專利名稱：空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)用新型是對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板的改進(jìn)，尤其涉及一種特別用于空
氣冷卻型電堆的金屬雙極板。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池，單節(jié)工作電壓僅為0. 6 0. 7V，要獲得有用的電壓，必須 將多節(jié)單電池串聯(lián)。連接兩相鄰單電池隔板稱為雙極板，雙極板不但需要向電堆內(nèi)電極提 供反應(yīng)物和在相鄰兩電極之間傳導(dǎo)電流，而且還擔(dān)負(fù)著排出電池生成水和反應(yīng)熱的作用。 良好的雙極板必須具有良好的電導(dǎo)率(> 10scm—"、導(dǎo)熱系數(shù)(> 20Wcm—10和氣密性 (< 10—4mbarCm3S—^m—2)。而電池內(nèi)部為酸性環(huán)境，需要有在酸性水氣、氧氣和熱條件下的耐 腐蝕性；同時(shí)，為降低電堆成本，提高功率密度，雙極板還要求材料便宜、加工成本低和體積 小重量輕的特點(diǎn)。 目前，雙極板主要有碳/石墨雙極板、復(fù)合雙極板和金屬雙極板。金屬雙極板因具 有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性、柔韌性和易加工性，已經(jīng)受到重視和關(guān)注。與石墨和復(fù)合材料相 比，金屬不存在氣密性問題，而且金屬板即使制作很薄也可以保證良好的機(jī)械強(qiáng)度，因而可 以極大降低電堆體積和重量，同時(shí)由于金屬具有較高的熱導(dǎo)率，電堆內(nèi)部溫度梯度小，也有 利于提高電堆內(nèi)部溫度的均勻性。因此利用金屬薄板例如不銹鋼板沖壓成型制備雙極板， 是近年研究熱點(diǎn)。 然而現(xiàn)有金屬雙極板，冷卻介質(zhì)流場為多為蛇形流場，例如中國專利CN1416184A 所述。蛇形流場流體阻力降較大，空氣冷卻電堆，冷卻風(fēng)壓相對(duì)較小，流體阻力降大，則氣 體流量小，冷卻效果不佳，基本不能用于空氣冷卻型電堆，所以基本都是用于以水作冷卻介 質(zhì)。 中國專利CN1787261公開的沖壓金屬雙極板，雙極板正反面分別對(duì)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)，其正反面均平行流場。中國 專利CN101290994公開的金屬雙極板，其結(jié)構(gòu)為在沖有平行流場的金屬陽極單極板、金屬 陰極單極板間設(shè)置有水框，水框內(nèi)填充有作為排熱的水流場拉伸金屬網(wǎng)。上述兩個(gè)專利僅 利用了金屬板一側(cè)流道，冷卻劑流場需要額外添加，增加了成本，也增加了組裝電池有厚 度，造成體積功率密度下降。且冷卻劑和空氣流道采用內(nèi)共用管道形式，無法應(yīng)用于風(fēng)扇冷 卻和供氣的空冷型電堆。 中國專利CN1996647公開的質(zhì)子交換膜燃料電池薄金屬雙極板，雖然在陰、陽極 板間省略冷卻流場，降低了組裝厚度，然而陰、陽極流場只利用了一側(cè)流道，陰極流場既作 為反應(yīng)氣流道也作為冷卻氣流道，雖然可用于空氣冷卻型電堆，但由于共用流場，導(dǎo)致冷卻 效果不佳。 上述不足仍有值得改進(jìn)的地方。
實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種可以同時(shí)利用兩面流道，
冷卻氣體有獨(dú)立流道，冷卻效果好的空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板。 實(shí)用新型目的實(shí)現(xiàn)，主要改進(jìn)是利用沖壓有橫向貫通的平形流場陰極板(氧單極
板)和蛇形流場或兩端匯集的縱向平行流場陽極板(氫單極板)，背對(duì)焊接或粘結(jié)組成雙極
板，兩片中間通道作為冷卻氣體流道，從而在不增加厚度條件下增加了單獨(dú)冷卻介質(zhì)流道，
提高了冷卻效果，因而可以適用于低風(fēng)壓的空氣冷卻型電堆，實(shí)現(xiàn)實(shí)用新型目的。具體說，
實(shí)用新型空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，包括金屬?zèng)_壓的橫向貫通平形流場陰極板，
和蛇形流場或兩端匯集平行流場陽極板，其特征在于陰、陽極板流場背向疊合，周面通過焊
