一种燃料电池双极板及燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池双极板及燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种发电系统，用电化学方法将化学能直接转换成燃料电池组中的电能；燃料电池的主要核心部件是膜电极和双极板。
3.燃料电池运行时，燃料气体通过双极板阳极侧，氧化剂通过双极板阴极侧，并在膜电极两侧发生电化学反应。当燃料电池工作在大电流高功率状态时，需要大量燃料气和氧化剂气体进入燃料电池膜电极，在燃料电池中，双极板是反应气体的流通通道，在电堆运行过程时，如果不能及时的将燃料电池电化学反应所需燃料气和氧化剂气体及时送入膜电极，不能及时将燃料电池尾气和生成水排出膜电极，燃料电池就会发生传质极化现象，影响燃料电池性能的进一步提高，甚至劣化燃料电池的性能。因此，如何提高燃料电池内部的传质能力，对于大电流高功率运行的燃料电池来说是非常重要的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型公开了一种燃料电池双极板及燃料电池，该述燃料电池双极板中，沿着反应气体的输送方向，气体流道的宽度逐渐减小，且在部分脊的顶面设置凹槽连通两侧气体流道，既可以及时排除反应生成的液态水，改善气体流道内欠气问题，还可以有效降低反应气体进入膜电极的阻力，提高不同气体流道内的流量的均衡度，有利于保证燃料电池的性能。
5.为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
6.一种燃料电池双极板，包括：单极板，所述单极板具有反应面，所述反应面具有反应区，所述反应面的反应区设有多个并排设置、且用于输送反应气体的条形气体流道；每相邻的两个所述气体流道之间形成脊；
7.沿着垂直于所述反应面的方向，所述气体流道的深度不变；沿着所述反应气体的输送方向，所述气体流道在所述气体流道的排列方向上的尺寸逐渐减小；
8.至少部分所述脊的顶侧设置有凹槽，所述凹槽的延伸方向与所述气体流道的排列方向平行、且贯穿所述脊，以使相邻的两个所述气体流道通过所述凹槽连通。
9.上述燃料电池双极板中，包括有单极板，单极板具有反应面，反应面具有反应区，在反应区设置有多个并排设置的条形气体流道，各气体流道与反应面平行设置，气体流道为条形凹槽结构，则每相邻的两个气体流道之间形成凸起的条形的脊，气体流道用于输送反应气体，其中，燃料电池的双极板包括两个单极板，一个为阳极单极板，另一个为阴极单极板，阳极单极板上的气体流道用于输送燃料气体，阴极单极板上的气体流道用于输送氧化剂气体，反应气体就是该处的燃料气体和氧化剂气体；其中，对于单极板上的气体流道，在垂直于反应面的方向，气体流道的深度不变，沿着反应气体的输送方向，也就是反应气体在气体流道内的流通方向，气体流道在气体流道的排列方向上的尺寸逐渐减小，也就是气
体流道的宽度逐渐减小，各个气体流道的截面积自入口到出口沿反应气体的输送方向逐渐减小，且入口端气体流道宽度与出口端气体流道宽度的比例关系根据气体过量系数设置，保证入口端气体流速与出口端气体流速相同，有利于反应气体向膜电极扩散，也有利于保持气体流道内部对反应后生成的液态水的推动力，使反应气体带走气体流道内以及膜电极上的液态水，另外，凹槽将相邻气体流道的脊贯通，还可以改善因堵水造成整条气体流道或者部分气体流道欠气的问题；促进电池内部液态水的排出，但是，沿着反应气体的输送方向，脊的宽度会逐渐增大，膜电极位于脊的顶面，则在进行化学反应时，脊的顶面与膜电极接触面积增大，会增大反应气体进入膜电极的阻力，本方案中，至少在一部分脊的顶面设置凹槽，凹槽沿着气体流道的排列方向延伸，贯穿脊，可以使与设置有凹槽的脊两侧的气体流道通过该凹槽连通，凹槽设置在脊的顶面，减小脊与膜电极的接触面积，且凹槽与气体流道连通，可以增加反应气体与膜电极的接触面积，从而降低反应气体进入膜电极的阻力，提高反应气体进入膜电极的效率，且凹槽将相邻气体流道的脊贯通，可以进一步促进反应气体在不同气体流道的流量分配均衡，有利于保证整个反应区的反应均匀稳定。
10.因此，上述燃料电池双极板中，沿着反应气体的输送方向，气体流道的宽度逐渐减小，且在部分脊的顶面设置凹槽连通两侧气体流道，既可以及时排除反应生成的液态水，改善气体流道内欠气问题，还可以有效降低反应气体进入膜电极的阻力，提高不同气体流道内的流量的均衡度，有利于保证燃料电池的性能。
11.可选地，每条所述脊的顶侧均设置有所述凹槽。
12.可选地，设有所述凹槽的脊上设置有多个所述凹槽，且所述多个凹槽沿所述脊的延长方向间隔分布。
13.可选地，每相邻的两个所述凹槽之间的间距为大于等于5
㎜
且小于等于20
㎜
。
