双极板、燃料电池和燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种双极板、燃料电池和燃料电池堆。双极板包括相对设置的第一极性表面和第二极性表面，第一极性表面与第二极性表面的极性相反，第一极性表面具有第一导流槽和第一缓存部，第一缓存部位于第一极性表面的反应区内。当燃料电池受负载影响出现反应气瞬时供应不足的情况时，处于第一缓存部内的反应气会补充到反应气耗尽区，直接参与供电反应，从而避免反应气耗尽、延长了燃料电池的使用寿命、保证了燃料电池的运行安全。
【专利说明】双极板、燃料电池和燃料电池堆
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池【技术领域】，更具体地，涉及一种双极板、燃料电池和燃料电池堆。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，反应气从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45%。以燃料电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站到移动式电源，从电动汽车到航天飞船，从军用装备到民用产品，有着广泛的应用空间。
[0003]如图1所示，在并网逆变、交流逆变输出等场合，由于负载的功率具有一定的频率脉动，因而需要通过功率变换器耦合到燃料电池。功率变换器的电流纹波对燃料电池有一定的影响，功率变换器的高频电流纹波不会对燃料电池的运行安全造成威胁，但是一些低频电流纹波，如工频纹波等会对燃料电池的运行安全造成威胁。当电流处于谷值，会造成反应气余裕和浪费；而当电流峰值处于峰值时，则会造成反应气供应不足，甚至在局部区域形成反应气耗尽区，从而导致燃料电池的膜电极寿命衰减，严重降低了燃料电池的性能和耐久性。
【发明内容】
[0004]本发明旨在提供一种双极板、燃料电池和燃料电池堆，以解决现有技术中由于负载影响而导致反应气瞬时供应不足的问题。
[0005]为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种双极板，包括相对设置的第一极性表面和第二极性表面，第一极性表面与第二极性表面的极性相反，，第一极性表面具有第一导流槽和第一缓存部，第一缓存部位于第一极性表面的反应区内。
[0006]进一步地，第一缓存部包括第一缓存槽和/或第二缓存槽，第一缓存槽与第一导流槽连通，第二缓存槽与第一导流槽间隔设置。
[0007]进一步地，第一缓存槽为多个，多个第一缓存槽沿第一导流槽的导流方向设置在第一导流槽的至少一侧和/或设置在第一导流槽的槽底，并与第一导流槽连通。
[0008]进一步地，第一导流槽为多个，相邻两个第一导流槽之间形成间隔区域，第二缓存槽为多个，多个第二缓存槽设置在间隔区域内和/或设置在间隔区域外。
[0009]进一步地，第二缓存槽为多个，多个第二缓存槽设置在第一极性表面的反应区的边缘处。
[0010]进一步地，第二极性表面具有第二导流槽和第二缓存部，第二缓存部位于第二极性表面的反应区内，第二缓存部包括第三缓存槽和/或第四缓存槽，第三缓存槽与第二导流槽连通，第四缓存槽与第二导流槽间隔设置。
[0011]进一步地，第一缓存部与第二缓存部沿双极板的中心平面对称设置。
[0012]进一步地，双极板包括对应设置的阳极板和阴极板，第一极性表面位于阳极板上，第二极性表面位于阴极板上。
[0013]进一步地，阳极板和/或阴极板相向设置的表面上设置有冷却液导流槽。
[0014]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池，包括两个双极板和膜电极，膜电极夹持在两个双极板之间，双极板是上述的双极板。
[0015]根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池堆，包括多个双极板和多个膜电极，相邻两个双极板之间分别夹持有多个膜电极中的一个膜电极，双极板是上述的双极板。
