燃料电池双极板及其加工方法

摘要

本申请涉及一种燃料电池双极板及其加工方法。所述燃料电池双极板包括基板。基板的表面开设相邻的第一流道和第二流道。第一流道和第二流道之间形成脊。在脊的顶面开设凹槽，且第一流道或第二流道中的一个或两个流道与凹槽连通。脊与阴极扩散层的接触部位积累的水会渗入凹槽，再通过凹槽流入第一流道或第二流道，并被反应气体带走。凹槽有效避免了局部水堆积，从而提高燃料电池内部的排水性能。燃料电池双极板提高了反应气体的局部流通速度，提高了反应气体通过扩散层的传质效率，进而提高了燃料电池的性能。进一步的，凹槽减小了双极板脊部与气体扩散层的接触面积，提高了气体扩散层内气体扩散的有效面积，从而提高燃料电池的性能。

权利要求

1.一种燃料电池双极板，其特征在于，包括：基板(20)，所述基板(20)的表面开设相邻的第一流道(30)和第二流道(40)，所述第一流道(30)和所述第二流道(40)之间形成脊(50)，在所述脊(50)的顶面开设凹槽(60)，且所述第一流道(30)和所述第二流道(40)与所述凹槽(60)连通；

所述凹槽(60)的底部开设第一孔(70)，所述第一孔(70)包括相交的第一孔道(710)和第二孔道(720)，所述第一孔道(710)与所述第一流道(30)连通，所述第二孔道(720)与所述第二流道(40)连通。

2.如权利要求1所述的燃料电池双极板，其特征在于，所述第一流道(30)和所述第二流道(40)用于沿第一方向输送相同的反应气体，所述凹槽(60)沿第二方向延伸。

3.如权利要求2所述的燃料电池双极板，其特征在于，在所述脊(50)的顶面开设多个所述凹槽(60)，沿所述第一方向，多个所述凹槽(60)间隔排布。

4.如权利要求3所述的燃料电池双极板，其特征在于，沿所述第一方向，相邻两个所述凹槽(60)之间的间距逐渐减小。

5.一种如权利要求1‑4中任意一项所述的燃料电池双极板的加工方法，其特征在于，采用激光雕刻法加工所述燃料电池双极板。

说明书

燃料电池双极板及其加工方法

技术领域

[0001] 本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池双极板及其加工方法。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，交换膜燃料电池(PEMFC)单体包括第一双极板阳极侧、阳极扩散层、阳极催化
层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、第二双极板阴极侧。氢气从第一双极板阳极侧进
入，空气从第二双极板阴极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜
到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，而在阴极催化剂层表面质子、电子与氧气结
合生成水，水通过扩散层进入流道，由流道的气体带出燃料电池。

[0003] 在燃料电池发电过程中，现有技术中，燃料电池双极板的脊与扩散层接触的部位会产生局部水堆积，阻碍气体从流道向催化剂层的传质，阻止质子、电子与氧气结合，使燃
料电池的性能下降。怎样才能提高燃料电池的性能是亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对怎样才能提高燃料电池的性能的问题，提供一种燃料电池双极板及其加工方法。

[0005] 一种燃料电池双极板包括基板。所述基板的表面开设相邻的第一流道和第二流道。所述第一流道和所述第二流道之间形成脊。在所述脊的顶面开设凹槽，且所述第一流道
或所述第二流道中的一个或两个流道与所述凹槽连通。

[0006] 在一个实施例中，所述第一流道和所述第二流道用于沿第一方向输送相同的反应气体。所述凹槽沿第二方向延伸。所述第二方向与所述第一方向之间的夹角为锐角。

[0007] 在一个实施例中，在所述脊的底面开设多个所述凹槽。沿所述第一方向，多个所述凹槽间隔排布。

[0008] 在一个实施例中，沿所述第一方向，相邻两个所述凹槽之间的间距逐渐减小。

[0009] 在一个实施例中，所述凹槽的底部开设第一孔，且所述第一孔与所述第一流道连通。

[0010] 在一个实施例中，所述第一孔包括相交的第一孔道和第二孔道。所述第一孔道与所述第一流道连通。所述第二孔道与所述第二流道连通。

[0011] 一种燃料电池双极板包括基板。所述基板的表面开设相邻的第一流道和第二流道。所述第一流道和所述第二流道之间形成脊。在所述脊的顶面开设第二孔，且所述第二孔
与所述第一流道连通。

