專利名稱：一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，具體為一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能通過電極上的電催化反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池主要由膜電極(MEA)和雙極板構(gòu)成；MEA是燃料電池的核心，雙極板是電池的重要組成部分，在燃料電池中起到收集電流、氣體分配以及水管理、熱管理的作用；雙極板的種類有很多種，通常采用的雙極板為機(jī)械加工石墨雙極板，技術(shù)比較成熟、但加工費(fèi)用昂貴，主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究；目前燃料電池雙極板的研究主要集中在柔性石墨雙極板(及注塑石墨雙極板)、金屬雙極板及復(fù)合雙極板。由于金屬材料具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、容易薄片化、易加工等優(yōu)點(diǎn)成為首選燃料電池雙極板材料之一，世界各大公司及研究單位紛紛進(jìn)行金屬雙極板的開發(fā)和研究。美國的氫能公司H-power(USpatent 5858567)采用的金屬雙極板材料為鈦材，雙極板在高溫真空內(nèi)進(jìn)行滲氮處理，鈦材表面形成一層致密的氮化鈦保護(hù)膜。這種表面處理可以有效的提高金屬的耐腐蝕性，但是它的表面處理時間太長，結(jié)構(gòu)比較為復(fù)雜，加工成本較高，無法大幅度地降低雙極板在燃料電池中的成本。中國大連化學(xué)物理研究所燃料電池組也采用金屬材料加工雙極板，利用線切割或電火花加工流場通道，加工成本較高，無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，極大地限制了他們的應(yīng)用。
目前，對金屬雙極板的研究很多，大多數(shù)集中在對金屬雙極板的表面改性方面，對金屬雙極板的加工方法的研究進(jìn)行的很少。沖壓技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，我們所常用的板式換熱器基本都采用此種技術(shù)，很多五金器件也利用沖壓方式進(jìn)行加工，但采用沖壓技術(shù)加工燃料電池雙極板的報道尚未發(fā)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法，該方法是利用薄金屬板為基材，采用沖壓技術(shù)加工燃料電池雙極板，加工簡單，易于大批量生產(chǎn)，制造費(fèi)用大幅降低，有助于推動金屬雙極板在燃料電池中的應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)，雙極板正反面分別對稱設(shè)置有燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道以及雙極板流場區(qū)；雙極板流場區(qū)中設(shè)有氣體流場溝槽和用于收集電流的流場凸臺，流場溝槽和流場凸臺交錯排布，雙極板正反對稱，正面的流場溝槽為背面的流場凸臺，正面的流場凸臺為背面的流場溝槽；沖壓雙極板的正反面均帶有放密封元件的密封槽，密封槽設(shè)置于燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道之間；雙極板的邊緣為凹凸對應(yīng)的交錯排布結(jié)構(gòu)，形成應(yīng)力釋放區(qū)。
所述流場溝槽與流場凸臺寬度的比例控制在1.5～1∶1，流場溝槽寬度控制在0.5～2mm，流場凸臺的寬度控制在0.5～1.5mm，流場溝槽溝槽深度或流場凸臺高度控制在0.1～1.0mm。
所述沖壓金屬雙極板的基材選用不銹鋼、鈦材、鈦合金材、鋁材或鋁合金材，基材厚度控制在0.1～1mm范圍內(nèi)。
所述沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)的制備方法，根據(jù)雙極板的設(shè)計要求加工沖壓雙極板模具，模具分上下兩個模具，加工完模具后，進(jìn)行雙極板的加工；首先利用裁剪機(jī)將金屬板剪切成一定尺寸大小的平板，再用銑床加工出氣體及冷卻介質(zhì)通道；然后將加工好的平板放入模具中利用油壓機(jī)加工沖壓金屬雙極板。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明提出一種利用沖壓方法加工燃料電池金屬雙極板方法，采用沖壓技術(shù)加工流場通道，利用模具批量進(jìn)行生產(chǎn)，雙極板成本大幅降低，其加工簡單，易于大批量生產(chǎn)，制造費(fèi)用大幅降低。
2、本發(fā)明雙極板的流場通道采用兩面對稱結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，利用沖壓技術(shù)加工的雙極板為純金屬雙極板，雙極板的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性很好。
