一种具有对流式冷却液流场的金属双极板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有对流式冷却液流场的金属双极板。
【背景技术】
[0002]燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。
[0003]燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极等组成。双极板是燃料电池的支架部分，主要起支撑、分布导流气体并隔离气体和集流导电的作用，目前做双极板的材料主要有两大类:一类是石墨做的双极板，一类是金属双极板。由于金属双极板具有质量轻、板材薄、易加工和规模生产等优点，越来越被用于燃料电池产业。金属双极板的加工工艺不同于传统的石墨双极板的加工工艺，金属双极板主要以板材冲压为主，所以金属双极板对燃料电池的气体流场的设计要求较高，气体流场的设计不但需要设计气体的均匀分布，而且需要兼顾冷却液的流场设计。
[0004]公布号为CN 103700865A的发明专利“一种用于燃料电池的金属双极板”，在阳极单极板和阴极单极板上均对应设置有冷却液进口主流道和冷却液出口主流道并在所述进口和出口处为同向弯折结构，焊接贴合后形成过桥结构的冷却液导流通道，冷却液进口主流道中的反应物经过冷却液导流通道流入冷却液流道，再经冷却液导出通道由冷却液出口主流道流出。该结构中冷却液流道形成在阳极单极板和阴极单极板之间、两板共有一个冷却液流道，冷却不均匀，冷却效率低。
[0005]公布号为CN103441289A的发明专利“双极板、燃料电池和燃料电池堆”公开了一种双极板，双极板具有第一气体进口、第一气体出口、第二气体进口和第二气体出口，第一气体进口和第一气体出口分别设置在第一导流槽的两端，第二气体进口和第二气体出口分别设置在第二导流槽的两端，第一导流槽为蛇形，第一缓存槽为块状凹槽，且第一导流槽与第一缓存槽的深度相同，用以均匀分布反应气。阳极板和/或阴极板相向设置的表面上设置有冷却液导流槽，双极板上具有冷却液进口和冷却液出口，冷却液导流槽的第一端与冷却液进口连通，冷却液导流槽的第二端与冷却液出口连通。当阳极板和阴极板在工作过程中产生过多热量时，通过在冷却液导流槽内通入冷却液或水，可以达到对双极板散热的目的，从而保证燃料电池稳定运行。该结构中虽解决了气体流场均匀的问题，但没有就冷却液导流槽的结构做出改进设计，冷却效率低。
[0006]公布号为CN102306813A的发明专利“一种金属薄板冲压成型的燃料电池双极板”，包括两块相同的气体流场单板和一块中间流场单板，分别作为氧化剂流场板、燃料气体流场板和冷却液流场板，两块气体流场单板通过其四周接触面、其边框密封槽中放置的密封材料、填平区域内放置的填平材料以及中间流场单板两侧的接触面，分别连接所述中间流场单板两侧，组合成所述燃料电池双极板；每个流场单板上均设有三个进口和三个出口，分别为:氧化剂进口、冷却液进口、燃料气体进口、氧化剂出口、冷却液出口和燃料气体出口。其中所述气体流场单板的一侧是反应气体流动区域，所述气体流场单板的另一侧对应于气体流动区域的脊部是液体流场沟槽；所述中间流场单板的一侧为冲压形成的流场沟槽，与所述气体流场板的液体流场沟槽构造成冷却液流道。该结构采用三块单板，在两块气体流场单板和中间流场单板之间形成冷却液流道，但采用中间流场单板，增加了整体体积、提高了加工复杂性。
