一种燃料电池极板结构、双极板及燃料电池

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池极板结构、双极板及燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)是一种以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂的电化学发电装置，目前广泛应用于交通、发电、储能等场景。受应用场景需要，电堆的功率越来越大，其电压平台也越来越高，为了保证其运行过程中的使用安全往往对电堆的绝缘性能有着一定的要求。
3.传统的双极板结构在进行电堆装配叠放时为提高绝缘性能一般将膜电极(membrane electrode assembly，mea)绝缘边框延伸出极板以外。该结构虽保证了一定的绝缘效果，但也造成了一些负面的影响。比如膜电极外围延伸出极板导致边框外围大于极板，在叠放定位时外定位无法紧密配合，从而影响了电堆尤其是大功率多节的装配精度；而公用通道内部边框延伸出极板往往会阻隔流体流动，阻碍公用通道内的反应气冷凝水的自由流动，严重时甚至可能造成电堆内部的mea水淹问题。
4.随着应用越来越广泛，电堆的功率需求越来越大，在一些布置空间相对局促的场景下进一步提高电堆的体积比功率密度从而减小电堆整体体积尤为重要。现有提高体积比功率密度的实现方式除提高整体电池发电性能外主要是减小发电节单元(一节mea加一节双极板为一个节单元)的厚度，该方式减小了两单元极板之间的电气间隙，同时增加了电堆绝缘的难度。而在高功率高电压应用时绝缘性又是一个保障安全运行的关键。
5.因此，仅依靠将膜电极绝缘边框延伸出极板以外难以适应目前的绝缘需求，需要从极板乃至电堆上进行优化设计提升其绝缘性。
6.现有技术中，中国发明专利cn214203742公开了一种燃料电池金属双极板绝缘套，其采用绝缘套作为边框结构，内设夹层，绝缘套通过使金属双极板的外边缘插入绝缘套的夹层中实现对金属双极板外边缘的包覆，该结构降低了双极板间短路的可能性。中国发明专利申请cn114824353中同样提供了一种极板包塑结构。该包塑结构设置在双极板的外边缘整圈布置，其在不增加燃料电池电气空间的基础上实现对燃料电池绝缘性的增强，提高燃料电池的结构稳定性。中国发明专利申请cn115377475公开了一种燃料电池双极板边缘包胶结构，包胶结构包裹双极板边缘，使双极板与mea装配后之间形成密封，该发明解决了相邻双极板之间的绝缘性和密封性不足。但是，上述结构主要都是通过在极板外围包覆绝缘结构来提高外围的电气空间从而达到绝缘的效果，绝缘套仅包覆了金属双极板的外边缘，而双极板流体公用通道内双极板之间的电气间隙同样较小，如此处不提高绝缘性，仅通过外围结构无法达到较好的效果。且该方法需要在双极板外侧包覆绝缘结构，实际增加了双极板乃至电堆的外轮廓尺寸。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池极板结构、双极板及燃料电池。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池极板结构，包括绝缘结构和导电结构，所述导电结构与绝缘结构相连，所述绝缘结构设置在所述导电结构外侧；
10.所述极板上设有密封区域、公用通道、分配区域和反应区域，所述密封区域和公用通道设置在所述绝缘结构上，所述分配区域和反应区域设置在所述导电结构上；
11.所述密封区域用于连接极板和膜电极，所述公用通道用于进出冷却液和反应气体，所述分配区域用于分配和汇集冷却液和反应气体，所述反应区域用于进行化学反应。
12.优选地，所述公用通道与分配区域之间设有进出口结构，所述进出口结构采用绝缘材料制成，成型于绝缘结构上。
13.优选地，所述公用通道包括气体公用通道和冷却液公用通道，所述分配区域包括气体分配区域和冷却液分配区域，所述气体公用通道与气体分配区域之间的进出口结构为翻越式结构，包括多个排列在气体公用通道与气体分配区域之间的通孔，反应气体自极板第一侧的气体公用通道流入所述翻越式结构，从通孔翻越到所述极板第二侧的气体分配区域内。
