双极板和燃料电池的制作方法

[0001]
本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种双极板和燃料电池。


背景技术：

[0002]
双极板作为燃料电池的重要部件，具有集流、支撑膜电极和均匀分配反应气体的功能。金属双极板一般由两片金属极板通过焊接加工而成(石墨双极板则有两片石墨极板粘接在一起，下面主要以金属双极板为例进行说明)，两片金属极板形成的空间一般作为冷却液的流动空间，用于流通冷却液体，而在金属极板表面布置有多条流道，用于流通反应气体。考虑到燃料电池阴极侧在反应时是产生水的主要场所，在大电流密度下还须考虑阴极流场的排水性能。因此，对于金属极板而言，既要通过巧妙的结构设计使得三种工质——空气、氢气和冷却水能够安全隔离，又要尽可能的保证排水性能好，这是金属双极板设计的主要难点。
[0003]
对于现有技术的双极板而言，由于氢气进/出口、空气进/出口和冷却水进/ 出口并排设置，由于受到氢气进/出口和冷却水进/出口的挤占，空气进/出口的宽度较窄，远小于空气流道在中间区域的流道宽度，为了保证空气分布均匀，需要在空气进口侧增加分流结构，同时，在空气出口侧，由于从中间区域到空气出口位置宽度变窄，会存在空气流道的收缩，而这种收缩一般表现为流道数量的减少，这样一来，就会导致空气流道变窄，反应过程中产生的水会在空气流道的出口侧存在较大的流动阻力，在较大电流密度下，容易出现空气流道的排水能力不足，液态水无法及时排出流道的问题，大大降低了极板在大电流密度下的工作稳定性。


技术实现要素：

[0004]
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种双极板和燃料电池，能够保证阴极侧液态水的及时排出，大大提升双极板在大电流密度下的工作稳定性。
[0005]
为了解决上述问题，本申请提供一种双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板包括空气进口、空气出口和空气流道，空气流道的第一端与空气进口连通，空气流道的第二端与空气出口连通，空气出口全覆盖空气流道。
[0006]
优选地，沿着从空气进口到空气出口的方向，空气流道的总宽度恒定。
[0007]
优选地，空气进口位于阴极板的长边的第一端，空气出口分别位于阴极板的长边的第二端，空气进口位于阴极板的短边的第一端，空气出口位于阴极板的短边的第二端。
[0008]
优选地，空气流道包括弧形段和直线段，弧形段设置在直线段的两端，直线段的第一端通过弧形段与空气进口连通，直线段的第二端通过弧形段与空气出口连通。
[0009]
优选地，空气流道为多条，各空气流道的长度和宽度相同。
[0010]
优选地，阴极板还包括氢气进口和氢气出口，氢气进口位于阴极板的长边的第二端，氢气出口分别位于阴极板的长边的第一端，氢气进口位于阴极板的短边的第一端，氢气出口位于阴极板的短边的第二端。
[0011]
优选地，阴极板还包括冷却液进口和冷却液出口，冷却液进口位于阴极板的长边的第一端，冷却液出口位于阴极板的长边的第二端，阴极板的背侧设置有冷却液流道，冷却液流道的第一端与冷却液进口连通，冷却液流道的第二端与冷却液出口连通。
[0012]
优选地，冷却液进口和/或冷却液出口全覆盖冷却液流道。
[0013]
优选地，相邻的空气流道之间通过间隔凸起间隔开，冷却液流道位于间隔凸起的背侧。
[0014]
优选地，阳极板与阴极板结构相同。
[0015]
优选地，阳极板和阴极板镜面对称，阳极板和阴极板叠置，形成双极板。
[0016]
