石墨双极板及质子交换膜燃料电池的制作方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种石墨双极板及质子交换膜燃料电池。

背景技术：

双极板在电堆中起到收集电流、分隔燃料和氧化剂、传热、支撑电堆等重要作用。其中，石墨双极板因其具有电、导热性能好、电阻低、耐腐蚀性强、适合批量加工等优点而被广泛应用于质子交换膜燃料电池中。

作为处于提供能量核心地位的质子交换膜燃料电池在运行时，会在电池进行电化学反应过程中产生大量热，该热量若得不到及时发散，容易影响电堆的性能稳定。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种石墨双极板及质子交换膜燃料电池，旨在提供一种利于散热以确保电堆性能稳定的石墨双极板及质子交换膜燃料电池。

为实现上述目的，本发明提出的一种石墨双极板，用于质子交换膜燃料电池，所述石墨双极板包括两个石墨单元板，每一所述石墨单元板包括层叠设置的端板及流场板，以在二者的层叠处限定出沿横向并行间隔设置的多个水浴流道，每一所述水浴流道包括上下间隔的两个横向段、以及连接所述两个横向段的竖向段；

其中，所述两个石墨单元板的其一为阴极板，另一为阳极板。

可选地，所述石墨单元板具有沿层叠方向贯穿所述端板及所述流场板且连通所述水浴流道设置的水浴进口与水浴出口，所述水浴进口设于所述水浴出口的下方。

可选地，所述流场板具有背对对应的所述端板设置的流场侧，所述流场板的流场侧设有气体流道；

所述气体流道包括沿横向并行间隔设置的多个通道段，每一所述通道段沿上下向延伸。

可选地，所述阳极板的气体流道还包括分设于所述多个通道段的进口处及出口处的两个配气流道。

可选地，所述阳极板的流场侧设有多个凸柱，所述多个凸柱分设于所述多个通道段的进口处及出口处，所述多个凸柱构成所述两个配气流道；

其中，每一所述凸柱的外周侧呈弧面状设置。

可选地，所述石墨单元板具有沿层叠方向贯穿所述端板及所述流场板且连通所述气体流道设置的气体进口与气体出口；

所述石墨单元板还包括设于所述端板及所述流场板之间的扰流件，所述扰流件设于所述气体进口处和/或所述气体出口处，以对经过的气体进行扰流。

可选地，所述扰流件包括板状本体及贯穿所述板状本体厚度方向设置的多个过气孔。

可选地，所述石墨单元板具有沿层叠方向贯穿所述端板及所述流场板且连通所述气体流道设置的气体进口与气体出口；其中，

所述阴极板的气体进口处设有至少一个加强筋；和/或，

所述阴极板上邻近气体出口处设有安装腔，所述安装腔用以供冷凝器安装。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种质子交换膜燃料电池，包括：

膜电极；以及，

如上所述的石墨双极板；

其中，所述阴极板及所述阳极板的两个流场板分别安装于所述膜电极的相对两侧壁。

可选地，所述流场板具有背对对应的所述端板设置的流场侧，所述流场板的流场侧设有气体流道；

所述石墨单元板至少在所述流场板的流场侧上沿所述气体流道的周侧设有密封槽，所述密封槽用以供一密封圈安装。

本发明提供的技术方案中，石墨单元板在端板及流场板之间设置水浴流道，不干扰流场板与膜电极之间的反应，也即不影响电堆的工作；水浴流道通过两个横向段及竖向段而设置成连通的z字型，使得在有限的板面内尽可能多地增大水流量同时减小流阻，促进去离子水的顺利流通以利于换热，且便利于对电池进行水热管理，使得电堆持续在适宜温度下运行，有助于提升电堆的工作效率及稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的风冷质子交换膜燃料电池的一实施例的分解示意图；

图2为图1中阴极端板(一侧)的结构示意图；

图3为图1中阴极端板(另一侧)的结构示意图；

图4为图1中阴极流场板(一侧)的结构示意图；

图5为图1中阴极流场板(另一侧)的结构示意图；

图6为图1中阳极端板(一侧)的结构示意图；

图7为图1中阳极端板(另一侧)的结构示意图；

图8为图1中阳极流场板(一侧)的结构示意图；

图9为图1中阳极流场板(另一侧)的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

双极板在电堆中起到收集电流、分隔燃料和氧化剂、传热、支撑电堆等重要作用。其中，石墨双极板因其具有电、导热性能好、电阻低、耐腐蚀性强、适合批量加工等优点而被广泛应用于质子交换膜燃料电池中。

