本公開內(nèi)容涉及用于燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)(bipolar plate structure)。更特別地，本公開內(nèi)容涉及能夠在整個反應(yīng)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)均勻的發(fā)電、增加極限電流密度和功率密度、并改進(jìn)燃料電池的性能和效率的用于燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)通過作為燃料氣體的氫氣和作為氧化劑氣體的氧氣(或空氣)之間的電化學(xué)反應(yīng)來發(fā)電。

與其他類型的燃料電池相比，PEMFC具有高效率、高電流密度、高功率密度、短啟動時間、以及對負(fù)載變化的快速響應(yīng)。因此，PEMFC已經(jīng)用于多種應(yīng)用，諸如用于零排放車輛的電源、獨(dú)立發(fā)電站和軍用電源中。

通常，燃料電池具有其中將電池堆疊并裝配以便滿足所需功率水平的堆結(jié)構(gòu)(組結(jié)構(gòu)，stack structure)。因此，安裝在車輛中的燃料電池也具有其中堆疊幾百個電池以便滿足所需高功率水平的堆結(jié)構(gòu)。

將膜電極組件(MEA)定位在燃料電池堆(燃料電池組，fuel cell stack)的每個單元電池的中心。MEA包括固體聚合物電解質(zhì)膜和催化劑電極，運(yùn)送氫陽離子(質(zhì)子)使其通過固體聚合物電解質(zhì)膜，通過在電解質(zhì)膜的兩個表面上施加催化劑來配置催化劑電極。即，催化劑電極包括陽極(氫電極)和陰極(空氣電極)。

另外，將氣體擴(kuò)散層(GDL)、用于防止漏氣的墊圈等堆疊在MEA之外，即位于陽極和陰極所處的外部。雙極板具有流場，反應(yīng)物氣體、冷卻劑和通過反應(yīng)產(chǎn)生的水流過該流場，并且雙極板與GDL的外側(cè)結(jié)合。

根據(jù)如上所述的傳統(tǒng)技術(shù)，在燃料電池堆的陽極中發(fā)生作為燃料的氫氣的氧化反應(yīng)以產(chǎn)生氫離子和電子。將產(chǎn)生的氫離子和電子分別通過電解質(zhì)膜和雙極板傳送至陰極。

因此，通過電子流動產(chǎn)生電能，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水和熱量，其中，從陽極傳送的氫離子和電子與空氣中的氧氣在陰極中混合(participate)。

雙極板在燃料電池堆中劃分單元電池，同時，用作單元電池之間的電流通路(用于轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電的通路)。形成于雙極板中的流場用作用于將反應(yīng)物氣體轉(zhuǎn)移至GDL的通路、用于冷卻劑通過的通路、以及用于排出水的通路，水由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生并通過GDL排出至外部。

這種雙極板包括由石墨材料制成的石墨雙極板、以及由金屬材料諸如不銹鋼制成的金屬雙極板?？紤]到可加工性和大規(guī)模生產(chǎn)，用金屬雙極板代替石墨雙極板的研究正積極地進(jìn)行。

然而，通過壓力加工制造的金屬雙極板難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀。為此，金屬雙極板使用薄板材料，從而可以減小雙極板的厚度和重量以及單元電池的體積。

通常，在通過在模具中經(jīng)由壓力加工以金屬板材料形成浮雕/凹雕圖案來制造雙極板之后，使兩個雙極板彼此連接。因此，冷卻劑在通過雙極板的接觸而限定的通道空間中流動，將GDL設(shè)置在雙極板的兩側(cè)，使得氫氣和氧氣在限定于GDL和雙極板之間的相應(yīng)的通道空間中流動以便轉(zhuǎn)移反應(yīng)物氣體。

圖1是示出了用于燃料電池的典型的金屬雙極板結(jié)構(gòu)的頂視圖。參考圖1，雙極板10通常具有矩形形狀。雙極板10具有反應(yīng)區(qū)域11，該反應(yīng)區(qū)域11具有用于空氣、氫氣和冷卻劑的流場。反應(yīng)區(qū)域11的相對端部分具有入口歧管孔(inlet manifold hole)12、14和16以及出口歧管孔13、15和17，空氣、氫氣和冷卻劑分別通過入口歧管孔12、14和16以及出口歧管孔13、15和17進(jìn)入和離開。

將加濕的空氣和氫氣作為反應(yīng)物氣體從堆的外部源通過空氣和氫氣入口歧管孔12和14供應(yīng)，以操作燃料電池。除了供應(yīng)的反應(yīng)物氣體以外，在燃料電池中產(chǎn)生的氣相或液相水通過空氣和氫氣出口歧管孔13和15排出至堆的外部。

即，將反應(yīng)物氣體和在電池中產(chǎn)生的水通過空氣出口歧管孔13排出，并將反應(yīng)物氣體和在陰極中產(chǎn)生且然后滲入電解質(zhì)膜以傳送至陽極的水通過氫氣出口歧管孔15排出。

