具有非对称流场的双极板及燃料电池电堆和发电系统

摘要

本发明提供一种具有非对称流场的双极板及燃料电池电堆和发电系统，该非对称流场中存在阶梯式收窄的U形流动区间，该阶梯式收窄的U形流动区间包括第一段、第二段和第三段，该第一段包括N条相互平行的第一流道，该第三段包括M条相互平行的第一流道，并且M

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电堆中所用的具有非对称流场的双极板以及包含有该双极板的燃料电池电堆和发电系统。

背景技术

燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学反应装置，具有能量转换效率高、零排放、机械噪声小等优点，在军事和民用领域备受青睐。质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用固体聚合物膜作为电解质，具有结构简单、工作温度低等优点，用作移动电源具有诸多的优势，现已被广泛用作各种车辆、舰船的动力装置。

为了提高燃料电池的总的发电功率，通常将多个单电池串联在一起而组成燃料电池电堆(Fuel Cell Stack)。在燃料电池电堆中，双极板(Bipolar Plate)是一个关键的部件，发挥着支撑膜电极组件、分配反应气体、传输电流、传导热量和排出反应产物水等多种功能。

双极板是将一个阳极板和一个阴极板组装在一起而构成；其阳极板上设置有阳极反应物流道，该阳极反应物流道是阳极反应物传输的通道，阳极反应物经由其而传输至阳极催化剂；其阴极板上设置有阴极反应物流道，该阴极反应物流道是阴极反应物传输的通道，阴极反应物经由其而传输至阴极催化剂。此处所述的阳极反应物是指在燃料电池的阳极参与电化学反应的物质，此处所述的阴极反应物是指在燃料电池的阴极参与电化学反应的物质。对于PEMFC而言，阳极反应物即为氢气或甲醇等燃料，阴极反应物即为氧气或空气，所以阳极板上的阳极反应物流道即燃料流道，阴极板上的阴极反应物流道即氧化剂流道；借助于该燃料流道和氧化剂流道，燃料和氧化剂可以被源源不断地输送到PEMFC内部从而使之可以连续地输出电能。

在现有的双极板结构设计中，大多将阳极板上的燃料流道所构成的燃料流场和阴极板上的氧化剂流道所构成的氧化剂流场设计成具有点对称性的结构,其实这样的设计在实际应用中是有问题的，特别是阳极板上的燃料流场：在燃料气体流动过程中，随着燃料气体不断地被消耗，燃料流道内的燃料气体的气压将会越来越低，因此燃料气体向膜电极的渗透力也会越来越弱，这必然影响电化学反应的进行，从而使燃料电池电堆的发电功率下降；同时膜电极两侧所承受的压力差也会越来越大，这显然对膜电极的使用寿命产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有非对称流场的双极板，其阳极板上具有非对称流场，借助于该非对称流场，能够克服现有的双极板中由于阳极反应物流场具有点对称性而导致的诸多问题。

本发明的另一目的是提供一种包含有上述双极板的燃料电池电堆以及包含有该燃料电池电堆的发电系统，借助于上述双极板的阳极板上所具有的非对称流场，可以为燃料电池发电系统去除氢气循环泵或其它类型的阳极尾气回流装置从而简化燃料电池发电系统的结构创造条件。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种具有非对称流场的双极板，包括阳极板和阴极板，该阳极板具有第一面和第二面，该阴极板具有第三面和第四面，在该双极板中该阳极板的第二面和该阴极板的第四面贴合在一起，该阳极板的第一面上具有第一流道和第一基准面，该第一流道是相对于第一基准面在该阳极板的厚度方向上形成的沟槽，该阳极板的厚度方向是与该阳极板的第一基准面相垂直的两个相反的方向，该阴极板的第三面上具有第三流道和第三基准面，该第三流道是相对于该第三基准面在该阴极板的厚度方向上形成的沟槽，该阴极板的厚度方向是与该阴极板的第三基准面垂直的两个相反的方向，该阳极板的第一面上的第一流道构成不具有点对称性的非对称流场，该非对称流场中存在若干阶梯式收窄的U形流动区间，各U形流动区间为独立形式或者相邻的U形流动区间首尾相接形成阶梯式收窄的蛇形流动区间；该阶梯式收窄的U形流动区间包括第一段、第二段和第三段，该第一段包括N条相互平行的第一流道，该第三段包括M条相互平行的第一流道，并且M

进一步的，在所述阶梯式收窄的U形流动区间中，第三段中的M条第一流道的横截面积之和小于第一段中的N条第一流道的横截面积之和；所述双极板上设置有阳极反应物入口通道和阳极反应物出口通道，并且该阳极反应物出口通道的横截面积小于该阳极反应物入口通道的横截面积。

进一步的，在所述阶梯式收窄的U形流动区间中，所述第一段中的第一流道发生90°弯折进入所述第二段，该第二段中的第一流道发生与上一次90°弯折(第一段和第二段之间)的方向相同的90°弯折进入所述第三段；在第一流道从该第一段进入该第二段的弯折处，或者在第一流道从该第二段进入该第三段的弯折处，发生板筋的延伸的终止从而导致第一流道的合并；该板筋是介于两条相邻的第一流道之间的凸起部，该凸起部的顶端为第一基准面的一部分，第一流道借助于该板筋而得以成形。

进一步的，在所述阶梯式收窄的U形流动区间中，所述第二段包括M条相互平行的第一流道，在第一流道从所述第一段进入该第二段的弯折处，每隔一条板筋有一条或两条板筋发生延伸的终止从而导致两条或三条第一流道合并成一条第一流道，从而使得N＝2M或N＝3M。

进一步的，在所述阶梯式收窄的U形流动区间中，所述第二段包括N条相互平行的第一流道，在第一流道从该第二段进入所述第三段的弯折处，每隔一条板筋有一条或两条板筋发生延伸的终止从而导致两条或三条第一流道合并成一条第一流道，从而使得N＝2M或N＝3M。

