一种高性能质子交换膜燃料电池阴阳极流场及其双极板的制作方法

本发明涉及质子交换膜燃料电池改进技术，尤其是一种高性能质子交换膜燃料电池阴阳极流场及其双极板。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递h+的介质，只允许h+通过，而h2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子(即质子)可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23v。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23v。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1v之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(mea)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。电堆的核心是mea组件和双极板。mea是将两张喷涂有nafion溶液及pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。mea两侧分别是阴极和阳极导入的气体，按照电池反应条件，两侧的气体输入存在一定的压差，电池反应时，阴阳极气流本身也存在压差，而mea本身由于压差会产生气体的渗透以及mea的机械变形，因此，对于mea而言对两侧气流有严格的要求；双极板是阴阳极气体和冷却介质导入和排出的装置，也是电池串联和电能输出的导体，双极板上加工有阴阳极流场和水流场，包括公用管道、通道和流场结构以及巡检、定位等附属结构。阴阳极流场设计对电池性能发挥和寿命有重要作用。双极板加工工艺路线的选择对质子交换膜燃料电池电堆成本有重要影响。

高性能质子交换膜燃料电池是指高电流密度输出的电池，即通常情况下电流密度在2.5a/cm²以上。在进行高电流密度输出的状态下，需要输入大流量空气，然而，大流量空气将在电池内产生流体阻力，造成阴阳极气体压差难以匹配，并进而限制电池性能发挥。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高性能质子交换膜燃料电池阴阳极流场及其双极板，通过创新设计阴阳极流场和水冷却剂流场，以及优化阴阳极腔和冷却剂腔的相互密封结构，制造新型金属双极板，解决以上技术问题和制造成本问题。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：金属双极板包括阴极板和阳极板，分别在阴极板和阳极板上冲压得到折型直行阴极流场和蛇型阳极流场流场结构，该二流场分别处在极板表面的中心位置，阴极板和阳极板分别具有上、下两个表面，这两个表面分别为气腔侧和冷却剂腔侧；金属双极板边框部位冲孔得到金属双极板的公用管道，包括金属双极板的空气、氢气的阴极气体公用管道和阳极气体公用管道，以及阴极水公用管道、阴极公用管道、阳极公用管道和阳极水公用管道；金属双极板密封结构和通道采用液态硅胶注射成型，并且分别在阴极板和阳极板的双侧面一次注射完成。

尤其是，折型直行阴极流场包括位于流场进、出口端的阴极流场直行段和位于进、出口端之间的折型段，以及位于流场进、出口端两侧边的阴极流场边缘段；其中，折型段两端分别连通一组阴极流场直行段，折型段两边分别连通一组阴极流场边缘段，该阴极流场边缘段内侧为折边、外侧为直边；蛇型阳极流场包括阳极流场进口端边缘通道、阳极流场出口端边缘通道以及连通与其间的蛇形盘管通道。

尤其是，在阴极板和阳极板密封结构之外加工透胶孔，硅胶注射完成后金属双极板双面硅胶相互贯通成一体。

尤其是，金属双极板阴极腔、阳极腔和冷却剂腔整体分别被封闭在注射硅胶形成的密封圈内。

尤其是，金属双极板的阴极板的阴极气体公用管道、阳极气体公用管道、阴极水公用管道以及流场周边注射硅胶得到气腔侧气腔密封硅胶条和水腔侧水腔密封胶条，公用管道的密封除对公用管道一圈密封胶条外在与阴极腔和水腔之间再加工一条密封圈，即气腔侧气腔密封硅胶条或气腔侧水腔双层密封胶条，在阴极气体进入和导出气腔时，气腔和水腔侧第二层密封圈上割开形成间隔的阴极侧气体通道胶条和水腔侧气体通道胶条，在通道条之间的极板上加工阴极气体通道孔，气体在公用管道从金属双极板的水腔侧通道导入或导出到阴极气体通道孔，然后进入和流出流场。

尤其是，金属双极板的阳极板的阴极公用管道、阳极公用管道、水公用管道以及流场周边注射硅胶得到气腔侧气腔密封硅胶条、水腔侧水腔密封胶条；公用管道的密封除对公用管道一圈密封胶条外在与阳极腔和水腔之间再加工一条密封圈，即气腔侧气腔密封硅胶条或气腔侧水腔双层密封胶条，在阳极气体进入和导出气腔时，气腔和水腔侧密封圈上割开形成间隔的气腔侧氢气腔通道胶条、水腔侧氢气腔通道胶条，在通道胶条之间的极板上加工阳极气体通道孔，气体从公用管道到极板的水腔侧导入或导出到阳极气体通道孔，然后进入和流出蛇型阳极流场。