3、本發(fā)明雙極板邊緣采用凹凸結(jié)構(gòu)，有效降低雙極板在沖壓過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。
4、本發(fā)明利用沖壓技術(shù)加工雙極板，由于所用金屬板很薄，雙極板的重量大幅降低。
5、本發(fā)明利用沖壓技術(shù)加工雙極板為凹凸結(jié)構(gòu)，可以有效提高雙極板的強(qiáng)度。


圖1為本發(fā)明沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為標(biāo)明凹凸結(jié)構(gòu)的沖壓雙極板結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖2中沖壓金屬雙極板側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為沖壓金屬雙極板內(nèi)部流場切面結(jié)構(gòu)示意圖(即圖2的A-A剖視圖)。
圖中，1為燃料氣體通道；2為氧化劑氣體通道；3為冷卻介質(zhì)通道；4為應(yīng)力釋放區(qū)；5雙極板流場區(qū)；6為流場溝槽；7為流場凸臺；8為密封槽；9為支撐臺；10為氣體分配頭。
具體實(shí)施例方式
1、沖壓金屬雙極板及材的選擇沖壓金屬雙極板基材的選擇包括基材種類的選擇和基材厚度的選擇。沖壓金屬雙極板的基材可以選用不銹鋼、鈦材(包括鈦合金)以及鋁材(包括鋁合金)；由于不同材料的機(jī)械強(qiáng)度及延展性能不同，所選擇的材料的厚度也有所不同，基材厚度一般控制在0.1～1mm范圍內(nèi)，考慮到基材的機(jī)械強(qiáng)度、重量等因素基材厚度最好控制在0.2～0.5mm之間。
2、沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計雙極板的結(jié)構(gòu)對燃料電池的性能影響很大；只有合理的雙極板結(jié)構(gòu)才能保證燃料電池性能的正常發(fā)揮。根據(jù)理論計算及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計出一種氣體分布均勻，結(jié)構(gòu)新穎，加工簡單的沖壓雙極板結(jié)構(gòu)。如圖1-2所示，雙極板中帶有燃料氣體通道1、氧化劑氣體通道2及冷卻介質(zhì)通道3，各通道之間有放密封元件的密封槽8。沖壓金屬雙極板的流場結(jié)構(gòu)采用凹凸結(jié)構(gòu)，流場中的凹陷部分為氣體在流場中流動的溝槽6，反應(yīng)氣體可以在溝槽中進(jìn)行流動和傳遞；流場中的凸起部分即流場凸臺7主要用于收集燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的電流，并將其傳到出去；為了保證氣體在流場中分配均勻，雙極板中帶有導(dǎo)致氣體分配均勻的氣體分配頭10；反應(yīng)氣體經(jīng)分配頭10后均勻地進(jìn)入到流場的各溝槽6中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，通過流場中的流場凸臺7將電流收集并傳到出去；流場中的溝槽6與流場凸臺7寬度的比例控制在1.5～1∶1，流場溝槽6寬度控制在0.5～2mm，最佳為0.6～1.2mm；流場凸臺7的寬度控制在0.5～1.5mm；最佳控制在0.5～1.0mm；流場溝槽6溝槽深度或流場凸臺7高度控制在0.1～1.0mm；最佳控制在0.3～0.8mm；同時考慮到金屬板在沖壓過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，因此在雙極板的邊緣為凹凸對應(yīng)的交錯排布結(jié)構(gòu)，從而形成了應(yīng)力釋放區(qū)4；由于雙極板的凹凸結(jié)構(gòu)提高了雙極板的機(jī)械強(qiáng)度。
3、沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計及沖壓雙極板的加工根據(jù)雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計沖壓雙極板的模具結(jié)構(gòu)；利用模具在一臺沖壓機(jī)床上進(jìn)行沖壓雙極板的加工。由于采用模具加工雙極板，雙極板加工速度很快，在很短的時間內(nèi)可以加工出結(jié)構(gòu)相同的雙極板雙十片，到數(shù)百片，極大地提高了雙極板的生產(chǎn)效率，降低了燃料電池雙極板的生產(chǎn)成本。
