一种燃料电池双极板的制作方法

本实用新型涉及质子交换膜燃料电池领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池双极板。

背景技术：

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点，在燃料电池中，双极板需要将氢气和空气引导分配至活性区发生电化学反应，同时，双极板中的流场需要引导分配冷却水在电池内外循环，以带走电池化学反应产生的热量，所以，双极板的结构，需要考虑到空气、氢气和冷却水的流通路径，需要确保这三种流体在双极板内，均匀的通过入口歧管、入口分配区、活性区、出口分配区、出口歧管，保证电池内电化学反应物的供给和反应产物的顺利排出；而分配区，作为连接歧管与活性区的桥梁，其结构设计直接关系到双极板设计的成败；特别是冷却水腔的分配区构造，在设计气体腔的分配区的时候，必须要兼顾冷却水腔的分配区结构一起考虑，否则，会出现在双极板设计完成后，发现水腔分配区不能正确引导和均匀分配冷却水，这样的设计是无效的。

分配区的结构形式，一般有间断的凸台和凹坑状结构、连续不间断的流道结构以及上述两种结构的组合形式；

对于间断的岛状结构的分配区，由于凸台和凹坑状结构的排布形式直接关系到分配区域内流体的分布，凸台和凹坑状结构及其分布形式的具体参数需要多次的仿真计算优化之后才可能确定，该过程周期较长，而且优化的方向不明确；另一方面，凸台对mea的支撑面积不足，使得mea容易变形，导致无法控制反应气体压力的情况，严重影响电池性能；

对于连续不间断的流道结构的分配区，由于分配区内连续的流道对流体有强制的引导作用，而且，该分配区的流场结构与mea的接触面积大于凸台和凹坑状结构的分配区与mea的接触面积，所以连续不间断的流道结构的分配区优于间断的岛状结构的分配区；另一方面，从流体分配的角度出发，为了使双极板内的流体分配均匀，可能需要将连续不间断的流道结构的分配区内，局部打断流道，形成连续不间断的流道和间断的凸台和凹坑状结构相结合的综合分配区结构。若分配区中含有连续不间断的流道结构，由于分配区的周期数目与活性区的周期数目不同，势必造成分配区的一个流道周期被分支成多个流道周期的叉分结构，则在分支结构区，其背面的水流场中，分支后的水流场无法与分配区的其他水流场连通，冷却水流在断开的这部分流道中无法流通。

例如专利一种质子交换膜燃料电池金属双极板(公开号为cn101572318b，公开日为20101208)：将阴极板分配区上每个凸台背面的凹坑与阳极板分配区上每个凸台背面的凹坑交错排列，凹坑与凹坑相对的部分构成连续的水腔分配区，再连接阴阳极板上平行的水流道，构成完整的水流场，点状的凸台对mea的支撑面积不足，导致无法控制反应气体压力的情况，严重影响电池性能；因此这种分配形式有自身的局限性；

专利一种质子交换膜燃料电池金属双极板分配头(公开号为cn102034986b，公开日为20121228)：在阴阳极板的分配区内，有规律的设置凸台和凹坑构成的导流岛，实现从歧管到活性区的流体的分配，由于这种水流场的构建需要设计特定的气体分配区和气体流场类型，容易出现流体分配不均匀的情况；

专利新型燃料电池堆冷却水流道板及其电池组(公开号为cn107123820a，公开日为20170901)：冷却腔有多个进出口，进入极板后，由多个流道并联形成水流场；可能存在以下问题：1.不易保证水腔各个歧管的水流量的均匀分配，导致气口端板中水腔歧管的设计难度剧增；2.要在极板内形成并联的分配均匀的水流场，按照专利中冷却水的走势，会使得反应气体的流场设计形式会受到极大的限制；

由于水流场是由空气流场和氢气流场的背面，经过相应的叠合，而形成的封闭空间所组成的，冷却水水流场由于其特殊性，所以在双极板的设计过程中，必须要提前考虑到双极板冷却水流场构造的两个关键点：1.冷却水从歧管到分配区的连通结构；2.冷却水在分配区的连通结构。

技术实现要素：

根据上述提出现有的存在间断的水流道的双极板中，冷却水不能实现整体连通的技术问题，而提供一种燃料电池双极板。本实用新型通过对双极板的分配区结构设计，使双极板的冷却水能够顺利流通，并均匀分配至水流场，从而带走电池内部电化学反应产生的热量。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种燃料电池双极板，包括阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板均包括正面的气体流场和背面的单极冷却水流场；所述单极冷却水流场包括冷却水活性区流场和冷却水分配区流场；两个极板的背面相对组成所述双极板，之间形成双极板冷却水流场，其中一个极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，用于导通冷却水；或者，所述阴极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阳极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，所述阳极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阴极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内。