接或粘結(jié)密封，兩極板背合面構(gòu)成冷卻介質(zhì)通道。 實(shí)用新型中 沖壓金屬板基材與現(xiàn)有技術(shù)相同，可以是不銹鋼、鈦材和鈦合金、鋁材和鋁合金等
薄板?；暮穸韧ǔＴ?. l-lmm左右。單極板流場深度0. 1 4mm，寬度為0. 1 3mm。 極板沖壓形成流場的相間凹凸寬度，可以等寬，也可以不等寬，實(shí)用新型尤以采用
使反應(yīng)氣流場寬度大于冷卻介質(zhì)流場寬度結(jié)構(gòu)為好，有利于提供足夠的反應(yīng)氣體。 沖壓形成的流場，其凸臺(tái)可以是連續(xù)的，也可以是間斷的。其中陰極板較好采用凸
臺(tái)連續(xù)結(jié)構(gòu)的平行流場，有利于冷卻介質(zhì)的快速通過，以提高冷卻效果；陽極板較好采用凸
臺(tái)間斷結(jié)構(gòu)，有利于增加封閉流道中的反應(yīng)面積。 陰極板和陽極板背向疊合，一種更好為使兩個(gè)流場極板上的流道方向正交，即陰 單極板流道方向與陽單極板流道方向垂直，此結(jié)構(gòu)形成的空氣流道短，有利于冷卻空氣的 快速通過，有利于提高冷卻效果。 此外，為減小金屬板接觸電阻和提高電池環(huán)境下的耐腐蝕性能，單極板在沖壓成 型后，可以采用表面處理方式，進(jìn)行良電導(dǎo)和耐腐涂層處理，例如化學(xué)鍍、電鍍和PVD、離子 注入等技術(shù)，在表面鍍履有改性層，例如貴金屬、氮化鈦或碳化鈦、鎳銅磷、CrxN層等。 實(shí)用新型空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，由于采用沖壓流道的兩片極板背向 結(jié)合，背向空間通道構(gòu)成冷卻介質(zhì)流場通道，使單極板兩面流場均得到了利用，增加了冷卻 介質(zhì)流道，使得在較低風(fēng)壓下仍可獲得較好的冷卻效果，能夠滿足低風(fēng)壓電堆空氣冷卻要 求。雖然氫氣側(cè)冷卻流道不連通，但電堆內(nèi)部存在溫度梯度，可以形成自然對(duì)流，封閉流場 冷卻介質(zhì)仍能因溫差流動(dòng)，因此也具有一定散熱效果。陰單極板采用沖壓橫向貫通平形流 場，流道長度短，流道阻力??；陽極板蛇形流場或兩端匯集縱向平行流場凸臺(tái)間斷結(jié)構(gòu)，增 加了氫氣反應(yīng)面積，有利于提高電池性能。陰單極板流道方向與陽單極板流道方向垂直，冷 卻流道短，有利于提高冷卻效果。兩個(gè)極板單片分別壓制組合，氫、氧單極板流場可以根據(jù) 需要分別優(yōu)化，更有利于電堆流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。不需額處增加冷卻流場，提高了電堆的體積 功率密度。 以下結(jié)合二個(gè)示例性實(shí)施例，示例性說明及幫助進(jìn)一步理解實(shí)用新型，但實(shí)施例 具體細(xì)節(jié)僅是為了說明實(shí)用新型，并不代表實(shí)用新型構(gòu)思下全部技術(shù)方案，因此不應(yīng)理解 為對(duì)實(shí)用新型總的技術(shù)方案的限定，一些在技術(shù)人員看來，不偏離實(shí)用新型構(gòu)思的非實(shí)質(zhì) 性增加和/或改動(dòng)，例如以具有相同或相似技術(shù)效果的技術(shù)特征簡單改變或替換，均屬實(shí) 用新型保護(hù)范圍。


[0018]圖1為凸臺(tái)連續(xù)陽極板正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為凸臺(tái)連續(xù)陰極板正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5-1為凸臺(tái)連續(xù)雙極板組合結(jié)構(gòu)剖面示意圖(圖1B-B位置)。圖5-2為凸臺(tái)連續(xù)雙極板組合結(jié)構(gòu)剖面示意圖(圖1C-C位置)。圖6為凸臺(tái)間斷陽極板正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為圖6A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為凸臺(tái)間斷陰極板正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為凸臺(tái)連續(xù)陰極板與凸臺(tái)間斷陽極板組裝結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1 :參見圖1-5，將雙極板用0. lmm不銹鋼薄板，分別沖壓有等寬凸臺(tái)連續(xù)的 平行流場陰極板l，流場深度lmm，寬度lmm，與等寬凸臺(tái)連續(xù)的蛇形流場陽極板2(深度、寬 度同前)，分別通過電鍍方法進(jìn)行表面鍍銀，將兩者流場背向焊接組合。區(qū)域A構(gòu)成反應(yīng)空 氣流道，區(qū)域B構(gòu)成氫氣流道，區(qū)域C和D構(gòu)成冷卻空氣流道。 實(shí)施例2 :參見圖3、4、6、7、10，將雙極板用不銹鋼薄板，分別沖壓有等寬凸臺(tái)連續(xù) 的平行流場陰極板1，與等寬凸臺(tái)間斷的蛇形流場陽極板4，分別通過PVD方法在表面形成 氮化鈦層，將兩者流場背向焊接組合。區(qū)域E構(gòu)成反應(yīng)空氣流道，區(qū)域F構(gòu)成氫氣流道，區(qū) 域G和H構(gòu)成冷卻空氣流道。 此外，陰單極板也可以沖壓成凸臺(tái)間斷結(jié)構(gòu)(圖8、9)，與凸臺(tái)間斷的蛇形流場陽 極板4，背向焊接組合。雖然其冷卻流道不連續(xù)，但增加了反應(yīng)氣流道面積，也可以提高冷卻 效果。 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在本專利構(gòu)思及具體實(shí)施例啟示下，能夠從本專利公 開內(nèi)容及常識(shí)直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的一些變形，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到也可采用其 他方法，或現(xiàn)有技術(shù)中常用公知技術(shù)的替代，以及特征間的相互不同組合，例如流道寬窄變 化，流道形式變化、極板基材改變，等等的非實(shí)質(zhì)性改動(dòng)，同樣可以被應(yīng)用，都能實(shí)現(xiàn)與上述 實(shí)施例基本相同功能和效果，不再一舉例展開細(xì)說，均屬于本專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，包括金屬?zèng)_壓的橫向貫通平形流場陰極板，和蛇形流場或兩端匯集平行流場陽極板，其特征在于陰、陽極板流場背向疊合，周面通過焊接或粘結(jié)密封，兩極板背合面構(gòu)成冷卻介質(zhì)通道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于單極板流場深 度0. 1 4mm，寬度為0. 1 3mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于極板上反 應(yīng)流場寬度大于冷卻介質(zhì)流場寬度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于陰極板為 凸臺(tái)連續(xù)的平行流場，陽極板為凸臺(tái)間斷結(jié)構(gòu)流場。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于疊合時(shí)陰 極板流道方向與陽極板板流道方向垂直。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于單極板沖 壓成型經(jīng)表面導(dǎo)電性和耐蝕性改性后，再疊合組合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述空氣冷卻型燃料電池堆金屬雙極板，其特征在于兩金屬極 板通過焊接組合。
專利摘要實(shí)用新型是對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池金屬雙極板的改進(jìn)，其特征是沖壓有流場的陰、陽極板背向疊合，周面通過焊接或粘結(jié)密封，兩極板背合面構(gòu)成冷卻介質(zhì)通道。使單極板兩面流場均得到了利用，增加了冷卻介質(zhì)流道，使得在較低風(fēng)壓下仍可獲得較好的冷卻效果，能夠滿足低風(fēng)壓電堆空氣冷卻要求，不需額處增加冷卻流場，提高了電堆的體積功率密度。
文檔編號(hào)H01M4/86GK201498551SQ20092023485
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月9日
發(fā)明者呂露, 孫佰文, 孟祥偉, 朱帥飛, 祝寶華, 談一波, 釗文科 申請(qǐng)人:江蘇新源動(dòng)力有限公司