在燃料電池堆的每個雙極板中，將反應(yīng)物氣體(包括作為燃料氣體的氫氣和作為氧化劑氣體的氧氣的空氣)和通過入口歧管孔12、14和16供應(yīng)的冷卻劑分配至每個電池的流場(陰極/陽極/冷卻劑通道)，以進(jìn)行反應(yīng)并被冷卻。然后，使反應(yīng)物氣體和冷卻劑在出口歧管孔13、15和17中合并，以排出至堆的外部，如圖2中所示。

圖3A和圖3B是燃料電池的橫截面圖，其示出了反應(yīng)物氣體所流過的陰極通道和陽極通道、以及冷卻劑通道。參考數(shù)字21指的是包括催化劑層(催化劑電極，即，陰極和陽極)的MEA。

在這里，雙極板10與GDL 22接觸的每個部分指的是接合部分(連接部分，焊接區(qū)部分，連接盤部分，land section)10a，一個雙極板與另一個雙極板接觸的每個部分指的是通道部分(channel section)10b。

另外，由通道部分10b形成的流場指的是反應(yīng)物氣體所流過的通道，其是空氣(氧氣)所流過的陰極通道(空氣通道)11a和氫氣所流過的陽極通道(氫氣通道)11b。由接合部分10a形成的流場指的是冷卻劑所流過的冷卻劑通道11c。

將雙極板的流場分成陰極通道11a、陽極通道11b和冷卻劑通道11c，并且空氣、氫氣和冷卻劑在平行的方向上流至雙極板的流場。通過使用壓制處理金屬材料來制造的雙極板會由于雙極板本身的形狀而導(dǎo)致設(shè)計(jì)限制。

金屬雙極板具有以各種方式設(shè)計(jì)的流場，因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀，但是流場圖案具有與典型的通道形狀相同的形式。

即，反應(yīng)物氣體所流過的流場具有形成于平且薄的金屬板材料上的浮雕和凹雕圖案(relief and intaglio pattern)，冷卻劑或其他氣體流過形成于其相對表面上的流場。

另外，傳統(tǒng)的雙極板通常具有平行地布置在反應(yīng)區(qū)域中的長通道，或具有傾斜的流場。根據(jù)雙極板的流場的設(shè)計(jì)，雙極板在性能、壓力特征和排放特征方面具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，具有矩形橫截面、梯形橫截面或與其類似的橫截面的流場，通常形成于與雙極板的反應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的部分中，使得通過其供應(yīng)反應(yīng)物氣體。

雙極板具有流場形成于其中的部分和流場不形成于其中的另一個部分。流場形成于其中的部分是具有用于反應(yīng)物氣體的流場的流場部分(包括以上通道)，流場不形成于其中的另一個部分是接合部分。

在雙極板中流場部分典型地與接合部分區(qū)別開。由于流場部分和接合部分之間的流量差異(流動差異)的原因，轉(zhuǎn)移至GDL的氣體的擴(kuò)散量會變化。這種不均勻性會在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的MEA中在流場部分和接合部分之間產(chǎn)生濃度差異。由于此原因，由于電化學(xué)反應(yīng)中的差異而難以期望整個反應(yīng)區(qū)域中均勻地發(fā)電。

在傳統(tǒng)的雙極板中，反應(yīng)物氣體諸如空氣和氫氣在垂直于其中將物質(zhì)轉(zhuǎn)移至催化劑層的方向的方向上流動，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化劑層中。由于此原因，雙極板具有的缺點(diǎn)在于：將物質(zhì)轉(zhuǎn)移至催化劑層，僅取決于由于濃度差異的擴(kuò)散以及在通道11a和11b與MEA 21之間的分壓力差。

即，由于反應(yīng)物氣體的流動方向垂直于其中將物質(zhì)轉(zhuǎn)移至催化劑層(其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng))的方向，所以僅使用由于用于反應(yīng)物氣體的流場通道11a和11b之間的入口和出口處的壓力差的擴(kuò)散以及通道11a和11b與催化劑層之間的濃度差，將物質(zhì)通過GDL 22轉(zhuǎn)移至催化劑層。

這種方法在將反應(yīng)物氣體供應(yīng)至所需部分方面是被動轉(zhuǎn)移方法。因此，難以在雙極板中通過流動將物質(zhì)轉(zhuǎn)移至催化劑層。

因此，燃料電池的極限電流密度減小，從而燃料電池的性能可能劣化。另外，在高功率部分中可能不會提高燃料電池的性能，并且難以將水作為由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物排出，因?yàn)殡y以去除GDL中存在的水。

此外，由于電化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物氣體濃度未轉(zhuǎn)移至流場通道的后端部分(出口部分)中的催化劑層，所以可能導(dǎo)致功率損耗。

在該背景技術(shù)部分中公開的上述信息僅是為了增強(qiáng)對本發(fā)明的背景技術(shù)的理解，因此其可能包含并不形成在本國對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說已經(jīng)已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容已經(jīng)在努力解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題。