作为处于提供能量核心地位的质子交换膜燃料电池在运行时，会在电池进行电化学反应过程中产生大量热，该热量若得不到及时发散，容易影响电堆的性能稳定。

鉴于此，本发明提供一种质子交换膜燃料电池，如图1所示为质子本发明提供的质子交换膜燃料电池的具体实施例，所述质子交换膜燃料电池包括膜电极以及石墨双极板，其中，所述石墨双极板包括阴极板及阳极板，所述阴极板及所述阳极板的两个流场板分别安装于所述膜电极的相对两侧壁。

请参阅图2至图9，所示为本发明提供的石墨双极板的具体实施例，由于本发明的主要发明点在于对石墨双极板的改进，以下将首先结合附图及具体实施例，对石墨双极板进行说明。

请参阅图1、图3及图5，本发明提供的所述石墨双极板包括两个石墨单元板，每一所述石墨单元板包括层叠设置的端板及流场板，以在二者的层叠处限定出沿横向并行间隔设置的多个水浴流道3，每一所述水浴流道3包括上下间隔的两个横向段31、以及连接所述两个横向段31的竖向段32；其中，所述两个石墨单元板的其一为阴极板1，另一为阳极板2。

本发明提供的技术方案中，所述石墨单元板在所述端板及所述流场板之间设置所述水浴流道3，不干扰所述流场板与所述膜电极7之间的反应，也即不影响电堆的工作；所述水浴流道3通过两个横向段31及竖向段32而设置成连通的z字型，使得在有限的板面内尽可能多地增大水流量同时减小流阻，促进去离子水的顺利流通以利于换热，且便利于对电池进行水热管理，使得电堆持续在适宜温度下运行，有助于提升电堆的工作效率及稳定性。

为便于区分，以下将阴极板1的端板及流场板分别定义为阴极端板11及阴极流场板12、将阳极板2的端板及流场板分别定义为阳极端板21及阳极流场板22。另外需要说明的是，本设计中的所述上下向指的是竖直方向，大致相当于所述石墨双极板的长度方向；所述横向指的是水平方向，大致相当于所述石墨双极板的宽度方向。

基于技术较为成熟的所述质子交换膜燃料电池100，可以理解，在组接方向上，所述阴极端板11、所述阴极流场板12、所述膜电极7、所述阳极流场板22及所述阳极端板21沿其厚度方向依次层叠布设，以共同构成一个单电池，其中，所述阳极板2用以流通氢气，所述阴极板1用以流通氧化剂，氢气与氧化剂在所述膜电极7上产生电化学反应，从而实现将化学能转换为电能的目的。所述水浴流道3用以流通去离子水，所述去离子水作为冷却液，可在流通过程中对石墨双极板进行换热，使得石墨双极板始终处于较为适宜的温度范围内，便利于电化学反应的高效且稳定进行。

通过将所述水浴流道3设置为包括沿上下向间隔设置的两个横向段31、以及连接所述两个横向段31的竖向段32，使得每一所述水浴流道3大致呈现为z字型，其中，所述横向段31有助于平缓去离子水的流通速度，从而延长去离子水的流通时间，加强水浴效果；所述竖向段32有助于分散去离子水在所述水浴流道3内的分布，也即分散去离子水在所述端板及所述流场板之间的分布，从而扩大所述去离子水的流通区域。如此设置，使得在所述石墨双极板的有限板面上，可以尽可能多地扩大所述水浴流道3在所述石墨双极板对应板面上的布设范围，也即扩大去离子水的水流量，从而确保形成有足够的换热面积；并且，z字型设置的所述水浴流道3无需过多的弯曲盘绕，可避免对去离子水的流通施加过多干涉，从而使得去离子水在所述水浴流道3内的流速较为平稳；可以理解，所述质子交换膜燃料电池100具有一较优工作温度，在该较优工作温度下，所述质子交换膜燃料电池100内进行的电化学反应更为稳定且高效。基于此，所述水浴流道3的设置便利于对电池进行水热管理，例如在所述质子交换膜燃料电池100启动时，所述水浴流道3内的去离子水能够对电池进行加热，使得所述质子交换膜燃料电池100能够更为快速地升温至所述较优工作温度；而在所述质子交换膜燃料电池100的持续运行过程中，所述水浴流道3内的去离子水能够对电池进行冷却控温，使得所述质子交换膜燃料电池100能够维持在所述较优工位温度内。

