CN211238390U - 一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆。燃料电池双极板包括相互粘接的第一单板和第二单板，所述第一单板靠近所述第二单板的表面上设置有多个锥形凸起，所述锥形凸起设置于所述第一单板的边缘处；第二单板上设置有与锥形凸起相配合的锥形凹槽，所述锥形凸起能够插于锥形凹槽内，以使锥形凸起的外表面贴合于所述锥形凹槽的内表面。第一单板和第二单板的材质及厚度相对于传统结构的双极板均无变化，因此，双极板的内阻与第一单板和第二单板接触面积的成反比，设置锥形凸起和锥形凹槽增加了接触面，使双极板的内阻降低；采用若干个该双极板的燃料电池的内阻会有较大幅度的降低，能够提高燃料电池的导电性能。

Description

一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆。

背景技术

随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来很长一段时间的发展方向。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上，能源清洁度整体高于二次储能电池。氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400～700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用，是替代传统能源车最有前景的新能源动力产品。

燃料电池的结构由端板、双极板、气体扩散层和膜电极构成。其中双极板又称集流板，是燃料电池的重要部件之一，具有分隔燃料与氧化剂、阻止气体透过、收集传导电流的功能。其表面密布设计与加工的流道，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应，良好的导热性能可以排出热量，保持电池温场均匀；导电性能优异，能将反应电子迅速传递给金属极板供给外电路做功。

双极板大致可分为三类：石墨双极板、金属双极板和复合双极板。石墨双极板用材料包括石墨、模压炭材料及膨胀(柔性)石墨。传统双极板采用致密石墨，经机械加工制成气体流道。石墨双极板化学性质稳定，与MEA之间接触电阻小，缺点是抗振动能力差，导电率低。

金属双极板用材料包括铝、镍、钛及不锈钢等，金属双极板易加工，批量化增大后成本低，厚度薄，电池的体积比功率高。但不锈钢和钛的表面均形成不导电的氧化物膜，使与MEA之间的接触电阻增高，欧姆电阻产生的极化损失多，运行效率下降，且表面易腐蚀。

复合双极板则根据复合材质的不同具有不同的性能表现，金属与石墨复合可以集中两者的优点，但制备工艺复杂，成本提高。石墨与高分子材料复合则成本降低、电阻增大。

目前国内应用以石墨双极板为主，小批量以雕刻工艺为主，大批量以模压工艺为主。雕刻双极板的材质主要是石墨板，在双极板制备材料中，该材料内阻最低，性能最优异，但采用雕刻技术生产效率低，成本高，不易大批量制备，一般应用于小批量电堆样品制备。采用石墨粉和有机树脂、导电剂混合模压成型并形成流道的方式制备石墨双极板是发展主流。由于有机树脂等绝缘粘合剂的加入，降低了双极板的导电性能，但是双极板的内阻还是比较大，导致导电率偏低。

因此，亟需一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆，以解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种燃料电池双极板、燃料电池及车辆，其能够降低燃料电池双极板的内阻。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

第一方面，提供一种燃料电池双极板，其包括相互粘接的第一单板和第二单板，

所述第一单板靠近所述第二单板的表面上设置有多个锥形凸起，所述锥形凸起设置于所述第一单板的边缘处；

所述第二单板上设置有与所述锥形凸起相配合的锥形凹槽，所述锥形凸起能够插于所述锥形凹槽内，以使所述锥形凸起的外表面贴合于所述锥形凹槽的内表面。

优选地，所述第一单板的边缘处设置有一排所述锥形凸起，所述第二单板的边缘处设置有一排所述锥形凹槽。

优选地，所述锥形凸起沿所述第一单板的边缘处均匀分布，所述锥形凹槽沿所述第二单板的边缘处均匀分布。

优选地，所述第一单板和所述第二单板相互贴合的表面上均设置有水流道。

优选地，所述锥形凸起和所述锥形凹槽均通过模压加工成型。

优选地，设所述第一单板和所述第二单板的宽度均为N，长度均为L；

所述第一单板和所述第二单板相互贴合的表面上均密封区域，所述第一单板上的密封区域位于所述锥形凸起围合形成的框形内，所述第二单板上的密封区域位于所述锥形凹槽围合形成的框形内；

