CN211929619U - 燃料电池的双极板 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池的双极板。该双极板包括基板和极耳，极耳从基板的侧边横向延伸，极耳上设置有定位通孔；其中，在燃料电池装配过程中，极耳的定位孔中穿有定位杆以实现双极板的定位，在燃料电池工作状态中，极耳作为测量工作参数的测量端子。该燃料电池的双极板极耳兼有机械定位和测量端子的作用。通过双极板的极耳可以实时监控每个重复部件的工作状况，确保每个重复部件都工作在安全范围内，来提升电池堆工作的安全性，可靠性和稳定性，实现燃料电池的电池堆长寿命，稳定、安全、可靠的工作。

Description

燃料电池的双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池，更具体地，涉及一种燃料电池的双极板。

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。燃料电池包括电解质膜以及位于电解质膜两侧表面的催化剂层、扩散层以及双极板。

在燃料电池工作期间，燃料流体通过双极板的阳极流场的流道被传递到膜电极组件表面，在膜电极组件内部的传递过程为燃料流体通过扩散层扩散到阳极催化层，并在催化剂层催化剂的作用下，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双极板，再从双极板传递到外部电路，再从外部电路传送到阴极双极板，从阴极双极板传递到扩散层，从扩散层传送至阴极催化剂层；阳离子则经由电解质膜传递到阴极侧催化剂层。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。

由于燃料电池通常包括多个堆叠的重复部件，为了保证燃料电池的放电性能，就需要有高的装配精度，以避免由于装配的偏差，而导致对燃料电池的密封、反应物及冷却介质的进出通道等造成影响，严重时甚至会导致燃料电池短路而损坏。如图1所示，传统技术的燃料电池300在进行装配时，采用设置在双极板外侧的多个定位档板301对燃料电池300中的双极板、膜电极组件等部件进行约束和定位，使堆叠的部件对齐。此种定位方式易挤压膜电极边框、双极板边沿等，严重时会造成部件变形、短路等问题。

期望能有更好的燃料电池的装配定位解决方案，以避免装配过程中部件错位、双极板形变造成的电池性能受损，提高燃料电池的可靠性和一致性。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种易于定位及装配的燃料电池的双极板，以避免装配过程中部件错位、双极板形变甚至短路造成的电池性能受损，提高燃料电池的可靠性和一致性。同时，还可用于在电池堆工作过程中，对组成电池堆重复部件的每个重复部件进行监控，包括对电压，内阻等关键性能的实时测量。

本实用新型公开了一种燃料电池的双极板，其特征在于，包括：基板，所述基板设置有流场结构；以及极耳，所述极耳从所述基板的侧边横向延伸，所述极耳设置有定位通孔，其中，在燃料电池装配过程中，所述极耳的定位孔中穿有定位杆以实现所述双极板的定位，在燃料电池工作状态中，所述极耳作为测量工作参数的测量端子。

优选地，所述基板与所述极耳为整体形成的导电板。

优选地，所述基板和所述极耳的形状分别为圆角矩形。

优选地，所述定位通孔的形状为圆形、半圆形、椭圆形、多边形中的至少一种。

优选地，所述基板还包括邻近侧边的多个贯穿孔，在所述燃料电池的装配状态，燃料电池的多个双极板的多个贯穿孔沿堆叠方向对齐以形成第一组主管路、第二组主管路、以及第三组主管路，分别输送燃料流体、氧化气体和冷却介质。

优选地，所述第二组主管路的截面尺寸为所述第一组主管路的截面尺寸的2-20倍，所述第三组主管路的截面尺寸为所述第一组主管路的截面尺寸的2-8倍。

优选地，所述双极板为阳极极板或阴极极板。

根据本实用新型实施例的燃料电池的双极板，包括基板和极耳，极耳从基板的侧边横向延伸，在燃料电池装配过程中，极耳的定位孔中穿有定位杆以实现双极板的定位，在燃料电池工作状态中，极耳作为测量工作参数的测量端子。该燃料电池的双极板极耳兼有机械定位和测量端子的作用。

在燃料电池装配过程中，双极板的极耳定位孔与定位杆相配合，可以实现高精度定位的装配要求，防止各部件错位。由于极耳在基板的侧边横向延伸，因此，在通过极耳上的定位通孔进行定位时，可避免装配过程中对重复部件中的膜电极边框、双极板等造成挤压，提高了燃料电池的可靠性和一致性，也提高了装配过程中对齐的便捷性，减小了燃料电池的装配难度，保证了装配精度。

