用于燃料电池的双极板、燃料电池模块和燃料电池堆

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及用于燃料电池的双极板、包括该双极板的燃料电池模块以及包括该燃料电池模块的燃料电池堆。

背景技术

燃料电池堆通常包括多个燃料电池单元，每个燃料电池单元包括一对极板(即，阳极极板和阴极极板)和被夹在极板之间的膜电极组件(MEA)，其中相邻的燃料电池单元的极板可以做成一体而被称为双极板(BPP)。双极板一般为两侧带有沟槽且中间带有通道的金属板或复合材料板，其中与膜电极组件连通的沟槽形成反应气体(例如，空气和氢气)流道，而中间的通道形成冷却剂流道，以用于在燃料电池工作过程中提供反应气体和去除产生的热量。

在燃料电池的工作过程中，膜电极组件需要保持一定的湿度才能保证电化学反应的顺利进行，否则，燃料电池的电流和温度可能发生急剧变化，而导致电池性能下降或损坏。如图1所示，现有的燃料电池的双极板两端一般分别设有第一集流端口11(例如，燃料气体集流端口)、第二集流端口12(例如，氧化气体集流端口)和第三集流端口13(例如，冷却剂集流端口)，且在双极板内设有第一流道14、第二流道15和第三流道16。更具体地，双极板包括第一极板和第二极板(未示出)，且第一集流端口11、第二集流端口12和第三集流端口13在双极板的两端对应地贯穿第一极板和第二极板。这样，在现有的燃料电池堆中，来自集流管路中的燃料气体、氧化气体和冷却剂穿过各个双极板，并行地进入各个燃料电池单元。因此，受燃料气体、氧化气体和冷却剂穿过各燃料电池单元的流路的限制，难以在整个燃料电池堆内提供有效的内部加湿，也难以优化燃料电池堆内的局部电流和温度分布。

因此，需要对现有的燃料电池的双极板进行改进，以提高燃料电池堆的内部加湿效果和优化燃料电池堆内的局部电流和温度分布。

发明内容

本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于燃料电池的双极板、包括该双极板的燃料电池模块以及包括该燃料电池模块的燃料电池堆，其能够提高燃料电池堆的内部加湿效果和优化燃料电池堆内的局部电流和温度分布。

为此，根据本申请的一方面，提供了一种用于燃料电池的双极板，包括：第一极板；和第二极板，其与所述第一极板固定；其中，在所述双极板的两端处，所述第一极板和所述第二极板各自设有第一集流端口，所述第一极板的任一端的第一集流端口与所述第二极板的对应端的第一集流端口形成第一对集流端口，其中，在所述双极板的一端处的所述第一对集流端口不连通，而在所述双极板的另一端处的所述第一对集流端口连通。

根据本申请的另一方面，提供了一种燃料电池模块，包括：第一双极板，所述第一双极板被配置成根据上述的双极板；第二双极板，所述第二双极板包括第一极板和第二极板，其中在所述第二双极板的两端处，所述第二双极板包括各自连通的第一对集流端口、第二对集流端口和第三对集流端口；和第三双极板，所述第三双极板被配置成具有与所述第一双极板相同的结构，但被布置成与所述第一双极板水平翻转，其中，所述第一双极板和所述第三双极板被布置在所述燃料电池模块的外侧。

根据本申请的又一方面，提供了一种燃料电池堆，包括：多个燃料电池模块，所述多个燃料电池模块中的每一个被配置成根据上述所述的燃料电池模块。

根据本申请，通过使双极板的一端的集流端口不连通，可以在燃料电池堆内设置用于加湿的燃料电池模块，提高内部加湿效果，并改变燃料电池堆的局部电流和温度分布。

附图说明

下面将参考附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不是对本申请的范围的限制，在附图中：

图1是现有的用于燃料电池的双极板的示意性透视图；

图2是根据本申请的实施例的用于燃料电池的双极板的示意性透视图；

图3是根据本申请的实施例的燃料电池模块的示意性透视图；

图4是根据本申请的实施例的燃料电池堆的示意性透视图；

图5A至图5C示出了根据本申请的燃料电池堆的各燃料电池模块之间的流体路径的示意图。

具体实施方式

下面结合示例详细描述本申请的优选实施例。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本申请形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互组合。在附图中，为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本申请的双极板、燃料电池模块和燃料电池堆不可包括其它的部分或部件。应当理解，附图中的部分或部件的尺寸、比例关系以及数目均不作为对本申请的限制。

