CN218274651U - 一种双极板及电堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双极板及电堆，属于燃料电池技术领域。本实用新型的双极板，单极板具有第一表面和第二表面，第一表面与第二表面分别位于单极板厚度方向的两侧，单极板向第一表面所在侧凸起，以在第一表面上形成位于活性区的第一主脊及位于分配区的第一分配凸起，并在第二表面上形成与第一主脊对应的第一主凹槽和与第一分配凸起对应的第一分配凹槽；第一分配凸起的顶面高于第一主脊的顶面。使第一分配凸起的顶面高于第一主脊的顶面，可与膜电极总成匹配，不仅能增大单极板的分配区与膜电极总成之间的间隙，即增大了气体分配流场的空间，还相当于增加了第一分配凹槽的深度，具有增大冷却液分配流场的空间的效果，提高气体及冷却液分配均匀性。

Description

一种双极板及电堆

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电堆。

背景技术

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，经由空气流场分配区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。

在燃料电池工作过程中，燃料电池活性区应发生均匀的电化学反应，并且实现温度的均匀分布，不均匀的水、热、电状态会造成燃料电池水淹、反极等极端工作状态，严重或使燃料电池失效，寿命急剧降低。为保证燃料电池正常工作，通常需要分配区对流体进行均匀分配，其重要性不言而喻。

为提高出单电池的性能，现阶段大多数双极板设计时均将三腔口集中布置在流场长度方向上两侧，由此会带来三场分配区“进小出大”的形状特点以及三场分配区在狭小的厚度方向上交叠彼此挤占的结果，导致反应性气体分配流场及冷却液分配流场压降增大，并进一步增大反应气体及冷却液分配的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种双极板及电堆，能增大气体分配流场及冷却液分配流场的空间，进而降低气体分配流场及冷却液分配流场的压降，提高气体及冷却液分配均匀性。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一方面，提供了一种双极板，包括两个固定连接的单极板；所述单极板包括活性区、歧口区和位于所述活性区与所述歧口区之间的分配区；

所述单极板具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面分别位于所述单极板厚度方向的两侧，所述单极板向所述第一表面所在侧凸起，以在所述第一表面上形成位于所述活性区的第一主脊及位于所述分配区的第一分配凸起，并在所述第二表面上形成与所述第一主脊对应的第一主凹槽和与所述第一分配凸起对应的第一分配凹槽；

所述第一分配凸起的顶面高于所述第一主脊的顶面。

作为双极板的可选方案，所述第一表面包括位于所述活性区的第一活性表面和位于所述分配区的第一分配表面，所述第一主脊凸设于所述第一活性表面，所述第一分配凸起凸设于所述第一分配表面；

所述第一分配表面高于所述第一活性表面。

作为双极板的可选方案，所述第一分配凸起包括若干间隔设置的第一分配脊；

所述第一分配凸起还包括若干间隔设置的第一分配凸块；

相邻两个所述第一分配脊之间均设有所述第一分配凸块。

作为双极板的可选方案，其中一个所述单极板上的若干所述第一分配脊的布置密度与另一个所述单极板上的若干所述第一分配脊的布置密度不同；和/或，

其中一个所述单极板上的若干所述第一分配凸块的布置密度与另一个所述单极板上的若干所述第一分配凸块的布置密度不同。

作为双极板的可选方案，所述第一分配脊的高度与所述第一分配凸块的高度相等。

作为双极板的可选方案，所述单极板向所述第二表面所在侧凸起，以在所述第二表面上形成位于所述分配区的第二分配凸起，并在所述第一表面上形成与所述第二分配凸起对应的第二分配凹槽；