[0007]现有的金属双极板流场设计，主要存在以下几点问题:1、以气体流场分布为主，很少兼顾冷却液流道，燃料电池电堆的内部冷却效果不均一，导致燃料电池电堆内部温度分布不均一，有些区域温度较高，温差较大，造成燃料电池内部“热点”现象。燃料电池电堆长时间在这种条件下工作，会导致燃料电池电堆性能和寿命的急剧减少；2、采用三层板的结构，双极板的层数多，会导致:a、电堆的体积加大；b、增加了双极板结构复杂性和其加工工艺的复杂性；C、增加了双极板界面电阻导致燃料电池电堆的内阻增大。
【发明内容】
[0008]发明目的:针对现有技术的不足，本发明提供一种具有对流式冷却液流场的金属双极板，通过合理的流场设计，在保证气体分布均匀的条件下，解决了传统的流道无法解决冷却液均匀分布的问题。
[0009]技术方案:本发明所述的具有对流式冷却液流场的金属双极板，包括结构相同的氢板和氧板，所述氢板和氧板冲压有冷却液进口、冷却液出口以及走向呈S型的冷却液流道，冷却液进口和冷却液出口位于所述氢板和氧板两侧的中部；所述氢板和氧板以具有冷却液流道测相对层叠相连，在所述氢板和氧板之间形成呈中心对称的氢板冷却液流道和氧板冷却液流道；所述氢板和氧板的冷却液进口连通，所述氢板和氧板的冷却液出口连通，冷却液从所述氢板或氧板的冷却液进口进入，分别流向氢板冷却液流道入口和氧板冷却液流道入口，流经氢板冷却液流道、氧板冷却液流道后，分别从氢板冷却液流道出口和氧板冷却液流道出口流出至所述氢板和氧板的冷却液出口。
[0010]进一步优化上述技术方案，所述氢板和氧板的冷却液进口与所述氢板冷却液流道入口、所述氧板冷却液流道入口之间的流道呈Y型；所述氢板和氧板的冷却液出口与所述氢板冷却液流道出口、所述氧板冷却液流道出口之间的流道呈Y型。
[0011]通过上述设计，在冷却液进口和冷却液出口之间的形成Y-S-Y型冷却液流场，且氢板冷却液流道与氧板冷却液流道之间呈对流状态，提高了冷却效果，保证冷却过程的均匀性，有利于温度控制。
[0012]所述氢板冷却液流道和氧板冷却液流道分别由至少三条冷却液流道脊以及冷却液流道脊之间的冷却液流道槽组成。
[0013]所述氢板和氧板冷却液流道脊的宽度均为0.5-3mm，所述氢板冷却液流道槽的深度为0.3-2mm，所述氧板冷却液流道槽的深度为0.4_3mm。氢板、氢板冷却液流道脊和冷却液流道槽的参数设计对于由其形成的冷却液流场和相应的气体流场均具有重要影响，参数太大或太小都不合适。
[0014]作为优选，所述氢板和氧板冷却液流道脊的宽度均为1.5mm，所述氢板冷却液流道槽的深度为1mm，所述氧板冷却液流道槽的深度为2mm。通过对氢板、氢板冷却液流道脊和冷却液流道槽进行上述优选值的设计，冷却液在冷却液流场内进行均匀分布的效果达到最佳，对冷却液流场的温度控制效果达到最好，保证整个冷却液流场内无热点，解决了传统流道无法解决的问题；同时实现了对金属双极板进行更加充分合理的利用以及气体流场和冷却液流场之间的调整和控制，保证冷却液以及气体在相应流场内均进行合理的分布，在液体、气体的流动过程中金属板受到的压力更均勾，进出口的气密性良好。
[0015]所述氢板冷却液流道的直线区脊与所述氧板冷却液流道的直线区脊相互接触，所述氢板冷却液流道的拐弯区脊与所述氧板冷却液流道的直线区脊相互交错。氢板冷却液流道与氧板冷却液流道相互连通交错，有助于冷却液的流动，保证冷却效果更均匀。
[0016]有益效果:与现有技术相比，本发明的优点:
[0017]1、本发明优化金属双极板的气体流道设计，可以使金属双极板流场设计更加多样化；
[0018]2、采用两层板结构替代三层板结构，节约成本，使电堆结构简单化，轻便化，更便于双极板的规模化生产与加工；
[0019]3、氢板和氧板均有冷却液流道，使电堆的冷