进一步地，所述阴极板和所述阳极板均包括分配区和活性区，所述分配区和所述活性区内均设置流场结构；所述分配区和所述活性区根据功能划分；所述分配区用于将由流体入口流入的流体引导分配至所述活性区或将流经所述活性区的流体聚集至流体出口；所述活性区为发生电化学反应的区域，但不一定是电化学反应发生的唯一区域，其取决于mea上催化层的布置范围；所述冷却水活性区流场和所述冷却水分配区流场分别位于所述活性区和所述分配区对应的区域内。

进一步地，所述分配区内设置流道，且每个流道周期对应所述活性区内1-50个流道周期；所述冷却水分配区流场内的流道与所述冷却水活性区流场内的部分流道是间断的；当其中一个极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内时，通过与另一个极板所对应的冷却水分配区流场内的流道连通实现导通冷却水，上述延伸的流道的延伸长度大于等于另一个极板的所述冷却水分配区流场的一个流道周期的宽度；当所述阴极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阳极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，所述阳极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阴极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内时，两个极板所对应的上述流道延伸的长度不等，延伸长度较长的上述流道通过与延伸长度较短的上述流道所在极板所对应的冷却水分配区流场内的流道连通实现导通冷却水，两个极板所对应的上述流道延伸的长度的差值大于等于延伸长度较短的流道所在极板所对应的冷却水分配区流场的一个流道周期的宽度。

进一步地，延伸长度较长的上述流道与延伸长度较短的上述流道的长度之差为△l，且0mm＜△l≤500mm。

进一步地，所述气体流场包括所述气体分配区流场和所述气体活性区流场，所述气体分配区流场内流道脊的上表面比所述气体活性区流场内流道脊的上表面高△h，且0mm＜△h≤1mm。

进一步地，所述阴极板还包括阴极氢气出口歧管、阴极冷却水入口歧管、阴极空气入口歧管、阴极空气出口歧管、阴极冷却水出口歧管、阴极氢气入口歧管；所述阳极板还包括阳极空气出口歧管、阳极冷却水出口歧管、阳极氢气入口歧管、阳极氢气出口歧管、阳极冷却水入口歧管、阳极空气入口歧管。

进一步地，所述阴极板和所述阳极板由不锈钢或钛合金金属薄板冲压制成或由导电材料制成。

进一步地，所述冷却水分配区流场位于所述冷却水活性区流场的两端。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的燃料电池双极板，氢氧极板的分配区交错叠合，形成3d水流场，使冷却水的分布均匀，避免板内出现局部热点。

2、本实用新型提供的燃料电池双极板，分支式的分配结构对mea支撑面积足够，从而避免mea的损坏和反应气体压力无法控制的现象发生。

3、本实用新型提供的燃料电池双极板，气体的分配区兼做水的分配，保证气体的分配均匀前提下，节省分配区的总面积，提高活性区面积利用率，从而提高电池的比功率。

4、本实用新型提供的燃料电池双极板，能够节省冷却腔的容积，使得电池低温启动响应速率更快。

综上，应用本实用新型的技术方案通过双极板的分配区结构设计，使双极板的冷却水能够流通，并均匀分配至水流场，从而带走电池内部电化学反应产生的热量。因此，本实用新型的技术方案解决了现有的存在间断的水流道的双极板中，冷却水不能实现整体连通的技术问题。

基于上述理由本实用新型可在燃料电池双极板等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所述燃料电池阴极板结构示意图。

