CN215118955U - 一种用于燃料电池的双极板及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于燃料电池的双极板及燃料电池。用于燃料电池的双极板具有阴极板和阳极板；阴极板和阳极板上不设置单独分配区，单独分配区指不进行化学反应只具有流体分配功能的区域，阴极板和阳极板上设置反应区域，反应区域与适于用作分配区并具有反应区功能的区域相连通，阳极板在背离阴极板的一侧具有阳极气体通道，阴极板在背离阳极板的一侧具有阴极气体通道，在阳极板和阴极板的面对彼此的侧上构造冷却剂通道。本实用新型的双极板极大提高了反应区面积，不存在应力及温度奇异点，包括其的燃料电池具有较高的性能和可靠性。

Description

一种用于燃料电池的双极板及燃料电池

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的双极板及燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料所具有的化学能转换成电能的化学电池，具有较高的经济性。质子交换膜燃料电池是燃料电池中的一种，其中质子交换膜燃料电池双极板是燃料电池电堆的重要部件之一，可以起到支撑固定质子交换膜燃料电池膜电极、分割燃料和氧化气体、收集传导电流等重要作用，因此，优化双极板的设计对于质子交换膜燃料电池的性能和耐久性的提升起到巨大的作用。

质子交换膜燃料电池双极板一般由阴极板及阳极板构成，其中阳极板的设计功能包括：散热，结构支撑，氢气的流体分配与流通，保证水热平衡及生成液态水的排出，导电，流道流体阻力特性对GDL多孔介质渗流在组分传递上的匹配，分配组分(主要指氢气及水蒸气)在阳极板空间内的浓度。阴极板的设计功能包括：散热，结构支撑，空气(主要指氧气)流体分配与流通，生成液态水的排出，导电，流道流体阻力特性对GDL多孔介质渗流在组分传递上的匹配，分配组分(主要指氧浓度及水蒸气的含量)在阴极板空间内的浓度。冷却水腔主要提供散热能力，考量散热能力的重要物理特征包括：散热速率，散热均一性，冷却水腔散热经济性(流体阻力-流量关系)。一般双极板由导电的材料制成，比如由金属材料或石墨材料制成。其中金属板一般采用冲压成型工艺的0.1mm左右厚度的薄板，故冷却水腔由阴阳极腔体的背面共同构成，冷却水腔的流体域受到阴阳极设计的严格几何约束。而石墨板一般采用雕刻或模压工艺制作，由于石墨板厚度较厚可以允许冷却水腔不受到或者减轻阴阳极气体腔对石墨双极板的对冷却水腔的几何拓扑限制。

根据双极板的组件构成、功能构成，双极板的设计主要是根据三腔的功能进行设计，然而现有的双极板产品基本没有解决三腔公用管路与分配区之间空间布局合理性问题。已有的双极板产品无论是金属板还是石墨板，通常的布局为冷却水腔分配区入口与双极板的宽度方向平行，阴阳极的分配区入口与水腔分配区入口形成一个梯形。例如，现有的一种双极板，其单极冷却水流场包括冷却水活性区流场和冷却水分配区流场；两个极板的背面相对组成双极板，之间形成双极板冷却水流场，其中一个极板所对应的冷却水活性区流场内的流道延伸至另一个极板所对应的冷却水分配区流场覆盖的范围内，用于导通冷却水。该方案存在的问题主要包括：(1)其基本无法在单电池的阴阳极上获得完全重叠的流体域，存在很大的阴阳极不重叠区域减少了双极板的有效设计区域即反应区面积，同时这种阴阳极不完全重叠设计加长了单电池截面上的导电路径增加了单池阻抗。(2)若将这部分不重叠的区域用作冷却水腔的冷却液分配，该设计域上必须遵循的几何规律为阴阳极的分配区入口与水腔分配区入口形成一个等腰梯形的底角与阴阳极分配区与反应区流道过度区域的角度不一致，冷却液的分配区域由宽变窄，这将导致冷却液的质量流量分布不均匀单电池范围内的温度梯度较大燃料电池寿命降低。(3)受到阴阳极的分配区入口为等腰梯形的两边的几何限制，设计三腔共用管路时一般阴阳极的公用管路水力直径相同或者相差不大，然而阳极供应的是密度极小的纯氢气且阳极的催化效率一般高于阴极一个数量级因此阳极公用管路的设计存在过盈，而阴极供应的是密度较大的空气，空气中的氧气含量大约为21％左右，阴极的催化效率一般小于阳极一个数量级因此阴极的公用管路设计存在极大的不足，该设计无法实现高电流密度下阴阳极气体的合理供给，高电流密度下传质极化现象明显。(4)双极板的阴阳极流道由沟和脊构成，目前的设计一般以沟的尺寸为双极板制备工艺的尺寸基准，这样可以保证阴阳极流体域功能上的精确性，却牺牲掉了双极板的结构稳定性及温度分布一致性上的精度，实际上在当今高能量密度、高可靠性的技术背景下，双极板沟的尺寸精度对双极板全局功能的设计敏感性相对较低，双极板脊的尺寸精度对结构稳定性及冷却水腔热管理性能的设计敏感性相对较高，接触电阻分布的一致性与双极板脊的尺寸一致性相关，在以沟为尺寸基准时接触电阻分布一致性存在偏差，且整板欧姆热效应不一致，膜电极的寿命有所损失。