14.可选地，所述气体流道沿所述气体流道的排列方向的尺寸为所述气体流道的宽度，所述凹槽沿所述气体流道的延伸方向的尺寸为所述凹槽的宽度，所述凹槽的宽度大于等于所述气体流道的入口端的宽度的二分之一且小于等于所述气体流道的入口端的宽度。
15.可选地，沿垂直于所述反应面的方向，所述凹槽的深度大于等于所述气体流道的深度的三分之一且小于等于所述气体流道的深度。
16.可选地，沿着所述反应气体的输送方向，在所述脊的下游部位设置所述凹槽。
17.可选地，所述反应面的反应区内，所述脊用于与所述燃料电池双极板的膜电极接触的顶侧的表面积总和大于等于所述反应区的面积的55％且小于等于所述反应区的面积的65％。
18.可选地，沿所述气体流道的排列方向，所述气体流道的排列周期不变。
19.基于相同的实用新型构思，本方案还提供了一种燃料电池，包括如上述技术方案提供的任意一种燃料电池双极板。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例提供的一种燃料电池双极板的结构示意图；
21.图2为本实用新型实施例提供的一种部分气体流道和脊的结构示意图；
22.图标：1
‑
气体流道；2
‑
脊；21
‑
凹槽。
具体实施方式
23.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。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。
24.如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种燃料电池双极板，包括：单极板，单极板具有反应面，反应面具有反应区a，反应面的反应区a设有多个并排设置、且用于输送反应气体的条形气体流道1；每相邻的两个气体流道1之间形成凸起的脊2；沿着垂直于反应面的方向，气体流道1的深度不变；沿着反应气体的输送方向，气体流道1在气体流道1的排列方向上的尺寸逐渐减小；至少部分脊2的顶侧设置有凹槽21，凹槽21的延伸方向与气体流道1的排列方向平行、且贯穿脊2，以使相邻的两个气体流道1通过凹槽21连通。
25.上述燃料电池双极板中，包括有单极板，单极板具有反应面，反应面具有反应区，在反应区设置有多个并排设置的条形气体流道1，各气体流道1与反应面平行设置，气体流道1为条形凹槽结构，则每相邻的两个气体流道1之间形成凸起的条形的脊2，气体流道1用于输送反应气体，其中，燃料电池的双极板包括两个单极板，一个为阳极单极板，另一个为阴极单极板，阳极单极板上的气体流道1用于输送燃料气体，阴极单极板上的气体流道1用于输送氧化剂气体，反应气体就是该处的燃料气体和氧化剂气体；其中，对于单极板上的气体流道1，在垂直于反应面的方向，气体流道1的深度不变，沿着反应气体的输送方向，也就是反应气体在气体流道1内的流通方向，气体流道1在气体流道1的排列方向上的尺寸逐渐减小，也就是气体流道1的宽度逐渐减小，如图2所示，气体流道的入口端的宽度尺寸c1大于气体流道的出口端的宽度尺寸c2，各个气体流道1的截面积自入口到出口沿反应气体的输送方向逐渐减小，且入口端气体流道1宽度与出口端气体流道1宽度的比例关系根据气体过量系数设置，保证入口端气体流速与出口端气体流速相同，有利于反应气体向膜电极扩散，也有利于保持气体流道1内部对反应后生成的液态水的推动力，使反应气体带走气体流道1内以及膜电极上的液态水，另外，凹槽21将相邻气体流道1的脊2贯通，还可以改善因堵水造成整条气体流道1或者部分气体流道1欠气的问题；促进电池内部液态水的排出，但是，沿着反应气体的输送方向，脊2的宽度会逐渐增大，膜电极位于脊2的顶面，则在进行化学反应时，脊2的顶面与膜电极接触面积增大，会增大反应气体进入膜电极的阻力，本方案中，至少在一部分脊2的顶面设置凹槽21，凹槽21沿着气体流道1的排列方向延伸，贯穿脊2，可以使与设置有凹槽21的脊2两侧的气体流道1通过该凹槽21连通，凹槽21设置在脊2的顶面，减小脊2与膜电极的接触面积，且凹槽21与气体流道1连通，可以增加反应气体与膜电极的接触面积，从而降低反应气体进入膜电极的阻力，提高反应气体进入膜电极的效率，且凹槽21将相邻气体流道1的脊2贯通，可以进一步促进反应气体在不同气体流道1的流量分配均衡，有利于保证整个反应区的反应均匀稳定。
26.因此，上述燃料电池双极板中，沿着反应气体的输送方向，气体流道1的宽度逐渐减小，且在部分脊2的顶面设置凹槽21连通两侧气体流道1，既可以及时排除反应生成的液态水，改善气体流道1内欠气问题，还可以有效降低反应气体进入膜电极的阻力，提高不同气体流道1内的流量的均衡度，有利于保证燃料电池的性能。
27.具体地，上述燃料电池双极板中，在每条脊2的顶侧均设置有凹槽21，所有的脊2的