尤其是，金属双极板的阴极板和阳极板的气腔侧背面叠合，在公用管道和流场周边注射硅胶密封得到双极板的水腔；水腔侧在进入水流场的密封圈上割开形成间隔的水腔通道胶条，密封圈上的通道胶条延伸到阴阳极板流场边缘通道上；一体注射成型，水腔侧通道胶条设计为一端为盲端一端为通道，包括阴极板上有水的进口端通道条，通道出口为盲端，阳极板上有水进入蛇型阳极流场的出口端通道条，通道进口为盲端，或者，阳极板上有水的进口端通道条，通道出口为盲端，阴极板上有水进入蛇型阳极流场的出口端通道条，通道进口为盲端。

尤其是，在阴极流场边缘段和阳极流场进口端边缘通道、阳极流场出口端边缘通道冲压冷却水进出口段分布和汇集管道；阴极侧流场直行段搭接在阳极流场进口端边缘通道、阳极流场出口端边缘通道上。

本发明的优点和效果：采用无分配区流场设计，气体公用管道分布在流场整个进出口管道上，气体从极板公用管道直接进入流场区，按照流场设计的管道进行输送，加宽了公用管道，降低公用管道和通道阻力降，因无分配区，气体输送造成的阻力降全部用于电池发电区域，提高了空压机效率。金属极板仅冲压流场和冲孔，简化了冲压模具结构，极板冲压质量高；同时，采用电堆组装力对双极板的硅胶密封结构进行压缩实现弹性密封，密封效果稳定可靠，密封胶条制造原料利用率高，而且硅胶密封件制作工艺简单，品质易于保证，改进制造工艺，便于实现低成本批量化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中的阴极冲压板结构示意图。

图2为本发明实施例1中的阳极冲压板结构示意图。

图3a、图3b为本发明实施例1中的阴极板两侧面结构示意图。

图4为图3b中的阴极板a-a截面结构示意图。

图5a、图5b为本发明实施例1中的阳极板两侧面结构示意。

图6为本发明实施例1中的双极板水腔结构示意图。

图7为图6中的双极板水流通道b-b截面结构示意图。

附图标记包括：

图1中：

1-阴极板、11-阴极气体公用管道、12-阳极气体公用管道、13-阴极水公用管道、14-定位孔、15-透胶孔、16-阴极气体通道孔、17-折型直行阴极流场、18-阴极流场直行段、19-阴极流场边缘段；

图2中：

2-阳极板、21-阴极公用管道、22-阳极公用管道、23-阳极水公用管道、24-阳极气体通道孔、25-阳极流场进口端边缘通道、26-阳极流场出口端边缘通道、27-蛇型阳极流场；

图3中：

100a-气腔侧气腔密封硅胶条、102a-气腔侧水腔双层密封胶条、103a-气腔侧氢气腔双层密封胶条、1001a-水腔侧气腔通道胶条、100b-水腔侧水腔密封胶条、1001b-水腔侧空气腔通道胶条、1002b-水腔侧水腔通道胶条、1003b-进口端水通道条；

图5中：

200a-气腔侧气腔密封硅胶条、202a-气腔侧水腔双层密封胶条、203a-气腔侧氢气腔双层密封胶条、2001a-气腔侧气腔密封硅胶条、200b-水腔侧水腔密封胶条、2001b-水腔侧空气腔通道胶条；2002b-水腔侧水腔通道胶条、2003b-出口端通道条。

具体实施方式

本发明原理在于，减小流场内流体阻力的方法有两种，一种是加大流场进口端压力，另一种是设计合理的流场结构；提高空压机输出压力，功耗较大，难以实现，因此，在空压机不能提供足够的输出压的条件下，需要提出流场结构的优化解决方案，本发明研究发现，流场结构设计一方面要满足燃料电池反应环境和物料运输的要求，另一方面要满足燃料电池电能输出的要求；同时兼顾满足燃料电池反应和电能输出的要求，则需要调整阴阳极流场以及冷却流场的匹配关系。

本发明中，金属双极板的折型直行阴极流场17采用折型直行流场，气体直接从公用管道导入折型直行阴极流场17并直接导出金属双极板，气体分配均匀，流速可控，流体阻力小。同时，金属双极板的蛇型阳极流场27采用蛇型流场，气体直接从公用管道导入蛇型阳极流场27并直接导出双极板，气体分配均匀，流速可控，流体阻力可精确控制。