因此，目前用于燃料电池的双极板仍有待改进。

发明内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提供一种具有等腰三角形区域的用于燃料电池的双极板及燃料电池，能够改善整板的空间利用率，可以获得双极板阴阳极流场的反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，进而保证使用该双极板的燃料电池的高可靠性、高性能及高寿命。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于燃料电池的双极板，所述双极板具有阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板上不设置单独分配区，所述单独分配区指不进行化学反应只具有流体分配功能的区域，所述阴极板和所述阳极板上设置反应区域，所述反应区域与适于用作分配区并具有反应区功能的区域相连通，所述阳极板在背离所述阴极板的一侧具有阳极气体通道，所述阴极板在背离所述阳极板的一侧具有阴极气体通道，在所述阳极板和所述阴极板的面对彼此的侧上构造冷却剂通道。

所述适于用作分配区并具有反应区功能的区域为等腰三角形区域，所述阴极板和所述阳极板分别具有反应区域和两个等腰三角形区域，两个所述等腰三角形区域分别位于所述反应区域的两端。

其中在每个等腰三角形区域布置：具有用于输送或输出阳极气体的阳极气体口，用于输送或输出阴极气体的阴极气体口，以及用于输送或输出冷却剂的冷却剂口；其中所述阳极气体口和所述冷却剂口沿着所述等腰三角形区域的一个腰边布置，所述阴极气体口沿着所述等腰三角形区域的另一个腰边布置。

等腰三角形区域一端与反应区域连通，一端与缓冲区连通。

缓冲区包括圆柱形阵列、矩形块阵列。

缓冲区在双极板流场面积中的占比为1.5-3％。

所述反应区域具有反应区域流场，所述等腰三角形区域具有等腰三角形区域流场；其中所述等腰三角形区域流场内设置有第一流道，所述第一流道的宽度为H1，所述反应区域流场内设置有第二流道，所述第二流道的宽度为H2，所述H1与H2满足以下关系：

H2/H1＝n，其中，n为≥2的整数；

所述等腰三角形区域的底角α与所述第一流道与所述第二流道之间的夹角相差90°，所述α满足：α＝arcsin(1/n)。

所述等腰三角形区域的顶角的范围为100°至150°；和/或，所述等腰三角形区域的底角α的范围为15°至40°。

所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的40％-60％；

和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的40％-60％；

和/或，所述阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的90％-100％。

所述等腰三角形区域的顶角为120°时，所述n为2。

所述第一流道包括直线型流道或曲线型的流道；和/或，所述第二流道包括直线型流道或曲线型的流道。

一种燃料电池，包括上述用于燃料电池的双极板。

在一种可能的实现方式中，H1为0.4-2.5mm，H2为0.8-10mm。

在一种可能的实现方式中，所述等腰三角形区域的顶角为141.2°时，所述n为3。

在一种可能的实现方式中，所述n可以为4等。

在一种可能的实现方式中，所述第一流道为S型流道；

和/或，所述第二流道为S型流道。

在一种可能的实现方式中，所述第一流道为直线型流道；

和/或，所述第二流道为S型流道。

在一种可能的实现方式中，所述第一流道为S型流道；

和/或，所述第二流道为直线型流道。

在一种可能的实现方式中，所述反应区域的形状包括长方形或正方形。

在一种可能的实现方式中，所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的50％；

和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的50％。

在一种可能的实现方式中，所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的45％；

和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的55％。

在一种可能的实现方式中，所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的55％；

和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的45％。

在一种可能的实现方式中，所述阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的95％。

在一种可能的实现方式中，所述阳极气体口包括阳极进气口和阳极出气口；沿着阳极气体流动方向，所述阳极板包括：与所述阳极进气口相连通的阳极入口等腰三角形区域、阳极反应区、阳极出口等腰三角形区域、与所述阳极出口等腰三角形区域相连通的所述阳极出气口；

和/或，所述阴极气体口包括阴极进气口和阴极出气口；沿着阴极气体流动方向，所述阴极板包括：与所述阴极进气口相连通的阴极入口等腰三角形区域、阴极反应区、阴极出口等腰三角形区域、与所述阴极出口等腰三角形区域相连通的所述阴极出气口。

在一种可能的实现方式中，所述冷却剂口包括冷却剂入口和冷却剂出口；

所述阳极板在背离所述阴极板的一侧具有开放的阳极气体通道，所述阴极板在背离所述阳极板的一侧具有开放的阴极气体通道，在所述阳极板和所述阴极板的面对彼此的侧上构造冷却剂通道；

