专利名称：燃料电池的双极板及其燃料电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池，特别涉及燃料电池的双极板及其燃料电池。
背景技术：
引证专利号 美国专利文件，专利号 6358642 7081310
6699614 6706436 7029784 7067216
7087337 7115336 7147677 7169502
7175931 7195836 7229564 7241474 7252218
7258263 7261124 7285353 7306875 7402358
7459227 7468216
燃料电池被认为是一种有多项用途的新型动力源及能源转换器。有相当多不同种 类的燃料电池，其中之一被称为质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC被主要设计成一堆双 极板和夹在双极板中间的膜电极组件(MEA)，双极板上有各种类型的流场以输送反应流体 到MEA上的反应界面，并且排出在PEMFC里通过电化学反应产生的多余热量和水。多年的实 践表明，双极板的设计存在着许多缺陷，比如对反应物的分配效率、热量及水的管理等。虽 然经过多年的努力，但这些问题依然是优化燃料电池的性能及寿命的主要障碍。 如何有效提供足够的反应流体到反应界面的每一部分，以及如何有效地去除在燃 料电池里电化学反应产生的热量和水同时，能很好地维持电池温度及膜片湿度是每位燃料 电池板的设计者都铭记于心的设计要求。因此，有必要去改进燃料电池极板的设计并优化 燃料电池的性能和寿命。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种改进的燃料电池的双极板及其燃料电池，以优 化燃料电池的性能，提高燃料电池的寿命。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种燃料电池的双极板，包括具有至少一个作用面的基板；所述作用面上设有多个导流块；每个所述导流块为具有一定高度，且具有前曲面、后曲面、侧面和顶面，所述前曲 面朝向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向；所述多个导流块以重复和交错的方式排列成多排，相邻两排都保持一定的距离， 并且每排中相邻两个导流块之间留有间隙。进一步地，所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面，所述顶面为平面。进一步地，所述多排中的每个导流块具有一中线，该中线与位于前一排的两个相 邻导流块之间间隙的中线对齐并且与位于后一排的两个相邻导流块之间间隙的中线对齐。[0020]进一步地，所述导流块的长度方向横向于反应流的运动方向，所述间隙与反应流 的方向横向一致。进一步地，所述导流块的前曲面具有第一终点、第二终点和半径rl ；所述后曲面 具有第三终点、第四终点和半径R1，所述前曲面及后曲面具有同样的中心角度θ。进一步地，相邻的第一导流块、第二导流块、第三导流块的排列方式为从第一导 流块后曲面的第三终点、第四终点画两条与后曲面相切的线，两切线的在交点相交后延伸 后分别相切于后一排相邻的第二导流块和第三导流块的两个前曲面的第一终点和第二终 点，所述交点接近于第一导流块后曲面的中点，所述交点和中点在相邻第二导流块和第三 导流块之间的间隙的中线上。进一步地，所述导流块的凹面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。进一步地，所述导流块的凸面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。进一步地，所述后曲面由多于一个的凹面组成的凸面。进一步地，所述导流块的前曲面由多于一个的凹面组成的凹面，所述后曲面由多 于一个的凹面组成的凸面。进一步地，所述导流块的前曲面为由两个凹面组成的凹面，所述后曲面为由两个 凹面组成的凸面。本实用新型还提供一种燃料电池，包括双极板和透气层所述双极板采用上述双极板；所述极板的基板的作用面压设于透气层上形成一边界元素；所述极板的导流块的顶面压设于所述的边界元素；一组流道，形成于所述极板的导流块之间以及所述极板的基板和所述边界元素之 间的空间。本实用新型提供的燃料电池极板及其燃料电池，在流道中可能存在停留水滴的水 袋区域，但是在如此被严重干扰的流道中，这些水袋区域被极大地限制在小范围内，不大可 能发生因水流过剩而造成的淤塞现象，并且这些小范围的水袋区域则极有可能成为加湿 源。因此，与现有的使用光滑和多半层流方式或长线流道或大幅增加速度和压力等的传统 设计不同的是，本实用新型大幅改善了燃料电池的流场设计，即通过呈现的反应流通道，其 中的反应流在持续受到干扰的环境里被反射、分流、收缩及扩展，实现反应流的分布、热量 与水的管理被充分优化。以下提供详细的描述以表明本实用新型的更多运用范围。应当理解的是，以下详 细的模范图纸和描述，同时表明了本实用新型的一些优选的实现方案，旨在描述本实用新 型的目的，不是对本实用新型范围的限制。
