燃料电池的金属双极板、燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发电设备领域，具体而言，涉及一种燃料电池的金属双极板、燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种兼具环境友好、工作高效、使用寿命长等特点的发电装置。以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例，燃料气体(氢气)从电池的阳极侧进入电池内部，氢原子在阳极失去电子后变成质子，质子穿过电池内部的质子交换膜到达电池阴极，同时电子经由外部回路也到达电池的阴极，在电池的阴极侧，质子、电子与氧气结合生成水。
[0003]燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受热力学的卡诺循环工作原理的限制，其直接利用化学能进行发电的发电效率可高达45%。燃料电池是以电池堆为核心的发电装置，燃料电池系统集成了电源管理、热管理等模块，其具有热、电、水、气统筹管理的特点。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
[0004]在燃料电池结构中，一般为双极板与膜电极依次叠合形成多节电池堆，从而形成功率较高的发电装置。
[0005]图1为燃料电池堆结构示意图，该燃料电池堆由第一双极板1、第一膜电极3 (MEA)、第二双极板2和第二膜电极4 (MEA)依次叠放而成，其中，第一双极板I和第二双极板2的上表面为阳极，第一双极板I和第二双极板2的下表面为阴极，第一膜电极3和第二膜电极4的上表面为阴极，第一膜电极3和第二膜电极4的下表面为阳极。膜电极(第一膜电极3和第二膜电极4)为电化学反应的发生场所，膜电极由催化剂层(一般为Pt/C)和质子交换膜组成。双极板(第一双极板I和第二双极板2)上刻有流道，以均匀分配反应气体。
[0006]在现有的设计中，燃料电池一般采用雕刻加工的石墨双极板(第一双极板I和第二双极板2)。图2为雕刻加工的石墨双极板的截面结构示意图图，第一双极板I由阳极板11，阴极板12组成，在阳极板11上雕刻阳极板流道13以供燃料氢气的流通，在阴极板12的一侧上雕刻第一阴极板流道14以供氧化剂气体(空气或氧气)的流通，在阴极板12的另一侧雕刻第二阴极板流道15以供冷却液(去离子水)的流通。图3为燃料电池的膜电极截面结构，图中示出了第一膜电极3的阳极气体扩散层31，阳极催化剂层32，质子交换膜33，阴极催化剂层34，阴极气体扩散层35。图4为现有的燃料电池的电堆截面结构示意图。
[0007]现有石墨双极板为了构成阳极板流道13、第一阴极板流道14、第二阴极板流道15，同时需要保证双极板具有一定的机械强度，因而导致双极板的厚度较厚，在多节电池堆叠成燃料电池堆时，多层较厚的双极板叠放从而导致电池堆的总体积较大，降低了电池堆的功率密度。现有燃料电池也有通过超薄的金属板冲压成型形成的金属双极板，以提高电池堆的功率密度。然而，由于现有技术中的双极板的气体流道与冷却液流道凹凸相反，在保证气体流场均一(即气体流道冲压成型后气体流道分布均匀)的前提下，难以形成流场均一的冷却液流场，从而导致电池堆的温度分布不均，造成电池局部衰减严重。
【发明内容】
[0008]本发明的主要目的在于提供一种燃料电池的金属双极板、燃料电池，以解决现有技术中燃料电池的电池堆功率密度低及由于电池堆温度分布不均而造成电池局部衰减严重的问题。
[0009]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池的金属双极板，包括阳极金属板与阴极金属板，阳极金属板与阴极金属板为结构相同的金属极板；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的并行设置的第一流道，第二表面上具有冲压形成的并行设置的第二流道，且第二流道为直线流道，第二流道与第一流道交叉设置，且第二流道的深度小于第一流道的深度；阴极金属板与阳极金属板叠置，且阴极金属板的第二表面与阳极金属板的第二表面彼此相对，阴极金属板的第二表面上的第二流道与阳极金属板的第二表面上的第二流道扣合形成冷却液流道；阳极金属板上的第一流道为燃料气体流道，阴极金属板上的第一流道为氧化气体流道。
[0010]进一步地，第二流道与第一流道垂直交叉设置。
[0011]进一步地，金属极板上冲压成型有多个底部中空的凸起部，相邻两个凸起部之间形成第一流道，阳极金属板的凸起部的中空的底部与阴极金属板的凸起部的中空的底部扣合连通，并连通冷却液流道以形成冷却液流场。
[0012]进一步地，各第一流道包括顺次连通的进气流道、直流道与出气流道，每个进气流道与相应的多个直流道的第一端连通，多个直流道的第二端与相应的出气流道连通。
[0013]进一步地，各第一流道包括顺次连通的一个进气流道、三个直流道与一个出气流道。
[0014]进一步地，金属极板上冲压成型有密封凸起，密封凸起与凸起部的凸起方向一致，第一流道与第二流道均设置在密封凸起所围成的区域内。
[0015]进一步地，金属极板上开设有第一定位孔与第二定位孔。
[0016]根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池，具有叠置的多节电池堆，各电池堆均包括金属双极板，金属双极板为前述的金属双极板。
