一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆

本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pemfc)以清洁能源氢气作为燃料，具有高转化效率、反应产物无污染的特点，是一种理想的交通领域用新能源载体。然而，由于目前燃料电池还存在一定的技术瓶颈(比如功率密度不足、寿命不够高等)使得燃料电池堆的使用成本居高不下。在燃料电池汽车商业化的早期，可实现定点加注、适于远距离运输的燃料电池重卡、集装箱物流车、机车和船舶等日益受到重视；这就对具备大的发电功率、高效的能量转化效率的燃料电池堆的设计、开发和加工制造提出了迫切需求。

目前国内交通领域用燃料电池处于小规模应用阶段，商业化推广才刚起步。由于燃料电池的体积比功率密度不够高，为了节约汽车上本就有限的空间，汽车厂配置的电堆目前主要以30-60kw的功率等级为主，必须辅以较大功率的锂离子电池等提供动力系统大功率做功时所需的能量。这类燃料电池堆主要面向市内交通用大巴、公司通勤小巴和轻型物流车等应用市场，这也是国内目前政府主导的燃料电池汽车主攻的市场之一。如果像丰田、本田和现代等汽车厂一样，采用大功率燃料电池装配到空间更为局促的乘用车上，同时又要做到成本可控，那就必须提高电堆的体积比功率密度，即在提升核心发电单元-膜电极(mea)的发电性能的同时，大幅降低电堆中占据重量和体积之大部件的主体单元-双极板的体积。因此，在电堆发电性能和寿命不受影响的条件下，有效降低双极板的厚度，将是提升电堆体积比功率密度的最佳方法之一。

体积比功率密度是彰显电堆技术含量的关键指标。目前国外丰田、本田和现代等汽车厂商的乘用车的体积比功率密度均已达到3.1kw/l的水平，具备了一定的商业价值。而要达到跟传统内燃机相媲美的6.0kw/l的水平，燃料电池的性能上升和体积下降方面的工作丝毫不能停顿。只有这样，燃料电池才能真正在功率密度、单位功率成本等方面具备竞争优势。

现有专利中，有大量关于石墨、金属制备燃料电池双极板的专利。但在涉及超薄金属板的电堆方面则专利较少。其中，国内外专利多是关于金属板制备、表面处理、密封技术等方面的。

cn209016193发明了一种金属材料+非金属材料的混合双极板。它由一块冲压成形的阳极半板嵌套于一块预成形的阴极半板构成。其中，阳极半板为金属板，阴板半板为非金属材料。该发明中，阴极半板减薄后极易漏气，可通过金属半板起到阻气的作用，防止阴阳极反应气互窜。两个半板嵌套设计和金属板阻气作用下，该结构起到了减少电堆体积的作用。但该设计较为复杂，且两种非同种的材质之间的结合容易产生界面电阻增大、应力不均影响非金属材料机械强度等问题。

cn201911301960.0提供了一种超薄碳/碳复合材料双极板的制备方法，其以超细碳纤维网胎作为基材，通过热浸和化学气相渗透法工艺，将复合的高残炭浆料注入基材之中，再经对辊粗轧、精轧、印花和修边等步骤，最终获得了低成本超薄高强高电导c/c复合材料双极板。该双极板厚度达0.16mm(无流道)，弯曲强度超过150mpa，体电导达到300s/cm。

cn201910260443.7提供了一种钒电池用超薄双极板及其制备方法。该发明以树脂材料薄膜为基材，将以导电功能材料制成的溶液喷涂至基材的双侧表面，再经热压工艺固化，并制备出流道。制得的双极板的厚度可以达到30-1000μm，纵向电导率大于80s/cm，柔韧性也很好。基材薄膜为15-115μm厚的聚乙烯、聚丙烯或聚苯乙烯材料，这类材料绝缘性高，是一个制约电导率的因素。

cn201710931665.8也是采用跟cn201910260443.7类似的工艺进行超薄双极板的制备。不过基材板采用的是20-400μm厚的金属，如不锈钢箔、金箔、银箔、铜箔和钛箔等。在金属基材上通过丝网印刷工艺涂覆上聚合物基导电胶层，形成超细流道流场。双极板总厚度可降低至400μm，导电涂层的厚度可达100μm，流道脊宽100μm，槽宽50μm。

