双极板及包含其的电堆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种双极板及包含其的电堆。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料气体所储藏的化学能直接转化成电能的发电装置，被称为是继水利发电、火力发电和原子能发电后的第四种发电技术。目前业界除了主流应用于大功率需求场景的液体冷却型燃料电池外，应用于小功率需求场景的空气冷却型燃料电池，也即风冷燃料电池日渐增多。如便携式电源，无人机，电动叉车，电动自行车等设备或产品，其所需功率等级较低，但通常要求体积小，重量轻，这种情况下，风冷燃料电池可以非常好地适用于其需求。
3.现有的风冷燃料电池，阴极流道同时作为散热及阴极反应气体通道，不利于提高反应气体压力和功率密度，由于空气中含有较多杂质，特别是大气污染严重的地区，空气中杂质可能直接与交换膜接触，空气质量会严重影响质子交换膜的使用寿命，对交换膜产生不利影响。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中阴极流道同时作为散热及阴极反应气体通道，空气中的杂质影响交换膜的使用寿命的缺陷，提供一种双极板及包含其的电堆。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.一种双极板，包括：阳极板、阴极板、阳极凹槽和阴极凹槽，所述阳极板的正面设置多个阳极凹槽，所述阴极板的正面设置多个阴极凹槽，所述双极板还包括阳极散热槽和/或阴极散热槽，所述阳极散热槽设置在阳极板的反面，和/或，所述阴极散热槽设置在阴极板的反面；
7.所述阳极板的反面和所述阴极板的反面贴合固定在一起，所述阳极散热槽和所述阴极散热槽形成散热通道，或，所述阳极散热槽和阴极板的反面形成散热通道，或，所述阴极散热槽和阳极板的反面形成散热通道；
8.所述散热通道、所述阳极凹槽和所述阴极凹槽相互之间不连通。
9.在本方案中，通过在设置阳极散热槽和/或阴极散热槽，当阳极板和阴极板贴合时，能够形成散热通道。该散热通道与阳极凹槽和阴极凹槽互相之间不连通，可使反应气体与散热气体互不干涉，避免了空气中的杂质对交换膜产生不利影响，同时还能够提高反应气体压力和功率密度。散热通道位于阳极板和阴极板之间，无需额外设置专门的散热板，能够减少零件数量，使结构更为紧凑化。
10.较佳地，所述散热通道与所述阳极凹槽、所述阴极凹槽在投影方向上交错。
11.在本方案中，有利于热量的流通，能够提升散热效率。
12.较佳地，所述散热通道包括第一通道和第二通道，所述第一通道与所述阳极凹槽
和所述阴极凹槽交错，所述第二通道与所述第一通道交错并连通。
13.在本方案中，第一通道与阳极凹槽和阴极凹槽交错，第二通道与第一通道交错连通，有利于热量的流通，能够提升散热效率。
14.较佳地，所述散热通道的两端与外界连通。
15.在本方案中，有利于外界的空气进入散热通道，热量也能够快速的排出，能够进一步提升散热效率。
16.较佳地，所述第二通道在阳极板的正面形成阳极凸起，所述阳极凸起设置在相邻所述阳极凹槽之间，所述第二通道在阴极板的正面形成阴极凸起，所述阴极凸起设置在相邻所述阴极凹槽之间。
17.在本方案中，阳极板和阴极板方便制作，能够一体化冲压成型，有利于降低生成成本，提升生产效率。
18.较佳地，所述第一通道在阳极板的正面形成的凸起与所述阳极凹槽的底面相互交叉，在所述阳极凹槽中形成多个间隔的平台；和/或，所述第一通道在阴极板的正面形成的凸起与所述阴极凹槽的底面相互交叉，在所述阴极凹槽中形成多个间隔的平台。
19.在本方案中，平台结构有利于反应气体的充分分配和反应。
20.较佳地，所述双极板还包括阳极气体进口、阳极气体出口、阴极气体进口和阴极气体出口，所述阳极气体进口和所述阴极气体出口分别位于所述阳极板和所述阴极板的同一侧，所述阳极气体出口和所述阴极气体进口分别位于所述阳极板和所述阴极板的另一侧，所述阳极气体进口和所述阳极气体出口分别在所述阳极板和所述阴极板上成对角分布，所述阴极气体进口和所述阴极气体出口分别在所述阳极板和所述阴极板上成对角分布。