进一步地，请参阅图3至图4、及图7至图8，在一实施例中，所述石墨单元板具有沿层叠方向贯穿所述端板及所述流场板且连通所述水浴流道3设置的水浴进口33与水浴出口34，以供去离子水自所述水浴进口33进入，经所述水浴通道，并从所述水浴出口34流出。所述水浴进口33设于所述水浴出口34的下方，有助于在重力作用下减缓去离子水在所述水浴流道3内的流通速度，一定程度上延长去离子水的流通时间，从而实现更好的水浴效果。

请参阅图5及图9，在一实施例中，所述流场板具有背对对应的所述端板设置的流场侧，所述流场板的流场侧设有气体流道；所述气体流道包括沿横向并行间隔设置的多个通道段，每一所述通道段沿上下向延伸。同样地，为便于区分，本设计将所述阴极板1上的气体流道及通道段分别定义为阴极流道13及阴极通道段131、将所述阳极板2上的气体流道及通道段分别定义为阳极流道23及阳极通道段231。所述阴极通道段131及所述阳极通道段231间隔设有多个，使得每一所述阴极通道段131及所述阳极通道段231都独立作用，即使在部分所述阴极通道段131及所述阳极通道段231出现堵水现象时，仍保留有足够的所述阴极通道段131及所述阳极通道段231继续正常工作，确保电池整体运行的稳定；所述多个阴极通道段131及所述多个阳极通道段231沿横向并行设置，使得每一所述阴极通道段131内的氧化剂的流通方向及流速均衡一致、每一所述阳极通道段231内的氢气的流通方向及流速均衡一致，从而有助于电化学反应的供料均衡稳定；所述阴极通道段131及所述阳极通道段231沿上下向延伸设置，可进一步利用重力作用加快积水的流速，从而质子交换膜燃料电池100提高排水能力，避免因所述膜电极7出现水淹现象而降低所述质子交换膜燃料电池100的发电功率。此外，所述阴极通道段131及所述阳极通道段231的设置，有助于在一定程度上提高所述石墨双极板的强度，使得所述阴极流场板12与所述阳极板2之间更好地配合而能够夹紧所述膜电极7的相对两侧，从而能够增强气密性，且降低装配难度。

进一步地，在一实施例中，所述阳极板2的气体流道还包括分设于所述多个通道段的进口处及出口处的两个配气流道232。所述配气流道232有助于对进出所述阳极通道段231的氢气进行均匀分配，从而平缓氢气的流速且均衡每一所述阳极通道段231内流通的氢气量，有效减少氢气的流失和损耗。

具体地，在一实施例中，所述阳极板2的流场侧设有多个凸柱24，所述多个凸柱24分设于所述多个通道段的进口处及出口处，所述多个凸柱24构成所述两个配气流道232；相邻的每两个所述凸柱24之间形成一过气通道，从而每一所述配气流道232内形成多个过气通道，氢气自阳极气体进口25进入所述流场侧后，被多个所述过气通道均匀分散，实现了氢气的均匀分布，从而使得进入所述多个阳极通道段231的氢气的氢气量及流速更为均衡一致，确保氢气在所述阳极流场板22的流场侧上分布均衡，有助于提高氢气与所述膜电极7之间的接触面积，使得反应效率提高，从而确保电化学反应的均衡稳定进行；另外，所述多个凸柱24的设置相当于支撑结构，有助增强所述阳极流场板22的流场侧与膜电极7之间的连接强度，且避免所述阳极流场板22的流场侧在长期使用过程中变形而与所述膜电极7相贴合，导致阳极流道23堵塞的情况发生。其中，位于所述多个通道段的出口处设置的多个凸柱24，有助于提高所述阳极流场板22的排水能力，减小积水对电池性能的影响。

