一种燃料电池电极板、燃料电池单体及燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池电极板、燃料电池单体及燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电催化反应直接转化成电能的清洁发电技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点。双极板是燃料电池的核心部件之一，占整个电池重量的70％
‑
80％和成本的45％以上。同时，双极板在燃料电池中扮演许多角色，具有燃料分配、串联电池堆内各单体电池、收集电流和支撑膜电极等作用。双极板包括由石墨材料制成的石墨双极板、以及由金属材料诸如不锈钢制成的金属双极板。
3.质子交换膜燃料电池是新能源汽车主要技术路线之一，燃料电池双极板是燃料电池的关键部件，主要是阳极流场板和阴极流场板夹持膜电极(mea)得到燃料电池单体结构。阳极板和阴极板组合在一起成为双极板。双极板为燃料电池提供燃料和氧化剂，反应生成电，同时将反应生成的水排出，产生的热量导出。
4.双极板流场结构中包括气体输送的通道和与膜电极接触的支撑脊部，反应气体向膜电极中的气体扩散层和催化层渗透和扩散，但是双极板支撑的脊部由于受到两侧的压力，脊部表面与膜电极接触部位下气体扩散层压实程度较高，气体渗透和扩散困难，反应产生的水容易积存不易排出，影响燃料电池的性能。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对双极板流场结构燃料电池气体渗透和扩散困难的问题，提供一种燃料电池电极板、燃料电池单体及燃料电池。
6.根据本技术的一个方面，提供一种燃料电池电极板，所述燃料电池电极板包括：
7.底板；及
8.多个支撑脊部，多个所述支撑脊部间隔设置于所述底板的同一侧，相邻所述支撑脊部形成气体流道，且所述支撑脊部间隔开设有多个通气槽，多个所述通气槽贯通所述支撑脊部的上表面与至少一个侧壁。
9.如此，氢气和氧气(或空气)分别通过燃料电池电极板的位于支撑脊部的通气槽向膜电极的气体扩散层内的气体传输，提高了氢气和氧气(或空气)向膜电极的气体扩散层内的气体传输效率，且氢气和氧气(或空气)反应产生的水可沿通气槽流至气体流道内，并由气流吹出，从而提高了燃料电池的性能。
10.作为上述技术方案的进一步改进：
11.在其中一个实施例中，所述通气槽的开槽方向与气体在所述气体流道中的流向呈小于90度的夹角。
12.如此，便于沿气体流道流动的气体进入通气槽。
13.在其中一个实施例中，所述支撑脊部的两侧均开设有所述通气槽，每侧的所述通气槽贯通所述支撑脊部的一个侧壁与上表面，且位于同一所述支撑脊部两侧的所述通气槽相互独立。
14.如此，在支撑脊部的两侧均开设有通气槽，便于支撑脊部两侧的气体流道中的气体均可以进入同一支撑脊部的通气槽，提高了单位时间内进入通气槽内的气体的量，从而进一步增强了气体向膜电极的气体扩散层内的气体传输和扩散效率。
15.在其中一个实施例中，所述通气槽的垂直于气体在所述气体流道中的流向上的距离小于所述支撑脊部的宽度的二分之一。
16.如此，即使位于同一支撑脊部两侧的通气槽相对设置，位于同一支撑脊部两侧的通气槽也不会相互连通。
17.在其中一个实施例中，所述通气槽的高度小于或等于所述支撑脊部的高度的二分之一。
18.上述只是本发明的优选技术方案。
19.在其中一个实施例中，相邻所述通气槽的距离小于所述支撑脊部的宽度与所述气体流道的宽度之和。
20.在其中一个实施例中，所述底板的沿所述支撑脊部延伸方向的两侧设有密封连接部，两所述燃料电池电极板形成一燃料电池单体时，两所述燃料电池电极板通过所述密封连接部密封连接。
21.如此，当两燃料电池电极板夹持于膜电极形成一燃料电池单体时，两燃料电池电极板通过沿所述支撑脊部延伸方向两侧的密封连接部相互配合，以使燃料电池单体沿所述支撑脊部延伸方向的两侧密封，避免气体从燃料电池单体沿所述支撑脊部延伸方向的两侧泄漏。
22.在其中一个实施例中，两所述燃料电池电极板中一者的所述密封连接部包括凸起，另一者包括凹槽，两所述燃料电池电极板通过所述凸起与所述凹槽密封连接。
23.上述只是本发明的优选技术方案。
24.根据本技术的另一个方面，提供一种燃料电池单体，包括：
25.两上述的燃料电池电极板；及
26.膜电极，两所述燃料电池电极板夹持于所述膜电极。
27.根据本技术的再一个方面，提供一种燃料电池，包括多个上述的燃料电池单体，且多个所述燃料电池单体相互串联。