进一步的，在所述阶梯式收窄的U形流动区间中，所述第二段包括K条相互平行的第一流道，在第一流道从所述第一段进入该第二段的弯折处，相邻第一流道之间的板筋发生延伸的终止从而导致第一流道的合并，使得K

进一步的，所述双极板上存在平行流动区，在该平行流动区范围内，所述阳极板的第一面上具有第一流道，所述阴极板的第三面上具有第三流道，并且该阳极板的第一面上的第一流道和该阴极板的第三面上的第三流道平行；在该平行流动区内的第一流道属于所述阶梯式收窄的U形流动区间中的第一段和第三段；

该阴极板的第三面上具有若干条加宽板筋，所述加宽板筋非均匀地分布在常规板筋中；该加宽板筋和常规板筋均是介于两条相邻的第三流道之间的凸起部，该凸起部的顶端为所述第三基准面的一部分，第三流道借助于该加宽板筋和/或常规板筋而得以成形，该加宽板筋的半高宽大于常规板筋的半高宽；该半高宽为该加宽板筋和常规板筋在各自高度为其总高度的一半处的宽度；

在所述平行流动区内，该阴极板的第三面上的加宽板筋和该阳极板的第一面上的U形内板筋对正；该U形内板筋是介于所述阶梯式收窄的U形流动区间的第一段和第三段之间的板筋；

该阴极板的第三面上的阴极反应物流场是由多条平行的Z字形第三流道构成的Z字形流场。

进一步的，所述双极板上存在垂直流动区，在该垂直流动区范围内，所述阳极板的第一面上具有第一流道，所述阴极板的第三面上具有第三流道，并且该阳极板的第一面上的第一流道和该阴极板的第三面上的第三流道垂直；在该垂直流动区内的第一流道属于阶梯式收窄的U形流动区间中的第一段和第三段；

该阴极板的第三面上的阴极反应物流场是由多条平行的直线形第三流道构成的平行流场。

进一步的，构成所述双极板的阳极板为波纹形；该阳极板的第二面上具有第二流道和第二基准面，该第二流道是相对于该第二基准面在该阳极板的厚度方向上形成的沟槽；该阳极板的第一面上的第一流道的底部的背面是该第二基准面的一部分，该阳极板的第二面上的第二流道的底部的背面是该第一基准面的一部分；

构成该双极板的阴极板的第四面上具有第四流道和第四基准面，该第四流道是相对于该第四基准面在该阴极板的厚度方向上形成的沟槽；该阴极板为波纹形，该阴极板的第三面上的第三流道的底部的背面是该第四基准面的一部分，该阴极板的第四面上的第四流道的底部的背面是该第三基准面的一部分。

进一步的，所述第一流道、第二流道、第三流道、第四流道的横截面均为等腰梯形且横截面积相等。

进一步的，该双极板上存在同步起伏区；该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有一部分的第一基准面、一段第一流道、一部分的第二基准面、一段第二流道、一部分的第三基准面、一段第三流道、一部分的第四基准面、一段第四流道，并且在该同步起伏区内构成该双极板的阳极板和阴极板不相接触；该同步起伏区在错位方向上的长度L满足：L>3.5w，式中的w表示该同步起伏区内的第一流道在深度为其总深度的一半处的宽度，该错位方向与该同步起伏区内的第一流道垂直并且与该双极板的厚度方向垂直，该双极板的厚度方向与构成该双极板的阳极板的厚度方向一致。

进一步的，该双极板是由阳极板和阴极板整体错位组装而成，在该双极板中阳极板的质心和阴极板的质心不对正，该阳极板的质心在基准平面内的投影和阴极板的质心在基准平面内的投影之间存在距离d，且d满足：d>w/2，优选的，w/2

进一步的，位于同步起伏区中的第一流道属于所述阶梯式收窄的U形流动区间中的第二段中的第一流道。

进一步的，该双极板上设置有上支撑台或下支撑台；该上支撑台是在该双极板的阳极板上阻断一部分第二流道而形成的一部分第二基准面，介于两个同步起伏区之间；该下支撑台是在该双极板的阴极板上阻断一部分第四流道而形成的一部分第四基准面，介于两个同步起伏区之间；

该双极板的阳极板和阴极板上均设置有定位装置，在将阳极板和阴极板组装在一起时该定位装置可用于确定阳极板和阴极板之间的相对位置。

进一步的，该双极板的阳极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的深度与第一流道的深度相同，阴极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的深度与第三流道的深度相同；该双极板的阳极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部和阴极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部完全错开，两者在基准平面上的投影无重叠部分；该基准平面是与该双极板的厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面，该双极板的厚度方向与该双极板的阳极板的厚度方向一致。

进一步的，位于该双极板上的同步起伏区的外侧的密封槽旁边设置有密封槽支撑台，该密封槽支撑台是在阳极板的第一面上发生凹陷而在第二面上形成的一部分第二基准面，或者是在阴极板的第三面上发生凹陷而在第四面上形成的一部分第四基准面。

进一步的，该双极板的阳极板和阴极板均是用石墨或其它类型的导电材质的板材作为原材料制成；阳极板的第一面上的第一流道是用减材的方法制作成型；在阴极板的第三面上设置有第三流道，该第三流道也是用减材的方法制作成型；在阳极板的第二面上或者阴极板的第四面上设置有冷却剂流道，该冷却剂流道也是用减材的方法制作成型。

