一种燃料电池金属双极板的制作方法
【专利说明】一种燃料电池金属双极板
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技术领域
[0002]本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及燃料电池金属双极板。
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【背景技术】
[0004]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种把燃料中的化学能通过化学反应转化为电能的发电装置，具有高功率密度、低环境污染等优点，在固定电源、电动车、军用特种电源盒可以动电源方面具有广阔的应用前景，引起越来越多国家和企业的重视。目前，国内外均已成功地将PEMFC应用到载人的公共汽车和轿车上。
[0005]尽管目前有关PEMFC的基础与应用研究已取得了长足进展，但离商业化仍有相当的距离，成本和寿命是关键制约因素。双极板是燃料电池的核心部件之一，占整个电池重量的70°/Γ80%和成本的45%以上，在控制整个电池的成本和重量方面起着非常重要的作用。因此，开发易于实现大规模生产的轻型、薄层双极板对于提高电堆比功率、降低电堆成本，进而推动PEMFC商业化具有很重要的意义。
[0006]双极板具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能。其材料主要包括金属材料、石墨材料和复合材料。由于石墨类材料具有良好的导电性和化学稳定性，是目前PEMFC广泛采用的极板材料。但石墨材料脆、气密性差、机械强度低以及加工费用高等缺点不易大规模生产，限制了其工业化应用。与石墨材料相比，金属材料具有机械强度高、良好的导电与导热性能，同时易于被加工成薄板，可大幅度提高电堆的比能量，使极具竞争力的双极板材料。
[0007]双极板由于极板材料不同，其设计也不尽相同。石墨双极板通常是由氢板和氧板组成，冷却水的流场是由氢板和氧板背部的流场组合形成。冷却水的流场深度等可以根据要求采用机铣或压模的方式加工得到。因而，冷却水的流动阻力可以控制在较小的范围内。采用其他耐腐蚀的薄型金属材料时，极板加工采用冲压的机械工艺进行。为了减少电堆重量，与石墨板相同，金属双极板通常采用两张金属板组合而成，冷却水的流场也是由氢板和氧板的背面组合而成。但由于金属板采用冲压工艺加工而成，因而极板背面不能经过二次加工形成冷却水的流场，冷却剂的流场和导流场由两张极板的背面流道组成。由于金属材料本身的限制，极板流场的槽深一般不会太深(< 0.75mm)，特别是在导流场部分。造成了燃料电池各介质的流场深度较浅，介质在各流场中的阻力加大，增加了介质在流场中的分配难度以及系统能耗。因而，为减小介质在极板中的流动阻力，特别是冷却水的流动阻力，双极板采用三张极板或更多极板的组合方式，即在氢板和氧板之间增加一张冷却水板。该组合方式可以在很大程度上减小介质在双极板中的流动阻力，降低系统能耗。但由于增加一张冷却水板，燃料电池的重量有所增加。虽然改善了燃料电池的散热，并降低了介质的流动阻力，但同时也降低了燃料电池的比能量。因此，降低燃料电池双极板的重量，同时不能影响电池的散热，对于提高燃料电池比能量具有较大的现实意义。
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【发明内容】
[0009]本发明旨在提供一种在相同输出功率条件下，比能量更高的燃料电池双极板，达到介质阻力更低、散热和电池均一性更好的目的。
[0010]为达成上述目的，本发明提供一种燃料电池金属双极板，包括两块气体介质极板和冷却剂极板，所述冷却剂极板的外形面积与电池电极活性区面积相同，所述各气体介质极板上均有限制介质流动的流道，且各极板之间相互密封，其特征在于所述冷却剂极板只有流场部分，所述冷却剂极板上设有导流槽和流道。
[0011]一些实施例中，所述燃料电池双极板结构采用三张极板的组合方式，中间冷却剂极板的外形面积与电池电极活性区面积相同，组合时嵌入密封圈内部。
[0012]一些实施例中，所述双极板与电极装配过程中，冷却剂极板与边沿的密封圈支撑装配压力。
[0013]一些实施例中，所述冷却剂极板表面采用机械加工各种孔结构。
[0014]一些实施例中，所述各气体介质极板进出口的深度和其极板流道深度相同。
[0015]一些实施例中，所述冷却剂极板导流槽的进出口深度和其极板流道深度相同。
[0016]—些实施例中，所述两块气体介质极板，一块为氢气极板，一块为空气或氧气极板。
[0017]一些实施例中，所述冷却剂极板可采用不锈钢编织网或者钛编织网。
[0018]一些实施例中，所述冷却剂进出歧口的截面积是传统加工石墨板的两倍。冷却剂极板的多孔材料或多孔的冲压平板与密封圈一起支撑流场空间。
[0019]本发明与其他典型金属板组合方式的燃料电池双极板相比具有许多优点。虽然本发明双极板的重量相比较于两张极板增加约25%，但双极板冷却水流场阻力减小60%以上，可以在很大程度上降低系统冷却泵的能耗，改善电堆的冷却效果和电池的均一性；同时，由于冷却剂极板8拥有独立的流场分配歧口，气体介质的分配歧口截面积可以提高50%?100%,从而气体介质的分配更加均匀、阻力更小。由于本发明双极板增加了一张冷却剂极板，冷却剂和气体介质进出流场的截面积增加，阻力降低很多，因而极板的流道深度比两张极板要求的冲压深度降低30%以上。因此，双极板本身的厚度与两张极板组合方式基本相当，并不会降低电池的体积功率密度。
[0020]该结构相比较于传统的三张金属极板的重量减小20%以上，功率密度(W/kg)增加10%以上。
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【附图说明】
