置有阳极凹槽，在进行燃料电池装配时，需要将阳极密封垫121安装于阳极板111的阳极凹槽内。相应地，阴极板112上设置有流场的一面同时设置有阴极凹槽，在进行燃料电池装配时，需要将阴极密封垫122安装于阴极板112的阴极凹槽内。阳极密封垫121和阴极密封垫122位于对应凹槽外的一面经安装与膜电极130抵接。可以将依次设置的阳极密封垫121、阳极板111、阴极板112、阴极密封垫122和膜电极130视为一个单电池，燃料电池由多个单电池串联叠加而成。

如图2所示，本实用新型实施例提供的一种双极板包括两块镜像设置的电极板211和212，可以令电极板211为阴极板，电极板212为阳极板。

需要注意的是，为了体现双极板包括阴极和阳极的特性，在图2中将阴极板和阳极板分开示意，但在实际使用过程中，双极板为一体结构，可以将分开加工的阴极板和阳极板以粘接或焊接方式连接，也可以采用3D打印一体成型双极板。

另外，阴极板211和阳极板212镜像设置意为，首先，二者的主体结构相同，也就是包括流场，即反应流道，及流体进出口等基础结构相同，从而可采用相同的模具进行加工，降低制造成本。其次，如果二者初始状态相同，在将二者贴合时，只需将其中一者镜像翻转，然后完成二者的贴合连接，此时阴极板211和阳极板212相对于二者的贴合面镜像对称。

两块电极板211和212通过各自的背面相互贴合设置。

令图2中电极板空白的一面为背面，也就是阴极板211面向阳极板212的一面与阳极板212面向阴极板211的一面。相应地，与背面相反的一面为正面。需要注意的是，在双极板的实际使用过程中，双极板的反应区域由不同轨迹的凹凸相间的沟槽、凸台等特征组成，流道的形式有多种类型，例如蛇形流场、平行直流场、交指流场、网格型流场及以上流场的组合，流场在双极板中是非常重要的结构特征之一，但并不在本文中详细阐述，故在图2中电极板的背面和中间部分的反应区域是空白的，但这并不代表双极板内部，特别是反应区域是空白的，而是能兼容多重流道结构的。相互贴合后的两块电极板，也就是实际使用过程中的双极板如图3所示。

如图3和图4所示，每块所述电极板包括固定在所述电极板正面的至少一个第一凸筋213，第一凸筋213环绕所述电极板的反应区域设置。

需要注意的是，阴极板211和阳极板212整体是相互镜像设置的，阴极板211上的第一凸筋213和阳极板212上的第一凸筋213也是相互镜像设置的。也就是说，不仅阴极板211上的第一凸筋213和阳极板212上的第一凸筋213形状完全一样，且在阴极板211和阳极板212通过各自的背面相互贴合时，二者的第一凸筋213也是相对于贴合面镜像对称的。

在本实施例中，取消双极板上用于安装密封垫的凹槽可以使燃料电池整体结构更为轻便简单，由于不需要密封垫，而是通过双极板上的凸筋结构与燃料电池本身的膜电极之间的硬密封原理共同实现对反应区域的密封，不仅可以降低燃料电池的整体制造难度和成本，还可提高燃料电池的耐压能力。由于高压运行有利于气体的扩散、质子的传输以及反应水的排出，可进一步改善燃料电池的性能。由于凸筋结构相较于双极板的表面凸起，不会影响双极板反应区域的过气，故相互镜像设置的阴极板和阳极板上可以具有同样相互镜像的凸筋结构。也就是说，如果分开加工阴极板和阳极板，可以采用同一套模具，进一步降低了制造成本。另外，由于凸筋和双极板本体为一体结构，在装配燃料电池时，可以采用例如机械手等方式实现自动对准与叠放安装，提高生产效率。

优选地，所述反应区域包括位于所述电极板中心位置的流场215以及位于流场215外围的多个流体进出口216。

流场215为空气、氢气和冷却液等流体流动反应的区域，流体进出口216为各种流体进入流场215的进出口，通常包括空气进/出口、氢气进/出口和冷却液冷进/出口共六个流体进出口。流体进出口216通常围绕流场215设置，二者共同组成双极板的反应区域。

每块所述电极板还包括固定在所述电极板正面的至少一个第二凸筋214，第二凸筋214分别环绕每个流体进出口216设置，且第二凸筋214位于第一凸筋213环绕形成的区域内。

在第一凸筋213的环绕区域内的各流体进出口216的外围环绕第二凸筋214，可以进一步保证流场215和各流体进出口216的密封性。

需要注意的是，和第一凸筋213类似，阴极板211和阳极板212上的第二凸筋214也是相对于贴合面镜像对称的。

优选地，当第一凸筋213的数量大于一个时，多个第一凸筋213分别间隔环绕所述反应区域设置。

通过设置多个第一凸筋213，可以进一步保证对双极板反应区域的密封。如果有两个第一凸筋213，两个第一凸筋213可以例如“回”形的方式设置，反应区域位于“回”形内圈的“口”范围内。内圈的较小“口”可视为第一个第一凸筋213，外圈的较大“口”可视为第二个第一凸筋213。如果具有更多个第一凸筋213，可以按此方式继续类推。