21.在本方案中，阳极气体进口和阳极气体出口成对角分布，阴极气体进口和阴极气体出口成对角分布，使得反应气体在流经双极板时的流场分布能够更加均匀，其流道的长度能够基本一致。
22.较佳地，所述阳极气体进气口位于所述阴极气体出气口的上方，所述阴极气体进气口位于所述阳极气体出气口的上方。
23.在本方案中，有利于反应生成的水的排出。通常反应生成的水更多聚集在阴极侧，阴极气体出口位于下方，相当于出口位于反应气流的下风侧，同时叠加重力作用，更有利于水的排出。
24.较佳地，所述阳极气体进口不小于所述阳极气体出口，所述阴极气体进口不小于所述阴极气体出口，所述阴极气体进口大于所述阳极气体进口。
25.在本方案中，当采用纯净的空气提供阴极气体时，因空气孔含有较多非反应气体，阴极气体进口大于阳极气体进口，能够增大阴极气体的进气量，进而与阳极气体的进气量相匹配。
26.较佳地，所述双极板还包括过桥通道和分配区，所述过桥通道分别设置在所述阳极气体进口、所述阳极气体出口、所述阴极气体进口和所述阴极气体出口处，所述分配区设置在所述过桥通道的一侧，所述阳极气体进口和所述阳极气体出口处的所述过桥通道的末端在所述阳极板的正面设置开孔，所述阴极气体进口和所述阴极气体出口处的所述过桥通道的末端在所述阴极板的正面设置开孔，所述过桥通道通过所述分配区连通所述阳极凹槽或者阴极凹槽。
27.在本方案中，过桥通道能够为气体进出提供通道，分配区能够对反应气体起到缓冲的作用，使得反应气体在进入到阳极凹槽或阴极凹槽内分配均匀，从而使反应更为均匀。
28.较佳地，双极板还包括密封结构，所述密封结构分别设置在所述阳极板的外边缘处、所述阴极板的外边缘处和所述阳极气体进口、所述阳极气体出口、所述阴极气体进口、所述阴极气体出口的边缘处。
29.在本方案中，通过设置密封结构，能够保证反应气体的气密性，使得反应气体不易泄漏。
30.较佳地，一种电堆，包括如上所述的双极板。
31.在本方案中，采用上述的双极板制作而成的电堆，散热通道与阳极凹槽和阴极凹槽互相之间不连通，避免了空气中的杂质对交换膜产生不利影响，能够提升电堆的使用寿命，同时还能够提高反应气体压力和功率密度。无需额外设置专门的散热板，能够减少零件数量，进一步减小质量和体积，使电堆的结构更为紧凑化。
32.本发明的积极进步效果在于：本方案中，通过在设置阳极散热槽和/或阴极散热槽，当阳极板和阴极板贴合时，能够形成散热通道。该散热通道与阳极凹槽和阴极凹槽互相之间不连通，可使反应气体与散热气体互不干涉，避免了空气中的杂质对交换膜产生不利影响，同时还能够提高反应气体压力和功率密度。散热通道位于阳极板和阴极板之间，无需额外设置专门的散热板，能够减少零件数量，使结构更为紧凑化。
附图说明
33.图1为本发明较佳实施例的阳极板的正面结构示意图；
34.图2为本发明较佳实施例的阳极板的立体结构示意图；
35.图3为本发明图2的a部分的局部放大图；
36.图4为本发明图3的反面结构示意图；
37.图5为本发明较佳实施例的阴极板的正面结构示意图；
38.图6为本发明较佳实施例的阴极板的立体结构示意图；
39.图7为本发明图6的b部分的局部放大图；
40.图8为本发明图7的反面结构示意图；
41.图9为本发明较佳实施例的双极板的立体结构示意图；
42.图10为本发明较佳实施例的双极板的局部剖面结构示意图；
43.图11为本发明较佳实施例的双极板的气流流向示意图；
44.图12为本发明较佳实施例的电堆的结构示意图。
45.阳极板100
46.阳极密封结构120
47.阳极过桥结构130、阳极开孔131
48.阳极散热槽140
49.阳极凹槽150
50.阳极凸起160
51.阳极分配区170
52.阴极板200
53.阴极密封结构220
54.阴极过桥结构230、阴极开孔231
55.阴极散热槽240
56.阴极凹槽250
57.阴极凸起260
58.阴极分配区270
59.双极板300
60.第一通道310
61.过桥通道320
62.第二通道330
63.电堆400
64.阳极气体进口510、阴极气体进口511、阳极气体出口512、阴极气体出口513
具体实施方式