优选地，阳极板和阴极板的背侧贴合在一起，形成冷却液通道，阴极板包括冷却液进口和冷却液出口时，冷却液通道的一端与冷却液进口连通，冷却液通道的另一端与冷却液出口连通。
[0017]
优选地，冷却液通道的两端形成流场区域，阳极板上的冷却液流道与阴极板上的冷却液流道在流场区域交叉，形成重叠区域和非重叠区域，冷却液进口通过非重叠区域的流场区域与冷却液通道连通。
[0018]
优选地，位于阳极板的冷却液流道外侧的流场区域全覆盖阴极板的冷却液流道，并与阴极板的冷却液流道连通，位于阴极板的冷却液流道外侧的流场区域全覆盖阳极板的冷却液流道，并与阳极板的冷却液流道连通。
[0019]
优选地，位于非重叠区域的流场区域设置有支撑凸起，支撑凸起位于阳极板和阴极板之间，用于支撑阴极板和阳极板。
[0020]
优选地，双极板为金属板、石墨板或复合石墨板；和/或，双极板冲压或雕刻成型。
[0021]
优选地，阴极板的厚度为0.01～1mm；和/或，阴极板的空气流道深度为 0.1-10mm，流道宽度为0.1-10mm。
[0022]
根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池，包括双极板，该双极板为上述的双极板。
[0023]
本申请提供的双极板，包括阴极板和阳极板，阴极板包括空气进口、空气出口和空气流道，空气流道的第一端与空气进口连通，空气流道的第二端与空气出口连通，空气出口全覆盖空气流道。本申请中对空气出口进行了改造，使得空气出口能够对所有的空气流道进行全覆盖，使得所有的空气流道均能够直接与空气出口连通，因此无需分流结构，不容易出现流体通道宽度的突变，使得空气流道从中间区域到空气出口位置的宽度基本上一致，避免了空气流道的收缩，使得反应过程中产生的水能够在空气流道的出口侧顺利排出，减小液态水在空气流道出口侧的流动阻力，在较大电流密度下，可以保证空气流道的排水能力，使得液态水能够及时排出空气流道，大大提高了双极板在大电流密度下的工作稳定性。
附图说明
[0024]
图1为本申请实施例的双极板的分解结构图；
[0025]
图2为本申请实施例的双极板的阴极板的局部放大图；
[0026]
图3为本申请实施例的双极板的冷却液流道的结构示意图；
[0027]
图4为本申请实施例的双极板在流场区域的放大结构示意图。
[0028]
附图标记表示为：
[0029]
1、阴极板；2、阳极板；3、空气进口；4、空气出口；5、空气流道；6、弧形段；7、直线段；8、氢气进口；9、氢气出口；10、冷却液进口；11、冷却液出口；12、间隔凸起；13、冷却液流道；14、重叠区域；15、非重叠区域。
具体实施方式
[0030]
结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，双极板包括阴极板1和阳极板2，阴极板1包括空气进口3、空气出口4和空气流道5，空气流道5 的第一端与空气进口3连通，空气流道5的第二端与空气出口4连通，空气出口4全覆盖空气流道5。
[0031]
本申请中对空气出口4进行了改造，使得空气出口4能够对所有的空气流道5进行全覆盖，使得所有的空气流道5均能够直接与空气出口4连通，因此无需分流结构，不容易出现流体通道宽度的突变，使得空气流道5从中间区域到空气出口4位置的宽度基本上一致，数量基本一致，避免了空气流道5的数量变化，也避免了空气流道5的收缩，使得反应过程中产生的水能够在空气流道5的出口侧顺利排出，不会发生堵塞现象，减小液态水在空气流道5出口侧的流动阻力，在较大电流密度下，可以保证空气流道5的排水能力，使得液态水能够及时排出空气流道5，大大提高了双极板在大电流密度下的工作稳定性。
[0032]