其中一个所述单极板的所述第二分配凸起能抵接于另一个所述单极板的所述第二表面；或，其中一个所述单极板的所述第二分配凸起能抵接于另一个所述单极板的所述第二分配凸起。

作为双极板的可选方案，所述第二分配凸起包括若干间隔设置的第二分配凸块。

作为双极板的可选方案，所述单极板为厚度均一的板体。

另一方面，提供了一种电堆，包括如上任一项所述的双极板。

作为电堆的可选方案，所述双极板的两侧均设有膜电极总成，所述膜电极总成包括膜电极活性组件和膜电极边框，所述膜电极边框的厚度小于所述膜电极活性组件的厚度；

所述第一主脊抵接于对应的所述膜电极总成的所述膜电极活性组件，所述第一分配凸起抵接于对应的所述膜电极总成的所述膜电极边框。

作为电堆的可选方案，所述双极板与所述膜电极总成组装并形成电堆时，所述第一主脊与所述第一分配凸起的高度差为：所述膜电极活性组件与所述膜电极边框的厚度差的一半。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的双极板，通过使第一分配凸起的顶面高于第一主脊的顶面，可与膜电极总成匹配，不仅能增大单极板的分配区与膜电极总成之间的间隙，即增大了气体分配流场的空间，还相当于增加了第一分配凹槽的深度，具有增大冷却液分配流场的空间的效果，进而达到降低气体分配流场及冷却液分配流场的压降的目的，提高气体及冷却液分配均匀性。

本实用新型的电堆，通过应用上述双极板，降低了气体分配流场及冷却液分配流场的压降，提高了气体及冷却液分配均匀性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中沿双极板长度方向双极板与膜电极总成的配合关系示意图；

图2为本实用新型实施例中沿双极板宽度方向双极板的分配区与膜电极边框的配合关系示意图；

图3为本实用新型实施例中沿双极板宽度方向双极板的活性区与膜电极活性组件的配合关系示意图；

图4为本实用新型实施例中单极板的第一表面的结构示意图；

图5为图4的A部放大图；

图6为本实用新型实施例中单极板的第二表面的结构示意图；

图7为图6的B部放大图。

附图标记：

1、单极板；1a、活性区；1b、歧口区；1c、分配区；11、第一表面；111、第一主脊；112、第一分配凸起；1121、第一分配脊；1122、第一分配凸块；113、第二分配凹槽；114、第二主凹槽；12、第二表面；121、第二分配凸起；122、第二主脊；123、第一主凹槽；124、第一分配凹槽；

2、膜电极总成；21、膜电极活性组件；22、膜电极边框；

101、气体主流场；102、气体分配流场；201、冷却液主流场；202、冷却液分配流场。

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1-7所示，本实施例提供了一种双极板及电堆，电堆包括若干双极板和与若干双极板对应设置的膜电极总成2，具体地，每个双极板的两侧均设有膜电极总成2，即一个双极板与其两侧的膜电极总成2形成一个单电池，电堆包括多个层叠设置的单电池。

双极板包括两个单极板1，两个单极板1相对的一侧固定连接并形成有冷却液流场，两个单极板1互相背离的一侧分别与两个膜电极总成2抵接，并在单极板1与对应的膜电极总成2之间形成有气体流场。两个单极板1中，一个作为阳极板，另一个作为阴极板。具体地，阳极板与对应的膜电极总成2之间的气体流场为阳极气体流场，阴极板与对应的膜电极总成2之间的气体流场为阴极流场。

进一步地，单极板1包括活性区1a、歧口区1b和位于活性区1a与歧口区1b之间的分配区1c，气体流场包括位于活性区1a的气体主流场101和位于分配区1c的气体分配流场102，冷却液流场包括位于活性区1a的冷却液主流场201和位于分配区1c的冷却液分配流场202，歧口区1b设有气体进口、气体出口、冷却液进口及冷却液出口。本实施例中，歧口区1b与分配区1c均设有两个，两个歧口区1b分别位于单极板1长度方向的两端，活性区1a位于单极板1长度方向的中部，每个歧口区1b与活性区1a之间均设有一个分配区1c。

反应气体通过气体进口进入气体分配流场102，经由气体分配流场102分配后进入气体主流场101，反应产物及未参加反应的工作介质经气体流场收集并通过气体出口排出；冷却液通过冷却液进口进入冷却液分配流场202，经由冷却液分配流场202分配后进入冷却液主流场201，通过双极板与电化学反应发生位置进行换热，而后通过冷却液出口排出，将热量带离燃料电池。

