一种液流电池或燃料电池用金属极板的制作方法

本实用新型涉及一种金属极板，尤其是涉及一种液流电池或燃料电池用金属极板。

背景技术：

液流电池、燃料电池等需要流体参与的发电装置均包括正负极材料、电解质隔膜和供应反应物质和冷却液流体的极板。极板的成本、性能与耐久性极大地影响着液流电池和燃料电池的商业化推广与应用。

液流电池按变价元素体系的不同，可以分为如全钒、全铬、全铁、钛-铁、铬-铁、钒-铈，以及钒-溴等多种类型，但均需要通过将包含不同价态的阴阳离子的溶液通过极板上的流道分别引入正极和负极，发生电化学反应进行充放电。液流电池正/负极电对电位差大，可逆性好，副反应小，溶解度高且稳定，易于制备，价格便宜，环境友好，腐蚀性小。如果能大幅降低离子交换膜和极板等关键材料与部件的制造成本，其在储能领域将有着广阔的应用前景，非常适于大规模的风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的规模开发与利用。在新能源的推广应用、实现稳定供电方面具备重要意义。

燃料电池又包括直接甲醇燃料电池(DMFC)、氢/空(氧)燃料电池(PEFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)等多种类型。燃料电池以空气或纯氧作为氧化剂，以甲醇、氢气、甲烷和肼等作为燃料，分别在电池的正极和负极发生电化学反应，从而得到电能。因其能量转换效率高、清洁无污染、功率密度高等优点，越来越受到各国政府、能源企业和汽车制造厂商的重视，纷纷开发基于PEMFC的移动电源、发电装置、各种类型的发电站和车用发动机。

液流电池和燃料电池同样需要极板导入液态或气态的反应物质，在某些低温燃料电池中还需要导入冷却介质。作为液流电池和燃料电池的重要组成部件，极板占据了其超过60％的重量，以及整个电堆30％以上的成本。因此，降低极板的成本对于液流电池和燃料电池的商业化推广和应用也具有深远的意义。

极板的功能主要有：(1)收集反应产生的电流并将其从一个单电池的阳极传导到下一个单电池的阴极；(2)分隔氧化剂和还原剂，并在正极和负极表面均匀地分配反应剂；(3)排出生成产物；(4)如有必要，引入冷却介质，确保电堆的温度稳定，并分布均匀；(5)分隔并支撑液流电池或燃料电池中的各组电解质和催化剂。

为了达到上述要求，液流电池和燃料电池的极板必须具有以下要求：(1)高的导电性，以更有效地传导电子；(2)良好的密封性，来阻隔相邻单电池之间的反应物质；(3)抗腐蚀性；(4)较好的抗弯强度和抗压强度；(5)低的制造成本。因此，极板的研究进展对于提升发电装置的比功率密度、降低其制造成本作用显著，对整个液流电池和燃料电池的产业化都具有重要影响，这使得关于极板的材料和加工工艺的研究成为国内外的热点。

极板的材料双极板材料大致可分为如下几类：纯石墨材料、聚合物/导电填料复合材料、碳/碳复合材料、金属材料等。石墨具有优良的导电性和耐腐蚀性，但纯石墨材料本身成本较高，且其质脆，加工难度大，这限制了其大规模的应用。

由于金属具有导电性好、电化学活性高、机械性能优良等特点，传统上常用金属作为电极材料。能作为液流电池和燃料电池的双极板金属材料包括：金、铅、钛、钛基铂、不锈钢、铝和镍基合金等。

由于阴阳极反应物的分布以及压降对电池的影响较大，这两个因素成为极板流道的设计与加工时的重要考量。现有的往往极易发生泄漏、气体流道与冷却液流道的流场不均一等现象。中国专利201510175055.9公开了一种燃料电池的金属极板，具有第一表面和第二表面，第一表面上具有冲压形成有并行的第一流道，第二表面上的第一流道的底部位置处冲压形成的并行的第二流道，在第二表面上，相邻两个第一流道之间具有冷却流场流道，冷却流场流道与第一流道的延伸方向一致，第二流道与第一流道交叉设置，第二流道连通相邻两个冷却流场流道，且第二流道的深度小于第一流道的深度，相邻两个第一流道的底部的第二流道在第一流道的延伸方向上错开设置。由于上述专利中的冷却流场流道和第一流道加工在同一侧面上，当分隔两种流道的脊梁发生磨损时，很容易发生两种流道内流通的流体混合的风险。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种液流电池或燃料电池用金属极板。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种液流电池或燃料电池用金属双极板，包括金属阴极板和金属阳极板，所述的金属阴极板正面流道区域刻有空气流道，金属阴极板反面流道区域刻有冷却水流道，且所述金属阴极板的上下两端位置分别设有并排贯通的第一氢气共用通道、第一水共用通道和第一空气共用通道，所述的金属阳极板的正面流道区域设有氢气流道，反面流道区域呈平整平面，所述金属阳极板的上下两端位置也并排贯穿设有第二氢气共用通道、第二水共用通道和第二空气共用通道，

金属阴极板反面与金属阳极板反面贴合并组成所述金属双极板，此时，冷却水流道与金属阳极板反面封合形成供冷却水流动的腔体，所述的第一氢气共用通道、第一水共用通道和第一空气共用通道分别与所述第二氢气共用通道、第二水共用通道和第二空气共用通道对接连通。

作为优选的实施方案，所述的金属阴极板和金属阳极板形状尺寸一致，且所述金属阴极板的正反两面以及金属阳极板的正面上设有分别围绕所述流道区域，第一氢气共用通道、第一水共用通道和第一空气共用通道，以及第二氢气共用通道、第二水共用通道和第二空气共用通道的密封槽。

作为更优选的实施方案，所述的金属阴极板和金属阳极板在四个端点处还设有贯通的定位孔，金属阴极板和金属阳极板贴合时，对应位置的定位孔连通定位。

作为优选的实施方案，所述金属阴极板和金属阳极板上的空气通道、冷却水流道和氢气流道通过刻蚀加工而成，且所述空气流道、冷却水流道和氢气流道的两侧边上宽下窄。

作为优选的实施方案，所述的空气流道、冷却水流道和氢气流道的槽深为0.4mm以上。

作为优选的实施方案，所述的空气流道、冷却水流道和氢气流道的槽深与槽宽的比例＝0.7～0.9:1。

作为优选的实施方案，不同的金属双极板堆叠后串联组成燃料电池堆。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)通过在金属阴极板的正反面分别刻蚀空气流道和冷却水流道，在金属阳极板的正面刻蚀氢气流道，反面不加工任何流道，这样，在金属阴极板和金属阳极板贴合组成双极板时，燃料、氧化剂及冷却介质等流体在双极板上输送时可明显区分开来，避免了在同一侧刻蚀多种流道而带来的因磨损而产生的泄露互混的风险。

(2)在金属阴极板和金属阳极板的流道刻蚀区域、以及共用通道等外围还设有密封槽，在金属极板贴合组成双极板时，可在密封槽内放置与其形状尺寸密封的密封圈，进而可给流道区域提供一个相对密封的环境，不易发生燃料、氧化剂及冷却介质等流体泄漏互混的问题。

(3)定位孔的设置便于更好定位堆叠金属双极板。

(4)相比于一般的圆形或矩形流道，梯形流道加工更为简单，同时，梯形流道自身具有大截面和变截面的结构特点，当同样流道的流体流过梯形流道时，基于流体流动特点，流体的内部流速分布更为均匀，即流场更均一。

(5)蚀刻加工的流道槽深足够可以降低电化学反应过程中燃料、氧化剂及冷却介质等流体的流动阻力，同时，足够的槽深和槽宽比则可以保证流体与金属阴极板或金属阳极板有良好的接触面积等。

附图说明

图1为本实用新型的金属阴极板的剖视示意图；

图2为本实用新型的金属阴极板的流道的结构示意图；

图3为本实用新型的金属阴极板的正面示意图；

图4为本实用新型的金属阴极板的反面示意图；

图5为本实用新型的金属阳极板的正面示意图；

图6为本实用新型的金属阳极板的反面示意图；

图中，1-金属阴极板，11-空气流道，111-空气流道延伸段，12-冷却水流道，13-第一密封槽，14-第一共用通道，141-第一氢气共用通道，142-第一水共用通道，143-第一空气共用通道，15-第一定位孔，2-金属阳极板，21-氢气流道，211-氢气流道延伸段，22-第二共用通道，221-第二空气共用通道，222-第二水共用通道，223-第二氢气共用通道，23-第二密封槽，24-第二定位孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种液流电池或燃料电池用金属双极板，包括金属阴极板1和金属阳极板2，其中，金属阴极板1结构如图1、图3和图4所示，金属阴极板1正面流道区域刻有空气流道11，金属阴极板1反面流道区域刻有冷却水流道12，且金属阴极板1的上下两端位置分别设有并排贯通的第一共用通道14，包括第一氢气共用通道141、第一水共用通道142和第一空气共用通道143，金属阳极板2的结构如图5和图6所示，金属阳极板2的正面流道区域设有氢气流道21，反面流道区域呈平整平面，金属阳极板2的上下两端位置也并排贯穿设有第二共用通道22，包括第二空气共用通道221、第二水共用通道222和第二氢气共用通道223，第一水共用通道142与冷却水流道12连接，空气流道11两端贯通金属阴极板1至其反面，并通过空气流道延伸段111与第一空气共用通道143连接，氢气流道21的两端贯通金属阳极板2至其反面，并通过氢气流道延伸段211连接第一氢气共用通道141，

金属阴极板1反面与金属阳极板2反面贴合并组成金属双极板，此时，冷却水流道12与金属阳极板2反面封合形成供冷却水流动的腔体，第一氢气共用通道141、第一水共用通道142和第一空气共用通道143分别与第二氢气共用通道223、第二水共用通道222和第二空气共用通道221对接连通，不同的金属双极板堆叠后串联组成燃料电池堆。

金属阴极板1和金属阳极板2形状尺寸一致，且金属阴极板1的正反两面以及金属阳极板2的正面上设有分别围绕流道区域，第一氢气共用通道141、第一水共用通道142和第一空气共用通道143，以及第二氢气共用通道223、第二水共用通道222和第二空气共用通道221的密封槽(包括第一密封槽13和第二密封槽23)。金属阴极板1和金属阳极板2在四个端点处还设有贯通的定位孔(包括第一定位孔15和第二定位孔24)，金属阴极板1和金属阳极板2贴合时，对应位置的第一定位孔15和第二定位孔24连通定位。

金属阴极板1和金属阳极板2上的空气通道、冷却水流道12和氢气流道21通过刻蚀加工而成，且空气流道11、冷却水流道12和氢气流道21的两侧边上宽下窄，如图2所示。空气流道11、冷却水流道12和氢气流道21的槽深为0.4mm以上。空气流道11、冷却水流道12和氢气流道21的槽深与槽宽的比例＝0.7～0.9:1。

氢气流经第二氢气共用通道223和第一氢气共用通道141后，经过金属阴极板1背面的氢气流道延伸段211往中间区域流动，再通过金属阳极板2反面由氢气流道21贯通的流道起点处的小圆通孔，从反面进入正面的氢气流道21中进行分配。空气同理。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。