燃料电池空冷电堆阴极板以及双极板的制作方法

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池空冷电堆阴极板，以及包括该阴极板的双极板。

背景技术：

燃料电池是一种将燃料(如氢气)和氧化剂(如空气中的氧气)中的化学能直接转化成电能的发电装置。由于其是电化学反应，无燃烧放热，不受“卡诺循环”限制，因此能量转换效率高出普通热机很多。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点，在交通运输、固定发电以及便携式发电等领域具有十分广阔的市场前景。

双极板是燃料电池的重要组成部分，在空冷燃料电池中，阴极板流道是对外界环境开放的，如图1所示，常规技术中，阴极板的流道形成凹槽1和凸台2，凹槽1内为反应冷却空气区3，凸台2部分为冷却空气区4；阴极板与阳极板接合后与膜电极10堆叠装配；在阴极板侧，流经流道反应冷却空气区的空气不仅参与反应，还需带走部分反应产生的热量，另一部分热量由冷却空气区的空气带走。为达到有效散热，空气的流量要足够大，有时高达反应计量比的100倍，这样，就要求流道的横截面要尽量大。为了增加阴极板流道的横截面积就需要尽量增加流道的深度，但一定厚度的金属板材的冲压成型深度存在极限，超过极限后会导致针孔或撕裂等缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种新的燃料电池空冷电堆阴极板。

为了实现上述目的，本实用新型提供的一种燃料电池空冷电堆阴极板，板体上设有若干流道，所述流道的横截面为阶梯状，突破传统技术中流道冲压深度的极限。由于较薄(如0.1mm)金属板材如不锈钢板材延展性有限，在板材上冲出满足空冷电堆散热需求深度的流道会使材料拉伸过度形成针孔或撕裂等缺陷，本实用新型的技术方案是将流道设置为阶梯状，通过2次或多次冲压成型，大幅提高流道的深度和横截面积。

与常规非阶梯状流道相比，多出1个阶梯段和2个阶梯段的阶梯状流道的横截面积增加100％和200％。

在上述阴极板的两端设有多个凸起，其高度与流道的深度相匹配，利于实现阴极板和阳极板的密合形成双极板。

进一步地，上述燃料电池空冷电堆阴极板中，所述流道上设有贯穿流道壁的孔。

优选地，上述燃料电池空冷电堆阴极板中，所述孔为多边形、圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、菱形或梯形。

进一步地，上述燃料电池空冷电堆阴极板中，所述板体两端设有多个凸起；凸起位于能够与反应气体接触的一面。

进一步地，上述燃料电池空冷电堆阴极板中，在板体两侧的密封区域设有压边。

优选地，上述燃料电池空冷电堆阴极板中，所述压边为2-4mm宽度。

本实用新型还提供了一种包括上述的燃料电池空冷电堆阴极板的双极板，其中，双极板由所述阴极板与燃料电池用阳极板结合构成。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

本实用新型技术方案中，阴极板本体流道截面为阶梯状，阶梯状截面冲压利于使薄板在大深度冲压下的成形极限得以改善，提高极板成型后材料的均匀度和横截面积；压边结构增加了密封区的结构强度，有利于膜电极与另一侧阳极板的密封；流道区域的小孔使冷却空气区的空气也能一定程度地直接和膜电极接触参与反应，同时在小孔附近的空气形成湍流，有利于提高电堆性能和寿命，同时减轻了极板的重量。

附图说明

图1为传统金属阴极板流道剖视图；

图2为本实用新型提供的种燃料电池空冷电堆阴极板一个具体实施例的结构示意图；

图3为图2中所示阴极板的局部结构示意图；

图4a为图2所示流道的一个具体实施例的示意图；

图4b为图2所示流道的另一个具体实施例的示意图；

图5a为本实用新型提供的双极板的一个具体实施例的结构示意图；

图5b为图5a所示双极板的局部结构示意图；

图6为图5a中所示金属阳极板的结构示意图；

图7为图5a所示双极板与膜电极的装配示意图；

图8为本实用新型提供的燃料电池空冷电堆阴极板另一个具体实施例的结构示意图；

图9为图8中所示阴极板的局部结构示意图；

图10为图8中所示阴极板的局部结构示意图；

图11为本实用新型提供的双极板的另一个具体实施例的结构示意图；

图中：1-凹槽，2-凸台，3-反应冷却空气区，4-冷却空气区，5-压边，6-阴极板，7-阳极板，8-流道；9-孔；10-膜电极；15-凸起；16-气体出入口；

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本实用新型进行详细阐述，以便本领域技术人员理解本实用新型的技术方案。