14.优选地，所述导电结构上还设有巡检部，所述巡检部自导电结构上延伸至绝缘结构外，或者，所述绝缘结构避让空出所述导电结构的巡检部。
15.优选地，所述导电结构的边缘设有导通孔，所述导通孔设置在导电结构与绝缘结构的连接处。
16.优选地，所述绝缘结构采用绝缘材料直接成型在导电结构上的方式制作。
17.优选地，所述极板与膜电极之间的连接方式为：绝缘结构上的密封区域与膜电极之间胶粘。
18.优选地，所述极板与膜电极之间的连接方式为：绝缘结构上的密封区域设有密封槽，密封区域与膜电极之间采用密封胶线密封。
19.根据本发明的第二方面，提供一种双极板，其极板结构使用如本发明第一方面所述的燃料电池极板结构。
20.根据本发明的第三方面，提供一种燃料电池，其极板结构使用如本发明第一方面所述的燃料电池极板结构。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.(1)极板采用导电结构与绝缘结构组合合成，反应区域设置在导电结构上保证了良好的导电性，公用通道和极板的边缘结构为绝缘材料制成，提高了极板间的爬电距离和绝缘间隙，进一步提高了电堆的绝缘效果。
23.(2)未增加极板的尺寸，采用该结构可以缩小边框伸入公用通道的尺寸，避免因边框阻隔导致的公用通道的冷凝水在流体进出口处积累，以及边缘的伸出尺寸，从而保证外边缘的齐平，有助于提高电堆装配的精度。
24.(3)气体和冷却液进出口结构直接成型在绝缘结构上，成型空间大，可以提高进出口结构的流通性，保证流体在公用通道内的顺利流通。
25.(4)极板的外侧为绝缘结构，mea的边框可与绝缘结构齐平，从而提高定位的精度和电堆装配的便利性，提升电堆产品整体装配精度和合格率。
附图说明
26.图1为极板结构的整体示意图；
27.图2为极板结构的拆分示意图；
28.图3为导电结构的示意图；
29.图4为绝缘结构的示意图；
30.图5为气体流通路径示意图；
31.图6为冷却液流通路径示意图；
32.图7为图5中气体的进出口结构放大示意图；
33.图8为图6为冷却液的进出口结构放大图；
34.图9为图1中极板边缘a-a剖面示意图；
35.附图标记：1、导电结构，1-1、分配区域，1-2、反应区域，2、绝缘结构，2-1、公用通道，3、巡检部，4、导通孔，5、进口侧气体公用通道，6、出口侧气体公用通道，7、进口侧冷却液公用通道，8、出口侧冷却液公用通道，9、气体的进出口结构，10、冷却液的进出口结构。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
37.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
38.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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技术的限制。
39.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
40.本发明提供一种燃料电池极板结构，如图1、图2所示，包括绝缘结构2和导电结构1，导电结构1与绝缘结构2相连，绝缘结构2设置在导电结构1外侧，其中，导电结构1如图3所
示，绝缘结构2如图4所示。
41.双极板在燃料电池电堆中主要作用为分配反应气体、导电导热及支撑膜电极，是燃料电池的骨架与基础，一般，极板上设有密封区域、公用通道2-1、分配区域1-1和反应区域1-2，本技术中，密封区域和公用通道2-1设置在绝缘结构2上，分配区域1-1和反应区域1-2设置在导电结构1上；其中，密封区域用于连接极板和膜电极，公用通道2-1用于进出冷却液和反应气体，分配区域1-1用于分配和汇集冷却液和反应气体，反应区域1-2用于进行化学反应。
42.本技术中极板由导电结构1和绝缘结构2组合合成，导电结构1包含用于气体反应功能的反应区域1-2(活性区域)和用于气体冷却液分配功能的分配区域1-1，绝缘结构2包含密封区域和公用通道2-1。本技术提供的极板结构中，公用通道2-1及极板的边缘区域均为绝缘材料，两两极板之间的爬电距离和绝缘距离增加，进一步提高了电堆整体绝缘效果。此外，本技术提供的极板结构并未增加极板的尺寸，采用该结构可以缩小边框伸入公用通道的尺寸，避免因边框阻隔导致的公用通道的冷凝水在流体进出口处积累，以及边缘的伸出尺寸，从而保证外边缘的齐平，有助于提高电堆装配的精度。