在一個方面中，本公開內(nèi)容提供一種用于燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)，該雙極板結(jié)構(gòu)能夠在整個反應(yīng)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)均勻的發(fā)電、增加極限電流密度和功率密度、并改進(jìn)燃料電池的性能和效率。

在另一個方面中，本公開內(nèi)容提供一種用于燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)，該雙極板結(jié)構(gòu)能夠改進(jìn)氣體擴(kuò)散層(GDL)中的排水能力，并通過增加與冷卻劑的接觸區(qū)域來提高熱效率。

根據(jù)一個示例性實(shí)施方式，用于燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)包括陰極雙極板(正極雙極板，cathode bipolar plate)，所述陰極雙極板具有第一流場部分(first flow field section)以在第一流場部分和第一氣體擴(kuò)散層之間形成陰極通道(正極通道，cathode channel)，并具有第一接合部分(第一連接部分，第一焊接區(qū)部分，第一連接盤部分，first land section)以在其中第一接合部分與第一氣體擴(kuò)散層結(jié)合的狀態(tài)下形成冷卻劑通道。陽極雙極板(負(fù)極雙極板，anode bipolar plate)具有第二流場部分以在第二流場部分 和第二氣體擴(kuò)散層之間形成陽極通道(負(fù)極通道，anode channel)，并具有第二接合部分以在其中第二接合部分與第二氣體擴(kuò)散層結(jié)合的狀態(tài)下形成冷卻劑通道(coolant channel)。陰極通道具有相互交叉的通道結(jié)構(gòu)(interdigitated channel structure)，而陽極通道具有其中流場彼此平行地布置的平行的通道結(jié)構(gòu)。在陰極雙極板和陽極雙極板中沿著反應(yīng)區(qū)域的兩個長邊邊緣部分中的一個形成空氣入口歧管孔(air inlet manifold hole)，在所述反應(yīng)區(qū)域中形成有第一和第二流場部分以及第一和第二接合部分。沿著反應(yīng)區(qū)域的兩個長邊邊緣部分中的另一個形成空氣出口歧管孔。陰極通道中的每一個的縱向方向是反應(yīng)區(qū)域的寬度方向。

可在陰極雙極板和陽極雙極板中沿著反應(yīng)區(qū)域的兩個短邊邊緣部分(short-side edge portion)中的一個形成氫氣入口歧管孔，并可沿著兩個短邊邊緣部分中的另一個形成氫氣出口歧管孔。

陰極通道中的每一個的縱向方向可與陽極通道中的每一個的縱向方向相交(交叉，intersect)。

陽極通道中的每一個的縱向方向可以是反應(yīng)區(qū)域的縱向方向，使得陰極通道中的每一個的縱向方向垂直于陽極通道中的每一個的縱向方向。

當(dāng)?shù)谝唤雍喜糠趾偷诙雍喜糠值谋砻娣謩e與兩個相鄰燃料電池的第一和第二氣體擴(kuò)散層結(jié)合時，在第一和第二接合部分的每個表面的相對表面上以鋸齒形通路形式形成冷卻劑通道，使得冷卻劑通道的縱向通路(縱向路徑，longitudinal path)和橫向通路交替地重復(fù)。

第一接合部分可具有鋸齒形通路形式(Z字形通路形式，zigzag path form)，使得其縱向部分和橫向部分交替地重復(fù)。

第一接合部分的至少一個部分可具有封閉形式以形成多個封閉的流場部分，從而在第一接合部分與第一氣體擴(kuò)散層結(jié)合的狀態(tài)下阻塞每個封閉的流場部分的整個周邊(entire circumference)。

可在反應(yīng)區(qū)域的拐角部分(corner portion)處形成冷卻劑入口和出口歧管孔。

空氣入口歧管孔可在陰極和陽極雙極板的縱向方向上沿著陰極雙極板和陽極雙極板之間的中心部分延伸(伸長，elongate)?？諝獬隹谄绻芸卓稍谙鄳?yīng)雙極板的縱向方向上在陰極雙極板和陽極雙極板的兩個長邊邊緣部分處延伸。其中形成有第一和第二流場部分以及第一和第二接合部分的反應(yīng)區(qū)域可分別位于空氣出口歧管孔中的一個與該空氣入口歧管孔之 間，以及空氣出口歧管孔中的另一個與中心部分處的該空氣入口歧管孔之間。

空氣入口歧管孔可在陰極和陽極雙極板的縱向方向上在陰極雙極板和陽極雙極板的兩個長邊邊緣部分中的一個處延伸?？諝獬隹谄绻芸卓稍陉帢O和陽極雙極板的縱向方向上在長邊邊緣部分中的另一個處延伸。氫氣入口歧管孔可在陰極和陽極雙極板的寬度方向上在陰極雙極板和陽極雙極板的兩個短邊邊緣部分中的一個處形成。氫氣出口歧管孔可在陰極和陽極雙極板的寬度方向上在短邊邊緣部分中的另一個處延伸。其中形成有第一和第二流場部分以及第一和第二接合部分的一個反應(yīng)區(qū)域可被空氣入口和出口歧管孔以及氫氣入口和出口歧管孔包圍。