进一步的，该双极板的阳极板和阴极板均是以厚度小于0.5mm的金属或合金板材为原材料用压力加工的方法制作成型。

一种燃料电池电堆，包含有上述的双极板。

进一步的，包含有至少两个所述的双极板，其中一个双极板为左向整体错位组装板，另一个双极板为右向整体错位组装板，该左向整体错位组装板和该右向整体错位组装板夹持同一个膜电极；在该左向整体错位组装板中，冷却剂导入部在基准平面上的投影和阳极板的质心在基准平面上的投影位于阴极板的质心在基准平面上的投影的同一侧；在该右向整体错位组装板中，冷却剂导入部在基准平面上的投影和阳极板的质心在基准平面上的投影分别位于阴极板的质心在基准平面上的投影的两侧；在该燃料电池电堆中，该冷却剂导入部是冷却剂从外部或冷却剂入口通道流入该左向整体错位组装板或者该右向整体错位组装板上的同步起伏区的部位，该左向整体错位组装板和该右向整体错位组装板的阳极板上的第一流道为阳极反应物流道，该左向整体错位组装板和该右向整体错位组装板的阴极板上的第三流道为阴极反应物流道。

一种燃料电池发电系统，包含有所述的燃料电池电堆。

进一步的，所述燃料电池发电系统包含有阳极尾气燃烧装置而不包含有氢气循环泵或其它类型的阳极尾气回流装置，该阳极尾气燃烧装置可以使从燃料电池电堆中排出的阳极尾气与大气中的氧气或者与从燃料电池电堆中排出的阴极尾气发生化合反应(燃烧)。

本发明所揭示的技术方案至少具有以下三点有益效果：

(1)借助于如上所述的阳极板上具有非对称流场的双极板，可以促进阳极反应物(燃料气体)在阳极反应物流场的阶梯式汇集，从而不断增大阳极反应物在阳极反应物流道内的气压，进而达到提高燃料电池电堆的发电功率的效果，并且能够缓解膜电极两侧压差不断增大以及膜电极各处受力不均的问题。

(2)借助于如上所述的阳极板上具有非对称流场的双极板，可以增大燃料电池电堆中阳极反应物(燃料气体)的消耗，从而减少从燃料电池电堆中排出的阳极反应物的尾气排出量，这就为去除燃料电池发电系统中的氢气循环泵或其它形式的阳极尾气回流装置创造了条件；在其它条件满足的情况下，可以去除系统中的氢气循环泵或其它形式的阳极尾气回流装置，而代之以阳极尾气燃烧装置，从而达到简化系统结构、降低系统内耗功率的效果。

(3)通过使阳极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部和阴极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部完全错开，实现阳极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的深度与阳极反应物流道的深度相同、阴极板上位于同步起伏区外侧的密封槽的深度与阴极反应物流道的深度相同，从而实现阳极板上只有第一基准面和第二基准面而不存在另外的基准面、阴极板上只有第三基准面和第四基准面而不存在另外的基准面，进而达到简化阳极板和阴极板的结构、降低双极板的制作难度的效果。

附图说明

图1是本发明实施例1所述双极板的阳极板第一面上的阳极反应物流场示意图。

图2是本发明实施例1所述双极板的阴极板第三面上的阴极反应物流场示意图。

图3A是本发明实施例1所述双极板的阳极板第二面上的冷却剂流场示意图。

图3B是本发明实施例1所述双极板的阴极板第四面上的冷却剂流场示意图。

图4是本发明实施例2所述双极板的阳极板第一面上的阳极反应物流场示意图。

图5是本发明实施例2所述双极板的阴极板第三面上的阴极反应物流场示意图。

图6A是本发明实施例2所述双极板的阳极板第二面上的冷却剂流场示意图。

图6B是本发明实施例2所述双极板的阴极板第四面上的冷却剂流场示意图。

图7是本发明实施例3所述双极板的阳极板第一面上的阳极反应物流场示意图。

图8是本发明实施例3所述双极板的阴极板第三面上的阴极反应物流场示意图，其中包括一道冷却剂导流堤，冷却剂的流动路线为U形。

图9是本发明实施例3所述双极板的阴极板第三面上的阴极反应物流场示意图，其中包括三道冷却剂导流堤，冷却剂的流动路线为两个并联的U形。

图10A和图10B是本发明图7中标注在A-A和B-B两处的实施例3所述双极板的截面图，为左向整体错位。

图10C和图10D是本发明图7中标注在A-A和B-B两处的实施例3所述双极板的截面图，为右向整体错位。

图11是本发明实施例4所述双极板的阳极板第一面上的阳极反应物流场示意图。

图12是本发明实施例4所述双极板的阴极板第三面上的阴极反应物流场示意图。

图13是在本发明实施例3和实施例4所述双极板上同步起伏区的基本组元示意图。

图14A是在本发明实施例3和实施例4所述双极板上位于同步起伏区外侧的密封槽错位示意图一。

图14B是在本发明实施例3和实施例4所述双极板上位于同步起伏区外侧的密封槽错位示意图二。

图14C是在本发明实施例3和实施例4所述双极板上位于同步起伏区外侧的密封槽错位示意图三。

图15A是本发明的阶梯式收窄的U形流动区间的三种结构示意图之一。

图15B是本发明的阶梯式收窄的U形流动区间的三种结构示意图之二。

图15C是本发明的阶梯式收窄的U形流动区间的三种结构示意图之三。

图16是本发明用一个左向整体错位组装板和一个右向整体错位组装板夹持同一个膜电极从而避免膜电极起皱褶的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

此为本发明所涉及的双极板的一个具体实施例1。图1是构成该双极板的阳极板A的第一面上的阳极反应物流场示意图。该阳极板A具有第一面1和第二面2(第一面1的背面)，该阳极板A的第一面1上具有第一流道11(对于PEMFC而言该第一流道即燃料流道)和第一基准面12，该第一流道11为相对于该第一基准面12在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽，该阳极板A的厚度方向是与该阳极板A的第一基准面12相垂直的两个相反的方向。从图1可以看出，该第一流道11构成的阳极反应物流场为不具有点对称性的非对称流场，在该阳极反应物流场(非对称流场)上存在由三个阶梯式收窄的U形流动区间C接续而成的阶梯式收窄的蛇形流动区间。该阶梯式收窄的U形流动区间C包括第一段C1、第二段C2和第三段C3，该第一段C1中包含有N条相互平行的第一流道11，该第三段C3中包含有M条相互平行的第一流道11；第一段C1中的第一流道11发生向右的90°弯折进入第二段C2，第二段C2中的第一流道11发生向右的90°弯折进入第三段C3；在第一流道11从第一段C1进入第二段C2的弯折处，相邻第一流道11之间的板筋111发生延伸的终止从而导致第一流道11的合并，每隔一条板筋有两条板筋发生延伸的终止从而导致三条第一流道11合并成一条第一流道，使得第一段C1内相互平行的第一流道11的数量N为第二段C2内相互平行的第一流道11的数量的3倍，第二段C2内相互平行的第一流道11的数量和第三段C3内相互平行的第一流道11的数量相同，均为M。此处所述的板筋111是在该阳极板A的第一面1上介于两条相邻的第一流道11之间凸起部，该凸起部的顶端为第一基准面12的一部分，第一流道11借助于该板筋111而得以成形。

