一种燃料电池双极板结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源电池领域，具体涉及一种燃料电池双极板结构。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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%~80%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。
[0004]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。
[0005]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，金属双极板可以采用两张、三张或更多的金属板组合而成。两张金属板的冷却水的流场由氢板和氧板的背面组合而成，而三张或更多的金属板组合的双极板则是有单独的冷却剂极板。但三张及以上的金属双极板组合方式由于极板数量较多，因而极板的重量和体积较大，电堆的重量比功率比两张极板组合方式低25%以上，体积比功率低40%左右。两张极板组合方式较三张及以上数量极板组合方式在结构上复杂，且加工难度较大。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。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板结构，采用多个还原剂极板、多个氧化剂极板及多层膜电极组件组成上述燃料电池双极板结构。本发明设计的双极板结构能够合理地利用还原剂极板、氧化剂极板形成的空腔，为冷却剂提供了流动流场，能够实现两张基板组合中冷却剂进入活性区域；同时巧妙地将冷却剂通过冷却剂导流流道引入导流区域流道。并且可以在很大程度上减小冷却剂在双极板中的流动阻力，降低系统能耗。本发明提供的燃料电池双极板结构能够降低双极板重量、体积，该提高燃料电池的能力密度。
[0007]为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
一种燃料电池双极板结构，该燃料电池双极板结构包含:多个还原剂极板、多个氧化剂极板及多层膜电极组件；
多个所述氧化剂极板与多个所述还原剂极板间隔对称设置；其中，每个所述氧化剂极板与对应的一个所述还原剂极板对称匹配设置形成一对双极板结构；
每层所述膜电极组件设置在一对所述双极板结构的所述氧化剂极板与另一对所述双极板结构的所述还原剂极板之间。
[0008]每对所述双极板结构之间形成冷却剂流场，每个所述还原剂极板与对应的所述膜电极组件之间形成还原剂流道，每个所述氧化剂极板与对应的所述膜电极组件之间形成氧化剂流道。
[0009]每个所述还原剂极板包含:
还原剂进口，还原剂通过所述还原剂进口进入所述还原剂极板内；
第一还原剂导流区域，所述第一还原剂导流区域的一端与所述还原剂进口连接；还原剂活性反应区域，所述第一还原剂导流区域的另一端与所述还原剂活性反应区域的一端连接；
第二还原剂导流区域，所述第二还原剂导流区域一端与所述还原剂活性反应区域的另一端连接；
还原剂出口，与所述第二还原剂导流区域另一端连接。
[0010]所述第一还原剂导流区域内包含:
多个第一还原剂导流流道，每个所述第一还原剂导流流道的一端与所述还原剂进口连接;
多个第一还原剂导流流道脊，多个所述第一还原剂导流流道脊与多个所述第一还原剂导流流道间隔排列设置，每个所述第一还原剂导流流道脊的一端与所述还原剂进口连接；所述还原剂活性反应区域内包含:
多个第二还原剂导流流道，每个所述第二还原剂导流流道的一端与对应的所述第一还原剂导流流道的另一端连接；
多个第三还原剂导流流道，多个所述第三还原剂导流流道与多个第二还原剂导流流道间隔排列，每个所述第三还原剂导流流道的一端与对应的所述第一还原剂导流流道脊的另一端连接；
所述第二还原剂导流区域内包含:
多个第四还原剂导流流道，每个所述第四还原剂导流流道的一端与对应的所述第二还原剂导流流道的另一端连接；每个所述第四还原剂导流流道的另一端与所述还原剂出口连接;
多个第二还原剂导流流道脊，多个所述第二还原剂导流流道脊与多个所述第四还原剂导流流道间隔排列设置，每个所述第二还原剂导流流道脊的一端与对应的所述第三还原剂导流流道的另一端连接，每个所述第二还原剂导流流道脊的另一端与所述还原剂出口连接。
[0011]还原剂通过所述还原剂进口进入所述第一还原剂导流区域内的多个第一还原剂导流流道，并分别通过所述还原剂活性反应区域内的多个第二还原剂导流流道、所述第二还原剂导流区域内的多个第四还原剂导流流道流出至所述还原剂出口。
[0012]每个所述氧化剂极板包含:
氧化剂进口，氧化剂通过所述氧化剂进口进入所述氧化剂极板内；该氧化剂进口与所述还原剂进口处于燃料电池双极板结构的同一侧；
第一氧化剂导流区域，所述第一氧化剂导流区域的一端与所述氧化剂进口连接；氧化剂活性反应区域，所述氧化剂活性反应区域的一端与所述第一氧化剂导流区域的另一端连接；
第二氧化剂导流区域，所述第二氧化剂导流区域一端与所述氧化剂活性反应区域的另一端连接；
氧化剂出口，与所述第二氧化剂导流区域另一端连接。
[0013]所述