[0022]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是两张金属极板组合而成的双极板剖面示意图；
图2是两张极板组合后介质进出口的截面示意图； 图3是一般三张极板组合方式金属双极板；
图4是本案例中双极板的截面意图；
图5是本案例双极板中的冷却剂极板的平面示意图；
图6是本案例中金属双极板的进出口截面示意图。
[0023]图中，I是氢气极板，2是氧气或空气极板,3是娃橡胶,4是电池电极,5是气体介质极板组合后形成的空腔，6是冷却剂极板，7是本发明的冷却剂极板，8是孔。
[0024]附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
[0025]
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步阐述本发明。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明而不用于限制本发明的保护范围。本发明优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的【具体实施方式】。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
[0027]现详细说明根据本发明的一种燃料电池金属双极板。
[0028]图1是两张极板组合的金属双极板和电极面不意图。金属双极板包括氢气极板I和氧气或空气极板2。电池密封采用硅橡胶3等密封材料。在介质进出口处采用一定设计，使背面组合后能为冷却剂提供流场。由于冷却剂没有独立的极板流场，冷却剂只能在两张极板组合后形成的空隙中进出流场。
[0029]图2是两张极板组合后介质进出口的截面示意图。从图中可以看出，虽然流道深度为h，但在气体介质导流槽进出口处的深度通常只有30%h?60%h，因而组合后进出口的截面积是限制介质的进出流场阻力，是双极板中阻力较大的部位。由于金属材料采用冲压成型技术加工，金属材料的塑变要求h不能太大，从而造成极板介质进出口截面积较小，流动阻力较大，冷却剂分布不均，进而引发辅助系统能耗增加和电堆电极均一性不佳等不良后果。冷却剂的流场是由氢气极板I和氧气或空气极板组合后形成的空腔5。
[0030]图3是一般三张极板组合式金属双极板和电极截面不意图。金属双极板包括氢气板、氧气或空气板和冷却剂板，各极板和电极之间的密封采用硅橡胶3等密封材料。冷却剂板的外围大小与气体介质极板相同。三张极板的组合方式完全解决了以上提到的两张极板的阻力问题，使冷却剂流场和气体介质流场进出口深度均能满足与流场部分相同。
[0031]图4是本案例中极板的截面不意图。金属双极板包括氢气极板1、氧气或空气极板2以及冷却剂极板，极板之间采用硅橡胶3等密封材料。其特征在于，与一般冷却剂极板6相比，本发明的冷却剂极板7只有流场部分，边沿没有延伸到氢气极板I和氧气或空气极板2外围边沿。同时，由图4、5可以看出，本发明冷却剂极板7表面有很多圆形孔8。与一般冷却剂极板6相比，本发明的冷却剂极板7的重量可以减轻50%以上。电堆在装配过程中，压力主要由冷却剂极板和密封圈承受。
[0032]图6是本案例中金属双极板的进出口截面示意图。从图中可以看出，气体介质的极板进出口深度hl、h2与流道深度h基本相同；同时，背面冷却剂的进出口深度h3，可以根据冷却剂流量和冷却剂的流阻设计控制其深度为h，甚至更深(只须控制中间水板的冲槽深度)。
【主权项】
1.一种燃料电池金属双极板，包括两块气体介质极板和冷却剂极板，所述冷却剂极板的外形面积与电池电极活性区面积相同，所述各气体介质极板上均有限制介质流动的流道，且各极板之间密封，其特征在于所述冷却剂极板只有流场部分，所述冷却剂极板上设有导流槽和流道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述冷却剂极板表面有孔。
3.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述冷却剂极板表面为圆形孔。
4.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述各气体介质极板进出口的深度和其极板流道深度相同。
5.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述冷却剂极板导流槽的进出口深度和其极板流道深度相同。
6.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述两块气体介质极板，一块为氢气极板，一块为空气或氧气极板。
7.根据权利要求1所述的燃料电池金属双极板，其特征在于所述冷却剂极板可采用不锈钢编织网或者钛编织网。
【专利摘要】一种燃料电池金属双极板，包括两块气体介质极板和冷却剂极板，所述冷却剂极板的外形面积与电池电极活性区面积相同，所述各气体介质极板上均有限制介质流动的流道，且各极板之间密封，所述冷却剂极板只有流场部分，所述冷却剂极板上设有导流槽和流道。本发明解决了现有技术中无法同时实现既改善燃料电池的散热性，同时保证电池比能量的技术问题，达到了气体介质分配更均匀、阻力更小，且提升了燃料电池比能量的有益效果。
【IPC分类】H01M4-86, H01M8-02
【公开号】CN104701550
【申请号】CN201310663676
【发明人】孙毅, 张伟, 蒋永伟, 刘向, 朱荣杰, 张欣荣, 王丽娜
【申请人】上海空间电源研究所
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2013年12月10日