上述发明的超薄双极板都是从材料角度减少双极板的厚度，都没有离开非金属材料的应用。然而，由于机械强度的需求，通过采用非金属材料的应用达到降低双极板的厚度，将影响其抗振、抗弯性能和气密性，甚至牺牲电导率、导热系数，这是得不偿失的。此外，流场的功能是传输阴阳剂反应剂和冷却水，以满足其正常发电尤其是大电流发电时对流体的需求，流体的槽深也不能过浅，这也限制了双极板的进一步减薄。

cn112164810公开了一种燃料电池超薄双极板及燃料电池堆，燃料气体流道包括至少两种不同槽深的沟槽，氧化气体流道包括至少一种槽深的沟槽，阳极板和阴极板的背面相互扣合时燃料气体流道的沟槽与所述的氧化气体流道的沟槽完全错开形成牙嵌式组合，阳极板和阴极板的背面通过分散的导电支撑点形成电接触，两者不相接触的位置形成冷却液流动的空腔，所述的空腔形成不同槽深的冷却液流道，由此，减少双极板总厚度，进而使得采用该双极板制作的燃料电池的体积比功率密度大大提升，然而此设计仍然是采用传统的两块流场板构成双极板的设计理念，双极板厚度减小有限，两张分别带流道的流场板组合难度高。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的双极板厚度减小有限，两张分别带流道的流场板组合难度高的缺陷而提供一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种一板三场式超薄燃料电池双极板，所述的双极板包括流场板，所述的流场板一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；

双极板包括流场板，所述的流场板一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；

所述的流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道；

所述的流场板上阴极侧设置氧化气体流道；

所述的双极板还包括置于流场板阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道与燃料气体流道分隔开的盖板；

所述的流场板阳极侧用于与阳极密封件以及所述的盖板紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；

所述的流场板阴极侧用于与阴极密封件紧密配合形成氧化气体流场。

优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道均分别平行设置多条，且燃料气体流道和冷却液流道间隔设置。

优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道的进口和出口分别位于流场板的同一对角上，且燃料气体与冷却液流向相反。

优选地，所述的燃料气体流道和冷却液流道均分别包括进口区流道、出口区流道和活性区流道，所述的活性区流道位于燃料电池活性区，所述的进口区流道、出口区流道分别位于活性区流道两端且连通相应的进口和出口。