图1是燃料电池双极板的立体示意图，一组带箭头的假想线表示在流道结构中的 反应流的通道及方向，实用新型特征之一的流道结构具有若干排的导流块；图2是图1的平面图，在图的右侧(入口)和左侧(出口)具有更多带箭头的假 想线，以描述通过流道的反应流的方向及通道；图3为本实用新型的燃料电池双极板结构细节的示意图；[0038]图4为本实用新型中一小组导流块的结构属性及导流块之间的关联示意图；图5为本实用新型的导流块透视图；图6为本实用新型的一种导流块的结构属性的设计方案示意图；图7为本实用新型的另一种导流块的结构属性的设计方案示意图；图8为本实用新型双极板燃料电池的截面示意图；图9为由导流块所形成的多条通道的部分示意图，以描述反应流方式收缩、扩 展、反射及分流，包括两次流向变化等于或大于90°角，如带箭头的假想线所示；图10本实用新型的燃料电池中部分的流道及透气层的断面示意图，图中反应流 穿过流道，碰上前方的导流块，被迫改变流向。根据本实用新型，其中一个方向的变化是面 向透气层的，如三条带箭头的虚线所示。图11为本实用新型中液态水滴在流道中可能形成、积聚及驻留的局部区域或位 置示意图。
具体实施方式
实施例一如图1所示，一种燃料电池的双极板1，包括具有至少一个作用面的基板2 ；所述作用面上设有多个导流块3，每个所述导流块3为具有一定高度，且具有前曲面、后曲面、侧面和顶面，所述前 曲面朝向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向；所述多个导流块3以重复和交错的方式排列成多排，相邻两排都保持一定的距 离，并且每排中相邻两个导流块3之间留有间隙。通过基板2作用面上的导流块3构成的分流及反射反应流的流道，反应流在流道 中不断地被收缩、扩展，并分成不止一条流体，以大于或等于90° (最大不可能超过180° ) 的流向反射，并且被保持在持续的干扰状态下，改进了反应流的分布、扩展及水的管理。以 下对于优选的具有代表性的实施例进行说明，但该实施例并非用于限制本实用新型的应用 或保护范围。如图1和图2为燃料电池双极板1与多个反应流(即富含氢的燃料或者空气)流 道的立体图和平面图。反应流从流道右边流向左边，图中显示了反应流的主要流向，并且反 应流的流道及方向用带箭头的假想线来表示。反应流的流道在具有多个导流块3的基板2 上形成。如图3所示，导流块3分组排列成多排，标为排Rl、R2、R3、R4、…、Rn,并且每排 包含了多个导流块，如导流块6和导流块7排列在一排中，并且导流块8、导流块9、导流块 10排在另一排中，所述导流块的长度方向横向于反应流的运动方向，并且每排中相邻两个 导流块之间的间隙G作为部分流道。所有排都以交错的方式排列，除了图3中先遇到即将 来临的反应流的被标为Rl的排外，接下来的每一排使它的导流块以距离S排在前一排的后 方并与一个横向补丁 D交错，这样使得所有接下来的排中的导流块以面向前一排的间隙排 列，同时排中两个相邻导流块之间的间隙面向前排导流块的背面，例如，导流块8面向导流 块6和导流块7之间的间隙，且导流块8和9之间的间隙面向导流块6的背面。换言之，在所有排中的导流块3最终都以横向对着主要流向的位置，以反射即将来临的流体并迫使它 们分成不止一条反应流并改变局部的流向。图1、图2和图3还描述了位于板上的导流块3优选实施例的结构属性，导流块3 以月牙状形成，所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面，所述顶面为平面，所述后 曲面面向即将来临的反应流。除了第一行的导流块和间隙面向即将来临的反应流，在结构 上，其它的导流块的凹面面向位于前排中的间隙，并且在每排相邻的导流块之间的间隙面 向前方导流块的凸面。例如，导流块8的凹面面向导流块6和导流块7之间的间隙12，且导 流块8和导流块9之间的间隙面向导流块6的凸面；导流块6、7、8以此种方式设置，较宽的 空间11接在收紧的间隙12后。其中，所述多排中的每个导流块具有一中线，该中线与位于前一排的两个相邻导 流块之间间隙的中线对齐并且与位于后一排的两个相邻导流块之间间隙的中线对齐。图4、 图5显示了多个导流块实施例更多细节的放大图。每一个导流块，无论导流块13、导流块 14、导流块15或其它所有的导流块，都具有高度H、宽度W、厚度T，并且优选地，W与T的比 率或W T为3 1。另外，导流块有顶面沈、前曲面M、后曲面25和侧面27，其中前曲面 具有第一终点17、第二终点20和半径rl ；后曲面25具有第三终点21、第四终点22和半径 R1。