[0016]本发明中的双极板包括相对设置且极性相反的第一极性表面和第二极性表面，第一极性表面具有第一导流槽和第一缓存部，第一缓存部位于第一极性表面的反应区内。当燃料电池受负载影响出现反应气瞬时供应不足的情况时，处于第一缓存部内的反应气会补充到反应气耗尽区，直接参与供电反应，从而避免反应气耗尽、延长了燃料电池的使用寿命、保证了燃料电池的运行安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0018]图1示意性示出了现有技术中的燃料电池功率变换器的电流波纹示意图；
[0019]图2示意性示出了本发明中的燃料电池堆的结构示意图；
[0020]图3示意性示出了本发明中的第一个实施例中的双极板的结构示意图；
[0021]图4示意性示出了本发明中的第二个实施例中的双极板的结构示意图；
[0022]图5示意性示出了本发明中的第三个实施例中的双极板的结构示意图；
[0023]图6示意性示出了本发明中的第四个实施例中的双极板的结构示意图；
[0024]图7示意性示出了本发明中的第五个实施例中的双极板的结构示意图；以及
[0025]图8示意性示出了本发明中的第六个实施例中的双极板的结构示意图。
[0026]图中附图标记:10、第一极性表面；20、第一导流槽；30、第一缓存槽；40、第二缓存槽；50、阳极板；60、阴极板；70、双极板；71、第一气体进口 ；72、第一气体出口 ；73、第二气体进口 ；74、第二气体出口 ；75、冷却液进口 ；76、冷却液出口 ；80、膜电极。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0028]作为本发明的第一个方面，提供了一种双极板。如图2至图8所示，双极板包括相对设置的第一极性表面10和第二极性表面,第一极性表面10与第二极性表面的极性相反，第一极性表面10具有第一导流槽20和第一缓存部，第一缓存部位于第一极性表面10的反应区内。当燃料电池受负载影响出现反应气瞬时供应不足的情况时，处于第一缓存部内的反应气会补充到反应气耗尽区，直接参与供电反应，从而避免反应气耗尽、延长了燃料电池的使用寿命、保证了燃料电池的运行安全。[0029]优选地，反应气包括燃料气体和氧还原气体。进一步地，燃料气体为氢气，氧还原气体为氧气或空气。
[0030]优选地，第一缓存部包括第一缓存槽30和/或第二缓存槽40，第一缓存槽30与第一导流槽20连通，第二缓存槽40与第一导流槽20间隔设置(请参考图3至图8)。由于第一缓存槽30与第一导流槽20连通，因而当反应气在第一导流槽20内流动时，会续存在第一缓存槽30内，从而在第一导流槽20内的反应气用尽时，及时补充、参加供电反应，进而解决了供电不足的问题。由于反应气为气体，因而即使第二缓存槽40与第一导流槽20间隔设置，反应气会充满整个反应区、续存在第二缓存槽40内，当第一导流槽20内反应气用尽时，第二缓存槽40内的反应气会及时补充到反应气耗尽区，从而保证反应正常进行，进而保证燃料电池正常运行、提高了燃料电池的使用可靠性。
[0031]优选地，如图3和图4所示，第一缓存槽30为多个，多个第一缓存槽30沿第一导流槽20的导流方向设置在第一导流槽20的至少一侧和/或设置在第一导流槽20的槽底并与第一导流槽20连通。由于设置有多个第一缓存槽30，因而扩大了双极板的反应气存储空间，当反应气供应不足时，可以有足够的存储反应气补充进行反应，从而保证燃料电池正常运行。由于多个第一缓存槽30沿第一导流槽20的导流方向设置，因而当某一区域出现反应气耗尽的情况时，缓存反应气可以以最快的速度补充到耗尽区、参加反应，进而保证了燃料电池可正常供电、提高了燃料电池的使用可靠性。由于第一缓存槽30设置在第一导流槽20的至少一侧和/或设置在第一导流槽20的槽底，因而当反应气在第一导流槽20内流动时，会续存在第一缓存槽30处，并且保证续存在第一缓存槽30内的反应气不会在第一导流槽20内的反应气的冲击作用下，形成局部真空区域，从而使双极板具有使用可靠性高的特点。如图4所示的实施例中，第一导流槽20为蛇形，第一缓存槽30为块状凹槽，且第一导流槽20比第一缓存槽30的深度更深。
[0032]优选地，如图5至图7所示，第一导流槽20为多个，相邻两个第一导流槽20之间形成间隔区域，第二缓存槽40为多个，多个第二缓存槽40设置在间隔区域内和/或设置在间隔区域外。由于多个第二缓存槽40分布设置在间隔区域内和/或设置在间隔区域外，因而当某一区域出现燃料耗尽的情况时，缓存燃料可以以最快的速度补充到耗尽区、参加反应，进而保证了燃料电池可正常供电、提高了燃料电池的使用可靠性。
