单极板、双极板和燃料电池的制作方法

[0001]
本实用新型涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种单极板、双极板和燃料电池。


背景技术：

[0002]
质子交换膜燃料电池(pemfc)依靠电化学反应，将储存在燃料气(如氢气)中的化学能直接转变为电能。质子交换膜燃料电池发电，具有常温启动快、能量转换效率高、尾气绿色无污染、安全等特点，可以用于固定电站、移动电站、航空发电机、航海发电机、车载发电机、野外应急电源、便携电源等。
[0003]
目前，燃料电池双极板主要有石墨双极板、复合双极板和金属双极板三大类。燃料电池双极板是质子交换膜燃料电池中的重要部件之一，其具有引入并分配原料流体、收集并引出反应尾气及生成水、隔离不同流场及流体、收集并传导燃料电池反应过程产生的热量、收集并传导燃料电池电化学产生的电流等功能，是燃料电池维持良好工作状态的重要部件。为了实现双极板所具有的各项功能，双极板设置了多种功能结构，主要包括燃料电池流场(包括燃料气体流场和氧化剂气体流场)、燃料气体进、出口、氧化剂气体进、出口、冷却剂进、出口及密封结构等功能结构。
[0004]
当前的金属双极板厚度仅为0.1mm，使得燃料电池电堆的功率密度相比于石墨电堆大幅提高而被广泛采用。由于双极板的厚度降低，其整体的抗弯强度较低，特别是歧管口处的结构强度较为薄弱。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种燃料电池的单极板，该燃料电池的单极板的歧管口处的结构强度高，承压能力强。
[0006]
本实用新型还提出了一种具有上述单极板的双极板。
[0007]
本实用新型还提出了一种具有上述双极板的燃料电池。
[0008]
本实用新型还提出了一种具有上述燃料电池的车辆。
[0009]
根据本实用新型第一方面实施例的燃料电池的单极板，包括：本体，所述本体上形成有多个歧管口和流道凸起，多个所述歧管口包括氧化剂进口、氧化剂出口、还原剂进口和还原剂出口，至少一个所述歧管口的外周沿形成有多个朝向外凸出的加强凸起，多个所述加强凸起沿所述歧管口的周向间隔排布。
[0010]
根据本实用新型实施例的燃料电池的单极板，通过在至少一个歧管口的外周沿设置多个沿歧管口的周向间隔排布的加强凸起，使歧管口处的结构强度增大，加大了歧管口外周的受力面积，可以使整个单极板的结构强度和承压能力更强。
[0011]
根据本实用新型的一些实施例，相邻两个所述加强凸起之间的间距范围为1.5-2mm。
[0012]
根据本实用新型的一些实施例，所述加强凸起的宽度范围为1.5-2mm，所述加强凸
起的宽度是指所述加强凸起在由所述歧管口的中心至所述歧管口的外周沿方向上的尺寸。
[0013]
根据本实用新型的一些实施例，所述加强凸起的高度不高于任意一个朝向外凸起的所述流道凸起的高度。
[0014]
根据本实用新型的一些可选实施例，所述加强凸起的高度与朝向外凸起的所述流道凸起中高度最高的所述流道凸起的高度相同。
[0015]
根据本实用新型的一些实施例，所述加强凸起形成为矩形或梯形。
[0016]
根据本实用新型的一些实施例，所述本体为金属板。
[0017]
根据本实用新型的一些实施例，所述加强凸起由所述本体的一部分沿所述本体的厚度方向向外凹陷形成。
[0018]
根据本实用新型的一些可选实施例，所述加强凸起上形成有加强凹槽，所述加强凹槽由所述加强凸起的一部分沿所述本体的厚度方向向内凹陷形成。
[0019]
可选地，所述加强凹槽形成为球形、锥形或柱形。
[0020]
可选地，所述加强凹槽在参考面的投影面积为s1，所述加强凸起在所述参考面的投影为s2，所述s1与所述s2的比值范围为1/8-7/8，所述参考面为平行于所述本体的平面。
[0021]
进一步地，所述加强凸起的宽度范围为1.5-2mm，所述加强凸起的宽度是指所述加强凸起在由所述歧管口的中心至所述歧管口的外周沿方向上的尺寸，所述加强凹槽的最大横截面的等效直径范围为1-1.5mm。
[0022]
根据本实用新型第二方面实施例的燃料电池的双极板，包括叠置的阳极板和阴极板，所述阳极板和所述阴极板中的至少一个为根据本实用新型上述第一方面实施例的单极板。
[0023]
根据本实用新型实施例的燃料电池的双极板，通过设置上述的单极板，该单极板的歧管口处的结构强度高，承压能力强。
[0024]
根据本实用新型第三方面实施例的燃料电池，包括：根据本实用新型上述第二方面实施例的双极板。
[0025]
根据本实用新型实施例的燃料电池，通过设置上述的双极板，该双极板的歧管口处的结构强度高，承压能力强。
[0026]
根据本实用新型第四方面实施例的车辆，包括：根据本实用新型上述第三方面实施例的燃料电池。
[0027]
根据本实用新型实施例的车辆，通过设置上述的燃料电池，该燃料电池的双极板的歧管口处的结构强度高，承压能力强。
[0028]