前曲面对及后曲面25在中点19面向同样的中心角度θ，这样一个月牙状的导流块优 选的方式是具有一个面向并对齐前一排两相邻导流块之间的间隙的凹面及一个面向并对 齐后一排两相邻导流块之间的间隙的凸面。图4中三个相邻的导流块13、导流块14及导流块15以如此方式排列从导流块 13后曲面的第三终点21、第四终点22画两条与后曲面相切的线，如图4中两条交叉的虚线 所示，两切线在点23相交，然后延伸两条切线，该两切线分别相切于后一排相邻的导流块 14和导流块15的两个前曲面的第一终点16和第二终点17。然后通过调整导流块的形状， 尽可能地使点23足够接近于导流块13后曲面的中点18，并且使交点23和中点18在相邻 导流块14和导流块15之间的间隙中线上排列。本实用新型具有不止一个的实施例。另有两个导流块的优选实施例如图6、图7所示。图4中导流块的单独的后曲面25被图6中的两个凹面29、31及邻接两个凹面29、 31的轮廓30、轮廓32替代。在前曲面观上被反射及分流的反应流被导向至凹面四和凹 面31，导向至凹面四的反应流被凹面四及轮廓30、轮廓32引导至后一排的间隙，同样的 情形在凹面31上发生。其中，轮廓30、轮廓32指导流块对应曲面之间的过渡。如图7所示，另一个导流块实施例的形状是从图6所示的实施例进一步发展而来 的，图4中导流块的单独的前曲面M被两个凹面34、35及轮廓36替代。反应流在前曲面 24上被两个凹面34、35及轮廓36反射、分流。实施例二如图8所示，燃料电池装置实施例是由基板39、46，在基板上建造导流块38、47，透 气层40、44，催化剂层41、43及膜42构成。导流块的顶面沈，如图4中所示，在双极板1上 如图1所示，被压在透气层40、44上，以至于若干气流通道37、45在双极板及透气面之间形 成。富含氢的燃料和空气反应流，被注入到通道31、45，通过透气层40、44扩展，然后到达在 膜42上的催化剂层41、43。一侧具有导流块且另一侧为扁平面的基板39通常称为正极。一侧具有导流块且另一侧上具有冷却剂通道的基板46通常称为负极，也称为分离板，最好 与相同材料的所有导流块建在一起。如图9所示，通过在一排里介于导流块49、52、5354之间的若干间隙，迫使反应流 通过及收缩，然后，在介于两排之间的空间55中扩展。由于导流块被横向设于正对反应流 的主要流向，反应流被下一排的导流块56、57、58完全反射。被反射的反应流通过位于导流 块49、52之间的间隙，被迫沿着月牙状导流块56的凹面上的中心点59分成至少两条流体。 如图9中带箭头的假想线所示，当反应流被喷溅到导流块56、57及58上时，被反射至远离 主流方向且大于或等于90°小于180°的角的流向，使分流的反应流被月牙形导流块引导 向后及两侧来回移动。因此，被分割的反应流的一部分，从导流块56的前曲面被反射，然后 转向右上方向，将遇到一条从导流块58反射来的右下方向的反应流，然后在导流块49的背 面转向左或是位于导流块49后曲面的中心点50前方的空间里。同样的反应流状态也在流 道的其它地方形成，比如在其它部分如导流块51背面中心点50的前方。两条相交的反应 流合并到一起然后被导流块49的后曲面迫使再次改变它们的流向，其中角β也大于或等 于90°小于180°，回到主流向，使反射并合并的反应流通过下一排中导流块56、57及58 之间的间隙时再次收缩。由此可见，本实用新型燃料电池的双极板上构建的流道带领反应 流经历以上在整个流程，反应流在不断干扰的环境下被收缩、扩展、反射及分流，并被很好 的分布到整个流道空间内。如图10所示，在流道62中的反应流经常撞击在基板64上的导流块60的月牙状 前表面61，使反应流被迫寻找所有其它可能的向前流动的通路。除了之前提到的分成至少 两条反应流，由于局部的流体压力和速度的变化，流体还压在透气层63上以找出向前移动 的通路。因此，这种流动趋向真正是在改善在透气层63里的微型流体模式及扩散过程。如 图10中若干箭头及一条虚线所示，通过反射在流道的所有方向中的反应流，本实用新型中 的双极板可以改善反应流分布到导流块60的着陆区域65 (介于两条垂直虚线之间)，即靠 着透气层63的导流块60的顶面66的下方。本实用新型中的双极板可改善水的管理，使水滴局部化并且限制水滴的大小，而 不是从通道中排出所有的水。如图11所示，虚线67、68、69、70所圈的区域为液态水滴可能 聚集并停留于此。双极板的这种留出一些为水滴停留的局部区域设计方式，可补充反应流 或模的对湿度的需求。本实用新型的目的是具有这样停留在局部区域的水袋，它伴随着若 干流道中的狭窄的间隙71及流道72的较高流速的反应流，以防止水滴变成可能会阻塞流 道的一大块，或者在任何冲洗方法被合使用之前延迟水滴过快的扩张速度。因为本实用新 型中的若干流道提供了若干这种形状的通路使可能的水袋被有效地区域化，所以本实用新 型设计的多流道的双极板可容许在某一部分流道区域被水块阻塞较长时间的情况下，该部 分区域不会有严重的性能损失。以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领 域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用 新型的专利范围，即凡依本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用 新型的专利范围内。
