双极板以及燃料电池的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池制造领域，更具体地，涉及一种用于燃料电池的双极板以及使用该双极板的燃料电池。


背景技术：

2.由于具有节约能源和保护生态环境等诸多优点，燃料电池成为极具发展前途的发电技术，其被广泛应用于诸如电动汽车之类的交通工具中。然而，燃料电池在进行供电时会产生大量的热量，对于该部分热量若不及时进行散失会影响燃料电池的运行。因此，燃料电池的有效冷却对于实现高温运行和更长的寿命至关重要。燃料电池往往通过流过其冷却剂通道的冷却剂来进行散热。然而，冷却剂通道为被动式设计，需要在燃料气体流道和氧化剂气体通道设计完成之后确定。在现有的设计中，燃料气体通道和氧化剂气体通道的低压降和良好分布与冷却剂通道的低压降和良好分布往往难以兼顾，因此现有的燃料电池通常存在因冷却剂不足而导致中心区域下游温度升高从而影响燃料电池性能的问题。
3.因此，在本领域中，亟需一种能够兼顾燃料气体通道和氧化剂气体通道的低压降和良好分布以及冷却剂通道的低压降和良好分布的燃料电池。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型提出了一种双极板，其用于燃料电池，并且包括一对单极板，其中，每个单极板具有相对的内表面和外表面，所述内表面上形成有反应气体流场，所述反应气体流场包括并排布置的多个沟槽，所述外表面上形成有与所述多个沟槽相对应的多个肋条以及限定在所述多个肋条之间的多个冷却剂通道，其中，每个肋条沿着波浪形的路径延伸，所述一对单极板之一的每个肋条抵靠另一个单极板的一个相应的肋条，并且每个肋条的波峰和波谷分别相对于相应的肋条的波峰和波谷偏移，以便形成将所述一对单极板的各个冷却剂通道相连通的多个连通口，所述多个冷却剂通道(即，所述一对单极板的各个冷却剂通道)和所述多个连通口在所述一对单极板之间形成冷却剂流场。
5.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，每个肋条与相应的肋条具有相同的周期和振幅。
6.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，每个肋条的波峰和波谷分别对准相应的肋条的波谷和波峰。
7.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，每个单极板的每个肋条具有相同的振幅和周期。
8.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，所述反应气体流场沿着第一方向流通，所述冷却剂流场沿着第二方向流通，所述第二方向横向于所述第一方向。
9.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，每个肋条沿着正弦形的路径延伸。
10.同样为了解决上述现有技术中的问题，本实用新型还提出了一种燃料电池，其包
括容纳冷却剂的壳体以及设置在所述壳体中的电堆，其中，所述电堆包括多个膜电极组件以及多个如前文所述的双极板，所述膜电极组件和所述双极板以交替的方式堆叠在一起。
11.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，每个双极板的每个单极板的反应气体流场被密封在所述电堆中，并且每个双极板的冷却剂流场与所述电堆的外部连通。
12.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，所述电堆被沉浸在所述冷却剂中。
13.根据本实用新型的一种可选实施方式，其中，所述壳体在沿着对角线分开的两个拐角处分别设有冷却剂入口和冷却剂出口。
14.本实用新型可以体现为附图中的示意性的实施例。然而，应注意的是，附图仅仅是示意性的，任何在本实用新型的教导下所设想到的变化都应被视为包括在本实用新型的范围内。
附图说明
15.附图示出了本实用新型的示例性实施例。这些附图不应被解释为必然地限制本实用新型的范围，其中：
16.图1是根据本实用新型的燃料电池的示意性透视图；
17.图2是根据本实用新型的燃料电池的电堆的示意性分解图；
18.图3是根据本实用新型的双极板的示意性侧视图及其沿着线iii-iii截取的示意性截面图；
19.图4是根据本实用新型的双极板的阳极板的示意性侧视图；以及
20.图5是根据本实用新型的双极板的阴极板的示意性侧视图。
具体实施方式