在该阳极板A的一侧(图1所示的图形的左边)设置有阳极反应物入口通道13和阳极反应物出口通道14，在阳极板A的另一侧(图1所示的图形的右边)设置有冷却剂入口通道15和冷却剂出口通道16，阳极板A的上端和下端分别设置有阴极反应物入口通道17和阴极反应物出口通道18；其中阳极反应物出口通道14的横截面积小于阳极反应物入口通道13的横截面积。

图2是构成该双极板的阴极板B的第三面上的阴极反应物流场示意图。该阴极板B具有第三面3和第四面4(第三面3的背面)，该阴极板B的第三面3上具有第三流道31(对于PEMFC而言该第三流道即氧化剂流道)和第三基准面32，该第三流道31为相对于该第三基准面32在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽，该阴极板B的厚度方向是与该阴极板B的第三基准面32垂直的两个相反的方向。从图2中可以看出，该阴极反应物流场是由多条平行的直线形第三流道31所构成的平行流场。

该阴极板B上设置有与阳极板A上的各个通道的位置相对应的阳极反应物入口通道13、阳极反应物出口通道14、阴极反应物入口通道17、阴极反应物出口通道18、冷却剂入口通道15、冷却剂出口通道16，并且阳极反应物出口通道14的横截面积小于阳极反应物入口通道13的横截面积。

在该阳极板A的第二面2上(或者该阴极板B的第四面4上)设置有多条相互平行的冷却剂流道(第二流道21或第四流道41)所构成的冷却剂流场，该冷却剂流场为两个并联的U形流场，见图3A和图3B所示。该阳极板A的第二面2上具有第二基准面22，设置在阳极板A第二面2上的第二流道21为相对于该第二基准面22在阳极板A的厚度方向上形成的沟槽；该阴极板B第四面4上具有第四基准面42，设置在该阴极板B的第四面4上的第四流道41为相对于该第四基准面42在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽。

该阳极板A和阴极板B均是以石墨板材为原材料通过减材的方式制成。该阳极板A第一面1上的第一流道11、该阴极板B第三面3上的第三流道31以及该阳极板A第二面2上或该阴极板B第四面4上的冷却剂流道(第二流道21或第四流道41)均是用雕刻的方法制作成型。

在将该阳极板A和阴极板B组装成双极板时，将该阳极板A的第二面2和该阴极板B的第四面4贴合在一起，并用导电粘结剂将该阳极板A和阴极板B粘接在一起。

实施例2

此为本发明所涉及的双极板的一个具体实施例2。图4是构成该双极板的阳极板A的第一面上的阳极反应物流场示意图。该阳极板A具有第一面1和第二面2(第一面1的背面)，该阳极板A的第一面1上具有第一流道11(对于PEMFC而言该第一流道即燃料流道)和第一基准面12，该第一流道11为相对于该第一基准面12在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽，该阳极板A的厚度方向是与该阳极板A的第一基准面12相垂直的两个相反的方向。从图4中可以看出，该第一流道11构成的阳极反应物流场为不具有点对称性的非对称流场，在该阳极反应物流场上存在由四个阶梯式收窄的U形流动区间C接续而成的阶梯式收窄的蛇形流动区间。该阶梯式收窄的U形流动区间C包括第一段C1、第二段C2和第三段C3，该第一段C1中包含有N条相互平行的第一流道11，该第三段C3中包含有M条相互平行的第一流道11；第一段C1中的第一流道11发生向右的90°弯折进入第二段C2，第二段C2中的第一流道11发生向右的90°弯折进入第三段C3；在第一流道11从第一段C1进入第二段C2的弯折处，相邻第一流道11之间的板筋111发生延伸的终止从而导致第一流道11的合并，每隔一条板筋有一条板筋发生延伸的终止从而导致两条第一流道11合并成一条第一流道，使得第一段C1内相互平行的第一流道的数量N为第二段C2内相互平行的第一流道的数量的2倍，第二段C2内相互平行的第一流道的数量和第三段C3内相互平行的第一流道的数量相同，均为M。此处所述的板筋111是在该阳极板A第一面1上介于两条相邻的第一流道11之间的凸起部，该凸起部的顶端为第一基准面12的一部分，第一流道11借助于该板筋111而得以成形。

在该阳极板A的一侧(图4所示的图形的左上方)设置有阳极反应物入口通道13，在该阳极板A的另一侧(图4所示的图形的右下方)设置有阳极反应物出口通道14，两者对角设置，并且阳极反应物出口通道14的横截面积小于阳极反应物入口通道13的横截面积。在图4所示的图形的右上方设置有阴极反应物入口通道17，在图4所示的图形的左下方设置有阴极反应物出口通道18，两者对角设置，并且两者可以互换。在该阳极板A的一端(图4所示的图形的左边)设置有冷却剂入口通道15，在该阳极板A的另一端(图4所示的图形的右边)设置有冷却剂出口通道16，这两个通道也可以互换。