陰極雙極板和陽極雙極板中的每一個可以是金屬雙極板(metallic bipolar plate)，該金屬雙極板被壓制(擠壓)以形成第一和第二接合部分以及第一和第二流場部分。

在下文中討論本發(fā)明的其他方面和示例性實(shí)施方式。

應(yīng)理解的是，如在本文中使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其他類似術(shù)語包括廣義的機(jī)動車輛，如包括運(yùn)動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客車輛(passenger automobile)；包括各種艇和船的水運(yùn)工具；航空器等，并且包括混合動力車輛(hybrid vehicle)、電動車輛、插入式混合動力電動車輛(plug-in hybrid electric vehicle)、氫動力車輛和其他可替代燃料車輛(例如，源自除了石油之外的資源的燃料)。如在本文中提及的，混合動力車輛是具有兩種或更多種動力源的車輛，例如，汽油動力和電動力車輛。

在下文中討論本發(fā)明的以上和其他特征。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖所示的本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方式詳細(xì)地描述本發(fā)明的上述和其他特征，在下文中僅通過說明的方式給出了附圖，因此并不限制本公開內(nèi)容。

圖1是示出了相關(guān)技術(shù)中傳統(tǒng)的用于燃料電池堆的雙極板的頂視圖。

圖2是示出了相關(guān)技術(shù)中傳統(tǒng)的用于燃料電池堆的雙極板和流體流動方向的透視圖。

圖3A和圖3B是電池的橫截面圖，示出了相關(guān)技術(shù)中傳統(tǒng)的燃料電池堆中反應(yīng)物氣體所流過的陰極通道和陽極通道、以及冷卻劑通道。圖3B是沿著圖3A中的線“A-A”截取的橫截面圖。

圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板的頂視圖。

圖5A至圖5C分別是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式的雙極板中的陰極通道、陽極通道和冷卻劑通道的頂視圖。圖5A示出了陰極雙極板，圖5B示出了陽極雙極板，以及圖5C示出了陰極雙極板和陽極雙極板。

圖6A至圖6D是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板及其流場結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖6B示出了陰極雙極板，圖6C示出了陽極雙極板，以及圖6D示出了陰極雙極板和陽極雙極板。

圖7A至圖7D是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的又一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板及其流場結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖7B示出了陰極雙極板，圖7C示出了陽極雙極板，以及圖7D示出了陰極雙極板和陽極雙極板。

圖8A至圖8D是示出了其中在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的雙極板中改變冷卻劑入口和出口歧管孔的位置的各種實(shí)例的頂視圖。

應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖不必按比例，呈現(xiàn)了說明本發(fā)明的基本原理的各種特征的某種程度的簡化表示。將通過特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境來部分確定如本文所公開的本公開內(nèi)容的具體設(shè)計(jì)特征，包括例如具體尺寸、取向、位置和形狀。

在圖中，參考數(shù)字是指貫穿附圖的幾幅圖的本發(fā)明的相同或等效部件(部分)。

具體實(shí)施方式

在下文中，現(xiàn)在將詳細(xì)地提及本發(fā)明構(gòu)思的各種實(shí)施方式，在附圖中示出了并且在下面描述了本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)例。盡管將結(jié)合示例性實(shí)施方式描述本發(fā)明，然而將理解的是，本說明書并不旨在將本發(fā)明限于那些示例性實(shí)施方式。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實(shí)施方式，而且涵蓋可以包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換、修改、等價(jià)物和其他實(shí)施方式。

如上所述，由于傳統(tǒng)的用于燃料電池的雙極板僅使用反應(yīng)物氣體的擴(kuò)散來將物質(zhì)轉(zhuǎn)移至催化劑層，所以由于流場部分和接合部分之間的不均勻的氣體濃度，所以難以在整個反應(yīng)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)均勻的發(fā)電，極限電流密度較低，并且難以改進(jìn)GDL中的排水能力和高功率部分中的性能。

相比之下，由于本公開內(nèi)容的雙極板具有相互交叉的通道結(jié)構(gòu)，所以可以克服以上缺點(diǎn)。另外，可以將用于使反應(yīng)物氣體和冷卻劑從歧管孔通 過新的通道結(jié)構(gòu)均勻地分配至通道的空間減到最小，并可以有助于提高燃料電池效率且提高功率密度。

圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板的頂視圖。如圖中所示，根據(jù)本公開內(nèi)容的雙極板10可以是通過在模具中壓力加工(沖壓加工，press working)(沖壓)而制造成矩形形狀的金屬雙極板。雙極板(將在后面描述的陰極雙極板和陽極雙極板)10包括空氣入口歧管孔12，所述空氣入口歧管孔12在雙極板10的縱向方向上沿著其中心部分延伸，用于將空氣供應(yīng)至相關(guān)反應(yīng)區(qū)域11中的陰極通道。空氣出口歧管孔13在雙極板10的縱向方向上沿著其兩個長邊邊緣部分中的每一個延伸，并且空氣出口歧管孔13排出通過陰極通道的空氣。

空氣入口歧管孔12和空氣出口歧管孔13形成彼此連通的空氣通路，所述空氣通路是在其中通過堆疊包括雙極板10的電池裝配燃料電池堆的狀態(tài)下將空氣通過其供應(yīng)或排放至每個雙極板10的空氣入口歧管和空氣出口歧管。

另外，在雙極板10的兩個短邊邊緣部分處形成氫氣入口和出口歧管孔14和15以及冷卻劑入口和出口歧管孔16和17。在短邊邊緣部分中的一個處形成氫氣入口歧管孔14和冷卻劑入口歧管孔16，用于將氫氣和冷卻劑供應(yīng)并分配至相應(yīng)反應(yīng)區(qū)域11中的陽極通道和冷卻劑通道。在短邊邊緣部分中的另一個處形成氫氣出口歧管孔15和冷卻劑出口歧管孔17，用于排出通過相應(yīng)陽極通道和冷卻劑通道的氫氣和冷卻劑。

使氫氣入口歧管孔14和氫氣出口歧管孔15沿著每個短邊邊緣部分在每個反應(yīng)區(qū)域11的寬度方向上延伸。在這種情況中，冷卻劑入口歧管孔16和冷卻劑出口歧管孔17位于每個反應(yīng)區(qū)域11的周邊拐角部分處。

與空氣入口和出口歧管孔12和13類似，氫氣入口歧管孔14和氫氣出口歧管孔15形成彼此連通的氫氣通路，所述氫氣通路是在其中堆疊燃料電池堆的雙極板10的狀態(tài)下將氫氣通過其供應(yīng)或排放至每個雙極板10的氫氣入口歧管和氫氣出口歧管。

另外，冷卻劑入口歧管孔16和冷卻劑出口歧管孔17形成彼此連通的冷卻劑通路，所述冷卻劑通路是在其中堆疊燃料電池堆的雙極板10的狀態(tài)中將冷卻劑通過其供應(yīng)或排放至每個雙極板10的冷卻劑入口歧管和冷卻劑出口歧管。

因此，在本公開內(nèi)容的雙極板10中，空氣入口歧管孔12與每個空氣出口歧管孔13之間的距離比較長的氫氣入口歧管孔14和氫氣出口歧管孔15之間的距離更短，如圖4中所示。因此，每個用于將空氣從雙極板10 的中心部分移動至雙極板10的長邊邊緣部分的陰極通道具有比每個用于將氫氣從一個短邊邊緣部分移動至其另一個短邊邊緣部分的陽極通道的長度更短的長度。

另外，由于空氣入口歧管孔12位于雙極板10的中心部分處，所以將通過中心部分處的空氣入口歧管孔12引入的空氣分成兩個方向，然后通過相關(guān)反應(yīng)區(qū)域11中的陰極通道流動至空氣出口歧管孔13，所述空氣出口歧管孔13分別形成于雙極板10的兩個長邊邊緣部分處。

因此，將在其中發(fā)生燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域11相對于在雙極板10的中心部分處的空氣入口歧管孔12分成兩個區(qū)域。

由于入口和出口歧管孔12、13、14和15位于反應(yīng)區(qū)域11的邊緣部分處，所以空氣和氫氣在彼此垂直的方向上流動。在這里，冷卻劑在各種方向，諸如縱向和橫向方向上流動。

另外，本公開內(nèi)容的雙極板10包括兩種類型的雙極板10以便在燃料電池堆中形成作為空氣流場的陰極通道、作為氫氣流場的陽極通道、以及作為冷卻劑流場的冷卻劑通道。即，雙極板10包括陰極雙極板和陽極雙極板，陰極雙極板形成陰極通道和冷卻劑通道，陽極雙極板形成陽極通道和冷卻劑通道。

在空氣入口和出口歧管孔12和13、氫氣入口和出口歧管孔14和15、以及冷卻劑入口和出口歧管孔16和17的位置和形狀方面，陰極雙極板具有與陽極雙極板相同的結(jié)構(gòu)。

然而，在示例性實(shí)施方式中，陰極雙極板具有相互交叉的通道結(jié)構(gòu)，而陽極雙極板具有其中陽極通道彼此平行地布置的平行的通道結(jié)構(gòu)。

圖5A至圖5C是圖4的部分“A”的頂視圖，分別示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的雙極板中的陰極通道、陽極通道和冷卻劑通道。