如图2-3所示，一种燃料电池空冷电堆阴极板，板体上设有若干流道8，若干流道8形成凹凸结构状的阴极板，其中流道8形成的凹槽1内为反应冷却空气区3，相邻的凹槽1之间形成的凸台2部分为冷却空气区4；即阴极板的反应冷却空气区3所在面接触空气，作用是进行反应并带走一部分热量，阴极板的冷却空气区4所在面接触空气，作用是带走反应产生的另一部分热量。

本实用新型中所述流道8的横截面为阶梯状，即流道的壁为起伏的阶梯形状，其中流道壁的阶梯可以为2个或多个，阶梯状的流道横截面积较大，且该结构在冲压工艺中利于使薄板在大深度冲压下的成形极限得以改善，提高极板成型后材料的均匀度，继而增加了阴极板与阳极板结合成的双极板的机械强度。

第一实施例

参考图3并结合图4a所示，本实施例中，流道壁的阶梯为2个，在通过冲压工艺成形时，通过级进模的方式两步冲压而成。该阴极板板体的两侧边(密封区域)设有2-4mm的压边5结构，压边5结构利于增加密封区的结构强度，与阳极板、膜电极等组合装配时，压边5为与之相邻的膜电极提供支撑，以在装配时使阳极板7与膜电极10之间的密封胶线得到较好的压缩，实现较高的密封强度。

所述流道8的流道壁的阶梯为3个时，如图4b所示，流道8内部横截面积相对增大；在通过冲压工艺成形时，通过级进模的方式三步冲压而成。

本实用新型提供的一种双极板，如图5a所示，结合图5b所示，其由阳极板7和第一实施例中的阴极板6焊接而成，阴极板和阳极板均为金属材料，二者的焊接为本领域成熟技术，此处不作具体限定。本实施例中，双极板的金属阴极板6流道横截面为有2个阶梯的阶梯形，且其中双极板中的金属阳极板7为均布若干沟槽流道的板体，如图6所示的；阳极板7流道横截面为矩形，阳极板上的流道方向与阴极板上的流道方向垂直。

阳极板7上流道的槽深为阴极板6流道槽深1/2，阳极板7的厚度等于阴极板6的厚度。

装配时，本实用新型双极板与膜电极10的堆叠设置，如图7所示的，之后经过后续生产流程制备成为燃料电池。燃料电池中双极板与膜电极配合反应气体进行能量转化，产生电能的工作原理为本领域公知常识，此处不再赘述；本实用新型对双极板的阴极板流道形状等进行改进，利于使阴极板薄板体在大深度冲压下的成形极限得以改善，提高膜电极与阳极板的密封效果等，继而利于提高燃料电池的性能。

第二实施例

如图8、9所示的，本实施例中，流道壁的阶梯为2个，本实施例中，该阴极板板体的两侧边设有2-4mm的压边5结构，阴极板6的表面、即流道8上设有贯穿流道壁的若干孔9，所述孔9为多边形、圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形、菱形或梯形等任意适合形状，且若干孔9均布设置，以实现反应冷却空气区和冷却空气区的连通，有利于空气流动，提升燃料电池的散热能力，同时减轻了阴极板的重量。

如图11所示，本实用新型提供的双极板由阳极板7和本实施例中的阴极板6焊接而成，阴极板6流道横截面为有2个阶梯的阶梯形。且其中双极板中的阳极板7为均布若干沟槽流道的板体，阳极板7流道横截面为矩形，阳极板上的流道方向与阴极板上的流道方向垂直。

阳极板7流道的槽深为阴极板6流道槽深1/2，阳极板7的厚度等于阴极板6的厚度。

结合图10所示，进一步地，本实用新型燃料电池空冷电堆阴极板中，所述板体两端与膜电极相对的一面设有多个凸起15，即凸起15位于与反应气体接触的一面，用以支撑膜电极，便于保证阳极板7在氢气侧密封良好；本实用新型中凸起15优选从阴极板上两端的气体出入口16的孔口延伸出来形成。

本文中应用了具体个例对实用新型构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该实用新型构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。