现有技术中，气体分配流场的高度与气体主流场的高度几乎相等，且冷却液分配流场与冷却液主流场的高度几乎相等，导致气体分配流场与冷却液分配流场压降较大，气体及液体分配均匀性差，燃料电池系统的额外附耗大，降低了燃料电池输出功率。

为了解决上述问题，本实施例中，单极板1具有第一表面11和第二表面12，第一表面11与第二表面12分别位于单极板1厚度方向的两侧，单极板1向第一表面11所在侧凸起，以在第一表面11上形成位于活性区1a的第一主脊111及位于分配区1c的第一分配凸起112，并在第二表面12上形成与第一主脊111对应的第一主凹槽123和与第一分配凸起112对应的第一分配凹槽124；第一分配凸起112的顶面高于第一主脊111的顶面。

通过使第一分配凸起112的顶面高于第一主脊111的顶面，可与膜电极总成2匹配，不仅能增大单极板1的分配区1c与膜电极总成2之间的间隙，即增大了气体分配流场102的空间，还相当于增加了第一分配凹槽124的深度，具有增大冷却液分配流场202的空间的效果，进而达到降低气体分配流场102及冷却液分配流场202的压降的目的，提高气体及冷却液分配均匀性。

需要说明的是，仅通过增加第一分配凹槽124的深度，以使冷却液分配流场202的空间增大，效果有限。进一步地，第一表面11包括位于活性区1a的第一活性表面和位于分配区1c的第一分配表面，第一主脊111凸设于第一活性表面，第一分配凸起112凸设于第一分配表面；第一分配表面高于第一活性表面。如此设置，相当于增大了两个单极板1的分配区1c之间的间距，可明显地增大冷却液分配流场202的空间，极大地提高冷却液分配均匀性。

膜电极总成2包括膜电极活性组件21和与膜电极活性组件21连接的膜电极边框22，且膜电极边框22的厚度小于膜电极活性组件21的厚度，可以理解的是，与单极板1的活性区1a对应的部分膜电极总成2的厚度为膜电极活性组件21的厚度，而与单极板1的分配区1c对应的部分膜电极总成2的厚度为膜电极边框22的厚度，换言之，仅在单极板1的活性区1a设置膜电极活性组件21，以保证电化学反应正常进行，而在单极板1的分配区1c仅设置膜电极边框22，以通过膜电极边框22对膜电极总成2起到固定作用即可，具有降低成本的作用。

本实施例中，第一主脊111抵接于膜电极活性组件21以形成上述气体主流场101，第一分配凸起112抵接于膜电极边框22以形成上述气体分配流场102，充分考虑双极板与膜电极总成2的结构特征及配合关系，对双极板与膜电极总成2之间的间隙进行合理划分利用，不会增加双极板及膜电极总成2占用的总空间。

进一步地，由于膜电极边框22与膜电极活性组件21之间存在厚度差，现有技术中，为了弥补膜电极总成与单极板的分配区之间的间隙，需将膜电极总成的气体扩散层设置为异形，以填充膜电极总成与单极板的分配区之间的间隙，增加气体扩散层加工难度及装配难度，提高了成本。

本实施例中，通过使第一分配凸起112的顶面高于第一主脊111的顶面，并使第一主脊111抵接于膜电极活性组件21，第一分配凸起112抵接于膜电极边框22，只需将膜电极总成2的气体扩散层设置为常规的矩形即可，大大地提升了气体扩散层的材料利用率，并降低气体扩散层加工难度及装配难度，降低了成本。

可选地，双极板与膜电极总成2组装并形成电堆时，换言之，此时，膜电极总成2已经被压缩，第一主脊111与第一分配凸起112的高度差为：膜电极活性组件21与膜电极边框22的厚度差的一半。换言之，第一主脊111与第一分配凸起112的高度差即为与单极板1的活性区1a对应的部分膜电极总成2和与单极板1的分配区1c对应的部分膜电极总成2的厚度差的一半，在保证不会增加双极板及膜电极总成2占用的总空间的基础上，进一步充分利用双极板与膜电极总成2之间的间隙，实现气体分配流场102及冷却液分配流场202最大化。