顶面均设置有凹槽21，也就是每相邻的两个气体流道1之间都是连通的，可以更进一步促进反应气体在不同气体流道1的流量分配均衡，提高每个气体流道1内的流量的均衡度，且每个脊2的顶面都设置有凹槽21，进一步增加反应气体接触膜电极的面积，可以进一步提高反应气体进入膜电极的效率，有利于提高燃料电池的性能。
28.具体地，上述燃料电池双极板中，在设有凹槽21的脊2上设置有多个凹槽21，且多个凹槽21沿脊2的延长方向间隔分布，且多个凹槽21中，每相邻的连个凹槽21之间的间距相同。间隔一段距离，将相邻气体流道1之间的脊2贯通，可以进一步促进反应气体在不同流道的流量分配，提高不同气体流道1内的气体流量均衡度；并且间隔一段距离，将相邻气体流道1之间的脊2贯通，可以有效防止因堵水造成整根气体流道1或者大段的部分气体流道1欠气，有利于保证反应气体进入膜电极，有利于提高燃料电池的性能。
29.具体地，上述燃料电池双极板中，每相邻的两个凹槽21之间的间距g(如图2中所示的间距g)为大于等于5
㎜
且小于等于20
㎜
。在5
㎜
～20
㎜
之间合理设置相邻凹槽21之间的间距，既可以保证气体流道1内的反应气体正常输送，又可以增加反应气体与膜电极的接触面积，提高反应气体进入膜电极的效率；具体的，相邻的两个凹槽21之间的间距可以为6
㎜
、10
㎜
、12
㎜
、或者15
㎜
，需要说明的是，相邻的两个凹槽21之间的间距可以根据实际需求进行设置，本实施例不做局限。
30.具体地，对于凹槽21的尺寸设置，如图2所示，可以称气体流道1沿气体流道1的排列方向的尺寸为气体流道1的宽度，凹槽21沿气体流道1的延伸方向的尺寸为凹槽21的宽度l，凹槽21的宽度l大于等于气体流道1的入口端的宽度c1的二分之一且小于等于气体流道1的入口端的宽度c1。以气体流道1的入口端的宽度尺寸c1为参照，设置凹槽21的宽度l，使得凹槽21的宽度不大于气体流道1入口端的宽度，不影响气体流道1内反应气体的流通主方向，且使凹槽21的宽度大于等于气体流道1入口端的宽度的一半，又可以使相邻的两气体流道1之间流通顺畅，便于排水，且使反应气体在凹槽21内与膜电极接触方便。
31.具体地，结合图1，如图2所示，沿垂直于反应面的方向，凹槽21的深度d2大于等于气体流道1的深度d1的三分之一且小于等于气体流道1的深度d1。以气体流道1的深度尺寸d1为参照，设置凹槽21的深度尺寸，使得凹槽21的深度不大于气体流道1的深度，不会造成反应气体在凹槽21内滞留的问题，便于反应气体在凹槽21内流通，且使凹槽21的深度大于等于气体流道1深度的三分之一，给凹槽21设置足够的深度开口，便于气体流通顺畅。
32.具体地，对于凹槽21在脊2上的位置分布，沿着反应气体的输送方向，可以在脊2的下游部位设置凹槽21，也就是在靠近气体流道1的出口的部位设置凹槽21，有利于液态水排放，且可以有利于保证每个气体流道1内反应气体的传输方向不受凹槽结构的影响。
33.需要说明的是，也可以在整条脊2上间隔分布设置凹槽21，凹槽21的具体位置分布可以根据实际需要进行设置，本实施不做局限。
34.具体地，上述燃料电池双极板中，在反应面的反应区内，脊2用于与燃料电池双极板的膜电极接触的顶侧的表面积总和大于等于反应区的面积的55％且小于等于反应区的面积的65％。控制脊与膜电极的接触面积在一定范围内，不会由于改变气体流道的分布而使脊与膜电极的接触面积过多，控制脊与膜电极的接触面积在反应区的占比在55％至65％之间，有利于减小反应气体进入脊上方的膜电极的阻力，同时降低了脊上方的膜电极处生成水向气体流道的排水能力，进而有利于提高电池性能。
35.具体地，沿气体流道1的排列方向，气体流道1的排列周期不变，也就是每相邻的两个气体流道1之间的间距相同，且如图2所示，每彼此相邻的气体流道1和脊2之间的宽度和是相同的，气体流道的入口一侧和气体流道出口一侧，气体流道1和脊2之间的宽度和都是相同的，如图2所示，气体流道的入口端宽度c1，气体流道的出口端宽度c2，脊在入口端的宽度r1，脊在出口端的宽度r2，其中，c1+c2＝r1+r2，气体流道1呈周期性排列，且多个气体流道1在反应区均匀分布，有利于保证燃料电池的性能。
36.基于相同的实用新型构思，本方案还提供了一种燃料电池，包括如上述实施例提供的任意一种燃料电池双极板。其中，该燃料电池的燃料电池双极板中，沿着反应气体的输送方向，气体流道1的宽度逐渐减小，且在部分脊2的顶面设置凹槽21连通两侧气体流道1，既可以及时排除反应生成的液态水，改善气体流道1内欠气问题，还可以有效降低反应气体进入膜电极的阻力，提高不同气体流道1内的流量的均衡度，有利于保证燃料电池的性能。
37.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。