上述中，每一所述凸柱24的外周侧呈弧面状设置。所述凸柱24可具体表现为圆柱体或者半球体，避免在所述凸柱24的外周侧壁上形成尖角或者突变的拐角而扰乱氢气的流速。所述凸柱24可与所述阳极流场板22的流场侧一体成型设置，例如对阳极流场板22的流场侧进行冲压加工而直接形成；或者，所述凸柱24可以独立于所述阳极流场板22的流场侧设置，通过粘接固定或者螺接固定等方式安装在阳极流场板22的流场侧上。

请参阅图1、图3及图7，在一实施例中，所述石墨单元板具有沿层叠方向贯穿所述端板及所述流场板且连通所述气体流道设置的气体进口与气体出口，与上述同理地，将所述阳极板2的气体进口及气体出口分别定义为阳极气体进口25及阳极气体出口26、将所述阴极板1的气体进口及气体出口分别定义为阴极气体进口14及阴极气体出口15。所述石墨单元板还包括设于所述端板及所述流场板之间的扰流件4，所述扰流件4设于所述气体进口处和/或所述气体出口处，以对经过的气体进行扰流，使得氧化剂和/或氢气在各自的气体流道内更为均匀分散，从而进一步使得进入每一所述通道段内的气体更为均衡。

所述扰流件4的具体技术方案有多种，但基于结构简化及成本降低的考虑，在本实施例中，所述扰流件4包括板状本体及贯穿所述板状本体厚度方向设置的多个过气孔41。所述板状本体设于所述端板与所述流场板之间，可与对应的所述端板和/或所述流场板可一体成型设置，也可分体设置；所述板状本体设有多个过气孔41，每一所述过气孔41呈纵长形且沿对应的气流方向延伸设置，有助于延长扰流距离，且缩短与对应的气体流道之间的距离，使得经扰流后的气体能够更快地进入对应的气体流道内。

请参阅图7及图8，在一实施例中，所述阴极板1在所述阴极气体进口14处设有至少一个加强筋5。由于石墨材质较金属材质的强度较低，所述加强筋5的设置，有助于提高所述阴极板1的强度，且起到支撑作用，使得在所述阴极板1受到碰撞等外力作用时，能够通过传递并分散外力冲击，减小碰撞对所述阴极板1的破坏。

请参阅图1、图8及图9，在一实施例中，所述阴极板1上邻近气体出口处设有安装腔6，所述安装腔6用以供冷凝器9安装。所述安装腔6的设置为所述冷凝器9提供准确的安装位，使得安装方便，有助于直接降低出口处的气体温度，增加流道内外温差，且同样有助于提高排水效率；所述冷凝器9的设置，能够进一步降低流场外的温度，继而进一步增大流场内外的温差，而温差的增大有助于加快流场内的气液转换效率，配合流场内所述气体流道等结构，可加强所述阴极板1的排水能力，有助于及时排水，从而提升电池工作效率及稳定。

进一步地，请参阅图2及图5，在一实施例中，所述石墨单元板至少在所述流场板的流场侧上沿所述气体流道的周侧设有密封槽81，所述密封槽81用以供一密封圈安装。所述密封槽81配合所述密封圈，有助于提高电池的气密性；并且，所述密封槽81的设置，能够更好地卡持限位所述密封圈，使得所述密封圈的安装更为便利，同时也使得所述质子交换膜燃料电池100的拆装更为便利，以利于维护检修。当然，所述密封槽81及所述密封圈还可以设置在所述石墨双极板的其他板面上，例如设置在所述阴极端板11背对所述阴极流场板12的一侧板面上，此处不做赘述。

所述石墨双极板设有胶槽，且所述石墨双极板沿其周向设有锁紧孔82。在装配时，首先可在所述阴极流场板12及所述阳极端板21的胶槽内涂覆密封胶，然后分别将所述阴极端板11与所述阴极流场板12贴合、将所述阳极端板21与所述阳极流场板22贴合；当所述胶槽内的密封胶凝固后，在所述阳极流场板22的流场侧的密封槽81内安装密封圈，并将所述膜电极7安装至所述阳极流场板22的流场侧上；同理地，在所述阴极流场板12的流场侧的密封槽81内安装密封圈，并将所述膜电极7安装至所述阴极流场板12的流场侧上；最后，将所述冷凝器9安装至所述安装腔6内，并通过螺栓连接所述锁紧孔82来加强连接气密性，完成整个单电池的装配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。