28.上述燃料电池电极板包括底板及多个支撑脊部，多个支撑脊部间隔设置于底板的同一侧，相邻支撑脊部形成气体流道，且支撑脊部间隔开设有多个通气槽，多个通气槽贯通支撑脊部的上表面与至少一个侧壁。上述燃料电池单体包括两上述的燃料电池电极板及膜电极，两燃料电池电极板夹持于膜电极。上述燃料电池包括多个上述的燃料电池单体，且多个燃料电池单体相互串联。氢气和氧气(或空气)分别从两燃料电池电极板的气体流道的一端流进，氢气和氧气(或空气)分别通过燃料电池电极板的位于支撑脊部的通气槽向膜电极的气体扩散层内的气体传输，相较于现有的没有开设通气槽的支撑脊部，本发明提供的燃料电池电极板提高了氢气和氧气(或空气)向膜电极的气体扩散层内的气体传输效率，且氢气和氧气(或空气)反应产生的水可沿通气槽流至气体流道内，并由气流吹出，从而提高了
燃料电池的性能。
附图说明
29.图1为本发明一实施例提供的燃料电池电极板的结构示意图；
30.图2为本发明一实施例提供的燃料电池电极板的俯视图；
31.图3为图2中的a
‑
a截面的剖视图；
32.图4为本发明一实施例提供的燃料电池单体的结构示意图。
33.附图标记：
34.100、燃料电池电极板；110、底板；120、支撑脊部；121、上表面；122、侧壁；123、通气槽；130、气体流道；140、密封连接部；200、膜电极；300、燃料电池单体。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。
41.参阅图1，图1示出了本发明一实施例提供的燃料电池电极板的结构示意图，本发明一实施例提供了的燃料电池，以降低双极板流场结构燃料电池气体向膜电极200的气体扩散层内的渗透和扩散难度，从而提高双极板流场结构燃料电池气体渗透和扩散效率，从而提高了燃料电池的性能。
42.正如背景技术中所述，现有的双极板流场结构中包括气体输送的通道和与膜电极接触的支撑脊部，反应气体向膜电极中的气体扩散层和催化层渗透和扩散，但是双极板支撑的脊部由于受到两侧的压力，脊部表面与膜电极接触部位下气体扩散层压实程度较高，气体渗透和扩散困难，反应产生的水容易积存不易排出，影响燃料电池的性能。
43.为了解决上述问题，本实施例提供一种燃料电池，其包括多个燃料电池单体300。其中，多个燃料电池单体300相互串联，且多个燃料电池单体300相互间隙层叠放置，相连两燃料电池单体300之间形成冷却流场。由于该燃料电池在放电过程中会产生热量，在燃料电池单体300之间设置冷却流场，便于对燃料电池单体300进行散热，避免燃料电池单体300温度过高而影响燃料电池的放电效率和安全性能。
44.具体地，请参阅图4，图4示出了本发明实施例提供的燃料电池单体的结构示意图，燃料电池单体300包括两块燃料电池电极板100及膜电极200，两块燃料电池电极板100分别为该燃料电池单体300的阳极板和阴极板。其中，膜电极200的一表面贴合于阳极板，膜电极200的另一表面贴合于阴极板，阳极板用于向燃料电池单体300提供氢气，阴极板用于向燃料电池单体300提供氧气，氢气与氧气分别向膜电极200扩散，且通过膜电极200的质子交换膜进行质子交换，发生电反应，产生水并放出能量。
45.在本实施例提供的燃料电池单体300中，阳极板用于向燃料电池单体300提供氢气，阴极板用于向燃料电池单体300提供氧气。当然，可以理解的是，阳极板还可用于向燃料电池单体300提供其它燃料，阴极板还可以用于向燃料电池单体300提供其它含氧气的气体，例如，空气。阳极板用于向燃料电池单体300提供氢气，阴极板用于向燃料电池单体300提供氧气。上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
46.上述的燃料电池单体300，进一步地，请参阅图1、图2以及图3，图1示出了本发明一实施例提供的燃料电池电极板的结构示意图，图2示出了本发明一实施例提供的燃料电池电极板的俯视图，图3为图2中的a
‑
a截面的剖视图。
47.燃料电池电极板100包括底板110和多个支撑脊部120，多个支撑脊部120间隔设置于底板110的同一侧，膜电极200与多个支撑脊部120的上表面相接触，相邻支撑脊部120形成气体流道130，且支撑脊部120间隔开设有多个通气槽123，多个通气槽123贯通支撑脊部120的上表面121与至少一个侧壁122。氢气或氧气从多个支撑脊部120之间的气体流道130的一端流入燃料电池电极板100，氢气或氧气沿气体流道130流入位于支撑脊部120上的通气槽123。由于膜电极200与多个支撑脊部120的上表面相接触，且通气槽123贯通支撑脊部120的上表面121与至少一个侧壁122，进入通气槽123内部的氢气或氧气从支撑脊部120的上侧直接向膜电极200渗透和扩散。
