一种啮合式超薄金属双极板及其三维流场的制作方法

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用金属双极板和流场设计技术领域，具体涉及一种燃料电池用啮合式金属双极板及其三维流场。

背景技术：

当前，空气污染已经日趋恶化，环境问题已经被国家日益重视。在汽车方面，国际上许多国家都已制定传统燃油车退出历史舞台的时间表，从而新能源汽车已成为国家的发展战略之一。以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池可以直接将氢气中的化学能转换为电能，在此过程中仅排出水，是一种氢能利用的绿色发电装置，可用于电动汽车的驱动电源，且国际上该车用燃料电池技术已经产业化。

双极板是车用燃料电池的关键部件之一，由于轿车的空间限制，对车用燃料电池的体积功率密度要求较高，这就要求双极板的厚度很薄从而在保持同样的输出功率情况下，尽可能降低车用燃料电池的体积，即提高车用燃料电池的体积功率密度。而在双极板厚度减薄的情况下，传统石墨双极板或复合双极板由于机械性能、气体透过率等因素而无法应用，需要使用金属材料制备双极板。在已有金属双极板设计中，流场槽是基于矩形截面设计，将两个矩形截面设计的金属单极板以“咬合”的形式组合，制备一个金属双极板，而两个单极板的脊部分在双极板的中间形成中空部分，从而形成冷却液或冷却气体的流场。而这种矩形截面的流场如果采用“啮合”的形式组装，则将封闭中空的冷却用流场，造成燃料电池无法冷却。为进一步提高车用燃料电池的体积功率密度，需要通过改进金属双极板的流场设计，优化流场的同时降低金属双极板的厚度达到保持车用燃料电池的输出功率的同时降低燃料电池的体积，从而实现提高车用燃料电池体积功率密度的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种燃料电池用啮合式金属双极板，通过对该金属双极板的三维流场设计，可有效减少金属双极板的厚度、保持输出功率的同时降低车用燃料电池的体积，从而实现提高车用燃料电池的体积功率密度的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种啮合式超薄金属双极板，包括两块金属单级板，金属单级板上具有多条下凹的流道，流道作为流场槽，相邻流道之间的部分为流场脊，流道沿宽度方向的截面为梯形、沿长度方向的截面为波浪形，两块金属单级板的流场槽和流场脊互为交替，即一个单极板的流场脊插入到另一个单极板的流场槽内，两块金属单级板在“波浪形”的“波谷”处啮合。

所述梯形的下底是流道的上部，梯形的上底是流道的下部，通过改变梯形上底和下底的长度来控制流场的脊槽比。

波浪形的方程为正弦函数或者余弦函数。

流场槽梯形截面的上底和下底分别与流场脊的上底和下底相同。

本发明具有的技术效果：

本发明所提供的燃料电池用金属双极板及其三维流场设计方案，采用截面为梯形和正弦曲线或余弦曲线的流场设计，且通过梯形截面设计可有效控制流场的脊槽比，通过波浪形截面设计，将两个流场槽和脊互为交替的单极板在正弦或余弦曲线的“波谷”处以啮合的形式结合为一个双极板，这样金属双极板的厚度为两个金属板材的厚度加上一个流场槽深度，从而可以有效减薄一个流场槽深度的厚度，获得超薄型金属双极板；同时由于采用了正弦或余弦曲线截面设计，在“波峰”处留有空间，而形成金属双极板中空部分的冷却液或冷却气体的流场。由于采用了两种流场槽和脊互为交替的单极板设计，从而在组装电池堆时，需确保燃料电池膜电极两侧的金属双极板的流场槽和脊的位置相同，而不能交替，如果是交替排列会导致膜电极受剪切力而被破坏。通过该啮合式超薄型金属双极板的设计方案，相对于传统“咬合”式设计的金属双极板，可以有效降低双极板的厚度，减少车用燃料电池堆的体积，提高其体积功率密度。