在燃料电池工作状态中，双极板上的极耳作为测量端子，可以对组成电池堆重复部件的各个单电芯的放电状态，包括电压，内阻等进行实时测量。在对燃料电池单电芯进行性能测试的时候，将测试设备的测试线连接到极耳上，连接方式可以是直接将测试线焊接在极耳上，也可以是用夹子或者插拔件连接。通过对组成电池堆的电芯的工作状态进行实时监控，可以更好的掌握电池堆的工作状态，从而更好的对电池堆进行控制，达到延长电池堆的使用寿命，增强电池堆工作过程中的安全性、可靠性和稳定性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出传统技术的燃料电池的装堆示意图。

图2示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池分解状态的立体结构的示意图。

图3示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池中重复部件的简化结构截面图。

图4示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池中重复部件的分解状态的详细立体结构示意图。

图5a和图5b分别示图3所示阳极极板的底视图和顶视图。

图6示出根据本实用新型第二实施例的燃料电池中多个重复部件的堆叠结构示意图。

图7示出根据本实用新型第二实施例的燃料电池中多个重复部件装配定位的示意图。

图8示出根据本实用新型第三实施例的燃料电池的重复部件的示意图。

图9示出根据本实用新型第二实施例的燃料电池巡检线的连接示意图。

附图标记

100 燃料电池

110 第一端板

120 第二端板

140 张力板

150 接口板

131 第一绝缘板

132 第一电流集流体

133 重复部件

134 第二电流集流体

135 第二绝缘板

141 下凸缘

142 上凸缘

143 螺孔

1 基板

2 极耳

3 定位通孔

3a 第一贯穿孔

4a 第二贯穿孔

5a 第三贯穿孔

101 阳极极板

101a 燃料流体导流结构

101b 燃料流体流场结构

101c 冷却介质导流结构

101d 冷却介质流场结构

11 燃料流体流场结构的流道

12 燃料流体流场结构的脊

13 燃料流体导流结构的导流槽

14 燃料流体导流结构的侧壁

15 冷却介质流场结构的流道

16 冷却介质流场结构的脊

17 冷却介质导流结构的导流槽

18 冷却介质导流结构的侧壁

21 氧化气体流场结构的流道

22 氧化气体流场结构的脊

102 阴极极板

103 膜电极组件

31 电解质膜

32 阳极催化剂层

33 阴极催化剂层

34 阳极扩散层

35 阴极扩散层

36 第一边框

37 第二边框

136 阳极端垫片

236 阴极端垫片

138 第一密封框

238 第二密封框

338 第三密封框

200 燃料电池

133-1、133-2、133-n 重复部件

1301 定位杆

1302 巡检线

1303 巡检导电片

300 燃料电池

301 定位挡板

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型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实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

在本申请中，术语“超细密流场结构”指流道结构中流道宽度和脊宽都在30到500微米之间，流道沟槽的宽度通常大于或等于脊宽，也可以小于脊宽。此外，本文所使用的所有术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

<第一实施例>

图2示出根据本实用新型第一实施例的燃料电池的分解状态的立体结构示意图。燃料电池100包括彼此相对的第一端板110和第二端板120，在二者之间依次堆叠第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件(repeat part)133、第二电流集流体134、第二绝缘板135。第一端板110兼用作配流装置，用于向重复部件133中的双极板分配燃料流体、氧化气体和冷却介质。

燃料流体包括气态的氢气，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，例如水或空气。

重复部件133包括双极板(bipolar plate)以及夹在双极板之间的膜电极组件103。双极板包括阳极极板101和阴极极板102以及夹在阳极极板101和阴极极板102中间的冷却层。重复部件133在垂直于堆叠方向的平面上大致为矩形形状，在矩形的侧边部分设置有沿堆叠方向延伸的第一组主管路、第二组主管路和第三组主管路，用于分别向双极板中的相应流场提供燃料流体、氧化气体和冷却介质。

燃料电池的电池堆例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件133以提高输出电压。

第一电流集流体132与重复部件133的阳极极板101彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阳极侧的导电路径。第二电流集流体134与重复部件133的阴极极板102彼此接触，二者均由导电材料组成，从而形成阴极侧的导电路径。第一电流集流体132和第二电流集流体134，可使用紫铜板、铝等导电性强的材料制成。在该实施例中，重复部件133的阳极极板和阴极极板102兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用，从而可以简化燃料电池的结构且减小燃料电池的体积。