21.本实用新型的进一步的特征和优点将从以下参考附图进行的描述中变得更加明显。附图中示出了本实用新型的示例性实施例，并且各个附图并不必然地按照实际比例绘制。然而，本实用新型可以实现为许多不同的形式并且不应解释为必然地限制于这里示出公开的示例性实施例。相反，这些示例性实施例仅仅被提供用于说明本实用新型以及向本领域的技术人员传递本实用新型的精神和实质。
22.本实用新型旨在提出一种改进的用于诸如质子交换膜(pem)燃料电池的双极板(bpp)以及包括该双极板的燃料电池。特别地，该双极板的阴极气体流场、阳极气体流场(可以统称为气体流场或反应气体流场)和冷却剂流场具有新颖的设计，因此使得燃料电池的散热性能得以改善，并由此使得燃料电池能够在更高的负荷下运转并且具有延长的使用寿命。
23.下面参考各个附图详细描述根据本实用新型的双极板以及燃料电池的可选但非限制性的实施方式。
24.参考图1，其中示出了根据本实用新型的燃料电池的示意性透视图。如图1所示，燃料电池100包括壳体110以及设置在壳体110中的电堆120，其中，壳体110容纳冷却剂，电堆120以沉浸在冷却剂中的方式设置在壳体110中。特别地，壳体110在沿着对角线分开的两个拐角处分别设有冷却剂入口111以及冷却剂出口112。在该配置下，可以在燃料电池100的外部设置冷却剂泵以及散热器等部件，从而形成将燃料电池100、冷却剂泵、散热器等部件串
联起来的散热线路，在启动冷却剂泵以及散热器之后，可以使冷却剂在燃料电池100以及散热器之间循环流动，从而利用冷却剂吸收电堆120在运转期间产生的热量，以帮助电堆120散热。当然，也可以在散热线路上设置与散热器并联的加热器，以便在冬季启动期间，利用冷却剂泵和加热器对冷却剂进行加热，并通过冷却剂对电堆120进行预热，这有利于电堆120的冷启动。
25.参考图2，其中示出了根据本实用新型的燃料电池的电堆的示意性分解图。如图2所示，电堆120包括堆叠在一起的多个单电池121，其中，每个单电池121包括膜电极组件(mea)121m以及位于膜电极组件121m两侧的阳极板121a和阴极板121c，阳极板121a可以将来自阳极气体源的阳极气体(例如，氢气)输送至膜电极组件121m，而阴极板121c可以将来自阴极气体源的阴极气体(例如，氧气)输送至膜电极组件121m，膜电极组件121m提供了供阳极气体和阴极气体发生电化学反应的区域(下文中称为活性区域)。特别地，每个单电池121的阳极板121a和阴极板121c都与相邻的单电池121的阴极板121c和阳极板121a形成了双极板121p，其中阳极板121a和阴极板121c可以统称为单极板。因此，电堆120也可以被认为是由按照交替的方式堆叠在一起的多个双极板121p和多个膜电极组件121m形成。举例来说，在制造过程中，首先布置位于最外侧的阳极板和阴极板，然后以交替的方式在该阳极板和阴极板之间布置双极板121p和膜电极组件121m，最后通过将这些部件堆叠在一起来形成电堆120，因此，双极板121p可以作为相邻单电池121的连接部件，从而起到连接相邻单电池121以形成完整电堆120的作用，并且双极板121p还可以收集并传输由阳极气体和阴极气体的电化学反应产生的电流。
26.参考图3-图5，其中分别示出了根据本实用新型的双极板以及构成该双极板的阳极板和阴极板的示意性侧视图。如图3以及其中的iii-iii截面图所示，双极板121p大致可以划分为以下几个区域，即，公共管道区域10、分配区域20以及流场区域30，其中，该公共管道区域10与进气管道和排气管道相连通以便接收来自气体源的未经过电化学反应的气体并排出已经经过电化学反应的气体，该分配区域20用于将公共管道区域10与流场区域30相连通，并且该流场区域30与膜电极组件121m的活性区域相对应，以便向膜电极组件121m的活性区域提供供其进行电化学反应的阴极气体和阳极气体。特别地，如图3所示，在流场区域30的两侧各设有一个公共管道区域10和一个分配区域20。