优选地，当第二凸筋214的数量大于一个时，对应于同一个流体进出口216的多个第二凸筋214分别间隔环绕流体进出口216设置。

通过设置多个第二凸筋214，可以进一步保证对双极板流场215和流体进出口216的密封。第二凸筋214的设置方式与第一凸筋213类似，在此不再赘述。

优选地，第一凸筋213和第二凸筋214在垂直于凸筋延伸方向上的截面形状为梯形、圆弧形或顶角为圆角的三角形。

如上所述，如果单个凸筋以“口”形的方式设置，则凸筋延伸方向为“口”形，也就是例如连续沿一个矩形的四条边的方向。需要注意的是，为了加工方便，第一凸筋213和第二凸筋214在垂直于凸筋延伸方向上的截面形状可以相同。

凸筋的截面形状为梯形、圆弧形或顶角为圆角的三角形，不仅使凸筋具有一定的强度，并且在装配燃料电池时，分别位于两块双极板上对应的凸筋可以有效将中间的膜电极夹紧，保证反应区域的密封性。

优选地，当所述截面形状为梯形时，所述梯形为等腰梯形，所述等腰梯形的下底边位于所述电极板的上表面。

等腰梯形结构不仅方便脱模加工，降低双极板的整体制造难度，同时，在装配燃料电池时，更便于对准相对设置的两块双极板，并使二者同时压紧位于二者中间的膜电极。

需要注意的是，如图5所示，截面形状可为内部中空的等腰梯形，且梯形的顶角为圆角。此种结构的凸筋可采用例如钣金等加工方式进行制造，进一步降低材料成本，以及双极板和燃料电池的质量。

优选地，第一凸筋213和第二凸筋214的延伸轮廓线包括直线和曲线中的至少一种。

包括流场215和流体进出口216的反应区域的整体外围轮廓可以为矩形，也可以为两端大、中间小的“哑铃”形或者其他形状。流体进出口216的外围轮廓可以为矩形、圆形、圆角矩形或者其他形状。各轮廓形状的边可以根据实际情况设为直线或曲线。因此，为了配合双极板反应区域的外围轮廓，可以将第一凸筋213和第二凸筋214的延伸轮廓线，也就是沿反应区域或流体进出口216环绕的轮廓线的各组成边也相应设置为直线或曲线。当某一条直线边较长时，可将直线轮廓边线调整为多个曲线段组成的波浪形轮廓线，以加强相应凸筋部分的结构强度。

优选地，所述电极板为金属板或石墨板。

不同材质的双极板均可采用上述结构，对于燃料电池整体而言，可以有效降低制造难度和相应成本。

如图6所示，本实用新型实施例提供的一种燃料电池包括如上所述的双极板210以及与之匹配的膜电极230，双极板210与膜电极230交替层叠设置。

膜电极230包括与双极板流场215对应的活性区域，以及活性区域外围的护边区域，护边区域上具有与双极板各流体进出口216对应的通孔。护边区域可由PET、PA等塑胶类材料制成。需要注意的是，在图6中，并未示出位于膜电极230中间位置处的活性区域的详细结构，仅以一个矩形框表示，但这并不代表膜电极230的活性区域仅是一个通孔，其实质为质子交换膜结构。

在装配燃料电池时，叠装双极板210与膜电极230，也就是依次叠放一块双极板210与一片膜电极230，这样任意一片膜电极230均位于两块双极板210之间。

优选地，膜电极230的两面分别与两个相互镜像的第一凸筋213抵接。

与此同时，膜电极230的两面分别与两组相互镜像的第二凸筋214抵接。将燃料电池装配完成后，同一片膜电极230的上下相邻两块双极板210的相对的两组第一凸筋213、第二凸筋214将夹紧膜电极230。由于膜电极230的护边区域可具有一定的形变，即使两块双极板没有完全对准，膜电极230也可补偿这一误差，保证燃料电池密封的有效性。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双极板，其特征在于，包括两块镜像设置的电极板，两块所述电极板通过各自的背面相互贴合设置，每块所述电极板包括固定在所述电极板正面的至少一个第一凸筋，所述第一凸筋环绕所述电极板的反应区域设置。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述反应区域包括位于所述电极板中心位置的流场以及位于所述流场外围的多个流体进出口；

每块所述电极板还包括固定在所述电极板正面的至少一个第二凸筋，所述第二凸筋分别环绕每个所述流体进出口设置，且所述第二凸筋位于所述第一凸筋环绕形成的区域内。

3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，当所述第一凸筋的数量大于一个时，多个所述第一凸筋分别间隔环绕所述反应区域设置。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，当所述第二凸筋的数量大于一个时，对应于同一个所述流体进出口的多个所述第二凸筋分别间隔环绕所述流体进出口设置。

5.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一凸筋和所述第二凸筋在垂直于凸筋延伸方向上的截面形状为梯形、圆弧形或顶角为圆角的三角形。

6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，当所述截面形状为梯形时，所述梯形为等腰梯形，所述等腰梯形的下底边位于所述电极板的上表面。

7.根据权利要求2至6任一项所述的双极板，其特征在于，所述第一凸筋和所述第二凸筋的延伸轮廓线包括直线和曲线中的至少一种。

8.根据权利要求1至6任一项所述的双极板，其特征在于，所述电极板为金属板或石墨板。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的双极板以及与所述双极板匹配的膜电极，所述双极板与所述膜电极交替层叠设置。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极的两面分别与两个相互镜像的所述第一凸筋抵接。