一种小型燃料电池金属双极板的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种小型燃料电池金属双极板。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是以氢气或甲醇为燃料，氧气或空气为氧化剂，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置。质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、环境友好、低温快速启动等优点，具有广阔的应用前景。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，具有支撑膜电极组件、均匀分布反应气体、集流导电、排出反应生成水及散热等重要功能。金属材料具有良好的导电导热性、较高的机械强度、成本低、适合批量化生产等优点，因此被认为是质子交换膜燃料电池双极板的理想材料。林政宇、张杰、刘兵和郑永平所著《pemfc双极板的材料及制备工艺综述》分析了质子交换膜燃料电池双极板材料的优缺点，并指出表面改性的金属板是质子交换膜燃料电池双极板的发展趋势。

质子交换膜小型燃料电池金属双极板是由金属薄板制成的阴极单极板和阳极单极板通过焊接或粘接构成。阴极单极板和阳极单极板的左右侧均设有燃料气体腔、冷却介质腔和氧化剂气体腔，阴、阳单极板正背两面均设有凸凹沟槽构成的流场区。根据负载用电电压的不同要求串联一定数量的单电池后再加上端板等附件组成一个燃料电池堆。一片阴极板和一片阳极板组成了一组燃料电池双极板。目前一般选用具有高导电性能、强耐腐蚀、无透气性的高纯石墨或金属作为双极板材料，按一定厚度和形状要求裁切成规定尺寸的片材，并在其表面加工出流体通道孔、气体及冷却剂的分配流道制成双极板。双极板本身及其上面的流体通道孔起到分隔氧化剂、还原剂和冷却流体的作用；中心部分的分配流道起到分配反应气体和导出电池反应生成的水的作用；中心部位的脊与膜电极的扩散层紧密接触，起到收集和传递电子的作用。

目前，质子交换膜燃料电池的双极板结构，有蛇型、交指型、平行等，其中蛇形沟槽结构简单，阳极轴向传质稳定，阴极排水效果较好，此结构应用最广泛。但蛇形结构的沟槽行程较长，较大的沿程损失导致压力降偏高，这样会给供气的气泵带来较大负担，且蛇形结构的沟槽平行排列的结构特性导致沟槽的下游区域浓度较低，因此双极板必须设置新型的结构简单、流动阻力小、排水性好的流道布局，保证整个双极板的燃料浓度均匀一致，进而提高燃料利用率。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是：提供一种小型燃料电池金属双极板，由两块相同的单极板构成，可以节省成本；单极板设为蛇形流道，铺设面积大，且排水性好；蛇形流道只设有三条，可以有效保证每条流道中有足够的气体输送压力和较小的输送阻力，保证双极板的燃料浓度均匀一致，提高燃料利用率，燃料电池反应效率高。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种小型燃料电池金属双极板，所述双极板包括相互配合的阳极单极板和阴极单极板，所述阳极单极板与所述阴极单极板为两块完全相同的单极板，所述单极板包括分别位于两侧的进口端和出口端，以及位于中部的连接进口端与出口端的流道区，所述进口端包括燃料进口、冷却介质进口和氧化剂进口，所述出口端包括燃料出口、冷却介质出口和氧化剂出口；