该阳极板A第一面1上的第一流道11的头部做90°弯折同阳极反应物入口通道13相贯通，该第一流道11的尾部做90°弯折与阳极反应物出口通道14相贯通。

图5是构成该双极板的阴极板B的第三面上的阴极反应物流场示意图。该阴极板B具有第三面3和第四面4，该阴极板B的第三面3上具有第三流道31(对于PEMFC而言该第三流道即氧化剂流道)和第三基准面32，该第三流道31为相对于该第三基准面32在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽，该阴极板B的厚度方向是与该阴极板B的第三基准面32垂直的两个相反的方向。从图5中可以看出，该阴极反应物流场是由多条平行的Z字形第三流道31所构成的Z字形流场。该阴极反应物流场的中间部分为多条相互平行的第三流道31所构成的平行流场，在该阴极反应物流场的两端，第三流道31分别做90°弯折而与位于侧面的阴极反应物入口通道17和阴极反应物出口通道18贯通。该阴极板B上设置有与阳极板A上的各个通道的位置相对应的阳极反应物入口通道13、阳极反应物出口通道14、阴极反应物入口通道17、阴极反应物出口通道18、冷却剂入口通道15、冷却剂出口通道16。

在该阳极板A第二面2上(或者该阴极板B第四面4上)设置有冷却剂流场，该冷却剂流场为多条平行的冷却剂流道(第二流道21或第四流道41)所构成的平行流场，见图6A和图6B所示。该阳极板A的第二面2上具有第二基准面22，设置在阳极板A第二面2上的第二流道21为相对于该第二基准面22在阳极板A的厚度方向上形成的沟槽；该阴极板B的第四面4上具有第四基准面42，设置在阴极板B第四面4上的第四流道41为相对于该第四基准面42在阴极板B的厚度方向上形成的沟槽。

该阳极板A和阴极板B均是以石墨板材为原材料通过减材的方式制成。该阳极板A第一面1上的第一流道11、该阴极板B第三面3上的第三流道31以及该阳极板A第二面2上或该阴极板B第四面4上的冷却剂流道(第二流道21或第四流道41)均是用雕刻的方法制作成型。

在将该阳极板A和阴极板B组装成双极板时，将该阳极板A的第二面2和该阴极板B的第四面4贴合在一起，并用导电粘结剂将该阳极板A和阴极板B粘接在一起。

在实施例1所述的双极板上，阳极板A第一面1上属于阶梯式收窄的U形流动区间C内的第一段C1和第三段C3中的第一流道11和阴极板B第三面3上的第三流道31呈垂直关系，构成垂直流动区。而实施例2所述双极板与实施例1所述双极板的一个重要区别在于实施例2所述双极板上存在平行流动区。在该平行流动区范围内，阳极板A第一面1上具有第一流道11、阴极板B第三面3上具有第三流道31并且阳极板A第一面1上的第一流道11和阴极板B第三面3上的第三流道31平行；该平行流动区内的第一流道11属于阶梯式收窄的U形流动区间C中的第一段C1和第三段C3。值得注意的是，在该平行流动区范围内阴极板B第三面3上具有4条加宽板筋，这些加宽板筋非均匀地分布在常规板筋中，见图5所示。该加宽板筋和常规板筋均是介于两条相邻的第三流道31之间的凸起部，该凸起部的顶端为第三基准面32的一部分，第三流道31借助于该加宽板筋或常规板筋而得以成形，该加宽板筋的半高宽(即在高度为其总高度的一半处的宽度)大于常规板筋的半高宽。两个不同的加宽板筋间隔之比(理论值)等于N/M的±n次方，即(N/M)

在实施例2所述双极板的平行流动区内，阴极板B第三面3上的加宽板筋和阳极板A第一面1上的U形内板筋对正；该U形内板筋是介于阶梯式收窄的U形流动区间C的第一段C1和第三段C3之间的板筋，由于位于该U形内板筋两侧的第一流道11内的阳极反应物的流动方向相反，所以通常情况下该U形内板筋的半高宽大于阶梯式收窄的U形流动区间C内的第一段C1中两条相邻的第一流道11间的板筋111的半高宽，以便能够对阳极反应物有更好的隔离。

通过在阴极板B第三面3上设置加宽板筋可以使得在所述平行流动区范围内阳极板A第一面1上的第一流道11和阴极板B第三面3上的第三流道31对正、阳极板A第一面1上的U形内板筋和阴极板B第三面3上的加宽板筋对正，从而避免在燃料电池电堆中膜电极起皱褶(关于膜电极起皱褶问题的讨论详见下文实施例5部分)。

实施例3

此为本发明所涉及的双极板的一个具体实施例3。图7是构成该双极板的阳极板A的第一面1上的阳极反应物流场示意图。该阳极板A具有第一面1和第二面2，该阳极板A的第一面1上具有第一流道11(对于PEMFC而言该第一流道即燃料流道)和第一基准面12，该第一流道11为相对于该第一基准面12在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽，该阳极板A的厚度方向是与该阳极板A的第一基准面12相垂直的两个相反的方向。该第一流道11所构成的阳极反应物流场与实施例1所述双极板的阳极板A的第一面1上的阳极反应物流场相同。该阳极板A上设置有阳极反应物入口通道13、阳极反应物出口通道14、阴极反应物入口通道17、阴极反应物出口通道18、冷却剂入口通道15、冷却剂出口通道16，各通道的布局与实施例1所述双极板的阳极板A相同。

图8和图9是构成该双极板的阴极板B的第三面3上的阴极反应物流场示意图。该阴极板B具有第三面3和第四面4，该阴极板B的第三面3上具有第三流道31(对于PEMFC而言该第三流道即氧化剂流道)和第三基准面32，该第三流道31为相对于该第三基准面32在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽，该阴极板B的厚度方向是与该阴极板B的第三基准面32垂直的两个相反的方向。该第三流道31所构成的阴极反应物流场与实施例1所述双极板的阴极板B的第三面3上的阴极反应物流场相同。

与实施例1所述双极板的阳极板A和阴极板B的主要区别在于，构成本实施例所述双极板的阳极板A和阴极板B均是以厚度小于0.5mm的金属或合金薄板为原材料通过压力加工的方法制作成型，因此该阳极板A和阴极板B均为波纹形。

