双极板及燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是双极板及燃料电池。


背景技术：

2.现有的大多动力装置都通过燃烧化石燃料来输出动力，运行过程会排放大量的二氧化碳，难以满足零碳的排放要求。质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cell，pemfc)，是一种以氢气和氧气为反应介质，实现零碳排放的新型动力装置。作为动力装置，pemfc有着体积小，比功率密度高，工作温度范围广等诸多优点，正在逐渐被用于新能源汽车中。
3.在pemfc中，双极板是一个重要组成部件，负责pemfc的结构支撑、电子传导、气体分配。反应气体在双极板之中进行分配，并渗入其相邻的膜电极中发生化学反应，以输出动力。
4.在pemfc的设计中，双极板的功能至关重要。现有设计中，有部分参考了仿生学的思想。如《一种仿生流场的燃料电池双极板及其方法.cn 110085886 b》中，设计了一种仿生流场的双极板结构，参考猪笼草表面疏水结构，以进行流道内的自排水。如《一种质子交换膜燃料电池双极板仿生自输运排水流场》中，设计了一种仿生自输运排水流场，实现自发的排水效果。
5.上述专利利用仿生学原理，对燃料电池双极板的排水效果进行了改进。但对于双极板流动阻力大、双极板气体利用率低等问题，现有的仿生学技术方案并不能解决。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：提供双极板及燃料电池，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
7.本发明解决其技术问题的解决方案是：
8.一种双极板，包括：
9.气体通道，所述气体通道有若干个，所述气体通道内凸出有多个增阻结构；
10.流体通道，所述流体通道有若干个，所述流体通道与所述气体通道一一间隔排列，所述流体通道与所述气体通道平行设置，所述流体通道设有多个降阻结构，所述降阻结构设为凹坑状结构。
11.通过上述技术方案，在流体通道设计凹坑状的降阻结构，可降低双极板的流体通道中流动的冷却水的流动阻力，从而使得冷却水流速增加，可强化冷却水的冷却效果以及排水的效果；而在气体通道设计凸起，可增加气体通道中流动的反应气体的流动阻力，从而将部分气体流动轨迹导入膜电极内，增加燃料电池的反应效率；并且能减少气体通道内供反应气体原料流动的空间，可提升气体流动速度，强化对流强度。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述气体通道和所述流体通道通过分隔段进行分隔，所述分隔段倾斜设置。
13.通过上述技术方案，分隔段倾斜设置可使得气体通道和流体通道之间重叠的面积增大，更加有利于流体通道内流动的冷却水和气体通道内流动的反应气体进行热交换，从而强化冷却水的冷却效果。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述增阻结构和所述降阻结构均设置于所述分隔段。
15.作为上述技术方案的进一步改进，多个所述增阻结构均匀等距排布，多个所述降阻结构均匀等距排布。
16.通过上述技术方案，均匀等距排布的增阻结构和降阻结构可对气体通道和液体通道的不同位置的流动流体(气体或液体)分别进行阻挡和降阻。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述增阻结构规律排布于所述气体通道的两侧，位于气体通道的两侧的所述增阻结构错位排布。
18.通过上述技术方案，通过这样设置，可使得气体通道内的气体沿 s形弯曲的路径流动，可以在流道内形成环绕型的流场，气体流动的方向由直线变成曲线，流动路径变长，从而留给反应气体渗入膜电极的时间增长，反应气体可以进一步更多地加入膜电极，从而提升反应效率。
19.作为上述技术方案的进一步改进，一种燃料电池，包括多组反应结构，所述反应结构包括：
20.膜电极；
21.如上述任一项所述的双极板，所述双极板的数量设为两个，两个所述双极板分别设置于所述膜电极的两侧，两个所述双极板分别设为第一双极板和第二双极板，所述第一双极板设有第一气体流动方向，与所述第二双极板设有第二气体流动方向，所述第一气体流动方向与所述第二气体流动方向同向或反向。
22.通过上述技术方案，可强化冷却水的冷却效果以及排水的效果；可提升气体流动速度，强化对流强度，增加燃料电池的反应效率。
23.作为上述技术方案的进一步改进，所述第一气体流动方向与所述第二气体流动方向同向；沿所述第一气体流动方向，相邻的所述增阻结构的间距逐渐增大。
24.通过上述技术方案，当第一气体流动方向和第二气体流动方向相同时，在第一双极板的气体通道和第二双极板的气体通道的入口处附近，反应气体的浓度最大，从而气体通道入口处附近会生成更多的水。因此，在本实施例中，在气体通道的入口处附近设计分隔更紧密的增阻结构。