第一绝缘板131位于第一电流集流体132和第一端板110之间，第二绝缘板135位于第二电流集流体134和第二端板120之间，从而将重复部件和电流集流体与第一端板110和第二端板120彼此隔离。在燃料电池100包括多个重复部件的情形下，多个重复部件堆叠在第一电流集流体132和第二电流集流体134之间。第一绝缘板131和第一电流集流体132的侧边部分分别形成有多个贯穿孔，与重复部件133的侧边部分的多个贯穿孔分别对齐，从而一起形成沿着堆叠方向延伸的多个主管路，例如，用于流入和流出燃料流体的第一组主管路，用于流入和流出氧化气体的第二组主管路，以及用于流入和流出冷却介质的第三组主管路。

燃料电池100进一步包括与第一端板110和第二端板120形成夹持装置的两个张力板140。两个张力板140位于燃料电池100的相对侧面，分别包括下凸缘141和上凸缘142。张力板140的下凸缘141与第一端板110的底面边缘接触，上凸缘142与第二端板120的顶面边缘接触，从而形成夹持装置，利用张力板140的上下凸缘向第一端板和第二端板施加压力，将第一绝缘板131、第一电流集流体132、重复部件133、第二电流集流体134、第二绝缘板135固定在一起。优选地，张力板140的上凸缘142具有多个螺孔143，采用穿过多个螺孔143的螺栓向第二端板120的表面施加附加的压力。优选地，在堆叠的各层之间设置密封框，从而在固定堆叠各层的同时形成堆叠各层的密封。

在该实施例中，第一端板110兼用作配流装置。在第一端板中形成用于提供燃料流体的流入和流出通道的第一对歧管、用于提供氧化气体的流入和流出通道的第二对歧管、以及用于提供冷却介质的流入和流出通道的第三对歧管。在第一端板110和第二端板120固定在一起的情形下，第一端板110中的第一对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件103中的第一组主管路对齐，第一端板110中的第二对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件103中的第二组主管路对齐，第一端板110中的第三对歧管的顶开口端与重复部件133中的膜电极组件103中的第三组主管路对齐。第一端板110的端面上形成第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的侧开口端。

燃料电池100进一步与第一端板110的端面连接的两个接口板150。两个接口板150分别包括用于连接多个外部管路的多个管路接口。接口板150中的多个管路接口的开口端与第一端板110中的第一对歧管、第二对歧管和第三对歧管的开口端彼此对齐，从而实现彼此的连通。

如图3和4所示，重复部件133的双极板包括阳极极板101和阴极极板102。阳极极板101和阴极极板102彼此间隔设置，在二者之间夹有膜电极组件103。

膜电极组件103包括电解质膜31，以及在电解质膜31的第一表面(燃料流体侧)上依次堆叠的阳极催化剂层32、阳极扩散层34，在电解质膜31的第二表面(氧化气体侧)上依次堆叠的阴极催化剂层33、阴极扩散层35。

电解质膜31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31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31和烃系电解质膜31。其中，氟系电解质膜31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31，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32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33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34和阴极扩散层35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34和阴极扩散层35分别将燃料流体和氧化气体从流场的流道中均匀扩散到电解质膜31催化层的两侧表面上，使燃料流体和氧化气体分别与阳极催化剂层32和阴极催化剂层33接触。

进一步地，膜电极组件103还可以包括第一边框36和第二边框37。第一边框36和第二边框37分别包括中心开口以及位于两个相对侧边附近的多个贯穿孔，第一边框36和第二边框37的多个贯穿孔对齐，以形成沿着堆叠方向延伸的第一组主管路的一部分、第二组主管路的一部分和第三组主管路的一部分。第一边框36和第二边框37彼此相对，用于分别夹持阳极催化剂层32和阴极催化剂层33的周边部分，从而将阳极催化剂层32、电解质膜31和阴极催化剂层33的叠层固定在一起，并与阳极极板和阴极极板的相对应部分粘合形成层间的密封。在第一边框36的中间开口暴露阳极催化剂层32，在第二边框37的中间开口暴露阴极催化剂层33。第一边框36和第二边框37由树脂材料制成，例如，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。第一边框36和第二边框37的相对表面上彼此粘接在一起。

第一边框36和第二边框37分别还可以包括位于另两个相对侧边上的假极耳，假极耳上同样设置有定位通孔。第一边框36和第二边框37的假极耳与阳极极板101和阴极极板102的极耳位置和形状一致，定位通孔的位置和形状也相同。在膜电极组件103的组装状态下用于隔开阳极极板101和阴极极板102的极耳，防止短路。优选地，第一边框36和第二边框37的假极耳包括定位孔，用于在装配时进行定位，将第一边框36和第二边框37与阳极极板101和阴极极板102彼此对齐。

