质子交换膜燃料电池薄金属双极板的制作方法

专利名称:质子交换膜燃料电池薄金属双极板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池部件，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池薄金属双极板。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells，PEMFC)以氢和氧为原料，直接产生电能，能量转化效率高(40-60％)、绿色环保，是内燃机动力装置的理想替代动力源，同时还是理想的可移动电源、家庭电源和分散电站。通常，质子交换膜燃料电池由若干组单元电池组装而成。每个单元电池又由膜电极组件、双极板和密封元件组成。膜电极组件和密封元件的批量制造技术已成熟，双极板的设计、制造技术尚在发展和完善中。双极板作为质子交换膜燃料电池的一个重要组成部分，应具有以下三个方面功能(1)流体分布。将燃料与氧化剂分别输送到阳极和阴极的催化剂层进行反应，未反应的氧化剂将阴极反应生成的水通过流场板带出，以防止阴极遭水淹；(2)机械支撑。支撑膜电极以使燃料及氧化剂可在制定压力下进行反应；(3)集流。串联单电池形成电流通路。为了实现上述功能，质子交换膜燃料电池双极板应具有以下性能(1)良好的导电性。双极板必须具有尽可能小的电阻以确保电池性能；(2)良好的化学稳定性和耐腐蚀性能。双极板被腐蚀后表面电阻增大，进而使电池性能下降，故流场板必须是耐腐蚀材料；(3)良好的导热性。使各反应区温度均匀，提高电极效率；(4)良好的气密性。气密性好是防止在电池堆中阴、阳极气体透过流场板直接反应，降低电池堆的性能甚至发生危险；(5)机械强度高。质轻，体积小，容易加工。流场板质轻和体积小可使燃料电池的质量比功率和体积比功率变大，而容易加工则可提高生产效率，大大降低电池的成本；(6)均匀分布流体。流体均匀分布可使燃料和氧化剂均匀到达催化剂层，有利于充分利用催化剂，从而大大提高燃料电池的性能。
现有技术中，质子交换膜燃料电池双极板的材质主要采用石墨板和金属板。其中，石墨双极板能满足燃料电池的性能要求，但石墨双极板的制造成本高，占电池堆总成本的60％以上，导致质子交换膜燃料电池总成本偏高，这已成为阻碍燃料电池商品化的主要原因。金属双极板具有强度高、制造成本低的优点，是双极板技术的发展趋势，是制造低成本、高性能质子交换膜燃料电池的有效技术途径。例如中国发明专利申请公告号为CN1787261，
公开日为2006年6月14日，公开了《一种冲压金属双极板结构及其制备方法》，它由两块金属薄板冲压加工并组装而成，流场沟槽和流场凸台交错排布，双极板正反对称，正面的流场沟槽为背面的流场凸台，正面的流场凸台为背面的流场沟槽，该金属双极板的刚度较差。因此，实现质子交换膜燃料电池商品化的关键是低成本、高性能、高强度双极板的批量制造技术。

发明内容本发明为解决现有技术中金属双极板强度较差的技术问题，提供一种能满足质子交换膜燃料电池功能与性能要求、设计合理、成本低廉的适于工业化大批量制造的质子交换膜燃料电池薄金属双极板。
为了解决上述技术问题，本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板予以实施的技术方案是它由阳极流场板、阴极流场板和支撑板组成，所述阳极流场板的流场形式为单通道蛇行流场，所述阴极流场板的氧化剂分配管道为开放性沟槽，所述阳、阴极流场板成形后进行良电导耐腐涂层处理；所述阳极流场板的通道沟槽的横截面为半圆形，所述开放性沟槽的横截面为正方形或半圆形；所述两个流场板之间设置有支撑板，所述支撑板的厚度为两个流场板上沟槽深度之和，所述两个流场板上沟槽的位置为相互正交，所述两个流场板的沟槽分别背向支撑板，所述两个流场板的背面接触，所述支撑板与所述阴极流场板接触的一面设置沟槽，所述沟槽与所述阴极流场板上的氧化剂分配管道沟槽一致。
本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板，所述通道沟槽的半径为0.75mm。所述正方形开放性沟槽的边长为1.5mm。所述半圆形开放性沟槽的半径为0.75mm。所述两个流场板由不锈钢薄板冲压而成，所述支撑板由轻质铝合金切削加工而成。所述两个流场板的厚度为0.1-0.2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是由于本发明在薄金属双极板之间设置了支撑板结构，因此，在金属双极板厚度相同的情况下，大大增强了薄金属双极板的刚度。
图1-1是本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板中阳极流场板结构图；图1-2是图1-1中A-A剖切位置的局部放大剖面图；图1-3是图1-1中B-B剖切位置的局部放大剖面图；图2-1是本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板中阴极流场板结构图；图2-2是图2-1所示阴极流场板的主视图；图3-1是本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板中支撑板结构图；图3-2是图3-1所示支撑板的主视图；图4-1是本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板组装俯视图；图4-2是图4-1所示双极板组装主视图。