48.在本实施例提供的燃料电池电极板100中，底板110为长方形板状结构，支撑脊部120为长方体柱状结构，多个支撑脊部120以固定间隔均匀设置于底板110的同一侧，因此，相邻支撑脊部120形成气体流道130为直流道。当然，可以理解的是，底板110还可以为其它
结构，例如，正方形板状结构等；支撑脊部120还可以其它结构，例如，横截面为长方形，延伸方向为曲线的立体结构等，相应的，相邻支撑脊部120形成气体流道130为曲流道。底板110为长方形板状结构，支撑脊部120为长方体柱状结构，多个支撑脊部120以固定间隔均匀设置于底板110的同一侧，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
49.上述的燃料电池电极板100，进一步地，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈小于90度的夹角。由于氢气或氧气从气体流道130的一端流入气体流道130，且沿气体流道130进入通气槽123，因此，将通气槽123的开槽方向设计为与气体在气体流道130中的流向呈小于90度的夹角α，便于氢气或氧气在沿气体流道130进入通气槽123。
50.优选的，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈30
°‑
60
°
的夹角α，在本实施例提供的燃料电池电极板100中，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈45
°
的夹角α。当氢气或氧气从气体流道130的一端流入气体流道130，并在支撑脊部120的通气槽123处，沿通气槽123的开槽方向进入通气槽123。
51.气体流道130的深度为h取值0.5mm，宽度为d取值0.5mm，支撑脊部120的宽度为d取值0.6mm。支撑脊部120与膜电极200接触的表面开有可以进气的通气槽123。通气槽123的深度h≤1/2h，取0.25mm。通气槽123的整体面积占支撑脊部120与膜电极200接触面积的10％
‑
30％。
52.在本实施例提供的燃料电池电极板100中，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈45
°
的夹角α。当然，可以理解的是，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向还可以呈其它小于90度的夹角α，优选的，通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈30
°‑
60
°
的夹角α。通气槽123的开槽方向与气体在气体流道130中的流向呈45
°
的夹角α，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
53.在本发明另一实施例提供的燃料电池电极板100中，支撑脊部120的两侧均开设有通气槽123，每侧的通气槽123贯通支撑脊部120的一个侧壁122与上表面121，且位于支撑脊部120两侧的相对的通气槽123不连通。在支撑脊部120的两侧均开设有通气槽123，便于支撑脊部120两侧的气体流道130中的气体均可以进入同一支撑脊部120的通气槽123，提高了单位时间内进入通气槽123内的气体的量，从而进一步增强了气体向膜电极的气体扩散层内的气体传输和扩散效率。
54.同时，位于支撑脊部120两侧的相对的通气槽123不连通，氢气或氧气从通气槽123的位于支撑脊部120的侧壁122的开口进入通气槽123，随着流入通气槽123的氢气或氧气的数量的增加，迫使储存于通气槽123内的氢气或氧气从通气槽123的位于支撑脊部120的上表面的开口向膜电极的气体扩散层内的气体传输和扩散，从而进一步提高了气体向膜电极的气体扩散层内的气体传输和扩散效率。