优选地，所述的进口区流道和出口区流道中与活性区流道临近区域设置有一段波浪状的流道。

优选地，所述的氧化气体流道平行设置多条，且位于燃料电池活性区，氧化气体流道平行于燃料气体流道和冷却液流道。

优选地，所述的氧化气体流道的进口和出口分别位于流场板的两侧，且位于燃料电池活性区，氧化气体与冷却液流向相同。

优选地，所述的盖板为两头连接的隔栅状结构，其位于燃料气体流道位置处设有用于燃料气体通过的镂空。

优选地，所述的流场板上氧化气体流道深度hc2、燃料气体流道深度ha4、冷却液流道深度ha2以及双极板总厚度h4满足：

hc2＝ha2＝ha4-ha3

h4＝ha4+h1＝hc2+ha3+h1

其中，ha3为盖板厚度，h1为流场板材料厚度。

一种燃料电池堆，所述的燃料电池堆包括串联堆叠的双极板和膜电极组件，所述的双极板采用所述的一板三场式超薄燃料电池双极板。

优选地，所述的燃料电池堆中各双极板的燃料气体流场和冷却液流场的燃料气体进出总口以及冷却液进出总口分别设置在电堆两头：燃料气体进出总口分布在电堆一头，冷却液进出总口分布在电堆另一头。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明双极板由一张流场板和一张盖板构成，盖板上没有流场，燃料气体、氧化气体和冷却液的流场全部位于一张流场板上，构成所谓的“一板三场”结构，这和传统的由两块流场板构成双极板的设计理念截然不同，减少了两张分别带流道的极板组合的难度，使焊接、粘接或贴合等的组合、密封工艺变得更简单、灵活。当然，最大的好处是籍此“一板三场”设计的创新理念，由于只有一张流场板上有流道，从而减少了双极板的总厚度，进而使电堆的体积得以大大缩小，提升电堆体积比功率密度。

(2)本发明燃料气体流场和冷却液流场位于双极板的同一侧，即流场板的阳极侧，该侧的多根流道中一半的数量流通燃料气体，一半的数量流通冷却液，并间隔排布，这样的设计，在不影响反应气的均匀输送的同时，由于冷却液跟反应面的距离更近的优点，还可将废热更加有效地排出电堆。

(3)本发明由于双极板采用了“一板三场”的设计，冷却液又与燃料气体同处在阳极侧，相比传统的两张板、夹层走水的设计理念，大大缩短了热量传递的路径，极大地提升了冷却效果。这样，既可以保证冷却液与金属板的良好接触，又让其在阴阳极板的各个区域能够均匀地分配；在改善了电堆散热效果的同时，还提升了面内温度的均匀性。这在大功率发电时效果尤为显著，因为燃料电池在大功率发电时的电效率下降，产生的废热更多，与此同时热分布的不均匀性问题也会更加显著。

(4)本发明燃料气体流道和冷却液流道的进口区流道和出口区流道中与活性区流道临近区域设置有一段波浪状的流道，从而在燃料气体和冷却液流动的过程中增加燃料气体的流动阻力，利于排出液态水；

(5)本发明在流场板阳极侧采用粘接或密封焊的方式，在每根冷却液流道的上方“盖”上一个平板，每一根流道盖板的两个端部分别通过未打断的材料“细线”连接，成为一个整体-即盖板，该活性区的盖板一方面能防止冷却液和氢气的互窜；另一方面还发挥了传统设计中流场的“脊”的传导电子和废热的作用；此外，与通过冲压、模压等工艺形成的脊平面相比，本发明中平整的盖板在电堆发电过程中，导电、导热效果更佳，还不会损伤气体扩散层(gdl)，有利于延长电堆寿命；

(6)本发明任何导电的铁、不锈钢、镍、铝、金、铂金及其合金构成的金属板、金属箔、纯石墨板、膨胀石墨板、金属/石墨复合板、c/c复合板、导电塑料板等，都可以作为本发明的双极板材料，只不过采用非金属导电材料时，盖板与流场板阳极侧的连接方式不能采用密封焊，须采用导电密封剂进行密封粘接；

(7)本发明为了减少电堆厚度，提升电堆的功率密度，根据设计需求和材料种类的不同，双极板材料的厚度范围为0.01mm～0.5mm，材料减薄是有一定的限度的，这是因为，一方面材料过薄会引起双极板机械强度下降、运行过程尺寸不稳定；另一方面，非金属材料双极板薄至一定程度，会产生漏气漏水问题，尤其是漏氢气；

(8)本发明燃料电池堆在阳极侧为了有效地分隔燃料气体和冷却液两种流体，防止它们互窜，将燃料气体进出总口以及冷却液进出总口采用了从电堆两头分别进入的方式。从外部看，燃料气体和冷却液看似是位于电堆的同一个进出总口，但实则上它们是被巧妙地分隔开来的，有效防止两者互窜，提高安全性能。