本实施例中，第一分配凸起112包括若干间隔设置的第一分配脊1121和若干间隔设置的第一分配凸块1122，相邻两个第一分配脊1121之间均设有第一分配凸块1122。需要说明的是，第一分配脊1121延伸有一定的长度，以在相邻两个第一分配脊1121之间形成一个气体分配流道；第一分配凸块1122相比于第一分配脊1121，长度较小，设置在相邻两个第一分配脊1121之间，可进一步促进气体分配流道中的气体均匀分配。

需要说明的是，若干第一分配脊1121间隔设置，即采用了本领域常用的差分式气体分配方式；若干第一分配凸块1122间隔设置，即采用本领域常见的点阵式气体分配方式。本实施例中，相邻两个第一分配脊1121之间均设有第一分配凸块1122，将差分式气体分配方式与点阵式气体分配方式相结合，不仅提高了第一分配凸起112对膜电极总成2的支撑强度，而且提高了气体分配的均匀性。

当然，在其他实施例中，第一分配凸起112还可以仅包括第一分配脊1121，即仅采用差分式气体分配方式；也可以仅包括第一分配凸块1122，即仅采用点阵式气体分配方式。

示例性地，第一分配凸起112的横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、平行四边形或梯形，当然也可以为其他形状，比如花朵形等，在此不做限定；第一分配凸起112的横截面为平行于第一表面11的截面。

可选地，第一分配脊1121的高度与第一分配凸块1122的高度相等，进而使得第一分配脊1121与第一分配凸块1122能对膜电极总成2提供相同的支撑力，保证膜电极总成2的支撑稳定性。

本实施例中，阳极板上的若干第一分配脊1121的布置密度与阴极板上的若干第一分配脊1121的布置密度不同；阳极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度与阴极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度不同，进而可分别调控阳极反应气体和阴极反应气体的分配均匀性，与阳极反应气体和阴极反应气体的特性匹配，有助于提高燃料电池的性能。

当然，在其他实施例中，也可以设置为：阳极板上的若干第一分配脊1121的布置密度与阴极板上的若干第一分配脊1121的布置密度不同；阳极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度与阴极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度相同。还可以设置为：阳极板上的若干第一分配脊1121的布置密度与阴极板上的若干第一分配脊1121的布置密度相同；阳极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度与阴极板上的若干第一分配凸块1122的布置密度不同。

可选地，单极板1向第二表面12所在侧凸起，以在第二表面12上形成位于分配区1c的第二分配凸起121，并在第一表面11上形成与第二分配凸起121对应的第二分配凹槽113；其中一个单极板1的第二分配凸起121能抵接于另一个单极板1的第二表面12；或，其中一个单极板1的第二分配凸起121能抵接于另一个单极板1的第二分配凸起121。以通过两个单极板1的第二分配凸起121同时对冷却液进行分配，提高冷却液分配均匀性；同时，如此设置，可通过其中一个单极板1的第二分配凸起121对另一个单极板1起到支撑作用，保证单极板1的强度，避免出现变形。

可选地，第二分配凸起121包括若干间隔设置的第二分配凸块。本实施例中，在冷却液分配流场202，仅采用点阵式冷却液分配形式。

示例性地，第二分配凸起121的横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、平行四边形或梯形，当然也可以为其他形状，比如花朵形等，在此不做限定；第二分配凸起121的横截面为平行于第二表面12的截面。

可选地，单极板1还向第二表面12所在侧凸起，以在第二表面12上形成位于活性区1a的第二主脊122，并在第一表面11上形成与第二主脊122对应的第二主凹槽114；其中一个单极板1的第二主脊122能抵接于另一个单极板1的第二主脊122；或，其中一个单极板1的第二主脊122能抵接于另一个单极板1的第二表面12，以通过其中一个单极板1的第二主脊122对另一个单极板1起到支撑作用，提高单极板1的强度。