所述第一单板的密封区域到所述第一单板的边缘的宽度及所述第二单板的密封区域到所述第二单板的边缘的宽度均为k；

所述锥形凸起和所述锥形凹槽的底面直径均为d，k/2≤d≤2k/3；

所述锥形凸起的高度和所述锥形凹槽的深度均为h，W2/3≤h≤2W2/3；

相邻两个所述锥形凸起和相邻两个所述锥形凹槽的中心间距均为D，2d≤D≤3d。

优选地，单个所述锥形凸起和所述锥形凹槽增加的接触面积为S’，

优选地，所述第一单板上的所述锥形凸起的数量n＝2(L+N-2k)/D；

所述燃料电池双极板的总接触面积增加为：

第二方面，提供一种燃料电池，其包括如上所述的燃料电池双极板。

第三方面，提供一种车辆，其包括如上所述的燃料电池。

本实用新型的有益效果：

第一单板和第二单板的材质及厚度相对于传统结构的双极板均无变化，因此，双极板的内阻与第一单板和第二单板接触面积的成反比，设置锥形凸起和锥形凹槽增加了接触面，使双极板的内阻降低；虽然，第一单板和第二单板的接触面积增加同时增加了接触电阻，但是因锥形凹槽和锥形凸起的接触面增加而降低的内阻值大于增加的接触电阻，相对来说双极板的内阻有一定程度的降低。由于燃料电池包含若干个双极板，因此，采用该双极板的燃料电池的内阻会有较大幅度的降低，能够提高燃料电池的导电性能。

附图说明

图1是本实用新型提供的第一单板的结构示意图；

图2是本实用新型提供的第一单板的局部结构示意图；

图3是本实用新型提供的第二单板的结构示意图。

图中：1、第一单板；11、锥形凸起；2、第二单板；21、锥形凹槽。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，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。

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-3所示，本实施例公开了一种燃料电池双极板，其包括相互粘接的第一单板1和第二单板2。第一单板1靠近第二单板2的表面上设置有多个锥形凸起11，锥形凸起11设置于第一单板1的边缘处；第二单板2上设置有与锥形凸起11相配合的锥形凹槽21，锥形凸起11能够插于锥形凹槽21内，以使锥形凸起11的外表面贴合于锥形凹槽21的内表面。

第一单板1和第二单板2的材质及厚度相对于传统结构的双极板均无变化，因此，双极板的内阻与第一单板1和第二单板2接触面积的成反比，设置锥形凸起11和锥形凹槽21增加了接触面，使双极板的内阻降低；虽然，第一单板1和第二单板2的接触面积增加同时增加了接触电阻，但是因锥形凹槽21和锥形凸起11的接触面增加而降低的内阻值大于增加的接触电阻，相对来说双极板的内阻有一定程度的降低。由于燃料电池包含若干个双极板，因此，采用该双极板的燃料电池的内阻会有较大幅度的降低，能够提高燃料电池的导电性能。

具体地，第一单板1的边缘处设置有一排锥形凸起11，且锥形凸起11沿第一单板1的边缘处均匀分布，即沿第一单板1的四边的边缘处均匀布置。由于锥形凹槽21与锥形凸起11对应设置，因此，锥形凹槽21设置于第二单板2的四边的边缘处，且均匀布置。相邻两个锥形凹槽21之间的间距和相邻两个锥形凸起11之间的间距相同。

第一单板1和第二单板2相互贴合的表面上均设置有水流道。水流道设置于第一单板1和第二单板2的密封区域，密封区域位于锥形凸起11或锥形凹槽21围合形成的框形内。

锥形凸起11和锥形凹槽21均通过模压加工成型，模压加工成型生产效率高，成本低，可以进行批量化生产。

下面将根据具体设计数值对燃料电池双极板的电阻变化进行说明。

设第一单板1和第二单板2的宽度均为N、长度均为L，密封区域外侧到双极板边缘的宽度均为k，锥形凸起11和锥形凹槽21的底面直径为d、高为h，相邻锥形凸起11(锥形凹槽21)的中心间距为D，第一单板1和第二单板2的厚度分别为W1和W2。其中锥形凸起11位于第一单板1的密封区域外侧到第一单板1的边缘的中心位置，即锥形凸起11的底圆中心点位于距第一单板1的边缘k/2处；锥形凹槽位于第二单板2的密封区域外侧到第二单板2的边缘的中心位置，即锥形凹槽21的底圆中心点位于距第二单板2的边缘k/2处。为保证第二单板2的结构强度，锥形凸起11的高度和锥形凹槽21的深度，W2/3≤h≤2W2/3；锥形凸起11和锥形凹槽21直径，k/2≤d≤2k/3；相邻锥形凸起11(锥形凹槽21)的中心间距2d≤D≤3d。单个锥形凸起11和锥形凹槽21增加的接触面积