65.在本实施例中，如图1-图9所示，一种双极板300，包括：阳极板100、阴极板200、阳极凹槽150和阴极凹槽250，阳极板100的正面设置多个阳极凹槽150，阴极板200的正面设置多个阴极凹槽250，双极板300还包括阳极散热槽140和阴极散热槽240，阳极散热槽140设置在阳极板100的反面，阴极散热槽240设置在阴极板200的反面。
66.其中，如图3、图4、图7、图8所示，阳极凹槽150设置有多条，并且间隔分布，阴极凹槽250设置有多条，并且间隔分布。
67.如图10所示，阳极板100的反面和阴极板200的反面贴合固定在一起，阳极散热槽140和阴极散热槽240形成散热通道。
68.其中散热通道有多条，各条散热通道间隔分布并且纵横交错。
69.如图10所示，散热通道、阳极凹槽150和阴极凹槽250相互之间不连通。
70.如图10和图11所示，在图11中，左侧代表阳极气体流向，右侧代表阴极气体流向，其中阳极气体在阳极凹槽150中沿水平方向c流动，阴极气体在阴极凹槽250中沿另一水平方向d流动，散热气体可以携带热量沿竖直方向e流出，散热气体也可以通过第一通道310进行流通。
71.在本方案中，通过在设置阳极散热槽140和阴极散热槽240，当阳极板100和阴极板200贴合时，能够形成散热通道。该散热通道与阳极凹槽150和阴极凹槽250互相之间不连通，可使反应气体与散热气体互不干涉，避免了空气中的杂质对交换膜产生不利影响，同时还能够提高反应气体压力和功率密度。散热通道位于阳极板100和阴极板200之间，无需额外设置专门的散热板，能够减少零件数量，使结构更为紧凑化。
72.在其他实施例中，双极板300还可以只包括阳极散热槽140，阳极散热槽140设置在阳极板100的反面，当阳极板100的反面和阴极板200的反面贴合固定时，阳极散热槽140与阴极板200的反面形成散热通道，同样能够使得散热通道与阳极凹槽150和阴极凹槽250互相之间不连通。
73.在其他实施例中，双极板300还可以只包括阴极散热槽240，阴极散热槽240设置在阴极板200的反面，当阳极板100的反面和阴极板200的反面贴合固定时，阴极散热槽240与
阴极板200的反面形成散热通道，同样能够使得散热通道与阳极凹槽150和阴极凹槽250互相之间不连通。
74.在本实施例中，如图10所示，散热通道与阳极凹槽150、阴极凹槽250在投影方向上交错。有利于热量的流通，能够提升散热效率。
75.如图9和图10所示，散热通道包括第一通道310和第二通道330，第一通道310与阳极凹槽150和阴极凹槽250交错，第二通道330与第一通道310交错并连通，其中第二通道330与阳极凹槽150和阴极凹槽250的延伸方向相同。第一通道310与阳极凹槽150和阴极凹槽250交错，第二通道330与第一通道310交错连通，有利于热量的流通，能够提升散热效率。
76.在其他实施例中，散热通道也可以仅具有第一通道310，通过第一通道310将热量排出。
77.在本实施例中，散热通道的两端与外界连通。有利于外界的空气进入散热通道，热量也能够快速的排出，能够进一步提升散热效率。
78.在本实施例中，第二通道330在阳极板100的正面形成阳极凸起160，阳极凸起160设置在相邻阳极凹槽150之间，第二通道330在阴极板200的正面形成阴极凸起260，阴极凸起260设置在相邻阴极凹槽250之间。阳极板100和阴极板200方便制作，能够一体化冲压成型，有利于降低生成成本，提升生产效率。
79.在本实施例中，第一通道310在阳极板100的正面形成的凸起与阳极凹槽150的底面相互交叉，在阳极凹槽150中形成多个间隔的平台，第一通道310在阴极板200的正面形成的凸起与阴极凹槽250的底面相互交叉，在阴极凹槽250中形成多个间隔的平台。平台结构有利于反应气体的充分分配和反应。
80.在其他实施例中，第一通道310也可以仅在阳极板100的正面形成的凸起与阳极凹槽150的底面相互交叉，在阳极凹槽150中形成多个间隔的平台。
81.在其他实施例中，第一通道310也可以仅在阴极板200的正面形成的凸起与阴极凹槽250的底面相互交叉，在阴极凹槽250中形成多个间隔的平台。