附图说明

图1为本发明一板三场式超薄燃料电池双极板阴极侧结构示意图；

图2为本发明一板三场式超薄燃料电池双极板阳极侧结构示意图；

图3为双极板中盖板的结构示意图；

图4为双极板阳极侧局部示意图；

图5为图4中a-a面剖视图；

图6为图5中a1部位的局部放大图；

图7为阳极密封件的结构示意图；

图8为阴极密封件的结构示意图；

图9为双极板流道边缘与密封件结合图；

图10为图9中a-a面的剖视图，(a)为阳极密封件压缩前的剖视图，(b)为阳极密封件压缩后的剖视图；

图11为双极板和膜电极组件组合后的局部示意图；

图12为图11中a-a面的剖视图；

图13为图12中a2部位的局部放大图；

图14为本发明采用一板三场式超薄燃料电池双极板的燃料电池堆的爆炸图；

图15为燃料气体和冷却液的流动示意图；

图16为图15中a3部位的局部放大图；

图17燃料气体出入电堆流动示意图；

图18为图17中a4部位的局部放大图；

图19为冷却液出入电堆流动示意图；

图20为图19中a5部位的局部放大图；

图中，1为膜电极组件，2为阴极密封件，3为阳极密封件，4为双极板，5为前端集流板，6为前端绝缘板，7为前端板，8为冷却液出口接头，9为氧化气体出口接头，10为冷却液入口接头，11为氧化气体入口接头，12为后端集流板，13为后端绝缘板，14为后端板，15为燃料气体出口接头，16为燃料气体入口接头，17为燃料气体流动路径，18为冷却液流动路径，19为电压巡检用pin针插孔，20为燃料气体入口，21为冷却液出口，22为冷却液入口，23为燃料气体出口，24为氧化气体出口，25为氧化气体入口，26为矩形区域，27为氧化气体流道，28为燃料气体流道，29为冷却液流道，30为膜电极支撑框架，31为阴极碳纸，32为质子交换膜，33为阳极碳纸，34为盖板连接线，35为密封件交界处，4-1为流场板，4-2为盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

一种一板三场式超薄燃料电池双极板，双极板4包括流场板4-1，流场板4-1一侧为阳极侧，另一侧为阴极侧；

流场板4-1上阳极侧设置燃料气体流道28和冷却液流道29；

流场板4-1上阴极侧设置氧化气体流道27；

双极板4还包括置于流场板4-1阳极侧用于将位于活性区的冷却液流道29与燃料气体流道28分隔开的盖板4-2；

流场板4-1阳极侧用于与阳极密封件3以及盖板4-2紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场；

流场板4-1阴极侧用于与阴极密封件2紧密配合形成氧化气体流场。

本实施例中，燃料气体采用氢气，氧化气体采用空气。

燃料气体流道28和冷却液流道29均分别平行设置多条，且燃料气体流道28和冷却液流道29间隔设置。燃料气体流道28和冷却液流道29的进口和出口分别位于流场板4-1的同一对角上，且燃料气体与冷却液流向相反。燃料气体流道28和冷却液流道29均分别包括进口区流道、出口区流道和活性区流道，活性区流道位于燃料电池活性区，进口区流道、出口区流道分别位于活性区流道两端且连通相应的进口和出口。进口区流道和出口区流道中与活性区流道临近区域设置有一段波浪状的流道。

氧化气体流道27平行设置多条，且位于燃料电池活性区，氧化气体流道27平行于燃料气体流道28和冷却液流道29。氧化气体流道27的进口和出口分别位于流场板4-1的两侧，且位于燃料电池活性区，氧化气体与冷却液流向相同。

盖板4-2为两头连接的隔栅状结构，其位于燃料气体流道28位置处设有用于燃料气体通过的镂空。

流场板4-1上的燃料气体流道28、冷却液流道29和氧化气体流道27经冲压、模压或蚀刻等工艺加工成形，氧化气体流道27深度hc2、燃料气体流道28深度ha4、冷却液流道29深度ha2以及双极板4总厚度h4满足：