阳极极板101的第一表面与膜电极组件103中的阳极扩散层34接触，在第一表面中形成燃料流体流场。该燃料流体流场包括与第一组主管路连接且横向延伸的多个燃料流体流场结构的流道(channel)11，所述多个燃料流体流场结构的流道11的相邻流道之间由燃料流体流场结构的脊(ridge)12彼此隔开。阳极极板101的燃料流体流场结构的流道11在第一表面上是开口的，燃料流体沿着燃料流体流场结构的流道11的方向传递，并输送到膜电极组件103的阳极侧。

阴极极板102的第一表面与膜电极组件103中的阴极扩散层35接触，在第一表面中形成氧化气体流场。该氧化气体流场包括与第二组主管路连接且横向延伸的多个氧化气体流场结构的流道(channel)21，所述多个氧化气体流场结构的流道21的相邻流道之间由氧化气体流场结构的脊(ridge)22彼此隔开。阴极极板102的氧化气体流场结构的流道21在第一表面上是开口的，氧化气体沿着氧化气体流场结构的流道21的方向传递，并输送到膜电极组件103的阴极侧。

在膜电极组件103的阳极侧，燃料流体通过膜电极组件103的阳极扩散层34扩散到阳极催化剂层32，燃料流体在膜电极组件103的阳极催化剂层32上通过电化学反应产生阳离子和电子，阳离子经由电解质膜迁移至阴极侧，电子则经由阳极扩散层34传导至阳极极板101。然后，电子经由外部电路从膜电极组件103的阳极侧传送至阴极侧。在膜电极组件103的阴极侧，电子经由阴极极板102传导至阴极扩散层35，然后传导至膜电极组件103的阴极催化剂层33，氧化气体通过膜电极组件103的阴极扩散层35扩散到阴极催化剂层33，氧化气体与电子结合形成形成阴离子，阴离子又与经由电解质膜迁移过来的阳离子结合生成水，从而形成电流回路。

在上述的电化学反应中，膜电极组件103的阴极催化剂层表面产生化学反应生成水。进一步地，在膜电极组件103的阴极侧，由于阴极极板流场结构中的脊与其紧密接触，反应生成的水需要由行进中的氧化气体通过阴极极板102的氧化气体流场结构的流道21带出活性区域。

进一步地，在阳极极板101和阴极极板102各自的第二表面形成冷却介质流场。正如下文将详述的那样，冷却介质流场包括与第三组主管路连接且横向延伸的多个冷却管路(channel)。

进一步地，在阳极极板101的第一表面上设置有阳极端垫片136和第一密封框138，在阴极极板102的第一表面上设置有阴极端垫片236和第二密封框238，在阳极极板101和阴极极板102各自的第二表面上设置有第三密封框338。阳极端垫片136封闭阳极极板101的导流槽上部以形成导流管路，阴极端垫片236封闭阴极极板102的导流槽上部以形成导流管路。第一密封框138至第三密封框338分别包括边框、以及边框围绕的中间开口。第一密封框138围绕阳极极板101的超细密流场结构，第二密封框238围绕阴极极板102的超细密流场结构，第三密封框338围绕阳极极板101和阴极极板102至少之一的冷却流场结构，从而在活性区域周边将燃料流体、氧化气体及冷却介质分别密封，防止电池内漏和外漏。在第一密封框138至第三密封框338中各个密封框的两个侧边附近形成多个贯穿孔，与膜电极组件103中的多个贯穿孔对齐，从而共同形成沿着堆叠方向延伸的第一组主管路、第二组主管路和第三组主管路。

如图5a和5b分所示，阳极极板101包括基板1以及在基板1的第一表面上输送燃料流体的燃料流体导流结构101a和燃料流体流场结构101b、在基板1的第二表面上输送冷却介质的冷却介质导流结构101c和冷却介质流场结构101d。阳极极板101兼有分散燃料流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。

基板1大致为矩形形状，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。在基板1的第一侧边附近形成排列成行多组贯穿孔，每组贯穿孔包括顺序排列的第一贯穿孔(through hole)3a、第三贯穿孔5a和第二贯穿孔4a。在基板1的第二侧边附近同样形成排列成行多组贯穿孔，类似地，与第一侧边的贯穿孔沿基板1的中心对称，在此不再赘述。在基板1的第三侧边和第四侧边分别形成极耳2。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包括定位通孔3，用于在装配时进行定位，将阳极极板101和阴极极板102彼此对齐以及将多个重复部件彼此对齐。