图2为图1中b-b方向剖视图。

图3为本实用新型所述燃料电池阳极板结构示意图。

图4为图3中a-a方向剖视图。

图5为本实用新型所述燃料电池双极板结构示意图。

图中：1：阴极板；101：阴极氢气出口歧管；102：阴极冷却水入口歧管；103：阴极空气入口歧管；104，106：阴极气体分配区流场；105：阴极气体活性区流场；107：阴极空气出口歧管；108：阴极冷却水出口歧管；109：阴极氢气入口歧管；110，111：阴极冷却水分配区流场；112：阴极冷却水活性区流场；2：阳极板；201：阳极空气出口歧管；202：阳极冷却水出口歧管；203：阳极氢气入口歧管；204，206：阳极气体分配区流场；205：阳极气体活性区流场；206：氢气出口分配区流场；207：阳极氢气出口歧管；208：阳极冷却水入口歧管；209：阳极空气入口歧管；210，211：阳极冷却水分配区流场；212：阳极冷却水活性区流场；100：双极板；300：双极板冷却水流场。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型提供了一种燃料电池双极板100，包括阴极板1和阳极板2，所述阴极板1和所述阳极板2均可以分为活性区和位于所述活性区两端的分配区，所述分配区和所述活性区内均设置流场结构；所述分配区和所述活性区是按照各区域流体结构的功能，人为划分的流体结构区域；所述分配区用于将由流体入口流入的流体引导分配至所述活性区或将流经所述活性区的流体聚集至流体出口；所述活性区为发生电化学反应的区域，但不一定是电化学反应发生的唯一区域，其取决于所述双极板在使用时mea上催化层的布置范围，所述分配区内也可能发生电化学反应；所以，本领域相关的技术人员应该清楚并理解，上述的分配区、活性区不是根据电化学反应是否在该区域覆盖的范围内发生而划分的。

进一步地，本实施例所述阴极板1和所述阳极板2均包括正面的气体流场和背面的单极冷却水流场；每一个极板上，一面的沟(凹槽)即是另一面的脊(凸起)；

所述气体流场包括气体活性区流场和气体分配区流场；所述气体活性区流场和所述气体分配区流场分别位于所述活性区和所述分配区对应的区域内；具体地，所述阴极板1的气体流场包括阴极气体活性区流场105和阴极气体分配区流场104，106；所述阳极板2的气体流场包括阳极气体活性区流场205和阳极气体分配区流场204，206；所述单极冷却水流场包括冷却水活性区流场和冷却水分配区流场；所述冷却水活性区流场和所述冷却水分配区流场分别位于所述活性区和所述分配区对应的区域内；具体地，所述阴极板1的单极冷却水活性区流场包括阴极冷却水活性区流场112和阴极冷却水分配区流场110，111；所述阳极板2的冷却水活性区流场包括阳极冷却水活性区流场212和阳极冷却水分配区流场210，211；

同一块极板上，正面的所述气体活性区流场和所述气体分配区流场分别与背面的所述冷却水活性区流场和所述冷却水分配区流场相对应；

所述阴极板1的背面与所述阳极板2的背面相对组成所述双极板100，所述阴极板1和所述阳极板2的活性区宽度均为la，之间形成双极板冷却水流场300；

所述阴极板1还包括阴极氢气出口歧管101、阴极冷却水入口歧管102、阴极空气入口歧管103、阴极空气出口歧管107、阴极冷却水出口歧管108、阴极氢气入口歧管109；所述阳极板2还包括阳极空气出口歧管201、阳极冷却水出口歧管202、阳极氢气入口歧管203、阳极氢气出口歧管207、阳极冷却水入口歧管208、阳极空气入口歧管209；本实施例所述的歧管是一种用于将各种流体导入、导出电池中，在双极板上设置的开口结构，空气出入口歧管、氢气出入口歧管、冷却水出入口歧管布置于极板的两端，其相对位置可根据极板的设计灵活调整，两个极板组成双极板后各流体的出入口的位置相互对应；

所述分配区连接所述歧管和对应的活性区流场，所述分配区流场用于将入口歧管内的流体引导分配至对应的活性区流场中或将活性区流场的流体聚集至出口歧管。

实施例1

如图1-5所示，在上述技术方案的基础上，在本实施例中，所述阴极板1和所述阳极板2由0.1mm厚的不锈钢薄板冲压而成。

在本实施例中，所述分配区内的流场结构具有分支的流场结构，所述分配区流场内设置流道，且每个流道周期被分支后对应所述活性区内1-50个流道周期；所述分配区内的流场结构沿着流体流动的方向有间断，所述的间断是指流场结构在其高度方向上有变化；所述分配区流场内不全部为间断的凸台和凹坑结构；每个流道周期包括一条沟和一条脊；

进一步地，所述阴极板1和所述阳极板2的分配区流场，不全部为间断的凸台和凹坑结构，可以是连续不间断的流道，部分间断的凸台和连续不间断的流路的组合形式；优选地，在本实施例中，所述阴极板1和所述阳极板2所对应的分配区流场采用连续不间断的流道结构；

进一步地，所述阴极板1和所述阳极板2的分配区流场中，每个流道周期被分支成1-50个流道周期，且分支过程可进行多次；优选地，在本实施例中，所述阴极板1分配区的每个流道周期经过一次分支成3个流道周期；所述阳极板2分配区的每个流道周期经过一次分支成4个流道周期；