hc2＝ha2＝ha4-ha3

h4＝ha4+h1＝hc2+ha3+h1

其中，ha3为盖板4-2厚度，h1为流场板4-1材料厚度。

具体地：

如图1、图2为双极板4阴极侧和阳极侧的平面结构示意图，双极板4是由流场板4-1和盖板4-2(光板)组成。从该平面图可见，进入单电池的氢气，从由阳极密封件3构成的燃料气体入口20进入活性区，参与电化学反应，最后从同样由阳极密封件3构成的燃料气体出口23流出。与燃料气体入口20和燃料气体出口23相平行并相互交错的则是冷却液出口21和冷却液入口22，而且它们全部都是由阳极密封件3所构成。冷却液是从冷却液入口22进入，再从冷却液出口21流出的。活性区域则为盖板4-2所遮挡的矩形区域26。由于燃料气体的流量仅为空气流量的20％～40％，燃料气体积聚的液态水较难排出电堆。为改善这一问题，本发明在燃料气体和冷却液从进出口向活性区域流动的过程中，设计有一段波浪形状的流道，如图中的波浪段所示，以增加氢气流动阻力，利于排出液态水。注：图1和图2为上下翻转对称的2张图。

如图3所示为极板的为盖板4-2，为了便于加工，盖板4-2连接线34将各节冷却液流道29盖板4-2连接起来。该镂空结构的冷却液流道29盖板4-2在遮挡冷却液时，却将氢气释放入mea1的阳极侧气体扩散层中，再进入催化层参与电化学反应。

根据图4～图6可以方便地计算极板的总厚度，并进一步认清该极板的结构。可见，流场板材料厚度为h1、阳极密封件厚度为h2、阴极密封件厚度h3、双极板总厚度为h4。阳极侧流道边缘高度(密封胶受压前高出冷却液流道盖板的高度)为ha1、燃料气体流道深度为ha4，冷却液流道深度为ha2、盖板厚度为ha3、阴极侧流道边缘高度(密封胶受压前高出空气流道的高度)为hc1、氧化气体流道深度为hc2。它们符合下列关系：

ha2＝hc2(1)

ha4＝ha2+ha3(2)

h4＝ha4+h1＝hc2+ha3+h1(3)

图7和图8分别为阳极侧密封件和阴极侧密封件的平面示意图。一般采用高弹体材料制成，包括但不限于如聚丙烯酸酯、共聚物、丁基橡胶、氯丁橡胶、硅树脂、乙丙橡胶(epdm)、氟硅橡胶、氟橡胶(fkm)等。

图9、图10为双极板4流道边缘与密封件结合示意图。在边缘处，阴极密封件2、阳极密封件3将流场板4-1包裹。在电堆组装压缩前，密封件高度比双极板4稍高，但该高弹体材料被压缩后易于发生形变，从而在密封件交界处35的位置形成良好的密封，避免氢气和冷却液互窜。

图11～图13为两套双极板4和一张膜电极组件1组合后的结构示意图。图中，膜电极支撑框架30被两套双极板4的阳极密封件3和阴极密封件2所夹持；阳极密封件3、阴极密封件2与阳极碳纸33、阴极碳纸31形成良好匹配，既能减小极板和gdl之间接触电阻，又不致影响电堆的气密性。

如图14所示，一种燃料电池堆，燃料电池堆由多节重复的单电池串联堆叠而成，每节单电池又由一张膜电极组件1、一张双极板4，以及一个阴极密封件2和一个阳极密封件3共同组成。双极板4采用上述一板三场式超薄燃料电池双极板，其由一张流场板4-1和一张光板-即盖板4-2组成，燃料电池堆通过将一定数量的膜电极组件1和双极板4串联组合起来，形成堆叠结构，产生高电压。燃料电池堆中各双极板4的燃料气体流场和冷却液流场的燃料气体进出总口以及冷却液进出总口分别设置在电堆两头：燃料气体进出总口分布在电堆一头，冷却液进出总口分布在电堆另一头。在本实施例中冷却液进出总口和氧化气体进出总口位于电堆前端板7，而燃料气体进出总口却位于电堆的另一个端板(即后端板14)上。从外部看，燃料气体和冷却液看似是位于电堆的同一个进出总口，但实则上它们是被巧妙地分隔开来的，有效防止两者互窜，提高安全性能。

