双极板以及燃料电池的制作方法

本实用新型涉及燃料电池领域，特别是涉及双极板以及燃料电池。

背景技术：

燃料电池是一种无污染，能量转化率高的发电机装置，现已在多个领域成功运用。作为燃料电池重要组成部件之一的双极板起着重要作用，主要功能是为阳极气体(例如氢气)和阴极气体(例如空气或者氧气)提供气体流道，阻止阳极气体和阴极气体在电堆内相互串通，以及给电堆冷却提供特定的液冷流道，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路的同时保持一定机械强度。双极板气体流道的设计多种多样，设计主要考虑整个气体流道支路流量均匀，若双极板流道设计不合理会导致电堆因过早的浓度极化或膜电极局部浓度极化。

技术实现要素：

本实用新型提供一种双极板以及燃料电池，旨在设计一种能使气体流量均匀的双极板。

第一方面，本实用新型提供了一种双极板，包括第一板面，所述第一板面开设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口在第一方向上和第二方向上呈间隔设置，所述第一方向与所述第二方向相交，所述第一板面设置有连通所述进气口与所述出气口的且呈并联设置的多个气流通道，每个所述气流通道包括沿着所述第一方向延伸且与所述进气口连通的第一主气道、沿着所述第一方向延伸且与所述出气口连通的第二主气道、以及连通所述第一主气道和所述第二主气道的且呈并联设置的多条沿着所述第二方向延伸的支气路。

本申请通过设置并联的多个气流通道，气体在每个气流通道内的流动路径均为经第一主气道进入支气路而被分成多股，最后多股气体汇集进入第二主气道，这样能够保证每股气体流动路径是相同的，以及气体由第一主气道进入支气路时流速会减慢，如此都是有利于保证气体流过气流通道时各条支气路气体分布均匀。同时，由于第一主气道、第二主气道和支气路均为直线型，以及气流通道的转弯处相对较少，故气体在气流通道内的阻力损失小，有利于气体进入膜电极组件的扩散层，且也易于加工制造，降低了双极板成本。

在一个实施例中，所述进气口和所述出气口在所述第一方向上的尺寸相等，所述进气口和所述出气口在所述第二方向上的尺寸相等；和/或，所述进气口在所述第二方向上超出所述多个气流通道的第一主气道，所述出气口在所述第二方向上超出所述多个气流通道的第二主气道。

本申请通过设置进气口和出气口在第一方向上和第二方向上的尺寸相等，如此进气口处和出气口处的气体流量相同，使得第一主气道和第二主气道内的气体流速接近，每个气流通道中的支气路内的气体流速分布也会较为均匀。同时，通过设置进气口在第二方向上超出多个第一主气道，以及出气口在第二方向上超出多个第二主气道，如此有利于保证气体能够均匀地进入多个第一主气道，也能够均匀地流出多个第二主气道。

在一个实施例中，所述第一主气道和所述第二主气道在所述第二方向上的尺寸相等；和/或，所述第一主气道和所述第二主气道在所述第二方向上的尺寸均大于所述支气路在所述第一方向上的尺寸。

本申请通过设置第一主气道和第二主气道在第二方向上的尺寸相等，有利于保证第一主气道和第二主气道内的气体流速接近。同时，通过设置第一主气道和第二主气道在第二方向上的尺寸均大于支气路在第一方向上的尺寸，这样有利于保证支气路内压强稳定，有利于气体在支气路内均匀地流动。

在一个实施例中，所述第一主气道、所述第二主气道和所述支气路在垂直于所述第一板面的方向上的尺寸相等。

本申请通过设置第一主气道、第二主气道和支气路的深度相等，这样气体在气流通道内的阻力损失小。

在一个实施例中，在一个实施例中，所述多个气流通道在所述第一方向上呈间隔设置，所述多个气流通道的第一主气道在所述第二方向上呈间隔设置，所述多个气流通道的第二主气道在所述第二方向上呈间隔设置，每个所述气流通道中的多条支气路在所述第一方向上呈间隔设置。

本申请通过优化多个气流通道的布置方式，使得多个气流通道在第一板面上的排布变得更为紧凑。

在一个实施例中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

本申请通过设置第一方向与第二方向垂直，有利于增加多个气流通道在第一板面上的面积占比。

在一个实施例中，所述双极板包括中部、第一边缘部、第二边缘部、第三边缘部和第四边缘部，所述多个气流通道设置于所述中部，所述第一边缘部、所述第二边缘部、所述第三边缘部和所述第四边缘部均位于所述中部的外围，所述第一边缘部和所述第三边缘部均沿着所述第二方向延伸，所述第二边缘部和所述第四边缘部均沿着所述第一方向延伸，且连接于所述第一边缘部和所述第三边缘部之间，所述进气口设置于所述第一边缘部，且靠近所述第二边缘部，所述出气口设置于所述第三边缘部，且靠近所述第四边缘部。