第一单板1的锥形凸起11的数量n＝2(L+N-2k)/D。总接触面积增加为：

接触面积增大可以产生两种结果：电阻减小和接触电阻增大。电阻公式R＝ρι/S。本发明中的双极板结构中，第一单板1和第二单板2的材质及厚度均无变化，因此ρι是定值，如果S增大，则R减小。但本发明中的第一单板1和第二单板2的接触面积增加同时增加了接触电阻，接触电阻R’＝RC+Rf+Rp，式中RC为集中电阻；Rf为膜层电阻；Rp为导体电阻。

接触件的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随正压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料性能。燃料电池装配是在一定的压力下进行的，在确定的压力状态下可以控制接触电阻减小到一定范围。

技术应用例一

第一单板1和第二单板2的长度L＝40mm、宽度N＝29mm，第一单板1的厚度W1＝0.8mm，第二单板2的厚度W2＝1.3mm，密封区域外侧到双极板边缘的宽度k＝5mm，锥形凸起11和锥形凹槽21的底面直径d＝3mm、高h＝0.5mm，相邻锥形凸起11(锥形凹槽21)的中心间距D＝6mm，锥形凸起11和锥形凹槽21底圆中心点位于距双极板边缘2.5mm。单板锥形凸起11或锥形凹槽21分布数量n＝20个，单个锥形凸起11和锥形凹槽21增加的接触面积S’＝0.38mm²。总接触面积增加S＝7.54mm²。分别采用本应用例中的双极板和传统结构双极板，进行40片单电池的燃料电池电堆组装，螺栓固定。

紧固压强1.5MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为36.87mΩ，采用本应用例的双极板的电堆内阻为34.92mΩ。紧固压强2.1MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为30.86mΩ，采用本应用例的双极板的电堆内阻为27.43mΩ。本发明中的双极板的内阻较传统结构的双极板内阻有一定程度上的降低，且随组装压强增大而降低幅度逐渐增大，可以通过加强第一单板1和第二单板2之间的贴合力来更大幅度地降低双极板的内阻。

技术应用例二

第一单板1和第二单板2的长度L＝40mm、宽度N＝29mm，第一单板1的厚度W1＝0.8mm，第二单板2的厚度W2＝1.3mm，密封区域外侧到双极板边缘的宽度k＝5mm，锥形凸起11和锥形凹槽21的底面直径d＝2.5mm、高h＝0.8mm，相邻锥形凸起11(锥形凹槽21)的中心间距D＝7.5mm，锥形凸起11和锥形凹槽21底圆中心点位于距双极板边缘2.5mm。单板锥形凸起11或锥形凹槽21分布数量n＝15个，单个锥形凸起11和锥形凹槽21增加的接触面积S’＝0.92mm²。总接触面积增加S＝13.78mm²。分别采用本应用例中的双极板和传统结构双极板，进行40片单电池的燃料电池电堆组装，螺栓固定。

紧固压强1.5MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为36.87mΩ，采用本应用例的双极板电堆内阻为33.21mΩ。紧固压强2.1MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为30.86mΩ，采用本应用例的双极板的电堆内阻为25.41mΩ。本发明中的双极板的内阻较传统结构的双极板内阻有一定程度上的降低，且随组装压强增大而内阻降低幅度逐渐增大。锥形凸起11的高度与直径之比越大，双极板的内阻降低幅度随之而增大，在结构强度允许的调节先可以增加锥形凸起11的高度与直径之比，以减小双极板的内阻。

技术应用例三

第一单板1和第二单板2的长度L＝40mm、宽度N＝29mm，第一单板1的厚度W1＝0.8mm，第二单板2的厚度W2＝1.3mm，密封区域外侧到双极板边缘的宽度k＝5mm，锥形凸起11和锥形凹槽21的底面直径d＝3.3mm、高h＝0.6mm，相邻锥形凸起11(锥形凹槽21)的中心间距D＝13.2mm，锥形凸起11和锥形凹槽21底圆中心点位于距双极板边缘2.5mm。单板锥形凸起11或锥形凹槽21分布数量n＝9个，单个锥形凸起和锥形凹槽增加的接触面积S’＝0.55mm²。总接触面积增加S＝4.95mm²。分别采用本应用例中的双极板和传统结构双极板，进行40片单电池的燃料电池电堆组装，螺栓固定。