[0012] 在一个实施例中，所述第二孔包括相交的第三孔道和第四孔道。所述第三孔道与所述第一流道连通。所述第四孔道与所述第二流道连通。

[0013] 在一个实施例中，在所述脊的顶面开设多个所述第二孔。沿所述第一方向，多个所述第二孔间隔排布。

[0014] 在一个实施例中，沿所述第一方向，相邻两个所述第二孔之间的间距逐渐减小。

[0015] 一种上述任意一个实施例所述的燃料电池双极板的加工方法，采用激光雕刻法加工所述燃料电池双极板。

[0016] 本申请实施例提供的所述燃料电池双极板包括基板。所述基板的表面开设相邻的第一流道和第二流道。所述第一流道和所述第二流道之间形成脊。在所述脊的顶面开设凹
槽，且所述第一流道或所述第二流道中的一个或两个流道与所述凹槽连通。所述脊与阴极
扩散层的接触部位积累的水会渗入所述凹槽，再通过所述凹槽流入所述第一流道或第二流
道，并被反应气体带走。所述凹槽有效避免了局部水堆积，从而提高燃料电池内部的排水性
能。所述燃料电池双极板提高了反应气体的局部流通速度，提高了反应气体通过扩散层的
传质效率，进而提高了燃料电池的性能。进一步的，所述凹槽减小了双极板脊部与气体扩散
层的接触面积，提高了气体扩散层内气体扩散的有效面积，从而提高所述燃料电池的性能。

附图说明

[0017] 图1为本申请一个实施例中提供的所述燃料电池双极板的结构图；

[0018] 图2为本申请一个实施例中提供的所述燃料电池双极板的俯视结构图；

[0019] 图3为本申请一个实施例中提供的所述燃料电池双极板的A‑A截面剖视图；

[0020] 图4为本申请一个实施例中提供的所述脊开设斜槽的俯视结构图；

[0021] 图5为本申请一个实施例中提供的所述凹槽底面开孔的俯视结构图；

[0022] 图6为本申请一个实施例中提供的所述凹槽底面开孔的B‑B截面剖视图；

[0023] 图7为本申请一个实施例中提供的所述斜槽底面开孔的俯视结构图；

[0024] 图8为本申请一个实施例中提供的所述脊开孔的俯视结构图；

[0025] 图9为本申请另一个实施例中提供的所述脊开孔的俯视结构图。

[0026] 附图标号：

[0027] 燃料电池双极板 10

[0028] 扩散层 100

[0029] 基板 20

[0030] 第一流道 30

[0031] 第二流道 40

[0032] 脊 50

[0033] 凹槽 60

[0034] 第一方向 a

[0035] 第二方向 b

[0036] 夹角 θ

[0037] 间距 L

[0038] 第一孔 70

[0039] 第一孔道 710

[0040] 第二孔道 720

[0041] 第二孔 80

[0042] 第一孔道 810

[0043] 第二孔道 820

具体实施方式

[0044] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

[0045] 本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和
间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、
“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示
或暗示所指的装置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
为对本申请的限制。

[0046] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0047] 燃料电池在工作中发生电化学反应，在阴极催化剂层生成水。反应生成的水通过扩散层到达流道，被流道内的反应气体带走。反应气体在流道和气体扩散层中流动。相对于
流道内部，所述脊50与阴极扩散层的接触表面阻碍扩散层中的水进入流道，水在接触部位
滞留，阻碍反应气体从流道向催化剂层传质，从而影响燃料电池的工作性能。

[0048] 请参见图1、图2和图3，本申请实施例提供一种燃料电池双极板10包括基板20。所述基板20的表面开设相邻的第一流道30和第二流道40。所述第一流道30和所述第二流道40
之间形成脊50。在所述脊50的顶面开设凹槽60，且所述第一流道30或所述第二流道40中的
一个或两个流道与所述凹槽60连通。

[0049] 本申请实施例提供的所述燃料电池双极板10包括基板20。在所述脊50的顶面开设所述凹槽60，且所述第一流道30或所述第二流道40中的一个或两个流道与所述凹槽60连
通。水会渗入所述凹槽60，再通过所述凹槽60流入所述第一流道30或第二流道40，并被反应
气体带走。所述凹槽60有效避免了局部水堆积，从而提高燃料电池内部的排水性能。所述燃
料电池双极板10提高了反应气体的局部流通速度，提高了反应气体通过扩散层的传质效
率，进而提高了燃料电池的性能。进一步的，所述凹槽60减小了所述脊50与气体扩散层的接
触面积，提高了气体扩散层内气体扩散的有效面积，从而提高所述燃料电池的性能。