本申请通过优化多个气流通道、进气口和出气口在双极板上的设置位置，使得双极板整体结构变得更为紧凑，有利于减小双极板的尺寸。

在一个实施例中，所述第一板面开设有第一通气口和第二通气口，所述第一通气口、所述第二通气口、所述进气口和所述出气口分别位于一个矩形区域的四个转角处，且所述进气口和所述出气口呈对角设置，所述第一通气口和所述第二通气口呈对角设置。

第二方面，本实用新型还提供一种燃料电池，包括单电池，所述单电池包括层叠设置两个如第一方面各种实施例中任一项所述的双极板和膜电极组件，所述两个双极板分别为阳极双极板和阴极双极板，所述阳极双极板的第一板面与所述膜电极组件贴合，以形成阳极气体通道，所述阴极双极板的第一板面与所述膜电极组件贴合，以形成阴极气体通道，所述阴极双极板的进气口相对于所述阳极双极板的进气口呈靠近所述阳极双极板的出气口设置，所述阴极双极板的出气口相对于所述阳极双极板的出气口呈靠近所述阳极双极板的进气口设置，以使阳极气体的流动方向和阴极气体的流动方向相反。

本申请通过两个双极板分别作为阳极双极板和阴极双极板，来与膜电极组件叠设形成单电池，通过对双极板的气体通道进行合理设计，使阳极气体与阴极气体能够在电堆内均匀反应，减少电堆因局部浓度极化而对整个电堆性能产生的影响。由于阳极双极板和阴极双极板采样相同的结构设计，故能够降低成本。同时，阳极气体的进气口和出气口呈对角设置，阴极气体的进气口和出气口也呈对角设置，且阳极气体的流动方向和阴极气体的流动方向相反，这样高速流动的气体在电堆高功率下运行时，能够带走多余热量的同时也能平衡气体进出口温度梯度，对整个膜电极组件温度均匀性有利。阴极气体与阳极气体交错流动会减轻膜电极组件局部浓度极化带来的影响，能提升单一膜电极组件整体电流密度的一致性。

在一个实施例中，所述第一板面开设有第一通气口和第二通气口，所述第一通气口、所述第二通气口、所述进气口和所述出气口分别位于一个矩形区域的四个转角处，且所述进气口和所述出气口呈对角设置，所述第一通气口和所述第二通气口呈对角设置，所述膜电极组件对应所述阳极双极板的进气口、出气口、第一通气口和第二通气口分别开设有第一连通孔、第二连通孔、第三连通孔和第四连通孔，所述阳极双极板的进气口通过所述第一连通孔与所述阴极双极板的第二通气口连通，所述阳极双极板的出气口通过所述第二连通孔与所述阴极双极板的第一通气口连通，所述阳极双极板的第一通气口通过所述第三连通孔与所述阴极双极板的出气口连通，所述阳极双极板的第二通气口通过所述第四连通孔与所述阴极双极板的进气口连通。

本申请通过设置第一通气口、第二通气口、第一连通孔、第二连通孔、第三连通孔和第四连通孔，这样能够将多个单电池进行串联。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的一种实施例的双极板的结构示意图；

图2是图1中a处的局部放大示意图；

图3是图1中b处的局部放大示意图；

图4是图1中c处的局部放大示意图；

图5是本实用新型的一种实施例的燃料电池中一个单电池的分解示意图；

图6是图5中阴极气体通道内阴极气体流速分布云图；

图7是图5中阳极气体通道内阳极气体流速分布云图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的具体实施例中的附图，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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

燃料电池是一种无污染，能量转化率高的发电机装置，现已在多个领域成功运用。作为燃料电池重要组成部件之一的双极板起着重要作用，主要功能是为阳极气体(例如氢气)和阴极气体(例如空气或者氧气)提供气体流道，阻止阳极气体和阴极气体在电堆内相互串通，以及给电堆冷却提供特定的液冷流道，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路的同时保持一定机械强度。双极板气体流道的设计多种多样，设计主要考虑整个气体流道支路流量均匀，若双极板流道设计不合理会导致电堆因过早的浓度极化或膜电极局部浓度极化。