所述冷却剂通道包括：与所述冷却剂入口相连通的阴极入口冷却剂分配区和阳极入口冷却剂分配区，以及与所述冷却剂出口相连通的阴极出口冷却剂分配区和阳极出口冷却剂分配区。

在一种可能的实现方式中，所述阴极板和所述阳极板的材质为金属或石墨。

本实用新型的阴极板和/或阳极板可以任选包括气体进出口零压力梯度区和/或气体进出口缓冲区。

在不同区域设置零压力梯度区和/或缓冲区可以分别具有不同的功能，例如压力分布均匀、避免水淹、减小冲击等。

本实用新型的零压力梯度区指压差为20Pa以内的区域，优选为10Pa以内的区域。

在一种可能的实现方式中，零压力梯度区可以为与气体进出口形状相匹配的形状。

在一种可能的实现方式中，零压力梯度区的宽度可以为0.5-10mm，优选为1-5mm。

在一种可能的实现方式中，零压力梯度区为与气体进出口长度一致的长方体区域，零压力梯度区的宽度可以为0.5-5mm。

在一种可能的实现方式中，缓冲区位于零压力梯度区与等腰三角形区域之间。

在一种可能的实现方式中，缓冲区具有与零压力梯度区和等腰三角形区域相匹配的形状。

在一种可能的实现方式中，缓冲区位于气体进出口与等腰三角形区域之间。

在一种可能的实现方式中，缓冲区具有与气体进出口和等腰三角形区域相匹配的形状。

在一种可能的实现方式中，缓冲区为规则或不规则形状。

在一种可能的实现方式中，缓冲区内可以包括阵列结构等。

在一种可能的实现方式中，阳极气体进出口缓冲区为圆柱形阵列结构，阴极气体进出口缓冲区为矩形块阵列结构。

在一种可能的实现方式中，阳极气体进出口缓冲区为包括圆柱形阵列结构的复合结构，阴极气体进出口缓冲区为包括矩形块阵列结构的复合结构。

在一种可能的实现方式中，气体进出口零压力梯度区在流场面积中的占比为0.35-1％。

在一种可能的实现方式中，流场面积为10-350cm²，优选地流场面积为200-350cm²。

在一种可能的实现方式中，沿着阳极气体流动方向，所述阳极板包括：阳极进气口、阳极进气口零压力梯度区和/或阳极进气口缓冲区、阳极入口等腰三角形区域、阳极反应区、阳极出口等腰三角形区域、阳极出气口零压力梯度区和/或阳极出气口缓冲区、阳极出气口；

在一种可能的实现方式中，沿着阴极气体流动方向，所述阴极板包括：阴极进气口、阴极进气口零压力梯度区和/或阴极进气口缓冲区、阴极入口等腰三角形区域、阴极反应区、阴极出口等腰三角形区域、阴极出气口零压力梯度区和/或阴极出气口缓冲区、阴极出气口。

与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

本实用新型提供的具有等腰三角形区域的用于燃料电池的双极板及使用其的燃料电池，通过设置既具备分配区功能又具备反应区功能的等腰三角形区域，能够缓解公用管路入口几何限制对其对应的物理性能造成不良影响的问题，分配区亦可以作为工作区域发生化学反应，极大提高了反应区面积。整板范围内阴阳极流体域完全一致，导热、导电特征截面完全一致，不存在应力及温度奇异点，从而可以提高燃料电池的性能和可靠性，解决阴极传质极化现象，在装配时膜电极压缩应力匹配一致性好，可以降低单电池阻抗。因此，该双极板是一种可以保证在2000mA/cm²及以上高电流密度工况下传质极化较小且极化性能稳定的具有高性能、高均一性、高可靠性、高反应区占比的燃料电池双极板。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型等腰三角形区域与反应区域相对位置示意图；

图2为本实用新型n为2时第一流道和第二流道示意图；

图3为本实用新型示例性的一种实施方式提供的一种阳极板结构示意图；

图4为本实用新型示例性的一种实施方式提供的一种阴极板结构示意图；

图5为本实用新型示例性的另一种实施方式提供的一种阳极板结构示意图；

图6为本实用新型示例性的另一种实施方式提供的一种阴极板结构示意图。

附图标记：

1-反应区域；2-等腰三角形区域；3-第一流道；4-第二流道；5-脊；6-阳极进气口；7-阳极入口等腰三角形区域；8-阳极反应区；9-阳极出口等腰三角形区域；10-阳极出气口；11-阴极进气口；12-阴极入口等腰三角形区域；13-阴极反应区；14-阴极出口等腰三角形区域；15-阴极出气口；16-阳极入口气体缓冲区；17-阳极出口气体缓冲区；18-阴极入口气体缓冲区；19-阴极出口气体缓冲区。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中除非另有规定或说明，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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申请中的具体含义。

需要理解的是，本申请实施例所描述的“前、后、上、下、左、右、内、外”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本文中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，本文中使用的术语“和/或”或者“/”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。除非另有定义或说明，本文中所用的专业与科学术语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。

本领域技术人员理解，如背景技术所言，传统的双极板或多或少的存在一定的缺陷，尤其是分配区的设置还有待改进。例如，现有技术中有将分配区布置为三角形的双极板，其分配部段优选具有在双极板的阳极侧或阴极侧的俯视图方面基本上三角形的几何结构，但是整个阴阳极和冷却剂流体域并没有完全重合，无法解决传质极化及热管理的缺陷，无法使分配区获得与反应区一致的物理特性如接触电阻有明显区别，分配区实际上无法作为反应活性区域。