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
[0029]
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0030]
图1是本实用新型一些实施例的燃料电池的单极板的局部结构示意图。
[0031]
附图标记：
[0032]
单极板100；
[0033]
本体1；歧管口11；氧化剂进口111；还原剂进口112；冷却液进口113；加强凸起114；加强凹槽1141；流道凸起12；阳极过渡区14；阳极活化区15。
具体实施方式
[0034]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0035]
下面参考图1描述根据本实用新型实施例的燃料电池的单极板100。该燃料电池可以为质子交换膜燃料电池，其结构包括双极板以及设置在双极板的厚度方向两侧的膜电极，双极板包括叠置的阳极板和阴极板，阳极板和阴极板中的至少一个为上述单极板100。
[0036]
参照图1，根据本实用新型第一方面实施例的燃料电池的单极板100，包括：本体1。本体1上形成有多个歧管口11和流道凸起12，多个歧管口11包括氧化剂进口111、氧化剂出口、还原剂进口112和还原剂出口。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。例如，在本实用新型的一些实施例中，单极板100的一端设置有氧化剂进口111、冷却液进口113和还原剂进口112，单极板100的另一端设置有还原剂出口、冷却液出口和氧化剂出口。
[0037]
参照图1，在单极板100为阳极板时，本体1还形成有阳极过渡区14及阳极活化区15，阳极过渡区14及阳极活化区15上均形成有上述流道凸起12。在单极板100为阴极板时，本体1还形成有阴极过渡区及阴极活化区，阴极过渡区及阴极活化区上均形成有上述流道凸起12。当燃料电池工作时，氧化剂(如空气)、还原剂(如氢气)、冷却液分别从阳极板以及阴极板的氧化剂进口111、还原剂进口112、冷却液进口113进入，还原剂进入阳极过渡区14，经阳极过渡区14分配之后进入阳极活化区15并发生反应，反应后从还原剂出口排出；氧化剂进入阴极过渡区，经阴极过渡区分配之后进入阴极活化区并发生反应，反应后从氧化剂出口流出。冷却液从冷却液出口流出，冷却液可以起到冷却作用。其中，阴极板的结构可以与阳极板结构大致相同。
[0038]
至少一个歧管口11的外周沿形成有多个朝向外凸出的加强凸起114(所述“外”是指远离双极板的中心的方向，例如在单极板100为阳极板时，本体1上形成的加强凸起114朝向远离阴极板的方向凸出；例如在单极板100为阴极板时，本体1上形成的加强凸起114朝向远离阳极板的方向凸出)。例如，可以仅有一个歧管口11的外周沿形成有多个朝向外凸出的加强凸起114，也可以有多个歧管口11的外周沿均形成有多个朝向外凸出的加强凸起114。由此，歧管口11的外周沿由直线段拆分为多个间隔的单独的矩形结构，可以使歧管口11处的结构强度得到加强。多个加强凸起114沿歧管口11的周向间隔排布，使歧管口11外周的受力面积增大，从而使整个单极板100的结构强度和承压能力更强。
[0039]
并且，多个加强凸起114沿歧管口11的周向间隔设置，相邻两个加强凸起114之间限定出容纳空间，在双极板的阳极板和阴极板的周沿通过密封胶密封的过程中，相邻两个加强凸起114之间限定出的容纳空间能够为歧管口11附近的密封胶提供溢胶空间。
[0040]
根据本实用新型实施例的燃料电池的单极板100，通过在至少一个歧管口11的外周沿设置多个沿歧管口11的周向间隔排布的加强凸起114，使歧管口11处的结构强度增大，
加大了歧管口11外周的受力面积，可以使整个单极板100的结构强度和承压能力更强。
[0041]
根据本实用新型的一些实施例，参照图1，相邻两个加强凸起114之间的间距d范围为1.5-2mm。如果相邻两个加强凸起114之间的间距过大，会影响歧管口11外周的结构强度增大的效果。如果相邻两个加强凸起114之间的间距过小，会增加工艺难度，且无法提供足够的溢胶空间。将相邻两个加强凸起114之间的间距设置在上述范围，可以增大歧管口11外周的结构强度，并且可以提供足够的溢胶空间。
[0042]
根据本实用新型的一些实施例，参照图1，加强凸起114的宽度l范围为1.5-2mm，加强凸起114的宽度是指加强凸起114在由歧管口11的中心至歧管口11的外周沿方向上的尺寸。如果加强凸起114的宽度过大，会增加占用单极板100的较大的空间，不利于其他结构的设置。如果加强凸起114的宽度过小，对歧管口11外周的结构强度增大效果不明显。因此，将加强凸起114的宽度设置在上述范围，可以提高歧管口11外周结构强度的同时，可以减少对单极板100上其他结构的布局影响。
[0043]