该阳极板A的第二面2上具有第二流道21和第二基准面22，该第二流道21是相对于第二基准面22在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽；该阳极板A的第一面1上的第一流道11的底部的背面是第二基准面22的一部分，该阳极板A的第二面2上的第二流道21的底部的背面是第一基准面12的一部分。

该阴极板B的第四面4上具有第四流道41和第四基准面42，该第四流道41是相对于第四基准面42在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽；该阴极板B的第三面3上的第三流道31的底部的背面是第四基准面42的一部分，该阴极板B的第四面4上的第四流道41的底部的背面是第三基准面32的一部分。

在将该阳极板A和阴极板B组装成双极板时，将该阳极板A的第二面2和该阴极板B的第四面4贴合在一起，并将该阳极板A和阴极板B焊接在一起。

图10A、图10B、图10C、图10D是将该阳极板A和阴极板B焊接在一起而形成的双极板在图7中标注在A-A和B-B两处的截面图，分为左向整体错位和右向整体错位两种情况。

图8中阴极板B包括一道冷却剂导流堤5，使得冷却剂的流动路线为U形。图9中阴极板B包括三道冷却剂导流堤5，使得冷却剂的流动路线为两个并联的U形。该阴极板B上的冷却剂导流堤5是阻断一部分所述第四流道41而形成的第四基准面42，可以引导冷却剂按照特定的路线流动。

实施例4

此为本发明所涉及的双极板的一个具体实施例4。图11是构成该双极板的阳极板A的第一面上的阳极反应物流场示意图。该阳极板A具有第一面1和第二面2，该阳极板A的第一面1上具有第一流道11(对于PEMFC而言该第一流道即燃料流道)和第一基准面12，该第一流道11为相对于该第一基准面12在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽，该阳极板A的厚度方向是与该阳极板的第一基准面12相垂直的两个相反的方向。该第一流道11所构成的阳极反应物流场与实施例2所述双极板的阳极板A的第一面1上的阳极反应物流场相同。该阳极板A上设置有阳极反应物入口通道13、阳极反应物出口通道14、阴极反应物入口通道17、阴极反应物出口通道18、冷却剂入口通道15、冷却剂出口通道16，各个通道的布局与实施例2所述双极板的阳极板A相同。

图12是构成该双极板的阴极板B的第三面上的阴极反应物流场示意图。该阴极板B具有第三面3和第四面4，该阴极板B的第三面3上具有第三流道31(对于PEMFC而言该第三流道即氧化剂流道)和第三基准面32，该第三流道31为相对于该第三基准面32在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽，该阴极板B的厚度方向是与该阴极板B的第三基准面32垂直的两个相反的方向。该第三流道31所构成的阴极反应物流场与实施例2所述双极板的阴极板B的第三面3上的阴极反应物流场相同。

与实施例2所述双极板的阳极板A和阴极板B的主要区别在于，构成本实施例所述双极板的阳极板A和阴极板B均是以厚度小于0.5mm的金属或合金薄板为原材料通过压力加工的方法制作成型，因此该阳极板A和阴极板B均为波纹形。

该阳极板A的第二面2上具有第二流道21和第二基准面22，该第二流道21是相对于第二基准面22在该阳极板A的厚度方向上形成的沟槽；该阳极板A的第一面1上的第一流道11的底部的背面是第二基准面22的一部分，该阳极板A的第二面2上的第二流道21的底部的背面是第一基准面12的一部分。

该阴极板B的第四面4上具有第四流道41和第四基准面42，该第四流道41是相对于第四基准面42在该阴极板B的厚度方向上形成的沟槽；该阴极板B的第三面3上的第三流道31的底部的背面是第四基准面42的一部分，该阴极板B的第四面4上的第四流道41的底部的背面是第三基准面32的一部分。

在将该阳极板A和阴极板B组装成双极板时，将该阳极板A的第二面2和该阴极板B的第四面4贴合在一起，并将该阳极板A和阴极板B焊接在一起。

在上述实施例3和实施例4所述的双极板上，为了将冷却剂导入和导出阳极板A和阴极板B之间的各个冷却剂流道6(由相对的第二面2的第二流道21、第二基准面22和第四面4的第四流道41、第四基准面42围成)，设置有同步起伏区，在图10中的A-A截面图上有显示。该同步起伏区是指该双极板上的一个区域，在该同步起伏区内包含有一部分的第一基准面12、一段第一流道11、一部分的第二基准面22、一段第二流道21、一部分的第三基准面32、一段第三流道31、一部分的第四基准面42、一段第四流道41并且在该同步起伏区内构成该双极板的阳极板A和阴极板B不相接触；该同步起伏区在错位方向上的长度L满足：L>3.5w，式中的w表示该同步起伏区内的第一流道11在深度为其总深度的一半处的宽度，该错位方向与该同步起伏区内的第一流道11垂直并且与该双极板的厚度方向垂直，该双极板的厚度方向与构成该双极板的阳极板A的厚度方向一致。位于同步起伏区中的第一流道11属于所述阶梯式收窄的U形流动区间中的第二段C2中的第一流道。

这里还要对同步起伏区的最小尺寸做一补充说明：

在将阳极板A的第二面2和阴极板B的第四面4贴合在一起而组装成双极板时，正常情况下，阳极板A的第二面2上的板筋和阴极板B的第四面4上的板筋相互接触，互为依托，形成稳定的结构；同时，阳极板A的第二面2上的第二流道21和阴极板B的第四面4上的第四流道41组合成近似于六边形的冷却剂流道6。这种稳定的结构所对应的区域称为“对正区”。相应地，对正区的基本组元应该是位于上方的阳极板A或阴极板B上的一个近似于“M”形的片段和位于下方的阴极板B或阳极板A上的一个近似于“W”形的片段的组合，见图13中的上图所示。

