一种质子交换膜燃料电池金属双极板的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池金属双极板。

背景技术：

燃料电池是一种能量转化装置，通过电化学反应将贮存在燃料气体和氧化剂气体中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高，环境污染少的优点，有着广泛的应用前景。

通常燃料电池具有将多个单电池层叠而成的堆叠结构，行业统称其为燃料电池堆栈。各单电池具有如下构造：膜电极(mea：membrane-electrodeassembly)与双极板，在两者之间形成有沿膜电极表面供给燃料气体和氧化剂气体的流场。燃料气体和氧化剂气体从设置在双极板一端的入口歧管流经膜电极的表面，朝向设置在与入口歧管相对的另一端上的出口歧管流动。向构成单电池mea的阳极电极表面供给燃料气体并向另一方阴极电极表面供给氧化剂气体，mea的阳极电极发生氧化反应，mea的阴极电极发还原反应，阳极与阴极都涂覆有促进电化学反应的催化剂，质子穿过质子交换膜由阳极到达阴极，质子交换膜只能传递质子，电子通过双极板传递经过外部负载而产生电力，其工作原理如下：

阳极：h2→2h⁺+2e^-

阴极：1/2o2+h⁺+2e^-→h2o

电池反应：h2+1/2o2→h2o

双极板作为燃料电池的堆栈的核心部件之一，担当着隔离燃料气体、氧化剂气体和冷却液的作用，同时双极板上的流场有气体分配、膜电极组件支撑、收集电子和传导热量等重要作用。气体沿膜电极表面均匀分配至关重要，局部缺气将会导致电化学反应不均匀，出现局部过热甚至烧穿质子交换膜导致燃料电池堆栈损坏。为保证燃料电池能高效稳定运行，需要保持膜电极温度分布均匀，局部温度过高会导致膜电极脱水，降低质子传递效率，影响燃料电池性能。而局部温度过低容易造成液态水增多堵塞流道，进而导致气体分配不均匀，影响燃料电池寿命。所以优化双极板流场设计对燃料电池堆栈的性能和寿命极其重要。

技术实现要素：

本发明鉴于上述情况而设计，其目的在于提供一种能够均匀分配气体和均匀传导热量的金属双极板。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种质子交换膜燃料电池金属双极板(下文简称“双极板”)包括：阳极板和阴极板，阳极板面向膜电极一侧表面有拉伸成型的阳极流场，阴极板面向膜电极一侧表面有拉伸成型的阴极流场，阳极板与阴极板背向膜电极一侧表面有被动成型流场，阳极板与阴极板通过焊接或者粘接合并在一起，在双极板内部形成冷却剂流场。

双极板上拉伸成型的流场包括：入口分配区、内部流道区和出口分配区。

双极板沿气体流场平面两端分别设置有燃料气体入口歧管和出口歧管，氧化剂气体入口歧管和出口歧管，双极板沿冷却剂流场平面两端分别设置有冷却剂入口歧管和出口歧管。燃料气体歧管、氧化剂气体歧管与冷却剂歧管在双极板厚度方向上贯穿双极板，通过设置在入口歧管与入口分配区之间的入口通道和设置在出口歧管与出口分配区之间的出口通道，向内部流道区供给和排出燃料气体、氧化剂气体和冷却剂，同时排出电化学反应生成的水、热和废气。其中燃料气体和氧化剂气体交叉相向流动。

其中燃料气体入口分配区和出口分配区与氧化剂气体入口分配区和出口分配区设置有不同的分配结构，燃料气体内部流道区和氧化剂气体内部流道区设置有相同的流道结构，但是彼此交错排布。

其中燃料气体内部流道区和氧化剂气体内部流道区为膜电极提供交叉网状支撑。

其中冷却剂内部流场区冷却剂流道成立体交叉分布，冷却剂流动方向与氧化剂气体流动方向一致。

双极板外缘均匀分布有4个电压采集接口，适用燃料电池多样的放置方式。

双极板外缘两端设置有至少两个定位豁口，且定位豁口成轴对称分布。

本申请具有的优点和积极效果是：双极板分配区流场结构能均匀分配燃料气体、氧化剂气体和冷却剂。双极板内部流场区的波浪形流道能有效解决反应生成的液态水堵塞流道，同时阳极板与阴极板内部流道区组合形成的网状流场结构能为膜电极提供均匀的支撑。被动成型的冷却剂流场具有立体交叉结构，可是实现有效的散热和热量分配。以上优点和积极效果均能提升燃料电池的性能和寿命。

除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本申请所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征所带来的优点，将在下文中结合附图作进一步详细的说明。