實(shí)施例1根據(jù)理論計算設(shè)計沖壓雙極板結(jié)構(gòu)，為了降低沖壓雙極板模具的加工難度，雙極板結(jié)構(gòu)采用正反對稱結(jié)構(gòu)，雙極板板材選用厚度為0.3mm的304不銹鋼；雙極板結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，雙極板中帶有燃料氣體通道1、氧化劑氣體通道2和冷卻介質(zhì)通道3以及氣體合理分配的流場結(jié)構(gòu)；雙極板流場區(qū)5中有氣體流場溝槽6，寬度為上寬1.2mm，下寬0.8mm，深度為0.6mm，反應(yīng)氣體可以進(jìn)行均勻分配和流動；雙極板流場區(qū)5中與流場溝槽6相連的是收集電流的流場凸臺7；雙極板流場區(qū)5采用正反對稱，流場正面的溝槽為背面的流場凸臺，正面的流場凸臺為背面的溝槽。沖壓雙極板的正反兩面都帶有密封槽8，密封槽寬2mm，深0.3mm，雙極板的邊緣為凹凸對稱的梯形應(yīng)力釋放區(qū)4；為了保證氣體在流場中分配均勻，雙極板中帶有導(dǎo)致氣體分配均勻的氣體分配頭10；根據(jù)雙極板的設(shè)計要求加工沖壓雙極板模具(模具分上下兩個模具)。加工完模具后，進(jìn)行雙極板的加工。首先利用裁剪機(jī)將金屬板剪切成一定尺寸大小的平板，再用銑床加工出氣體及冷卻介質(zhì)通道；然后將加工好的平板放入模具中利用油壓機(jī)加工沖壓金屬雙極板。加工出的雙極板基本達(dá)到設(shè)計要求，表面平整，機(jī)械強(qiáng)度高。由于金屬雙極板上帶有凹凸的溝槽，以及邊緣的應(yīng)力釋放區(qū)4，金屬板的強(qiáng)度有了很大的提高，避免了由于金屬板過薄導(dǎo)致在電池組中擠壓變形現(xiàn)象；由于雙極板采用模具化加工，加工出的雙極板外形尺寸保持一致，有利于電池組的組裝。由于采用非常薄的金屬板進(jìn)行加工雙極板，雙極板的重量和體積大大降低，提高了燃料電池的重量比功率和體積比功率；利用此模具加工雙極板，加工速度快，可以大批量地加工雙極板，極大地降低了雙極板的成本。
權(quán)利要求
1.一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)，其特征在于雙極板正反面分別對稱設(shè)置有燃料氣體通道(1)、氧化劑氣體通道(2)、冷卻介質(zhì)通道(3)以及雙極板流場區(qū)(5)；雙極板流場區(qū)(5)中設(shè)有氣體流場溝槽(6)和用于收集電流的流場凸臺(7)，流場溝槽(6)和流場凸臺(7)交錯排布，雙極板正反對稱，正面的流場溝槽為背面的流場凸臺，正面的流場凸臺為背面的流場溝槽；沖壓雙極板的正反面均帶有放密封元件的密封槽(8)，密封槽(8)設(shè)置于燃料氣體通道(1)、氧化劑氣體通道(2)、冷卻介質(zhì)通道(3)之間；雙極板的邊緣為凹凸對應(yīng)的交錯排布結(jié)構(gòu)，形成應(yīng)力釋放區(qū)(4)。
2.按照權(quán)利要求1所述沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述流場溝槽(6)與流場凸臺(7)寬度的比例控制在1.5～1∶1，流場溝槽(6)寬度控制在0.5～2mm，流場凸臺的寬度控制在0.5～1.5mm，流場溝槽(6)溝槽深度或流場凸臺(7)高度控制在0.1～1.0mm。
3.按照權(quán)利要求2所述，其特征在于所述流場溝槽(6)寬度控制在0.6～1.2mm；流場凸臺的寬度控制在0.5～1.0mm；流場溝槽(6)溝槽深度或流場凸臺高度控制在0.3～0.8mm。
4.按照權(quán)利要求1所述沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述沖壓金屬雙極板的基材選用不銹鋼、鈦材、鈦合金材、鋁材或鋁合金材，基材厚度控制在0.1～1mm范圍內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求4所述沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)，其特征在于所述基材厚度控制在0.2～0.5mm之間。
6.一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于根據(jù)雙極板的設(shè)計要求加工沖壓雙極板模具，模具分上下兩個模具，加工完模具后，進(jìn)行雙極板的加工；首先利用裁剪機(jī)將金屬板剪切成一定尺寸大小的平板，再用銑床加工出氣體及冷卻介質(zhì)通道；然后將加工好的平板放入模具中利用油壓機(jī)加工沖壓金屬雙極板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沖壓金屬雙極板結(jié)構(gòu)及其制備方法，雙極板正反面分別對稱設(shè)置有燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道以及雙極板流場區(qū)；雙極板流場區(qū)中設(shè)有氣體流場溝槽和用于收集電流的流場凸臺，流場溝槽和流場凸臺交錯排布，沖壓雙極板的正反面均帶有放密封元件的密封槽，密封槽設(shè)置于燃料氣體通道、氧化劑氣體通道、冷卻介質(zhì)通道之間；雙極板的邊緣為凹凸對應(yīng)的交錯排布結(jié)構(gòu)，形成應(yīng)力釋放區(qū)。該方法利用薄金屬板為基材，采用沖壓技術(shù)加工燃料電池雙極板，加工簡單，易于大批量生產(chǎn)，制造費(fèi)用大幅降低，有助于推動金屬雙極板在燃料電池中的應(yīng)用。
文檔編號H01M4/88GK1787261SQ200410082920
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者燕希強(qiáng), 徐洪峰, 侯明, 明平文, 衣寶廉 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所