一种燃料电池的金属极板及电堆

本发明涉及燃料电池，具体而言，涉及一种燃料电池金属极板及电堆。

背景技术：

1、燃料电池是将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置，其中质子交换膜燃料电池是目前最有希望产业化的燃料电池。燃料电池的电堆是其核心部件，电堆由多个单电池堆叠而成，每个单电池包括一金属阴极板、一膜电极和一金属阳极板。

2、金属极板包括流场区和流体进出区，流场区整体呈波浪状态，单电池组装后，流体进出区可能处于悬空状态，这类悬空部分的尺寸是随机的，因此电堆的装配公差难以预测，进而导致以下三个问题：

3、（1）悬空公差会使设计图纸与实际状态不一致，核心导电面处气体扩散层与极板间接触不紧密，此时只能加大封装力强行弥合悬空带，但由于极板呈波浪形，使得本来已经接触部位的膜电极（核心发电部位）严重形变，致使电池性能和耐久性下降；

4、（2）悬空公差会导致装配力及大气量进气波动，产生的往复应力可达400mpa以上，超过常用金属的疲劳应力；电池运行过程中，由于存在悬空部位，流体进出区为无支撑的简支梁结构，因此进气部位会发生抖动，进而产生应力疲劳，导致裂纹产生，造成氢气漏气，影响电堆安全运行；

5、（3）悬空公差会导致金属极板各部位的贴合紧密程度不一致，致使面内流阻分布不一致，会有部分冷却液/反应气体进入后直接逃逸到出口，降低传热传质效果。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明需要解决的技术问题是如何消除单电池金属极板之间的悬空部位，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度。

2、为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池的金属极板，包括极板本体，所述极板本体包括流场区、流体进口区和流体出口区，所述流场区周围的极板本体的端面上设有凸起的弹性结构件，所述弹性结构件在所述极板本体上冲压成型。

3、本发明在金属极板的流场区周围设置冲压成型的弹性结构件，相邻金属极板装配时极板本体与弹性结构件接触，或者两块相邻金属极板的弹性结构件相互接触，通过弹性结构件的塑性形变和弹性形变调整极板形状，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使得气体扩散层不会被过度压缩，流场区的气体/冷却水分布更加均匀。

4、优选地，所述弹性结构件超出所述流场区的高度等于所述极板本体在装配压力下的平面度。弹性结构件略高于流场区，并且与装配压力下的平面度对应，保证弹性结构件能够填补可能出现的悬空部位。

5、优选地，所述极板本体的厚度为0.05-0.15mm，所述流场区的高度为0.2-0.5mm，所述弹性结构件的高度为0.3-0.7mm。弹性结构件的高度与流场区的高度和极板本体的厚度相关，根据常规金属极板在厚度方向的尺寸确认弹性结构件的高度。

6、优选地，所述弹性结构件的截面为轴对称图形。轴对称的弹性结构件承压能力强，其塑性形变和弹性形变可预测性高。

7、优选地，所述弹性结构件的截面图形呈双层台阶结构。这种结构的弹性结构件能够发生较大的弹性形变，弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度。

8、优选地，所述弹性结构件的截面图形包括一条顶边和两条斜边，所述顶边的两端分别与一所述斜边的顶端连接，所述斜边的底端与所述极板本体连接，所述斜边与所述顶边的之间夹角为钝角。这种弹性结构件的结构简单，成型容易，结构强度高，可以吸收振动，避免金属极板因应力疲劳产生裂纹，弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整。

9、优选地，所述弹性结构件的截面图形的所述斜边与所述顶边的之间夹角大于等于108°。考虑到金属材质的延展性，限定其拔模角在18°以上，保证弹性结构件具有足够的弹性和承压能力。

10、优选地，所述斜边在所述极板本体平面上的投影的长度为斜边宽幅，所述斜边宽幅是所述弹性结构件的高度的2.4-2.5倍。当高度固定时，弹性结构件存在最优性能结构，经优化计算，当斜边宽幅是高度的2.4-2.5倍时，弹性结构件的弹性域最优，可兼顾载荷与可吸收的尺寸公差。

11、优选地，所述弹性结构件的顶部设有弹性垫。在弹性结构件上设置弹性垫，可以进一步提高减振性能和密封性。

12、本发明还提供一种燃料电池的电堆，包括上述的金属极板。金属极板受压后，弹性结构件通过耦合的塑性形变与弹性形变调整极板形状，可以降低厚度方向公差链设计的复杂性，使得电堆组装力可预测、可设计。

13、相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

14、1、本发明在燃料电池的金属极板上设置了弹性结构件，用于填补原来可能出现悬空的位置，同时给予双方向的金属极板一定的弹性反力，弹性结构件可以吸收振动，避免金属极板因应力疲劳产生裂纹，从而保证燃料电池的安全。

15、2、设置弹性结构件可以吸收厚度方向因复杂薄板结构自身应力带来的不规则尺寸变化（翘曲），弹性结构件受力情况下可以使金属极板趋于平整，保证膜电极变形可控且可预测。

16、3、弹性结构件受压后可以通过耦合的塑性形变与弹性形变保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使流场区的气体/冷却水分布更加均匀，减少逃逸。

技术特征：

1.一种燃料电池的金属极板，其特征在于，包括极板本体(1)，所述极板本体(1)包括流场区(2)、流体进口区(3)和流体出口区(4)，所述流场区(2)周围的极板本体(1)的端面上设有凸起的弹性结构件(5)，所述弹性结构件(5)在所述极板本体(1)上冲压成型，所述弹性结构件(5)超出所述流场区(2)的高度等于所述极板本体(1)在装配压力下的平面度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述极板本体(1)的厚度为0.05-0.15mm，所述流场区(2)的高度为0.2-0.5mm，所述弹性结构件(5)的高度为0.3-0.7mm。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面为轴对称图形。

4.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形呈双层台阶结构。

5.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形包括一条顶边和两条斜边，所述顶边的两端分别与一所述斜边的顶端连接，所述斜边的底端与所述极板本体(1)连接，所述斜边与所述顶边的之间夹角为钝角。

6.根据权利要求5所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的截面图形的所述斜边与所述顶边的之间夹角大于等于108°。

7.根据权利要求6所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述斜边在所述极板本体(1)平面上的投影的长度为斜边宽幅，所述斜边宽幅是所述弹性结构件(5)的高度的2.4-2.5倍。

8.根据权利要求3所述的燃料电池的金属极板，其特征在于，所述弹性结构件(5)的顶部设有弹性垫(6)。

9.一种燃料电池的电堆，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的金属极板。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池的金属极板及电堆，金属极板包括极板本体，所述极板本体包括流场区、流体进口区和流体出口区，所述流场区周围的极板本体的端面上设有凸起的弹性结构件，所述弹性结构件在所述极板本体上冲压成型。本发明在金属极板的流场区周围设置冲压成型的弹性结构件，相邻金属极板装配时极板本体与弹性结构件接触，或者两块相邻金属极板的弹性结构件相互接触，通过弹性结构件的塑性形变和弹性形变调整极板形状，保证核心接触面以及流体进出区的面间接触性和平整度，使得气体扩散层不会被过度压缩，流场区的气体/冷却水分布更加均匀。

技术研发人员：李桦
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13