进一步，传统的双极板的分配区设计，一般设计为分配区与反应区的物理属性(沟脊的尺寸规格)区别大，热管理容易出现局部热点，这种设计很难避免局部热点并在很短的寿命周期内导致质子交换膜失效。因此，往往采用分配区喷涂催化剂的方式来避免，这样分配区无法作为反应区使用，整板大概有40-60平方厘米左右的面积被浪费，设计的反应区有效面积占比极低，导致后期电堆产品的经济性极差。进一步，一些设计采用气体直流道，其直接在公用管路处分配，随后采用流道在有效面积区域蜿蜒的方式，这种设计虽然解决了气体分配问题，但是容易造成流道过长，燃料电池电堆瞬态响应速度慢特别是变载时温度响应速度慢的问题；同时也会带来水管理困难导致的电池性能较低问题；另外这种设计必然会造成冷却水路的分配空间有限，唯一的解决方案为在气体沟槽的位置减少沟槽深度作为冷却液的流通点，很难实现好的热管理设计，往往会存在冷却液流通死区存在很大的局部区域热点的问题，严重的影响质子交换膜燃料电池的使用寿命，另外这种在气体沟槽的位置减少沟槽深度作为冷却液的流通点会给金属双极板成型工艺带来极大的设计困难，大幅降低模具的使用寿命并在相对较短的使用周期后成型精度严重下降。

鉴于此，为了克服现有技术的不完善，满足如今市场的越来要高的要求，本实用新型实施例对于双极板的结构进行改进，提出了一种无单独分配区的整板性能一致的质子交换膜燃料电池双极板。

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步地详细描述。

参阅本实用新型附图，本实用新型实施例提供一种用于燃料电池的双极板，双极板具有阴极板和阳极板；阴极板和阳极板分别具有反应区域1和两个等腰三角形区域2，两个等腰三角形区域2分别位于反应区域1的两端，且与反应区域1相连通；其中等腰三角形区域2适于用作分配区并具有反应区功能。

根据本实用新型实施例，该双极板中布置有特定的等腰三角形区域2，该等腰三角形区域2既具有分配区的功能又具有反应区(活性区)的功能，从而在流体分布均质的同时，获得了阴、阳极及冷却水流体域完全重合的极限的有效反应面积。其中，将阴极气体口布置在等腰三角形区域2的一个腰上，可以提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，传质均匀性、一致性更好，解决高电流密度下传质极化问题，提高了燃料电池功率，将阳极气体口和冷却剂口布置在等腰三角形区域2的另一个腰上，可以充分利用腰的长度，同时使阴、阳极以及冷却水腔流体域完全重合。

具体地，本实用新型实施例的双极板是一种无(单独)分配区(所述的无分配区指的是双极板整板区域不存在只充当流体分配功能而不进行化学反应的区域)的整板性能一致的质子交换膜燃料电池双极板。该双极板可以在保证2000mA/cm²及以上电流密度工况下阴极分配区入口空气供给充足且均匀的基础上，通过双极板阴阳极分配区与反应区流道过度区域特定角度变化，在氢氧腔各自的流体域获得反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，从而获得整板范围内一致的双极板特征物理功能。从流体力学的角度而言，阴阳极流体域内可以获得相同或相匹配的气体流动条件及水管理条件；从单电池装配结构方面，在阴阳极分区配获得菱形交叉结构的特征子结构，在有效面积区域获得一一映射的阴阳极流道子结构，整板范围内结构可靠，单电池范围内不存在应力奇异点；从单电池热管理方面，由于流体热力学与结构热力学的几何特征子结构均相同，故整板的热管理物理条件一致，不存在热奇异点；从电性能方面，由于导电路径上电导率的一致性，单电池整板范围内的欧姆效应一致，故不存在导电性或热电耦合效应上的奇异点。由此，所提供的双极板在2000mA/cm²及以上高电流密度工况下传质极化较小且极化性能稳定，具有高性能、高均一性、高可靠性、高反应区占比的特点。

本实用新型实施例中，燃料电池为质子交换膜燃料电池。双极板可以为金属双极板，或者也可以为石墨双极板。较佳的，双极板为金属双极板。

本实用新型实施例中，反应区域1具有反应区域流场，等腰三角形区域2具有等腰三角形区域流场；其中等腰三角形区域2流场内设置有第一流道3，第一流道3的宽度为H1，反应区域1流场内设置有第二流道4，第二流道4的宽度为H2，H1与H2满足以下关系：

H2/H1＝n，其中，n为≥2的整数；

等腰三角形区域的底角α与第一流道与第二流道之间的夹角相差90°，α满足：α＝arcsin(1/n)。

根据本实用新型实施例，等腰三角形区域2具有分配区+反应区的功能，由于等腰三角形区域2与反应区域1的几何与物理特征子结构相同，因此可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作。该分配区+反应区配置为等腰三角形，等腰三角形区域2流场内的第一流道3与反应区域流场1内的第二流道4成一定的角度，即该等腰三角形区域的底角α+90°，这样可以实现流场一分多等分设计，扩大反应区域的宽度。

通过对上述角度α或等腰三角形区域的顶角的控制，可以使反应区域流场内的第二流道宽度H2为等腰三角形区域流场内的第一流道宽度H1的n。如此，可以在反应区域流场内的流道增设n-1个脊5，获得n个支流道，在获得流场均匀一分n的等分设计的同时，反应区域内的支流道和等腰三角形区域内的流道的沟脊等尺寸规格参数保持一致，使等腰三角形区域可以作为反应区参与燃料电池电堆的工作。

在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角的范围为100°至150°；和/或，α的范围为15°至40°。在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角的范围为120°至150°；和/或，α的范围为15°至30°。

本实用新型通过使反应区域流场内的第二流道与等腰三角形区域流场内的第一流道成一定角度来获得一分多的效果。当等腰三角形区域的顶角的范围在100°至150°的范围内，或等腰三角形区域的底角即α的范围在15°至40°时，可以使n为约2、约3或约4，实现了阴阳极反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，从而获得整板范围内一致的双极板特征物理功能。

较佳的，在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角为120°时，α为30°，n为2。

当n＝2，即α＝30°时，此时等腰三角形区域的等腰三角形的顶角为120°，得到的等腰三角形的腰为满足上述角度条件下的最长腰长，腰长：反应区的宽度＝1：√3，这样可以为布置在等腰三角形一腰边的阴极提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，传质均匀性、一致性更好，提高燃料电池功率。等腰三角形区域的等腰三角形使得阴、阳极以及冷却水腔完全重合的极限的有效反应面积。

在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角为约141.2°时，n为3。由此可以获得流场均匀一分3的等分设计。

在一些实施方式中，等腰三角形区域的顶角为约151.04°时，n为4。由此可以获得流场均匀一分4的等分设计。

根据本实用新型实施例，以反应区域流场内的第二流道与等腰三角形区域流场内的第一流道成一定角度来获得一分多的效果，优选的该角度设计为30°，获得流道一分二等分的方式，实现了阴阳极反应区与分配区一致的特征几何拓扑子结构，从而获得整板范围内一致的双极板特征物理功能，在不影响寿命和可靠性的前提下分配区也具备反应区功能，极大的提高了整板有效面积占比。在此基础上，将阴阳极分配区设为底角为30°的等腰三角形，从而获得了阴、阳极和冷却腔流体域完全重合的极限有效面积，将等腰三角形的一边作为阴极分配区入口极大的提高了阴极氧传质性能，高电流密度工况下传质极化较小且极化性能稳定，将等腰三角形的另一边等分作为阳极分配区入口和冷却水腔入口，能够获得极好的三腔公用管路比例获得符合高功率电堆设计的热管理一致性及阳极水管理性能。

在一些实施方式中，阳极气体口的长度为第一腰边长度的40％-60％；和/或，冷却剂口的长度为第一腰边长度的40％-60％。在一些实施方式中，阳极气体口的长度为第一腰边长度的45％-55％；和/或，冷却剂口的长度为第一腰边长度的45％-55％。在一些实施方式中，阳极气体口的长度为第一腰边长度的50％；冷却剂口的长度为第一腰边长度的50％。

在一些实施方式中，阴极气体口的长度为第二腰边长度的90％-100％。在一些实施方式中，阴极气体口的长度为第二腰边长度的95％-100％。在一些实施方式中，阴极气体口的长度为第二腰边长度的100％。也即，优选的，该阴极气体口的长度与第二腰边的长度相同。

该双极板中，通过使阳极气体口的长度占等腰三角形的一个腰边的长度的约50％，使冷却剂口的长度占等腰三角形的该腰边的长度的约50％，也即，阳极气体口和冷却剂口的总长度等于等腰三角形的一个腰边，二者可以平均布置在该腰边上；使阴极气体口布置在等腰三角形的一个腰边上，并且优选使阴极气体口的长度与第二腰边的长度相同。由此，可以充分利用腰的长度，提供尽可能宽的氧气入口，从而获得氧化剂在阴极流道间分布的均一性，传质均匀性、一致性更好，使阴、阳极以及冷却水腔流体域完全重合，能缓解高电流密度下的传质极化问题，提高燃料电池的功率。

在一些实施方式中，等腰三角形区域2和反应区域1的总面积占双极板功能区域面积的比例不低于85％，甚至不低于90％。

可以理解，双极板的一侧表面的功能区域包括从气体入口到气体出口的区域。此外，双极板的表面还具有供应管路区域，本实用新型实施例对于供应管路区域的设置不作限定，在此不再详细描述。

本实用新型的双极板通过等腰三角形区域的设置，使其既具备反应区功能又具备分配区功能，相当于增大了反应区面积，即，在不影响寿命和可靠性的前提下，分配区也具备反应区功能，极大提高了整板的有效面积占比；在此基础上，通过对上述等腰三角形的顶角或底角的角度的调节，能够进一步增加有效面积，获得阴、阳极和冷却腔流体域完全重合的极限有效面积。从而，本实用新型提高了换热面积并保证了良好的换热效果，提高了燃料电池效率及性能稳定性。

