CN101572318B - 一种质子交换膜燃料电池金属双极板 - Google Patents
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成，单极板的流道由流场流道、分配流道和进出口通道组成，特征是分配流道是点状流道，点状流道是由向单极板正面凸起的相互不连接的凸台构成的流道，凸台的背面是凹坑，阴极单极板上的凸台背面的凹坑与阳极单极板上的凸台背面的凹坑呈交错排列，前后相对搭接，构成连续串接的水流分配流道。本发明的优点是：制造的双极板厚度薄、流体相互严格分隔、流体分配好、重量轻、加工简单、加工成本低；双极板有效使用面积高，流体阻力分配均匀性好，可以满足不同电池换热量需要。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池金属双极板。
背景技术
现有技术中，质子交换膜燃料电池的金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成，用焊接或者粘接工艺组合，阴极极板和阳极极板的每个单极板的正面分别是阴极腔和阳极腔，阴极极板和阳极极板的每个单极板的的背面是冷却水腔，阴极极板和阳极极板的每个单极板的正、背两面均设有凹凸沟槽构成的流道，正、背两面的流道凹凸沟槽相互对应，正面的凸起是背面的凹槽，正面的凸起的上表面处在一个平面上；正面的凹槽是背面的凸起，背面的凸起也在一个平面上，正面的凹沟槽分别构成了阴、阳极腔的流道，背面的所有凹沟槽构成了冷却水腔的流道。阴极极板和阳极极板的每个单极板正面还有密封凹沟槽，密封凹沟槽底面的背面是冷却腔侧，密封凹沟槽底面的背面是凸起面，该凸起面的上表面为一个平面，该平面与阴、阳极腔流道凹槽背面凸起形成的平面不在一个平面上，密封凹沟槽底面的背面形成的平面比阴、阳极腔流道凹槽背面凸起形成的平面高，这个高度形成水腔的进口。阴极极板和阳极极板的每个单极板上的流场分为进、出口分配段和平行直型沟槽流场段两部分，现有的分配段流道有转角走向流道和倾斜走向流道，由多根连续沟槽组成。这种流道的单极板精度要求高，制造比较困难。
发明内容
本发明的目的是设计一种分配流道加工较容易的金属双极板。本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成，阴极单极板和阳极单极板的正面分别是阴、阳极腔，阴、阳极单极板的背面相对，组合成冷却水腔，阴、阳极单极板由中部凹凸沟槽构成的流道、两端开设的公用氢气通道进口、公用空气通道进口和公用水流通道进口组成，所述单极板中部凹凸沟槽构成的流道由中间部分的平行直型沟槽流场流道、流场流道两端的分配流道和与分配流道连通的进出口通道组成，分配流道的一端与流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道或者水流进出口通道连通，其特征是所述平行直型沟槽流场流道两端的分配流道是点状流道，所述点状流道是由向阴极单极板和阳极单极板正面凸起的相互不连接的凸台形成的流道，凸台的背面是凹坑，凸台的上平面与平行直型沟槽流场流道的凸起的上平面处于同一个平面上，凸台的下平面与平行直型沟槽流场流道的下平面处于同一个平面上，即阴、阳极单极板凸台的下平面的背面互相支撑，所述相互不连接的凸台在单极板的分配流道段呈垂直和水平两个方向平行排列或者呈一个方向平行排列，另一个方向交错排列，每个凸台的上表面面积在5-50mm2，相邻凸台之间间距在1.0-3mm，阴极单极板上的凸台和阳极单极板上的凸台在阴极单极板和阳极单极板组合构成双极板时，阴极单极板上的凸台背面的凹坑与阳极单极板上的凸台背面的凹坑呈交错排列，阴极单极板上每个凸台背面的凹坑有1/10-1/3面积与阳极单极板上每个相对应的凸台背面的凹坑呈前后相对搭接，凹坑及凹坑相对搭接的部分构成连续串接的水流分配流道，所述凹坑前后相对搭接是以平行直型沟槽流场流道为参照的前后，所述金属双极板的阴极单极板或者阳极单极板上的分配流道相对于与其相对应的氧极单极板或者阴极单极板上的分配流道长出一个凸台前后长度的1/10-1/3，分配流道长出部分与和其相对应的阳极单极板或者阴极单极板的平行直型沟槽流场流道搭接；所述金属双极板的阴极单极板或者阳极单极板上的水流进出口通道的与水流分配流道连通的一侧有与和其相对应的阳极单极板或者阴极单极板上的分配流道凹坑相搭接的凹坑。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述点状流道的凸台形状为圆形、方形、椭圆形和梭型中的一种。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述质子交换膜燃料电池金属双极板的阴、阳极单极板上的点状流道的凸台形状相同，或者形状不相同。