针对上述问题，本申请提供了一种双极板，该双极板能够运用于燃料电池，如图1至图4所示，该双极板100包括包括第一板面11(如图5所示，双极板100还包括与第一板面11相背的第二板面12)。对于双极板100的材质可以不做特殊限定，在一具体的实施例中，双极板100的材质为石墨，即双极板100为石墨双极板，石墨双极板具有耐腐蚀性强，导电及导热性能优良等特点。

第一板面11开设有进气口2和出气口3，进气口2和出气口3在第一方向上和第二方向上呈间隔设置，第一板面11设置有连通进气口2与出气口3的且呈并联设置的多个气流通道4。要在第一板面11设置多个气流通道4有多种，例如，可以是在第一板面11上设置多条凸筋，多条凸筋之间限定出多个气流通道4；还可以在第一板面11上设置沟槽，以形成多个气流通道4。如图5所示，在将双极板100通过第一板面11与膜电极组件200贴合时，第一板面11上的多个气流通道4会与膜电极组件200形成紧密严实的气体通道，这样气体能够从进气口2处流入气体通道内，并从出气口3处流出气体通道。第一板面11开设有多个气流通道4，对于气流通道4的具体个数是根据实际情况来设置，如图1所示，在一具体的实施例中，第一板面11开设有8个气流通道4。进气口2和出气口3在第一方向上和第二方向上呈间隔设置，对于进气口2和出气口3在双极板100上的具体设置位置可以不做特殊限定，如图1所示，在一具体的实施例中，双极板100为类长方形设置，进气口2和出气口3在双极板100上呈对角设置，且分别靠近双极板100的两个转角处，第一方向为双极板100的长度方向，第二方向为双极板100的宽度方向。双极板100上除了设置有进气口2和出气口3之外，通常还会设置有液冷流道的进出口(未在图中示出)，如图1所示，在一具体的实施例中，第一板面11开设有第一通气口5和第二通气口6，第一通气口5、第二通气口6、进气口2和出气口3分别位于一个矩形区域的四个转角处，且进气口2和出气口3呈对角设置，第一通气口5和第二通气口6呈对角设置。多个气流通道4并联设置是指多个气流通道4的入口分别与进气口2连通，多个气流通道4的出口与出气口3连通。

每个气流通道4包括沿着第一方向延伸且与进气口2连通的第一主气道41、沿着第一方向延伸且与出气口3连通的第二主气道42、以及连通第一主气道41和第二主气道42的且呈并联设置的多条沿着第二方向延伸的支气路43，第一方向与第二方向相交。多条支气路43并联设置是指多条支气路43的入口分别连通第一主气道41，多条支气路43的出口分别连通第二主气道42。每个气流通道4包括一条第一主气道41、多条支气路43和一条第二主气道42，由于第一主气道41和第二主气道42是沿着第一方向延伸，支气路43是沿着第二方向延伸，那么气体在气流通道4内流动只有两次转向，即气流通道4为类z字型设置。对于每个气流通道4中具体包括多少条支气路43是根据实际情况来设置的，如图1和图3所示，在一具体的实施例中，每个气流通道4中包括8条支气路43。对于多个气流通道4在第一板面11上的具体布置方式可以不做特殊限定，如图1所示，在一具体的实施例中，多个气流通道4在第一方向上呈间隔设置，多个气流通道4的第一主气道41在第二方向上呈间隔设置，多个气流通道4的第二主气道42在第二方向上呈间隔设置，每个气流通道4中的多条支气路43在第一方向上呈间隔设置，这样通过优化多个气流通道4的布置方式，使得多个气流通道4在第一板面11上的排布变得更为紧凑。

第一方向与第二方向相交是指第一方向与第二方向的夹角不为0°和180°。在一具体的实施例中，第一方向与第二方向垂直，设置第一方向与第二方向垂直，有利于增加多个气流通道4在第一板面11上的面积占比。

通过并联的多个气流通道4连通进气口2和出气口3，对于进气口2、出气口3和多个气流通道4在双极板100上的具体设置位置可以不做特殊限定，如图1所示，在一具体的实施例中，双极板100包括中部、第一边缘部、第二边缘部、第三边缘部和第四边缘部，多个气流通道4设置于中部，第一边缘部、第二边缘部、第三边缘部和第四边缘部均位于中部的外围，第一边缘部和第三边缘部均沿着第二方向延伸，第二边缘部和第四边缘部均沿着第一方向延伸，且连接于第一边缘部和第三边缘部之间，进气口2设置于第一边缘部，且靠近第二边缘部，出气口3设置于第三边缘部，且靠近第四边缘部。本申请通过优化多个气流通道4、进气口2和出气口3在双极板100上的设置位置，使得双极板100整体结构变得更为紧凑，有利于减小双极板100的尺寸。