在一些实施方式中，反应区域1的形状包括长方形或正方形。例如，该反应区域1的形状可以为长方形，或者可以为正方形，或者还可以为其他类似的形状。

应理解，本实用新型实施例中，对于上述反应区域1具体形状结构或材质不作限定，其可以由本领域技术人员根据实际情况进行设计，只要不对本实用新型的目的产生限制即可。

在一些实施方式中，第一流道3包括直线型流道或曲线型流道；和/或，第二流道4包括直线型流道或曲线型的流道。例如，第一流道3可以采用直线型流道，可以采用曲线型流道，可以采用直线型流道和曲线型流道的组合；第二流道4可以采用直线型流道，可以采用曲线型流道，可以采用直线型流道和曲线型流道的组合。其中，曲线型流道例如可以为S流道或波浪形流道或蛇形流道结构。

本实用新型实施例中，等腰三角形区域与反应区域，也即分配区与反应区有不同的流道截面扫掠路径，只要流道间保持平行即可，即等腰三角形区域与反应区域都可以是直流道也都可以是“S流道”，也可以等腰三角形区域为直流道，反应区域为曲线型流道，也可以等腰三角形区域为曲线型流道，反应区域为直流道。本实用新型实施例的双极板在不同的双极板流体域长度或宽度下，可以达到分配效果不变的效果；也即本实用新型实施例的双极板对于双极板的长度或宽度没有特殊限制，其在一定的长度或宽度下能使得分配性能不受影响，能够缓解传统的双极板由于几何规则的改变使分配性能受到影响的限制。

在一些实施方式中，双极板的材质可以为金属，进一步可以为不锈钢、钛合金或其他导电性材料，这样利于实现单个电池的相互和对外的电气连接。在一些实施例中，阴极板和阳极板采用不锈钢或钛合金制成。

在一些实施方式中，双极板由两个相互接合经过造型的阳极板和阴极板构成，其中阳极板背离阴极板的外侧形成有阳极流场，阴极板背离阳极板的外侧形成有阴极流场，阳极板和阴极板之间的空腔形成有冷却剂流场；阴极板和阳极板均设有等腰三角形区域。

需要说明的是，阴极板和阳极板之间包括但不限于通过焊接或粘接等的方式贴合在一起。

应理解，阴极流场可以为空气流场或氧气流场，即阴极气体可以为空气或氧气；阳极流场可以为燃料气流场，进一步可以为氢气流场，即阳极气体可以为氢气。

在一些实施方式中，双极板反应区的功能为双极板工作区，分配区的功能为提供一定的流阻保证整板流道间气体质量流量速率的均方差在0.02范围内，另外的功能为通过脉冲排放排水时保证每根流道的压力，质量流量速率，流速分布均匀，实现较好的水管理功能。

在一些实施方式中，气体零压力梯度区和气体缓冲区的设置，能够提高流道流体质量流量分布的一致性，保证流体分布的均一性，避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，延长使用寿命。

在一些实施方式中，气体零压力梯度区的宽度决定了其功能。

在一些实施方式中，入口气体缓冲区将流体的动能转化成较均匀的势能，这样零压力梯度区与缓冲区共同保证流体分布的均一性，缓冲区的另外一个功能在于消耗阳极流体动能避免流体域入口处的流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳。

在一些实施方式中，出口气体缓冲区的功能在于提供一个较大的压损，这样在燃料电池发动机系统排水时歧管内脉冲排放时流体一般达到极限流速，该压损的存在有利于保证每节单电池在脉冲排放时所排放的气体质量流量速率的一致性；另外气体出气口为液态水的聚集区域，出口气体缓冲区的宽度足以使反应区避开液态水聚集区防止发生“水淹”而导致局部反极损失膜电极的寿命。

在一些实施方式中，出口气体零压力梯度区的作用在于提供一个等势区域，该区域与出口气体缓冲区共同作用保证气体排出时，出口等腰三角形区域的每一根流道排出气体的质量流量速率，流速分布均匀。

阳极板和阴极板还设有双极板冷却水腔的功能区域。具体地，在一些实施方式中，上述冷却剂口包括冷却剂入口和冷却剂出口(也可称冷却水腔入口和冷却水腔出口)；进一步，在阴极板上设有冷却剂入口和冷却剂出口，在阴极板上还设有冷却剂出口阳极冷却剂分配区(即阳极出口冷却剂分配区)和冷却剂入口阳极冷却剂分配区(即阳极入口冷却剂分配区)；在阳极板上还设有冷却剂入口阴极冷却剂分配区(即阴极入口冷却剂分配区)和冷却剂出口阴极冷却剂分配区(即阴极出口冷却剂分配区)。

上述双极板中，设有冷却剂入口，其与阳极进气口公用等腰三角形的一腰边，其长度为该腰边长度的1/2左右。

上述双极板中，设有冷却剂入口阴极冷却剂分配区和冷却剂入口阳极冷却剂分配区，其中冷却剂入口阴极冷却剂分配区的功能是为阴极冷却水腔缓冲区提供水分配(阴极入口气体缓冲区的背面)，冷却剂入口阳极冷却剂分配区的功能是为阳极冷却水腔提供水分配(阳极出口气体缓冲区的背面)。冷却剂入口阴极冷却剂分配区与冷却剂入口阳极冷却剂分配区均具备几何物理特征参数相同的特点，能够提供均一的冷却液分配。

阳极出口气体缓冲区的背面和阴极入口气体缓冲区的背面分别为阴极冷却水腔入口缓冲区与阳极冷却水腔入口缓冲区，该区域由于与折弯而具有较大的压损，与冷却剂入口阴极冷却剂分配区及冷却剂入口阳极冷却剂分配区配合保证双极板整板反应区冷却液的质量流量速率分布的均一性。

上述双极板中，阳极出口等腰三角形区域的背面和阴极入口等腰三角形区域的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极反应区的背面和阴极反应区的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极入口等腰三角形区域的背面和阴极出口等腰三角形区域的背面分别为阳极冷却水腔工作区及阴极冷却水腔工作区。

上述双极板中，阳极入口气体缓冲区的背面与阴极出口气体缓冲区的背面分别为阳极冷却水腔出口缓冲区与阴极冷却水腔出口缓冲区，该区域由于折弯而具有较大的压损，在势能上与冷却剂出口阴极冷却剂分配区及冷却剂出口阳极冷却剂分配区配合保证该区域内压力的均一性，在动能上能够缓冲冷却水腔压力突变带来的瞬态流速冲击，双极板整板反应区冷却液的质量流量速率分布的均一性和稳定性。

冷却剂出口阴极冷却剂分配区及冷却剂出口阳极冷却剂分配区中，冷却剂出口阴极冷却剂分配区的功能是为阴极冷却水腔缓冲区内水的排出提供均一的通路(阴极出口气体缓冲区的背面)，冷却剂出口阳极冷却剂分配区的功能是为阳极冷却水腔缓冲区内水的排出提供均一的通路(阳极入口气体缓冲区的背面)；冷却剂出口阴极冷却剂分配区及冷却剂出口阳极冷却剂分配区均具备几何及物理特征参数相同的特点，增加整板的冷却液分配的均一性。

在一些实施方式中，阳极进气口和阳极出气口的数量至少为一个；阴极进气口和阴极出气口的数量至少为一个；冷却剂入口和冷却剂出口的数量至少为一个。

需要说明的是，阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口、阴极出气口、冷却剂入口和冷却剂出口的数量可以根据质子交换膜燃料电池的双极板的尺寸和性能而定，在本实用新型实施例中仅仅以一种实现方式进行示例说明，本实用新型对此不作限制。

还需指出的是，附图中的阴极板、阳极板及其中的各区域结构仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型实施例还提供一种燃料电池，其包括上述用于燃料电池的双极板。

在一些实施方式中，所述燃料电池还包括膜电极，所述膜电极与所述双极板相互交替地堆叠。该燃料电池还包括密封结构。所述膜电极包括活性区、GDL封边区、密封边框封边区和密封边框区。本实用新型的燃料电池双极板、膜电极的各功能区域的设置具备良好的功能匹配性，因此，具有高性能、高均一性、高耐久性、高可靠性、高反应区占比的特点。

本实用新型提供的燃料电池包括前述用于燃料电池的双极板，因而至少具有前面所述的用于燃料电池的双极板的所有特点和优点，在此不再赘述。另外，该燃料电池中除包括本实用新型实施例提供的双极板之外，还可包括本领域熟知的用于燃料电池中的各种结构或单元，本实用新型实施例对于燃料电池中的其余结构或单元及其连接关系不作限制，可以由本领域技术人员根据实际情况进行选择设定。

综合以上描述可以看出，本实用新型解决了公用管路入口几何限制对其对应的物理性能造成不良影响的问题，在结构上分配区与流场区保持了几何一致性，分配区亦可以作为工作区域发生化学反应极大的提高了反应区面积；整板范围内阴阳极流体域完全一致，导热、导电特征截面完全一致，不存在应力及温度奇异点，提高燃料电池的可靠性，避免不良影响的问题，进而解决了阴极传质极化现象，在装配时膜电极压缩应力匹配一致性好，可以降低单电池阻抗。此外，良好的热管理设计是实现大功率电堆开发的前提，冷却水腔由氧流场的脊和氢流场的脊共同构成，通过分配区氢氧流道均匀交叉的获得了均一冷却液流体压力分布，从而在分配区与反应区获得均一的冷却液分布，在保证冷却液质量流量分布均一性的基础上，设计流道最大共轭换热功率远高于燃料电池的单电池额定功率，整板温度分布最大差异保持在5℃以内，散热功率变化时温度响应速度在一分钟以内，双极板加工成型难度低，模具损伤小且整个成型模具寿命周期内成型精度高，阴阳极入口区域缓冲区避免了流体动能较大对膜电极带来较大的冲击加速膜电极的机械损伤及疲劳，出口处缓冲区避免了出口处发生水淹现象提高燃料电池寿命。

因此，所提供的双极板实现了整板范围内的阴阳极流场的几何拓扑一致性及物理性能一致性，保证了燃料电池电堆高可靠性、高寿命性能。其合理的阴阳极分配区入口布局及冷却水腔布局是解决传质极化及热管理实现燃料电池高性能的基础，从而缓解了现有技术中的缺陷，兼顾了单电池内双极板三腔与膜电极的结构匹配性、温度匹配性及导电性能的一致性，还具有加工成型工艺的友好性及成型工艺相关的结构稳定性，热管理，接触电阻分布一致性，密封设计友好性，焊接工艺的友好性，整板空间利用率高，外定位等辅助功能的兼容性，三腔公用管路设计的几何兼容性及功能合理性等特点，且达到了双极板组装成电堆后，电堆几何外形边界在空间内所占体积最小的优势。