如上文所述，在燃料电池中，重复部件133的侧边部分设置有沿堆叠方向延伸的第一组主管路、第二组主管路和第三组主管路，用于分别向双极板的相应流场提供燃料流体、氧化气体和冷却介质。阳极极板101的第一贯穿孔3a形成第一组主管路的流入路径和流出路径的一部分，第二贯穿孔4a形成第二组主管路的流入路径和流出路径的一部分，第三贯穿孔5a形成第三组主管路的流入路径和流出路径的一部分。

第一至三组主管路在双极板表面上的截面积的大小(即相应的贯穿孔的截面积的大小)可以根据实际设计需要确定。优选地，第二组主管路(对应于第二贯穿孔4a)的截面积大于第一组主管路(对应于第一贯穿孔3a)的截面积，例如，前者是后者的2-20倍。第三组主管路(对应于第三贯穿孔5a)的截面积同样大于第一组主管路(对应于第一贯穿孔3a)的截面积，例如，前者是后者的2-8倍，当然地，具体截面积可以根据实际设计需要确定。

阳极极板101的第一贯穿孔3a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。在基板1的第一侧边附近，弧边梯形的顶边和底边分别与基板1的第一侧边大致垂直，弧边梯形的第一侧边与基板1的第一侧边大致平行且靠近基板1的第一侧边。在基板1的第二侧边附近，弧边梯形的顶边和底边分别与基板1的第二侧边大致垂直，弧边梯形的第一侧边与基板1的第二侧边大致平行且靠近基板1的第二侧边。弧边梯形的第二侧边为倾斜的弧形且与第一侧边彼此相对。相应地，第一贯穿孔3a的至少一部分侧壁为凹面侧壁，在阳极极板101的第一表面上形成曲面侧壁上的横向开口。

在阳极极板101的基板1的第一表面上例如形成多个分配单元。所述多个分配单元沿着基板1的长度方向(即，第一侧边和第二侧边的延伸方向)排列成行，分配单元的数量例如是1至20个，单个分配单元的宽度例如是15毫米至100毫米。每个分配单元包括燃料流体流场结构101b以及位于其两侧的燃料流体导流结构101a。燃料流体流场结构101b的入口经由基板1的第一侧边附近的燃料流体导流结构101a与第一贯穿孔3a的横向开口连通，燃料流体流场结构101b的出口经由基板1的第二侧边附近的燃料流体导流结构101a与第一贯穿孔3a的横向开口连通。

阳极极板101的燃料流体流场结构101b包括从入口延伸至出口的多个燃料流体流场结构的流道11，所述多个燃料流体流场结构的流道11由燃料流体流场结构的脊12彼此隔开，数量例如为25至70个。在阳极极板101的表面上形成多个分配单元的情形下，多个分配单元的流场结构可以包括连续排列的多组流道。阳极极板101的多个燃料流体流场结构的流道11在第一表面上是开口的，不仅沿着第一表面输送燃料流体，而且经由开口向膜电极组件103的阳极侧输送燃料流体。所述多个燃料流体流场结构的流道11可以是直线形流道、曲线形流道、或者蛇形流道等各种不同的设计。在图中所示的实施例中示出了沿着第一侧边的方向以及垂直于第一侧边的方向延伸的蛇形流道。优选地，采用蛇形流道设计可以增加燃料流体的流动路径长度，从而增大燃料流体通过流场时的压阻。随着压阻的增大，燃料流体在阳极极板101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流体的浓度，降低了电化学反应的能量损失。

阳极极板101的燃料流体流场结构101b例如为超细密流道设计，其中，将阳极极板101的脊宽减小至30到500微米之间。随着阳极极板101的脊宽的减小，显著改善了重复部件阳极侧的水淹现象。同时，该超细密流道细窄的脊和细窄的流道，还缩短了燃料流体和水的扩散距离，提高了膜电极组件中平面方向的燃料流体和水的浓度，因此降低了电化学反应的能量损失。采用本申请设计的燃料电池，具备了更好的大电流高功率持续放电能力和更好的水热管理能力。阳极极板101的导电能力与脊宽与流道宽度的比例相关，如果该比例过小则会影响电流的传导，进而降低燃料电池的整体效率。在本申请中，阳极极板101流场结构中的脊宽与流道宽度的比例大致为1：1。与阳极极板101的脊宽相对应，阳极极板101的流道宽度设置到30至500微米之间。进一步地，为保证气体传输的效果，阳极极板101的超细密流场的长度在20至150毫米之间，如果超细密流场长度太长会造成流场内部燃料流体的压阻过大，同时，阳极极板101第二表面上流动的冷却介质，在距离越长的情况下，冷却介质流动的压阻越大，需要更高功率水泵或空压机来克服冷却介质的压阻，如此就增加了系统的成本，同时也影响了系统的整体效率。