进一步地，所述阴极板1和所述阳极板2所对应的冷却水分配区流场中，分支后的水流场是间断的，各水流道之间是不连通的，无法与分配区的其他流道连通，有一部分水流场无法与分配区的其他水流场连通，即所述冷却水分配区流场内的流道与所述冷却水活性区流场内的部分流道是间断的；具体地，如图1和图3所示，冷却水分配区流场内的流道只与部分冷却水活性区流场内的流道直接连接，且同一块极板的冷却水活性区流场内的各流道之间是不连通的；

进一步地，所述冷却水分配区流场的流道可以设置为竖直流道、相对于所述双极板轴线倾斜的斜向流道或者其他形式的连续不间断的流道结构；

优选地，当所述冷却水分配区流场内的流道设置为上述斜向流道时，两个极板相对的所述冷却水分配区流场内的所述斜向流道之间相互交叉布置；两个极板的所述斜向流道的倾斜角度不同；使两个极板各自的冷却水分配区流场内流道进行交错叠合，能够形成3d水流场，使冷却水的分布均匀，避免板内出现局部热点；

由于歧管的开口宽度一般小于其对应的活性区流场的宽度，对于含有连续不间断流道的分配区结构，其分配区流场的每个流道周期被分支成1-50个流道周期，则在冷却水分配区流场内，分支后的流道无法与分配区的其他流道连通，会导致冷却水流在分支区域的流道中无法流通；

为了保证双极板内冷却水的顺利流通，在本实施例中，所述阴极板1所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阳极板2所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，所述阳极板2所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阴极板1所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，且两个极板所对应的上述流道延伸的长度不等，延伸长度较长的上述流道用于导入冷却水，两个极板所对应的上述流道延伸的长度的差值大于等于延伸长度较短的流道所在极板所对应的冷却水分配区流场的一个流道周期p的宽度。

用于导入冷却水的流道通过延伸并与延伸长度较短的流道所在极板所对应的冷却水分配区流场内的流道连通，即可将间断的水流场内不能连通的水流道连接起来，进而实现冷却水的整体连通；

上述冷却水分配区流场的一个流道周期p的宽度是指该冷却水分配区流场内一条沟和一条脊的宽度之和。

进一步地，延伸长度较长的上述流道与延伸长度较短的上述流道的长度之差为△l，且0mm＜△l≤500mm。

优选地，所述阳极板2所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阴极板1所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内的延伸长度较长，延伸长度为la；所述阴极板1所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至所述阳极板2所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内的延伸长度较短，延伸长度为lc；la与lc之差△l为15mm。

进一步地，所述阴极板1的气体流场为空气流场，所述阳极板2的气体流场为氢气流场。

进一步地，所述气体流场包括所述气体分配区流场和所述气体活性区流场，所述气体分配区流场内流道脊的上表面比所述气体活性区流场内流道脊的上表面高△h，且0mm＜△h≤1mm；

由于将所述双极板100组成燃料电池时，需要将mea放置于上下两个双极板的活性区之间，会导致两个极板之间的分配区之间形成一定的空隙，通过上述设置能够填补该空隙。

进一步地，所述冷却水分配区流场位于所述冷却水活性区流场的两端。

本实施例的技术方案解决了现有的含有连续不间断流道的分配区结构的双极板，分支后的冷却水在分支区域的流道中无法流通的技术问题。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于，为了保证双极板内冷却水的顺利流通，组成所述双极板的阴极板和阳极板中，其中一个极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，用于导入冷却水。

进一步地，当其中一个极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，用于导入冷却水时，上述流道的延伸长度大于等于另一个极板的所述冷却水分配区流场的一个流道周期；用于导入冷却水的流道通过延伸并与另一个极板所对应的冷却水分配区流场内的流道连通实现导通冷却水。

进一步地，所述阴极板1和所述阳极板2由钛合金金属薄板冲压制成或由石墨等导电材料制成。

实施例3

本实施例提供的所述燃料电池双极板中，所述阴极板1和所述阳极板2所对应的分配区流场采用间断的凸台和凹坑状结构，所述阴极板1或所述阳极板2所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，用于导入冷却水；或者，所述阴极板1和所述阳极板2所对应的冷却水活性区流场内的流道均延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，且两个极板所对应的上述流道延伸的长度不等，延伸长度较长的上述流道用于导入冷却水；用于导入冷却水的流道通过延伸并与另一个极板所对应的所述冷却水分配区流场内的凹坑结构连通，即可将间断的水流场内不能连通的水流道连接起来，进而实现冷却水的整体连通。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。