27.如图4所示，阳极板121a具有形成在公共管道区域10中的阳极气体入口11和阳极气体出口12，该阳极气体入口11和阳极气体出口12被定位在流场区域30的两侧，并且延伸穿过阳极板121a。阳极板121a还具有形成在流场区域30中的阳极气体流场，其中，该阳极气体流场通过形成在分配区域20中的分配管21与阳极气体入口11和阳极气体出口12相连通。在该配置下，来自阳极气体入口11的阳极气体将通过位于阳极气体流场上游的分配管21输送至阳极气体流场，随着在阳极气体流场中的流动，阳极气体将在膜电极组件121m的活性区域中参加电化学反应，然后，经过电化学反应的阳极气体将通过位于阳极气体流场下游的分配管21从阳极气体流场输送至阳极气体出口12。特别地，阳极板121a具有旨在面向相应的膜电极组件121m的阳极板内表面121a’以及与该阳极板内表面121a’相对的阳极板外表面121a”，在图4所示的方位中，该阳极板内表面121a’面向读者，而该阳极板外表面121a”背对读者，其中，分配管21和阳极气体流场都被形成在该阳极板内表面121a’上。如图3中的iii-iii横截面以及图4中的阴影部分所示，阳极气体流场由从阳极板内表面121a’凹入的
多个阳极板沟槽31构成，其中每个阳极板沟槽31沿着第一方向x从相应的上游分配管21延伸到相应的下游分配管21，以便通过相应的分配管21与阳极气体入口11和阳极气体出口12相连通，并且多个阳极板沟槽31沿着横向于(例如，垂直于)第一方向x的第二方向y彼此间隔开，而在阳极板外表面121a”上则形成了与多个阳极板沟槽31相对应的从阳极板外表面121a”突出的多个阳极板肋条31’。在制造过程中，可以通过对阳极板121a的阳极板内表面121a’进行冲压来形成上述阳极板沟槽31和阳极板肋条31’。同多个阳极板沟槽31一样，在阳极板外表面121a”上，多个阳极板肋条31’也沿着第二方向y彼此间隔开，由此在相邻的阳极板肋条31’之间限定了阳极板冷却剂通道32。特别地，每个阳极板沟槽31和每个阳极板肋条31’在第一方向x上沿着波浪形(例如，正弦形)的路径从位于其上游的分配区域20延伸至位于其下游的分配区域20。
28.阴极板121c与阳极板121a具有相似的构造。如图5所示，阴极板121c具有形成在公共管道区域10中的阴极气体入口13和阴极气体出口14，该阴极气体入口13和阴极气体出口14被定位在流场区域30的两侧，并且延伸穿过阴极板121c。阴极板121c还具有形成在流场区域30中的阴极气体流场，其中，该阴极气体流场通过形成在分配区域20中的分配管21与阴极气体入口13和阴极气体出口14相连通。在该配置下，来自阴极气体入口13的阴极气体将通过位于阴极气体流场上游的分配管21输送至阴极气体流场，随着在阴极气体流场中的流动，阴极气体将在膜电极组件121m的活性区域中参加电化学反应，然后，经过电化学反应的阴极气体将通过位于阴极气体流场下游的分配管21从阴极气体流场输送至阴极气体出口14。特别地，阴极板121c具有旨在面向相应的膜电极组件121m的阴极板内表面121c’以及与该阴极板内表面121c’相对的阴极板外表面121c”，在图5所示的方位中，该阴极板内表面121c’面向读者，而该阴极板外表面121c”背对读者，其中，分配管21和阴极气体流场都被形成在该阴极板内表面121c’上。如图3中的iii-iii横截面以及图5中的阴影部分所示，阴极气体流场由从阴极板内表面121c’凹入的多个阴极板沟槽33构成，其中每个阴极板沟槽33沿着第一方向x从相应的上游分配管21延伸到相应的下游分配管21，以便通过相应的分配管21与阴极气体入口13和阴极气体出口14相连通，并且多个阴极板沟槽33沿着横向于第一方向x的第二方向y彼此间隔开，而在阴极板外表面121c”上则形成了与多个阴极板沟槽33相对应的从阴极板外表面121c”突出的多个阴极板肋条33’。在制造过程中，可以通过对阴极板121c的阴极板内表面121c’进行冲压来形成上述阴极板沟槽33和阴极板肋条33’。同多个阴极板沟槽33一样，在阴极板外表面121c”上，多个阴极板肋条33’也沿着第二方向y彼此间隔开，由此在相邻的阴极板肋条33’之间限定了阴极板冷却剂通道34。特别地，每个阴极板沟槽33和每个阴极板肋条33’也在第一方向x上沿着波浪形(例如，正弦形)的路径从位于其上游的分配区域20延伸至位于其下游的分配区域20。
29.如图3以及其中的iii-iii截面图所示，双极板121p由结合在一起的阳极板121a和阴极板121c构成，其中，阳极板121a的阳极板内表面121a’与阴极板121c的阴极板内表面121c’背对彼此，并且阳极板121a的阳极板外表面121a”与阴极板121c的阴极板外表面121c”面向彼此，在图3中所示的方位下，阳极板121a的阳极板内表面121a’面向读者，而阴极板121c的阴极板内表面121c’背对读者。另外，阳极板外表面121a”上的多个阳极板肋条31’中的每一个抵靠阴极板外表面121c”上的多个阴极板肋条33’中的每一个，也就是说，每个阳极板肋条31’都抵靠一个相应的阴极板肋条33’，在该配置下，多个阳极板肋条31’和多