再结合图14～图16所示，冷却液经由冷却液入口接头10进入电堆，依次流过前端板7、前端绝缘板6和前端集流板5，最后通过冷却液出口接头8流出。燃料气体则经由燃料气体入口接头16进入电堆，依次流过后端板14、后端绝缘板13和后端集流板12，最后通过燃料气体出口接头15流出。

如图17、18所示，可以进一步清晰地展示燃料气体的流动路径。燃料气体从燃料气体入口接头16进入电堆后，依次经过阳极第1节单电池、第2节单电池、……、直至最后一节单电池(也即阴极第1节单电池)，每经过一节单电池时都会有总氢气流量的n分之一的氢气折向下方，进入单电池活性区参与反应，反应之后中的余气则从燃料气体出口接头15流出。

如图19、20所示，也进一步清晰地展示了冷却液的流动路径。冷却液从冷却液入口接头10进入电堆后，依次经过阴极第1节单电池、第2节单电池、……、直至最后一节单电池(也即阳极第1节单电池)，每经过一节单电池时都会有总冷却液流量的n分之一的冷却液折向上方，进入单电池活性区域，对单电池进行散热。吸热后的冷却液最后从冷却液出口接头8流出。

本发明装置中各主要部件的作用：

双极板4：由流场板4-1和盖板4-2通过粘接、焊接等方式组合而成。

其中，流场板4-1：其上设燃料气体、氧化气体和冷却液的流场，即所谓的“一板三场”结构。该流场板4-1的一侧既设置有燃料气体的流场又设置有冷却液的流场；燃料气体流场由多根平行的氢气流道组成，冷却液流场则由多根平行的冷却液流道29组成；燃料气体和冷却液在间隔排布的各自的流道中流动，互不干涉。该流场板4-1的相对一侧设置有氧化气体流场。

盖板4-2：采用粘接或密封焊的方式，在每根冷却液流道29的上方“盖”上一个平板，每一根流道盖板4-2的两个端部分别通过未打断的材料“细线”连接，成为一个整体-即盖板4-2。该盖板4-2的作用一方面能防止冷却液和氢气的互窜，另一方面还发挥了传统设计中流场的“脊”的传导电子和废热的作用；而且还不会损伤gdl，有利于延长电堆寿命。

膜电极组件1：由质子交换膜32与在其两侧涂覆的阳极催化层和阴板催化层构成，形成三合一的发电单元。质子交换膜32隔开燃料气体和氧化气体，利用阳极侧的氢氧化反应与阴板侧的氧还原反应，分别作为燃料电池的负极和正极，从而产生电流，对外作电功。

质子交换膜燃料电池的工作原理：

氢气在阳极催化剂的作用下，发生下列反应：

h2→2h⁺+2e^-

氢离子通过电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阴极，在阴极催化剂的作用下，与氧气反应生成水，反应式如下：

2h⁺+2e^-+1/2o2→h2o

综合起来，即氢燃料电池中的总反应为：

2h2+o2→h2o

正是通过该电池反应，电池向外输出电能，只要保证氢气和空气或氧气的供给，该燃料电池即可连续不断产生电能。对于质子交换膜燃料电池，由于不受卡诺循环约束，在标准态下理想的最大转化效率为83％，而实际应用中由于各种条件影响，燃料电池系统的实际效率约在45％～60％。

在本实施例中，采用0.10mm厚度的316l不锈钢板，经冲压形成双极板4，其与膜电极组件1、阴极密封件2、阳极密封件3共同组成电堆中的重复单元，即单电池；若干数量的单电池串联后形成如图14所示的燃料电池堆。