如圖5A中所示，具有相互交叉的通道結(jié)構(gòu)的陰極雙極板包括具有浮雕和凹雕圖案并形成流場的流場部分，以及與GDL結(jié)合的接合部分。在燃料電池堆中的流場部分形成空氣流場，即，陰極通道，使得作為氧化劑氣體的空氣在流場部分和GDL之間流動。

在一些實(shí)施方式中，接合部分具有其中交替地重復(fù)和延伸縱向部分和橫向部分的鋸齒形通路。當(dāng)在其中接合部分的一個表面與GDL結(jié)合的狀態(tài)下燃料電池堆中陰極雙極板與陽極雙極板結(jié)合時，在陰極雙極板的接合部分的另一個表面上形成冷卻劑通道。

另外，如圖5B中所示，具有平行的通道結(jié)構(gòu)的陽極雙極板包括具有浮雕和凹雕圖案并形成流場的流場部分、以及與GDL結(jié)合的接合部分。在這種情況中，使流場部分和接合部分彼此平行地延伸。

燃料電池堆中的陽極雙極板的流場部分形成氫氣流場，即，陽極通道，使得作為燃料氣體的氫氣在流場部分和GDL之間流動。當(dāng)在其中接合部分的一個表面與GDL結(jié)合的狀態(tài)下燃料電池堆中陰極雙極板與陽極雙極板結(jié)合時，在陽極雙極板的接合部分的另一個表面上形成冷卻劑通道。

因此，燃料電池堆中的冷卻劑通道具有其中縱向流場與橫向流場相交(交叉)的多向流場結(jié)構(gòu)，如圖5C中所示。

另外，在其中在燃料電池堆中陰極雙極板與陽極雙極板結(jié)合的狀態(tài)中，在陰極雙極板的流場部分的一個表面上形成作為空氣流場的陰極通道，并在陽極雙極板的流場部分的一個表面上形成作為氫氣流場的陽極通道。在這里，兩個雙極板的流場部分的其他表面彼此結(jié)合。

另外，具有如上所述的相互交叉的通道結(jié)構(gòu)的陰極雙極板具有分開存在的入口和出口，并且作為反應(yīng)物氣體的空氣越過通道(流場部分)之間的GDL。

當(dāng)在燃料電池堆中陰極雙極板與陽極雙極板結(jié)合時，陰極雙極板的流場部分與陽極雙極板的流場部分垂直。因此，由相應(yīng)雙極板的流場部分形成的每個陰極通道的縱向方向(雙極板和反應(yīng)區(qū)域中的每一個的縱向方向)和每個陽極通道的縱向方向(雙極板和反應(yīng)區(qū)域中的每一個的縱向方向)彼此垂直。在GDL和MEA之間流動的空氣和氫氣的流向也彼此垂直。

由于當(dāng)在燃料電池堆中陰極雙極板與陽極雙極板結(jié)合時兩個雙極板的接合部分彼此垂直，所以在雙極板10之間流動的冷卻劑具有縱向和橫向方向的所有流向。在這種情況中，冷卻劑可沿著鋸齒形通路流動，該鋸齒形通路以這樣的方式形成，使得交替地重復(fù)和延伸縱向通路和橫向通路。

在如上所述的雙極板10中，將反應(yīng)區(qū)域11相對于一個電池中的中心部分處的空氣入口歧管孔12分成兩個區(qū)域，并且入口和出口歧管孔12、13、14、15、16和17位于沿著相應(yīng)反應(yīng)區(qū)域11的邊緣部分的地方，如圖4所示。因此，不需要形成單獨(dú)的分支通道部分以均勻地分布通道，從而，可提高功率密度。

通過在雙極板10中的中心部分處形成空氣入口歧管孔12，單元電池可具有兩個反應(yīng)區(qū)域11。反應(yīng)區(qū)域11以及空氣入口和出口歧管孔12和13的位置和形狀可以各種方式改變。

另外，冷卻劑入口和出口歧管孔16和17相對于相應(yīng)的具有矩形形狀的反應(yīng)區(qū)域11位于拐角部分處。氫氣入口和出口歧管孔14和15分別位于相關(guān)反應(yīng)區(qū)域11的短邊處，空氣入口和出口歧管孔12和13分別位于相關(guān)反應(yīng)區(qū)域11的長邊處。

因此，通過反應(yīng)區(qū)域11的一側(cè)(邊)處的拐角部分引入冷卻劑，即，通過位于每個氫氣入口歧管孔14的兩側(cè)處的冷卻劑入口歧管孔16引入冷卻劑，然后，冷卻劑通過雙極板10之間的具有鋸齒形形狀的冷卻劑流場(通道)。然后，使冷卻劑通過反應(yīng)區(qū)域11的另一側(cè)處的拐角部分排出，即，使冷卻劑通過位于每個氫氣出口歧管孔15的兩側(cè)處的冷卻劑出口歧管孔17排出。

在應(yīng)用于本公開內(nèi)容的相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中，氫氣流場(氫氣通道或陽極通道)和空氣流場(空氣通道或陰極通道)彼此垂直，而不是位于相同的方向上。相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的每個空氣流場的長度足夠短，以接近雙極板10的反應(yīng)區(qū)域的寬度尺寸。