根据本实用新型的一些实施例，参照图1，加强凸起114的高度不高于任意一个朝向外凸起的流道凸起12的高度。由此，可以减少加强凸起114受到的压力，有效减小单极板100在歧管口11附近的变形。
[0044]
根据本实用新型的一些可选实施例，参照图1，加强凸起114的高度与朝向外凸起的流道凸起12中高度最高的流道凸起12的高度相同。由此，加强凸起114与流道凸起12都可以起到承担来自膜电极压力的作用，使单极板100整体的受力面积较大，单极板100整体的承压能力更强。
[0045]
根据本实用新型的一些实施例，参照图1，加强凸起114形成为矩形或梯形。由此，加强凸起114的结构简单，易于成型。
[0046]
根据本实用新型的一些实施例，本体1为金属板。金属板具有良好的导电、导热性能，强度高、阻气性好，且金属板的厚度可以做到很薄，从而减轻单极板100整体的重量。
[0047]
根据本实用新型的一些实施例，加强凸起114由本体1的一部分沿本体1的厚度方向向外凹陷形成(所述“外”是指远离双极板的中心的方向，例如在单极板100为阳极板时，本体1的一部分朝向远离阴极板的方向凹陷以形成加强凸起114；例如在单极板100为阴极板时，本体1的一部分朝向远离阳极板的方向凹陷以形成加强凸起114)。由此，可以加强歧管口11外周的强度，并且单极板100整体的重量小、结构强度高，例如本体1为金属板时，通过冲压可以形成加强凸起114。
[0048]
根据本实用新型的一些可选实施例，参照图1，加强凸起114上形成有加强凹槽1141，加强凹槽1141由加强凸起114的一部分沿本体1的厚度方向向内凹陷形成(所述“内”是指邻近双极板的中心的方向，例如在单极板100为阳极板时，加强凸起114的一部分朝向邻近阴极板的方向凹陷以形成加强凹槽1141；例如在单极板100为阴极板时，加强凸起114的一部分朝向邻近阳极板的方向凹陷以形成加强凹槽1141)。由于加强凹槽1141是由加强凸起114的一部分沿本体1的厚度方向向内凹陷形成，进一步加强了歧管口11外周的结构强度，并且可以增大受力面积，从而使单极板100的结构强度增强，承压能力进一步提高。
[0049]
可选地，加强凹槽1141形成为球形、锥形或柱形。由此，加强凹槽1141的结构简单，便于加工。
[0050]
可选地，加强凹槽1141在参考面的投影面积为s1，加强凸起114在参考面的投影为
s2，s1与s2的比值范围为1/8-7/8，参考面为平行于本体1的平面。如果加强凹槽1141与加强凸起114的投影面积比值过大，会增加加工难度。如果加强凹槽1141与加强凸起114的投影面积比值过小，对歧管口11处的结构强度加强不明显，且加工难度大。因此，将加强凹槽1141与加强凸起114的投影面积比值设置在上述范围，可以加强歧管口11处的结构强度，并且便于加工。
[0051]
进一步地，参照图1，加强凸起114的宽度l范围为1.5-2mm，加强凸起114的宽度是指加强凸起114在由歧管口11的中心至歧管口11的外周沿方向上的尺寸，加强凹槽1141的最大横截面的等效直径d(在加强凹槽1141的最大横截面为圆形时，该圆形的直径即为等效直径d；在加强凹槽1141的最大横截面为非圆形时，其面积相同的圆形所对应的直径为等效直径d)范围为1-1.5mm。由于加强凹槽1141是由加强凸起114的一部分沿本体1的厚度方向向内凹陷形成，如果加强凹槽1141的最大横截面的等效直径过大或过小，都会增加加工成型难度，并且在加强凹槽1141的最大横截面的等效直径过小时，对歧管口11外周结构强度的加强效果不明显。因此，将加强凹槽1141的最大横截面的等效直径设置在上述范围，可以增强歧管口11外周的结构强度，并且方便加工。
[0052]
根据本实用新型第二方面实施例的燃料电池的双极板，包括叠置的阳极板和阴极板。阳极板和阴极板中的至少一个为根据本实用新型上述第一方面实施例的单极板100。例如，可以仅是阳极板为上述第一方面实施例的单极板100，也可以仅是阴极板为上述第一方面实施例的单极板100，还可以阳极板和阴极板都是上述第一方面实施例的单极板100。其中，阳极板和阴极板的结构可以大致相同。通过将阳极板和阴极板中的至少一个设置为上述第一方面实施例的单极板100，该单极板100的歧管口11处的结构强度高。
[0053]
根据本实用新型第三方面实施例的燃料电池，包括：根据本实用新型上述第二方面实施例的双极板。通过设置上述的双极板，该双极板的歧管口11处的结构强度高。
[0054]
根据本实用新型第四方面实施例的车辆，包括：根据本实用新型上述第三方面实施例的燃料电池。通过设置上述的燃料电池，该燃料电池的双极板的歧管口11处的结构强度高。
[0055]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0056]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。