一种氢燃料电池用双极板的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池设计制造技术领域，具体而言，涉及一种氢燃料电池用双极板。


背景技术：

2.氢燃料电池是利用氢氧经催化剂化学反应，产生电与水的一种环保且输出功率可控的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和催化剂发生反应后，放出负电子通过外部的负载到达阴极。作为新型动力源，氢燃料电池具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作等特点，并且具有功率密度高、工作温度低、启动快、使用寿命长等优点，因此，在固定电站、电动汽车、军事、可移动电源等方面都具有广阔的应用前景。
3.双极板材料是燃料电池的核心部件，其性能直接影响电堆的工作效率、寿命和成本。双极板占据了氢燃料电池成本的20％～35％，其不仅作为连接电池组导电作用，而且要分隔反应气体与冷却水，设计的流道使冷却水能带走电池工作中产生的热量，更需要流道气体有利于膜电极的气体扩散能力。双极板的材料种类多样，其中，石墨板具有优良的导电性和抗腐蚀性。但是在工作过程中，石墨板容易吸收气体中含有的水分造成膨胀率高的结果，大大影响了双极板的初始工作效率，同时增大了破坏质子膜的概率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种氢燃料电池用双极板，其通过在多孔石墨板间隙内填充氟素填缝材料，减少石墨板对水分的吸收，降低膨胀率，防止在受限空间内因膨胀压强过大而造成石墨板破碎，极大程度上提高初始工作效率及避免损坏质子膜。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.一种氢燃料电池用双极板，其包括多孔石墨板间隙内填充有氟素填缝材料的阳极板和阴极板，阳极板的正面上设有阳极流场，阴极板的正面上设有阴极流场，且阳极板的背面和阴极板的背面耦合形成冷却流场；
7.阳极板的两端分别在宽度方向上依次设置有3个阳极板歧口，阳极板歧口和阳极流场之间设置有阳极流场扩散区，阳极板歧口包括对角线设置的第一阳极歧口和第二阳极歧口，第一阳极歧口和第二阳极歧口分别通过氢气进气口和氢气出气口连通至阳极流场扩散区；第二阳极歧口低于阳极流场，阳极流场的凹槽与冷却流场的凹槽偏位设置；
8.阴极板的两端分别在宽度方向上依次设置有3个阴极板歧口，阴极板歧口和阴极流场之间设置有阴极流场扩散区，阴极板歧口包括对角线设置的第一阴极歧口和第二阴极歧口，第一阴极歧口和第二阴极歧口分别通过氧气进气口和氧气出气口连通至阴极流场扩散区；第二阴极歧口低于阴极流场，阴极流场的凹槽与冷却流场的凹槽偏位设置；
9.阳极板和阴极板背面耦合时，第一阳极歧口和第二阳极歧口形成第一连线，第一阴极歧口和第二阴极歧口形成第二连线，第一连线和第二连线交叉设置；阳极板歧口与阴
极板歧口镜像设置。
10.在本发明较佳的实施例中，上述设置在中间的两个阴极板歧口和两个阳极板歧口分别一一对应且耦合为冷凝水进口和冷凝水出口。
11.在本发明较佳的实施例中，上述冷凝水出口低于冷却流场的流道。
12.在本发明较佳的实施例中，上述阳极流场扩散区和阴极流场扩散区包括阵列分布的导流凸起。
13.在本发明较佳的实施例中，上述阴极板歧口和阳极板歧口通过冷却流场扩散区连通至冷却流场，冷却流场扩散区包括靠近冷却流场且阵列分布的导流凸起和远离冷却流场且在长度方向上延伸的导流槽。
14.在本发明较佳的实施例中，上述阳极板的正面和阴极板的正面具有防震动区，防震动区比基准平面高出碳纸压缩厚度。
15.在本发明较佳的实施例中，上述碳纸压缩厚度为0.1mm
‑
0.17mm。
16.在本发明较佳的实施例中，上述氟素填缝材料的耐受温度范围为零下35℃
‑
260℃。
17.本发明实施例的有益效果是：
18.(1)阳极板和阴极板的多孔石墨板间隙内填充有氟素填缝材料，使得本发明的氢燃料电池用双极极具有疏水性、不易吸收水份，进而降低澎胀率，保证精度。因初阶工作中，气体所含水份不易被双极板吸收，防止在受限空间内因膨胀压强过大而造成石墨板破碎，极大程度上提高了整个电池的初始工作效率，并防止电池在初阶工作中因干渴而损坏质子膜。
19.(2)上述阴极流场的凹槽与冷却流场的凹槽偏位设置。阳极流场的凹槽与冷却流场的凹槽偏位设置。可以使整个电极板的厚度做到最薄，并且在保证强度的情况下，不会渗漏。
20.(3)冷凝水出口低于流道，使水流不需要气体压力也能靠自身重力流入汇流出口排出堆内，避免因水位太高造成堆内流道因排水不及时而堵塞。
21.(4)阳极板和阴极板耦合形成立体形结构双极板，有利于膜电极与双极板装配后形成零间隙而形成一体，避免组堆时存在间隙，压堆受力不平衡，造成局部破损，也因多个双极板装堆后整个电池堆无间隙，增强防震性能，膜电极贴合无间隙也能确保因进气气流与电堆震动产生的高低频气流，因而膜电极不破损或开裂。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为本发明实施例阳极板正面的结构示意图；
24.图2为图1中a处的放大示意图；
25.图3为本发明实施例阳极板背面的结构示意图；
26.图4为图3中b处的放大示意图；
27.图5为本发明实施例阴极板正面的结构示意图；