本发明的质子交换膜燃料电池金属双极板，各类流体的流程如下：阴极气体从阴极进口进入阴极气体进口通道，经过阴极气体进口通道进入分配流道，再进入流场流道，再经过阴极出口分配流道进入阴极出口通道，后经阴极气体出口端流出；阳极气体从阳极进口进入阳极气体进口通道，经过阳极气体进口通道进入分配流道，再进入流场流道，再经过阳极出口分配流道进入阳极出口通道，后经阳极气体出口端流出；冷却水从水腔进口进入水腔通道，经过水腔主分配通道，再进入凹坑搭接的水腔分配流道，水通过凹坑搭接的水腔分配流道流入阴阳极板背面相对的凹槽中，再经水腔出口主分配流道进入水腔出口通道，后经水腔出口端流出。
本发明的优点是：制造的双极板厚度薄、流体相互严格分隔、流体分配好、重量轻、加工简单、加工成本低；本发明的双极板有效使用面积达到65-75％，气腔阻力分配均匀性和冷却水腔阻力分配均匀性好，冷却水腔水流阻力通过调整阴阳极腔流场形状和密封凹槽深度来改变，可以满足不同电池换热量需要。
附图说明
本发明共有附图8幅，其中
图1是分配流道凸台在垂直和水平两个方向都平行排列的阴极单极板结构示意图，
图2是分配流道凸台在垂直方向平行排列阳极单极板结构示意图，
图3是由图1和图2的阴、阳极极板叠合形成的水腔通道透视示意图，
图4是由图1和图2的阴、阳极极板叠合水腔通道剖视示意图，
图5是由图1和图2的阴、阳极极板叠合水腔主分配道剖视示意图，
图6是分配流道凸台在垂直和水平两个方向都平行排列的的阴极极板结构示意图，
图7是分配流道凸台在垂直和水平两个方向都平行排列的阳极极板结构示意图，
图8是图6和图7的阴、阳极板叠合形成水腔通道透视示意图。
附图中，1、阴极板阴极进口，1’阳极板阴极进口，2、阴极板水腔进口，2’阳极板水腔进口，3、阴极板阳极进口，3’阳极板水腔进口，4、阴极板密封凹槽，4’阳极板密封凹槽，5、阴极板密封凹槽，6、阴极板水腔分配道，6’阳极板水腔分配道，7、阴极板阴极分配段，7’阳极板阴极分配段，8、阴极板阴极流场段，8’阳极板阴极流场段，9、阴极板阴极进口通道，9’阳极板阴极进口通道，10、阴阳极板叠合后水腔进口通道，11、阴阳极板叠合后水腔分配段通道，12、阴阳极板叠合后水腔流场段通道，13、阴阳极板叠合后水腔主分配段通道，14、阳极气体出口端，15、水腔出口端，16、阴极气体出口端。
具体实施方式
下面结合附图给出的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
附图1～5是实施例1的附图。双极板外型尺寸为410×100mm，流场部分有效面积为340×85mm，其余为密封结构。极板材料为0.1mm不锈钢薄板，采用冷冲压工艺冲压阴阳极板，粘接成型为双极板，双极板厚度为1.2mm，流场深度为0.5mm。
阳极板分配段点状流场凸台为长径5.8mm短径4.0mm的椭圆凸台，阳极板点状凸台流场凸台排列为错位排列，即有5列凸台，每列凸台中心位置处于前列两个凸台中心位置连线的中点上，阴极板分配段点状流场凸台为长径4.8mm短径4.6mm的椭圆凸台，阴极板点状凸台流场凸台排列为平行规则排列，即有4列凸台，凸台之间间距均为2mm，阴阳极极板凸台背面凹坑相互串接，搭接面积约为长径4.8mm短径4.6mm的椭圆的1/7，阳极板分配段长度为28mm，阴极板分配段长度为22mm，阳极板平行直型沟槽流场段长度为278mm，阴极板平行直型沟槽流场段长度为285mm。
双极板结构设计的评价主要是双极板有效使用面积、气腔流体阻力和分配均匀性、水腔流体阻力和分配均匀性，电池性能。
实施例1双极板结构性能测试指标如下：
双极板有效使用面积：70.5％，
进口压力为0.03MPa，干燥空气流量为51/min时，阴极腔阻力降为6kpa，阳极腔阻力降为10kpa。各流道气流阻力降最大偏差为15％；(计算方法为各流道压力降中最大值与最小值之差占压力降算术平均值的百分比，下同)。
进口水压头为1.5m水柱，单片双极板水腔流量为200ml/min。
实施例2：
附图6～8是实施例1的附图。双极板规格和成型同实施例1。