43.下面对本技术的极板结构进行详细说明：
44.导电结构1采用金属或石墨等导电材料成型而成，其成型方式采用但不限于冲压、蚀刻、辊花、机雕及模压等方式。导电结构1位于整体极板的中间区域，其上加工出所需流道以供气体流通并进行电化学反应，而冷却液流道在气体流道脊背面。可以通过冲压、蚀刻、辊花、机雕或模压工艺加工成型出满足不同设计需求的流道，一侧供气体流通进行反应，另一侧供冷却液流通进行散热。目前，导电材料应用较多的为不锈钢ss316l、钛及钛合金、石墨等材料，但是，本领域技术人员也可以根据需要选择其他导电材料。
45.绝缘结构2可以采用绝缘材料直接成型在导电结构1上的方式制作，并保证与极板的粘接满足气密性要求，绝缘材料的选择需要考虑燃料电池的应用环境如酸性、高温、高压、氢空等环境下的应用和耐久，还需考虑其热膨胀系数避免在电堆运行温度变化时带来的mea和极板的膨胀带来的尺寸变化的影响；绝缘结构2在导电结构1上的成型方式可采用但不限于注塑成型，为了进一步保证紧固，在成型绝缘结构2时可在极板导电结构1表面喷涂胶粘剂等增强绝缘材料和极板导电结构1的粘附力；此外，绝缘结构2也可以单独制作，再将导电结构1与绝缘结构2以胶粘、密封槽+密封胶线或者其他方式连接。
46.本技术实施例中，如图3、图9所示，在导电结构1的边缘设有导通孔4，导通孔4设置在导电结构1与绝缘结构2的连接处，可连通极板导电结构1外侧的绝缘结构2使其更好的与导电结构1固定，保证外侧绝缘材料与导电材料之间紧密可靠地结合。
47.导电结构1与绝缘结构2的结合区域截面如图9所示，绝缘结构2包覆住导电结构1的边缘，保证导电结构1不露出边缘。这样电堆装配时极板叠放后两个单节电池的极板之间由绝缘结构2隔绝，增加了电气空间，从而避免了传统极板边缘变形易短路的情况出现；与此同时，也保证整个电堆对外部环境的绝缘。
48.在导电结构1上还设有巡检部3，巡检部3用于进行电池电压监测，其中，巡检部3可以自导电结构1上延伸至绝缘结构2外，或者，绝缘结构2避让空出导电结构1的巡检部3。
49.另外，在公用通道2-1与分配区域1-1之间设有进出口结构，进出口结构采用绝缘材料制成，成型于绝缘结构2上，可通过成型方式直接做出流通结构。
50.公用通道2-1分为气体公用通道和冷却液公用通道，分配区域1-1分为气体分配区域和冷却液分配区域，气体公用通道、冷却液公用通道、气体分配区域和冷却液分配区域又可以分为进口侧和出口侧。本技术实施例中，图7示出了进口侧气体公用通道5的气体进出口结构9的正反两面放大示意图，气体公用通道与气体分配区域之间的进出口结构9为翻越式结构，包括多个排列在气体公用通道与气体分配区域之间的通孔，反应气体自极板第一侧的气体公用通道流入翻越式结构，从通孔翻越到极板第二侧的气体分配区域内，气体流通路径如图5所示，反应气体通过进口侧气体公用通道5经过绝缘结构2上的翻越进出口结构9进入导电结构1上进口侧的气体分配区域，然后分配进各流道内并在mea上进行电化学反应，未反应的气体通过导电结构1出口侧的气体分配区域汇入绝缘结构2上的翻越进出口结构，从出口侧气体公用通道6排出。
51.图8示出了进口侧冷却液公用通道7的冷却液进出口结构10的放大示意图，冷却液公用通道与冷却液分配区域之间的进出口结构10同样为绝缘结构2，冷却液流通路径如图6所示，冷却液直接通过脊槽进出极板冷却液流道，冷却液通过进口侧冷却液公用通道7经过绝缘结构2上的进出口结构10进入导电结构1上进口侧的冷却液分配区域，然后分配进各流道内进行冷却功能，再通过导电结构1出口侧的冷却液分配区域汇入绝缘结构2上的进出口结构，从出口侧冷却液公用通道8排出。结构相较于传统极板上翻越结构简单，进出口流阻相对较小。
52.使用本技术提供的极板结构装配电堆时，由于极板公用通道和边缘均为绝缘材料，故而mea可不用按照传统结构伸出极板来保证绝缘。mea边框可略大于导电结构1区域，也可以延伸与绝缘结构2齐平，但可以不用延伸出绝缘结构2外来保证绝缘，申请实施例中，极板与mea的边框边缘完全齐平，定位时可以与定位结构紧密接触，提高装配精度。定位方式可选择外定位、内定位或内外定位相配合。在实际应用中，极板绝缘结构2与膜电极之间的连接方式可以为：绝缘结构2上的密封区域与膜电极之间胶粘，也可以为：绝缘结构2上的密封区域设有密封槽，密封区域与膜电极之间采用密封胶线密封。