本发明通过改进传统咬合式金属双极板设计为啮合式的设计，有效降低了金属双极板一个流场槽深的厚度，实现了更薄的金属双极板的设计，从而可确保在保持车用燃料电池堆输出功率不变的情况下，达到降低该电池堆的体积，提高车用燃料电池堆的体积功率密度的目的。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1为本发明所述双极板沿宽度方向的截面图；

图2为本发明所述双极板的流场结构示意图；

图3为流道宽度方向的梯形截面示意图；

图4为流道长度方向的截面图；

图5为金属双极板的长度方向示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

一种啮合式超薄金属双极板，包括两块金属单级板1，金属单级板1上具有多个下凹的流道2，流道2作为流场槽，相邻流道2之间的部分为流场脊，流道2沿宽度方向的截面为梯形、沿长度方向的截面为波浪，两块金属单级板1的流场槽和流场脊互为交替，即一个单极板流场槽的部分对应另一个单极板流场脊的部分，两块金属单级板在“波浪形”的“波谷”处啮合。波浪的方程为正弦函数或者余弦函数，在本实施例中为正弦函数。

其加工方法如下：

步骤1.使用厚度为0.1mm的金属板材为金属单级板基材；

步骤2.金属双极板流场设计具体如下：

①流道截面分别呈梯形和波浪形，流场板如附图1所示；

②等腰梯形截面的上底长度0.5mm，下底长度0.8mm，即流场板表面槽宽0.8mm，脊宽0.5mm，如附图1、2所示；

③波浪形截面方程是0.12*sin(x)，流道槽最大深度0.4mm，最小深度0.16mm，如附图1、3所示；

步骤3.设计与步骤2中流场槽和流场脊位置相反的流场板图纸；

步骤4.基于步骤2和3中的设计，分别加工相应的冲压模具；

步骤5.分别使用步骤4中的模具将步骤1中的金属板材进行冲压成型；

步骤6.使用基于步骤2和步骤3冲压出来的两个单极板，在波谷位置以啮合的形式结合，如附图4所示，获得啮合式超薄型金属双极板。

实例2：

在本实施例中波浪形的方程为余弦函数。

步骤1.使用厚度为0.1mm的金属板材为基材；

步骤2.金属双极板流场设计具体如下：

①流道截面分别呈梯形和波浪形；

②等腰梯形截面的上底长度0.6mm，下底长度1mm，即流场板表面槽宽1mm，脊宽0.6mm；③波浪形截面方程是0.1*cos(x)，流道槽最大深度0.4mm，最小深度0.2mm；

步骤3.设计与步骤2中流场槽和流场脊位置相反的流场板图纸；

步骤4.基于步骤2和3中的设计，分别加工相应的冲压模具；

步骤5.分别使用步骤4中的模具将步骤1中的金属板材进行冲压成型；

步骤6.使用基于步骤2和步骤3冲压出来的两个单极板，在波谷位置以啮合的形式结合，获得啮合式超薄型金属双极板。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：

技术总结
一种燃料电池用啮合式超薄金属双极板，包括两块金属单级板（1），金属单级板上具有多条下凹的流道（2），流道作为流场槽，相邻流道之间的部分为流场脊，流道沿宽度方向的截面为梯形、沿长度方向的截面为波浪形，一个单级板的流场脊插入到另一单级板的流场槽内，两块金属单级板在波浪形的波谷处啮合。该金属双极板通过“梯形波浪”的流场设计，一方面可以实现燃料气体的三维传输，另一方面通过“梯形波浪”流场的“波谷”处实现两个单级板之间的啮合式结合，第三利用波浪形流场的“波峰”处可在双极板的中空部分形成冷却液的流场。通过本啮合式金属双极板的设计，可以进一步减薄双极板的厚度，实现超薄金属双极板的设计成型，且同时保留冷却液或冷却气体的流场。

技术研发人员：王树博;谢晓峰
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2018.03.16
技术公布日：2019.04.16