所述单极板的正面和背面均设有凹槽和背脊，正面的背脊构成背面的凹槽，正面的凹槽构成背面的背脊；单极板正面的凹槽和背脊构成单极板的正面流道；

所述阳极单极板的正面流道是连接燃料进口与燃料出口的燃料流道；

所述阴极单极板的正面流道是连接氧化剂进口与氧化剂出口的氧化剂流道；

阳极单极板与阴极单极板贴合后，两单极板背面的凹槽和背脊构成通过冷却介质的冷却流道；

所述阳极单极板与所述阴极单极板之间密封连接；

所述氧化剂流道和所述燃料流道皆为蛇形流道且分别至少设有一条，每条所述蛇形流道皆在进口端与出口端之间来回折返且沿垂直于进口端与出口端的连线的方向延伸。

进一步地说，实现所述密封连接的方式为焊接。

进一步地说，所述单极板为不锈钢材质单极板，厚度为0.1～0.25mm。

进一步地说，所述蛇形流道设有三条且三条所述蛇形流道皆沿气体进出口的方向平行且均匀分布。

进一步地说，三条所述蛇形流道的长度分别为840～845mm、843～845mm和840～845mm。

进一步地说，所述蛇形流道的截面为梯形形状，所述梯形凹槽的两个侧壁之间的最大距离为1～1.2mm,所述梯形凹槽的槽深为0.5～1mm。

进一步地说，所述双极板周边设有定位部，所述定位部包括两个对角线设置的定位凸台和两个对角线设置的定位凹孔。

进一步地说，所述定位凸台为圆形凸台且高为0.5～0.6mm。

进一步地说，所述双极板用于小于或等于2kw的燃料电池堆。

本发明的有益效果是：

本发明采用两块完全相同的单极板背面相对贴合来实现燃料、氧化剂和冷却介质的各自流通，采用一副模具即可制备，大幅缩短工艺开发时间，减小模具设计与加工费用，降低了制造工艺复杂性；双极板主要流道区域采用蛇形流道设计，铺设面积大，适合车用燃料电池的大面积要求；只设计三条蛇形通道，可以有效保证每条流道中有足够的气体输送压力和较小的输送阻力，且排水性好，保证双极板的燃料浓度均匀一致，提高燃料利用率，燃料电池反应效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一(阳极单极板与阴极单极板未贴合)；

图2为本发明的结构示意图二(阳极单极板与阴极单极板贴合)；

图3为本发明的蛇形流道的截面图；

图中各部分的附图标记如下：

双极板1、燃料进口11、冷却介质进口12、氧化剂进口13、燃料出口14、冷却介质出口15、氧化剂出口16、燃料流道17、氧化剂流道18、定位部19、阳极单极板2、阴极单极板3、蛇形流道4、梯形凹槽的两个侧壁之间的最大距离b1和梯形凹槽的槽深h1。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种小型燃料电池金属双极板，如图1-图2所示，所述双极板1包括相互配合的阳极单极板2和阴极单极板3，所述阳极单极板与所述阴极单极板为两块完全相同的单极板，所述单极板包括分别位于两侧的进口端和出口端，以及位于中部的连接进口端与出口端的流道区，所述进口端包括燃料进口11、冷却介质进口12和氧化剂进口13，所述出口端包括燃料出口14、冷却介质出口15和氧化剂出口16；

所述单极板的正面和背面均设有凹槽和背脊，正面的背脊构成背面的凹槽，正面的凹槽构成背面的背脊；单极板正面的凹槽和背脊构成单极板的正面流道；

所述阳极单极板2的正面流道是连接燃料进口与燃料出口的燃料流道17；

所述阴极单极板3的正面流道是连接氧化剂进口与氧化剂出口的氧化剂流道18；

阳极单极板与阴极单极板贴合后，两单极板背面的凹槽和背脊构成通过冷却介质的冷却流道；

所述阳极单极板与所述阴极单极板之间密封连接；

所述氧化剂流道和所述燃料流道皆为蛇形流道4且分别至少设有一条，每条所述蛇形流道皆在进口端与出口端之间来回折返且沿垂直于进口端与出口端的连线的方向延伸。

所述凹槽的侧壁与底面之间具有过渡段，所述过渡段的截面为圆弧。

实现所述密封连接的方式为焊接。

所述单极板为不锈钢材质单极板，厚度为0.1～0.25mm。

所述蛇形流道设有三条且三条所述蛇形流道皆沿气体进出口的方向平行且均匀分布。

三条所述蛇形流道的长度分别为840～845mm、843～845mm和840～845mm。

所述蛇形流道4的截面为梯形形状，所述梯形凹槽的两个侧壁之间的最大距离b1为1～1.2mm,所述梯形凹槽的槽深h1为0.5～1mm。。

所述蛇形流道的两个侧壁自上往下向中心方向靠近，所述蛇形流道的槽底的宽度小于所述蛇形流道的槽口的宽度。

所述双极板周边设有定位部19，所述定位部包括两个对角线设置的定位凸台和两个对角线设置的定位凹孔。

所述定位凸台为圆形凸台且高为0.5～0.6mm。。

所述双极板用于小于或等于2kw的燃料电池堆。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。