[0033]优选地，如图8所示，第二缓存槽40为多个，多个第二缓存槽40设置在第一极性表面10的反应区的边缘处。由于第一极性表面10的反应区的边缘处设置有第二缓存槽40，因而当第一导流槽20内的燃料耗尽时，第二缓存槽40内的续存燃料会快速补充到燃料耗尽区参与反应，从而提高了双极板的使用可靠性。如图8所示的实施例中，第一导流槽20为蛇形，第一导流槽20为两个，两个第一导流槽20并行设置。在反应区的边缘处的外围区由密封层实现气体的密封，反应区内部充满了反应气。
[0034]优选地，第二极性表面具有第二导流槽和第二缓存部，第二缓存部位于第二极性表面的反应区内，第二缓存部包括第三缓存槽和/或第四缓存槽，第三缓存槽与第二导流槽连通，第四缓存槽与第二导流槽间隔设置。由于双极板的第二极性表面上也设置有第二缓存部，因而与双极板的第一极性表面10和第二极性表面分别相对设置的膜电极均可以保证反应气供应充足，从而进一步提高了双极板和燃料电池的使用可靠性。
[0035]优选地，第一缓存部与第二缓存部沿双极板70的中心平面对称设置。由于第一缓存部与第二缓存部对称设置，因而当反应气供应不足时，某一反应气用尽区域可能是对称出现的，此时，续存反应气可以尽快的补充到反应气用尽区，从而同时参加供电反应，保证了燃料电池的供电可靠性。
[0036]优选地，双极板70具有第一气体进口 71、第一气体出口 72、第二气体进口 73和第二气体出口 74，第一气体进口 71和第一气体出口 72分别设置在第一导流槽20的两端，第二气体进口 73和第二气体出口 74分别设置在第二导流槽的两端。优选地，第一极性表面10为阳极面，第二极性表面为阴极面。进一步地，第一气体进口 71内通入氢气，第二气体进口 73内通入氧气或空气。
[0037]优选地,如图2所不,双极板70包括对应设置的阳极板50和阴极板60,第一极性表面10位于阳极板50上,第二极性表面位于阴极板60上。由于双极板70包括独立设置的阳极板50和阴极板60，因而阳极板50和阴极板60之间的工作互不影响，并且提高了双极板的散热效率。如图2所不的实施例中，一个阳极板50与一个阴极板60之间夹持有一个膜电极80,两个膜电极80之间夹持有由一个阳极板50和一个阴极板60组成的双极板70。优选地，阳极板50和/或阴极板60相向设置的表面上设置有冷却液导流槽。进一步地，双极板70上具有冷却液进口 75和冷却液出口 76，冷却液导流槽的第一端与冷却液进口 75连通，冷却液导流槽的第二端与冷却液出口 76连通。当阳极板50和/或阴极板60在工作过程中产生过多热量时，通过在冷却液导流槽内通入冷却液或水，可以达到对双极板70散热的目的，从而保证燃料电池稳定运行。除上述方法之外，还可以通过增大双极板的第一导流槽20的深度或宽度的方法，增加反应气的容纳空间，从而保证双极板可以满足不同的工作要求，避免出现反应气供应不足的问题。
[0038]如图3所示的实施例中，第一导流槽20为蛇形，第一缓存槽30为块状凹槽，且第一导流槽20与第一缓存槽30的深度相同，用以均匀分布反应气，并在反应气充足时存储一定体积的反应气，当燃料电池输出电流波动至峰值时，第一缓存槽30内的缓存反应气能迅速补充反应气的消耗，防止燃料电池内部出现反应气供给不足的问题，保证了燃料电池堆工作的稳定性，避免了燃料电池堆的性能衰减。对于3kW的燃料电池堆(50节单电池)，工作于工频纹波条件下，双极板70的第一缓存部的总面积约为2至5平方厘米；双极板70的第二缓存部的总面积约为4至10平方厘米。
[0039]作为本发明的第二个方面，提供了一种燃料电池。如图2所示，燃料电池包括两个双极板70和膜电极80，膜电极80夹持在两个双极板70之间，双极板70是上述的双极板70。由于本发明中的双极板70设置有第一缓存部和/或第二缓存部，因而在反应气供应不足时，续存在第一缓存部和/或第二缓存部内的缓存反应气会补充到反应气耗尽区参加反应，从而保证了燃料电池的稳定运行，提高了燃料电池的使用可靠性。
[0040]作为本发明的第三个方面，提供了一种燃料电池堆。燃料电池堆包括多个双极板70和多个膜电极80，相邻两个双极板70之间分别夹持有多个膜电极80中的一个膜电极80，双极板70是上述的双极板70。