在一个可选的实施例中，沿着从空气进口3到空气出口4的方向，空气流道5的总宽度恒定。具体而言，空气进口3也是全面覆盖空气流道5，也即，空气进口3的总长度大于或等于空气流道5的总宽度，使得空气流道5能够全部直接延伸至空气进口3处，与空气进口3实现连通。
[0033]
在本实施例中，由于空气流道5的总宽度恒定，因此使得空气流道内的空气流动不会发生突变，而且由于空气流道5的总体宽度较大，因此不会对液态水的流动造成阻碍，可以降低流动阻力，使得阴极板1具有较强的排水能力，一定程度上提高了电池性能，延长了电池使用寿命。
[0034]
该燃料电池通过改变空气出口4与空气流道5的对应关系实现对空气流道 5的导流性能的改善，结构较为简单，因此增加了双极板的可成型性。
[0035]
空气进口3位于阴极板1的长边的第一端，空气出口4分别位于阴极板1 的长边的第二端，空气进口3位于阴极板1的短边的第一端，空气出口4位于阴极板1的短边的第二端。由于将空气进口3和空气出口4分别设置在了阴极板1的短边的两端，并且沿着阴极板1的长度方向延伸，因此使得空气进口3 和空气出口4的长度设置不受阴极板1的宽度限制，可以具有较大的长度，能够满足全面覆盖空气流道5的要求，不需要在端部位置限缩空气流道5的宽度，无须复杂的导流或分流结构即可实现流动分配的均匀性，因此可以使得空气流道5内的流体流动均匀平缓，提高了流体流动均匀性与流动效率，提高了排水效率，保证了空气供应充足。
[0036]
空气流道5包括弧形段6和直线段7，弧形段6设置在直线段7的两端，直线段7的第一端通过弧形段6与空气进口3连通，直线段7的第二端通过弧形段6与空气出口4连通。本申请中采用弧形流道和直线流道相结合使用的方式，使得弧形流道与直线流道在相接触相切，从而能够对流体进行导流，降低流体流动损失，此外，采用弧形流道结构，也能够更加方便地实现空气流道5 与空气进口3和空气出口4之间的对接，可以不用改变各个空气流道5的宽度，使得空气流道5在从空气进口3到空气出口4的整个流程宽度均保持恒定，能够更加
有效地保证流体分布均匀，且不会出现流道宽度变化问题，提高流道流体流动稳定性和排水稳定性。
[0037]
此外，在本实施例中，空气流道5仅在两端的流动路径形成弧形流道，实现流体流动方向的转换，中间的大部分流动路径均以直线流道为主，因此能够更进一步地减小流体的流动阻力。空气进入到空气流道5之后，会首先从阴极板1一侧的空气进口3处经过弧形流道进入直线流道，然后从直线流道流出后再次经过弧形流道进行流动方向转换，最后从位于阴极板另一侧的空气出口4 处排出，实现流体的顺畅流动。
[0038]
在一些实施例中，空气流道5为多条，各空气流道5的长度和宽度相同，保证了每条空气流道5具有相同的流动阻力，使得各个空气流道5内的流体流动速度基本一致，流动性更好，更加方便阴极未反应气体以及反应生成的液态水的排出，大大提升了极板在大电流密度下的工作稳定性。
[0039]
阴极板1还包括氢气进口8和氢气出口9，氢气进口8位于阴极板1的长边的第二端，氢气出口9分别位于阴极板1的长边的第一端，氢气进口8位于阴极板1的短边的第一端，氢气出口9位于阴极板1的短边的第二端。
[0040]
本实施例中的氢气进口8和氢气出口9也沿着阴极板1的长度方向延伸，因此使得氢气进口8和氢气出口9也能够具有足够的长度，实现对氢气流道的全覆盖连通，提高进入氢气流道内的氢气流动均匀性。
[0041]
阴极板1还包括冷却液进口10和冷却液出口11，冷却液进口10位于阴极板1的长边的第一端，冷却液出口11位于阴极板1的长边的第二端，阴极板1 的背侧设置有冷却液流道13，冷却液流道13的第一端与冷却液进口10连通，冷却液流道13的第二端与冷却液出口11连通。
[0042]