图1示出了现有的用于燃料电池的双极板，其包括第一极板和第二极板，第二极板与第一极板固定在一起。应指出的是，在图1中双极板被示为一块板，并未单独示出第一极板和第二极板，但这类双极板是本领域已知的，因此并未对其进一步详细示出。如图1所示，在双极板的两端处，即，在第一极板和第二极板的两端处，各自设有第一集流端口11、第二集流端口12和第三集流端口13，其中第一极板的任一端的第一集流端口11、第二集流端口12和第三集流端口13分别与第二极板的对应端的第一集流端口11、第二集流端口12和第三集流端口13形成第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13。在双极板的任一端处的第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13各自连通。因此，在包括这种双极板的燃料电池堆中，来自集流管路中的燃料气体、氧化气体和冷却剂并行地进入各个燃料电池单元。

与图1所示的现有的用于燃料电池的双极板相比较，类似地，图2所示的本申请的用于燃料电池的双极板10也包括第一极板和第二极板，第二极板与第一极板固定在一起。应指出的是，在图2中双极板10也被示为一块板，并未示出第一极板和第二极板，但这并不影响对本申请的理解。例如，可以假定图2所示的双极板10的上表面对应第一极板，下表面对应第二极板。如图2所示，在双极板10的两端处，即，在第一极板和第二极板的两端处，各自设有第一集流端口11，第一极板的任一端的第一集流端口11与第二极板的对应端的第一集流端口11形成第一对集流端口11。与现有的双极板不同的是，根据本申请的实施例，在双极板10的一端(例如，左端)处的第一对集流端口11不连通，而在双极板10的另一端(例如，右端)处的第一对集流端口11连通。这样，由于双极板10的一端的一对集流端口不连通，因此可以使包括该双极板的相邻的燃料电池单元的燃料气体、氧化气体和冷却剂中的一种的流路发生改变，从而可以在包括该燃料电池模块的燃料电池堆内实现不同形状的流路，而便于设置用于加湿的燃料电池模块以提高燃料电池堆内部的加湿效果，并改变燃料电池堆内的局部电流和温度分布。

进一步地，在双极板10的两端处，即，在第一极板和第二极板的两端处，各自设有第二集流端口12(和/或第三集流端口13)，其中第一极板的任一端的第二集流端口12(和/或第三集流端口13)与第二极板的对应端的第二集流端口12(和/或第三集流端口13)形成第二对集流端口12(和/第三对集流端口13)，其中，在双极板10的一端处的第二对集流端口12(和/或第三对集流端口13)不连通，而在双极板10的另一端处的第二对集流端口12(和/或第三对集流端口13)连通。这样，可以使包括该双极板的相邻的燃料电池单元的反应气体、燃料气体和冷却剂中的多种的流路发生改变，从而可以在包括该燃料电池模块的燃料电池堆内实现更多不同形状的流路，而进一步提高燃料电池堆的设计自由度和性能。

例如，如图2所示，在双极板10的左端处，第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13以黑色方块示出，表示这三对集流端口中的每一对集流端口之间都是不连通的，而在双极板10的右端处，第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13以空心方框示出，表示这三对集流端口中的每一对集流端口之间都是连通的。

应指出的是，在双极板10的一端处可以有一对、两对或三对集流端口不连通，而在双极板10的另一端可以有对应的一对、两对或三对集流端口连通。当第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13中有两对或三对集流端口不连通时，不连通的成对的集流端口可以设置在双极板10的同一端或不同端处。例如，在双极板10的左端的第一对集流端口11不连通，而在双极板10的右端的第一对集流端口11连通，同时在双极板10的右端的第二对集流端口12不连通，而在双极板10的左端的第二对集流端口12连通。