本申请通过设置并联的多个气流通道4，气体在每个气流通道4内的流动路径均为经第一主气道41进入支气路43而被分成多股，最后多股气体汇集进入第二主气道42，这样能够保证每股气体流动路径是相同的，以及气体由第一主气道41进入支气路43时流速会减慢，如此都是有利于保证气体流过气流通道4时各条支气路43气体分布均匀。同时，由于第一主气道41、第二主气道42和支气路43均为直线型(第一主气道41、第二主气道42和支气路43均为直线型是指三者的延伸方向均为直线)，以及气流通道4的转弯处相对较少，故气体在气流通道4内的阻力损失小，有利于气体进入膜电极组件200的扩散层，且也易于加工制造，降低了双极板100成本。

如图1所示，在一具体的实施例中，进气口2和出气口3在第一方向上的尺寸相等，进气口2和出气口3在第二方向上的尺寸相等，例如，进气口2和出气口3在第一方向上的尺寸均为12mm，进气口2和出气口3在第二方向上的尺寸均为28.5mm。本申请通过设置进气口2和出气口3在第一方向上和第二方向上的尺寸相等，如此进气口2处和出气口3处的气体流量相同，使得第一主气道41和第二主气道42内的气体流速接近，每个气流通道4中的支气路43内的气体流速分布也会较为均匀。

如图2和图4所示，在一具体的实施例中，第一主气道41和第二主气道42在第二方向上的尺寸相等，例如，第一主气道41在第二方向上的尺寸为a，相邻两个第一主气道41之间的间距为b，第二主气道42在第二方向上的尺寸为e，相邻两个第二主气道42之间的间距为f，其中，a＝e＝2mm，b＝f＝1.5mm。本申请通过设置第一主气道41和第二主气道42在第二方向上的尺寸相等，有利于保证第一主气道41和第二主气道42内的气体流速接近。

如图2至图4所示，在一具体的实施例中，第一主气道41和第二主气道42在第二方向上的尺寸大于支气路43在第一方向上的尺寸，例如，支气路43在第一方向上的尺寸为c，相邻两个支气路43之间的间距为d，其中，a＝e＝2mm，b＝f＝1.5mm，b＝1.5mm，d＝2mm。这样可以保证支气路43内压强稳定，有利于气体在支气路43内均匀地流动。

在一具体的实施例中，第一主气道41、第二主气道42和支气路43在垂直于第一板面11的方向上的尺寸相等，例如，第一主气道41、第二主气道42和支气路43在垂直于第一板面11的方向上的尺寸为0.5mm。本申请通过设置第一主气道41、第二主气道42和支气路43的深度相等，这样气体在气流通道4内的阻力损失小。

如图1所示，在一具体的实施例中，进气口2在第二方向上超出多个气流通道4的第一主气道41，即进气口2在第二方向上的尺寸大于多个第一主气道41在第二方向上的尺寸与多个第一主气道41之间的间距的总和，例如，如图1所示，进气口2在第二方向上的尺寸大于8a+7b；出气口3在第二方向上超出多个气流通道4的第二主气道42，即出气口3在第二方向上的尺寸大于多个第二主气道42在第二方向上的尺寸与多个第二主气道42之间的间距的总和，例如，如图4所示，出气口3在第二方向上的尺寸大于8e+7f。本申请通过设置进气口2在第二方向上超出多个第一主气道41，以及出气口3在第二方向上超出多个第二主气道42，如此有利于保证气体能够均匀地进入多个第一主气道41，也能够均匀地流出多个第二主气道42。

