CN100595957C - 金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池技术领域的金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，包括：两块相同的流场单板，所述两块流场单板分别作为阳极和阴极，两块相同的流场单板通过四周接触面及中间流场接触面相连接，两块流场单板之间通过焊接对称贴合连接，每个流场单板上均设有三个进口，三个出口，分别为：燃料气体进口、燃料气体出口、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却液进口、冷却液出口，其两个边的中间还分别设有圆形定位孔。本发明只需要两块一样的金属单板，结构更加简单，且只需要一副成形模具，制造成本较低。反应气体进出口采用特殊设计，只需要在一对进出口加密封圈即可，减少了密封圈的使用次数。

Description

金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域的双极板，尤其是一种金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板。

背景技术

随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33～35％，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后***发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。其基本原理是通过燃料气体(氢气)与氧化剂(氧气)的燃烧作用直接持续地将化学能转化为电能，是一种清洁、高效、可再生的替代能源发电装置。在当前能源问题日趋严峻的背景下，燃料电池正逐渐成为世界各国重点发展的研究方向。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其转换效率高、可控性好，工作环境友好等优点，适合于实现产品微型化，并且适合于作为移动能源，有着广泛的应用前景，因而成为研究领域内最受关注的焦点。

质子交换膜燃料电池的结构主要由双极板、质子交换膜、催化剂等组成；其中膜电极组件(MEA)是燃料电池的核心，其制造成本占分别到总成本的43％；而双极板是电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配以及水管理、热管理的作用，其重量占到燃料电池电堆总重量的80％以上，制造成本占到总成本的30％左右。目前质子交换膜双极板通常采用石墨材料，技术比较成熟，但是由于石墨材料的机械加工性能较差，限制了极板生产效率的提高，无法实现大批量生产，很难大幅度降低生产成本；同时由于石墨极板的脆性较大，也不适合环境恶劣比如车载工况下使用。因此，这也是当前石墨极板无法实现大规模商业化使用的瓶颈问题。相比于石墨材料，金属薄板由于其良好的机械加工性能、极佳的导电性，导热性和致密性，容易实现双极板的薄片化，极大降低双极板的体积和重量，而且价格低廉，容易实现大规模批量生产，必将成为降低燃料电池极板制造成本的优选材料。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN 1416184A，提出了“一种质子交换膜燃料电池的金属复合双极板”，将与三合一电极相对应的条状沟槽部分与金属边框部分通过粘合或者焊合构成一体。该专利采用两块金属板分别作为燃料电池的阴阳极，与金属边框连接，形成双极板，实际上是三块金属板形成的双极板。采用三块金属板的形式，虽然从结构上更容易实现，但是会增加双极板的重量，同时要增加装配工序，可能会带来额外的装配误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板。本发明重量轻，体积小，生产制作工艺简单，成本低廉，容易实现大批量生产。本发明双极板只需要采用两块金属板，就可以满足燃料电池所需要的三进三出，即燃料气体进出口，氧化剂进出口，冷却剂进出口；反应气体进出口采用特殊设计，减少了密封圈的使用次数。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：两块相同的流场单板，所述两块流场单板分别作为阳极和阴极，它们通过四周接触面及中间流场接触面相连接。两块流场单板之间通过焊接对称贴合连接。所述的两块流场单板大小和形状相同。每个流场单板上均设有三个进口，三个出口，分别为：燃料气体进口、燃料气体出口、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却液进口、冷却液出口，其两个边的中间还分别设有圆形定位孔。

所述的流场单板为长方形，其一边是反应气体流动区域，为平行直形交指型流场，通过冲压成形后(成形深度为0.4mm到1.0mm)，另外一边自然形成蛇形流道，为冷却水流动区域。为降低交指形流场的压将，提高反映效率，在流场背脊处开有若干沟槽(宽度为2mm到5mm，深度为0.2mm到0.5mm)。在燃料气体进口、燃料气体出口设有沉降密封边框，沉降深度与沟槽深度相同。在冷却液进口和冷却液出口均设有台阶式复合结构，也充当沉降密封边框作用。在四个角的沉降深度与沟槽深度相同，而四条边的中间部分的沉降深度小于沟槽深度(深度为0.2mm到0.5mm)，以形成冷却液的进出通道。

所述的流场单板是由冲压成形工艺制成一体，并通过焊接工艺连接成双极板。两块流场单板通过精密激光焊接背靠背地按照凸起平台严格对齐的方式贴合在一起。

所述的流场单板采用金属薄板材料，具体是不锈钢。

所述的流场单板，其厚度为0.1mm～0.3mm。

与其它燃料电池金属双极板相比，本发明只需要两块相同的金属流场单板，就可以满足燃料电池所需要的三进三出，即燃料气体进出口，氧化剂进出口，冷却剂进出口，燃料电池的重量降低了20％-30％。反应气体进出口采用特殊设计，每一个流场单板都减少了一次密封圈的使用，提高了密封性能。