附图说明

用以下附图对本发明实施案例进行说明，附图中相同标号用于表示相同的元件，如下：

图1是本申请实施例提供的燃料电池堆栈结构的概略立体图；

图2是本申请实施例提供的单电池与双极板的分解视图；

图3是本申请实施例提供的阳极板面向膜电极一侧表面正视图；

图4是本申请实施例提供的阴极板面向膜电极一侧表面正视图；

图5是本申请实施例提供的冷却剂流道示意图；

图6是本申请实施例提供的图5中冷却剂流道局部c放大示意图。

标号说明：

10-燃料电池堆栈

12-单电池

14-紧固杆

15-堆叠体

16a-第一端绝缘板

16b-第二端绝缘板

18a-第一端端板

18b-第二端端板

20-双极板

22-阳极板

24-阴极板

26-冷却剂流道

28-膜电极

32a-氧化剂气体入口歧管

32b-氧化剂气体出口歧管

34a-燃料气体入口歧管

34b-燃料气体出口歧管

36a-冷却剂入口歧管

36b-冷却剂出口歧管

40-定位豁口

42-电压采集接口

52a-燃料气体入口通道

52b-燃料气体出口通道

54a-燃料气体入口分配区

54b-燃料气体出口分配区

56-燃料气体内部流道区

58-圆形凸起

59-矩形凸起

62a-氧化剂气体入口通道

62b-氧化剂气体出口通道

64a-氧化剂气体入口分配区

64b-氧化剂气体出口分配区

66-氧化剂气体内部流道区

68-导流凸起

72a-冷却剂入口通道

72b-冷却剂出口通道

74a-冷却剂入口分配区

74b-冷却剂出口分配区

76-冷却剂内部流道区

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

实施例：

请参考图1-图6，本实施例提供一种质子交换膜燃料电池金属双极板。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的燃料电池堆栈10结构的概略立体图。所述燃料电池堆栈10包括：若干个单电池12和紧固杆14、第一端绝缘板16a和第二端绝缘板16b、第一端端板18a和第二端端板18b。所述若干个单电池12沿z方向(堆叠方向)堆叠构成堆叠体15，所述第一端绝缘板16a设置于堆叠体15的一端，所述第二端绝缘板16b设置于堆叠体15的另一端。所述第一端端板设置于第一端绝缘板外侧，所述第二端端板设置于第二端绝缘板外侧。所述若干紧固杆14设置在第一端端板18a和第二端端板18b之间，将被施加夹紧力的第一端板端板18a和第二端端板18b固定，由此形成完整的燃料电池堆栈10。

请参照图2，图2为本发明实施例提供的单电池12与双极板20的分解视图。

其中，所述双极板20包括在z方向上相对放置的阳极板22和阴极板24，阳极板22和阴极板24均是由薄金属板冲压成型，从而形成脊和槽间隔排布的流场造型。所述薄金属板可以是不锈钢板、钛板或铝板等。所述薄金属板厚度可以为0.05mm、0.07mm、0.1mm或0.12mm等。

进一步的，所述阳极板22和阴极板24通过焊接或粘接的方式合并在一起。

请进一步参考图2，所述单电池12包括：阳极板22、膜电极28和阴极板24，所述膜电极28夹在阳极板22与阴极板24之间。

所述阳极板22面向膜电极28一侧表面设置有阳极流场，所述阴极板24面向膜电极28一侧表面设置有阴极流场，所述阳极板22和阴极板24合并后在背向膜电极28一侧表面设置有冷却剂流场。

所述单电池12上一端设置有氧化剂气体入口歧管32a、燃料气体入口歧管34a和冷却剂入口歧管36a，并沿z方向通过每个单电池12延伸。通过氧化剂气体入口歧管32a供应氧化剂气体，例如空气或者氧气。通过燃料气体入口歧管34a供应燃料气体，例如氢气。通过冷却剂入口歧管36a供应冷却剂，例如去离子水或者乙二醇。

所述单电池12上另一端设置有氧化剂气体出口歧管32b、燃料气体出口歧管34b和冷却剂出口歧管36b，并沿z方向通过每个单电池12延伸。通过氧化剂气体出口歧管32b排放氧化剂气体和反应生成的水。通过燃料气体出口歧管34b排放燃料气体。通过冷却剂出口歧管36b排放冷却剂。