28.图6为本发明实施例阴极板背面的结构示意图；
29.图7为图6中c处的放大示意图；
30.图8为本发明实施例阴极板和阳极板耦合时的结构示意图；
31.图9为本发明实施例阳极板正面的另一结构示意图；
32.图10为本发明实施例阴极板正面的另一结构示意图。
33.图标：110
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阳极板；120
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阴极板；111
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阳极流场；121
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阴极流场；130
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冷却流场；112
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阳极流场扩散区；113
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第一阳极歧口；114
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第二阳极歧口；1131
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氢气进气口；1141
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氢气出气口；122
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阴极流场扩散区；123
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第一阴极歧口；124
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第二阴极歧口；1231
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氧气进气口；1241
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氧气出气口；115
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第一连线；125
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第二连线；131
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冷凝水进口；132
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冷凝水出口；133
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冷却流场扩散区；140
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导流凸起；150
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导流结构；160
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凹槽；170
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防震动区。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
35.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.实施例
40.请参照图1
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图7，本实施例提供一种氢燃料电池用双极板，其包括阳极板110和阴极板120。上述阳极板110和阴极板120的多孔石墨板间隙内填充有氟素填缝材料(图中未示出)。上述氟素填缝材料可以使双极极具有疏水性，使双极板不吸收水份，而降低澎胀率，防止在受限空间内因膨胀压强过大而造成石墨板破碎，保证精度。因初阶工作中，气体所含水份不昜被双极板吸收，极大程度上提高初始工作效率及保护电池初阶工作中避免干渴而损坏质子膜。并且，上述氟素填缝材料的耐受温度范围为零下35℃
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260℃，能够有效避免材料低温收缩率与母材不一致，导致的低温环境时氢气泄漏，高温时材料碳化或老化的风险。上述阳极板110的正面上设有阳极流场111。阴极板120的正面上设有阴极流场121。并且，阳极
板110的背面和阴极板120的背面耦合形成冷却流场130。
41.请参照图1