55.通气槽123的垂直于气体在气体流道130中的流向上的距离小于支撑脊部120的宽度的二分之一。在本实施例提供的燃料电池电极板100中，通气槽123的垂直于气体在气体流道130中的流向上的距离等于支撑脊部120的宽度d的三分之一。如此，即使位于同一支撑脊部120两侧的通气槽123相对设置，位于同一支撑脊部120两侧的通气槽123相互独立，而不会相互连通。当然，可以理解的是，通气槽123的垂直于气体在气体流道130中的流向上的距离等于支撑脊部120的宽度d的三分之一，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
56.通气槽123的高度小于或等于支撑脊部120的高度的二分之一。在本实施例提供的燃料电池电极板100中，通气槽123的高度h等于支撑脊部120的高度h的三分之一。当然，可以理解的是，通气槽123的高度h等于支撑脊部120的高度h的三分之一，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
57.同一支撑脊部120上相邻通气槽123的距离小于支撑脊部120的宽度d与气体流道130的宽度d之和。在本实施例提供的燃料电池电极板100中，同一支撑脊部120相邻通气槽123的距离等于支撑脊部120的宽度d与气体流道130的宽度d之和的四分之三。当然，可以理解的是，相邻通气槽123的距离等于支撑脊部120的宽度d与气体流道130的宽度d之和的四分之三，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
58.上述的燃料电池电极板100，进一步地，底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧设有密封连接部140，两燃料电池电极板100夹持膜电极200形成一燃料电池单体300时，两燃料电池电极板100通过密封连接部140密封连接。当两燃料电池电极板100夹持于膜电极200形成一燃料电池单体300时，两燃料电池电极板100通过沿支撑脊部120延伸方向两侧的密封连接部140相互配合，以使燃料电池单体300沿支撑脊部120延伸方向的两侧密封，避免气体从燃料电池单体300沿支撑脊部120延伸方向的两侧泄漏。
59.在本实施例提供的燃料电池电极板100中，密封连接部140包括凸起和凹槽，且凸起可与凹槽相适配。具体地，燃料电池单体300的阳极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧设有凹槽，燃料电池单体300的阴极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧设有凸起，且凹槽可与凸起相适配。组装时，燃料电池单体300的阳极板和阴极板夹持于一膜电极200，且阴极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧的凸起嵌合于阳极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧的凹槽中，密封连接部140的宽度为3.5mm，凸起结构的宽度3mm，高度为0.2mm，凹槽结构的宽度3.5mm，深度0.2mm；凸起部位的宽度小于凹槽部位宽度，便于两块极板的装配，留有一定的间隙再使用粘结剂对凸起与凹槽的连接缝进行密封，进一步加强了燃料电池单体300沿支撑脊部120延伸方向的两侧密封效果。
60.在本实施例提供的另一燃料电池电极板100中，密封连接部140包括凸起和凹槽，且凸起可与凹槽相适配。具体地，燃料电池单体300的阴极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧凹槽，燃料电池单体300的阳极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧设有凸起，且凹槽可与凸起相适配。
61.当然，可以理解的是，密封连接部140还可以包括其它结构形式，只需要能够使得燃料电池单体300的阳极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧与燃料电池单体300的阴极板的底板110的沿支撑脊部120延伸方向的两侧相互密封即可。密封连接部140包括凸起和凹槽，且凸起可与凹槽相适配，上述只是本发明的优选技术方案，在此不作限定。
62.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
63.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。