25.这样的设置，入口方向会反应剧烈，因此用更紧密的降阻结构，在该处形成更高的气体扫气速度，从而强化该处的排水效果。
26.作为上述技术方案的进一步改进，沿所述第一气体流动方向，所述增阻结构的大小逐渐减小。
27.通过上述技术方案，使得气体通道入口处的气流受到的较远离气体通道入口处的气流受到的阻力要大，与气体通道入口对应的流体通道的附近的冷却水的阻力降低，使其更多进入膜电极中参与反应，以强化反应。
28.作为上述技术方案的进一步改进，所述第一气体流动方向与所述第二气体流动方向反向；自所述气体通道的一端至所述气体通道的中部，相邻的所述增阻结构的间距逐渐
增大。
29.通过上述技术方案，中间位置属于交汇处，反应的激烈程度更高，在中间位置设计更紧密的增阻结构和降阻结构，可以强化该处的反应效率，并提升该处排水效果。
30.作为上述技术方案的进一步改进，自所述气体通道的一端至所述气体通道的中部，所述增阻结构的大小逐渐增大。
31.通过上述技术方案，在中部设计更大的增阻结构，可以强化该处的反应。
32.本发明的有益效果是：可强化冷却水的冷却效果以及排水的效果；可提升气体流动速度，强化对流强度，增加燃料电池的反应效率。
33.本发明用于燃料电池技术领域。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
35.图1是本发明实施例一的整体结构示意图；
36.图2是本发明实施例一的剖视结构示意图；
37.图3是本发明实施例二的爆炸结构示意图；
38.图4是本发明实施例三的爆炸结构示意图；
39.图5是本发明实施例四的爆炸结构示意图；
40.图6是本发明实施例五的爆炸结构示意图；
41.图7是本发明实施例六的爆炸结构示意图。
42.图中，100、反应结构；200、膜电极；300、双极板；310、连接段；320、分隔段；321、冲压结构；330、气体通道；331、阴极通道；332、阳极通道；340、流体通道；350、增阻结构；360、降阻结构。
具体实施方式
43.以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
44.实施例一：
45.参照图1和图2，一种燃料电池。燃料电池包括多组反应结构100，多组反应结构100沿直线排布并紧密连接。
46.反应结构100包括双极板300和膜电极200。双极板300的数量设有两个，两个双极板300分别设置于膜电极200两侧，并且两个双极板300均与膜电极200固定连接。其中一个
双极板300设为第一双极板300、另一个双极板300设为第二双极板300。相邻的两个反应结构100的两个双极板300固定连接。
47.双极板300通过一平板冲压形成(在其他实施例中也可采用其他常规的工艺制成结构相同的双极板300)。双极板300包括多段连接段310和分隔段320，分隔段320设置于相邻的两段分隔段320之间，分隔段320倾斜设置，分隔段320使得双极板300形成有气体通道 330和流体通道340，气体通道330和流体通道340均呈梯形状通道，分隔段320倾斜设置可使得气体通道330和流体通道340之间重叠的面积增大，更加有利于流体通道340内流动的冷却水和气体通道330 内流动的反应气体进行热交换，从而强化冷却水的冷却效果。
48.分隔段320设有冲压结构321，冲压结构321通过冲压形成。冲压结构321呈半球壳状结构，冲压结构321的两侧分别形成有增阻结构350和降阻结构360(直接使用冲压结构321形成增阻结构350和降阻结构360，使得双极板300的加工步骤减少，无需单独对增阻结构350和降阻结构360进行分别单独加工，可缩短双极板300的加工时间)，增阻结构350向气体通道330凸出，降阻结构360为凹坑状结构，降阻结构360与流体通道340相连通。降阻结构360参考蜣螂、鱼类等表面凹坑形态，通过仿生设计，在流体通道340设计凹坑状的降阻结构360，可降低双极板300的流体通道340中流动的冷却水的流动阻力，从而使得冷却水流速增加，可强化冷却水的冷却效果。而在气体通道330设计凸起，可增加气体通道330中流动的反应气体的流动阻力，从而将部分气体流动轨迹导入膜电极200内，增加燃料电池的反应效率；并且能减少气体通道330内供反应气体原料流动的空间，可提升气体流动速度，强化对流强度。
49.第一双极板300的气体通道330设为阴极通道331，阴极通道331 设有第一气体流动方向。第二双极板300的气体通道330设为阳极通道332，阳极通道332设有第二气体流动方向。在燃料电池工作时，阴极气体进入阴极通道331并在阴极通道331中流动，阳极气体进入阳极通道332并在阳极通道332中流动，阳极气体和阴极气体在流动过程中会渗入膜电极200中，发生化学反应。在反应过程中所产生的热量，则通过在流体通道340中流动的冷却水带走。