根据本申请的实施例，在第一极板的外表面上设有第一流道14，在第二极板的外表面上设有第二流道15，且在第一极板和第二极板之间形成第三流道16，第一集流端口11、第二集流端口12和第三集流端口13分别与第一流道14、第二流道15和第三流道16连通，其中第一流道14可以是用于使燃料气体从中流过的流道，第二流道15可以是用于使氧化气体从中流过的流道，第三流道16可以是用于使冷却剂从中流过的流道。在图2中第一流道14、第二流道15和第三流道16被示为位于同一平面上，而实际上第一流道14和第二流道15分别位于双极板10的上下两侧，且第三流道16位于双极板10的中间部分。

根据本申请的实施例，第一对集流端口11、第二对集流端口12和第三对集流端口13中的至少一对不连通可以通过与第一极板和/或第二极板成一体的部件或单独的部件实现。例如，以双极板10的左端的第一对集流端口11为例，可以将第一极板上的与第一集流端口11对应的一部分材料保留，使得第一极板上的第一集流端口11与第二极板上的第一集流端口11不连通，或者，可以通过将单独的部件设置在第一对集流端口11之间来实现第一对集流端口11的不连通。这样，经过第一极板的一端的第一集流端口11输送的流体只能在第一极板一侧流动，而无法直接传送到第二极板的对应端的第一集流端口11。

下面参考图3来描述本申请的燃料电池模块110。如图3所示，燃料电池模块110包括第一双极板111、多个第二双极板112和第三双极板113，其中第一双极板111被配置成如上所述的双极板10，第二双极板112被配置成如现有的双极板，第三双极板113被配置成具有与第一双极板111相同的结构，但被布置成相对于第一双极板111水平翻转。例如，如图3所示，第一双极板111的右端的三对集流端口不连通，而左端的三对集流端口连通。与此相反，第三双极板113的左端的三对集流端口不连通，而右端的三对集流端口连通。因此，实际上第一双极板111和第三双极板113具有相同的结构，只不过在组装时使第一双极板111和第三双极板113相对于彼此水平翻转。第一双极板111和第三双极板113被布置在电池模块110的外侧，以便改变流经燃料电池模块110的流体的流路。

在本申请的燃料电池模块110中，在第二双极板112的两端处设有各自连通的成对的集流端口。例如，在图3中，第二双极板112的两端的成对的集流端口被示为方框，表示这些成对的集流端口是连通的。

另外，燃料电池模块110还可包括膜电极组件(未示出)，其中膜电极组件被布置在第一双极板111、第二双极板112和第三双极板113之间。当电池模块110包括多个第二双极板112时，膜电极组件还被布置在第二双极板112之间。

如图3所示，当来自第一集流管路101、第二集流管路102和第三集流管路103的流体分别经燃料电池模块110的左端的集流端口流入燃料电池模块110时，流体分别流经第一双极板111、第二双极板112的左端的集流端口，但不会流过第三双极板113的集流端口，因为第三双极板113的左端的成对的集流端口不连通。然后，流体沿着第一双极板111的第二极板的流道、第二双极板112的流道以及第三双极板113的第一极板的流道流至燃料电池模块110的右端的集流端口，但由于第一双极板111的右端的成对的集流端口不连通，所以流体只能流过第一双极板111的第二极板的右端的集流端口、第二双极板112的集流端口和第三双极板113的集流端口而向下流动。图3中的粗箭头表示电池模块110内的流体的流向。应指出的是，在图3中示出了第一双极板111和第三双极板113的一端的三对集流端口不连通，然而，本申请不限于此。可以使第一双极板111和第三双极板113的一端的三对集流端口中的一对或两对集流端口不连通，而其余成对的集流端口保持连通。这样，可以使与不连通的集流端口对应的流体的流向发生变化，而与保持连通的集流端口对应的流体的流向如现有的那样并不变化。另外，如前所述，不连通的成对的集流端口可以设置在双极板的相同端或不同端。

因此，通过使电池模块110的外侧的双极板具有改进的构造，即，一端的成对的集流端口不连通，可以改变流经燃料电池模块110的流体的流向，从而可以改变燃料电池堆的不同燃料电池模块之间的流向。

下面参照图4来描述根据本申请的燃料电池堆100。图4所示的燃料电池堆100包括多个燃料电池模块，例如，第一燃料电池模块121、第二燃料电池模块122、第三燃料电池模块123、第四燃料电池模块124和第五燃料电池模块125，其中每个燃料电池模块被配置成如关于图3所述的电池模块110。