需要说明的是，本实施例中，单极板1为厚度均一的板体，单极板1上的所有脊及凸起均通过冲压工艺形成。如此设置，提高了单极板1的工艺性，便于制作，且成本低。

进一步地，由于单极板1为厚度均一的板体，因此，使得两个单极板1分配区1c的第二表面12为非贴合表面，即两个单极板1分配区1c的第二表面12之间形成更大的冷却液分配流场202，进一步提高冷却液分配均匀性。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型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实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种双极板，包括两个固定连接的单极板(1)；所述单极板(1)包括活性区(1a)、歧口区(1b)和位于所述活性区(1a)与所述歧口区(1b)之间的分配区(1c)；

其特征在于，

所述单极板(1)具有第一表面(11)和第二表面(12)，所述第一表面(11)与所述第二表面(12)分别位于所述单极板(1)厚度方向的两侧，所述单极板(1)向所述第一表面(11)所在侧凸起，以在所述第一表面(11)上形成位于所述活性区(1a)的第一主脊(111)及位于所述分配区(1c)的第一分配凸起(112)，并在所述第二表面(12)上形成与所述第一主脊(111)对应的第一主凹槽(123)和与所述第一分配凸起(112)对应的第一分配凹槽(124)；

所述第一分配凸起(112)的顶面高于所述第一主脊(111)的顶面。

2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一表面(11)包括位于所述活性区(1a)的第一活性表面和位于所述分配区(1c)的第一分配表面，所述第一主脊(111)凸设于所述第一活性表面，所述第一分配凸起(112)凸设于所述第一分配表面；

所述第一分配表面高于所述第一活性表面。

3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一分配凸起(112)包括若干间隔设置的第一分配脊(1121)；

所述第一分配凸起(112)还包括若干间隔设置的第一分配凸块(1122)；

相邻两个所述第一分配脊(1121)之间均设有所述第一分配凸块(1122)。

4.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，其中一个所述单极板(1)上的若干所述第一分配脊(1121)的布置密度与另一个所述单极板(1)上的若干所述第一分配脊(1121)的布置密度不同；和/或，

其中一个所述单极板(1)上的若干所述第一分配凸块(1122)的布置密度与另一个所述单极板(1)上的若干所述第一分配凸块(1122)的布置密度不同。

5.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于，所述第一分配脊(1121)的高度与所述第一分配凸块(1122)的高度相等。

6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述单极板(1)向所述第二表面(12)所在侧凸起，以在所述第二表面(12)上形成位于所述分配区(1c)的第二分配凸起(121)，并在所述第一表面(11)上形成与所述第二分配凸起(121)对应的第二分配凹槽(113)；

其中一个所述单极板(1)的所述第二分配凸起(121)能抵接于另一个所述单极板(1)的所述第二表面(12)；或，其中一个所述单极板(1)的所述第二分配凸起(121)能抵接于另一个所述单极板(1)的所述第二分配凸起(121)。

7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述第二分配凸起(121)包括若干间隔设置的第二分配凸块。

8.根据权利要求1-7任一项所述的双极板，其特征在于，所述单极板(1)为厚度均一的板体。

9.一种电堆，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的双极板。

10.根据权利要求9所述的电堆，其特征在于，所述双极板的两侧均设有膜电极总成(2)，所述膜电极总成(2)包括膜电极活性组件(21)和膜电极边框(22)，所述膜电极边框(22)的厚度小于所述膜电极活性组件(21)的厚度；

所述第一主脊(111)抵接于对应的所述膜电极总成(2)的所述膜电极活性组件(21)，所述第一分配凸起(112)抵接于对应的所述膜电极总成(2)的所述膜电极边框(22)。

11.根据权利要求10所述的电堆，其特征在于，所述双极板与所述膜电极总成(2)组装并形成电堆时，所述第一主脊(111)与所述第一分配凸起(112)的高度差为：所述膜电极活性组件(21)与所述膜电极边框(22)的厚度差的一半。

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