50.与传统的技术方案对比，流体通道340的降阻结构360可以降低冷却水的流动摩擦阻力，提升冷却水的流动速度，增加换热量，可以提升冷却系统的散热性能。阳极通道332和阴极通道331的增阻结构 350，会使得阳极通道332和阴极通道331内流动的反应气体流动受阻，受阻的反应气体，会更多地流动到膜电极200中，使得膜电极 200中的化学反应增强，从而提升反应效率。同时，增阻结构350导致反应气体的流动空间减少，相同气体流量下，气体的流动会增加，从而扫气效果增强，可以强化燃料电池的排水效果。
51.本实施例的降阻结构360和增阻结构350分别沿气体通道330和流体通道340等距均匀排布，并且降阻结构360和增阻结构350的大小保持不变。
52.实施例二：
53.参照图3，本实施例中，双极板300和膜电极200的安装位置与第一实施例中相同，即位于两个双极板300分别位于膜电极200的两侧(后续实施例中的双极板300和膜电极200的安装位置与第一实施例中相同，后续实施例不再赘述)。
54.增阻结构350的分布规律发生变化，位于同一气体通道330的两侧的增阻结构350错位排布，通过这样设置，可使得气体通道330内的气体沿s形弯曲的路径流动，可以在流道
内形成环绕型的流场，气体流动的方向由直线变成曲线，流动路径变长，从而留给反应气体渗入膜电极200的时间增长，反应气体可以进一步更多地加入膜电极 200，从而提升反应效率。
55.并且阳极通道332和阴极通道331的增阻结构350的排布不同，阳极通道332和阴极通道331的增阻结构350同样错位排布，阴极通道331内流动的阴极气体和阳极通道332内流动的阳极气体可以呈现一种交叉型流场(阴极气体的流动路径和阳极气体的流动路径在膜电极200的同一端面上的投影交叉)，从而强化反应。
56.实施例三：
57.参照图4，本实施例的双极板300的具体结构依照阳极气体的阴极气体的流动方向相同为前提进行设计，本实施例相对于实施例一，改变了增阻结构350的分布规律。当阴极气体的流动方向(第一气体流动方向)和阳极气体的流动方向(第二气体流动方向)相同时，在阴极通道331和阳极通道332的入口处附近，反应气体的浓度最大，从而气体通道330入口处附近会生成更多的水。因此，在本实施例中，在气体通道330的入口处附近设计分隔更紧密的增阻结构350，并在液体通道对应的位置具有降阻结构360。并且沿第一气体流动方向，相邻的两个增阻结构350的间距逐渐增大，降阻结构360与增阻结构 350一一对应。
58.这样的设置，一方面，由于入口方向反应剧烈，产生热量更大，因此用更紧密的降阻结构360，可以极大地提升冷却水的流动速度，从而强化局部的换热效果；另一方面，入口方向会反应剧烈，在膜电极200对应的该处也会生成大量的水，因此用更紧密的降阻结构360，在该处形成更高的气体扫气速度，从而强化该处的排水效果。
59.实施例四：
60.参照图5，本实施例参考实施例三进行设计，本实施例与实施例三的不同之处在于，本实施例的降阻结构360和增阻结构350呈规律性变化，具体的，在气体通道330入口处的附近区域，降阻结构360 和增阻结构350的大小更大，沿第一气体流动方向，降阻结构360和增阻结构350的大小逐渐减小，使得气体通道330入口处的气流受到的较远离气体通道330入口处的气流受到的阻力要大，与气体通道 330入口对应的流体通道340的附近的冷却水的阻力降低，使其更多进入膜电极200中参与反应，强化反应的同时也可以强化排水。
61.实施例五：
62.参照图6，在本实施例中，本实施例的双极板300的具体结构依照阳极气体的阴极气体的流动方向反向为前提进行设计。当阴极气体的流动方向(第一气体流动方向)和阳极气体的流动方向(第二气体流动方向)相反时，中间位置属于交汇处，反应的激烈程度更高，生成的水更多。因此，在本实施例中，在气体通道330的中部设计分隔更紧密的增阻结构350，并在液体通道对应的位置具有降阻结构360。并且自气体通道330的端部至气体通道330的中部，相邻的两个增阻结构350的间距逐渐减小，降阻结构360与增阻结构350一一对应。
63.在中间位置设计更紧密的增阻结构350和降阻结构360，可以强化该处的反应效率，并提升该处排水效果。
64.实施例六：
65.参照图7，本实施例基于实施例五的方案进行改进，本实施例的增阻结构350和降阻结构360改进思路参照实施例四，即在反应更为激烈处设置更大的增阻结构350和降阻结
构360，即自气体通道330 的端部至气体通道330的中部，增阻结构350逐渐增大，对应的降阻结构360也与增阻结构350一同增大。在中部设计更大的增阻结构 350和降阻结构360，可以强化该处的反应，并增加排水效果。
66.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。