下面参考具体实施例，对本实用新型作进一步描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本实用新型。

实施例1

采用图3、图4所示结构的双极板组装燃料电池，阳极板包括：与阳极进气口6相连通的阳极入口等腰三角形区域7、阳极反应区8、阳极出口等腰三角形区域9、与阳极出口等腰三角形区域相连通的阳极出气口10，阴极板包括：与阴极进气口11相连通的阴极入口等腰三角形区域12、阴极反应区13、阴极出口等腰三角形区域14、与阴极出口等腰三角形区域相连通的阴极出气口15。双极板等腰三角形的底角均为30度，等腰三角形的底边为100.8mm，反应区为长度为270mm，宽度为100.8mm的矩形，阴阳极的反应区流道与分配区流道成120°角过渡，在反应区获得分配区流道一分二的等分结构，阴、阳极板的分配区与反应区均采用1.6mm周期直流道的设计，其中阴极板流道为0.9mm、0.7mm周期沟脊循环，阳极流道采用0.7mm、0.9mm周期沟脊循环；膜电极(MEA)的有效面积为300cm²，MEA面积与双极板面积重合。

控制氢气侧氢气入口压力120K Pa、不增湿、常排；空气侧空气入口压力110K Pa、相对湿度60％，电堆冷却水进口温度70℃，空气化学计量比为2.0，空气与氢气对流设计。电池活化后，测试电堆性能。结果表明，在2000mA/cm²电流密度时电池电压超过0.6V。电池阻抗低欧姆极化小，单池阻抗低于0.22mOhm。

实施例2

采用图5、图6所示结构的双极板组装燃料电池，与实施例1的区别在于：阳极板还包括阳极入口气体缓冲区16、阳极出口气体缓冲区17，阴极板还包括阴极入口气体缓冲区18、阴极出口气体缓冲区19，阳极入口气体缓冲区16和阳极出口气体缓冲区17包括圆柱形阵列结构，阴极入口气体缓冲区18和阴极出口气体缓冲区19包括矩形块阵列结构。阴阳极反应区和阴阳极等腰三角形区域均为曲线型流道。与实施例1相同的测试条件下，电池在2000mA/cm²电流密度时电池电压超过0.62V。电池阻抗低欧姆极化小，单池阻抗低于0.215mOhm。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述双极板具有阴极板和阳极板；所述阴极板和所述阳极板上不设置单独分配区，所述单独分配区指不进行化学反应只具有流体分配功能的区域，所述阴极板和所述阳极板上设置反应区域，所述反应区域与适于用作分配区并具有反应区功能的区域相连通，所述阳极板在背离所述阴极板的一侧具有阳极气体通道，所述阴极板在背离所述阳极板的一侧具有阴极气体通道，在所述阳极板和所述阴极板的面对彼此的侧上构造冷却剂通道。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述适于用作分配区并具有反应区功能的区域为等腰三角形区域，所述阴极板和所述阳极板分别具有反应区域和两个等腰三角形区域，两个所述等腰三角形区域分别位于所述反应区域的两端。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，其中在每个等腰三角形区域布置：具有用于输送或输出阳极气体的阳极气体口，用于输送或输出阴极气体的阴极气体口，以及用于输送或输出冷却剂的冷却剂口；其中所述阳极气体口和所述冷却剂口沿着所述等腰三角形区域的一个腰边布置，所述阴极气体口沿着所述等腰三角形区域的另一个腰边布置。

4.根据权利要求2所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，等腰三角形区域一端与反应区域连通，一端与缓冲区连通。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，缓冲区包括圆柱形阵列、矩形块阵列。

6.根据权利要求4或5所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，缓冲区在双极板流场面积中的占比为1.5-3％。

7.根据权利要求2-5任一项所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述反应区域具有反应区域流场，所述等腰三角形区域具有等腰三角形区域流场；其中所述等腰三角形区域流场内设置有第一流道，所述第一流道的宽度为H1，所述反应区域流场内设置有第二流道，所述第二流道的宽度为H2，所述H1与H2满足以下关系：

H2/H1＝n，其中，n为≥2的整数；

所述等腰三角形区域的底角α与所述第一流道与所述第二流道之间的夹角相差90°，所述α满足：α＝arcsin(1/n)。

8.根据权利要求2-5任一项所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述等腰三角形区域的顶角的范围为100°至150°；和/或，所述等腰三角形区域的底角α的范围为15°至40°。

9.根据权利要求3所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述阳极气体口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边长度的40％-60％；

和/或，所述冷却剂口的长度为所述等腰三角形区域的一个腰边的40％-60％；

和/或，所述阴极气体口的长度为所述等腰三角形区域的另一个腰边长度的90％-100％。

10.根据权利要求7所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述等腰三角形区域的顶角为120°时，所述n为2。

11.根据权利要求7所述的用于燃料电池的双极板，其特征在于，所述第一流道包括直线型流道或曲线型的流道；和/或，所述第二流道包括直线型流道或曲线型的流道。

12.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的用于燃料电池的双极板。

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