53.可以理解的是，关于分配区域的形状、大小、尺寸，以及反应区的一些实施细节，可以按照现有技术中的常规设计进行，也可以根据需要设置，本领域技术人员可以理解，在此不再一一赘述。
54.本发明还提供一种双极板，其极板结构使用上述的燃料电池极板结构，两个极板作为阴阳极板构成整体双极板。
55.本发明还提供一种燃料电池，其极板结构使用上述的燃料电池极板结构。
56.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种燃料电池极板结构，其特征在于，包括绝缘结构和导电结构，所述导电结构与绝缘结构相连，所述绝缘结构设置在所述导电结构外侧；所述极板上设有密封区域、公用通道、分配区域和反应区域，所述密封区域和公用通道设置在所述绝缘结构上，所述分配区域和反应区域设置在所述导电结构上；所述密封区域用于连接极板和膜电极，所述公用通道用于进出冷却液和反应气体，所述分配区域用于分配和汇集冷却液和反应气体，所述反应区域用于进行化学反应。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述公用通道与分配区域之间设有进出口结构，所述进出口结构采用绝缘材料制成，成型于绝缘结构上。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述公用通道包括气体公用通道和冷却液公用通道，所述分配区域包括气体分配区域和冷却液分配区域，所述气体公用通道与气体分配区域之间的进出口结构为翻越式结构，包括多个排列在气体公用通道与气体分配区域之间的通孔，反应气体自极板第一侧的气体公用通道流入所述翻越式结构，从通孔翻越到所述极板第二侧的气体分配区域内。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述导电结构上还设有巡检部，所述巡检部自导电结构上延伸至绝缘结构外，或者，所述绝缘结构避让空出所述导电结构的巡检部。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述导电结构的边缘设有导通孔，所述导通孔设置在导电结构与绝缘结构的连接处。6.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述绝缘结构采用绝缘材料直接成型在导电结构上的方式制作。7.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述极板与膜电极之间的连接方式为：绝缘结构上的密封区域与膜电极之间胶粘。8.根据权利要求1所述的一种燃料电池极板结构，其特征在于，所述极板与膜电极之间的连接方式为：绝缘结构上的密封区域设有密封槽，密封区域与膜电极之间采用密封胶线密封。9.一种双极板，其特征在于，其极板结构使用如权利要求1-8中任一所述的燃料电池极板结构。10.一种燃料电池，其特征在于，其极板结构使用如权利要求1-8中任一所述的燃料电池极板结构。

技术总结
本发明涉及一种燃料电池极板结构、双极板及燃料电池，极板包括绝缘结构和导电结构，导电结构与绝缘结构相连，绝缘结构设置在导电结构外侧；极板上设有密封区域、公用通道、分配区域和反应区域，密封区域和公用通道设置在绝缘结构上，分配区域和反应区域设置在导电结构上；密封区域用于连接极板和膜电极，公用通道用于进出冷却液和反应气体，分配区域用于分配和汇集冷却液和反应气体，反应区域用于进行化学反应。与现有技术相比，本发明中极板采用导电结构与绝缘结构组合合成，反应区域设置在导电结构上保证了良好的导电性，公用通道和极板的边缘结构为绝缘材料制成，提高了极板间的爬电距离和绝缘间隙，进一步提高了电堆的绝缘效果。果。果。


技术研发人员：明平文 胡科峰 杨代军 郑伟波 李冰 张存满
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12