阳极板分配段点状流场凸台为长径5.8mm短径4.0mm的椭圆凸台，阳极板点状凸台流场凸台排列为平行排列，即有4列凸台，阴极板分配段点状流场凸台为长径4.8mm短径4.6mm的椭圆凸台，阴极板点状凸台流场凸台排列为平行规则排列，即有3列凸台，凸台之间间距均为2mm，阴阳极极板凸台背面凹坑相互串接，搭接面积约为长径4.8mm短径4.6mm的椭圆的1/7，阳极板分配段长度为28mm，阴极板分配段长度为22mm，阳极板平行直型沟槽流场段长度为278mm，阴极板平行直型沟槽流场段长度为285mm。
实施例2双极板结构性能测试指标如下：
双极板有效使用面积：70.5％
进口压力为0.03MPa，干燥空气流量为5l/min时，阴极腔阻力降为6kpa，阳极腔阻力降为10kpa。各流道气流阻力降最大偏差为15％；进口水压头为1.5m水柱，单片双极板水腔流量为230ml/min。
本发明的质子交换膜燃料电池金属双极板，阴极气体从1、1’进入阴极腔，经过通道9进入分配段7，再进入流场段8，到阴极板出口端16；阳极气体从3、3’进入阳极腔，经过通道9’进入分配段7’，再进入流场段8’，到阳极板出口端14；冷却水从2、2’进入水腔通道10，在进入水腔主分配段13、13’，再进入水腔分配段11，水通过分配段凹坑搭接流入阴阳极板背面相对的凹槽中，进入水腔出口端15。
为更清楚的标示本发明的双极板的优秀性能，下面给出一个对比双极板的性能测试指标：
对比双极板外型尺寸为410×100mm，流场部分有效面积为334×80mm，其余为密封结构，密封结构采用框粘接结构。极板材料为0.1mm不锈钢薄板，采用冷冲压工艺冲压阴阳极板，阴阳极板之间夹层水流场，形成组合双极板，粘接成型为双极板，双极板厚度为1.8mm。
阴、阳极板均采用平行直型沟槽流场，流场形状和分布与实施例平行直型沟槽流场部分相同。
对比例双极板结构性能测试指标如下：
双极板有效使用面积：65.2％
进口压力为0.03MPa，干燥空气流量为51/min时，阴极腔阻力降为4.5kpa，
阳极腔阻力降为5kpa。各流道气流阻力降最大偏差为37.5％；
进口水压头为1.5m水柱，单片双极板水腔流量为150ml/min。
Claims (2)
1.一种质子交换膜燃料电池金属双极板，由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板组合构成，阴极单极板和阳极单极板的正面分别是阴、阳极腔，阴、阳极单极板的背面相对，组合成冷却水腔，阴、阳极单极板由中部凹凸沟槽构成的流道、两端开设的公用氢气通道开口、公用空气通道开口和公用水流通道开口组成，所述单极板中部凹凸沟槽构成的流道由中间部分的平行直型沟槽流场流道、流场流道两端的分配流道和与分配流道连通的进出口通道组成，分配流道的一端与流场流道连通，另一端分别与氢气进出口通道、空气进出口通道或者水流进出口通道连通，其特征是所述平行直型沟槽流场流道两端的分配流道是点状流道，所述点状流道是由向阴极单极板和阳极单极板正面凸起的相互不连接的凸台形成的流道，凸台的背面是凹坑，凸台的上平面与平行直型沟槽流场流道的凸起的上平面处于同一个平面上，凸台的下平面与平行直型沟槽流场流道的下平面处于同一个平面上，即阴、阳极单极板凸台的下平面的背面互相支撑，所述相互不连接的凸台在单极板的分配流道段呈垂直和水平两个方向平行排列或者呈一个方向平行排列，另一个方向交错排列，每个凸台的上表面面积在5-50mm2，相邻凸台之间间距在1.0-3mm，阴极单极板上的凸台和阳极单极板上的凸台在阴极单极板和阳极单极板组合构成双极板时，阴极单极板上的凸台背面的凹坑与阳极单极板上的凸台背面的凹坑呈交错排列，阴极单极板上每个凸台背面的凹坑有1/10-1/3面积与阳极单极板上每个相对应的凸台背面的凹坑呈前后相对搭接，凹坑及凹坑相对搭接的部分构成连续串接的水流分配流道，所述凹坑前后相对搭接是以平行直型沟槽流场流道为参照的前后，所述金属双极板的阴极单极板或者阳极单极板上的分配流道相对于与其相对应的阳极单极板或者阴极单极板上的分配流道长出一个凸台前后长度的1/10-1/3，分配流道长出部分与和其相对应的阳极单极板或者阴极单极板的平行直型沟槽流场流道搭接；所述金属双极板的阴极单极板或者阳极单极板上的水流进出口通道的与水流分配流道连通的一侧有与和其相对应的阳极单极板或者阴极单极板上的分配流道凹坑相搭接的凹坑。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池金属双极板，其特征在于所述点状流道的凸台形状为圆形、方形、椭圆形和梭型中的一种。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |