CN101630747A - 空气冷却型燃料电池堆金属双极板 - Google Patents

Abstract

本发明是对质子交换膜燃料电池金属双极板的改进，其特征是冲压有流场的阴、阳极板背向叠合，周面通过焊接或粘结密封，两极板背合面构成冷却介质通道。使单极板两面流场均得到了利用，增加了冷却介质流道，使得在较低风压下仍可获得较好的冷却效果，能够满足低风压电堆空气冷却要求，不需额外增加冷却流场，提高了电堆的体积功率密度。

Description

空气冷却型燃料电池堆金属双极板

技术领域

本发明是对质子交换膜燃料电池金属双极板的改进，尤其涉及一种特别用于空气冷却型电堆的金属双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池，单节工作电压仅为0.6～0.7V，要获得有用的电压，必须将多节单电池串联。连接两相邻单电池隔板称为双极板，双极板不但需要向电堆内电极提供反应物和在相邻两电极之间传导电流，而且还担负着排出电池生成水和反应热的作用。良好的双极板必须具有良好的电导率(≥10scm^-1)、导热系数(≥20Wcm^-1K^-1)和气密性(＜10^-4mbarcm³s^-1cm^-2)。而电池内部为酸性环境，需要有在酸性水气、氧气和热条件下的耐腐蚀性；同时，为降低电堆成本，提高功率密度，双极板还要求材料便宜、加工成本低和体积小重量轻的特点。

目前，双极板主要有碳/石墨双极板、复合双极板和金属双极板。金属双极板因具有良好的导电、导热特性、柔韧性和易加工性，已经受到重视和关注。与石墨和复合材料相比，金属不存在气密性问题，而且金属板即使制作很薄也可以保证良好的机械强度，因而可以极大降低电堆体积和重量，同时由于金属具有较高的热导率，电堆内部温度梯度小，也有利于提高电堆内部温度的均匀性。因此利用金属薄板例如不锈钢板冲压成型制备双极板，是近年研究热点。

然而现有金属双极板，冷却介质流场为多为蛇形流场，例如中国专利CN 1416184A所述。蛇形流场流体阻力降较大，空气冷却电堆，冷却风压相对较小，流体阻力降大，则气体流量小，冷却效果不佳，基本不能用于空气冷却型电堆，所以基本都是用于以水作冷却介质。

中国专利CN1787261公开的冲压金属双极板，双极板正反面分别对称设置有燃料气体通道、氧化剂气体通道、冷却介质通道以及双极板流场区，其正反面均平行流场。中国专利CN101290994公开的金属双极板，其结构为在冲有平行流场的金属阳极单极板、金属阴极单极板间设置有水框，水框内填充有作为排热的水流场拉伸金属网。上述两个专利仅利用了金属板一侧流道，冷却剂流场需要额外添加，增加了成本，也增加了组装电池有厚度，造成体积功率密度下降。且冷却剂和空气流道采用内共用管道形式，无法应用于风扇冷却和供气的空冷型电堆。

中国专利CN1996647公开的质子交换膜燃料电池薄金属双极板，虽然在阴、阳极板间省略冷却流场，降低了组装厚度，然而阴、阳极流场只利用了一侧流道，阴极流场既作为反应气流道也作为冷却气流道，虽然可用于空气冷却型电堆，但由于共用流场，导致冷却效果不佳。

上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种可以同时利用两面流道，冷却气体有独立流道，冷却效果好的空气冷却型燃料电池堆金属双极板。

本发明目的实现，主要改进是利用冲压有横向贯通的平形流场阴极板(氧单极板)和蛇形流场或两端汇集的纵向平行流场阳极板(氢单极板)，背对焊接或粘结组成双极板，两片中间通道作为冷却气体流道，从而在不增加厚度条件下增加了单独冷却介质流道，提高了冷却效果，因而可以适用于低风压的空气冷却型电堆，实现本发明目的。具体说，本发明空气冷却型燃料电池堆金属双极板，包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板，和蛇形流场或两端汇集平行流场阳极板，其特征在于阴、阳极板流场背向叠合，周面通过焊接或粘结密封，两极板背合面构成冷却介质通道。

本发明中

冲压金属板基材与现有技术相同，可以是不锈钢、钛材和钛合金、铝材和铝合金等薄板。基材厚度通常在0.1-1mm左右。单极板流场深度0.1～4mm，宽度为0.1～3mm。

极板冲压形成流场的相间凹凸宽度，可以等宽，也可以不等宽，本发明尤以采用使反应气流场宽度大于冷却介质流场宽度结构为好，有利于提供足够的反应气体。

冲压形成的流场，其凸台可以是连续的，也可以是间断的。其中阴极板较好采用凸台连续结构的平行流场，有利于冷却介质的快速通过，以提高冷却效果；阳极板较好采用凸台间断结构，有利于增加封闭流道中的反应面积。

阴极板和阳极板背向叠合，一种更好为使两个流场极板上的流道方向正交，即阴单极板流道方向与阳单极板流道方向垂直，此结构形成的空气流道短，有利于冷却空气的快速通过，有利于提高冷却效果。

此外，为减小金属板接触电阻和提高电池环境下的耐腐蚀性能，单极板在冲压成型后，可以采用表面处理方式，进行良电导和耐腐涂层处理，例如化学镀、电镀和PVD、离子注入等技术，在表面镀履有改性层，例如贵金属、氮化钛或碳化钛、镍铜磷、CrxN层等。

本发明空气冷却型燃料电池堆金属双极板，由于采用冲压流道的两片极板背向结合，背向空间通道构成冷却介质流场通道，使单极板两面流场均得到了利用，增加了冷却介质流道，使得在较低风压下仍可获得较好的冷却效果，能够满足低风压电堆空气冷却要求。虽然氢气侧冷却流道不连通，但电堆内部存在温度梯度，可以形成自然对流，封闭流场冷却介质仍能因温差流动，因此也具有一定散热效果。阴单极板采用冲压横向贯通平形流场，流道长度短，流道阻力小；阳极板蛇形流场或两端汇集纵向平行流场凸台间断结构，增加了氢气反应面积，有利于提高电池性能。阴单极板流道方向与阳单极板流道方向垂直，冷却流道短，有利于提高冷却效果。两个极板单片分别压制组合，氢、氧单极板流场可以根据需要分别优化，更有利于电堆流场结构的优化。不需额处增加冷却流场，提高了电堆的体积功率密度。

以下结合二个示例性实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

附图说明

图1为凸台连续阳极板正面结构示意图。

图2为图1A-A剖面结构示意图。

图3为凸台连续阴极板正面结构示意图。

图4为图3A-A剖面结构示意图。

图5-1为凸台连续双极板组合结构剖面示意图(图1B-B位置)。

图5-2为凸台连续双极板组合结构剖面示意图(图1C-C位置)。

图6为凸台间断阳极板正面结构示意图。

图7为图6A-A剖面结构示意图。

图8为凸台间断阴极板正面结构示意图。

图9为图8A-A剖面结构示意图。

图10为凸台连续阴极板与凸台间断阳极板组装结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图1-5，将双极板用0.1mm不锈钢薄板，分别冲压有等宽凸台连续的平行流场阴极板1，流场深度1mm，宽度1mm，与等宽凸台连续的蛇形流场阳极板2(深度、宽度同前)，分别通过电镀方法进行表面镀银，将两者流场背向焊接组合。区域A构成反应空气流道，区域B构成氢气流道，区域C和D构成冷却空气流道。

实施例2：参见图3、4、6、7、10，将双极板用不锈钢薄板，分别冲压有等宽凸台连续的平行流场阴极板1，与等宽凸台间断的蛇形流场阳极板4，分别通过PVD方法在表面形成氮化钛层，将两者流场背向焊接组合。区域E构成反应空气流道，区域F构成氢气流道，区域G和H构成冷却空气流道。

此外，阴单极板也可以冲压成凸台间断结构(图8、9)，与凸台间断的蛇形流场阳极板4，背向焊接组合。虽然其冷却流道不连续，但增加了反应气流道面积，也可以提高冷却效果。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如流道宽窄变化，流道形式变化、极板基材改变，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (7)

1、空气冷却型燃料电池堆金属双极板，包括金属冲压的横向贯通平形流场阴极板，和蛇形流场或两端汇集平行流场阳极板，其特征在于阴、阳极板流场背向叠合，周面通过焊接或粘结密封，两极板背合面构成冷却介质通道。

2、根据权利要求1所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于单极板流场深度0.1～4mm，宽度为0.1～3mm。

3、根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于极板上反应流场宽度大于冷却介质流场宽度。

4、根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于阴极板为凸台连续的平行流场，阳极板为凸台间断结构流场。

5、根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于叠合时阴极板流道方向与阳极板板流道方向垂直。

6、根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于单极板冲压成型经表面导电性和耐蚀性改性后，再叠合组合。

7、根据权利要求1或2所述空气冷却型燃料电池堆金属双极板，其特征在于两金属极板通过焊接组合。

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