在本实施例中，空气进口3和空气出口4设置在阴极板1的短边的两端，氢气进口8和氢气出口9也设置在阴极板1的短边的两端，且空气进口3和空气出口4对角设置，氢气进口8和氢气出口9也对角设置，空气进口3和氢气进口8或者氢气进口8错位设置，空气出口4和氢气进口8或者氢气进口8错位设置，使得空气进/出口和氢气进/出口之间不会发生干涉提高了空气进/出口和氢气进/出口的布局合理性。
[0043]
阳极板2上的空气进/出口和氢气进/出口与阴极板1上的空气进/出口和氢气进/出口的位置对应。
[0044]
冷却液进口10和/或冷却液出口11全覆盖冷却液流道13。
[0045]
由于空气进口3、空气出口4、氢气进口8和氢气出口9均设置在阴极板1 的短边的两端，且并未设置在阴极板1的长边两端的端部位置，因此使得冷却液进口10以及冷却液出口11的长度不会受到空气进口3、空气出口4、氢气进口8和氢气出口9的限制，可以根据冷却液流道13的宽度来限定冷却液进口10以及冷却液出口11的长度，使得冷却液进口10以及冷却液出口11的长度均能够全覆盖冷却液流道13，因此能够使得冷却液从冷却液进口10处就能够以最大流量进入到冷却液流道13内，然后以最大流量流经整个冷却液流道 13后，以最大流量从冷却液出口11处流出，可以提高冷却液在冷却液流道13 内的流动效率，提高双极板的散热效果。
[0046]
空气进口和氢气进口不会与冷却水进口在空间上形成干涉和竞争，从而确保了阴阳极以及冷却水流道进口流量分配的均匀性。
[0047]
相邻的空气流道5之间通过间隔凸起12间隔开，冷却液流道13位于间隔凸起12的背侧，可以更加充分地利用阴极板1的结构来进行冷却液流道13的设计，并使得冷却液流道13的结构与空气流道5的结构类似，采用两段弧形流道，中间直线流道的结构，降低冷却液的流动阻力，提高冷却液的流动效率，提高冷却液的冷却能力。
[0048]
在一个可选的实施例中，阳极板2与阴极板1结构相同，如此一来，由于阴极板1和阳极板2的结构完全相同，因此在开模时，可以只用一套模具就能够完成阴极板1和阳极板2的开模，因此能够大大降低开模成本，并且能够有效提高阴极板1和阳极板2的结构一致性。
[0049]
在其中一个实施例中国，阳极板2和阴极板1镜面对称，阳极板2和阴极板1叠置，形成双极板。在本实施例中，阳极板2和阴极板1是关于镜面对称的，也即，将其中一个阴极板1正常放置，然后将另一个阴极板1绕阴极板1 的长边翻转180
°
，反转后的阴极板1作为阳极板2，叠置在阴极板1上，并焊接在一起，形成双极板。
[0050]
阳极板2和阴极板1的背侧贴合在一起，形成冷却液通道，阴极板1包括冷却液进口10和冷却液出口11时，冷却液通道的一端与冷却液进口10连通，冷却液通道的另一端与冷却液出口11连通。
[0051]
冷却液通道的两端形成流场区域，阳极板2上的冷却液流道13与阴极板1 上的冷却液流道13在流场区域交叉，形成重叠区域14和非重叠区域15，冷却液进口10通过非重叠区域15的流场区域与冷却液通道连通。
[0052]
具体而言，在本实施例中，由于阳极板2上的冷却液流道13的两端采用弧形流道，中间采用直线流道，阴极板1上的冷却液流道13的两端采用弧形流道，中间采用直线流道，且阳极板2上的冷却液流道13的弧形流道与阴极板1上的冷却液流道13的弧形流道弯曲方向相反，因此阳极板2上冷却液流道13的弧形流道与阴极板1上冷却液流道13的弧形流道相互交叉，形成重叠区域14和非重叠区域15，同时位于重叠区域14和非重叠区域15外的流场区域为空白区域。非重叠区域15是指一片极板上有流道，另一片极板上无流道的区域。
[0053]