[0017]进一步地，燃料电池还包括多个膜电极，金属双极板夹设在相邻两个膜电极之间，阳极金属极板的密封凸起和凸起部均与相邻两个膜电极的其中一个膜电极密封接触，阴极金属板的密封凸起和凸起部均与另一个膜电极密封接触。
[0018]进一步地，密封凸起与相应的膜电极之间具有密封垫片。
[0019]应用本发明的技术方案，阳极金属板与阴极金属板是结构相同的金属极板，金属极板上冲压形成有第一流道和第二流道，且第二流道与第一流道交叉设置(即燃料电池中冷却液流道为该第二流道)，经由第二流道流通的冷却液能够更加迅速、均匀地将燃料电池内能量转化过程中产生的热量，从而延长燃料电池的使用寿命。进一步地，由于使用金属极板作为燃料电池的内部零部件，使得燃料电池的电池堆的体积大大减小，从而较好地提高了燃料电池的功率密度。
【附图说明】
[0020]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0021]图1示出了现有技术的燃料电池的电池堆的结构示意图；
[0022]图2示出了现有技术的燃料电池堆的石墨双极板的剖视结构示意图；
[0023]图3示出了现有技术的燃料电池堆的膜电极的截面结构示意图；
[0024]图4示出了现有技术的燃料电池的电池堆的截面结构示意图；
[0025]图5示出了本发明的燃料电池的阳极金属板的第一表面的实施例的结构示意图；
[0026]图6示出了本发明的燃料电池的阴极金属板的第二表面的实施例的结构示意图；
[0027]图7示出了本发明的阳极金属板、膜电极及阴极金属板依次叠置的截面结构示意图；
[0028]图8示出了本发明的阳极金属板与阴极金属板叠置后设置在相邻两个膜电极之间的截面结构示意图；
[0029]图9示出了图5的金属极板的第二表面上的冷却液流场的分布示意图；
[0030]图10示出了阳极金属板与阴极金属板扣合形成的冷却液流场的分布示意图。
[0031]其中，上述附图包括以下附图标记:
[0032]100、阳极金属板；101、燃料气体流道；
[0033]200、阴极金属板；201、氧化气体流道；
[0034]102、冷却液流道；
[0035]106、凸起部；001、进气流道；
[0036]002、直流道；003、出气流道；
[0037]103、密封凸起；104、第一定位孔；
[0038]105、第二定位孔；300、膜电极；
[0039]400、密封垫片；100-102-1、阳极金属板冷却液流场；
[0040]102-11、凸起部流场；102-13、金属极板流场进出口；
[0041]200-102-1、阴极金属板冷却液流场。
【具体实施方式】
[0042]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]如图5和图6所示，本实施例提供了一种燃料电池的金属双极板，该金属双极板包括阳极金属板100与阴极金属板200，阳极金属板100与阴极金属板200为结构相同的金属极板；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的并行设置的第一流道，第二表面上具有冲压形成的并行设置的第二流道，且第二流道为直线流道，第二流道与第一流道交叉设置，且第二流道的深度小于第一流道的深度；阴极金属板200与阳极金属板100叠置，且阴极金属板200的第二表面与阳极金属板100的第二表面彼此相对，阴极金属板200的第二表面上的第二流道与阳极金属板100的第二表面上的第二流道扣合形成冷却液流道102 ;阳极金属板100上的第一流道为燃料气体流道101，阴极金属板200上的第一流道为氧化气体流道201。
[0044]阳极金属板100与阴极金属板200的结构完全相同，因而可以通过一种模具进行冲压加工而成，提高了阳极金属板100与阴极金属板200的一致性，保证了燃料电池的性能的一致性，并保证了燃料电池的使用寿命，同时降低了金属极板的制造成本。
[0045]优选地，第二流道的深度为第一流道的深度的30%-70%。冲压机冲在该金属极板的第二表面进行两次冲压操作，第一次冲压操作以在第一表面上形成第一流道，然后进行第二次冲压操作以形成第二流道。在本发明的技术方案中，金属极板不限于应用冲压加工工艺一种方式进行加工金属极板，其他作用效果等同的加工方式也应该归入本发明的技术方案的保护范围。
[0046]在本实施例中的燃料电池所应用的燃料气体优选为氢气，氧化气体优选为空气。阳极金属板与阴极金属板是结构相同的金属极板，金属极板上冲压形成有第一流道和第二流道，且第二流道与第一流道交叉设置(即燃料电池中冷却液流道为该第二流道)，经由第二流道流通的冷却液能够更加迅速、均匀地将燃料电池内能量转化过程中产生的热量，从而延长燃料电池的使用寿命。进一步地，由于使用金属极板作为燃料电池的内部零部件，使得燃料电池的电池堆的体积大大减小，从而较好地提高了燃料电池的功率密度。
[0047]在本实施例中，第二流道与第一流道垂直交叉设置。这样可以减少冷却液在冷却液流道中的流动长度，从而降低液体压降，继而降低泵耗。
[0048]结合参见图5和图6、图9和图10所示，金属极板上冲压成型有多个底部中空的凸起部106，相邻两个凸起部106之间形成燃料气体流道101，阳极金属板1