在该电堆中，冷却液出口接头8、冷却液入口接头10与氧化气体出口接头9、氧化气体入口接头11位于一侧，燃料气体出口接头15、燃料气体入口接头16位于另外一侧。燃料气体入口接头16与和冷却液出口接头8看似位于前端板7和后端板14的同一位置，实则两者在进气总孔中相互分隔，流动时互不干扰。如图15、16所示，箭头17标示了燃料气体流动路径，箭头18标示了冷却液流动路径，燃料气体从燃料气体入口接头16进入电堆后，分别穿过后端板14、后端绝缘板13和后端集流板12之隔栅状的总孔区域，到达双极板4。冷却液则通过冷却液入口接头10进入电堆，然后穿过前端板7、前端绝缘板6和前端集流板5之隔栅状的总孔区域，到达双极板4。在双极板4中的流动则在下文描述。

结合图2以及图17、18所示，燃料气体进入叠加的双极板4后，双极板4入口处的通孔一半(即图2中的燃料气体入口20)对燃料气体敞开，另一半(即图2中的冷却液出口21)对燃料气体封闭(但对冷却液敞开)。燃料气体经过敞开的燃料气体入口20进入流动，并依次进入各个极板的燃料气体流道28，达到矩形区域26(燃料电池活性区)参与反应，最终从燃料气体出口23排出。

结合图2以及图19、20所示为冷却液从叠加的双极板4流出的局部细节示意，双极板4冷却液入口22处的通孔一半(即图2中的冷却液入口22)对冷却液是敞开的，另一半(即图2中的燃料气体出口23)对冷却液封闭(但对氢气敞开)。冷却液经过敞开的冷却液入口22进入流动，并依次进入各个双极板4的冷却液流道29，达到矩形区域26(燃料电池活性区)参与反应，最终从冷却液出口21排出。

双极板4的活性区经冲压工艺形成活性区的流道，除此区域外的其它区域为平板结构，无需冲压。在进口区域，为了形成氢气、空气和冷却液的流道，采用有一定高度的弹性体制作阴极密封件2(厚度0.20mm)和阳极密封件3(厚度0.25mm)。氧化气体从双极板4阴极侧的左方进入，右方流出；燃料气体从双极板4阳极侧的右上方进入，左下方流动；冷却液与燃料气体的流动方向相反，而与氧化气体流动方向相同，这样的流动可以保证质子交换膜两侧的温湿度、压力等参数的均匀性。

从图15～图20可见，燃料气气和冷却液是在双极板4的阳极侧流动的。为了防止这两种流体互混，本发明采用了一个盖板4-2将冷却液挡住，以免进入阳极反应区域。

由图3可见，盖板4-2为两头连接的隔栅状结构。

从图6进一步显示了三种流体的流道，在局部放大图中，燃料气体和冷却液在双极板4上方流动，冷却液流道29被盖板4-2所覆盖，避免冷却液进入燃料流道和膜电极组件1；氧化气体则在氧化气体流道27中流动。三种流体高度符合关系式：氢气流道高度-冷却液盖板厚度＝冷却液流道高度＝空气流道高度。双极板的总高度h4、材料厚度h1、水流道高度ha2和冷却液盖板厚度ha3满足关系式：h4＝h1+hc2+ha3。在本实施例中，h1为0.10mm，hc2为0.35mm，ha3也为0.10mm，则双极板总厚度h4为0.55mm。与传统的1.0mm左右的双极板4厚度相比，本发明的板厚下降45％。而双极板4的总堆积厚度通常占到电堆总长度的40～50％；这意味着在同等mea的性能条件和测试条件下，除双极板4以外的所有部件(包括前后端板、集流板、mea等)的厚度不变的情况下，燃料电池的体积比功率密度将提升20％～25％。

本发明具有如下主要特征：

(1)本发明双极板4由一张流场板4-1和一张盖板4-2构成，盖板4-2上没有流场，燃料气体、氧化气体和冷却液的流场全部位于一张流场板4-1上，构成所谓的“一板三场”结构，这和传统的由两块流场板4-1构成双极板4的设计理念截然不同，减少了两张分别带流道的极板组合的难度，使焊接、粘接或贴合等的组合、密封工艺变得更简单、灵活，当然，最大的好处是籍此“一板三场”设计的创新理念，由于只有一张流场板4-1上有流道，从而减少了双极板4的总厚度，进而使电堆的体积得以大大缩小，提升电堆体积比功率密度；

(2)本发明燃料气体流场和冷却液流场位于双极板4的同一侧，即流场板4-1的阳极侧，该侧的多根流道中一半的数量流通燃料气体，一半的数量流通冷却液，并间隔排布，这样的设计，在不影响反应气的均匀输送的同时，由于冷却液跟反应面的距离更近的优点，还可将废热更加有效地排出电堆；

(3)本发明由于双极板4采用了“一板三场”的设计，冷却液又与燃料气体同处在阳极侧，相比传统的两张板、夹层走水的设计理念，大大缩短了热量传递的路径，极大地提升了冷却效果，这样，既可以保证冷却液与金属板的良好接触，又让其在阴阳极板的各个区域能够均匀地分配；在改善了电堆散热效果的同时，还提升了面内温度的均匀性，这在大功率发电时效果尤为显著，因为燃料电池在大功率发电时的电效率下降，产生的废热更多，与此同时热分布的不均匀性问题也会更加显著；

(4)本发明燃料气体流道28和冷却液流道29的进口区流道和出口区流道中与活性区流道临近区域设置有一段波浪状的流道，从而在燃料气体和冷却液流动的过程中增加燃料气体的流动阻力，利于排出液态水；

(5)本发明在流场板4-1阳极侧采用粘接或密封焊的方式，在每根冷却液流道29的上方“盖”上一个平板，每一根流道盖板4-2的两个端部分别通过未打断的材料“细线”连接，成为一个整体-即盖板4-2，该活性区的盖板4-2一方面能防止冷却液和氢气的互窜，另一方面还发挥了传统设计中流场的“脊”的传导电子和废热的作用，而且，与通过冲压、模压等工艺形成的脊平面相比，本发明中平整的盖板4-2在电堆发电过程中，导电、导热效果更佳，还不会损伤气体扩散层(gdl)，有利于延长电堆寿命；

(6)本发明任何导电的铁、不锈钢、镍、铝、金、铂金及其合金构成的金属板、金属箔、纯石墨板、膨胀石墨板、金属/石墨复合板、c/c复合板、导电塑料板等，都可以作为本发明的双极板4材料，从而流场板4-1上的燃料气体流道28、冷却液流道29和氧化气体流道27经冲压、模压或蚀刻等工艺加工成形，采用金属导电材料时盖板4-2与流场板4-1阳极侧的连接方式采用密封焊方式，采用非金属导电材料时，盖板4-2与流场板4-1阳极侧的连接方式须采用导电密封剂进行密封粘接；

(7)本发明为了减少电堆厚度，提升电堆的功率密度，根据设计需求和材料种类的不同，双极板4的材料厚度范围为0.01mm～0.5mm，材料减薄是有一定的限度的，这是因为，一方面材料过薄会引起双极板4机械强度下降、运行过程尺寸不稳定；另一方面，非金属材料双极板4薄至一定程度，会产生漏气漏水问题，尤其是漏氢气；

(8)本发明燃料电池堆在阳极侧为了有效地分隔燃料气体和冷却液两种流体，防止它们互窜，将燃料气体进出总口以及冷却液进出总口采用了从电堆两头分别进入的方式。从外部看，燃料气体和冷却液看似是位于电堆的同一个进出总口，但实则上它们是被巧妙地分隔开来的，有效防止两者互窜，提高安全性能。

需要说明的是：该设计理念的应用，并不会受具体的流道形式的影响，相关专业人员在本设计理念的指引下可实现相当多的引申设计，产生各种各样的“一板三场”结构的双极板4，则均为本专利的既定范围内。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。