在对正区，阳极板A的第二面2上的板筋和阴极板B的第四面4上的板筋相互贴合在一起便形成了阻挡冷却剂跨冷却剂流道而流动的障碍，这将导致内部的冷却剂流道变成一个个密闭的空间。而在双极板上设置同步起伏区的目的正是为了解决这个问题，使得冷却剂可以跨冷却剂流道而流动。由此，根据设置同步起伏区的初衷可以认定：位于上方的阳极板A或阴极板B上的类似于M形的片段和位于下方的阴极板B或阳极板A上的类似于M形的片段的组合是同步起伏区的基本组元，见图13中的下图所示。该基本组元在错位方向上的长度L的值约为：L≈w+2.5w’+2t，式中w表示第一流道11在深度为其总深度的一半处的宽度，w’表示第二流道21在深度为其总深度的一半处的宽度，t表示阳极板A的板体的厚度；在第一流道11和第二流道21的横截面相同的情况下，w’＝w，此时L≈3.5w+2t>3.5w。

为了在上述实施例3和实施例4所述的双极板上形成同步起伏区，一个最简单易行的方法是：在将阳极板A和阴极板B组装成双极板时，采用整体错位组装方法，即在组装双极板时使阳极板A的质心和阴极板B的质心不对正，从而使得阳极板A的质心在基准平面内的投影和阴极板的质心在基准平面内的投影之间存在一个大于w/2的距离d；此处所述的基准平面是指与双极板的厚度方向垂直的一个虚拟的投影平面。同时也应看到，该错位量d也不宜过大，否则会给燃料电池电堆的密封造成困难，故而错位量d也有一个合理的上限即2w。错位量d的最佳值应为：d

为了实施上述整体错位组装方法，在阳极板A和阴极板B上分别设置有专门的双极板组装定位装置，用于确定阳极板A和阴极板B之间的相对位置。

同时，为了防止在同步起伏区处双极板因受挤压而发生变形从而阻挡冷却剂的流通，在阳极板A上对应于该同步起伏区的位置设置有若干上支撑台，该上支撑台是阻断一部分第二流道21而形成的一部分第二基准面22；或者在阴极板B对应于该同步起伏区的位置设置有若干下支撑台，该下支撑台是阻断一部分第四流道41而形成的一部分第四基准面42；在组装好的双极板中，该上支撑台与同步起伏区内的一部分第四基准面42相接触，该下支撑台与同步起伏区内的一部分第二基准面22相接触，发挥支撑作用。

为了避免阳极反应物和阴极反应物的泄漏，通常在阳极反应物流场和阴极反应物流场的周边设置有密封槽7。在组装燃料电池电堆时，在该密封槽7内填充密封材料。对于上述实施例3和实施例4所述的双极板而言，由于构成双极板的阳极板A和阴极板B均为波纹形，所以，如果阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽7的深度和第一流道11的深度相同、阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽7的深度和第三流道31的深度相同，那么在组装好的双极板上两者的底部将会接触，从而形成阻断冷却剂流入同步起伏区以及冷却剂流道的障碍。为了解决这个问题，通常的做法是减小密封槽的深度。这就使得阳极板A上出现除第一基准面12和第二基准面22之外的另一个基准面(即位于同步起伏区外侧的密封槽的底部)、阴极板B上也出现除第三基准面32和第四基准面42之外的另一个基准面(即位于同步起伏区外侧的密封槽的底部)，从而使得阳极板A和阴极板B的结构变得复杂。为此，本发明提出如下改进方案：阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽7的底部和阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽7的底部完全错开，两者在基准平面上的投影无重叠部分，从而使该处形成类似于同步起伏区的结构或者与同步起伏区完全相同的结构。这样就能够使得阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽7的深度和第一流道11的深度相同，阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽7的深度和第三流道31的深度相同，从而达到简化阳极板A和阴极板B的结构、降低阳极板A和阴极板B的制作难度的效果。

此改进方案可以分为如下三种情况：

一、阳极板A上在同步起伏区外侧仅设置一条密封槽7且该密封槽的横截面和第一流道11的横截面相同、阴极板B上在同步起伏区外侧仅设置一条密封槽7且该密封槽的横截面和第三流道31的横截面相同。这种情况最为简单，无需预设偏移量，在将阳极板A和阴极板B进行整体错位组装时，顺便就可以将阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽7的底部和阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽7的底部完全错开，见图14A所示。

二、在第一种情况下如果不能达到有效的密封效果，为了提高密封效果，阳极板A上在同步起伏区外侧仅设置一条密封槽7并且使得该密封槽的宽度大于第一流道11的宽度、阴极板B上在同步起伏区外侧仅设置一条密封槽7并且使得该密封槽的宽度大于第三流道31的宽度。在这种情况下，需要预置偏移量才能够将阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部和阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部完全错开，见图14B和图14C所示。设同步起伏区外侧的密封槽在深度为其总深度的一半处的宽度为b，则预置偏移量Δ应满足：Δ>(b-w)。该预置偏移量的偏移方向分为左向和右向两种情况，与同步起伏区中的第一流道11和第三流道31之间的错位方向一致。

三、在第一种情况下如果不能达到有效的密封效果，为了提高密封效果，阳极板A上和阴极板B上在同步起伏区外侧均设置两条或两条以上的密封槽7，且阳极板A上的密封槽的横截面与第一流道11的横截面相同、两条相邻的密封槽7的间距与两条相邻的第一流道11的间距相同，阴极板B上的密封槽7的横截面与第三流道31的横截面相同、两条相邻的密封槽7的间距与两条相邻的第三流道31的间距相同，从而使得位于同步起伏区外侧的密封槽的结构和同步起伏区的结构完全相同。