[0050] 所述凹槽60的截面形状可以为多变形、圆形或部分弧形。所述凹槽60与所述第一流道30或所述第二流道40连通，将所述凹槽60附近的水引入所述第一流道30或所述第二流
道40中，减少了局部水堆积，提高了气体、氢离子和电子的接触几率，进而提高了所述燃料
电池的性能。所述凹槽60的深度和宽度均可变，以适应不同流道宽度和深度。

[0051] 燃料电池运行时，在阴极侧催化剂层会发生电化学反应生成水。水通过阴极扩散层进入阴极流道，或通过质子交换膜扩散到阳极，再通过阳极气体扩散层进入阳极流道。在
反应气体气流的带动下，流道中的水向流道的出口移动。沿气流的运动方向，流道中的水量
逐渐增加。所述流道的出口的水量大于入口的水量。所述流道靠近所述入口处容易发生局
部膜干，靠近所述出口处容易发生局部水淹。水量过少会导致质子交换膜的电导率减小。水
量过多会堵塞反应气体流动的通道，造成气体扩散层内的气体扩散速率下降。气体扩散速
率下降导致电化学反应的速率降低，燃料电池的性能下降。为了使反应气体沿流道流动，入
口处的压力大于出口处的压力。

[0052] 请一并参见图4，在一个实施例中，所述第一流道30和所述第二流道40用于沿第一方向a输送相同的反应气体。所述凹槽60沿第二方向b延伸。所述第二方向b与所述第一方向
a之间的夹角θ为锐角。

[0053] 所述凹槽60在所述第一流道30的开口为M。所述凹槽60在所述第二流道40的开口为N。由于所述第一流道30和所述第二流道40用于沿第一方向a输送相同的反应气体。开口M
更靠近入口处，开口N更靠近出口处。又由于入口处压力大于出口处压力，故开口M的压力大
于开口N的压力。在压力差的作用下，气体扩散层表面的液态水运动到第二流道40中，并不
断汇集到出口处，被反应气体带走排出。

[0054] 一般地，双极板流场中流道的宽度约为0.4mm至1.5mm，流道深度约为0.4mm至1.5mm。阳极流道进出口的压降约为几十千帕。在一个具体实施例中，以阳极为例，反应气体
流道的宽度和深度均为1mm，脊部的宽度为1mm，斜槽与流道长度方向所成角度θ为45°。取流
道进出口的压降为30kPa，则对于一个总长度300mm的气体流道，斜槽两端的压差为30kPa/
300＝100Pa。

[0055] 在一个实施例中，在所述脊50的底面开设多个所述凹槽60。沿所述第一方向a，多个所述凹槽60间隔排布，以增加导流通道的个数，提高排水速率。进一步的，多个所述凹槽
60减小了所述脊50与气体扩散层的接触面积，提高了空气、氢离子和电子的接触面积，从而
提高所述燃料电池的性能。

[0056] 在一个实施例中，沿所述第一方向a，相邻两个所述凹槽60之间的间距L逐渐减小。所述流道靠近所述入口处容易发生局部膜干，靠近所述出口处容易发生局部水淹。在靠近
所述出口处，所述凹槽60之间的间距L更小，所述凹槽60的数量增多，能够增加导流通道，增
加排水速率。在靠近所述入口处，所述凹槽60的数量减小，能够减少气体吹扫面积，避免发
生局部膜干。

[0057] 在一个实施例中，靠近所述入口处不开设所述凹槽60，靠近所述出口处开设多个所述凹槽60，以避免入口处发生局部膜干，出口处发生局部水淹。

[0058] 在一个实施例中，沿气体流通方向，多个所述凹槽60的延伸方向不同，与所述第一方向a的夹角θ逐渐变小。即靠近入口处的所述凹槽60对应的夹角θ较大，靠近出口处的所述
凹槽60对应的夹角θ较小。所述夹角θ越小，则所述凹槽60在流道长度方向的分量越大，开口
M与开口N之间的压差越大，排水速率越大。所述流道靠近所述入口处容易发生局部膜干，靠
近所述出口处容易发生局部水淹。在靠近所述出口处，所述夹角θ逐渐变小，增大压差增加
排水速率。在靠近所述入口处，所述夹角θ较小，减小压差，避免发生局部膜干。

[0059] 在一个实施例中，沿所述第一方向a，相邻两个所述凹槽60之间的间距L逐渐减小，所述夹角θ逐渐减小。在靠近所述出口处，所述排水通道的数量增加，开口M和开口N的压差
增大，提高了排水速率，避免所述出口发生局部水淹。