在图4所示的燃料电池堆100中，相邻的燃料电池模块可以共用同一双极板。例如，第一燃料电池模块121和第二燃料电池模块122共用第三双极板113，第二燃料电池模块122和第三燃料电池模块123共用第一双极板111，第三燃料电池模块123和第四燃料电池模块124共用第三双极板113，而第四燃料电池模块124和第五燃料电池模块125共用第一双极板111。

这样，当来自第一集流管路101、第二集流管路102和第三集流管路103的流体分别经燃料电池堆100的左端的集流端口流入燃料电池堆100时，流体沿向右的箭头方向流经第一燃料电池模块121内的流道，并从第二燃料电池模块122的右端的集流端口流入第二燃料电池模块122，沿着向左的箭头方向流经第二燃料电池模块122内的流道。然后，类似地，流体分别沿向右的箭头方向流经第三燃料电池模块123，沿向左的箭头方向流经第四燃料电池模块124，且最后沿向右的箭头方向流经第五燃料电池模块125，并流出燃料电池堆100。这样，流体沿S形的路径流经各个燃料电池模块。

因此，可以将其中的至少一个燃料电池模块配置成增湿模块以实现燃料电池堆100的内部增湿。例如，将位于流路的最上游的第一燃料电池模块121配置成增湿模块。增湿模块可以包括有利于水分子自由交换的膜，例如Nafion离子交换膜，可以使生成的水与反应气体和氧化气体分开，但又可以使水分子自由穿过膜进入反应气体或氧化气体内，以达到增湿的目的。通过使各个燃料电池模块之间的流体沿S形路径流动，可以充分地实现增湿的目的。然而，本申请不限于此，流体以其他形状的路径流动同样可以实现增湿的目的，且可以提供更多的变化。

根据本申请的另一实施例，燃料电池堆100还可包括绝缘隔板(未示出)，绝缘隔板被布置在相邻的燃料电池模块之间，因此可以以串联或并联的方式电联接各个燃料电池模块。

另外，根据燃料电池堆100的各燃料电池模块的增湿要求和控制电流和温度分布的需求，各燃料电池模块还可以被配置成使得相邻的燃料电池模块的双极板的两端彼此对应或水平翻转，从而使流体在多个燃料电池模块之间以S形、U形或Z形的路径流动。如图5A所示，流体从入口201进入燃料电池堆100，沿S形路径流经各燃料电池模块110，并从出口202流出，其中，在各个燃料电池模块110之间流路呈串联的关系。如图5B所示，流体从入口201进入燃料电池堆100，大致沿U形路径流经各燃料电池模块110，并从出口202流出，其中，在各个燃料电池模块110之间流路呈并联的关系。如图5C所示，流体从入口201进入燃料电池堆100，大致沿Z形路径流经各燃料电池模块110，并从出口202流出，其中，在各个燃料电池模块110之间流路呈并联的关系，但与图5B所示不同的是出口202的位置不同。通过设置不同的流路结构，可以提供更多的设计自由度，以利于优化燃料电池堆100的内部增湿和电流、温度分布。

另外，各个燃料电池模块110内的第二双极板112的数量可以不同，即，每个燃料电池模块110内包含的燃料电池单元数量不同，因此可以根据燃料电池堆的运行和供电需求，提供更多的控制和调整变量，以优化燃料电池堆的性能。

应指出的是，前文所述的流体可以是燃料气体(例如，氢气)、氧化气体(例如，氧气或空气)和冷却剂中的任一种或多种，且一种流体的路径的形状可以和另一种流体的路径的形状不同，例如燃料气体和氧化气体的流路可以为S形，而冷却剂的流路可以为U形或Z形等，本申请并不对此进行限制。

根据本申请的双极板、燃料电池模块和燃料电池堆，通过使双极板的一端的集流端口不连通，可以使相邻燃料电池模块之间的燃料气体、氧化气体和/或冷却剂的流路发生改变，从而可以在燃料电池堆内设置用于加湿的燃料电池模块以提高内部加湿效果，并改变燃料电池堆内的各种流路，并改变局部电流和温度分布。

以上结合具体实施例对本申请进行了详细描述。然而，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本申请的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本申请的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本申请的范围。