请参照图2和图3，图3是本发明实施例提供的阳极板22面向膜电极28一侧表面正视图。其中，所述阳极板22面向膜电极28一侧表面上依次设置有燃料气体入口通道52a、燃料气体入口分配区54a、燃料气体内部流道区56、燃料气体出口分配区54b和燃料气体出口通道52b。燃料气体入口歧管34a提供的燃料气体通过燃料气体入口通道52a流入燃料气体入口分配区54a，燃料气体通过再分配均匀流入燃料气体内部流道区56，经过电化学反应剩余的燃料气体流入燃料气体出口分配区54b，通过与燃料气体出口歧管34b连接的燃料气体出口通道52b排出。

进一步的，所述燃料气体入口分配区54a与所述燃料气体出口分配区54b设置有圆形凸起58和矩形凸起59搭配的分配结构，可以使燃料气体更均匀的分配到燃料气体内部流道区56。其中，所述圆形凸起58和矩形凸起59成型高度相同且大于燃料气体内部流道区56流道高度。

进一步的，所述燃料气体内部流道区56由若干条并排的波浪形流道组成，波浪形流道沿y方向延伸并展现出周期性，波峰和波谷沿x方向延伸。这种结构能实现燃料气体在流道内的扰动打破层流的限制，有效提高燃料气体分配的均匀性。

请参照图2和图4，图4是本发明实施例提供的阴极板24面向膜电极28一侧表面正视图。其中，所述阴极板24面向膜电极28一侧表面上依次设置有氧化剂气体入口通道62a、氧化剂气体入口分配区64a、氧化剂气体内部流道区66、氧化剂气体出口分配区64b和氧化剂气体出口通道62b。氧化剂气体入口歧管32a提供的氧化剂气体通过氧化剂气体入口通道62a流入氧化剂气体入口分配区64a，氧化剂气体通过再分配均匀流入氧化剂气体内部流道区66，经过电化学反应剩余的氧化剂气体和反应产生的水流入氧化剂气体出口分配区64b，通过与氧化剂气体出口歧管32b连接的氧化剂气体出口通道62b排出。

进一步的，所述氧化剂气体入口分配区64a与所示氧化剂气体出口分配区64b设置有间距均匀的导流凸起68，且导流凸起68与氧化剂气体内部流道区66直接连接，可以使氧化剂气体均匀流入氧化剂气体内部流道区66，降低氧化剂气体内部流道区66入口与出口压力降，促进电化学反应产物水的排出。其中，所述导流凸起68成型高度大于氧化剂气体内部流道区66流道高度。

进一步的，所述氧化剂气体内部流道区66由若干条并排的波浪形流道组成，波浪形流道沿y方向延伸并展现出周期性，波峰沿x方向延伸。这种结构能实现氧化剂气体在流道内的扰动打破层流的限制，有效提高氧化剂气体分配的均匀性，由于扰动的作用反应生成的液态水不易堵塞流道。

请参照图5，图5是本发明实施例提供的冷却剂流道26示意图。所述阳极板22背向膜电极28一侧表面与所述阴极板24背向膜电极28一侧表面合并一起组成冷却剂流道26。

其中，所述冷却剂流道26上依次设置有冷却剂入口通道72a、冷却剂入口分配区74a、冷却剂内部流道区76、冷却剂出口分配区74b和冷却剂出口通道72b。冷却剂入口歧管36a提供的冷却剂通过冷却剂入口通道72a流入冷却剂入口分配区74a，冷却剂通过再分配均匀流入冷却剂内部流道区76，经过热交换的冷却剂流入冷却剂出口分配区74b，通过与冷却剂出口歧管36b连接的冷却剂出口通道72b排出。

请参照图6，图6是本申请实施例提供的图5中冷却剂流道26的局部c放大示意图。其中，所述冷却剂内部流道区76流场由若干条并排的波浪形流道组成，波浪形流道沿y方向延伸并展现出周期性，波峰和波谷沿x方向延伸。所述阳极板22背向膜电极28一侧表面设置的波浪形流道与所述阴极板24背向膜电极28一侧表面设置的波浪形流道沿z方向叠加在一起，波浪周期和波峰交错分布。这种立体交叉结构能实现流道之间冷却剂的扰动与交换，提高换热效率和热传递的均匀性。

进一步的，所述单电池12上氧化剂气体与燃料气体反向流动，冷却剂与氧化剂气体同向流动。

进一步的，所述燃料气体内部流道区56与所述氧化剂气体内部流道区66波浪形流道周期和波峰相同，且波峰和波谷交错分布。这种交叉的网状结构能为膜电极28提供均匀的支撑。

进一步的，所述双极板20上设置有对称分布的4个电压采集接口42，并且沿双极板20外缘均匀排布。

进一步的，所述双极板20外缘两端设置有至少两个定位豁口40，且定位豁口40成轴对称分布。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。