在阳极板A上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部和阴极板B上位于同步起伏区外侧的密封槽的底部完全错开的情况下，为了防止在燃料电池电堆中该部位因受挤压而发生变形从而阻挡冷却剂的流通，在该部位的旁边设置有密封槽支撑台8，该密封槽支撑台8是在阳极板A的第一面1上发生凹陷而在第二面2上形成的凸台(该凸台的顶部为第二基准面22的一部分)，或者是在阴极板B的第三面3上发生凹陷而在第四面4上形成的凸台(该凸台的顶部为第四基准面42的一部分)。该密封槽支撑台8在图7、图8、图9、图11和图12中均有显示，为直线排列的若干个椭圆状凹坑。在组装好的双极板中，位于阳极板A上的密封槽支撑台8与阴极板B上的一部分第四基准面42相接触，位于阴极板B上的密封槽支撑台8与阳极板A上的一部分第二基准面22相接触，发挥支撑作用。

另外，关于阶梯式收窄的U形流动区间C的结构，还需要做如下两点补充说明：一、发生板筋的延伸的终止而导致第一流道11的合并的位置，可以是在第一流道11从第一段C1进入第二段C2的弯折处，也可以是在第一流道11从第二段C2进入第三段C3的弯折处，见图15A所示，还可以是既在第一流道11从第一段C1进入第二段C2的弯折处又在第一流道11从第二段C2进入第三段C3的弯折处，见图15B所示；二、关于第一段C1中相互平行的第一流道的数量N和第三段C3中相互平行的第一流道的数量M之比，可以是整数比，如2:1或者3:1等，也可以是任意比例，见图15C所示，图中所显示的比例为21:6＝7:2。

在上述四个关于双极板的具体实施例中，构成双极板的阳极板A的第一面1上的阳极反应物流场均为不具有点对称性的非对称流场。借助于该非对称流场，可以促使阳极反应物在阳极反应物流场的阶梯式汇集，即阳极反应物在阳极反应物流场的流动过程中每流动一段距离就发生一次阳极反应物的汇集，由此而使得阳极反应物在阳极反应物流场的流动过程中其在流道内的气压基本保持不变，从而达到提高燃料电池电堆的发电功率的效果，并且能够缓解膜电极两侧压差不断增大以及膜电极各处受力不均的问题。与此同时，还可以增大燃料电池电堆中阳极反应物的消耗，从而减少从燃料电池电堆的燃料出口通道中所排出的阳极尾气排出量。假设在阳极反应物在阳极反应物流场内各处的气压基本相同，可以估算出从燃料电池电堆的燃料出口通道中所排出的阳极尾气排出量约占输入到燃料电池电堆中的阳极反应物的总量的2％左右。此时，在燃料电池发电系统中设置氢气循环泵或其它形式的阳极尾气回流装置已无必要；在其它条件满足的情况下，去除系统中的氢气循环泵或其它形式的阳极尾气回流装置，而代之以阳极尾气燃烧装置，可以达到简化系统结构、降低系统内耗功率的效果，应该是一个更好的选择。

实施例5

此为本发明所涉及的燃料电池电堆的一个具体实施例5。该燃料电池电堆中包含有如上所述的阳极板A上具有非对称流场的双极板。值得注意的是，在该燃料电池电堆中，如果采用实施例3或实施例4所述的双极板，那么在组装燃料电池电堆时将会面临一个膜电极起皱褶的问题，这会导致反应物流道被堵塞和电路的接触不良。此问题我们在前期的研究中曾经讨论过(见专利号为202010350587.4的中国发明专利说明书)，在阳极反应物流场和阴极反应物流场相同的情况下，此问题可以通过将阳极板A和阴极板B互换的办法来解决；在阳极反应物流场和阴极反应物流场均具有点对称性的情况下，此问题可以通过将双极板围绕与双极板的厚度方向平行的轴线旋转180°(即将各入口通道和各出口通道互换)的办法来解决。但是，对于实施例3和实施例4所述的双极板而言，上述两种办法均不适用，因为在实施例3和实施例4所述的双极板中阳极板A和阴极板B具有不同的流场，而且阳极板A上具有非对称流场。为此，必须采用新的解决办法。作为一个可行的技术方案，在将实施例3和实施例4所述的阳极板A和阴极板B组装成双极板时，可以做成两种类型，一种为左向整体错位组装板，另一种为右向整体错位组装板；在组装燃料电池电堆时，用一个左向整体错位组装板和一个右向整体错位组装板夹持同一个膜电极9，如图16所示，图中由上至下，第一个为未错位组装板，第二个为右向整体错位组装板，第三个为左向整体错位组装板，第四个为两个右向整体错位组装板夹持一个膜电极9，第五个为两个左向整体错位组装板夹持一个膜电极9，第六个为一个右向整体错位组装板一个左向整体错位组装板夹持一个膜电极9。为了明确地辨识左向整体错位组装板和右向整体错位组装板，此处引入“冷却剂导入部”的概念：所谓冷却剂导入部是指双极板上的一个部位，在燃料电池电堆中冷却剂从外部或冷却剂入口通道15经过该部位流入双极板上的同步起伏区。此处利用该部位发挥坐标原点的作用：在左向整体错位组装板中，冷却剂导入部在基准平面上的投影和阳极板的质心在基准平面上的投影位于阴极板的质心在基准平面上的投影的同一侧；在右向整体错位组装板中，冷却剂导入部在基准平面上的投影和阳极板的质心在基准平面上的投影分别位于阴极板的质心在基准平面上的投影的两侧；此处所述的基准平面是指与该双极板的厚度方向(即构成该双极板的阳极板A的厚度方向)垂直的一个虚拟的投影平面。

实施例6

此为本发明所涉及的燃料电池发电系统的一个具体实施例6。在该燃料电池发电系统中包含有如实施例5所述的燃料电池电堆。作为一个可以选择的方案，该燃料电池发电系统中包含有阳极尾气燃烧装置而不包含有氢气循环泵或者其它类型的阳极尾气回流装置。该阳极尾气燃烧装置可以使从燃料电池电堆中排出的阳极尾气与大气中的氧气或者与从燃料电池电堆中排出的阴极尾气发生化合反应(燃烧)。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。