由于阳极板2的弧形流道在非重叠区域15处对应的为阴极板1的平面区域，且该部分平面区域向着远离阳极板2的方向凹陷，因此能够在阴极板1的平面区域与阳极板2的非重叠区域15处的弧形流道之间形成流体通道，冷却液可以经由平面区域与阳极板2的弧形流道进入到重叠区域14处，同理，阴极板1的弧形流道也可以在非重叠区域15处于阳极板2的平面区域之间形成流体通道，冷却液可以经由平面区域与阴极板1的弧形流道进入到重叠区域14 处，两股冷却液在重叠区域14处发生汇流，然后在交错的网格流场中进入阴阳极板的中间区域，在双极板中间流动，最后从冷却液出口11处流出。
[0054]
位于阳极板2的冷却液流道13外侧的流场区域全覆盖阴极板1的冷却液流道13，并与阴极板1的冷却液流道13连通，位于阴极板1的冷却液流道13 外侧的流场区域全覆盖阳极板2的冷却液流道13，并与阳极板2的冷却液流道 13连通，能够使得冷却液经流场区域全面进入到各冷却液流道13内，使得冷却液分配更加均匀。
[0055]
在其他的实施例中，也可以使得氢气进出口和/或空气进出口部分侵占非重叠区域，只需要能够不影响冷却液流道13与冷却液进出口的连通即可，此种结构能够使得氢气进出口和/或空气进出口变为三角形或者梯形，能够增大氢气进出口和/或空气进出口的面积。
[0056]
对于双极板而言，参与反应的气体流动路径分别从双极板的上表面和下表面流
动，在实际设计中，可以设置阴极板1的空气流动路径与阳极板2的氢气流动路径相反，也可以设置阴极板1的空气流动路径与阳极板2的氢气流动路径相同。
[0057]
位于非重叠区域15的流场区域设置有支撑凸起，支撑凸起位于阳极板2 和阴极板1之间，用于支撑阴极板1和阳极板2。
[0058]
两个单极板叠装后形成双极板，两片单极板中间形成冷却液体的流动空间。两片极板流场区域相重叠的重叠区域14，本身能够相互支撑，而在非重叠区域 15，需要在无流道结构的极板上设置支撑凸起，从而将该极板与含流道的极板支撑起来，形成冷却水流动空间。位于重叠区域14和非重叠区域15之外的空白区域，可以切割掉，使得冷却液进口10或者冷却液出口11能够延伸至靠近非重叠区域15的位置，形成三角形或者梯形的冷却液进出口，从而扩大冷却液的进出口面积，也可通过在上下两个极板上对应的设置支撑凸起，相互支撑，形成冷却液流动空间。上述的冷却液例如为冷却水。
[0059]
双极板为金属板、石墨板或复合石墨板；和/或，双极板的单极板冲压或雕刻成型。
[0060]
单极板由厚度为0.01-1mm的不锈钢金属薄板冲压或雕刻而成，也可由石墨板、复合石墨板冲压或雕刻而成，单极板长度为1-1000mm，宽度为1-1000mm，流道深度为0.1-10mm，单极板边缘的槽宽和单极板上的流体流道宽度均可以为0.1-10mm。
[0061]
根据本申请的实施例，燃料电池包括双极板，该双极板为上述的双极板。
[0062]
本申请的双极板着重在不借助复杂的导流和分流结构的前提下，提高阴极空气、阳极氢气的进气流动均匀性。同时本申请设计的流道结构，流通性较好，流动阻力较小，尤其适合阴极未反应气体以及反应生成的液态水的排出，大大提升了极板在大电流密度下的工作稳定性。
[0063]
设计的流道由直线流道和弧形流道形成组合流道，组合流道的特征在于, 每条组合流道长度相同，保证了每条组合流道有相同的流动阻力，且流动阻力不至于过大，多条平行的组合流道形成反应气体流通的主通道，两片单极板之间的区域形成直通冷却液的流通通道。
[0064]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0065]
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。