本发明中，根据金属双极板的水腔水流场结构，水从阴极水公用管道13和阳极水公用管道23进入折型直行阴极流场17和蛇型阳极流场27有两种途径，一种是阴极板1水腔侧阴极流场边缘段19与阳极板2的蛇型阳极流场27的交叉可使水得到流通，另一种是在阳极板2的蛇型阳极流场27的外侧加工阳极流场边缘通道25，水进入该通道，由进口端流入阴极板1的折型直行阴极流场17与阳极流场通道边缘通道25搭接的的阴极流场直行段18，进入水腔流场，再汇集到阴极板1出口端的折型直行阴极流场17与阳极流场通道边缘通道26搭接的的阴极流场直行段18，到达阳极板2的蛇型阳极流场27的边缘的阳极流场出口端边缘通道26，流出到阴极水公用管道13和阳极水公用管道23。以上通过两种途径的水流模式，降低水腔流体阻力，冷却水在水腔内分布均匀，无冷却死角，有利电池热管理。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如附图1至附图7所示，极板，即金属双极板包括阴极板1和阳极板2，极板外形为具有不规则边缘的长方形，长350-500mm，宽100-200mm，分别在阴极板1和阳极板2上冲压得到折型直行阴极流场17和蛇型阳极流场27流场结构，该二流场分别处在极板表面的中心位置，阴极板1和阳极板2分具有上、下两个表面，这两个表面分别为气腔侧和冷却剂腔侧；图1、2显示阴极板1、阳极板2的气腔侧；在阴极板1和阳极板2流场外侧的极板边框上，极板气腔侧和冷却剂腔侧表面分别凸出极板边框上、下表面，凸出高度按照质子交换膜燃料电池膜电极压缩特性和密封用硅胶压缩特性要求进行设计，极板边框部位冲孔得到金属双极板的公用管道，包括金属双极板的空气、氢气的阴极气体公用管道11和阳极气体公用管道12，以及阴极水公用管道13和阳极水公用管道23。

前述中，金属双极板密封结构和通道采用液态硅胶注射成型，并且分别在阴极板1和阳极板2的双侧面一次注射完成；为使得注射硅胶形成的结构与极板的位置固定，进一步的，在阴极板1和阳极板2密封结构之外加工透胶孔15，硅胶注射完成后金属双极板双面硅胶相互贯通成一体；密封结构和通道成型后的阴极板1和阳极板2通过叠合或粘合得到金属双极板。

前述中，金属双极板阴极板的阴极腔整体被封闭在注射硅胶形成的密封圈内。阴极气体公用管道11、阳极气体公用管道12以及周边注射硅胶得到气腔侧气腔密封硅胶条100a和水腔侧水腔密封胶条100b，在公用管道密封圈与阴极腔和水腔之间再加工一条密封圈即气腔侧气腔密封硅胶条103a或气腔侧水腔双层密封胶条102a，在进入和导出气腔和水腔侧密封圈上割开形成间隔的水腔侧气腔通道胶条1001a和水腔侧空气腔通道胶条1001b，在通道条之间的极板上加工阴极气体通道孔16，气体从公用管道到极板的水腔侧导入或导出到气体通道孔16，然后进入流场。

前述中，金属双极板阳极板的阴极公用管道21、阳极公用管道22以及周边注射硅胶得到硅胶密封圈，在公用管道密封阴极腔整体被封闭在注射硅胶形成的密封圈内。密封圈与阴极腔和水腔之间再加工一条密封圈即气腔侧气腔密封硅胶条200a或气腔侧水腔双层密封胶条202a，在进入和导出气腔和水腔侧密封圈上割开形成间隔的气腔侧氢气腔通道胶条2003a、水腔侧氢气腔通道胶条2003b，在通道胶条之间的极板上加工阳极气体通道孔24，气体从公用管道到极板的水腔侧导入或导出到阳极气体通道孔24，然后进入蛇型阳极流场27。

前述中，金属双极板的阴极板1和阳极板2的背面相互叠合，在公用管道和水流场周围注射液态成型硅胶得到双极板的水腔。水腔侧水公用管道周边注射硅胶密封圈，在进入水流场的密封圈上割开形成间隔的水腔通道胶条1003b、2003b，密封圈上的通道胶条延伸到阴阳极板流场边缘通道上19、25、26。为一体注射成型目的，水腔侧通道胶条设计为一端为盲端一端为通道，如阴极板上有水的进口端通道条，通道出口为盲端，阳极板上有水进入蛇型阳极流场的出口端通道条，通道进口为盲端，或者，阳极板上有水的进口端通道条，通道出口为盲端，阴极板上有水进入蛇型阳极流场的出口端通道条，通道进口为盲端。

本发明实施例中，金属双极板的附属结构还包括巡检和定位，本发明实施例中巡检采用排针排母排线方式，图6为排针排母排线接插位置的限位注射硅胶3，本发明实施例中金属双极板的定位采用定位孔14设计。