當(dāng)相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的通道長度變長時，對于雙極板10中的反應(yīng)物氣體的入口和出口之間的壓力差增加，并且其中反應(yīng)物氣體在通道之間越過GDL的流動效果減小。因此，降低了相互交叉的通道的性能。

特別地，當(dāng)相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的通道長度較長時，表現(xiàn)出與一般的平行通道結(jié)構(gòu)的性能類似的性能，并且難以增加GDL中的極限電流密度和排水能力。

相比之下，當(dāng)相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的通道長度較短時，增加了性能和功率密度。

當(dāng)相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的通道長度較短時，在通道之間通過GDL的對流效果增加。因此，可以將極限電流密度增到最大。

在這點(diǎn)上，當(dāng)在用于燃料電池(所述燃料電池具有反應(yīng)區(qū)域11，反應(yīng)區(qū)域11具有長邊和短邊)的雙極板10中的矩形反應(yīng)區(qū)域11的短邊方向上應(yīng)用雙極板10的相互交叉的通道時，與一般的平行通道中的極限電流密度相比，可顯著增加極限電流密度。因此，也增加了功率密度，因此，可提高所述堆的性能并可減小所述堆的尺寸。

因此，在本公開內(nèi)容中，在雙極板10中沿著反應(yīng)區(qū)域11的長邊邊緣部分形成空氣入口歧管孔12和空氣出口歧管孔13。空氣流場具有相互交叉的通道，將空氣的流向設(shè)置為垂直于氫氣的流向(反應(yīng)區(qū)域的縱向方向)的方向(反應(yīng)區(qū)域的寬度方向)。相互交叉的通道結(jié)構(gòu)中的每個空氣通道的長度足夠短，以接近于反應(yīng)區(qū)域11的寬度尺寸。

另外，由于氫氣本身的擴(kuò)散在氫氣流場中較高，所以在相互交叉的通道結(jié)構(gòu)和平行的通道結(jié)構(gòu)之間沒有差異。因此，氫氣流場由具有低壓力差的平行通道構(gòu)成。

冷卻劑流場使用陰極雙極板和陽極雙極板的接合部分具有鋸齒形通道結(jié)構(gòu)，而不是具有和相關(guān)技術(shù)中一樣簡單的平行結(jié)構(gòu)，從而增加與水的接觸面積。

因此，由于流動(流體)本身具有強(qiáng)制湍流特性(compulsory turbulence characteristics)，所以可以通過減小熱傳遞方面的溫差，來增加燃料電池的冷卻效率，并在均勻溫度下控制整個反應(yīng)區(qū)域。因此，燃料電池在熱管理方面可更有效地操作。

圖6A至圖6D是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板及其流場結(jié)構(gòu)的頂視圖，并示出了雙極板10具有一個反應(yīng)區(qū)域11的實(shí)例。

參考圖6A至圖6D，使空氣入口歧管孔12在雙極板10的縱向方向上沿著雙極板10的兩個長邊邊緣部分中的一個延伸，而不是沿著其中心部分延伸。使空氣出口歧管孔13在雙極板10的縱向方向上沿著長邊邊緣部分中的另一個延伸。

反應(yīng)區(qū)域11是位于除了雙極板10的長邊和短邊邊緣部分以外的中心處的矩形區(qū)域。應(yīng)用于陰極雙極板的相互交叉的通道結(jié)構(gòu)和應(yīng)用于陽極雙極板的平行的通道結(jié)構(gòu)與圖4中的實(shí)施方式的那些相同。

另外，在空氣流場(陰極通道或空氣通道)和氫氣流場(陽極通道或氫氣通道)的結(jié)構(gòu)、由接合部分形成的冷卻劑流場(冷卻劑通道)的結(jié)構(gòu)、作為燃料氣體的氫氣的流向和包括作為氧化劑氣體的氧氣的空氣的流向中沒有差異。

然而，圖6A的實(shí)施方式與圖4的以上實(shí)施方式的不同之處在于，在圖4的實(shí)施方式中形成兩個反應(yīng)區(qū)域11，而在圖6A的實(shí)施方式中形成一個反應(yīng)區(qū)域11。此外，在圖4的實(shí)施方式中，將通過中心部分處的空氣入口歧管孔12引入的空氣分配至兩側(cè)，然后排出至兩個空氣出口歧管孔13， 而在圖6A的實(shí)施方式中，將通過位于一個長邊處的空氣入口歧管孔12引入的空氣在雙極板10的寬度方向上(在反應(yīng)區(qū)域的寬度方向上)運(yùn)送，然后將其排放至位于另一個長邊處的空氣出口歧管孔13。