阳极极板101的燃料流体导流结构101a包括从第一贯穿孔3a的横向开口延伸至燃料流体流场结构101b的入口或出口且呈放射状分布的多个燃料流体导流结构的导流槽13。所述多个燃料流体导流结构的导流槽13由燃料流体导流结构的侧壁14彼此隔开，数量例如为2至10个。在阳极极板101的第一表面上，燃料流体导流结构101a的燃料流体导流结构的侧壁14的一端可以延伸至第一贯穿孔3a的边缘，也可以与第一贯穿孔3a的边缘隔开一定距离，燃料流体导流结构101a的燃料流体导流结构的侧壁14的另一端可以延伸至燃料流体流场结构101b的边缘，甚至与燃料流体流场结构101b的燃料流体流场结构的脊12直接连接，也可以与燃料流体流场结构101b的边缘隔开一定距离。

在阳极极板101的表面上形成多个分配单元的情形下，多个分配单元的导流结构可以包括彼此隔开的多组导流槽。阳极极板101的多个燃料流体导流结构的导流槽13在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。如上所述，第一贯穿孔3a的横向开口为曲面侧壁上的横向开口，该设计允许在第一贯穿孔3a的宽度受到限制的情形下最大化横向开口的宽度，以减小燃料流体从阳极极板101的第一贯穿孔3a进入燃料流体导流结构101a的压阻，使燃料流体的流通更为畅通。在燃料流体导流结构101a中，阳极极板101的多个燃料流体导流结构的导流槽13在燃料流体的流入路径上的截面积逐渐变大，以减小燃料流体流入燃料流体流场结构101b的压阻，在燃料流体的流出路径上的截面积逐渐变小以增大燃料流体流出燃料流体流场结构101b的压阻。

在优选的实施例中，在阳极极板101的基板1的第二表面上例如形成多个冷却单元。

阳极极板101的第三贯穿孔5a的截面形状分别大致为矩形。在基板1的第一侧边附近，矩形的第一侧边和第二侧边彼此相对并且分别与基板1的第一侧边大致垂直，第三侧边和第四侧边彼此相对并且分别与基板1的第一侧边大致平行。相应地，第三贯穿孔5a的侧壁分别为平整侧壁，在阳极极板101的第二表面上形成平直的横向开口。

阳极极板101的多个冷却单元沿着基板1的长度方向(即，第一侧边和第二侧边的延伸方向)排列成行，每个冷却单元包括冷却介质流场结构101d以及位于其两侧的冷却介质导流结构101c。冷却介质流场结构101d的入口经由基板1的第一侧边附近的冷却介质导流结构101c与第三贯穿孔5a的横向开口连通，冷却介质流场结构101d的出口经由基板1的第二侧边附近的冷却介质导流结构101c与第三贯穿孔5a的横向开口连通。

阳极极板101的第二表面的冷却介质流场结构101d包括多个冷却介质流场结构的流道15，所述多个冷却介质流场结构的流道15由冷却介质流场结构的脊16彼此隔开。阳极极板101的冷却介质导流结构101c包括多个冷却介质导流结构的导流槽17，所述多个冷却介质导流结构的导流槽17由冷却介质导流结构的侧壁18彼此隔开。所述多个冷却介质导流结构的导流槽17例如为垂直于基板1的第一侧边的方向延伸的直线形状，所述多个冷却介质流场结构的流道15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。所述多个冷却介质导流结构的导流槽17和所述多个冷却介质流场结构的流道15形成从基板1的第一侧边附近的第三贯穿孔5a的横向开口至基板1的第二侧边附近的第三贯穿孔5a的横向开口连续延伸的多个开口槽，数量例如为4至12个。例如，可以采用相邻的重复部件的阴极极板第二表面封闭开口槽，或者采用电流集流体或绝缘板或端板封闭开口槽，从而形成封闭的冷却管路。

阳极极板101的第二表面上的流场结构包括曲折形状的流道主要是降低冷却介质流动速度，增加冷却介质的流通路径长度，以带走更多热量，改善冷却效果。使用本设计的燃料电池具有优秀的水热管理能力，采用水作为冷却介质时，阳极极板的冷却水入口温度与出口温度，温差可控制在10℃以内。

类似地，阴极极板也具有与阳极极板相类似的结构，阴极极板包括基板1以及在基板1的第一表面上输送氧化气体的导流结构和流场结构、在基板1的第二表面上输送冷却介质的导流结构和流场结构。阴极极板102兼有分散氧化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，阴极极板的结构在此不再赘述。