[0060] 请一并参见图5，在一个实施例中，所述凹槽60的底部开设第一孔70，且所述第一孔70与所述第一流道30连通，以增加流通通道，提高排水效率。

[0061] 请一并参见图5和6，在一个实施例中，所述第一孔70包括相交的第一孔道710和第二孔道710。所述第一孔道710与所述第一流道30连通。所述第二孔道710与所述第二流道40
连通。所述第一孔70在所述凹槽60底部的开口为O，所述第一孔70在所述第一流道30的开口
为P，所述第一孔70在所述第二流道40的开口为Q。

[0062] 在一个实施例中，所述开口P与所述开口Q的截面形状相同，且关于所述开口O对称。

[0063] 所述第一流道30的延伸方向与所述第一方向a的夹角为第一夹角。所述第二流道40的延伸方向与所述第一方向a的夹角为第二夹角。所述第一夹角与所述第二夹角可以相
同，也可以不同。

[0064] 请一并参见图7，在上一个实施例中，所述凹槽60为切斜结构，增加所述凹槽60开口之间的压力差，提高排水速率。

[0065] 请参见图8和图9，本申请实施例提供一种燃料电池双极板10包括基板20。所述基板20的表面开设相邻的第一流道30和第二流道40。所述第一流道30和所述第二流道40之间
形成脊50。在所述脊50的顶面开设第二孔80，且所述第二孔80与所述第一流道30连通。

[0066] 本申请实施例提供的所述燃料电池双极板10包括基板20。在所述脊50的顶面开设所述第二孔80，且所述第二孔80与所述第一流道30连通水会渗入所述凹槽60，再通过所述
凹槽60流入所述第一流道30或第二流道40，并被反应气体带走。所述第二孔80有效避免了
局部水堆积。所述燃料电池双极板10提高了反应气体的局部流通速度，提高了空气、氢离子
和电子的结合效率，进而提高了燃料双极板的性能。进一步的，所述第二孔80减小了所述脊
50与气体扩散层的接触面积，提高了空气、氢离子和电子的接触面积，从而提高所述燃料电
池的性能。

[0067] 在一个实施例中，所述第二孔80包括相交的第三孔道810和第四孔道820。所述第三孔道810与所述第一流道30连通。所述第四孔道820与所述第二流道40连通。所述第二孔
80在所述脊50表面的开口为O，所述第二孔80在所述第三孔道810的开口为P，所述第二孔80
在所述第四流道820的开口为Q。

[0068] 在一个实施例中，所述开口P与所述开口Q的截面形状相同，且关于所述开口O对称。所述开口P的压强与所述开口Q的压强相等。

[0069] 在一个实施例中，沿所述第一方向a，所述开口P距离所述出口处的长度大于所述开口Q距离所述出口处的长度，增加所述开口P与所述开口Q之间的压差，便于提高排水效
率，提高双极板的性能。

[0070] 在一个实施例中，在所述脊50的顶面开设多个所述第二孔80。沿所述第一方向a，多个所述第二孔80间隔排布。以增加导流通道的个数，提高排水速率。进一步的，多个所述
第二孔80减小了所述脊50与气体扩散层的接触面积，提高了空气、氢离子和电子的接触面
积，从而提高所述燃料电池的性能。

[0071] 在一个实施例中，沿所述第一方向a，相邻两个所述第二孔80之间的间距L逐渐减小。所述流道靠近所述入口处容易发生局部膜干，靠近所述出口处容易发生局部水淹。在靠
近所述出口处，所述第二孔80之间的间距L更小，所述第二孔80的数量增多，能够增加导流
通道，增加排水速率。在靠近所述入口处，所述第二孔80的数量减小，能够减少气体吹扫面
积，避免发生局部膜干。

[0072] 在一个实施例中，靠近所述入口处不开设所述第二孔80，靠近所述出口处开设多个所述第二孔80，以避免入口处发生局部膜干，出口处发生局部水淹。

[0073] 一种上述任意一个实施例所述的燃料电池双极板10的加工方法，采用激光雕刻法加工所述燃料电池双极板。所述加工方法包括：首先，通过模压或机加工加工出矩形截面的
流道，再使用超快激光加工所述凹槽60、所述第一孔70或所述第二孔80。由于激光加工非常
灵活、功率连续可调且加工过程中不产生机械应力，因此去除的材料的形状可以多种多样，
进而加工出多种所述燃料电池双极板10。

[0074] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0075] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思
的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利
的保护范围应以所附权利要求为准。