圖7A至圖7D是示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的又一個實(shí)施方式的用于燃料電池的雙極板及其流場結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖7A至圖7D的本實(shí)施方式與圖6A至圖6D的以上實(shí)施方式在陰極雙極板的空氣流場結(jié)構(gòu)方面不同，即，相互交叉的通道的形狀與由接合部分形成的作為陰極通道(空氣流場)的形狀的冷卻劑通道的形狀不同。

除了以上差異以外，圖7A至圖7D中的實(shí)施方式的其他結(jié)構(gòu)與圖6A至圖6D中的實(shí)施方式的那些相同。

圖7A至圖7D的實(shí)施方式中的陰極雙極板的陰極通道具有基本的相互交叉的通道結(jié)構(gòu)，在該通道結(jié)構(gòu)中，用于用作反應(yīng)物氣體的空氣的入口和出口單獨(dú)存在，并且空氣越過GDL，與流場(通道)之間的接合部分接觸。然而，圖7A至圖7D的實(shí)施方式具有與圖4至圖6D的實(shí)施方式不同的接合部分的形狀。

在圖4至圖6D的實(shí)施方式中，空氣的流向與氫氣的流向垂直。然而，在圖7A至圖7D的實(shí)施方式中，與GDL結(jié)合的接合部分的至少一部分在陰極雙極板中具有閉合形式，從而，形成多個封閉的流場部分。陰極雙極板和GDL之間的封閉的接合部分會阻塞每個封閉的流場部分的整個周邊。

在這種情況中，這樣形成接合部分，使得橫向地布置該封閉的流場部分。引入通道中的空氣入口部分的空氣橫向地越過(cross over through)GDL，與接合部分接觸，接著通過相鄰的封閉的流場部分，然后流至通道中的空氣出口部分。

圖8A至圖8D是示出了其中根據(jù)本公開內(nèi)容的雙極板中改變冷卻劑入口和出口歧管孔的位置的各種實(shí)例的頂視圖。該實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)與以上實(shí)施方式的那些結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于，改變冷卻劑入口和出口歧管孔16和17的位置。

如圖8A至圖8D中所示，反應(yīng)區(qū)域11中的溫度分布可根據(jù)冷卻劑入口和出口歧管孔16和17的位置而改變。如圖8A中所示，當(dāng)冷卻劑入口歧管孔16位于短邊邊緣部分中的反應(yīng)區(qū)域11的拐角處時，每個是其縱向方向上的長邊的一個端部，而當(dāng)冷卻劑出口歧管孔17位于短邊邊緣部分中的反應(yīng)區(qū)域11的拐角處時，每個是其縱向方向上的長邊的另一個端部， 其中冷卻劑出口歧管孔17位于反應(yīng)區(qū)域11中的側(cè)面部分(邊部分，side portion)是高溫區(qū)域。

在圖8B中，冷卻劑入口歧管孔16在其寬度方向上位于反應(yīng)區(qū)域的一個端部處，而冷卻劑出口歧管孔17位于其另一個端部處。其中冷卻劑出口歧管孔17位于反應(yīng)區(qū)域11中的側(cè)面部分(邊部分，side portion)也是高溫區(qū)域。

與圖8A不同，在圖8C中使冷卻劑入口歧管孔16和冷卻劑出口歧管孔17的位置顛倒。與圖8B的情況不同，在圖8D中使冷卻劑入口歧管孔16和冷卻劑出口歧管孔17的位置顛倒。

在圖8C和圖8D中，其中冷卻劑出口歧管孔17位于反應(yīng)區(qū)域11中的側(cè)面部分是高溫區(qū)域。

根據(jù)本公開內(nèi)容，由于在用于燃料電池的雙極板中入口和出口歧管孔位于沿著反應(yīng)區(qū)域的邊緣部分的地方，所以不需要形成單獨(dú)的分支通道部分來均勻地分布通道，從而可提高功率密度。

另外，由于在用于具有反應(yīng)區(qū)域的燃料電池的雙極板中在具有長邊和短邊的矩形反應(yīng)區(qū)域的短邊方向上應(yīng)用雙極板的相互交叉的通道，所以可顯著增加燃料電池堆的極限電流密度和功率密度，可提高所述堆的性能并可減小所述堆的尺寸。

另外，由于通過應(yīng)用相互交叉的通道結(jié)構(gòu)而使反應(yīng)物氣體在通道之間越過GDL，所以可以增加GDL中的排水能力。

另外，由于冷卻劑流場使用陰極雙極板和陽極雙極板的接合部分具有鋸齒形通道結(jié)構(gòu)，而不是和相關(guān)技術(shù)中一樣簡單的平行結(jié)構(gòu)，所以可以增加與水的接觸面積。因此，可以提高冷卻效率和熱效率，并在均勻溫度下控制整個反應(yīng)區(qū)域，因?yàn)槔鋮s劑流本身具有強(qiáng)制湍流特性。

已經(jīng)參考其優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以對這些實(shí)施方式進(jìn)行改變，本發(fā)明的范圍在所附權(quán)利要求書及其等價(jià)物中限定。