权利要求1.燃料电池的双极板，其特征在于包括 具有至少一个作用面的基板；所述作用面上设有多个导流块；每个所述导流块为具有一定高度，且具有前曲面、后曲面、侧面和顶面，所述前曲面朝 向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向；所述多个导流块以重复和交错的方式排列成多排，相邻两排都保持一定的距离，并且 每排中相邻两个导流块之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的双极板，其特征在于 所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面，所述顶面为平面。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于所述多排中的每个导流块具有一中线，该中线与位于前一排的两个相邻导流块之间间 隙的中线对齐并且与位于后一排的两个相邻导流块之间间隙的中线对齐。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于所述导流块的长度方向横向于反应流的运动方向，所述间隙与反应流的方向横向一致。
5.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于所述导流块的前曲面具有第一终点、第二终点和半径rl ；所述后曲面具有第三终点、 第四终点和半径R1，所述前曲面及后曲面具有同样的中心角度θ。
6.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于相邻的第一导流块、第二导流块、第三导流块的排列方式为从第一导流块后曲面的第 三终点、第四终点画两条与后曲面相切的线，两切线的在交点相交后延伸后分别相切于后 一排相邻的第二导流块和第三导流块的两个前曲面的第一终点和第二终点，所述交点接近 于第一导流块后曲面的中点，所述交点和中点在相邻第二导流块和第三导流块之间的间隙 的中线上。
7.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于 所述导流块的凹面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。
8.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于 所述导流块的凸面反射反应流的角度大于或等于90°小于180°。
9.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于 所述后曲面由多于一个的凹面组成的凸面。
10.根据权利要求2所述的燃料电池的双极板，其特征在于所述导流块的前曲面由多于一个的凹面组成的凹面，所述后曲面由多于一个的凹面组 成的凸面。
11.根据权利要求10所述的燃料电池的双极板，其特征在于所述导流块的前曲面为由两个凹面组成的凹面，所述后曲面为由两个凹面组成的凸
12. 一种燃料电池，包括极板和透气层，其特征在于 所述极板为权利要求1至11中任一权利要求所述的双极板； 所述极板的基板的作用面压设于透气层上形成一边界元素；所述极板的导流块的顶面压设于所述的边界元素；一组流道，形成于所述极板的导流块之间以及所述极板的基板和所述边界元素之间的 空间。
专利摘要燃料电池的双极板及其燃料电池，所述双极板包括具有至少一个作用面的基板；所述作用面上设有多个导流块；每个所述导流块为具有一定高度，且具有前曲面、后曲面、侧面和顶面，所述前曲面朝向反应流的逆向，所述后曲面朝向反应流的同向；所述多个导流块以重复和交错的方式排列成多排，相邻两排都保持一定的距离，并且每排中相邻两个导流块之间留有间隙。进一步地，所述前曲面为一个凹面，所述后曲面为一个凸面。本实用新型提供的燃料电池极板及其燃料电池，使反应流体反射、收缩、扩展、分流成多条流体，改进了反应流的分布、扩散及水的管理。
文档编号H01M4/86GK201845825SQ20102028196
公开日2011年5月25日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者秦川, 高勇 申请人:上海恒劲动力科技有限公司