本申请提供了一种应用上述双极板100的燃料电池，该燃料电池包括多个堆叠的单电池，如图5所示，单电池1000包括两个如上所述的双极板100和膜电极组件200。

两个双极板100和膜电极组件200呈层叠设置，两个双极板100分别为阳极双极板100a和阴极双极板100b，阳极双极板100a的第一板面11与膜电极组件200贴合，以形成阳极气体通道，阴极双极板100b的第一板面11与膜电极组件200贴合，以形成阴极气体通道。膜电极组件200通常包括密封垫250和膜电极260，膜电极260包括质子交换膜、阴极催化层、阳极催化层、阴极扩散层和阳极气体扩散层。当阳极双极板100a的第一板面11与膜电极组件200贴合时，阳极双极板100a的多个气流通道4被密封垫250和膜电极260的阳极气体扩散层盖合，以形成紧密严实的阳极气体通道。同样的，当阴极双极板100b的第一板面11与膜电极组件200贴合时，阴极双极板100b的多个气流通道4被密封垫250和膜电极260的阴极气体扩散层盖合，以形成紧密严实的阴极气体通道。而单电池1000的工作原理为：阳极气体通过阳极气体通道扩散至阳极气体扩散层中，随后以面状的形式与阳极气体催化层接触以进行反应。阳极气体催化层可将阳极气体催化为质子和电子，其中质子可以穿过质子交换膜。类似地，阴极气体通过阴极气体通道扩散至阴极气体扩散层中，随后以面状的形式与阴极气体催化层接触并进行反应。

阴极双极板100b的进气口2相对于阳极双极板100a的进气口2呈靠近阳极双极板100a的出气口3设置，阴极双极板100b的出气口3相对于阳极双极板100a的出气口3呈靠近阳极双极板100a的进气口2设置，以使阳极气体的流动方向和阴极气体的流动方向相反。即阳极气体的进气口2和出气口3呈对角设置，阴极气体的进气口2和出气口3也呈对角设置，且阳极气体的流动方向和阴极气体的流动方向相反，这样高速流动的气体在电堆高功率下运行时，能够带走多余热量的同时也能平衡气体进出口温度梯度，对整个膜电极组件200温度均匀性有利。阴极气体与阳极气体交错流动会减轻膜电极组件200局部浓度极化带来的影响，能提升单一膜电极组件200整体电流密度的一致性。

本申请通过两个双极板100分别作为阳极双极板100a和阴极双极板100b，来与膜电极组件200叠设形成单电池1000，通过对双极板100的气体通道进行合理设计，使阳极气体与阴极气体能够在电堆内均匀反应，减少电堆因局部浓度极化而对整个电堆性能产生的影响。由于阳极双极板100a和阴极双极板100b采样相同的结构设计，故能够降低成本。同时，阳极气体的进气口2和出气口3呈对角设置，阴极气体的进气口2和出气口3也呈对角设置，且阳极气体的流动方向和阴极气体的流动方向相反，这样高速流动的气体在电堆高功率下运行时，能够带走多余热量的同时也能平衡气体进出口温度梯度，对整个膜电极组件200温度均匀性有利。阴极气体与阳极气体交错流动会减轻膜电极组件200局部浓度极化带来的影响，能提升单一膜电极组件200整体电流密度的一致性。

燃料电池通常是由多个单电池1000串联形成，如图4所示，在一具体的实施例中，第一板面11开设有第一通气口5和第二通气口6，第一通气口5、第二通气口6、进气口2和出气口3分别位于一个矩形区域的四个转角处，且进气口2和出气口3呈对角设置，第一通气口5和第二通气口6呈对角设置，膜电极组件200对应阳极双极板100a的进气口2、出气口3、第一通气口5和第二通气口6分别开设有第一连通孔210、第二连通孔220、第三连通孔230和第四连通孔240，阳极双极板100a的进气口2通过第一连通孔210与阴极双极板100b的第二通气口6连通，阳极双极板100a的出气口3通过第二连通孔220与阴极双极板100b的第一通气口5连通，阳极双极板100a的第一通气口5通过第三连通孔230与阴极双极板100b的出气口3连通，阳极双极板100a的第二通气口6通过第四连通孔240与阴极双极板100b的进气口2连通。本申请通过设置第一通气口5、第二通气口6、第一连通孔210、第二连通孔220、第三连通孔230和第四连通孔240，这样能够将多个单电池1000进行串联。

为了验证本申请中阳极气体通道和阴极气体通道设计的合理性，采用如图1所示的双极板100进行试验，运用仿真分析手段对其进行理论仿真计算，计算工况描述如下：1、阳极气体采用纯氢气作为介质，进口以速度为计量单位，进口速度为5m/s；2、阴极气体采用空气作为介质，进口速度同样以速度为计量单位，进口速度为5m/s。

图6为阴极气体在阴极气体通道中流速分布云图，图7为阳极气体在阳极气体通道中流速分布云图。从阴极气体通道和阳极气体通道的气体流速分布云图可以看出，速度分布非常均匀。第一主气道41与第二主气道42速度分布近似相同，各气流通道4中的支气路43流速分布也是非常均匀的。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。