根据第一实施例的燃料电池，燃料电池的重复部件在与堆叠方向垂直的横向方向上包括与第一组主管路、第二组主管路和第三组主管路相连接的多个发电单元。重复部件的多个发电单元分别包括彼此面积对应的阳极极板第一表面上的一个燃料流体分配单元、阳极极板第二表面上的一个冷却单元、阴极极板第一表面上的一个氧化气体分配单元、阴极极板第二表面上的一个冷却单元、以及膜电极组件的相对应的部分区域。燃料电池可以采用标准尺寸的发电单元，例如，标准发电单元的宽度是15毫米至100毫米。该燃料电池采用横向方向一维扩展发电单元的方式以扩大或减小单个重复部件的活性面积，以达到不同规格的燃料电池的功率需求。因此，采用上述双极板的燃料电池可以实现灵活的模块化设计。

根据第一实施例的燃料电池，双极板的第一表面用于供给反应物，第二表面作为冷却面。即使在阳极极板的第一表面供给的氧化气体以及第二表面供给的冷却介质均为空气，那么也可以独立调节二者的流量，分别根据电化学反应的反应物需求供给氧化气体，以及根据冷却介质的冷却效率选择合适的气流量。由于在双极板的不同表面上分别供给反应物和冷却介质，因此，该燃料电池可以兼容不同类型的冷却介质，对于不同类型的冷却介质选择合适的流量以达到期望的冷却效率。因而，该燃料电池可以提高燃料电池的气体分配均匀性并改善水热管理，从而提高燃料电池的大电流放电性能和功率密度。此外，该燃料电池中的双极板兼有散热板的作用，无需设置附加的散热板，可以减少燃料电池中的部件数量和尺寸，例如燃料电池的重复部件的厚度小于0.95毫米。由于燃料电池的部件数量减少以及结构设计优化，该实施例的燃料电池可以减小燃料电池的高度尺寸和横向尺寸，有利于燃料电池的小型化以及提高可靠性。

<第二实施例>

图6示出根据本实用新型第二实施例的燃料电池多个重复部件的堆叠结构示意图。为了清楚起见，在图6中仅示出燃料电池的内部结构。

燃料电池200的配流装置和夹持装置与燃料电池100的配流装置和夹持装置相同，已经结合图1在第一实施例中进行描述，在此不再详述。燃料电池200的每个重复部件的内部结构与燃料电池100的重复部件133的内部结构相同，已经结合图3在第一实施例中进行描述，在此不再详述。

下文将主要描述第二实施例的燃料电池200，其基本结构与第一实施例的燃料电池100相似，不再赘述，不同之处在于第二实施例的燃料电池具有彼此堆叠的多个重复部件133-1至133-n。

每个重复部件中均包含一个对齐堆叠的阳极极板和阴极极板，阳极极板101的第一表面与膜电极组件103中的阳极扩散层34接触以供给燃料流体，阴极极板102的第一表面与膜电极组件103中的阴极扩散层35接触以供给氧化气体。阳极极板101和阴极极板102的第二表面上分别各自形成有多个冷却单元，每个冷却单元包括流场结构以及位于其两侧的导流结构。冷却单元的流场结构中的流道以及导流结构中的导流槽均为开口槽。

在燃料电池200中，例如，重复部件133-1和133-2彼此相邻，重复部件133-1的阳极极板101的第二表面与重复部件133-2的阴极极板102的第二表面邻接。重复部件133-1的阳极极板101第二表面和重复部件133-2的阴极极板102第二表面上的冷却单元开口槽图案相同且位置一致，因此，相邻重复部件的阳极极板101的第二表面和阴极极板102的第二表面彼此接触可以封闭开口槽，从而形成封闭的冷却管路。

进一步地，重复部件133-1和133-n分别是最外侧的两个重复部件。重复部件133-1邻近燃料电池200的第一端板110，重复部件133-n邻近燃料电池200的第二端板120。如图1所示，在燃料电池200的组装状态下，第一电流集流体132接触重复部件133-1的阳极极板第二表面以封闭冷却单元的开口槽，第二电流集流体134接触重复部件133-n的阴极极板第二表面以封闭冷却单元的开口槽，从而形成封闭的冷却管路。

进一步地，在多个重复部件133-1至133-n中，阳极极板101和阴极极板102均包括极耳2，膜电极组件103中的第一边框36和第二边框37分别包括与极耳2匹配的假极耳，假极耳也具有与定位通孔3相匹配的通孔，所有极耳2以及假极耳对齐并使极耳2以及假极耳的定位通孔3对齐，阳极极板101和阴极极板102分别由导电性能优良的材料组成，第一边框36和第二边框37分别由绝缘的树脂材料组成。如图4所示，第一边框36和第二边框37的假极耳将阳极极板101和阴极极板102的极耳彼此隔开，阳极极板101和阴极极板102的极耳与第一边框36和第二边框37的假极耳的定位孔彼此对齐。如图7所示，在燃料电池200的组装状态下，采用分别穿过两端定位通孔3的两根定位杆1301对齐多个重复部件133-1至133-n的阳极极板101、阴极极板102和膜电极组件103。在装配完成之后，去除定位杆1301。