下面是中主要部位附图标记的说明10——阳极流场板20——阴极流场板30——支撑板11、21、31——螺栓孔12——燃料气体入口孔13——密封圈凹槽14、24——气体分配管道校准孔15——燃料气体流场凹槽22——燃料气体管道过孔23——空气流场凹槽33——沟槽34——校准孔
具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如附图所示，本发明质子交换膜燃料电池薄金属双极板由阳极流场板10、阴极流场板20和支撑板30组成，如图1-1、图1-2和图1-3所示，所述阳极流场板10的流场形式为单通道蛇行流场，作为燃料气体分配管道15的流场通道沟槽的横截面为半圆形，其半径为0.75mm，在燃料气体分配管道15一头的端部为燃料气体入口12，位于流场通道沟槽外围设置有密封圈凹槽13，所述阳极流场板10由不锈钢薄板冲压而成，其厚度为0.1-0.2mm，不锈钢薄板成形后进行良电导耐腐涂层处理；如图2-1和图2-2所示，针对燃料电池使用空气作为氧化剂的情况，将所述阴极流场板20的氧化剂分配管道设计成开放性沟槽，所述开放性沟槽的横截面为正方形或半圆形，若为正方形，其边长最好为1.5mm，若为半圆形，其半径最好为0.75mm，所述阴极流场板20由不锈钢薄板冲压而成，其厚度为0.1-0.2mm，不锈钢薄板成形后进行良电导耐腐涂层处理；由于阳极和阴极流场板是冲压制成的，并且板材比较薄，因此，如图4-1和图4-2所示，在金属双极板之间设置支撑板30，并依靠各板上的螺栓孔11、21、31，将阳极流场板10和阴极流场板20组装为一体。如图3-1和图3-2所示，所述支撑板30为中空结构，由轻质铝合金切削加工而成，其厚度为阴极和阳极流场板上沟槽深度之和，所述支撑板30与所述阴极流场板20接触的一面设置沟槽33，所述沟槽33与所述阴极流场板上的氧化剂分配管道沟槽23一致。组装时，在阳极流场板10的密封圈凹槽13中放置密封圈后，所述支撑板30位于所述阳极流场板10和所述阴极流场板20之间，所述阳极流场板10与阴极流场板20的沟槽分别背向支撑板30，所述两个流场板的背面接触，所述两个流场板上沟槽的位置为相互正交。这样可以使得双极板的薄金属流场板具有足够的刚度，以适应燃料电池组装载荷。另外，在组装时，要根据双极板上的气体分配管道校准孔14、24将阴极流场板上的燃料气体入口孔12和阳极流场板上的燃料气体管道过孔22对准。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求
所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池薄金属双极板，包括阳极流场板和阴极流场板，所述阳极流场板的流场形式为单通道蛇行流场，所述阴极流场板的氧化剂分配管道为开放性沟槽，所述阳、阴极流场板成形后进行良电导耐腐涂层处理；其特征在于所述阳极流场板的通道沟槽的横截面为半圆形，所述开放性沟槽的横截面为正方形或半圆形；所述两个流场板之间设置有支撑板，所述支撑板的厚度为两个流场板上沟槽深度之和，所述两个流场板上沟槽的位置为相互正交，所述两个流场板的沟槽分别背向支撑板，所述两个流场板的背面接触，所述支撑板与所述阴极流场板接触的一面设置沟槽，所述沟槽与所述阴极流场板上的氧化剂分配管道沟槽一致。
2.根据权利要求
1所述质子交换膜燃料电池薄金属双极板，其特征在于所述通道沟槽的半径为0.75mm。
3.根据权利要求
1所述质子交换膜燃料电池薄金属双极板，其特征在于所述正方形开放性沟槽的边长为1.5mm。
4.根据权利要求
1所述质子交换膜燃料电池薄金属双极板，其特征在于所述半圆形开放性沟槽的半径为0.75mm。
5.根据权利要求
1所述质子交换膜燃料电池薄金属双极板，其特征在于所述两个流场板由不锈钢薄板冲压而成，所述支撑板由轻质铝合金切削加工而成。
6.根据权利要求
5所述质子交换膜燃料电池薄金属双极板，其特征在于所述两个流场板的厚度为0.1-0.2mm。
专利摘要
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池薄金属双极板，由阳极流场板、阴极流场板和两个流场板之间的支撑板组成，阳极流场板的流场形式为单通道蛇型流场，阳极流场板的通道沟槽的横截面为半圆形；阴极流场板的氧化剂分配管道为开放性沟槽，开放性沟槽的横截面为正方形或半圆形；所述两个流场板由0.1－0.2mm厚的不锈钢薄板冲压而成，成形后进行良电导耐腐涂层处理；支撑板的厚度为两个流场板上沟槽深度之和，支撑板的一面设置有与阴极流场板上沟槽一致的沟槽，支撑板由轻质铝合金切削加工而成，两个流场板上沟槽的位置为相互正交，两个流场板的沟槽分别背向支撑板，两个流场板的背面接触。本发明在金属双极板厚度相同的情况下，可以大大增强薄金属双极板的刚度。
文档编号H01M8/02GK1996647SQ200710056414
公开日2007年7月11日 申请日期2007年1月5日
发明者张连洪, 王树新, 李茂春 申请人:天津大学