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图4，阳极板110的两端分别在宽度方向上依次设置有3个阳极板110歧口。阳极板110歧口和阳极流场111之间设置有阳极流场扩散区112。阳极板110歧口包括对角线设置的第一阳极歧口113和第二阳极歧口114。上述第一阳极歧口113和第二阳极歧口114分别通过氢气进气口1131和氢气出气口1141连通至阳极流场扩散区112。第二阳极歧口114低于阳极流场111，有利于燃料电池工作中产生的水因自由落差而排出。
42.请参照图5
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图7，阴极板120的两端分别在宽度方向上依次设置有3个阴极板120歧口。阴极板120歧口和阴极流场121之间设置有阴极流场扩散区122。阴极板120歧口包括对角线设置的第一阴极歧口123和第二阴极歧口124。第一阴极歧口123和第二阴极歧口124分别通过氧气进气口1231和氧气出气口1241连通至所述阴极流场扩散区122。第二阴极歧口124低于阴极流场121，有利于燃料电池工作中产生的水因自由落差而排出。
43.请继续参照图1和图5，上述阳极板110和阴极板120背面耦合时。第一阳极歧口113和第二阳极歧口114形成第一连线115。第一阴极歧口123和第二阴极歧口124形成第二连线125。上述第一连线115和第二连线125交叉设置。请参考图3、图4、图6
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图8，阳极板110的阳极流场111的凹槽160和冷却流场130的凹槽160偏位设置。阴极板120的阴极流场121的凹槽160和冷却流场130的凹槽160也偏位设置。上述偏位设置，可以使整个电极板的厚度做到最薄，并且在保证强度的情况下，不会渗漏。阳极板110歧口与阴极板120歧口镜像设置。设置在中间的两个阴极板120歧口和两个阳极板110歧口分别一一对应且耦合成两组歧口，每组包含镜像设置的一个阴极板120歧口和一个阳极板110歧口。上述两组歧口分别为冷凝水进口131和冷凝水出口132。其中，冷凝水出口132低于冷却流场130的流道。冷凝水出口132低于流道，使水流不需要气体压力也能靠自身重力流入汇流出口排出堆内，避免因水位太高造成堆内流道因排水不及时而堵塞。
44.在实际的使用过程中，阳极板110和阴极板120背面耦合形成立体形结构的氢燃料电池用双极板，多组氢燃料电池用双极板串联设置并堆叠，有利于膜电极与双极板装配后形成零间隙而形成一体，避免组堆时存在间隙，压堆受力不平衡，造成局部破损，也因多个双极板装堆后整个电池堆无间隙，增强防震性能，膜电极贴合无间隙也能确保因进气气流与电堆震动产生的高低频气流，因而膜电极不破损或开裂。
45.需要说明的是，在本实施例中，请参照阳极流场扩散区112和阴极流场扩散区122包括阵列分布的导流凸起140。在其他实施例中，也可以是其他形式的导流结构150，只要能够实现本实施例的导流效果，都在本实施例的保护范围中。
46.请参照图3、图4、图6和图7在阳极板110和阴极板120的背面，阴极板120歧口和阳极板110歧口通过冷却流场扩散区133连通至冷却流场130。上述冷却流场扩散区133包括依次连接的导流凸起140和导流槽。其中，导流凸起140靠近冷却流场130且阵列分布。导流槽远离冷却流场130且在长度方向上延伸。在本实施例中，冷却流场扩散区133包括导流凸起140和导流槽。在其他实施例中，也可以是其他形式的导流结构150，只要能够实现本实施例导流的技术效果，都在本实施例的保护范围中。
47.请参照图9和图10，需要进一步说明的是，在本实施例中，阳极板110的正面和阴极板120的正面具有防震动区170(图中黑色填充)，上述防震动区170比基准平面高出碳纸压缩厚度。上述设置使得膜电极支撑柜板不震动，从而能够防止膜电极机械破坏，并防止膜电
极破裂后串气。具体的，在本实施例中，碳纸压缩厚度为0.1mm
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0.17mm，压缩率为85％左右。
48.综上所述，本发明涉及一种氢燃料电池用双极板，上述氢燃料电池用双极板的阳极板和阴极板的多孔石墨板间隙内填充有氟素填缝材料，使得本发明的氢燃料电池用双极极具有疏水性、不易吸收水份，进而降低澎胀率，保证精度。因初阶工作中，气体所含水份不易被双极板吸收，防止在受限空间内因膨胀压强过大而造成石墨板破碎，极大程度上提高了整个电池的初始工作效率，并防止电池在初阶工作中因干渴而损坏质子膜。上述阴极流场、冷却流场和阳极流场的凹槽之间的偏位设置，可以使整个电双极板的厚度做到最薄，并且在保证强度的情况下，不会渗漏。冷凝水出口低于流道，使水流不需要气体压力也能靠自身重力流入汇流出口排出堆内，避免因水位太高造成堆内流道因排水不及时而堵塞。阳极板和阴极板耦合形成立体形结构双极板，有利于膜电极与双极板装配后形成零间隙而形成一体，避免组堆时存在间隙，压堆受力不平衡，造成局部破损，也因多个双极板装堆后整个电池堆无间隙，增强防震性能，膜电极贴合无间隙也能确保因进气气流与电堆震动产生的高低频气流，因而膜电极不破损或开裂。
49.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。