[0041]优选地，如图2和图3所示的实施例中，每个膜电极80的两侧分别设置有一个阳极板50与一个阴极板60，处在端部的阳极板50和/或阴极板60的外侧还设置有电极端板，双极板70上刻有第一导流槽20和/或第二导流槽，用以均匀分配反应气体。优选地，第一导流槽20和/或第二导流槽中为蛇形。其中，膜电极80为电化学反应发生的场所，由催化剂(一般为Pt或C)和质子交换膜组成。由于与电极端板接触的双极板70的表面不参与反应，因而将每个双极板70分割成一个阳极板50与一个阴极板60，可以在与电极端板接触的位置仅设置阳极板50或阴极板60，从而减少了双极板70的用料，进而节约了燃料电池堆的制造成本。由于燃料电池堆中的双极板70设置有第一缓存部和/或第二缓存部，反应气可以续存在第一缓存部和/或第二缓存部内部，并在反应气不足时及时补充参与反应，从而使本发明中的燃料电池堆具有使用可靠性高的特点。
[0042]本发明通过对燃料电池堆的流场进行优化设计，解决了燃料电池堆在功率变换器的电流波动情况下出现的反应气供应不足的问题，从而提高了燃料电池堆的性能与耐久性。
[0043]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双极板，包括相对设置的第一极性表面(10)和第二极性表面,所述第一极性表面(10)与所述第二极性表面的极性相反，其特征在于，所述第一极性表面(10)具有第一导流槽(20)和第一缓存部，所述第一缓存部位于所述第一极性表面(10)的反应区内。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述第一缓存部包括第一缓存槽(30)和/或第二缓存槽(40)，所述第一缓存槽(30)与所述第一导流槽(20)连通，所述第二缓存槽(40)与所述第一导流槽(20)间隔设置。
3.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一缓存槽(30)为多个，多个所述第一缓存槽(30)沿所述第一导流槽(20)的导流方向设置在所述第一导流槽(20)的至少ー侧和/或设置在所述第一导流槽(20)的槽底，并与所述第一导流槽(20)连通。
4.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第一导流槽(20)为多个，相邻两个所述第一导流槽(20)之间形成间隔区域，所述第二缓存槽(40)为多个，多个所述第二缓存槽(40)设置在所述间隔区域内和/或设置在所述间隔区域外。
5.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第二缓存槽(40)为多个，多个所述第二缓存槽(40)设置在所述第一极性表面(10)的所述反应区的边缘处。
6.根据权利要求2所述的双极板，其特征在于，所述第二极性表面具有第二导流槽和第二缓存部，所述第二缓存部位于所述第二极性表面的反应区内，所述第二缓存部包括第三缓存槽和/或第四缓存槽，所述第三缓存槽与所述第二导流槽连通，所述第四缓存槽与所述第二导流槽间隔设置。
7.根据权利要求6所述的双极板，其特征在于，所述第一缓存部与所述第二缓存部沿所述双极板(70)的中心平面对称设置。
8.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板(70)包括对应设置的阳极板(50 )和阴极板(60 ),所述第一极性表面(10 )位于所述阳极板(50 )上,所述第二极性表面位于所述阴极板(60)上。
9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在干，所述阳极板(50)和/或所述阴极板(60)相向设置的表面上设置有冷却液导流槽。
10.ー种燃料电池，包括两个双极板(70)和膜电极(80)，所述膜电极(80)夹持在两个所述双极板(70)之间，其特征在于，所述双极板(70)是权利要求1至9中任一项所述的双极板(70)。
11.ー种燃料电池堆，包括多个双极板(70)和多个膜电极(80)，相邻两个双极板(70)之间分别夹持有所述多个膜电极(80)中的一个所述膜电极(80)，其特征在于，所述双极板(70)是权利要求1至9中任一项所述的双极板(70)。
【文档编号】H01M4/86GK103441289SQ201310377513
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】殷聪, 汤浩, 高建龙, 陶诗涌, 张伟明, 高 玉, 练勇 申请人:中国东方电气集团有限公司