82.在本实施例中，双极板300还包括阳极气体进口510、阳极气体出口512、阴极气体进口511和阴极气体出口513，阳极气体进口510和阴极气体出口513分别位于阳极板100和阴极板200的同一侧，阳极气体出口512和阴极气体进口511分别位于阳极板100和阴极板200的另一侧，阳极气体进口510和阳极气体出口512分别在阳极板100和阴极板200上成对角分布，阴极气体进口511和阴极气体出口513分别在阳极板100和阴极板200上成对角分布。
83.在本方案中，阳极气体进口510和阳极气体出口512成对角分布，阴极气体进口511和阴极气体出口513成对角分布，使得反应气体在流经双极板300时的流场分布能够更加均匀，其流道的长度能够基本一致。
84.在本实施例中，阳极气体进气口510位于阴极气体出气口513的上方，阴极气体进气口511位于阳极气体出气口512的上方。有利于反应生成的水的排出。通常反应生成的水更多聚集在阴极侧，阴极气体出口513位于下方，相当于出口位于反应气流的下风侧，同时叠加重力作用，更有利于水的排出。
85.在本实施例中，阳极气体进口510不小于阳极气体出口512，阴极气体进口511不小于阴极气体出口513，阴极气体进口511大于阳极气体进口510。当采用纯净的空气提供阴极
气体时，因空气孔含有较多非反应气体，阴极气体进口511大于阳极气体进口510，能够增大阴极气体的进气量，进而与阳极气体的进气量相匹配。
86.在其他实施例中，阳极气体进口510也可以等于阳极气体出口512，阴极气体进口511也可以等于阴极气体出口513。
87.在本实施例中，双极板300还包括过桥通道320和分配区，过桥通道320分别设置在阳极气体进口510、阳极气体出口512、阴极气体进口511和阴极气体出口513处，分配区设置在过桥通道320的一侧，阳极气体进口510和阳极气体出口512处的过桥通道320的末端在阳极板100的正面设置开孔，阴极气体进口511和阴极气体出口513处的过桥通道320的末端在阴极板200的正面设置开孔，其中，分配区包括阳极分配区170和阴极分配区270，阳极分配区170设置在阳极板100上，阴极分配区270设置在阴极板200上，过桥通道320通过阳极分配区170连通阳极凹槽150，过桥通道320通过阴极分配区270连通阴极凹槽250。过桥通道320能够为气体进出提供通道，分配区能够对反应气体起到缓冲的作用，使得反应气体在进入到阳极凹槽150或阴极凹槽250内分配均匀，从而使反应更为均匀。
88.其中，过桥通道320由阳极过桥结构130和阴极过桥结构230贴合形成，阳极过桥结构130设置在阳极板100上，阴极过桥结构230设置在阴极板200上，阳极气体进口510和阳极气体出口512处的阳极过桥结构130在阳极板100的正面设置有阳极开孔131，阴极气体进口511和阴极气体出口513处的阴极过桥结构230在阴极板200的正面设置有阴极开孔231。
89.在本实施例中，双极板300还包括密封结构，密封结构分别设置在阳极板100的外边缘处、阴极板200的外边缘处和阳极气体进口510、阳极气体出口512、阴极气体进口511、阴极气体出口513的边缘处。通过设置密封结构，能够保证反应气体的气密性，使得反应气体不易泄漏。
90.其中，密封结构包括阳极密封结构120和阴极密封结构220，阳极密封结构120设置在阳极板100上，阴极密封结构220设置在阴极板200上。
91.如图12所示，在本实施例中，还提供一种电堆400，包括如上的双极板300。
92.其中，电堆400由多个双极板300堆叠形成，其散热通道仅用于散热，不参与阴极反应气体的导入或分配，形成阴极封闭式的电堆400。
93.在本方案中，采用上述的双极板300制作而成的电堆400，散热通道与阳极凹槽150和阴极凹槽250互相之间不连通，避免了空气中的杂质对交换膜产生不利影响，能够提升电堆400的使用寿命，同时还能够提高反应气体压力和功率密度。无需额外设置专门的散热板，能够减少零件数量，进一步减小质量和体积，使电堆400的结构更为紧凑化。
94.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。