附图说明

图1为本发明双极板整体结构示意图。

图2为本发明金属流场单板正面示意图。

图3为本发明双极板剖面示意图(即图1的A-A面示意图)。

图4为本发明密封区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为整体结构示意图，包含两块完全相同的流场单板1和流场单板2。整个极板结构几乎完全对称，可在一套模具下经过一次冲压成形生成，分别作为双极板的阴极和阳极。

如图2所示，为流场单板的正面视图，流场单板的中间区域为反应流场3，采用的是改进的直形流道交指流场，其流道横截面基本为矩形(为适合冲压工艺生产可做适当的工艺修改)。围绕着反应流场3在四周设有密封沟槽4。考虑到两块流场单板的焊接贴合特性，密封沟槽4的深度与反应流场3的沟槽深度一致。流场单板下方设置有氧化剂进口5、燃料气体进口6，流场单板上方设有氧化剂出口7、燃料气体出口8，进口与出口的位置为对角线设计。这两进两出并不是完全固定，当该金属单板为阴极的时候，5为氧化剂进口，7为氧化剂出口，当该金属单板为阳极的时候，5为燃料气体进口，7为燃料气体出口。这种设计可以减少密封圈的使用次数，提高密封性能。流场单板的两侧中间设有冷却剂进口9和冷却剂出口10，两条边设有两个圆形的定位孔11，其半径设计为2mm～4mm。为降低交指形流场的压将，在流场背脊处开有若干沟槽12。

如图3所示为双极板剖面图，两块完全相同的流场单板1和流场单板2背靠背地按照流道严格对齐的方式贴合，从而在两侧和中间分别形成氧化剂流道13、燃料气体流道14、冷却剂流道15。两块完全相同的流场单板1和流场单板2的反应流场均为交指型流场，其中的氧化剂流道13和燃料气体流道14为非连续的平行直流道，而中间的冷却剂流道15则为连续的蛇形流道。这样既保证了两侧反应流场，又满足了中间冷却液流道设计的要求。

如图4所示，在燃料气体进口6，燃料气体出口8均设有气体沉降密封边框16，其沉降深度与反应流场3的沟槽深度相同。气体沉降密封边框16的宽度设计根据双极板大小来决定，两块完全相同的流场单板1和流场单板2的气体沉降密封边框16互相焊接贴合。边框16里面会放密封圈，使燃料气体与氧化剂气体相互隔绝，在焊接贴合之后，氧化剂进口5与燃料进口6重合，氧化剂进口6与燃料进口8重合，所以氧化剂进口5与氧化剂进口7并不需要安排密封圈。

燃料电池是一种能量转换装置，与常规电池不同，它的燃料与氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储存罐中。当它工作时，需要不间断地向电池内部输入燃料和氧化剂。

如图1所示，对于本发明，两块完全相同的流场单板1和2组成一个双极板，，在实际工作过程中，双极板之间并没有空隙，即两块完全相同的流场单板1和2之间是紧贴的，这里为了显示的需要。

如图2所示，在工作时，氧化剂由流场单板的入口5流入，到达流场单板的反应区域，另一方面，燃料从另一块流场单板的入口6流入，到达流场单板的反应区域，这样，燃料和氧化剂与膜电极组件中的电解材料，催化剂接触，发生电化学反应，生成电子，产生电流。多余的氧化剂和燃料分别从7，8流出。9，10分别为冷却剂的入口和出口，冷却剂从9流入，在如图1所示的两块完全相同的流场单板1和2之间的冷却剂流道流动(冷却剂流道如图3的15所示)，起到冷却的作用。

Claims (4)

1.一种金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，包括：两块相同的流场单板，分别作为阳极和阴极，其特征在于：两块相同的流场单板通过四周接触面及中间流场接触面相连接，两块流场单板之间通过焊接对称贴合连接，没有空隙，每个流场单板上均设有三个进口和三个出口，分别为：燃料气体进口、燃料气体出口、氧化剂进口、氧化剂出口、冷却液进口、冷却液出口；

所述的氧化剂进口、燃料气体进口、氧化剂出口和燃料气体出口的位置为依次设置，其中进口与出口的位置为对角线设置，所述的冷却液进口位于氧化剂进口和燃料气体出口的中间，所述的冷却液出口位于燃料气体进口和氧化剂出口的中间；

在流场单板的氧化剂进口和燃料气体进口的中间以及氧化剂出口和燃料气体出口的中间还分别设有圆形定位孔。

2.根据权利要求1所述的金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，其特征是：所述的冷却液进口和冷却液出口均设有台阶式复合结构。

3.根据权利要求1所述的金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，其特征是：所述的两块流场单板，其厚度均为0.1mm～0.3mm。

4.根据权利要求1所述的金属薄板成形的质子交换膜燃料电池双极板，其特征是：所述的两块流场单板，其材料均为金属薄板材料。

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