个阴极板肋条33’将阳极板外表面121a”与阴极板外表面121c”彼此间隔开。特别地，每个阳极板肋条31’的波峰(或波谷)与相应的阴极板肋条33’的波峰(或波谷)沿着第一方向x彼此错开。在该配置下，形成了以矩阵形式分布的多个连通口35，具体地，每个阳极板肋条31’与相应的阴极板肋条33’形成了沿着第一方向x排列的一排连通口35，而多个阳极板肋条31’与多个阴极板肋条33’则形成了沿着第二方向y排列的多排连通口35，其中，每个连通口35都将与其相邻的阳极板冷却剂通道32和阴极板冷却剂通道34彼此连通，在该配置下，每个阳极板冷却剂通道32都通过一排连通口35与一个阴极板冷却剂通道34连通，并且在第二方向y上位于两端处的阳极板冷却剂通道32和阴极板冷却剂通道34还通过一排连通口35与外部连通。由于双极板121p的公共管道区域10往往是相对于外部密封的，因此在双极板121p的流场区域30，更具体地在阳极板121a的阳极板外表面121a”与阴极板121c的阴极板外表面121c”之间形成了沿着第二方向y延伸的冷却剂流场，由于多排连通口35的存在，该冷却剂流场不仅能够在第二方向y上保持畅通，而且能够具有较大的通流截面。在该配置下，阳极气体和阴极气体将大体沿着第一方向x流动通过阳极气体流场和阴极气体流场，而冷却剂将大体沿着横向于第一方向x的第二方向y(如iii-iii截面图中的虚线所示)流动通过冷却剂流场，因此，不论是阳极气体通道、阴极气体通道还是冷却剂通道都可以呈现低压降和良好分布，这使得阳极气体和阴极气体能够顺畅地流动通过流场区域，以便确保高效的电化学反应，而且冷却剂能够顺畅地流动通过流场区域，以便确保高效的散热，由此可以确保燃料电池能够高效地运转并具有延长的使用寿命。
30.特别地，每个阳极板肋条31’具有相同的振幅和周期，并且每个阴极板肋条33’具有相同的振幅和周期。在该配置下，沿着第二方向y定位的竖列上的每个连通口35是相同的，这有助于确保冷却剂在冷却剂流场中流动的一致性，并因此改善了冷却剂在冷却剂流场中与阳极板和阴极板的热交换的一致性，从而可靠地避免了局部热点的产生。
31.特别地，每个阳极板肋条31’与相应的阴极板肋条33’具有相同的振幅和周期。在该配置下，同一阳极板肋条31’与相应的阴极板肋条33’所形成的每个连通口35、即沿着第一方向x定位的横列上的每个连通口35是相同的，这同样有助于确保冷却剂在冷却剂流场中流动的一致性，并因此改善了冷却剂在冷却剂流场中与阳极板和阴极板的热交换的一致性，从而可靠地避免了局部热点的产生。
32.当然，如果将上述两个特征结合以使得所有阳极板肋条31’和阴极板肋条33’都具有相同的振幅和周期，那么所形成的所有连通口35都是相同的，这更进一步地改善了冷却剂在冷却剂流场中与阳极板和阴极板的热交换的一致性，从而更加可靠地避免了局部热点的产生。
33.特别地，每个阳极板肋条31’的波峰和波谷与相应的阴极板肋条33’的波谷和波峰分别沿着第二方向y对准。在该配置下，可以形成更大的连通口35，以使得冷却剂能够更加顺畅地流动通过冷却剂流场，而这进一步改善了散热性能。
34.特别地，每个阳极板肋条31’和每个阴极板肋条33’都沿着正弦形的路径延伸。在该配置下，阳极气体和阴极气体可以更加顺畅地在与阳极板肋条31’和阴极板肋条33’相对应的阳极板沟槽31和阴极板沟槽33中流动，以便确保电化学反应的顺利进行。当然，本领域技术人员可以理解的是，阳极板肋条31’和阴极板肋条33’也可以沿着诸如锯齿形之类的其他波浪形形状的路径延伸，而这显然也落在本实用新型的保护范围之中。
35.回到图1和图2，在利用具有上述配置的双极板121p组装而成的电堆120中，各个双极板121p的阳极板121a上的阳极气体流场和阴极板121c上的阴极气体流场都被密封在相应的单电池121中，而位于阳极板121a与阴极板121c之间的冷却剂流场则对外敞开。在该配置下，电堆120可以被沉浸在壳体110中的冷却剂中，并且在启动冷却剂泵之后，冷却剂将流动通过每个双极板121p中的冷却剂流场，从而高效地为各个单电池121进行散热。
36.以上借助于附图详细描述了根据本实用新型的双极板以及燃料电池的可选但非限制性的实施例。对于本领域内的那些普通技术人员来说，在不偏离本公开的精神和实质的情况下，对技术和结构的修改和补充以及对各实施例中的特征的重新组合显然都应视为包括在本实用新型的范围内。因此，在本实用新型的教导下所能够设想到的这些修改和补充都应被视为本实用新型的一部分。本实用新型的范围包括在本实用新型的申请日时已知的等效技术和尚未预见的等效技术。