进一步地，两极耳2的定位通孔3的形状也可不相同，其同样可以通过不同的定位杆1301实现定位以及多层重复部件的对齐。极耳2还可以设置多个，多个极耳也并非一定要对称设置。优选地，基板1为矩形，极耳2同样为矩形，极耳2为两个，两个极耳对称设置在所述基板相对的侧边的中间位置。

图8示出根据本实用新第三实施例的燃料电池的重复部件的示意图，该实施例的重复部件中的双极板仅在双极板的一侧边设置有极耳2，具体地，极耳2为矩形，极耳2上具有同样为矩形的定位通孔3，相应地，定位杆1301为与矩形的定位通孔3相匹配的四棱柱，由于定位通孔3为矩形，其通过矩形的四条边与定位杆1301的四个侧面相匹配，仅需一个极耳即可完成双极板(重复部件)在x轴和y轴方向的定位，当然地，定位通孔3的形状还可以为半圆、三角等其他形状，其同样可以实现相同的技术效果。

如图9所示，在燃料电池200的多个重复部件133-1至133-n的阳极极板101、阴极极板102的极耳2作为测量端子，用于测试各个重复部件的工作参数。阳极极板101、阴极极板102的极耳2与巡检导电片1303电接触，巡检导电片1303分别与巡检线1302相连，从而对每个重复部件分别进行电压巡检，检测多个重复部件133-1至133-n的一致性，以便及时筛选性能异常的重复部件，以提高燃料电池的整体放电性能和可靠性。当然地，巡检导电片1303也可以去掉，直接将测试线焊接在极耳上，或者用夹子或插拔件等连接。

根据第二实施例的燃料电池，燃料电池包括彼此堆叠的多个重复部件，每个重复部件(重复部件的双极板)在堆叠方向垂直的横向方向上向外延伸设置有极耳，并在极耳上设置有定位通孔，以在燃料电池装配阶段，通过定位杆穿过定位通孔实现重复部件及双极板的对齐，以实现高精度定位的装配要求，防止各部件错位，由于极耳位于基板的外侧(侧边)，因此，通过极耳上的定位通孔进行定位，可避免装配过程中对膜电极边框、双极板等造成挤压，提高了燃料电池的可靠性和一致性，也提高了装配过程中对齐的便捷性，减小了燃料电池的装配难度，保证了装配精度。

进一步地，通过双极板上的极耳，可以对组成电池堆重复部件的各个单电芯的放电状态，包括电压，内阻等进行实时测量。在对燃料电池单电芯进行性能测试的时候，将测试设备的测试线连接到极耳上，连接方式可以是直接将测试线焊接在极耳上，也可以是用夹子或者插拔件连接。通过对组成电池堆的电芯的工作状态进行实时监控，可以更好的掌握电池堆的工作状态，从而更好的对电池堆进行控制，达到延长电池堆的使用寿命，增强电池堆工作过程中的安全性、可靠性和稳定性。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，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实用新型所作的举例，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实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种燃料电池的双极板，其特征在于，包括：

基板，所述基板设置有流场结构；以及

极耳，所述极耳从所述基板的侧边横向延伸，所述极耳设置有定位通孔；

其中，在燃料电池装配过程中，所述极耳的定位孔中穿有定位杆以实现所述双极板的定位，在燃料电池工作状态中，所述极耳作为测量工作参数的测量端子。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板与所述极耳为整体形成的导电板。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板和所述极耳的形状分别为圆角矩形。

4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述定位通孔的形状为圆形、半圆形、椭圆形、多边形中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述基板还包括邻近侧边的多个贯穿孔，在所述燃料电池的装配状态，燃料电池的多个双极板的多个贯穿孔沿堆叠方向对齐以形成第一组主管路、第二组主管路、以及第三组主管路，分别输送燃料流体、氧化气体和冷却介质。

6.根据权利要求5所述的双极板，其特征在于，所述第二组主管路的截面尺寸为所述第一组主管路的截面尺寸的2-20倍，所述第三组主管路的截面尺寸为所述第一组主管路的截面尺寸的2-8倍。

7.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板为阳极极板或阴极极板。

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