紧固压强1.5MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为36.87mΩ，采用本应用例中的电堆内阻为35.19mΩ。紧固压强2.1MPa，放置24h后，采用交流阻抗测试仪测定燃料电池电堆内阻，采用传统结构双极板的电堆内阻为30.86mΩ，采用本应用例中的双极板的电堆内阻为29.23mΩ。本发明中的双极板的内阻较传统结构的双极板内阻有一定程度上的降低，且随组装压强增大而降低幅度逐渐增大。当锥形凸起11和锥形凹槽21的间距达到4d后，锥形凸起11数量成为影响内阻降低的主要因素。在结构强度允许的条件下，可以增加锥形凸起11的数量，以更大幅度地降低双极板的内阻。

本实施例还公开了一种燃料电池，其包括上述的燃料电池双极板。该燃料电池还包括端板、气体扩散层及膜电极等。该燃料电池的第一单板1和第二单板2的材质及厚度相对于传统结构的双极板均无变化，因此，双极板的内阻与第一单板1和第二单板2接触面积的成反比，设置锥形凸起11和锥形凹槽21增加了接触面，使双极板的内阻降低；虽然，第一单板1和第二单板2的接触面积增加同时增加了接触电阻，但是因锥形凹槽21和锥形凸起11的接触面增加而降低的内阻值大于增加的接触电阻，相对来说双极板的内阻有一定程度的降低。由于燃料电池包含若干个双极板，因此，采用该双极板的燃料电池的内阻会有较大幅度的降低，能够提高燃料电池的导电性能。

本实施例还公开了一种车辆，其包括上述的燃料电池。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板，包括相互粘接的第一单板(1)和第二单板(2)，其特征在于，

所述第一单板(1)靠近所述第二单板(2)的表面上设置有多个锥形凸起(11)，所述锥形凸起(11)设置于所述第一单板(1)的边缘处；

所述第二单板(2)上设置有与所述锥形凸起(11)相配合的锥形凹槽(21)，所述锥形凸起(11)能够插于所述锥形凹槽(21)内，以使所述锥形凸起(11)的外表面贴合于所述锥形凹槽(21)的内表面。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第一单板(1)的边缘处设置有一排所述锥形凸起(11)，所述第二单板(2)的边缘处设置有一排所述锥形凹槽(21)。

3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述锥形凸起(11)沿所述第一单板(1)的边缘处均匀分布，所述锥形凹槽(21)沿所述第二单板(2)的边缘处均匀分布。

4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第一单板(1)和所述第二单板(2)相互贴合的表面上均设置有水流道。

5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述锥形凸起(11)和所述锥形凹槽(21)均通过模压加工成型。

6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，设所述第一单板(1)和所述第二单板(2)的宽度均为N，长度均为L；

所述第一单板(1)和所述第二单板(2)相互贴合的表面上均密封区域，所述第一单板(1)上的密封区域位于所述锥形凸起(11)围合形成的框形内，所述第二单板(2)上的密封区域位于所述锥形凹槽(21)围合形成的框形内；

所述第一单板(1)的密封区域到所述第一单板(1)的边缘的宽度及所述第二单板(2)的密封区域到所述第二单板(2)的边缘的宽度均为k；

所述锥形凸起(11)和所述锥形凹槽(21)的底面直径均为d，k/2≤d≤2k/3；

所述锥形凸起(11)的高度和所述锥形凹槽(21)的深度均为h，W2/3≤h≤2W2/3；

相邻两个所述锥形凸起(11)和相邻两个所述锥形凹槽(21)的中心间距均为D，2d≤D≤3d。

7.根据权利要求6所述的燃料电池双极板，其特征在于，单个所述锥形凸起(11)和所述锥形凹槽(21)增加的接触面积为S’，

8.根据权利要求7所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第一单板(1)上的所述锥形凸起(11)的数量n＝2(L+N-2k)/D；

所述燃料电池双极板的总接触面积增加为：

9.一种燃料电池，其特征在于，其包括如权利要求1-8中任一项所述的燃料电池双极板。

10.一种车辆，其特征在于，其包括如权利要求9所述的燃料电池。

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